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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Diese Erfindung bezieht sich auf
ein Verfahren zur Oberflächenrauigkeitsmessung
unter Verwendung einer Lichtleitfaser-Sonde, genauer auf ein effektives
Verfahren zur Online-Oberflächenrauhigkeits-Überwachung
in verschiedenen Bearbeitungsprozessen.
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Stand der Technik
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Oberflächenrauigkeitsüberwachung
ist ein wichtiger Aspekt der Qualitätssicherung von Herstellungsprozessen.
Daneben kann Oberflächenrauigkeit
auch verwendet werden als ein Indikator zum Diagnostizieren von
Verschleißfaktoren,
wie Werkzeugverschleiß und
ebenso wie Schwingungen eines Bearbeitungsprozesses.
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Die neueste Entwicklung von Bearbeitungswerkzeugen
erreicht höhere
Genauigkeit und höhere
Produktivität
durch Nutzen von hoher Geschwindigkeit und intelligenten Funktionen.
Dies erlaubt einen integrierteren Bearbeitungsvorgang in einem einzelnen
Prozess mit kürzerer
Bearbeitungszeit. Da hochentwickelte Geometrie in einer kurzen Zeit
maschinell hergestellt werden kann, ist es wichtig, die Qualität des maschinell hergestellten
Werkstücks
zu überprüfen und
den Bearbeitungsprozess direkt nachdem das Werkstück vom Bearbeitungsprozess
herauskommt und bevor es zum nächsten
Prozess geht, zu prüfen.
Um eine zeiteffiziente Produktion zu realisieren und eine Qualitätskontrolle
durchzuführen
während
des Einhaltens der höchstmöglichen
Produktivität,
auf einer hohen Ge schwindigkeit, ist ein Qualitätsüberwachungssystem online oder innerhalb
des Prozesses entscheidend.
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Von diesem Standpunkt aus wird ein
Lichtleitfaser-basiertes kontaktloses Oberflächenrauigkeitsmessungsverfahren
vorgeschlagen, welches einfach ist, schnell und einfach zu implementieren
ist, und um Online-Messung einfach durchzuführen.
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Das Lichtleitfaser-Verfahren wurde
vorgeschlagen von A. W. Domanski, M. A. Karpierz et al. im Jahre 1986
(A. W. Domanski, M. A. Karpierz, T. J. Rzysko, 1986, The method
of surface roughness measurement with application of optical fibers,
SPIE, Bd. 670, Optical Fibers and Their Application N, 119–122). In
deren System sollte Licht von einer Diode mit geringer Kohärenz in
eine Multimode-Faser gekoppelt werden, wobei eine detektierende
Multimode-Faser symmetrisch gehalten wird. Basierend auf einigen
Annahmen, wie eine bestimmte Art eines Oberflächenmodells etc., und einiger
Vereinfachungen, kann eine einfache Beziehung zwischen der Intensität des Streulichts
und bestimmter Rauhigkeitsparameter, wie ein RMS-Rauhigkeitskoeffizient
Rq, theoretisch und experimentell erlangt werden.
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Im gleichen Jahr schlugen A. W. Domanski,
W. Ejehart et al. ein anderes Lichtleitfaser-Verfahren vor (A. W.
Domanski, W. Ejehart et al., 1986, The fiber-optic instrument for
extremely small roughness measurement, SPIE, Bd. 670, Optical Fibers
and Their Applications N, 116–118).
Dieses Verfahren arbeitet im Bereich einer durchschnittlichen Profilabweichung
20 nm < Ra < 150 nm. In diesem
Verfahren wird Licht durch die Faser an die Oberfläche geleitet
und wird durch eine andere Faser analysiert, welche in einer Brennebene
der Linse fixiert ist. Dieses Verfahren wird verwendet, um die Grundplatte
in mikroelektronischen Halbleitertechniken zu überprüfen. Da die Amplitude des gemessenen
Signals sehr von den Reflexionseigenschaften des Materials, aus
dem die Oberfläche
gemacht ist, abhängt,
wird eine Kalibrierung benötigt.
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Im Jahr 1989 schlugen A. W. Domanski,
T. R. Wolinski et al. ein Lichtleitfaser-Oberflächenrauigkeitsmessungsverfahren
vor, welches auf Messungen der Polarisation basiert (A. W. Domanski,
T. R. Wolinski et al., 1989, Fiber-optic surface roughness sensor
based on polarization measurements, SPIE, Bd. 1169, Fiber Optic
Laser Sensors VII, 558–566).
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Clive Butler und Gregorios Gregoriou
schlugen im Jahr 1992 einen Lichtleitfasersensor für eine Oberflächen-Topographiemessung
vor (Clive & Gregorios
Grigoriou, 1992, A novel non-contact sensor for surface topography
measurement using a fiber-optic principle, Sensors and Actuators
A. 31 (1992) 68–72)
und berichteten im Jahr 1994 über
die Leistungsevolution des Sensors (Clive & Gregorios Grigoriou, 1994, Performance evaluation
of a novel non-contact fiber-optic triggering probe for surface-topography
measurement, Sensors and Actuators A. 41–42 (1994) 98–101). In
diesem System wird ein Strahl, welcher durch eine Laserdiode an der
Seitenfläche
emittiert wird, aufgeteilt durch einen Strahlteiler und auf die
Probenoberfläche
als ein 150 μm-Fleck
unter Verwendung einer Linse gerichtet. Licht, welches von der Oberfläche reflektiert
wird, läuft
durch einen Strahlteiler und wird an einem Faserbündel gesammelt.
