DE19758214A1 - Optische Präzisionsmeßeinrichtung zur Bestimmung der Kantenposition, der Kantensteigung und der Rauhigkeitskenngrößen von unbewegten, sowie zur Bestimmung des Durchmessers, der Kreis- und Zylinderformabweichungen bei bewegten rotationssymmetrischen Werkstücken während des Fertigungsprozesses, indem das im Abstandssensor durch Laserbeleuchtung von Objektkanten entstehende zweidimensionale Fresnel'sche Beugungsbild nach Steigung, Dämpfung der Einhüllenden, der Ortsfrequenz und nach Höhenschichtlinien ausgewertet wird - Google Patents

Optische Präzisionsmeßeinrichtung zur Bestimmung der Kantenposition, der Kantensteigung und der Rauhigkeitskenngrößen von unbewegten, sowie zur Bestimmung des Durchmessers, der Kreis- und Zylinderformabweichungen bei bewegten rotationssymmetrischen Werkstücken während des Fertigungsprozesses, indem das im Abstandssensor durch Laserbeleuchtung von Objektkanten entstehende zweidimensionale Fresnel'sche Beugungsbild nach Steigung, Dämpfung der Einhüllenden, der Ortsfrequenz und nach Höhenschichtlinien ausgewertet wird

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Description

Optische Präzisionsmeßeinrichtung zur Bestimmung der Kantenposition, der Kantensteigung und der Rauhigkeitskenngrößen von unbewegten, sowie zur Bestimmung des Durchmessers, der Kreis- und Zylinderformabweichungen bei bewegten rotationssymmetrischen Werkstücken während des Fertigungsprozesses, indem das im Abstandssensor durch Laserbeleuchtung von Objektkanten entstehende zweidimensionale Fresnel'sche Beugungsbild nach Steigung, Dämpfung der Einhüllenden, der Ortsfrequenz und nach Höhenschichtlinien ausgewertet wird.
Zur direkten automatischen Qualitätssicherung bei Zerspan- und Schleifprozessen ist es not­ wendig, den Meßort in den Arbeitsraum der Bearbeitungsmaschine zu legen und die Mes­ sungen während der Bearbeitung durchzuführen, um so eine Abweichungskompensation schnell und direkt im Prozeß zu ermöglichen. Bei solchen Prozessen sind der Momentan­ durchmesser und die Oberflächenstruktur die entscheidenden Regelparameter eines geometrisch adaptiven Regelsystems.
Formabweichungen, die sich durch Maschinenschwingungen, Energieumsetzung beim Spanen (Temperaturgradienten im Material) oder in Abhängigkeit von der Krafteinleitung (Lager/Drehmeißel) als Kreis- und Zylinderformabweichung bemerkbar machen, sollen über die Messung des Momentandurchmessers und eines mittleren Durchmessers ermittelt werden können.
Die Im-Prozeß-Messung gestaltete sich bisher wegen der extremen Umgebungsbedingungen als sehr schwierig und nicht mit der notwendigen Genauigkeit und Auflösung durchführbar. Außerdem konnten die erforderlichen hohen Meßfrequenzen nicht erreicht werden. Man beschränkte sich daher auf Post-Prozeß-Messung, bei der die Qualitätssicherung durch Ent­ nahme von Stichproben erfolgte. Nach intensiver Reinigung der Werkstücke wurden diese sinnerhalb eines auf Raumtemperatur geregelten Meßraumes meist taktil gemessen. Die gewonnenen Ergebnisse und Erkenntnisse konnten erst nach großer Verzögerung in den Fertigungsprozeß zurückgeführt werden.
