KR100420373B1 - 공작물표면의 주기성 파형들을 감지하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

공작물표면의 주기성 파형들을 감지하기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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KR100420373B1
KR100420373B1 KR10-2001-7004350A KR20017004350A KR100420373B1 KR 100420373 B1 KR100420373 B1 KR 100420373B1 KR 20017004350 A KR20017004350 A KR 20017004350A KR 100420373 B1 KR100420373 B1 KR 100420373B1
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Abstract

본 발명은 산란광 방법에 따라 공작물 표면의 소형 주기적 파동을 탐지하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이고, 표면은 광선(1차 광선)으로 조사되며, 상기 표면에 의해 반사된 2차광이 검사된다. 상기로 인해, 원시 생산 단계에서도 신속하고 용이하게 측정이 수행될 수 있다. 본 발명에 따라, 단색 간섭성 1차광이 사용된다. 상기 광은 공작물의 표면과 접촉되고, 예측된 주기적 파동에 대해 대략 수직으로 표면으로 지향된다. 파동형 표면 구조의 회절 영상이 2차 광선에 형성된다. 강도의 두 최고점은 주기적 파동이 존재함을 나타낸다. 역비례에 따라 인접 최고점 사이의 거리로부터 파동의 주기적 길이를 추정하는 것과, 상기 파동의 파고점 사이의 파동의 파곡점으로부터 파동의 깊이를 추정하는 것이 가능하다.

Description

공작물표면의 주기성 파형들을 감지하기 위한 방법 및 장치{MEASUREMENT OF SMALL, PERIODIC UNDULATIONS IN SURFACES}
미세하게 가공된 공작물 표면에서 본 출원인은 주기가 약 1.5mm에 이르는 불필요한 파형을 관찰하고 파형에 대한 더 긴 주기가 발생될 수 있는 가능성이 배제될 수 없기 때문에, 용어 "소형 파형"은 본원에서 2mm보다 작은 파형구조의 피크사이에서 간격을 가지는 파형을 나타내고, 대부분의 경우 주기는 1mm보다 작다.축이 하우징 벽을 관통하는 점에서 신뢰성있는 밀봉기능을 위해, 환형 반경방향 밀봉 립(lip)이 구비된 밀봉링 이외에 축의 대향면의 특성을 고려하는 것이 필요하다. 상기 축 저널(journal)에서 매끄러운 표면을 형성하기 위해, 원주방향으로 연마되고, 선반에서 마무리가공되며, 광택처리되고, 압연되거나 또는 외측으로 연마된다. 특정 거칠기 값 이외에, 축 저널의 생산자는 표면이 비틀림을 가지지 않는 정도를 규정한다. 예를 들어 연마 표면의 경우에 비틀림이 없다면, 연마 구조물이 원주방향으로 정확하게 구성됨을 의미하고, 중첩된 규칙성 파형성분이 없음을 의미한다. 그러나, 현재 대량생산시, 비틀림없이 공작물표면을 재생가능하게 가공하는 것은 곤란하고, 비틀림이 없음을 탐지하는 것도 어려운 문제이며, 필요시 비틀린 구조물을 정량적으로 분석하는 문제가 발생된다.
본원 출원인의 DE 197 40 141을 참고할 때, 비틀림 구조 또는 파형을 정량화하고 탐지하기 위해 기계적으로 작동되는 테스트-스코어(test-score) 방법이 공개되고, 비틀림구조의 모든 관련 매개변수에 관계된 신뢰성있고 정량화된 정보가 제공된다. 확률분포를 가진 거칠기 성분이 표면 데이터의 자동상관관계에 의해 제거될 때, 공지된 테스트-스코어 방법은 특히 파형이 매우 두드러지지 않거나 중첩된 강한 확률분포의 거칠기 성분을 가지더라도 유용한 결과를 제공한다. 그러나, 표면 데이터의 발생의 공지된 방법은 매우 시간이 많이 소요되고, 매우 주의하여 수행되어야 한다. 상기 방법은 공작물표면을 직접 탐지하도록 사용될 수 없다. 대신에, 상기 방법은 다른 비틀림결정 방법을 제어하는 표준방법으로서 사용될 수 있다.
본 발명의 우선일 이후에 공개된 DE 198 09 790 A1에 따른 본원 출원인의 종래 출원에 접촉없는 광학적 작동 방법이 개시되어 있고, 분석될 표면의 원데이터는 표면의 소형 세그먼트에 대한 직접 확대 영상화로부터 습득된다. 상기 방법은 1차광 형태로서 임의의 광으로 작동된다. 조사된 표면은 영상 광학장치에 의해 매트 패널 또는 고해상도 광다이오드 배열에 초점이 집중된다. 상기 방법에서, 영상 데이터의 추가 처리없이, 거칠고 또한 강하게 경사진 비틀림구조는 연상의 가시화로 직접 탐지될 수 있다. 상기 강하게 두드러진 비틀림 구조는 숙련된 작업자에 의해 육안으로 탐지될 수 있고, 즉 단순히 적합한 조사 및 렌즈를 이용하여 감지된다. 상기 거친 경우는 실제 거의 일어나지 않고, 탐지에 관한 문제는 발생하지 않는다. 덜 두드러지거나 덜 경사진 비틀림 구조의 경우에, 상기 방법에 따라 근접한 다수의 표면 부품에 대한 영상 데이터 기록을 발생시키는 것이 필요하고, 균일한 영상 데이터 기록을 형성하도록 위치 함수로서 결합시키는 것이 필요하며, 각 영상 데이터 기록은 사전에 라돈 변환된다.