Die Korrelation zwischen der detektierten Lichtintensität und der
Entfernung von der Brennebene des Sensors zur gemessenen Oberfläche kann
erlangt werden.
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Ein theoretisches Modell dieses Verfahrens
basiert auf der geometrischen Optik einer Linse. Dieses Verfahren
wird verwendet, um die Oberflächen
von Nylon, Acrylharz und verschiedener anderer Materialien zu messen,
aber sie haben nur Oberflächen-Stufenhöhen von
ungefähr
500 μm gemessen
und keine anderen Oberflächenrauigkeitsparameter
waren beteiligt.
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Es wurde berichtet, dass das Verwenden
eines Lichtleitfaser-Sensors, um das Beugungsbild einer Oberflächen-bearbeiteten
Probe zu beobachten, eine einfache Identifikation einer bearbeiteten
Oberfläche
ermöglicht
(Shetty, D. und Neault, H., 1993, Method and Apparatus for Surface
Roughness Measurement Using Laser Diffraction Pattern, US-Patent
Nr. 5 189 490).
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es ist ein Ziel der Erfindung, ein
Verfahren zur Oberflächenrauigkeitsmessung
bereitzustellen, welches die Überwachung
einer Oberflächenrauigkeit
ermöglicht,
unbeeinflusst durch die Orientierung der Struktur der bearbeiteten
Oberfläche,
unter Nutzung einer einfachen und günstigen Lichtleitfaser-Sonde,
und insbesondere solch ein Verfahren, welches vorteilhaft auf eine
Online-Messung des Bearbeitungsprozesses angewandt werden kann.
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Das Verfahren der Oberflächenrauigkeitsmessung
unter Verwendung einer Lichtleitfaser-Sonde gemäß der vorliegenden Erfindung,
wobei die Sonde mindestens einen Sensorkopf hat, welcher aufgebaut
ist aus einer lichtemittierenden Faser und mehrfachen lichtempfangenden
Fasern, welche koaxial zur lichtemittierenden Faser angeordnet sind,
wobei das Verfahren die Schritte aufweist: (a) Richten eines Lichtstrahls
vom Sensorkopf auf jedes von mehreren Referenzmustern, welche bearbeitet
werden unter einer Vielzahl von verschiedenen Verarbeitungsbedingungen,
und Vormessen einer ersten Korrelation zwischen einer detektierten Intensität und einem
Spaltabstand für
jedes der Referenzmuster, wobei die detektierte Intensität definiert
ist als eine Summe von Ausgaben der lichtempfangenden Fasern, wobei
der Spaltabstand definiert ist als ein Abstand zwischen dem Sensorkopf
und einer Oberfläche
des Referenzmusters; (b) Suchen einer zweiten Korrelation zwischen
einer maximalen Intensität,
welche definiert ist als eine Spitze der detektierten Intensität in einem
vorbestimmten Bereich des Spaltabstands und einer Oberflächenrauigkeit,
basierend auf der ersten Korrelation, welche in Schritt (a) erhalten
wurde, und Speichern der zweiten Korrelation in einem Speicher;
(c) Anpassen des Spaltabstands, um die Sonde in einer Position einzurichten,
in welcher die maximale Intensität
erhalten wird, basierend auf der ersten Korrelation für das Referenzmuster,
welches unter den Verarbeitungsbedingungen bearbeitet wurde, welche überwacht
werden sollen; und (d) Überwachen
einer detektierten Intensität,
welche beim Spaltabstand erhalten wurde, welcher in Schritt (c)
für das
zu messende Muster eingestellt wurde, und Bestimmen von dessen Oberflächenrauigkeit,
basierend auf der zweiten Korrelation, welche im voraus im Speicher
gespeichert wurde.
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In Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung wird hier ein berührungsloses
Verfahren zur Oberflächenrauigkeitsmessung
unter Verwendung einer Lichtleitfaser-Sonde erlangt. Eine Standard-Oberfläche und
eine bearbeitete Oberfläche
wurden verwendet, um die Effektivität der Erfindung zu bestätigen, und
eine gute Korrelation wurde erlangt zwischen der detektierten Lichtintensität und der
Oberflächenrauigkeit.
