DE4401263C1

DE4401263C1 - Oberflächenprofilmessgerät

Info

Publication number: DE4401263C1
Application number: DE19944401263
Authority: DE
Inventors: Helge Dipl Ing Bohlmann; Horst Dr Bodschwinna
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-01-18
Filing date: 1994-01-18
Publication date: 1995-03-09
Anticipated expiration: 2014-01-19

Description

Die Erfindung betrifft ein Oberflächenprofilmeßgerät.

Eine Qualitätskontrolle feinbearbeiteter Oberflächen von Werkstücken ist erforderlich, damit gewährleistet werden kann, daß die Oberflächen erhöhten Funktionsanforderungen genügen. Qualitätskriterien sind Gestaltabweichungen, für die Meßverfahren und Meßgeräte zur Durchführung dieser Meßverfahren entwickelt wurden.

Ein gebräuchliches Verfahren zur Bestimmung von Gestalt abweichungen ist die Ermittlung des Oberflächenprofils entlang einer Meßstrecke mittels des Tastschnittverfah rens. Dieses Verfahren, das mit einem Tastschnittmeßgerät durchgeführt wird, bietet dem Fachmann zusätzliche Infor mationen zur Beurteilung der Oberflächenqualität eines Werkstückes im Vergleich z. B. zu einem integralen flä chenhaften Meßverfahren. Aus den Meßwerten des Oberflä chenprofils können darüberhinaus die Kenngrößen R_z und R_a nach DIN 4768 berechnet werden. Tastschnittmeßgeräte gibt es mit mechanischem und optischem Meßaufnehmer, wobei jedoch die Berechnung der Kenngrößen nach DIN 4768 und DIN 4776 ein mit dem mechanischen Meßaufnehmer gemessenes Profil voraussetzt.

Wie in W. Hillmann, "Surface Profiles Obtained by Means of Optical Methods - Are They True Representations of the Real Surface?", Annals of the CIRP Vol. 39/1/1990, S. 581 -583 beschrieben, haben Kontrolluntersuchungen mit Ra sterelektronenmikroskopen, die wegen ihres hohen Aufwan des jedoch nur für Grundsatzuntersuchungen in Frage kom men, gezeigt, daß Tastschnittmeßgeräte mit mechanischer Tastung das wahre Profil am genauesten wiedergeben kön nen. Tastschnittmeßgeräte mit optischem Meßaufnehmer hin gegen täuschen besonders bei feinbearbeiteten Oberflächen metallischer Werkstücke eine größere Rauheit als tatsäch lich vorhanden vor.

Wie aus den Veröffentlichungen R. Brodmann, "Ein neuer optischer Feintaster und seine Anwendung", Technische Rundschau Bern, 79, (1987) 39, S. 64-66 und H. Bod schwinna, G. Kersten, "Möglichkeiten und Grenzen derzei tiger optischer Rauheitsmeßsysteme", Gastvortrag zur In formationstagung 1991 der FVA in Bad Soden, entnehmbar, sind optische Effekte, hervorgerufen durch scharfe Kanten oder hochreflektierende polierte Flächen mit Neigungswin keln größer 10 Grad, sowie Beugung an feinen Oberflächen details, Mehrfachreflexionen, die Wirkung der Oberfläche als mikrooptische Bauelemente hierfür die Ursache. Die Fokusdetektoren erhalten Fehlinformationen oder keine In formationen, so daß eine genaue Nachführung des Objektivs nicht möglich ist, sondern Lageveränderungen des Objek tivs bei der Suche nach der exakten Fokussierung kurzwel lige Signalanteile liefern, die die wahre Wiedergabe des Oberflächenprofils verfälschen.

Solange die Amplitude dieser Signalanteile klein gegen über der Amplitude der die Tiefe des wirklichen Oberflä chenprofils wiedergebenden Signalanteile ist, kann dies bei der Profilauswertung akzeptiert werden. Wie Ver gleichsmessungen zwischen Tastschnittmeßgeräten mit mechanischem und optischem Meßaufnehmer gezeigt haben, ist dies bei gedrehten, gefrästen und auch noch bei relativ grobgeschliffenen Oberflächen der Fall.

Bei einem feingeschliffenen Werkstück hingegen zeigen Vergleichsmessungen zwischen Tastschnittmeßgeräten mit mechanischem und optischem Meßaufnehmer, daß bei der optischen Messung die Amplitude der Störsignalanteile in der gleichen Größenordnung wie die Amplitude der die Tiefe des wirklichen Oberflächenprofils wiedergebenden Signalanteile liegt. Die Hauptmerkmale des Profilverlaufs lassen sich dem optisch gemessenen Signal nur noch mit Mühe entnehmen. Nach einer Filterung des Signals der optischen Messung mit einem Tiefpaßfilter werden zwar die Hauptprofilmerkmale deutlicher, die Auflösung von Ober flächendetails nimmt im Vergleich zur mechanischen Mes sung aber ab.