Mit der in Anspruch 1 kurz beschriebenen Erfindung ist es möglich, durch berührungslose optische Messung während des Fertigungsprozesses bei hohen Oberflächengeschwindigkeiten sehr schnell durch Auswertung eines zweidimensionalen Beugungsbildes Meßwerte über die Gestalt und Oberflächeneigenschaften des Werkstückes mit hoher Auflösung und Präzision zu erhalten. Dabei werden gleichzeitig infolge der berührungslosen Messung Verschleiß von Tastköpfen, bzw. des bearbeiteten Materials und große zufällige Meßabweichungen durch den Schmierfilm auf der Meßoberfläche (Aquaplaning-Effekt) vermieden. Die Ausgangssignale des neuen berührungslosen optischen Sensors liegen aufgrund einer Verarbeitung mit einem Signalprozessor sehr schnell zur Analyse vor. Ein PC-basierter Prozeßrechner übernimmt zum einen die Nachführung des Sensors und zum anderen, nach Kontrolle auf etwaige Ausreißer, die Ausgabe der Meßdaten über eine geeignete Schnittstelle zur Fertigungsregelung. Ein Festplattenspeicher dient der Datenaufzeichnung und Dokumen­ tation und erlaubt die Ermittlung statistischer Daten, die für die Qualitätssicherung von Be­ deutung sind.
Das Verfahren der berührungslosen Messung beruht auf der Auswertung des zweidimensio­ nalen Fresnel'schen Beugungsmusters, das beim Auftreffen eines monochromatischen, kohä­ renten und parallelen Laserstrahles 5 (Bild 1) auf eine Oberfläche entsteht. Das durch die Kombination aus einer CCD-Zeile 15 und einer CCD-Matrix aufgenommene Beugungsbild läßt dabei Rückschlüsse auf die Kantenstruktur zu.
Durch diametrales Verschieben der gesamten Sensoranordnung, Antastteil 1a und Sende- und Empfangsteil 1b, erreicht man den Beginn des Meßbereiches, wenn der Laserstrahl die Meßoberfläche trifft. Das Meßbereichsende ist erreicht, wenn das Meßobjekt den Strahlengang des Lasers vollständig durchlaufen hat. Das Beugungsbild steht in einer festen Beziehung zur Position des Meßobjektes im Strahlengang.
Der Sendeteil in 1b besteht aus einem durch Kapselung und Temperaturregelung in der Wellenlänge stabilisierten Halbleiterlaser 2. Die elliptische Strahlverteilung wird mit Hilfe einer Linsen/Prismenanordnung korrigiert. Durch diese Anordnung kann der Strahldurchmesser des ausgekoppelten Lichtes und damit der Arbeitsbereich des Sensors eingestellt werden. Über einen Umlenkspiegel 3 wird der Laserstrahl in das Antastsystem 1a gelenkt. Das Licht tritt in den Arbeitsraum über ein Austrittsfenster im Brewsterwinkel zur vereinfachenden Linearpolarisierung des Lichtes ein. Diese Fenster ist zur Vermeidung von Reflexen beidseitig antireflexbeschichtet. Das Interferenzfilter 6, entsprechend der gewählten Laserwellenlänge, dient als Eintrittsfenster für das Beugungsbild in das Antastgehäuse. Über Umlenkspiegel 7 und eine Beobachtungsoptik 8, kombiniert mit einem Raumfilter 9 in Form einer sehr kleinen Lochblende (<50 µm) zur Vermeidung von Störeinflüssen durch Specklerauschen oder Spiegelverschmutzung, wird das Licht in den Sende- und Empfangsteil 1b gelenkt.
Durch Einsatz eines teildurchlässigen Spiegels 11 zur Strahlteilung wird das Beugungsbild auf zwei optische Empfänger (Kanäle) abgebildet. Der eine Kanal besteht aus einer Blenden-Linsen-Anordnung 12 zur Einstellung der Auflösung und der Bereichsanpassung in Abhängigkeit des gewählten Laserdurchmessers und der CCD-Matrix 13. Diese Linse kann auch als Zylinderlinse ausgeführt werden, um die Auflösung nur in einer Richtung zu beeinflussen. Im zweiten optischen Kanal dient Linse 14 der Einstellung der Auflösung und der Bereichsanpassung in Abhängigkeit des Laserdurchmessers und der CCD-Zeile 15. Die Auflösung wird außerdem durch die Eigenschaften der beiden optischen Empfänger bestimmt.