Die Schlussfolgerung war, dass das Verfahren dieser Erfindung genauso
effektiv ist, wie ein Online-Oberflächenrauigkeitsüberwachungsverfahren,
welches auf ein Produktionsbearbeitungssystem, wie ein CNC-Bearbeitungszentrum,
anwendbar ist.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1A und 1B sind eine Schnittansicht
und eine Bodenansicht einer Lichtleitfaser-Sonde 1, welche
in einer Ausführungsform
dieser Erfindung verwendet wird;
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2A und 2B sind eine Schnittansicht
von vorn und eine Bodenansicht des Sensorkopfes der gleichen Sonde;
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3 zeigt
ein Messsystem dieser Ausführungsform;
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4A, 4B und 4C zeigen Reflexionsmodi von verschiedenen
Musteroberflächen;
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5A, 5B und 5C zeigen
eine elliptische Verteilung von gestreutem reflektierten Licht;
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6 zeigt
die Beziehung zwischen dem beleuchtenden Strahl und der Verteilung
der Intensität
des reflektierten Lichts;
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7A und 7B zeigen ein Messverfahren
zum Messen der Intensität
von reflektiertem Licht;
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8 zeigt
das Prinzip der Detektion der Intensität von reflektiertem Licht;
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9 zeigt
die Korrelation zwischen der detektierten Intensität und der
elliptischen Verteilung;
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10 zeigt
die Orientierung einer Oberflächenstruktur;
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11A und 11B zeigen die Beziehung
zwischen einer detektierten Intensität und einem Spaltabstand mit
der Orientierung der Oberflächenstruktur
als ein Parameter;
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12A bis 12D zeigen Profile, welche
mit einer Oberflächenrauigkeitsmessvorrichtung
gemessen wurden in Bezug auf flache geschliffene Flächen;
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13 zeigt
die Beziehung zwischen der Intensität, welche durch den Sensorkopf
detektiert wird, und dem Spaltabstand in Bezug auf die flachen geschliffenen
Flächen;
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14 zeigt
die Korrelation zwischen der maximalen Intensität, welche von 13 erlangt wurde, und dem Spaltabstand;
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15A bis 15E zeigen Profile, welche
mit einer Oberflächenrauigkeitsmessvorrichtung
gemessen wurden, in Bezug auf flache gefräste Flächen;
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16 zeigt
die Beziehung zwischen der Intensität, welche durch den Sensorkopf
detektiert wird, und dem Spaltabstand in Bezug auf die flachen gefrästen Flächen;
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17 zeigt
die Korrelation zwischen der maximalen Intensität, welche von 16 erlangt wurde, und dem Spaltabstand;
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18A bis 18D zeigen Profile, welche
mit einer Oberflächenrauigkeitsmessvorrichtung
gemessen wurden, in Bezug auf geschliffene kurvige Flächen;
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19 zeigt
die Beziehung zwischen der Intensität, welche durch den Sensorkopf
detektiert wird, und dem Spaltabstand in Bezug auf die geschliffenen
kurvigen Flächen;
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20 zeigt
die Korrelation zwischen der maximalen Intensität, welche von 19 erlangt wurde, und dem Spaltabstand;
und
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21 zeigt
Oberflächenrauigkeitsüberwachungsschritte
in Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform
der Erfindung.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die 1A und 1B sind eine Schnittansicht und eine Bodenansicht
einer Lichtleitfaser-Sonde 1, welche in einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Die Sonde 1 ist
die gleiche wie die, welche in der Messvorrichtung zum Messen einer
dreidimensionalen Form verwendet wird, welche früher durch die Erfinder vorgeschlagen
wurde und in US-Patent 5 410 410 offenbart ist. Die Lichtleitfaser-Sonde 1 weist
eine Sondenbasis 11 und ein Gehäuse 12 auf, welches
als ein Tragkörper
für den
Anschluss an ein CNC- oder solch ein anderes Bearbeitungswerkzeug
dient. Fünf
Sensorköpfe 2 sind
eingebettet in die Sondenbasis 11. Einer der Sensorköpfe 2 ist
in der Mitte der Spitze der Sondenbasis 11 angeordnet,
und die anderen vier Sensorköpfe
sind mit deren Kopfoberflächen
schräg
angeordnet, um den zentralen Sensorkopf zu umgeben.
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Wie in der Schnittansicht von vorn
der 2A und der Bodenansicht
der 2B gezeigt, weist
jeder Sensorkopf 2 neun Fasern auf, welche in einer Kopfbasis 21 eingebettet
sind. Die Faser 22 in der Mitte ist eine lichtemittierende
Faser, und hat eine SELFOC-Mikrolinse 23 an ihrer Spitze
angebracht. Acht lichtempfangende Fasern 24 sind symmetrisch
angeordnet in Bezug auf die emittierende Faser 22 in der
Mitte. Die inneren vier empfangenden Fasern 24Ni, 24Si, 24Ei und 24Wi sind
auf Zwischenabschnitten zwischen einem Kreis Ci eines Radius Ri
und x- und y-Achsen, welche durch die Mitte der Kopfoberfläche laufen,
angeordnet, und die äußeren vier
empfangenden Fasern 24No, 24So, 24Eo und 24Wo sind
auf Zwischenabschnitten zwischen einem Kreis Co eines Radius Ro und
den x- und y-Achsen
angeordnet. Fasern, welche einen NA von 0,47 haben, werden als die Fasern 22, 24 verwendet.
Als Lichtquelle, welche mit der emittierenden Faser 22 gekoppelt ist,
wird dort eine kompakte leistungsfähige LED (Wellenlänge: 637
nm) verwendet.