본 발명의 우선일 이후에 공개된 DE 198 09 790 A1에 따른 상기 비틀림 결정 방법이 테스트-스코어 방법보다 더 신속하게 작동되더라도 주의해야 하는데, 측정 기구에 대한 공작물의 표준위치가 정확하게 공개되고, 측정 장치 및 공작물이 측정작업동안, 서로에 대해 정확하게 정지되어 유지되어야 하기 때문이다. 공작물 축 및 측정 기구의 공지된 상대 위치에서, 조밀하게 연속으로 다수의 기록을 구해야 하고, 따라서 긴 시간 및 주의를 요구한다. 평가작업동안 주의 및 감독이 요구되는 데 균일한 평균 그레이-스케일 분포 관점에서 각 영상이 서로 대응되어야 하기 때문이다. 공지 방법은 파형의 간격 및 기준 방향에 대한 경사에 관한 정보를 제공한다. 상기 방법을 이용하면, 파형의 깊이 및 단면에 관한 정보는 구할 수 없고, 단지 제한적으로 구할 수 있을 뿐이다. 제한된 개수의 준비된 공작물에서 표면 비틀림의 존재여부를 탐지하도록 공지 방법이 실험실에서 사용될 수 있으나, 상기 방법은 제작 용도에 적합하지 않다.미세하게 가공된 소재 표면에서 주기적인 파형의 광학적 검출을 위한 방법과 장치가 US 특허 3,850,526에 공개되고, 상기 표면의 말단을 단색성의 가간접성 광선-일차광선-으로 조사하면 표면에서 반사되는 2차광선에서 주기적인 파장 패턴의 회절영상이 형성된다. 이 경우, 일차광선은 표면에서 직각방향으로 상대적으로 큰 입사각도, 특히 예상되는 주기적인 파장과 직각으로 소재 표면에 투영되고, 회절영상의 강도분포를 평가한다. 관련된 광, 다시 말하면 입사 일차광선과 반사되는 2차광선중에서, 하나는 표면에서 직각방향으로 최대 80°의 고정 각도로 유지되고 다른 광선(beam) 또는 평가 채널은 반사되는 광선의 위치 근처의 상대적으로 큰 각도로 움직일 수 있다. 광선 배열을 편향시켜 가장 강한 회절차수를 완벽하게 탐지하고 강도 프로파일을 측정한다. 소재를 사용하여 측정된 회절광선의 강도분포와 다양한 표면거칠기표준을 이용하여 사전에 결정된 강도분포와 비교하여 분석할 소재의 거칠기를 확인할 수 있다. 상이한 2가지 형태의 미세 구조가 서로 중첩되고 이중 하나에만 관심있는 기초 표면에, 공지된 형태의 표면 검사를 적용할 수는 없다. 주기적인 파장 패턴의 회절영상은 확인할수 없고 유용한 정보를 제공하지 못할 정도로 중첩된 확률적인 기초 구조의 반사 이미지를 갖게 된다.US 특허 5,189,490은 분산-광선방법을 이용한 일반적인 거칠기측정을 공개하는데, 여기서 일차광선은 분석되는 표면에 의해 반사되고, 반사된 이차 광선은 표면의 거칠기에 특징적인 방식으로 분산된다. 다양하게 적용되고 있는 이런 분산광선방법을 이용하는 경우, 주기적인 회절 구조에 의한 회절 및 일차 광원의 평행 처리 트랙의 방향과 직각으로의 배치는 일어나지 않는다. 전술한 간행물에서 공개한 방법은 견본으로부터 구해진 분산-광원뿔의 실제 패턴의 비교직후, 분석되는 표면에 대한 정성적으로, 정량적으로 유용한 정보를 제공하는데, 사전에 공지된 패턴을 사용하여 다수의 참고 패턴을 만든다.US 특허 3,782,827은 매우 유사한 비교 방법을 공개하는데, 상기 방법은 공업용 표면의 거칠기를 측정하기 위하여 분산광선 방법에 따라 조작한다. 다수의 저장된 참고 패턴과의 유사한 비교를 통해, 분석할 시료가 공지된 시료와 유사한 표면 형태를 갖는 지와 같은 유용한 정보를 간접적으로 밝힐 수 있다.
본 발명은, 예를 들어 미국 특허 3 850 526에 공개된 바와 같이, 각각 청구범위 제1항의 전제부(방법)에 따라 그리고 청구범위 제7항의 전제부(장치)에 따라, 공작물 표면의 주기성 소형 파형을 감지하고 측정하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
도 1은 2차광선을 가시적으로 평가하여 본 발명에 따라 주기성 파형에 관한 공작물표면을 검사하기 위한 파형측정장치를 도시한 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 파형측정장치의 하부를 도시한 단면도.
도 3은 공작물마운트위에서 스탠드에 고정되고 어댑터를 통해 연결된 디지털 카메라를 가진 도 1의 파형측정장치를 도시한 도면.
도 4는 공작물표면의 일부분을 확대도시한 단면도.
도 5는 서로 다른 파장을 가지고 중첩된 2개의 주기성 파형들을 가진 공작물 표면의 일부분을 확대도시한 단면도.
도 6은 도 1의 파형측정장치를 이용하여 도 5의 공작물표면을 관찰할 때, 구해지는 회절영상을 도시한 도면.
도 7은 영상의 상부(a)에서 (네가티브(negative)로 도시된 )회절영상의 2차원 광도분포를 도시한 도면 및 영상의 하부(b)에서 상부(a)의 선b-b를 따라 강도분포를 도시한 선도.
도 8은 강도값(i1, i2) 및 파형의 주기(L)로부터 결정되는 보조변수(k) 및 파형깊이(T)의 관계를 도시하고 파형깊이(T)를 결정하기 위해 이용되는 선도.
