WO2020221859A1 - Oberflächenprüfverfahren und -einrichtung - Google Patents

Abstract

Oberflächenprüfverfahren und Oberflächenprüfeinrichtung (1) zur genauen Bestimmung der Abweichung einer Oberflächenform eines Präzisionsbauteils von einer vorgegebenen idealen Oberflächenform des Präzisionsbauteils mittels eines Konfokallasers (5), wobei zur Messung die zu vermessende Oberfläche (3') des Bauteils (3) um eine Rotationsachse (9) gedreht wird, so dass der Laserstrahl (5') des Konfokallasers (5) während der Messung auf die zur Rotationsachse (9) radiale Oberfläche (3') des Bauteils (3) auftrifft, dabei die Oberfläche (3') des Bauteils (3) abgetastet und gleichzeitig der Drehwinkel erfasst wird. In einem ersten Schritt werden bis zu einer maximal möglichen Abtastrate des Konfokallasers (5) Messwerte pro Zeiteinheit als Signalwerte, ein vom Konfokallaser (5) zur Verfügung gestelltes Gütesignal für den jeweiligen Messwert, der Drehwinkel und drei Raumkoordinaten des Konfokallasers (5) synchron erfasst werden. In einem zweiten Schritt werden beim Auftreffen des Laserstrahls (5') des Konfokallasers (5) auf die Oberfläche (3') des Bauteils (3) erzeugte Signalwerte erfasst und in Relation zum Drehwinkel gespeichert werden und aus den erfassten Signalwerten die Signalwerte, die im Messbereich des Fokuspunktes des Konfokallasers (5) in Abhängigkeit von dem Gütesignal liegen als Messwerte ausgewählt, sortiert und dem jeweiligen Oberflächenpunkt des Bauteils (3) zugeordnet.

Description

Oberflächenprüfverfahren und -einrichtung

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Oberflächenprüfverfahren zur genauen Bestimmung der Abweichung einer Oberflächenform eines Präzisionsbauteils von einer vorgegebenen idealen Oberflächenform des Präzisionsbauteils mittels eines Konfokallasers, wobei zur Messung die zu vermessende Oberfläche (3') des Bauteils (3) um eine Rotationsachse (9) gedreht wird, so dass der Laserstrahl (5‘) des Konfokallasers (5) während der Messung mit seinem Fokuspunkt auf die zur Rotationsachse (9) radiale Oberfläche (3’) des Bauteils auftrifft, dabei die Oberfläche (3’) des Bauteils (3) abgetastet und gleichzeitig der Drehwinkel erfasst wird, indem beim Auftreffen des Laserstrahls (5‘) des Konfokallasers (5) auf die Oberfläche (3’) des Bauteils (3) zu einem jeweiligen Oberflächenpunkt erzeugte Signalwerte erfasst, in Relation zum Drehwinkel gespeichert und einander zugeordnet ausgegeben werden, sowie eine Oberflächenprüfeinrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Die Erfindung betrifft außerdem eine Oberflächenprüfeinrichtung zur genauen Bestimmung der Abweichung einer Oberflächenform eines Präzisionsbauteils von einer vorgegebenen idealen Oberflächenform des Präzisionsbauteils mittels eines mit Abstand zum Bauteil angeordneten Lasers mit einer Dreheinrichtung für das zu prüfende Bauteil mit einer Drehwinkelerfassungseinrichtung, einer X-Y-Z-Bewegungseinrichtung an der der Laser angeordnet ist, eine Eingabe- und Ausgabeeinrichtung sowie einer Rechen- und Steuereinrichtung für die Erfassung, Speicherung und Auswertung der Signalwerte sowie Steuerung der Dreheinrichtung, Bewegungseinrichtung und des Lasers, wobei die Dreheinrichtung angepasst ist, das zu prüfende Bauteil aufzunehmen und während der Messung um eine Rotationsachse der Dreheinrichtung zu drehen, der Laser als Konfokallaser ausgebildet ist, wobei der Konfokallaser mittels der X-Y-Z-Beweg u ngseinrichtu ng derart ausgerichtet ist, dass der der Laserstrahl mit seinem Fokuspunkt auf die zur Rotationsachse radiale zu prüfende Oberfläche des Bauteils auftrifft, und die Rechen- und Steuereinrichtung angepasst ist, die beim Auftreffen des Laserstrahls des Konfokallasers auf die Oberfläche des Bauteils zu einem jeweiligen Oberflächenpunkt erzeugten Signalwerte zu erfassen, in Relation zum Drehwinkel zu speichern und einander zugeordnet auszugeben,.