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Die Endfläche (emittierendes Ende) der
Mikrolinse 23 und die Endflächen (detektierende Enden)
der lichtempfangenden Fasern 24 sind auf derselben Ebene
ausgerichtet. Die Entfernung Ri zwischen der emittierenden Faser 22 und
den inneren empfangenden Fasern 24Ni–24Wi sowie die Entfernung Ro zwischen
der emittierenden Faser 22 und den äußeren empfangenden Fasern 24No–24Wo üben einen
großen
Effekt auf die Formen der empfangenen Lichtintensität gegenüber der
Spaltabstandskurve aus, wie später
erklärt
werden wird, und dieses bezieht sich direkt auf die dynamischen
Charakteristiken des Sensorkopfes. Im gegenwärtig hergestellten Sensorkopf,
wobei 2ri = 2,75 mm und 2ro = 5,25 mm, war, während der Durchmesser der lichtempfangenden
Fasern 24 0,75 mm war, der der lichtemittierenden Faser 22 0,5
mm und der der Mikrolinse 23 war 1,0 mm.
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Die Faserbündel 20 der einzelnen
Sensorköpfe 2 werden
durch das Gehäuse 12 zur
Außenseite
geleitet, wie in 1A gezeigt,
und mit der Lichtquelle und einem Fotosensor verbunden.
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3 zeigt
eine Systemkonfiguration zum Durchführen einer Oberflächenrauigkeitsüberwachung.
Die lichtemittierende Faser 22 der Lichtleitfaser-Sonde 1 ist
gekoppelt mit einer LED 31 und die lichtempfangenden Fasern 24 sind
mit einem Fotosensor 32 gekoppelt. Die LED 31 wird
durch einen LED-Treiber 33 getrieben, welcher durch einen
Rechner 36 gesteuert wird. Die Ausgabe des Fotosensors 32 wird
verstärkt,
einem Filtern und anderen solchen Prozessen durch einen Signalprozessor 34 unterzogen,
in digitale Daten durch einen A/D-Wandler 35 konvertiert,
und in den Rechner 36 eingegeben. Wenn die Lichtleitfaser-Sonde 1 mit
einem Rechner-gesteuerten Bearbeitungswerkzeug verbunden ist, ist
der Rechner 36 der Steuerrechner des Bearbeitungswerkzeugs.
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In der vorliegenden Erfindung wird
die Überwachung
der Oberflächenrauigkeit
durchgeführ
durch Detektieren der Intensität
des reflektierten Lichts von der Oberfläche, welches zu messen ist
unter Verwendung der Lichtleitfaser-Sonde 1. Obwohl die
Sonde 1 der 1 mit mehrfachen
Sensorköpfen 2 für den Zweck
des Messens einer dreidimensionalen Form ausgestattet ist, kann
die Überwachung
der Oberflächenrauigkeit
einer einzelnen Oberfläche
durch Verwendung nur eines einzigen Sensorkopfs durchgeführt werden,
d. h. durch den einen in der Mitte. Das Prinzip der Überwachung
der Oberflächenrauigkeit
unter Verwendung eines einzelnen Sensorkopfs wird nun im Detail
erklärt
werden.
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Die Intensität des reflektierten Lichts
hängt gewöhnlich von
verschiedenen Faktoren ab, wie die Reflektivität und Rauigkeit der Oberfläche, der
Orientierung der Oberflächenstruktur
und ähnlichem.
Bezüglich der
bearbeiteten Oberfläche
eines bestimmten Musters wird die Intensität des reflektierten Lichts
hauptsächlich
durch den Bearbeitungsprozess, die Rauigkeit der Oberfläche und
die Orientierung der Struktur beeinflusst. Im Allgemeinen sollte
die Streuung von einer Oberfläche
unter Verwendung der Vektorstreuungstheorie behandelt werden, aber
unglücklicherweise
sind die Vektorverfahren extrem mühsam und neigen zu Missinterpretation.
Es gibt hier zwei mögliche
Alternativen. Eine ist die Skalar-Theorie, die andere basiert auf geometrischer
Optik. Falls die Oberflächenrauigkeit
sehr viel geringer ist als die Wellenlänge des einfallenden Lichts, kann
die geometrische Optik angepasst werden. Die 4A–4C zeigen drei verschiedene Typen von Oberflächenstreuung:
(a) Reflexion von einer spiegelnden Oberfläche ohne Streuung, (b) Streuung
von einer diffusen Oberfläche
und (c) Streuung von einer Oberfläche, welche eine Mischung einer
spiegelnden und einer diffusen Oberfläche ist.
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Für
die meisten technischen Oberflächen
ist die Rauigkeit größer als
die Wellenlänge
der einfallenden Lichtquelle für
solche Art der Messung, wobei die ganze Oberfläche nicht als eine geometrisch
glatte Oberfläche
behandelt werden kann. Dennoch kann solch eine Oberfläche als
eine Kombination einer Anzahl von klei nen Facetten behandelt werden,
und für
jede Facette wird der Kanteneffekt bei anwendbarer bereitgestellter geometrischer
Optik ignoriert. Dennoch ist das Facettenverfahren nicht einfach,
da die quantitative Beziehung zwischen der Intensität von reflektiertem
Licht und der Oberflächenrauigkeit
schwierig zu erlangen ist, da beide, Höhe und Neigungsinformation
jeder Facette involviert sind.
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Deshalb werden in unserem Ansatz
die folgenden Annahmen gemacht:
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- (1) Die Verteilung der Lichtintensität, welche
von einer Oberfläche
reflektiert wird, wird durch eine Ellipse approximiert.
