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Verfahren zur optischen Bestimmung von Texturrichtunn
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von Oberflächen auch zur Orientierung von Werkstücken mittels ihrer
Oberflächentextur Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optischen Bestimmung
von Texturrichtungen von Oberflächen relativ zu einem optischen Meßgerät, wobei
auch Relativrichtullgen von Oberflächentextur und Richtungselementen der Werkstückmakrogeometrie
bestimmt werden können.
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Die Erfindung macht sich zunutze, daß in vielen technischen oder Naturprodukten
die Oberflächenfeinstrukturiert sind, wobei die Strukturelemente auch statistisch
angeordnet sein können wie bei zum Beispiel geschliffenen oder gehobelten Oberflächen.
Meist haben auch statistiselue Oberflächen durch Vorzugsrichtungen von Bearbeitungsriefen
und dergleichen genauso wie Textilien oder W;llzl)l-odukte von Richtungen in der
Oberfläche abhängige statistisciie Verteilungsfunktionen mikrogeometrischer Merkmale.
I)iese bewirken bei der Streuung und Beugung des Lichtes, daß durch diese gewissermaßen
statistischen Gitter sich bevorzugte Beugungsrichtungen oder Streurichtungen durch
Interferenz ausbilden. Dabei sind die Winkelbeziehungen für die Streustrahlung im
umgekehrten Verhältnis zu den Längenbeziehungen zwischen den Strukturelementen,
so daß Licht bevorzugt in Schnittebenen, die senkrecht zu den Riefenrichtungen liegen,
durch Streuung und Beugung breit aufgespalten wird.
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damit markiert das Streulicht von anisotropen texturierten Oberflächen
zum Beispiel bei technischen Oberflächen die Richtung der Bearbeitungsriefen. Die
Richtung dieser Bearbeitungsriefen spielt sowohl für die Werkstückfunktion als auch
für die Orientierungserkennung, Handhabungs-und Verbindungstechniken eine wesentliche
Rolle. Die nachfolgend beschriebenen Verfahren - und Erfindungsgegenstände ollen
dazu dienen, teils unter visueller Kontrolle, teils durch automatisierbare fotoelektrische
Auswertung mit Hilfe der Anisotropie der Lichtstreuung die Richtungen der Bearbeitungsriefen
auf der Oberfläche relativ zum Meßgerät zu erlllitteln.Diese so ermittelten Richtungsbeziehungen
zwischen Stikra- und Makrogeometrie können zum Einen dazu dienen, il die Fertigungs-prozesse
regelnd einzugreifen, um funktionsabhängig notwendige Winkellagen zu erreichen.
Zum licsl)iel hangt die Dichtwirkung zwischen einem Kadialwellendicht ring und einer
geschliffenen zylindrischen Wellen-fläche von Betrag und Vorzeichen der Richtung
der Schleifriefen zur Umfangsrichtung ab,.da dieses eine Förderwirkung durch den
Schmierspalt hindurch infolge einer statistischen Links- oder Rec@sschraube bewirkt.
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Zum Anderen kann für Sortier-, Handhabungs- und Orientierungsvorgänge
beim Verbinden die Erfindung nutzbar gemacht werden, wenn aus der Kinematik des
Fertigungsvorganges oder vorangegangenen Werkstückuntersuchungen mit Hilfe der
daß
ein scharf berandetes beleuchtetes Objektfeld entsteht.
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Da die Aperturen der Streustrahlung wesentlich größer sind als die
Aperturen der Beleuchtunsstrahlen, ist es zweckmäßig, zumindestens die dem Objekt
( 6 ) zugewandten Bauteile der Beleuchtungseinrichtung an die Streustrahlungsaperturen
angepaßt zu dimensionieren, da diese dann auch zur Weiterleitung des Streulichtes
in die Analysenebene verwendet werden können. Es ist sogar inöglizh, in ein kleines
Flächenelement der Analysenebene ( 8 ) das Beleuchtungslich auf das Objekt ( b )
hingerichtet über einen kleinen Einkoppelspiegel (10) oder Lichtleitfaser einzuleiten.
Die Berandung der
| Analysenfläche bvt e I 1 t |
die Apert urg renzst rah en für die Streustrahlung dar. Bei Anleitung der Beleuchtungsstrahlung
in die Analysenfläche bleibt der dafür benötigte T:läcllenantcil klcin gegenüber
der gesamten Analyselliläche.
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ic gleiche optische Anordnung ist auch dazu geeigl1ct, die Orientierung
zwischen Meßgerät und Richtungselementen der makrogeometrischen Gestalt des Werkstücks
zu signalisieren.