Es ist bekannt, die Oberflächenform von Präzisionsbauteilen, wie Antriebswellen, Nockenwellen, Kurbelwellen oder anderer im Betrieb sich um mindestens eine Achse drehender Präzisionsbauteile durch Nachfahren der Oberfläche mittels eines Lasers diese auf ihre Maßhaltigkeit gegenüber der vorgegebenen Idealform zu überprüfen. Bei dieser Art der Kontrolle folgt der Laser dynamisch der Oberfläche bei Erhebungen oder Vertiefungen. Dabei können die Bauteile und/oder der Laser bewegt werden. Eine derartige Überprüfung ist relativ zeitaufwendig, weil der Laser über die gesamte Oberfläche bewegt werden muss, um eine genaue Abtastung vorzunehmen.

Aus der DE 10 2016 1 15 827 A1 und DE 10 2017 130 211 A1 ist die optische Oberflächenmessung mit Hilfe eine chromatisch (monochromatisch oder polychromatisch) konfokalen Sensors bekannt. Durch die Verwendung eines derartigen Sensors ist ein mechanisches Scannen in Richtung der Strahlachse der verwendeten Lichtquelle, nicht mehr erforderlich. Mittels diesem wird ein optisches Scannen durchgeführt. Im Übrigen beschreiben diese Dokumente und auch die JP 2012 181 159 A das grundsätzliche Funktionsprinzip eines chromatischen Lasers sowie die grundsätzlichen Messungen von Oberflächen mittels eines derartigen Scanners, teilweise am Beispiel eines Zahnrades, wobei keine Möglichkeit der Messung des Winkels bei Innenverzahnungen gegeben ist. Die US 2002/0101595 A1 beschreibt ebenfalls die grundsätzliche Vermessung einer Nockenwelle mittels eines Lasers. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird ein derartiger chromatischer (monochromatischer oder polychromatischer) konfokaler Sensor als Konfokallaser bezeichnet.

Die EP 3 321 628 A1 und EP 3 441 712 A1 betreffen eine Koordinaten-Messvor- richtung mit optischem Sensor und entsprechendem Verfahren für ein zu messendes Zahnrad-Bauteil unter Verwendung eines konfokalen chromatischen Sensors. Bei beiden ist ein Fokus-T rigger-Sensor vorgesehen, der einen Lichtstrahl entlang einer optischen Achse in Richtung des Zahnrad-Bauteils aussendet. Mit dem Fokus-T rigger-Sensor ist unter Einsatz einer oder mehrerer der Achsen eine Scanbe- wegung relativ zu dem Zahnrad-Bauteil ausführbar, wobei durch den Fokus-T rigger-Sensor immer dann ein Schaltsignal bereitstellbar ist, wenn das Zahnrad-Bauteil relativ zu dem Fokus-T rigger-Sensor einen Nennabstand erreicht. Die Erfassung erfolgt damit ausschließlich aufgrund eines Triggersignals, das eine Messung auslöst. Das Messsignal wird mit den Signalen von einem Winkelsensor korreliert.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit vorzuschlagen, mit der die Oberflächenform von Präzisionsbauteilen bei hoher Genauigkeit mit einer optischen Auflösung von kleiner einem Mikrometer erheblich beschleunigt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Oberflächenprüfverfahren nach Anspruch 1 sowie eine Oberflächenprüfeinrichtung nach Anspruch 9 bzw. 10 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den jeweiligen rückbezogenen Unteransprüchen zu entnehmen.