*부호 설명
1...파형측정장치 4...스위치
7...1차광선 11...공작물
12...공작물표면 14...편향거울
15...편향거울 26...파형
방법 및 장치에 대한 본 발명의 목적은, 측정이 신속하고 편리하게 또한 재생가능한 정보가 습득되는 범위까지 제작 호환성을 개선시키는 것이다. 특히, 공작물 및 장치의 정확한 상대 정렬이 측정 결과에 더 이상 필요없도록 구성하는 것이고, 공작물 및 장치의 불안정한 작동의 경우에도 측정 영상의 충분한 안정성을 제공하는 것이다. 상기 경우에, 단일 측정이 주기적 표면 파형의 "존재 여부"에 대해 신뢰성 있는 정량적 정보를 제공할 뿐만 아니라, 파형의 깊이 및 주기에 관한 정성적 정보가 해당 영상데이터 평가로 가능하다.
상기 방법을 토대로, 상기 목적은 청구범위 제1항의 특징부에 의해 본 발명에 따라 이루어지고, 청구범위 제7항의 특징부에 의해 상응 장치에 따라 이루어진다.
본 발명에 따라, 큰 각도의 입사에서(대략 스치듯이 입사) 길이에 대해 직각으로 표면의 파고점과 충돌되는 단색 간섭성 광선에 의해, 그리고 회절 격자로서의 파형 표면 구조에 의해 회절을 활용함으로써, 회절 영상이 형성되고, 강도분포가 평가된다. 광선의 큰 각도의 입사로 인해, 회절 영상에서 확률적 연마 표면으로부터의 산란광선의 영향은 제거된다. 측정 기구가 공작물에 대해 정지되어 유지되는 정도가 변화되는 경우에도 회절 영상은 안정되게 정지되어 유지된다. 또한, 회절 영상의 질은 공작물 및 측정 기구의 상대 정렬에 따라 결정되지 않는다. 비틀림구조의 존재는 산란광 원추의 국소 강도 최고점의 존재로부터 즉시 탐지될 수 있다. 파고점의 간격은 상이한 회절 차수를 포함하는 다수의 최고점의 간격으로부터 추정될 수 있다. 상기 경우에, 강도 최고점의 간격은 파고점 간격에 역비례로 변화되고, 즉 매우 밀접한 파고점의 연속은 산란광 원추의 강도 분포에서 넓게 이격된 광도 최고점을 발생시키며, 파고점의 간격이 크다면 강도 최고점은 더 밀접하게 구성된다. 상이한 회절 차수 및 주기의 강도를 평가함으로써 파곡점의 깊이를 추정하는 것도 가능하다. 그러나, 본 발명의 정확한 원주 방향에 대한 파형의 각 위치에 대한 정보의 습득이 곤란하다.
본 발명을 더 설명하기 전에, 용어에 관해 설명된다. 용어 "1차광선" 및 "2차광선"이 반복되고, 2차 광선의 "회절 영상"이 반복된다. 용어 "1차광선"은 분석될 공작물 표면으로 입사되는 광선을 의미하고, 즉 입사광선을 의미한다. "2차광선"은 예를 들어 형광 현상으로 인한 광선이 아니라, 공작물 표면에 의해 귀환되고, 산란되며, 회절되거나 반사되는 광선이다. 또한, 용어 "회절영상"이 사용됨에도 불구하고, 영상을 형성하는 방법 또는 영상을 형성하는 장치가 본 발명에 포함됨을 의미하지 않는다. 1차광선은 파형 표면구조에 의해 회절되고, 회절에 상응하는 강도분포가 2차광선에 형성된다. "회절 영상"은 상기 회절의 연관 강도분포의 특성을 의미한다. 예를 들어 영상을 형성하는 렌즈 등을 이용함으로써 상기 강도 분포를 평가하기 위한 "회절 영상"의 도시는 불필요할 뿐만 아니라, 정확하지 못하다. 매트 패널에서 "회절영상"의 직접 수집되어 강도평가는 가시적으로 제공된다.
본 발명의 진보된 실시예가 종속항으로부터 파악될 수 있고, 본 발명은 도면에 도시된 실시예에 의해 하기에 더 상세히 기술될 것이다.
도 1 및 도 2를 참고할 때, 공작물(11)의 공작물표면(12)내에 형성된 (도 4 또는 도 5의 )주기성 파형(26)을 측정하고 산란광방법에 따라 작동되는 핸드셋(handset)형태의 파형측정장치(1)가 도시된다. 분석되어야 하는 공작물표면(12)위에 상기 파형측정장치(1)가 배열된다. 1차광선공급원으로부터 방출된 라이트(light)펜의 광선이 특정방향으로 공작물표면을 향하고 공작물표면으로부터 귀환하고 산란된 광선원추가 상기 파형측정장치(1)의 2차광선표시장치에서 수집된다.
상기 파형측정장치(1)를 제조작업에 적합하게 구성하고, 주기성 파형(26)들을 신속하고 편리하게 감지하며 파형측정장치를 이용하여 파형에 관한 재생가능한 정보를 구하기 위하여, 파형측정장치(1)가 본 발명에 따라 하기 방법에 의해 구성된다.
인체공학적으로 편리하게 구성되고 경량플라스틱의 하우징이 제공된 상기 파형측정장치(1)는 사용하기 편리하고, 본 발명에 따른 작동모드에 기인하여, 작업자에 의해 상기 파형측정장치(1)가 안내되며 안정한 위치의 측정영상을 전달한다. 일체로 구성된 조준광학장치를 가진 레이저다이오드(6)가 1차광선공급원으로서 상기 파형측정장치(1)내에 구성되고, 단색간섭성의 1차광선(7)을 방출한다. 원리적으로 헬륨/네온 레이저가 레이저다이오드만큼 소형이 아니고 크기면에서 제안된 형태의 파형측정장치(1)로서 적합하지 않지만 헬륨/네온 레이저가 1차광선공급원으로서 이용될 수 있다. 본 발명을 위하여 보호등급 Ⅰ에 해당하는 저출력레이저장치용 출력이 이용될 수 있다. 납작머리나사(3)에 의해 밀폐될 수 있는 배터리격실이 상기 파형측정장치(1)와 일체로 구성된다. 상기 배터리격실이 미그논셀(Mignon cell)을 고정하고, 1차광선을 위한 에너지가 상기 미그논셀에 의해 공급되며, 미그논셀은 스위치(4)를 이용하여 필요에 따라 작동 및 작동정지될 수 있고, 용이한 고정작용을 위한 요철형 리브(rib)를 가진 표면(5)과 상기 스위치(4)가 근접하게 구성된다.