Die mechanische Messung des Oberflächenprofils mittels berührender Taster verursacht besonders bei fertigungsna her Messung durch Erschütterungen, elastische oder pla stische Verformungen der Oberfläche oder Beschädigungen der Abtastspitze Verfälschungen der Meßergebnisse, die sich besonders an feinbearbeiteten Oberflächen bemerkbar machen können. Darüberhinaus können plastische Verformun gen der Oberfläche durch die Abtastspitze auch die Quali tät der Oberfläche des Werkstückes selbst beeinträchti gen.

Aus der DE 37 19 422 C2 ist eine Vorrichtung zur berüh rungsfreien Abtastung einer Kontur einer Oberfläche eines Werkstückes längs eines Meßweges bekannt. Die Vorrichtung umfaßt einen Meßkörper mit einem Fokuslagenmeßsystem und einem Interferometer. Der Absolutabstand zwischen dem Meßkörper und der Oberfläche des Werkstückes wird durch Addition der Ausgangssignale des Fokuslagenmeßsystems und des Interferometers gewonnen und zur Anzeige gebracht. Eine Filterung der Ausgangssignale ist nicht vorgesehen.

Außerdem ist aus der DE 38 09 448 A1 ein Verfahren zur Auswertung der Bildinformation bei einer optischen Ober flächenkontrolle mittels eines elektronischen Abtast systems bekannt. Die digitale Bildinformation, die durch Bildpunkte unterschiedlicher Helligkeit repräsentiert wird, wird dabei derart gefiltert, daß ein Untergrundbild mit geglättetem Helligkeitsverlauf entsteht. Durch an schließende Subtraktion des Untergrundbildes vom Origi nalbild ergibt sich ein Bild, das nur noch starke Hellig keitsschwankungen enthält. Diese Helligkeitsschwankungen werden als Fehlstellen der untersuchten Oberfläche inter pretiert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Oberflä chenprofilmeßgerät der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß für optisch gemessene Profile nähe rungsweise Auswerteergebnisse erzielt werden können, wie bei einer Messung und Auswertung mit mechanischem Meßaufnehmer.

Diese Aufgabe wird bei einem Oberflächenprofilmeßgerät durch die angegebenen Merkmale gelöst.

Zur Lösung der Aufgabe wurde zunächst versucht, die Ei genschaften des in der Veröffentlichung H. Bodschwinna, G. Kersten, "Möglichkeiten und Grenzen derzeitiger opti scher Rauheitsmeßsysteme", Gastvortrag zur Informationsta gung 1991 der FVA in Bad Soden beschriebenen Tiefpaßfil ters zu verändern. Von dem kurzwelligen Charakter der Störsignale ausgehend war es angezeigt, ein Maß für die Grenzfrequenz und Flankensteilheit des Tiefpaßfilters zu finden, das für Oberflächen mit einer bestimmten Rauhig keit optimale Ergebnisse liefert. Es zeigte sich jedoch, daß hierin - von guten Ergebnissen bei ganz speziellen Profilen ohne abrupte Konturänderungen einmal abgesehen - keine generelle Lösung zu finden ist.

Überraschend wurde herausgefunden, daß das Verhältnis der Amplitudenspektren einer Vielzahl mechanisch und optisch gemessener Profile einer Gesetzmäßigkeit unterliegt, die es für statistische Amplitudenspektren mechanisch und op tisch gemessener Profile ermöglichen würde, eine Übertra gungsfunktion für ein Filter anzugeben, das das statisti sche Amplitudenspektrum eines optisch gemessenen Profils in ein statistisches Amplitudenspektrum überführt, das demjenigen eines mechanisch gemessenen Profils gleicht. Obwohl statistische Angaben für den konkreten Einzelfall nur geringen Aussagewert haben, zeigte sich, daß ein nach statistischen Werten bemessenes Filter für alle einzelnen optisch gemessene Profile eine Umsetzung der Meßwerte er möglicht, die näherungsweise den Ergebnissen einer norm gerechten Messung und Auswertung mit mechanischem Taster entsprechen.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die spek trale Übertragungsfunktion H_OM(z) des Filters näherungs weise durch ein gebrochenrationales Polynom mit Filterko effizienten a₁, . . . , a_na, b₁, . . . b_nb als

dargestellt ist, wobei die Koeffizienten von Zähler und Nenner aus einer Mehrzahl von mechanischen und optischen Vergleichsmessungen an Profilen ermittelt werden.