Gemäß der Erfindung wird ein Konfokallaser verwendet, wobei die Verschiebung (bei einem monochromatischen Konfokallaser) oder Abfrage (bei einem polychromatischen Konfokallaser) des Fokuspunkts im MHz-Bereich liegt. Dieser tastet dabei die mit einem dem Konfokallaser inhärenten Messbereich von mindestens ± 0,5 mm eine Oberfläche ab. Das Nutzsignal von mindestens 10 KHz, d.h. das gemessene Abstandssignal, ist nicht die Frequenz mit der der Konfokallaser schwingen würde, sondern die höchstmögliche Datenausgangsrate. Der Laserstrahl sollte dabei möglichst senkrecht auf die zu messende Oberfläche treffen, wobei jedoch abmessungsbedingt von dieser Position abgewichen werden kann. Zur Messung wird die zu vermessende Oberfläche des Bauteils um eine Rotationsachse gedreht, so dass der Laserstrahl des Konfokallasers mit seinem Fokus. Während der Messung auf die zur Rotationsachse radiale Oberfläche des Bauteils auftrifft, dabei die Oberfläche des Bauteils abgetastet und gleichzeitig der Drehwinkel erfasst wird. In einem ersten Schritt werden bis zu einer maximal möglichen Abtastrate des Konfokallasers Messwerte pro Zeiteinheit als Signalwerte, ein vom Konfokallaser zur Verfügung gestelltes Gütesignal für den jeweiligen Messwert, der Drehwinkel und die drei Raumkoordinaten des Konfokallasers synchron erfasst. Aus den erfassten und in Relation zum Drehwinkel gespeicherten Signalwerten werden die Signalwerte, die im Messbereich des Fokuspunktes des Konfokallasers liegen in Abhängigkeit des Gütesignals als Messwerte ausgewählt, sortiert und dem jeweiligen Oberflächenpunkt des Bauteils zugeordnet werden.

Es wird somit nicht abhängig vom Drehwinkel oder einem Nennabstand wie beim Stand der Technik gemessen. Es wird zuerst alles gemessen und anschließend eine Auswertung vorgenommen, ob die Werte gültig und brauchbar sind. Dazu werden alle drei Raumkoordinaten, der Drehwinkel, der Messwert und ein von dem Laser geliefertes Plausibilitätssignal oder Gütesignal für den Messwert erfasst. Es ist entscheidend, dass die Werte absolut synchron erfasst werden und nicht durch eine Winkelstellung oder einen Messabstand getriggert werden. Das Gütesignal gibt an mit welcher Qualität die Messung zustande gekommen ist, da der Laser immer misst. Der Konfokallaser liefert einen Messwert und parallel ein Gütesignal. Der Konfokallaser führt dabei eine Plausibilitätsbewertung durch, wie intensiv das Messsignal im Vergleich dazu, wie es aufgrund des vorliegenden mathematischen Models des zu untersuchenden Bauteils sein sollte, ist. Das bedeutet beispielsweise, dass bei einer Messung völlig außerhalb des Fokusbereiches ein Gütesignal von Null zurückgegeben wird. Somit liefert das Gütesignal entweder eine Null bei einem unsinnigen Signal oder eine Intensität zurück, die durchaus eine gewisse Bandbreite aufgrund unterschiedlicher Intensitäten einnehmen kann. Dieses Gütesignal wird zu einer Vorauswertung verwendet, auf die dann eine mathematische Auswertung mit bekannten mathematischen Methoden wie Mittelwertfilter, Steigungsfilter, FFT-Filter und Gauß-Filter folgt. Welches oder welche Filter verwendet werden, kann in Abhängigkeit von der Güte der Messung ausgewählt werden. Die Vorauswertung kann entweder durch die Vorgabe bestimmter Schwellwerte oder durch die Vorgabe einer bestimmten Anzahl von Messwerten erfolgen, wobei bei Letzterem iterativ automatisch eine entsprechende Verschiebung der Schwellwerte durchgeführt wird.