공작물표면(12)위에 파형측정장치(1)를 배열하기 위한 적용면(2)이 파형측정장치(1)로부터 1차광선(7)이 방출되는 영역내에 제공된다. 공작물표면의 평면뿐만 아니라 곡면위에서 분석작업이 수행되어야 하므로, 도시된 실시예에서, 상기 적용면(2)은 평면으로 구성되고, 출구윈도우(31)를 둘러싸는 소형강판에 의해 강화된다. 상기 파형측정장치(1)가 공작물(11)위에 적합하게 배열될 때, 출구윈도우(31)의 구성영역에서 편향거울(14)이 1차광선(7)을 편향시켜서 상기 1차광선(7)이 공작물표면(12)에 대해 스치듯이 (입사방향(16)으로 )입사하여 공작물표면(12)과 충돌한다. 1차광선(7)이 상기 공작물표면(12)과 상대적으로 큰 입사각으로 충돌하고, 공작물표면에 대한 법선(13)으로부터 측정될 때, 상기 입사각은 약 75°내지 88° 또는 약 83±2°가 선호된다. 상기 적용면(2)이 평면으로 구성되기 때문에, 공작물표면(12)위에 상기 적용면(2)이 배열된 후에, 상기 파형측정장치(1)가 높이축(30)주위에서 경미하게 기울어지면, 상기 파형측정장치(1)가 파형(26)에 대해 대략 직각으로 배열될 수 있다. 편향거울로부터 이격되고 2차광선이 통과하는 파형측정장치(1)내부의 영역에, 예를 들어, 영상광학장치 또는 초점광학장치와 같은 광학장치들이 구성되지 않는다. 1차광선(7)에 의해 형성되고 공작물표면의 파형에 관한 회절영상이 2차광선표시장치에 의해 직접 수집된다. 공작물표면의 모든 주기성 파형을 감지하기 위해, 회절영상의 강도분포가 평가된다.
원통형 공작물표면에서 선택된 파형들이 원주방향으로 구성되므로 입사하는 1차광선의 축은 적어도 대략 원통축을 포함한 평면내에 배열되어야 한다. 상대적으로 짧고 셋백(set-back)구조를 가진 부품의 표면에서 (도 2의 ) 축방향으로 상기 파형측정장치를 적합하게 배열하기 위하여, 파형측정장치(1)의 출구윈도우(31)의 구성영역은 점유공간을 감소하도록 구성되어야 한다. 따라서 1차광선의 전방성분 및 2차광선의 후방성분이 공작물표면(12)에 대해 직각으로 배열되도록 파형측정장치(1)내에서 상기 1차광선(7) 및 2차광선(8)이 구부러져서 점유공간이 감소된다. 상기 구성을 위하여, 1차광선을 위한 편향거울(14) 및 2차광선을 위한 편향거울(15)이 출구윈도우(31)의 경계부에서 측면으로 배열되고, 1차광선(7)이 공작물표면과 충돌되는 위치로부터 작은 거리를 두고 배열된다. 도시된 실시예에서, 공작물(11)의 축방향으로 파형측정장치(1)의 하부길이를 짧게 구성하기 위하여, 편향거울(14)의 전방에 위치한 1차광선(7)의 성분 및 편향거울(15)의 후방에 위치한 2차광선(8)의 성분이 상대적으로 작은 각으로 서로 교차되도록 상기 편향거울(14, 15)들이 구성된다. 그 결과 파형측정장치(1)의 전방부분은 점유공간을 감소시키고 광선의 편향횟수가 최소화되어, 조사효율손실이 최소화되고, 제조비용 및 중량이 절감되며 보수 및 조정작업이 유리해진다.
편향거울대신에 편향프리즘을 이용할 수 있다. 선택적으로 출구윈도우를 제한하기 위해 보강판을 가진 안정모듈(module)을 형성하도록 편향용프리즘이 결합될 수 있다.
회절영상의 강도분포를 즉각 가시화하는 매트패널(matt panel)(10)이 2차광선표시장치로서 상기 파형측정장치(1)내에 구성되어, 상기 강도분포가 시각적으로 평가된다. 공작물 또는 파형측정장치를 작업자가 어느 정도 움직이더라도, 매트패널(10)위에 보여지는 회절영상의 강도분포는 매트패널위에서 안정하게 유지된다. 외부광선의 간섭을 차단하기 위하여 매트패널(10)은 관찰통로(9)의 하부에서 오목하게 구성된다. 광검출기 또는 디지털카메라를 파형측정장치에 조립하기 위해 상기 관찰통로(9)가 이용된다.
회절영상을 정량적으로 평가하기 위해, 회절영상의 강도가 측정되어야 한다. 따라서 광검출기의 선형배열 또는 매트릭스가 제공되어야 한다. 도 1 및 도 2의 실시예에서 상기 광검출기는 생략된다. 상기 매트패널(10)대신에 광검출기를 구성할 수 있다. 적합한 예로서 CCD 선형배열 또는 CCD 매트릭스, 분광계선형배열 또는 매트릭스, 다른 광다이오드 선형배열 또는매트릭스 등이 제공된다. 이 경우, 회절영상의 강도분포가 직접 수집되고 확인되는 매트패널 및 회절영상의 강도분포를 위치의 함수로서 측정하기 위해 이용되는 상기 광검출기가 2차광선표시장치내에 배열되는 것이 유리하다. 경사거울 또는 광선분리기에 의해 2차광선경로가 동시에 또는 연속적으로 매트패널 또는 광검출기위에 형성될 수 있다. 광검출기에 의해 측정된 회절영상의 강도가 컴퓨터를 이용하여 평가될 수 있다. 측정값을 표시하고 평가하기 위해 광검출기를 디지털신호처리장치및 LCD 표시장치와 결합시킨다. 그 결과 컴퓨터유니트를 추가하지 않고도 데이터처리시스템을 포함한 측정기구를 소형으로 구성할 수 있다.