Die schnelle Analyse der CCD-Zeilendaten nach Durchmesser und Kreisformabweichung ergibt sich nach Substraktion des Gleichlichtes durch Auswerten der Steigung, der Dämpfung der Einhüllenden und der Beschreibung im Ortsfrequenzraum mit Hilfe eines dynamischen Fensters zur Datenreduktion. Durch Parametrierung des Beugungsbildes wird eine Kompensation der Oberflächenkrümmung möglich.
Die Analyse der 2D-Daten der CCD-Matrix ergeben nach Gleichlichtsubstraktion die Rauhigkeit und Kantensteigung des Werkstückes. Neben den Informationen der Steigung und der Dämpfung der Einhüllenden werden die Höhenlinien in einer Spektralanalyse ausgewertet. Durch Verknüpfung der Ergebnisse beider Kanäle wird der Durchmesser mit den Werten der Rauhigkeitsmessung ergänzt. Die Meßunsicherheit für den Durchmesser wird auf diese Weise unabhängig von der Rauhigkeit des Werkstückes. Während der Drehung des Werkstückes werden durch Synchronisation mit den Messungen mit Hilfe eines Inkrementalgebers beliebige Punkte des Objektes analysiert, wodurch der Zylindermantel im Beobachtungsfeld präzis und reproduzierbar vermessen werden kann.
Um eine hohe Auflösung über einen sehr großen Meßbereich erzielen zu können, wurde ein Nachführverfahren mit einer Referenz in Form eines Glasmaßstabes oder eines Interferometers gewählt. Über diese Referenz wird der (ein optisch zweidimensional messender) Abstandssensor diametral zum Werkstück mit Hilfe eines Schrittmotors bewegt. Der Grundabstand wird dabei so elektronisch nachgeregelt, daß stets innerhalb des Meßbereiches des Abstandssensors gearbeitet wird.
Um den Einfluß von Anordnung und Lage der Führungsbahnen auf die Meßabweichungen möglichst gering zu halten, werden Präzisionsführungen und -lager in Anlehnung an Koor­ dinatenmeßmaschinen gewählt.
Der konstruktive Aufbau wurde dahingehend optimiert, daß ein sehr schnelles, aber hochsteifes Antastsystem 1a entsteht, das sowohl zum Messen in engen Nuten, als auch zum Einsatz innerhalb eines engen Arbeitsraumes geeignet ist. Das Antastteil 1a läßt sich beliebig austauschen und so an verschiedene Durchmesser oder Arbeitsumgebungen anpassen.
Umgebungstemperaturschwankungen bleiben durch Kapselung des Meßsystems, bei gleichzeitiger Regelung der Gehäuseinnentemperatur ohne merklichen Einfluß auf das Ergebnis. Durch Freiblasen mit an die Aufgabe angepaßten Hochdruckdüsen 17 und durch Verwendung von Gummiabweisern mit Abstreifern 16 wird die Meßoberfläche nahezu span- und schmierfilmfrei gehalten. Durch präzise Messung der Temperatur, des Druckes und des Wasserdampfpartialdruckes der umgebenden Luft im Antastbereich des Sensors werden, wie von Interferometermessungen her bekannt, die Schwankungen der Brechzahl von Luft mit Hilfe der Edlen-Formel korrigiert. [Edlen, Bengt, The refractive of Air, Metrologia, Vol. 2, No. 2, 1966].
Die in Anspruch 1 kurz beschriebenen Erfindung eignet sich wegen der Berücksichtigung von Kompensationsverfahren, Integration analytischer Verfahren und trickreicher konstruktiver Maßnahmen zum Einsatz als Im-Prozeß-Meßeinrichtung. Mit dieser Erfindung ist es möglich, durch berührungslose optische Messung während des Fertigungsprozesses bei hohen Oberflächengeschwindigkeiten sehr schnell durch Auswertung eines zweidimensionalen Beugungsbildes Meßwerte über die Gestalt und Oberflächeneigenschaften des Werkstückes mit hoher Auflösung und Präzision zu erhalten. Die Erfindung nach Anspruch 1 eignet sich daher als Meßeinrichtung innerhalb eines geometrisch adaptiven Regelkreises.