- (2) Die Intensität
des gesamt einfallenden Lichts wird approximiert durch das Gebiet
der Ellipse und die Streuungseigenschaft wird repräsentiert
durch die Form der Ellipse, z. B. durch das Verhältnis der Halbachsen a, b der
Ellipse, so dass, wie in 5A–5C gezeigt, je größer das Verhältnis a/b
ist, desto glatter ist die Oberfläche.
- (3) Die Streueigenschaft wird vollständig bestimmt durch die Oberflächenrauigkeit
und die Orientierung der Struktur für das gleiche Material und
den gleichen Bearbeitungsprozess.
- (4) Basierend auf den obigen drei Annahmen kann die Oberfläche als
eine geometrisch glatte Oberfläche
behandelt werden.
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Mit den obigen vier Annahmen kann
die Intensität
des reflektierten Lichts bezogen werden auf die Oberflächenrauigkeit
der Oberfläche,
welche zu messen ist.
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Die Ellipsen von verschiedenen Formen,
welche in 5A–5C gezeigt
sind, können
durch ein Simulationsmodell gemäß den obigen
Annahmen und einer Korrelation zwischen der Oberflächenrauigkeit
und dem Verhältnis
der Halbachsen a, b hergestellt werden.
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Wie in 6 gezeigt,
ist der Strahl 61, welcher von der Linse 23 des
Sensorkopfs 2 emittiert wird, von konischer Form und alle
Strahlen des Strahls 61 werden von der Oberfläche 63 reflektiert,
um gemessen zu werden, und bilden eine Verteilung einer Reflexionsintensität einer
Ellipse 62 aus, basierend auf den obigen Annahmen.
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Eine experimentelle Gleichung, welche
die Strahlintensität
I (x, z) repräsentiert,
wurde erhalten als die folgende Gleichung (1) von gemessenen Ergebnissen,
welche in den 7A und 7B gezeigt ist (Yamazaki, Kee
Sein Lee, et al., 1993, Noncontact Probe for Continuous Measurement
of Surface Inclinatiort and Position Using Inadiation of Light Beam,
Annals of the CIRP, Vol.).
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Das Prinzip der Detektion einer Lichtintensität wird in
8 gezeigt. In
8 wird der Lichtempfangsstatus
gezeigt mit Bezug auf die zwei lichtempfangenden Fasern
24Ei,
24Eo auf
der y-Achse der Kopfoberfläche,
wie gezeigt in
2B. Ob
reflektiertes Licht durch eine lichtempfangende Faser detektiert
wird oder nicht, hängt
von dem Faserdurchmesser und dem kritischen Winkel a ab. Die Intensität, welche
durch die lichtempfangende Faser detektiert werden kann, wird repräsentiert
durch den detektierbaren Bereich in der Ellipse der reflektierten
Intensität.
Um den detektierbaren Bereich zu bestimmen, müssen wir die schattierten Bereiche
in
8 betrachten, welche
die Schnittbereiche der Ellipse und der geradlinigen Segmente der
empfangenen Fasern sind. Falls ein schattierter Bereich innerhalb
des kritischen Winkels a der empfangenden Faser ist, wird der Bereich
als detektierbarer Bereich betrachtet und kann verwendet werden
für das
Simulieren der Intensität des
durch den Sensorkopf detektierten Lichts. Der detektierbare Bereich
kann unter Verwendung der folgenden Formel (2) berechnet werden:
wobei a und b die Halbachsen
der Ellipse der Verteilung der Intensität des reflektierten Lichts
sind und gemäß den Reflexionscharakteristika
der Oberfläche,
welche zu messen ist, gewählt
werden können.
Das Integral kann unter Verwendung der folgenden Gleichung (3) berechnet
werden.
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Eine detektierbare Region der Ellipse
existiert für
jede der acht unabhängigen
lichtempfangenden Fasern, und diese werden addiert. Unsere vorherige
Arbeit hat gezeigt, dass die Addition der detektierten Bereiche,
wie berechnet, und die gegenwärtigen
Intensitäten,
welche durch jede empfangende Faser detektiert werden, eine sehr
enge Übereinstimmung
hatten (Y. Yang und K. Yamazaki, 1996, Error Analysis by Simulation for
a Fiber Based Non-contact Measurement Probe System, Proceedings
of ASPE Annual Meeting, 1996). Vorausgesetzt das Prinzip der Intensität des reflektierten
Lichts, welche oben dargelegt ist, wird nun die konkrete Beziehung
zwischen Oberflächenrauigkeit,
detektierter Intensität,
Spaltabstand und ähnlichem,
welches die Voraussetzung ist, welche der Überwachung von Oberflächenrauigkeit
gemäß der vorliegenden
Erfindung zu Grunde liegt, erklärt.
Die Summe der Ausgaben, welche durch die lichtempfangenden Fasern
detektiert werden, wenn die zu messende Oberfläche durch Licht vom Sensorkopf
beleuchtet wird, wird hiernach einfach als die "detektierte Intensität" bezeichnet
werden.
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Beziehung zwischen detektierter
Intensität
und Oberflächenrauigkeit
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Die quantitative Beziehung zwischen
der durch den Sensorkopf detektierten Intensität und dem durchmesserverhältnis a/b
der Ellipse wurde bestimmt durch Simulation unter Verwendung des
oben entwickelten Verfahrens. 9 zeigt
diese Beziehung.