파형측정장치(1)를 이용하여 2차광선을 제어하여 평가하기 위한 다른 방법이 도 3에 도시된다. 이 경우, 파형측정장치(1)는 삽입가능한 공작물(11)용 프리즘(19)위에 유지장치(21) 및 테이블(18)의 스탠드(20)에 의해 정지되어 유지된다. 디지탈 카메라(23)를 파형측정장치(1)에 장착시키는 어댑터(22)가 파형측정장치(1)의 (도 1의 )관찰통로(9)에 안정적으로 구성된다. 대물 렌즈 대신에 어댑터(22)를 지지하는 디지탈 카메라가 들어올려지거나 파형측정장치(1)에 조립된다. 디지탈 카메라가 조립될 때, 매트 패널은 제거되어야 한다. 다음에 2차광선은 디지탈 카메라의 뷰파인더에서 관찰될 수 있다. 디지탈 카메라의 기록수단에 의해, 2차 광선(8)의 회절 영상에 대한 강도 분포가 영상데이터의 데이터 처리가능한 기록으로서 특정 데이터 매체에 기록되고 저장되며, 상기 데이터 매체는 카메라와 일체구조로 구성되나 제거될 수 있다.
기록된 영상 데이터는 제조시설로부터 평가연구소로 다양한 방법으로 전달되고, 반대로 상기 평가연구소로부터 표면의 파형구조에 관한 매개변수값이 제조시설로 전달될 수 있다. 영상 데이터는 데이터 매체, 즉 특정 카메라 데이터 매체에서 전달되거나, 종래기술의 플로피 디스크에 다운로딩한 후에, 데이터 매체로서 플로피디스크에 의해 전달된다. 전송라인을 통해 영상데이터가 데이터전송장치에 의해 평가연구소로 전달될 수 있다.
상기 파형측정장치를 이용하여 공작물표면의 파형을 감지하고 정량적으로 결정하는 과정이 도 4 및 도 5의 확대도를 참고하여 상세히 설명된다. 예를 들어, (도 4의 )공작물(11) 및 (도 5의 )공작물(11')에 구성되고 원주방향으로 연마된 공작물표면의 확대구조는 연속면으로 제공되지 못한다.
이와 관련하여, 중첩된 미세구조를 나타내는 "연마구조물" 및 주기적인 "비틀림구조" 또는 "파형"이 설명된다. 상기 구조들은 표면의 이상적인 거시적 형태로부터 경미하게 벗어난 구조이고 미세구조들이 공작물위에 형성하는 크기 또는 깊이에 의해 상기 구조들은 이상적인 기준형태와 상이하다. 두 개의 미소구조들의 형상 및 확률분포는 상이하다. (도 4에 도시된)미세한 연마구조물(24)들이 원주방향으로 배열되고 상대적으로 급한 경사의 측면변부를 가지고, 연마구조물(24)의 단면은 확률분포를 가진다. 비틀림구조물 또는 파형(26)은 변부들에서 상대적으로 평평하고, 상대적으로 현저한 주기적인 형상부분을 가진다. 상기 연마구조물(24)이 확률적으로 형성된 다수의 소형오목부들로 구성되고, 상대적으로 급한 경사의 변부를 가지며, 상기 파형(26)보다 깊이가 작고 연마구조물(24)은 주기성 파형(26)또는 비틀림구조와 중첩된다.
도 4의 측면도를 참고할 때, 파형(26)들은 규칙적으로, 즉 주기적으로 서로 근접하게 배열된다. 거칠기 프로파일이 확대도시되어, 화살표로 도시된 입사방향(16)은 더 이상 정확하지 않고, 즉 평평하게 입사되는 1차광선(7)은 여전히 광선과 떨어진 파형(26)의 측면변부 골(trough)의 하단에 도달한다. 광선이 스치듯이 조사되면, 상기 연마구조물(24)에 구성되고, 급한 경사로 절삭된 오목부들이 음영(음영부(25))을 형성하여, 상기 오목부들은 반사광선에 대해 무시할 정도의 영향을 줄 뿐이다. 상대적으로 평평한 파형(26)이 조사된다. 단색간섭성을 가진 1차광선(7)의 회절현상은 연마구조물(24)에서 중첩된 회절현상보다 파형(26)에서 더욱 강하게 형성된다. 0차회절은 2차광선(8)의 방향(17)으로 형성되고, 이상적인 거시표면에 의해 직접 반사되는 광선의 편향방향과 상기 방향(17)이 일치한다. 공작물표면이 파형을 가지고, 회절현상이 발생되면, 다른 회절차수, 즉 1차회절이 회절영상에서 0차회절과 근접하게 거리를 두고 감지될 수 있다.
여러 가지 파고점(27)들로부터 형성되고 누적깊이들을 가진 파형전면들이 서로 간섭되고, 2차광선내에서 회절영상을 형성하여, 단지 2차광선의 0차회절 및 1차회절이 강도최고점으로 감지된다. 주기성파형이 공작물표면에 없달면, 2차광선(8)내에서 회절현상이 형성되지 못한다. 이 경우, 이격된 2개의 강도최고점이 감지될 수 없다. " 반사회절격자", 즉 공작물표면에 형성된 일련의 주기성 파형들이 서로 다른 2개의 강도최고점들로부터 신뢰성있게 추정된다.