Claims (41)

1. Optische Präzisionsmeßeinrichtung zur Bestimmung der Kantenposition, der Kantensteigung und der Rauhigkeitskenngrößen von unbewegten, sowie zur Bestimmung des Durchmessers, der Kreis- und Zylinderformabweichungen bei bewegten rotations­ symmetrischen Werkstücken während des Fertigungsprozesses, indem das im Abstands­ sensor durch Laserbeleuchtung von Objektkanten entstehende zweidimensionale Fresnel'sche Beugungsbild nach Steigung, Dämpfung der Einhüllenden, der Ortsfrequenz und nach Höhenlinien ausgewertet wird.
2. Optische Präzisionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Abstandssensor über eine Referenzlänge verfahrbar ist.
3. Optische Präzisionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzlänge über einen Glasmaßstab mit inkrementaler Teilung bestimmt wird. .
4. Optische Präzisionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzlänge mit einem Interferometer bestimmt wird.
5. Optische Präzisionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstandssensor von einer Präzisionsverfahreinrichtung geführt wird.
6. Optische Präzisionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundabstand des Abstandssensors mit Hilfe eines elektronischen Reglers so nachgeführt wird, daß stets innerhalb des Meßbereiches des Abstandssensors gearbeitet werden kann.
7. Optische Präzisionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß systematische Fehler der Kantendetektion durch automatisches Kalibrieren der Referenz­ strecke ausgeschlossen sind.
8. Optische Präzisionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstandssensor aus einem sehr schmalen, aber hochsteifen Antastkopf zur Messung in räumlich beengter Umgebung und einem Sende- und Empfangsteil mit der integrierten Elektronik besteht.
9. Optische Präzisionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstandssensor aus zwei auf einer CNC-Maschine gefertigten Aluminiumblöcken besteht, die durch eine Verschraubung mit Paßstiften miteinander verbunden sind.
10. Optische Präzisionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß für das Gehäuse und die darin verschraubten Halterungen der optischen Elemente nur eine einzige Aluminiumlegierung verwendet wird, um durch Temperaturänderungen entstehende mechanische Spannungen auszuschließen.
11. Optische Präzisionsmeßeinrichtung nach Anspruch 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauteile nach der Fräsbearbeitung spannungsarm getempert sind.
12. Optische Präzisionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Sende- und Empfangsteil in einem gekapselten, temperaturstabilisierten Gehäuse integriert ist.
13. Optische Präzisionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß sich im Sende- Empfangsteil ein Halbleiterlaser mit Optik zu Korrektur der elliptischen Strahlverteilung befindet, dessen Strahl über Spiegel in das Antastsystem eingekoppelt wird.
14. Optische Präzisionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß sich die im Sende- Empfangsteil befindliche Optik zur Durchmessereinstellung des Laserstrahls eignet und darüber der Arbeitsbereich des Abstandssensors bestimmt wird.
15. Optische Präzisionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Halbleiterlaser zur Wellenlängenstabilisierung in einer gekapselten, tempera­ turgeregelten Halterung befindet.
16. Optische Präzisionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserhalterung zur Justage in fünf Freiheitsgraden verstellbar ist.
17. Optische Präzisionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennung der optischen Kanäle durch den Einsatz eines teildurchlässigen Spiegels erfolgt.
18. Optische Präzisionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die getrennten optischen Kanäle mit einer Kombination aus CCD-Zeile und CCD-Matrix ausgewertet werden.
19. Optische Präzisionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Kanal mit der CCD-Zeile zur sehr schnellen punktuellen Detektion der mo­ mentanen Kantenposition, zur Ermittlung des Durchmessers und der Kreisform­ abweichung dient.
20. Optische Präzisionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsbild des optischen Kanals mit der CCD-Zeile durch Differenzbildung vom Gleichlichtanteil befreit wird.