Das Filter läßt sich so in einfacher Weise als digitales Filter mittels eines programmgesteuerten Rechners reali sieren, für den Programmiersprachen mit Filterfunktionen, die lediglich durch die Angabe von Filterkoeffizienten spezifiziert werden müssen, verfügbar sind. Vorhandene optische Tastschnittmeßgeräte lassen sich daher ohne speziellen apparativen Aufwand für die Profilmessung an z. B. feinbearbeiteten Oberflächen von Werkstücken verwenden.

Vorzugsweise ist die Ordnungszahl des Filters entspre chend der Anzahl der Filterkoeffizienten gerade so groß, daß die Abweichungen der aus dem optisch gemessenen und gefilterten Profil bestimmten Kenngrößen R_z und R_a nach DIN 4768 von den aus dem mechanisch gemessenen Profil bestimmten Kenngrößen R_z und R_a nach DIN 4768 derselben Meßstrecke jeweils kleiner als 20% sind.

Da die optische Messung nur Ergebnisse erzielt, die denen einer mechanischen Messung angenähert sind, würde eine Berechnung nach der an Hand von Vorversuchen exakt ermit telten Übertragungsfunktion einen gemessen an der erziel baren Übereinstimmung mit der mechanischen Messung nicht gerechtfertigten Zeit- und Rechenaufwand darstellen. Die Übereinstimmung wird daher auf das Maß beschränkt, was als Abweichung auch für mechanische Messungen toleriert werden kann. Dadurch ist der Zeit- und Rechenaufwand begrenzt, wodurch die Berechnungen der aus den gemessenen Signalen ermittelten gefilterten Signale auch noch mit einfacheren Rechnern und dadurch wirtschaftlich möglich ist.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung er läutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines optischen Meßaufnehmers eines Ober flächenprofilmeßgerätes mit einem Filter nach der Erfindung,

Fig. 2 eine grafische Darstellung eines me chanisch gemessenen Profils eines fein geschliffenen Rauhnormals,

Fig. 3 eine grafische Darstellung eines op tisch gemessenen, ungefilterten Pro fils desselben Rauhnormals,

Fig. 4 eine grafische Darstellung des op tisch gemessenen, aber gefilterten Profils desselben Rauhnormals,

Fig. 5 eine grafische Darstellung der Ampli tudenspektren der Ortsfrequenzen der Meßwerte für die in Fig. 2 und 3 ge zeigten Darstellungen,

Fig. 6 eine grafische Darstellung des Ver hältnisses der in Fig. 5 gezeigten Amplitudenspektren und

Fig. 7 eine Tabelle der Kennwerte R_z und R_a für die Profile gemäß der Darstel lungen in Fig. 2, 3 und 4.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines optischen Meßaufnehmers 10 eines Oberflächenprofilmeß gerätes mit einem Filter 26 nach der Erfindung. Der Meßaufnehmer 10 stimmt im Aufbau weitgehend mit in Compakt-Disc-Geräten üblichen Abtastern überein. Das Licht einer Infrarot-Laserdiode 12 wird durch einen Kollimator 14 zunächst parallel ausgerichtet und dann durch ein Objektiv 16 auf die zu messende Oberfläche 18 fokussiert. Der auf der Oberfläche 18 entstehende Leucht fleck wird durch denselben Strahlengang in umgekehrter Richtung über einen Strahlenteiler 20 geführt und auf ei nem Fokusdetektor 22 abgebildet.

Liegt der Fokus exakt auf der zu messenden Oberfläche 18, sind alle Fotodioden des Fokusdetektors 22 gleichmäßig beleuchtet und das Fokusfehlersignal ist gleich Null. Verschiebt sich Fokus in vertikaler Richtung, so ver schiebt sich der Schwerpunkt der Lichtstrahlung auf den Dioden des Fokusdetektors 22 ebenfalls. Das aus den un terschiedlichen Diodenströmen abgeleitete Fokusfehlersi gnal wird zur automatischen Fokussierung ausgenutzt, in dem es zur Nachführung des Objektivs 16 verwendet wird. Die Objektivlage folgt so jeder Höhenänderung in der zu messenden Oberfläche 18.