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Dazu sind mehrere Methoden geeignct: a) durch reguläre Reflexion an
einem durch mechanische Aufnahmemittel (z.B. Spitzenpaaraufnahmen einer Welle) zum
Meßgerät orientierten Meisterstück mit zumindest annähernd spiegelnder Oberfläche
b)
Auswertung des Streulichtfeldes in der Analysenfläche bei definierter Richtung der
Bearb&itungsriefen zu - Richtungselementen der Makrogeometrie des Meisterstücks
c) Aufsetzen eines sich zu einer makrogeometrischen Fläche des Werkstücks eindeutig
ausrichtenden Hilfsmittels ,das Spiegelelemente trägt, deren reguläre Reflexionsrichtung
sich in der Analysenebene markiert, bzw. spiegelnde Beugungsgitter trägt, deren
Beugungsrichtungen sich durch Diffraktionspunkte in der Analysenebene markieren
d) Ausweet,ung eines mittels der Streustrahlung gewonnenen (6') (6) Bildes der Objektoberfläche
auf Verlagerung und Verzerrung der Berandungslinie (3") des ausgeleuchteten Objektfeldes3'.
Das kann dadurch erfolgen, daß ein der Analysen (1@) ebene nachgeschaltetes optisches
Hilfssystem ei-n Bild 6 der Objektoberfläche entwirft und dieses Bild bezüg-(42)
lich Lage und Verzeichnung mit Bezugsmarken verglichen wird.
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Die Dialyse der Symmetrieeigenschaften der in die Analysenebene projizierten
Lichtverteilung (13) der Streustrahlung ist durch mehrere, teils bekannte, teils
neue Methoden durchführbar. Alle zum visuellen /1 / wie photoelektrischen / 2 /
Zielen auf Strichmarken bekannten Verfahren lassen sich auf dieses Problem übertragen,
wenn die Strelichtverteilung zumindest in einem Teilfeld der Analysenfläche (8,8')
einer annähernd ebensymmetrischen IntensitStsverteilung gehorcht.
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Visuell sind dafür bekannt: a) Orientierung einer Strichmarke nach
Winkelmeßokular /1, S. 164, 165/ b) Zwischenschaltung optischer Bauglieder mit Symmetrieelementen
wie zum Beispiel Schnittbildprisma /1, S. 176/, achsensymmetrisches oder zentralsymmetrisches
Doppclbildprisma /1, S. 173, 177 - 179, 236/ c) bei ausgeprägt periodischer Textur
der Oberfläche ist die Ausnutzung der Moiré-Intereferenz /3/ zu einem definiert
orientierten Referenzgitter vorteilhaft.
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Zur photoelektrischen Erfassung der Symmetrieeigenschaften der Streustrahlting
wird entweder die Lichtverteilung durch zeilen-, kreisförmiges oder elliptisches
Abtasten in ein zeitserielles Signal zerlegt und auf zeitliche Symmetrien ausgeweTtet.
Das vorzugsweise periodische Abtasten erfolgt durch eine Relativbewegung zwischen
Streulichtverteilung (13) und den Linsenpaaren (16, 16a) der Analysenfläche (8)
in dem zum Beispiel ein bilddrehendes Dach- oder Doveprisma (15) über einen Torsionsschwinger
Drchbewegungen ausführt. Ein Maß für die gesuchte Texturrichtung liefert die Stellgröße
in einer Regclschleife für die Nachstellung des Schwingungsnullpunktes der Torsionsschwingung,
wobei der Nullwert der Stellgröße über ein Meisterstück mit definierter Winkellage
zwischen richtungsbestimmenden Elementen der Makrogeometrie und der Oberflächen-
texturrichtung
gewonnen wird. Zur Gewinnung der Regelsignale wird das durch die Teilflächen der
Analysenfläche ( bedeckenden Linsenpaare (16, 16a) hindurchtretende Licht au.
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in Differenz geschaltete Empfängerpaare (17, 17a) konzentriert. Die
Nulldurchgänge der Photodifferenzströme markieren die Winkelstellung der Dachkante
des Prismas bei Koinzidenz mit der Symmetrielinie der Streulichtverteilung C13).
Die Schwingungsnullage stimmt mit der Symmetrielinie überein, wenn die Auswertelektronik
Zeitgleichabständigkeit der Koinzidenzstellungen signalisiert. Wenn die Torsionslage
durch ein gleichstromproportinales Drehmoment, das zum Beispiel über eine Drehspule
im Permanentmagnetfeld angreifen kann, verstellt wird, so genügt es, das hochverstärkste,
tietpaßgefiltertetdie Zeitgleichheit signalisierende Rechtecksignal durch die Drehspule
zu leiten und den sich einstellenden Meßstrom im Proportional-Regelkreis zu messen.