다른 표면구조들이 2차광선(8)내에서 다른 강도분포를 형성한다. 예를 들어, 이상적인 반사표면에 의해 1차광선의 강도분포가 2차광선내에 복제된다. 이 경우, 단지 한 개의 밝은 반점이 2차광선내에서 감지된다. 전체적으로 확률분포의 거칠기를 가지고 주기성 파형이 없는 표면이 존재할 때, 상대적으로 현저하게 반사되는 구조를 가지고 균일한 강도분포가 감지된다.
상기 반점은 타원형으로 형성되고, 원통형 공작물표면(12)의 곡률강도에 따라 상기 타원은 축방향으로 비틀려 구성되며, 원통의 직경이 상대적으로 작을 때, 타원의 장축은 매트패널의 내측폭보다 커서 상기 반점은 밝은 라인으로 감지된다.
도 5 및 도 6을 참고할 때, 규칙적인 파형의 주기를 추정하기 위한 본 발명의 방법이 설명된다. 도 5에 확대도시된 공작물(11")의 표면구조가 서로 다른 주기를 가지고 중첩된 2개의 주기성 파형들 즉 작은 주기(Lk)를 가진 작은 파형(26k) 및 큰 주기(Lg)를 가진 큰 파형(26g)을 가진다. 파형측정장치(1)를 이용하여 상기 표면이 "관찰"될 때, 도 6의 영상이 매트패널(10)에 나타난다. 스트립(strip)들로 분해되고 상기 파형(26k)에 기인하여 형성되며 상대적으로 큰 상호간격(ak)을 가진 2개의 강도최고점이 감지되고 2개의 강도최고점들을 나타내는 상기 스트립들이 서로 상대적으로 작은 간격(ak)을 가지고, 상기 간격(ag)은 상기 파형(26g)에 기인하여 형성된다.
2차광선의 회절영상내에서 강도최고점들사이의 간격(a) 및 파형의 주기(L)사이에 역비례관계가 성립되고, 밝은 반점들의 간격이 작아질수록 파형의 주기(L)는 커진다. 식 af/L 을 이용하여, 강도 최고점에 관한 간격(a)으로부터 주기(L)가 결정될 수 있다. 인자(f)는 기구상수이고, 공지된 표면 구조를 이용하여 사전에 실험적으로 결정되어야 한다. 본 발명에 따라 측정값들이 비교되고, 표준샘플을 이용하여 주기가 테스트-스코어(test-score) 방법에 따라 결정되며, 매우 우수한 대응관계를 형성하고, 예를 들어 70 내지 110㎛의 주기범위에서 최대오차는 ±5㎛이다.
강도 최고점들의 간격이 적어도 대략 매트 패널(10)에서 즉시 결정될 수 있다. 예를 들어, 매트 패널에 눈금스케일이 제공되고, 강도최고점들의 간격은 상기 눈금스케일을 사용하여 판독될 수 있다. 매트 패널의 눈금스케일이 이동가능하다면, 예를 들어 영점이 가장 밝은 반점의 강도최고점과 일치되고, 강도최고점들의 간격이 눈금스케일로부터 판독될 수 있다. 또한, 강도최고점의 간격을 한 쌍의 디바이더를 이용하여 측정하고 상기 간격을 자를 이용하여 판독하며, 캘리퍼의 레그를 이용하여 직접 측정할 수 있다. 상기 방법들은 예비적인 방법으로 제공된다.
2차광선(8)을 가시적으로 평가할 수 있는 파형측정장치(1)가 완성공작물을 작업자가 검사하고 이전단계검사를 위해 이용되어, 비틀림상태의 공작물이 제거되고, 재작업을 위해 후방으로 전달된다. 비틀림없는 저널(journal)표면이 생산되어야 하는 생산라인에서 상기 작업이 검사자 또는 감독자에 의해 수행된다. 비틀림 없는 공작물의 선택작업을 위하여 파형을 가시적 및 정량적으로 확인하거나 파형이 없음을 확인한다. 상기 선택작업에 있어서, 파형의 매개변수를 정량화하는 것은 상대적으로 덜 중요하다.
"지능형" 광검출기가 파형측정장치에 제공될 수 있고, 상기 광검출기는 측정작업 및 연산작업을 자동으로 수행할 수 있다. 상기 방법에 의해 파형측정장치는 적어도 주기(L)을 표시장치에 출력하고 증가된 적분연산 또는 평가출력과 관련하여 파형의 깊이(T)를 표시장치에 출력한다. 조작용이성을 손상시키지 않고, 상기 파형측정장치가 구성되어 필요시 상기 파형측정장치가 감지된 매개변수값을 저장할 수 있지만, 상기 파형측정장치는 대량의 데이터를 저장하기 위해 이용될 수 없다.
비틀림없는 저널표면이 생산되어야 하는 기계라인을 장시간동안 자동으로 감시하기 위해 본 발명의 파형측정장치가 이용될 수 있다. 특히 일정한 사용을 위한 파형측정장치가 2차광선을 측정 및 연산하는 평가유닛에 제공된다. 제조과정에 일체로 구성된 파형측정장치를 사용하여 결정되는 생산 및 오차데이타가 다른 기계작업데이터, 예를 들어, 공작물회전속도, 연삭헤드의 회전속도, 연삭헤드의 전진운동, 드레싱 전진운동, 원주방향의 연삭작업시 최종드레싱과정후 공작물갯수와 함께 생산데이터로거(logger) 또는 메모리에 의해 시간순으로 수집, 저장 및 평가된다. 대량의 데이터 및 파형의 발생여부에 관한 사실로 부터 생산경험이 경험적으로 구해지고, 임계매개변수의 편성이 회피될 수 있다. 연속적인 데이터 메모리를 사용하는 상기 온라인 생산감시기능이 기계와 일체로 구성되거나, 직접적인 생산라인으로부터 생산감시용 방음실에서 이루어진다.