21. Optische Präzisionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsbild des optischen Kanals mit der CCD-Zeile mit der Steigung, der Dämpfung der Einhüllenden, und der Ortsfrequenz beschrieben wird, und in Verbindung mit einem Modell zur Berücksichtigung der Oberflächenkrümmung der präzisen Detektion der Werkstückkante dient.
22. Optische Präzisionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsbild des optischen Kanals mit der CCD-Zeile nach einer Fouriertransformation auch im Ortsfrequenzraum beschrieben wird.
23. Optische Präzisionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsbild des optischen Kanals mit der CCD-Zeile sehr schnell mit einem dynamischen Fenster (mathematisch) über wenige Beugungsordnungen ausgewertet wird.
24. Optische Präzisionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Kanal mit der CCD-Matrix zur 2D-Auswertung der Kantenstruktur: Steigung, Rauhigkeit und Zylinderformabweichung verwendet wird.
25. Optische Präzisionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsbild des optischen Kanals mit der CCD-Matrix durch Differenzbildung vom Gleichlichtanteil befreit wird.
26. Optische Präzisionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsbild des optischen Kanals mit der CCD-Matrix über die Höhenlinien, die Steigung und die Dämpfung der Einhüllenden ausgewertet wird.
27. Optische Präzisionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die ermittelten Höhenlinien im Beugungsbild des optischen Kanals mit der CCD-Matrix im Frequenzraum ausgewertet werden.
28. Optische Präzisionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß durch Verknüpfung der Ergebnisse beider Kanäle der Durchmesser mit den Werten der Rauhigkeitsmessung ergänzt und so die Meßunsicherheit für den Durchmesser von der Rauhigkeit des Werkstückes unabhängig wird.
29. Optische Präzisionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß bei Drehung des Objektes durch Synchronisation der Messungen mit Hilfe eines Inkrementalgebers beliebige Punkte des Objektes analysiert und der Zylindermantel im Beobachtungsfeld reproduzierbar vermessen wird.
30. Optische Präzisionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflösung der Messung von der Wahl der optischen Abbildung und der Wahl der optischen Empfänger abhängig ist.
31. Optische Präzisionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die CCD-Zeilenhalterung zur Justage in fünf Freiheitsgraden verstellbar ist.
32. Optische Präzisionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die CCD-Matrixhalterung zur Justage in fünf Freiheitsgraden verstellbar ist.
33. Optische Präzisionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Antastsystem je nach Durchmesserbereich ausgewechselt werden kann.
34. Optische Präzisionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Antastsystem den Laserstrahl zum Werkstück und das Beugungsbild zurück über Um­ lenkspiegel in das Empfangsgehäuse führt.
35. Optische Präzisionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Linearpolarisierung des Laserlichtes durch die Ausrichtung des Austrittsfensters im Brewsterwinkel erfolgt.
36. Optische Präzisionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß durch die beidseitige Antireflexbeschichtung des Brewsterfensters Reflexionen in beide Richtungen nahezu unterdrückt werden.
37. Optische Präzisionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Verwendung eines Interferenzfilters als Eintrittsfenster nur die relevante Wellenlänge des ausgesandten Laserlichtes ausgewertet wird.
38. Optische Präzisionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Integration eines Raumfilters entsprechend der Funktion eines optischen Tiefpaßfilters im Antastkopf der Einfluß von Specklerauschen der Spiegel-, der Fenster- und der Objektoberfläche unterdrückt werden.
39. Optische Präzisionsmeßeinrichtung nach Anspruch l bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Verwendung von zwei Druckluftdüsen am Antastsystem die Werkstückoberfläche staub- und schmierfilmfrei gehalten wird.
40. Optische Präzisionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Verwendung von zwei seitlich angeordneten, elastischen Gummiabweisern das Eindringen von Spänen, Staub und Kühlwasser verhindert wird.
41. Optische Präzisionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß sich durch Messung der Temperatur, des Drucks und des Wasserdampfpartialdrucks der Luft im Antastbereich des Sensors die Brechzahländerung mit der Edlenformel kompensieren läßt.
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