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In 9 kann
gesehen werden, dass die detektierte Intensität nicht monoton auf das Verhältnis a/b
für den
gesamten Bereich des Verhältnisses,
welches in der Figur gezeigt ist, bezogen werden kann, jedoch ist sie
entweder monoton steigend oder fallend in einigen bestimmten Intervallen
des Verhältnisses.
Zum Beispiel steigt die detektierte Intensität monoton, wenn das Verhältnis von
0,05 auf ungefähr
1,4 steigt, welches nahe legt, dass eine Korrelation zwischen der
detektierten Intensität
und der Rauigkeit verwendet werden kann, um die Rauigkeit der Oberfläche des
Musters, welche gemessen wird, zu bestimmen. Jedoch impliziert 9 auch, dass das Verfahren
der vorliegenden Erfindung für
einige Bereiche von Rauigkeitswerten nicht gültig sein könnte.
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Beziehung zwischen
detektierter Intensität
und Orientierung der Oberflächenstruktur
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Verschiedene Bearbeitungsprozesse
werden verschiedene Strukturen auf der bearbeiteten Oberfläche erzeugen.
Normalerweise hängt
die Verteilung der Streuintensität
vom Streuwinkel ab, und es wird dort größere Streuung in der Richtung
der Oberfläche
sein, wo die Struktur am rauesten ist. Zum Beispiel werden parallele
Rillen in einer bearbeiteten Oberfläche fast alles in rechten Winkeln
zur Richtung der Rillen streuen. In anderen Worten sind die bearbeiteten
Oberflächen
nicht isotrop bezüglich
Streuung. In diesem Fall sollte die Orientierung der Struktur betrachtet
werden, wenn Oberflächenrauigkeit
unter Verwendung von Streuungsverfahren bestimmt wird. In diesem
Zusammenhang verwenden wir die Bezeichnung "Orientierung der Oberflächenstruktur",
um die relative Winkelposition von zwei Koordinatensystemen xh,
yh und xs, ys, wie gezeigt in 10,
zu bezeichnen. Das erste System xh-yh ist das Koordinatensystem
des Sensorkopfs, wobei der Ursprung an der Mitte des Sensorkopfs
angebracht ist, mit seiner z-Achse übereinstimmend
mit der longitudinalen Achse des Kopfes. Das zweite System xs-ys
ist das Koordinatensystem der Oberfläche des Musters, wobei der
Ursprung des Systems an einer Messposition der Oberfläche befestigt
ist, mit seiner z-Achse übereinstimmend
mit der Normalen der Oberfläche
an dem Messpunkt. Offensichtlich ist ein Verfahren, welches unabhängig ist
von der Orientierung der Oberflächenstruktur,
für eine
Online-Überwachung
des Bearbeitungsprozesses vorzuziehen.
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In dem Verfahren der vorliegenden
Erfindung sind im Sensorkopf empfangende Fasern, wobei vier von diesen
in Nord-Süd-Richtung
angeordnet sind, die anderen vier in Ost-West-Richtung. Für verschiedene
Anordnungen der Struktur der Oberfläche ist die Intensität, welche
durch jede empfangende Faser detektiert wird, verschieden, jedoch
bleibt die Summe der Intensitäten,
welche von den Fasern in beiden Richtungen empfangen wird, die gleiche
bei gleichem Spaltabstand. 11A und 11B zeigen die Ergebnisse
des Spaltabstandes g gegenüber
der Kurve der detektierten Intensität gegen Ausrichtungswinkel
der Struktur im Bereich von θ = 0° bis 90° für zwei gedrehte
Oberflächen.
Von 11A und 11B kann gesehen werden,
dass der Spitzenwert der detektierten Intensität im Spaltabstand gegenüber der
Kurve der Intensität
ziemlich genau der gleiche ist für
jeden Ausrichtungswinkel von θ =
0° bis 90°. Deshalb
kann der Spitzenwert der detektierten Intensität in einem vorbestimmten Bereich
des Spaltabstands (hiernach einfach als die "maximale Intensität" bezeichnet) durch
den Spaltabstand g und die Rauigkeit der Oberfläche bestimmt werden, unabhängig von
der Ausrichtung der Struktur.
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Beziehung zwischen detektierter
Intensität
und Spaltabstand
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Die Simulation und die tatsächliche
Messung zeigen, dass die detektierte Intensität nicht nur von der Rauigkeit
abhängt,
sondern auch vom Spaltabstand g zwischen dem Sensorkopf und der
Oberfläche,
welche zu messen ist. Tatsächlich
hat letztere einen größeren Einfluss
auf die detektierten Intensitäten.