파형탐지작업중, 단면에 걸쳐 2차광선(8)의 강도분포는 영상데이터의 데이터 처리가능한 기록으로 변환될 수 있고, 예를 들어 도 7 의 상부(a)에서 네가티브(negative)로 도시된다. 상기 영상 데이터 기록은 상응하게 사전 프로그램된 컴퓨터 또는 기구에 일체로 구성된 "지능형" 광검출기에서 강도 최고점(I1,I2)의 발생에 대해 평가될 수 있고, 상기는 대문자(I1,I2)에 의해 2차광선의 구조현상으로 라벨이 형성된다. 역으로, 상기 최고점의 강도값은 소문자(i1,i2)로 인용된다. 모든 회절 차수가 도 7 과 같이 명확하게 도시되지 않기 때문에, 명확하게 감지되는 2개의 강도최고점들, 즉 0차 회절의 주 최고점(I1) 및 1차 회절의 부 최고점(I2)이 중첩된 상대적으로 강한 특정 노이즈를 가지고, 먼저 2차광선의 강도분포에 대한 영상데이터에 의해 자동상관관계가 형성된다. 특히 약한 비틀림구조는 동일한 크기를 가진 확률분포의 거칠기를 가져서, 이 경우 자동상관관계는 중요하다. 자동상관관계는 회절차수에서 강도분포의 평활화상태를 나타내어, 강도최고점들이 용이하게 감지된다. 예를 들어 0차 회절 및 1차 회절의 위치에서 자동상관관계의 값으로부터, 상기 회절차수에서 강도값(i1,i2)을 결정하는 것이 가능하다. 회절영상의 2차원 강도 분포내에서 선 b-b(도 7, 부분(a) 참조)를 따른 상기 자동상관관계의 프로파일이 도 7 에 도시된다. 2개의 최고점(I1,I2)의 간격 및 강도최고점의 자동상관관계의 각 기능값(i1,i2)은 전술된 바와 같이 연산에 의해 결정될 수 있다.
전술된 바와 같이, 파형의 주기(L)는 결정된 거리로부터 단순 상호 관계에 따라 대략 연산될 수 있다. 회절영상은 공작물표면에서의 회절파형 구조에 대한 깊이의 관련정보를 제공하고, 파고점 및 파곡점(wave trough)이 회절영상을 형성한다. 예를 들어, 상이한 회절영상이 두 파형 표면으로부터 형성되고, 상기 파형표면은 서로 동일한 파형주기를 가지나, 서로 다른 파형깊이를 가진다. 파고점(27) 및 파곡점사이의 깊이(T)는, 주기를 고려하는 동시에 주강도(I1) 및 부강도(I2)의 두 강도값(i1,i2)으로부터 추정될 수 있다. 상기 연산방법은 주기의 연산만큼 단순하지 않다. 파곡점의 깊이(T)를 결정하도록, 식 k = i1× i2/ (i1 2+ i2 2)을 이용하여 강도값(i1,i2)으로부터 정규화 보조값(k)을 연산하는 것이 필요하다. 파형의 주기(L)에 대해 상기 상호 관계와 마찬가지로 상기 관계는, 본 경우에 권장되는 기구 설계에 용이하게 이용될 수 있지만, 이상화한 단순화가 적용될 때 유용하다. 보조값(k)은 매우 낮은 강도에 대해 0으로 지향되는 경향이 있다. 1차 회절이 밝을수록, 따라서 강도가 0차 회절의 강도에 근접할수록, 보조값(k)은 0.5의 "포화'값에 근접된다. 대부분의 실제 경우는 전술된 두 극한사이에 형성될 것이고, 즉 도 8 의 다이어그램선의 최대 전개 범위에 형성된다. 상기 보조값 및 미리 결정된 주기(L)를 이용하여, 파곡점의 깊이(T)는 도 8 에 따른 그래프의 보조로 결정될 수 있고, 컴퓨터에 데이터기록으로서 저장될 수 있고 연산에 결합될 수 있다.
파동깊이(T)에 대해 상기 방법으로 구해진 결과와 테스트-스코어 방법을 이용하여 형성된 값의 비교시 매우 우수한 상호관계를 나타낸다. 본 발명에 따라 결정된 깊이는 연마된 표면의 경우에 기준치보다 다소 작게 나타나고, 테스트-스코어 방법에 따른 기준치의 62±5%이다. 상기 차이는 두 방법의 상이한 대역 제한에 기여한다. 테스트-스코어 방법이 연마구조의 상세부를 선택하지만, 상기 상세부는 광선이 스치듯이 조사되는 경우에 억제된다. 직접 비교가 요구되는 경우, 본 발명에 따라 형성된 깊이값에 보정계수(연마된 표면의 경우 약 1.6)가 곱해져야 한다.