Ein entscheidender Vorteil gegenüber dem Stand der Technik ist der große Messbereich eines Konfokallasers, während andere Laser sehr genau, auf die Entfernung gefahren werden müssen, damit sie überhaupt messen können. Der weitere Vorteil besteht darin kein absolutes Messverfahren zu verwenden, so dass das erfindungsgemäße Verfahren unempfindlich für das Aussehen der Oberfläche (spiegelnd, glatt, befleckt, wechselnde Oberflächenerscheinung etc) ist. Ein normales optisches Verfahren kann sehr schnell dran scheiten, wenn sich ein Fleck auf der Oberfläche befindet. Dadurch wird etwas völlig anderes als direkt daneben gemessen, obwohl die Oberfläche identisch wäre. Erfindungsgemäß stört so etwas nicht, weil kein absolutes Verfahren angewandt wird. Ein weiterer zusätzlicher großer Vorteil der Erfindung gegenüber getriggerten Verfahren liegt darin, dass bei einem getriggerten Verfahren, wenn an einem Triggerpunkt die Oberfläche nicht gut geeignet für die Messung ist, fehlerhafte Messwerte entstehen. Weil jedoch getriggert gemessen wird, erscheint dieser Wert bei jeder Messung erneut. Bei der erfindungsgemäßen frei ablaufenden ungetriggerten Messung ist die Wahrscheinlichkeit, dass zweimal derselbe Punkt getroffen wird, sehr gering. Zusätzlich kann einfach durch Anpassung, z.B. wenn nicht genug Messwerte vorhanden sind, dynamisch die Drehzahl geändert werden oder es wird einfach ein weiterer Durchlauf getätigt, bei dem ohne Triggerung mit einer gegen Null gehenden Wahrscheinlichkeit derselbe Winkelpunkt nochmal gemessen wird. Ein weiterer Vorteil des nicht- getriggerten Messens ist, dass sehr dynamisch auf die Geometrie eingegangen werden kann. Das bedeutet beispielsweise, dass, wenn eine ebene Geometrie zu erwarten ist, diese mit höherer Drehzahl des Bauteils schnell abgescannt werden kann. Wenn dagegen eine scharfe Kante zu erwarten ist, kann an dieser Stelle dynamisch die Drehzahl verringert werden. Die Dichte der Punkte ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht abhängig vom Drehgeber, sondern ausschließlich von der Drehzahl, die geändert werden kann. Über die Drehzahl, die frei beeinflussbar ist, kann einfach die Dichte der Messwerte an bestimmten Stellen, die für das zu untersuchende Teil neuralgisch sind, geändert werden. Erfindungsgemäß wird immer gegen ein mathematisches Modell gemessen, so dass immer bekannt ist, was ungefähr an welcher Stelle erwartet wird. Es kann damit völlig dynamisch - da nicht getriggert - an einer bestimmten Stelle das Bauteil langsam gedreht werden, wodurch sich die Messwertdichte enorm erhöht. Dadurch kann viel besser auf irgendwelche Fehlerereignisse reagiert werden. So kann beispielsweise an Bauteilkanten, die durch Anschlägen oder ähnliches sehr leicht beschädigt werden können, gezielt in einer viel höheren Auflösung gemessen werden, weil die Messung nicht getriggert erfolgt. Durch mehrfaches Scannen des Bauteils über mehrere Umdrehungen wird die Signalqualität verbessert, weil nicht jedes Mal genau derselbe Punkt gemessen wird. Durch das nicht getriggerte Messen können vorteilhafterweise gezielt bestimmte Stellen auf der Oberfläche höher aufgelöst werden.

Dieses Verfahren ist deutlich schneller als die bisher bekannten Oberflächenprüfverfahren, wobei die Dauer der Prüfung selbstverständlich von der Größe und der Drehgeschwindigkeit des Präzisionsbauteils abhängig ist. Die Abtastung kann dabei dynamisch erfolgen, derart, dass die Drehgeschwindigkeit reduziert und die Anzahl der Signalwerte erhöht wird, wenn genaue Daten, beispielsweise von der Tiefe einer Nut erforderlich sind. Entsprechend kann umgekehrt die Drehgeschwindigkeit erhöht und die Anzahl der Signalwerte reduziert werden, wenn es sich um eine einfache Oberflächengeometrie, beispielswiese einen Zylinder handelt. Bei der Prüfung ist besonderen Wert auf die zeitsynchrone Zuordnung der Winkelwerte und der Messwerte zu X-Y-Z-Position des Lasers zu legen. Dadurch jedoch, dass das Präzisionsbauteil sich dreht und die Messung mit hoher Geschwindigkeit ausge_¬ führt wird, werden eine Vielzahl von Messdaten erzeugt, wobei nur ein geringer Teil der erzeugten Messdaten letztlich verwertet wird. T rotzdem geschieht das alles bei einer vollständigen Prüfung des Präzisionsbauteils mit größerer Geschwindigkeit als bei den bisher bekannten Prüfverfahren. Die Auswertung der Messdaten erfolgt mit dem üblichen hierfür bekannten mathematischen Algorithmen, die für derartige Anwendungen bekannt sind.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausbildung des Verfahrens werden die im Messbereich des Fokuspunktes des Konfokallasers liegenden Messwerte nur bei überschreiten eines vorgebbaren Schwellwertes für das dem Messwert zugehörige Gütesignal als weiter zu verarbeitende Messwerte ausgewählt. Es wird, wie erwähnt, keine durch ein Drehgebersignal getriggerte Erfassung, sondern eine Bewertung der Messwerte durchgeführt. Abschließend wird für die Auswertung mittels eines oder mehreren der üblichen mathematischen Verfahren, z. B. Iterationsverfahren, eine dynamische Nachführung durchgeführt. Damit wird beispielsweise bei einer Messung mit vielen Werten, von denen einige Werte innerhalb oder einige Werte außerhalb des Messbereiches des Konfokallasers liegen, eine Bewertung aufgrund des Gütesignals durchgeführt. Dieses Gütesignal wird erstens dazu benutzt, um sinnlose Werte von sinnhaltigen zu trennen und zweitens die Güte, da ohnehin viel zu viele Messwerte vorliegen, auszuwerten.