Mit dem Objektiv 14 ist ein Objektivlageaufnehmer 24 ver bunden, dessen Ausgangssignal den Lageänderungen des Ob jektivs 16 folgt. Dieses Ausgangssignal wird einem Filter 26 mit der Filterfunktion h_OM(n) zugeführt. Beim Durch laufen des Filters 26 wird das optisch gemessene Profil y_o(n) mit der Filterfunktion h_OM(n) gefaltet. Allgemein bezeichnet man als Faltung zweier Funktionen f₁(t) und f₂(t) das Integral

Die Filterfunktion h_OM(n) wird so gewählt, daß sich als Ausgangsgröße die Näherung y′_m(n) für das auf derselben Meßstrecke mechanisch gemessene Profil y_m(n) ergibt.

Die spektralen Übertragungseigenschaften der Filterfunk tion h_OM(n) werden mit Hilfe der z-Transformierten als

beschrieben, indem man durch Einsetzen der komplexen Variablen z = e^jw die Übertragungsfunktion in Abhän gigkeit von der Ortsfrequenz w angibt:

Da der Faltung im transformierten Bereich die gewöhnliche Multiplikation entspricht, kann die Filterung mit Hilfe der z-Transformation so beschrieben werden, daß das in den Spektralbereich Y_o(z) transformierte optisch gemes sene Profil y_o(n) mit der spektralen Übertragungsfunktion H_OM(z) des Filters 26 multipliziert wird und sich daraus die gesuchte Näherung für das auf derselben Meßstrecke in den Spektralbereich Y′_m(z) transformierte mechanisch ge messene Profil y′_m(n) ergibt.

In den Fig. 2, 3 und 4 ist eine grafische Darstellung der Profile eines feingeschliffenen Rauhnormals dargestellt und zwar in Fig. 2 das mechanisch gemessene Profil, in Fig. 3 das optisch gemessene, ungefilterte Profil und in Fig. 4 schließlich-das optisch gemessene gefilterte Pro fil.

Das in Fig. 2 dargestellte mechanisch gemessene Profil zeigt, wie rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen ergeben haben, die größte Ähnlichkeit mit dem wahren Pro fil.

Demgegenüber ist die Darstellung gemäß Fig. 3 verfälscht. Die verfälschte Profilwiedergabe durch optische Messung wird besonders im Profilspitzenbereich deutlich, wie der Vergleich einzelner markanter Profilelemente, die durch Pfeilmarkierungen hervorgehoben sind, zeigt. Die Verfäl schungen sind so groß, daß nur noch die groben Hauptmerk male des Profilverlaufs des mechanischen Tastschnittver fahrens zu erkennen sind und viel zu große Rauhtiefen vorgetäuscht werden. Für die wichtigen Werte der Kenngrö ßen R_z und R_a nach DIN 4768 ergeben sich deshalb für diese Profile unterschiedliche Werte. Die R_z- bzw. R_a- Werte des optisch gemessenen Profils sind gegenüber denen des mechanisch erfaßten Profils fast 65% bzw. 50% grö ßer, wie die in der in Fig. 7 dargestellten Tabelle wie dergegebenen Werte zeigen.

In Fig. 5 ist eine grafische Darstellung der Amplituden spektren der Ortsfrequenzen der Meßwerte für die in Fig. 2 und 3 gezeigten Darstellungen wiedergegeben. Besonders für Ortsfrequenzen f < 75 mm^-1 sind die Amplitudenanteile des optisch gemessenen Profils größer als die des mecha nisch erfaßten Profils.

Eine grafische Darstellung des Verhältnisses der in Fig. 5 gezeigten Amplitudenspektren zeigt Fig. 6. Dieses Ver hältnis, das ausgedehnt auf eine Vielzahl von Messungen erfindungsgemäß die Übertragungsfunktion des gewünschten Filters angibt, zeigt bereits qualitativ eine Gesetzmä ßigkeit der Amplitudenspektren und der sich daraus erge benden Übertragungsfunktion für das Filter. Die gesuchte Übertragungsfunktion ist für einen sehr schmalen Ortsfre quenzbereich näherungsweise 1, fällt für höhere Ortsfre quenzen ab, aber wird niemals Null.

Um ein an die spektralen Eigenschaften der Profile ange paßtes Filter zu erhalten, wird die Übertragungsfunktion durch ein gebrochen rationales Polynom mit den Filterko effizienten a₁, . . . ,a_na, b1, . . . b_nb als

dargestellt.

Eine empirische Möglichkeit zur Bestimmung der Filterko effizienten besteht darin, zunächst die Signale des Pro fils eines Bezugswerkstückes mechanisch zu messen, die Signale über ein Filter zu leiten und die Filterkoef fizienten so zu wählen, daß als Ausgangssignal weißes Rauschen entsteht. Danach wird dieselbe Meßstrecke op tisch gemessen, die auf genommenen Signale wieder über ein Filter geführt und die Filterkoeffizienten so einge stellt, daß sich für die Signale des optisch gemessenen Profils wieder weißes Rauschen ergibt. Der Quotient der so empirisch bestimmten Übertragungsfunktionen ergibt die gewünschte Übertragungsfunktion des Filters für das er findungsgemäße Oberflächenprofilmeßgerät.