Deshalb sollte, um die detektierte Intensität eindeutig auf die Oberflächenrauigkeit
zu beziehen, die Messung mit dem exakten Spaltabstand genommen werden,
bei welchem die Referenzmessung durchgeführt wird. Dies wäre in einer praktischen
Situation sehr schwierig und neigt dazu, einen Kalibrierfehler einzuführen. Glücklicherweise
hat der Sensorkopf das folgende vorteilhafte Merkmal: Obwohl die
detektierten Intensitäten
bei unterschiedlichen Spaltabständen
für die
gleiche Oberfläche
unterschiedlich sind, ist die maximale Intensität in der Tat einzigartig zur
Oberfläche
selbst zugeordnet. Für
die gleiche Art von Material und die gleiche Art der Bearbeitungsprozedur
treten die maximalen Intensitäten
immer beim ungefähr
gleichen Spaltabstand auf. Der Spaltabstand, welcher der maximalen
Intensität
zugeordnet ist, beruht primär
auf der Reflexivität
der Oberfläche.
Unsere Experimente zeigten, dass die Spaltabstände hinsichtlich der maximalen
Intensität
zwischen 3 mm und 5 mm sind für
einen großen
Bereich der Reflexivität
von Oberflächen
der Muster.
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Daher, wenn einmal die Korrelation
zwischen den maximalen Intensitäten
und dem Spaltabstand erlangt ist, können diese verwendet werden,
um die Rauigkeit der besagten Oberfläche zu bestimmen. In der experimentellen
Konfiguration war der Sensorkopf an die Spalte des Koordinatenmessgeräts (Coordinate Measuring
Machine – CMM)
angebracht, um bewegbar zu sein. Die maximale Intensität kann einfach
bestimmt werden durch Messen des Sensorkopfs gegen jeden Spaltabstand
während
eines Moments.
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Beziehung zwischen detektierter
Intensität
und Rauigkeitswert (durchschnittliche Mittellinienrauigkeit) Ra
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Die detektierte Intensität kann sich
auf verschiedene Parameter einer Oberflächenrauigkeit beziehen, wie
Ra (Durchschnitt des absoluten Wertes der Abweichung zwischen der
durchschnittslinie und der gemessenen Kurve), Rq (rms des durchschnitts
zwischen der durchschnittslinie und der gemessenen Kurve), Rp (maximale
Kantenhöhe)
oder ähnliches.
In unserer Studie wird eine Beziehung zwischen der detektierten
Intensität
und der Rauigkeit Ra festgestellt.
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12A–12D zeigen die Profile von vier flachen
Grundflächen
(Ra = 0,07, 0,1, 0,2, 0,7), gemessen durch Surftest 501 (Produkt
der Mitutoyo Corporation). Die Messbedingungen sind: Grenzwellenlänge λc = 0,8 μm; Messzahl × 4; horizontale
Multiplikation × 20;
und vertikale Multiplikation × 10.000. 13 zeigt die Messkurve der
detektierten Intensität
gegenüber
dem Spaltabstand. 14 ist
die Beziehungskurve zwischen der detektierten maximalen Intensität und der
Oberflächenrauigkeit
Ra.
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15A–15E zeigen die Profile von fünf flachen
gefrästen
Musteroberflächen
(Ra = 0,98, 2,09, 3,64, 5,46, 6,69), gemessen durch Surftest 501. 16 zeigt die Messkurve der
detektierten Intensität
gegenüber dem
Spaltabstand für
diese Musteroberflächen
(mit denen für
die Fälle
von Ra = 2,09, 5,46 weggelassen). 17 ist
die Beziehungskurve zwischen der detektierten maximalen Intensität und der
Rauigkeit Ra.
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18A–18D zeigen die Profile von vier geschliffenen
kurvigen Flächen
von Mustern (Ra = 0,08, 0,29, 0,66, 1,24), gemessen durch Surftest 501. 19 zeigt Messkurven der
detektierten Intensität
gegenüber Spaltabständen für die Musteroberflächen. 20 ist die Beziehung einer
Kurve zwischen der detektierten maximalen Intensität und der
Rauigkeit Ra für
die geschliffenen kurvigen Flächen
der Muster.
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Es kann von den obigen Ergebnissen
gesehen werden, dass die maximale Intensität mit dem Rauigkeitswert für jeden
Typ einer Oberfläche
unabhängig
von der Bearbeitungsart korreliert. Diese Korrelation kann verwendet
werden, um die Rauigkeit einer Oberfläche mit Hilfe einer Vorkalibrierung
unter Verwendung der Ergebnisse der Referenzrauigkeitsmessung zu
bestimmen.
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Basierend auf dem oben beschriebenen
Wissen wird die Überwachung
der Oberflächenrauigkeit
während
der Bearbeitung eines gegebenen Musters unter Verwendung eines bestimmten
Bearbeitungswerkzeugs durchgeführt
wie folgt. Während
der eigentlichen Oberflächenüberwachung
wird die Kopfoberfläche
des Sensorkopfs parallel zur Messoberfläche gehalten. Wie durch US-Patent
Nr. 5 410 410 gelehrt, hat der Sensorkopf, welcher in der vorliegenden
Erfindung verwendet wird, die Fähigkeit,
die Abweichung vom Parallelen zur Messoberfläche zu detektieren. Deshalb,
unter Verwendung dieser Fähigkeit,
kann Fertigeinstellung im Fall der Abweichung von der Parallelen
einfach gemacht werden.
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21 umreißt die Schritte
des Überwachens
der Oberflächenrauigkeit.