Claims (14)

  1. 단색간섭성의 1차광선(7)을 이용하여 공작물표면(12)이 조사되고, 상기 공작물표면(12)으로부터 반사된 2차광선(8)내에 주기성 파형들의 회절영상이 형성되며, 상기 1차광선(7)이 공작물표면(12)과 수직인 표면에 대해 큰 입사각으로 공작물표면에 입사하고 주시겅 파형들과 직각으로 입사하며 회절영상의 강도분포가 평가되고, 공작물표면의 주기성 파형들을 감지하기 위한 방법에 있어서,
    연마된 공작물표면의 파형(26)위에 중첩되고 확률분포를 가지며 파형보다 미세하고 급한 경사로 오목하게 구성된 연마구조물(24)이 상기 파형(26)에 구성되고, 상기 파형(26)을 독립적으로 측정하기 위하여, 공작물표면의 법선에 대해 83±2°의 입사각으로 상기 1차광선(7)이 공작물표면(12)위에 스치듯이 입사하여 상기 연마구조물(24)들의 음영부(25)들이 음영을 가지고,
    파형(26)들이 독립적으로 조사되고, 1차광선을 향하는 파형(26)의 측면변부, 1차광선과 멀어지는 파형(26)의 측면변부 및 파형의 파고점(27)들에 의하여, 파형(26)들만을 나타내는 회절영상이 형성되는 것을 특징으로 하는 공작물표면의 주기성 파형들을 감지하기 위한 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 2차광선(8)이 매트패널(10)에서 수집되고, 2차광선(8)의 강도분포가 강도의 최고점(I1, I2)의 발생과 관련하여 시각적으로 평가되는 것을 특징으로 하는 공작물표면의 주기성 파형들을 감지하기 위한 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 2차광선(8)의 강도분포가 회절영상의 영상영역에서 위치의 함수로서 측정되고, 측정값들이 최고점들(I1, I2)의 발생에 의해 평가되는 것을 특징으로 하는 공작물표면의 주기성 파형들을 감지하기 위한 방법.
  4. 제 3항에 있어서, 2차광선(8)의 강도분포가 자동상관관계로 처리되고, 자동상관관계에 의해 구해진 상관관계함수가 평가되는 것을 특징으로 하는 공작물표면의 주기성 파형들을 감지하기 위한 방법.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 한 항에 있어서, 근접하게 배열된 최고점(I1, I2)들의 간격(a)이 결정되고, 상기 간격(a)으로부터 파형(26)의 주기(L)가 추정되는 것을 특징으로 하는 공작물표면의 주기성 파형들을 감지하기 위한 방법.
  6. 제 1항 내지 제 4항 중 한 항에 있어서, 근접하게 배열된 최고점(I1, I2)들의 강도값(i1, i2)이 결정되고, 파고점(27)들사이에 배열된 파형골의 깊이(T)가 파형(26)의 주기(L) 및 상기 강도값들로부터 추정되는 것을 특징으로 하는 공작물표면의 주기성 파형들을 감지하기 위한 방법.
  7. 공작물표면위에 배열되는 파형측정장치를 가지고, 상기 파형측정장치가 단색간섭성의 1차광선을 공작물표면위에 특정방향으로 입사시키는 1차광선공급원 및 공작물표면으로부터 반사되고 산란되는 광선원추를 수집하는 2차광선수집장치를 가지며, 공작물표면의 주기성 파형들을 감지하기 위한 장치에 있어서,
    파형측정장치(1)가 공작물(11)위에 배열될 때, 1차광선(7)이 파형측정장치(1)로부터 유출하는 영역에서 상기 1차광선(7)이 83±2°의 각도범위내에서 공작물표면(12)과 충돌하고,
    파형측정장치(1)가 공작물표면(12)위에 배열된 후에, 공작물표면(12)의 주기성파형(26)들에 대해 상기 파형측정장치(1)가 직각으로 배열되며,
    상기 2차광선표시장치가 영상광학장치없이 파형(26)의 회절영상으로서 상기 광선원추를 수집하고, 회절영상의 강도분포가 평가되는 것을 특징으로 하는 공작물표면의 주기성 파형들을 감지하기 위한 장치.
  8. 제 7항에 있어서, 파형측정장치(1)가 공작물표면(12)에 부착되는 적용면(2)내에 파형측정장치(1)가 출구윈도우(31)를 포함하고, 1차광선(7)을 위한 편향거울(14) 및 2차광선(8)을 위한 편향거울(15)이 상기 출구윈도우(31)의 측면경계부에 배열되며, 상기 편향거울(14, 15)들이 1차광선 및 2차광선(8)을 편향시켜서 편향거울(14)의 전방에 위치한 1차광선(7)의 성분 및 편향거울(15)의 후방에 위치한 2차광선의 성분이 공작물표면(12)에 대해 직각으로 배열되는 것을 특징으로 하는 공작물표면의 주기성 파형들을 감지하기 위한 장치.
  9. 제 8항에 있어서, 편향거울(14)의 전방에 위치한 1차광선(7)의 성분 및 편향거울(15)의 후방에 위치한 2차광선(8)의 성분이 서로 교차하는 것을 특징으로 하는 공작물표면의 주기성 파형들을 감지하기 위한 장치.
  10. 제 7항에 있어서, 회절영상의 강도분포를 시각적으로 감지하는 매트패널(10)에 의해 상기 2차광선표시장치가 제공되는 것을 특징으로 하는 공작물표면의 주기성 파형들을 감지하기 위한 장치.
  11. 제 7항에 있어서, 회절영상의 강도분포를 측정하고 선형 또는 2차원 매트릭스를 형성하는 복수개의 광감지센서에 의해 2차광선표시장치가 제공되는 것을 특징으로 하는 공작물표면의 주기성 파형들을 감지하기 위한 장치.
  12. 제 7항에 있어서, 회절영상의 강도분포를 시각적으로 감지하는 매트패널(10) 및 회절영상의 강도분포를 측정하고 선형 또는 2차원매트릭스를 형성하는 복수개의 광감지센서들이 2차광선표시장치내에 배열되고, 광선분산기 또는 경사거울을 통해 2차광선의 경로가 매트패널 및 광감지센서에 제공되는 것을 특징으로 하는 공작물표면의 주기성 파형들을 감지하기 위한 장치.
  13. 제 12항에 있어서, 2차광선(8)의 회절영상의 강도분포를 기록하기 위한 디지털카메라(23)가 상기 파형측정장치(1)에 장착되는 것을 특징으로 하는 공작물표면의 주기성 파형들을 감지하기 위한 장치.
  14. 삭제
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