Die sogenannten Weißfilter ("whitening filter") können mit Hilfe aus der Literatur bekannter Verfahren bestimmt werden, z. B. Candy, I.V. "Signal Processing, A Modern Approach", Mc Graw Hill 1988. Sie werden auch Prä diktionsfehlerfilter genannt und beschreiben ein Signal mit farbigem Spektrum durch ein AR- (autoregressiv) Modell. In diesem Fall wird eine große Anzahl von Ver gleichsmessungen mit einem mechanischen und einem opti schen Meßaufnehmer benötigt, um eine statistisch reprä sentative Übertragungsfunktion H_OM(z) zu bestimmen.

Fig. 4 zeigt eine grafische Darstellung des optisch ge messenen gefilterten Profils desselben Rauhnormals. Der Vergleich mit Fig. 2 macht deutlich, daß die Ähnlichkeit mit dem mechanisch gemessenen Profil sehr hoch ist. Der Profilspitzenbereich stimmt im Gegensatz zur Darstellung in Fig. 3 wesentlich mehr mit der in Fig. 2 überein.

Auch die Differenzen der an den beiden Profilen berechne ten Kennwerte, wie sie in der Tabelle gemäß Fig. 7 darge stellt sind, sind gering. Die Differenzen der berechneten Kennwerte, die am gefilterten, optisch gemessenen und am mechanisch erfaßten Profil bestimmt werden sind kleiner als acht Prozent: Dies ist die Differenz, die von der Physikalisch Technischen Bundesanstalt bei der Auswertung dieser Kenngrößen an Profilen dieses Rauhnormals zuge lassen ist.

Die Anzahl der Filterkoeffizienten bzw. die Ordnungszahl des Filters kann somit auf den Wert begrenzt werden, der eine Übereinstimmung innerhalb der Zwanzigprozent-Grenzen der Kenngrößen R_z und R_a zwischen dem optisch gemessenen, gefilterten Profil und dem mechanisch gemessenen Profil noch gerade zuläßt.

Wenn die Voraussetzung erfüllt ist, daß die Übertragungs funktion des Filters an die spektralen Eigenschaften der zu messenden Oberflächenprofile weitgehend angepaßt ist, ist eine Auswertung mit nahezu normgerechten Auswerteer gebnissen möglich. Ein besonderer Vorteil ist, daß auch bei feinbearbeiteten Profilen eine berührungslose opti sche Messung des Oberflächenprofils fertigungsnah möglich ist.

Claims

1. Oberflächenprofilmeßgerät mit einem die Oberfläche (18) eines Werkstückes in einem Profilschnitt erfassenden optischen Meßaufnehmer (10) mit einem Fokusdetektor (22) und einem Objektivlageaufnehmer (24), der ein Ausgangs signal abgibt, das der Höhenkoordinate des Profils ent spricht und einem kurzwellige Signalanteile dämpfenden Filter (26) zugeführt wird, das eine spektrale Übertra gungsfunktion H_OM(z) aufweist, die durch einen in Vorver suchen bestimmten Quotienten Y_m(z)/Y_o(z) aus einem in den Spektralbereich Y_m(z) transformierten, mechanisch gemes senen Profil y_m(n) und einem in den Spektralbereich Y_o(z) transformierten, optisch gemessenen Profil y_o(n) dersel ben Meßstrecke eines Bezugswerkstückes gebildet ist.

2. Oberflächenprofilmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die spektrale Übertragungsfunktion H_OM(z) des Filters (26) näherungsweise durch ein gebro chenrationales Polynom mit Filterkoeffizienten a₁, . . . ,a_na, b₁, . . . b_nb als dargestellt ist, wobei die Koeffizienten von Zähler und Nenner aus einer Mehrzahl von mechanischen und optischen Vergleichsmessungen an Profilen ermittelt werden.

3. Oberflächenprofilmeßgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ordnungszahl des Filters (26) entsprechend der Anzahl der Filterkoeffizienten gerade so groß ist, daß die Abweichungen der aus dem optisch gemes senen und gefilterten Profil bestimmten Kenngrößen gemit telte Rauhtiefe R_z und arithmetischer Mittenrauhwert R_a nach DIN 4768 von den aus dem mechanisch gemessenen Profil bestimmten Kenn größen R_z und R_a derselben Meßstrecke jeweils kleiner als 20% sind.