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I)ic photoelektrische Erfassung der Symmetrieeigenschaften wird durch
über die gesamte Analysen£läche(8') mittelwertbildende Verfahren besonders sicher.
Ausgang für diese Mittelwertbildung ist die Anwendung der Korrelationsfunktion auf
die zwei-dimensionale Intensitätsverteilung, wobei im Gegensatz zum bekannten Verfahren
als
Korrelationsvariable ein Drehwinkel verwendet wird; d.h., die auf konzentrisch liegenden
Kreisen existierende Intensitätsfunktionen werden durch Rotation um den gemeinsamen
Mittelpunkt einem Autokorrelationsalgorithmus unterworfen, die Winkelabhängigkeit
der Korrelationsmaxima liefert die Symmetrieelemente der Lichtvcrteilung.
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Bei dieser Korrelation auf Kreisbahnen ist auch die Umkehrung zwischen
den beiden zu korrelierenden Funktionsfolgen möglich, was zu verbesserten Aussagen
bei unvollständigen Symmetrien in der Streulichtverteilung führt.
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Bei Objekten, deren Erzeugungsfläche durch eine mechanische Bewegung
nachvollzogen werden kann, ist es zur statistischen Absicherung der genannten Richtitngseignschaften
der Oberflächentextur zweckmäßig, innerhalb der Mittellungszeit des Meß- und Auswertesystems
eine statistisch repräsentative Oberflächenspur zyklisch durch das Beleuchtungsfeld
zu führen.
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Der größte Teil des Strahlenganges ist auch für die visueile Auswertung
der Objektorientierung zum Gerät zu verwenden. Klappt man das umlenkende flachprisma
mit seinem Torsionsschwinger aus dem Strahlengang heraus, so kann die dem Prisma
vorgeschaltete Linse, die mit Prisma die Flächen (8) und (8) zu einander konjugiert,
als Feldlinse eines Okulares (18) dienen, mit dem visuell die Strichmarke (12) mit
dem überlagerten Objektbild (b)
auf ihre Relativlage und Verzerrung
der Blendenbildkontur beurteilt werden kann.
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/1/ Räntsch, K: Die Optik in der Feinmeßtechnik, Hanseaerlag, München
1949, S. 108, 164/165, 173, 177 - 179, 236 /2/ Heinecke, K: Photoelektrisches Einfangen
von Strichmarken, Z. Feinwerktechnik 71 (1967), 11. 4, S. 160 - 166 /3/ Hock, F:
Moirétechnik, Stand und Entwicklungstendenzen Z. Maschinenmarkt 46 (1963), S. 23
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Erfindung die Richtung der Textur der Oberfläche zu Fichtungsbestimmenden
Elementen von Werkstücken bekannt ist. Ahnliche Dberlegungen gelten auch für innere
Strukture bei transparenten Werkstücken.
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Figur 1,la veranschaulichen für die beispielgebende Darstellullg die
Zusammenhänge.
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Zur Beurteilung der Richtungsverteilung von Streulicht ist es zweckmäßig,
auszunutzen, daß in einem optischen System Flächen realisierbar sind, in welchen
jedem Punkt hinter dem optischen Sytem eine Strahlrichtung vor dem System entspricht,
zum Beispiel bei einem Fernrohr in der Brennebene. Diese Eigenschaft ist davon unabhängig,
in welcher Stelle des Bündelquerschnittes, daß heißt von welcher Stelle der Objektoberfläche
her die Strahlung ausgeht. Daher ist es zweckmäßig, eine derartige Fläche als Anaiysenfläche
für die Richtungsverteilung des Streulichtes zu verwenden.
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Bei gekrümmten Objektoberflächen ändert sich bei paralleler Beleuchtung
die Beleuchtungsrichtung relativ zur Oberflächen normalen, so daß die Streulichterzeugung
und Bewertung für alle Oberflächenelementeunterschiedlich ausfiele. Daher wird die
Beleuchtungseinrichtung aus zwei Baugruppen (4, 4a, 5) zusammengesetzt, einer hinteren
(4, 4a), die eine parallele Beleuchtung für ebene Objekte liefert und einer austauschbaren
vorderen (5), Die auf das Krümmungszentrum (7) der zu bewertenden Fläche projiziert.
In der hinteren Baugruppe (4, 4a) befindet sich eine ebenfalls an das Objekt (6)
anpaßbare Blende (3), die einen verfloch tenen Strahlengang analog zur Köhlerschen
Beleuchtung der Mikroskopie in das Objektfeld so abbildet,