Schritte S1 bis S3 sind Kalibierschritte. Im Vormessungsschritt S1 wird
die Sonde verwendet, um die Messung in Bezug auf eine Vielzahl von
Referenzmustern, welche unter einer Vielzahl von verschiedenen Prozessbedingungen
erhalten wurden, durchzuführen,
und eine erste Korrelation zwischen dem Spaltabstand und der detektierten
Intensität
wird für jede
gefunden. Wie aus 14, 17 und 20 klar ist, können von diesen Korrelationen
dort zweite Korrelationen zwischen maximaler Intensität und dem
Wert der Oberflächenrauigkeit
erlangt werden, welche sich in der Art der Bearbeitung unterscheiden,
und deshalb, in Schritt S2, werden die zweiten Korrelationen
der maximalen Intensität
gegenüber
der Oberflächenrauigkeit
gesucht, um in einem Speicher oder ähnlichem gespeichert zu werden.
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Als nächstes, im Spalteinstellschritt S3,
wird die Sonde auf solch einen Spaltabstand gesetzt, dass die maximale
Intensität
erlangt wird, basierend auf der ersten Korrelation der detektierten
Intensität
gegenüber dem
Spaltabstand, welcher im Vormessungsschritt S1 erlangt
wurde für
die Oberfläche
der Referenzmuster, welche unter den Prozessbedingungen, welche
zu überwachen
sind, bearbeitet wurden. Wie aus 11A und 11B gesehen werden kann,
obwohl sich die detektierte Intensität gegenüber der Spaltabstandskurve
mit den Prozessbedingungen unterscheidet, ist der Spaltabstand,
an welchem die maximale Intensität
erlangt wird, im Wesentlichen konstant, solange die Prozessbedingungen
konstant sind.
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Schritt S4 ist der Rauigkeitsüberwachungsschritt
für das Überwachen
der Oberflächenrauigkeit
der zu messenden Muster, welche die tatsächliche Bearbeitung begleiten.
In diesem Schritt S4 wird die maximale Intensität der bearbeiteten
Oberfläche
am Spaltabstand, welcher in Schritt S3 gesetzt wird, in
Echtzeit überwacht,
und Rauigkeit wird unterschieden basierend auf der zweiten Korrelation
zwischen maximaler Intensität und
einem Rauigkeitswert, welcher im Speicher vorher gespeichert wurde.
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Wegen der Einfachheit des Messverfahrens
ist es leicht, das Messverfahren in eine praktische Anwendung zu
implementieren. Zum Beispiel kann der Sensorkopf an der Spindel
eines CNC-Bearbeitungswerkzeugs angebracht werden, genauso wie ein
normales Werkzeug, um die nötige
Bewegung zu erlauben, und die Berechnung kann durchgeführt werden
durch den Rechner der Steuerung der CNC-Maschine. Durch solch eine
Anwendung kann Online-Überwachung
der Oberflächenrauigkeit
und Steuerung durchgeführt
werden. Daher kann das Verfahren der vorliegenden Erfindung ein
passender Ansatz sein, um die Oberflächenqualität für produktive Bearbeitungssysteme
zu überwachen.
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Ein weiteres attraktives Merkmal
des Verfahrens der vorliegenden Erfindung ist, dass der gleiche Messkopf
auch verwendet werden kann, um autonom sowohl Neigungswinkel als
auch Positionskoordinaten für
eine Freiformfläche
auf eine kontaktlose Art mit Hilfe eines Koordinatenmessgeräts und zugehöriger Software
und Algorithmen, welche früher
durch den Erfinder entwickelt worden sind, zu messen. Dies stellt
eine potentielle Innovation bereit, um kontaktlose Oberflächenkoordinatenmessung
und Rauigkeitsmessung in eine einzelne Messsonde oder in ein einzelnes
Messgerät
zu integrieren, welches offensichtlich sehr hilfreich für die Entwicklung
von integrierten Mehrzweckmessgeräten sein wird.
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Daher stellt die vorliegende Erfindung
die folgenden Auswirkungen bereit:
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- (a) Ein einfaches, schnelles online, einfach zu implementierendes
und einfach auszuführendes
Oberflächenrauigkeitsmesssystem
wird bereitgestellt für
produktive Herstellungssysteme, wie CNC-Verarbeitungswerkzeuge und
Bearbeitungszentren.
- (b) Sie hat nicht die Nachteile von vielen anderen kontaktlosen
Oberflächenrauigkeitsmessverfahren,
welche vor dieser vorgeschlagen wurden.
- (c) Wegen der Einfachheit der Implementierung kann dieses Lichtleitfaser-Verfahren weitgehende
Anwendungen in der Zukunft finden.
- (d) Durch richtiges Anordnen von Fasersensoren ist der Sensorkopf
unabhängig
von der Ausrichtung der Struktur der Musteroberflächen.
- (e) Für
die gleiche Art von Oberfläche
hat die detektierte maximale Intensität eine gute Korrelation mit
den Rauigkeitswerten der Musteroberflächen.
- (f) Das Verfahren der vorliegenden Erfindung stellt eine potentielle
Möglichkeit
bereit, die Oberflächenrauigkeitsmessung
und Oberflächenpositionskoordinaten-
und Neigungswinkelmessung in eine einzige Messsonde einzuschließen, basierend
auf dem vorherigen Forschungsergebnis über autonome Freiflächen-Messsysteme, welche
durch den Erfinder erlangt wurden.