Beispielsweise kann eine Zielvorgabe darin bestehen, eine bestimmte Anzahl von Messwerten pro Umdrehung zu erhalten. Dann wird die Zulässigkeitsschwelle oder ein Schwellwert so lange verändert, bis dieser Wert ungefähr erreicht wird. Dadurch bleibt von den sehr vielen Messwerten die gewünschte Anzahl mit ausreichender Güte übrig. Der Schwellwert wird dynamisch nachgeführt. Beispielsweise könnte die Vorgabe darin bestehen, dass eine bestimmte Anzahl von Messwerten pro Schicht (Profischnitt) ausreichend ist, um die Qualität zu bewerten. Dann könnte der Schwellwert so lange nach oben verschoben werden, bis in etwa die erforderliche Anzahl von Messwerten erreicht werden. Mit diesen wird dann abschließend die mathematische Bearbeitung wie z.B. Glättungen und Filterungen oder ähnliches vorgenommen.

Die andere Möglichkeit des Einsatzes eines Schwellwertes für das Gütesignal besteht darin, den Schwell wert so lange zu verändern, bis aufgrund der Auswahl über diesen Schwellwert nur so viele Werte übrig bleiben, die zur Bewertung der Geo- metrie benötigt werden. Dies bedeutet, dass, wenn ein Bauteil für die optische Messung relativ schlecht ist, auch alle Gütewerte schlecht sind. Dann befindet sich der Schwellwert in einem niedrigeren Bereich als bei einem guten Bauteil. Der Schwellwert wird dann in einem niedrigen Bereich so gelegt, eine ausreichende Anzahl von Messwerten erreicht sind. Anschließend wird versucht, über mathematische Filterung daraus noch etwas zu generieren und ein vernünftiges Ergebnis zu erreichen. Bei einem zu messenden guten Bauteil sind normalerweise die Plausibilitätswerte relativ hoch. Bei Reflexionen entstehen Spitzen, die unerwünscht sind und deren Plausibilität gering ist. Diese können durch anheben des Schwellwertes auch aus der Menge der vorliegenden Messwerte für die weitere Bearbeitung entfernt werden, obwohl es grundsätzlich sich aufgrund der Plausibilität um gültige, aber von der Qualität schlechte Werte handelt. Dadurch können gezielt Messwerte mit einer bestimmten Qualität ausgewählt bzw. ausgeschlossen werden. Dies kann dazu führen, dass bei einem Bauteil, das sehr sauber zu messen ist, auch ohne viel Filterung der Messwerte bei der anschließenden mathematischen Bearbeitung ein ausreichendes Ergebnis erzielt wird.

Vor Beginn der Messung wird die X-Y-Z-Position des Konfokallasers für die Erfas sung der Signalwerte exakt bestimmt, wobei der Abstand zur Oberfläche des Präzisionsbauteils durch die Laserstrahlreichweite und deren Auftreffwinkel auf die Oberfläche des Bauteils definiert wird. Die letztendlich genaue Winkelposition des zu prüfenden Präzisionsbauteils ist für die Einstellung des Abstandes des Konfokallasers nicht erforderlich. Nach der Einstellung des Fokusabstandes des Konfokallasers von dem Präzisionsbauteil sind die genaue Position und der Auftreffwinkel definiert. Zweckmäßigerweise wird zu Beginn der Messung der Fokuspunkt auf eine exponierte Stelle der zu prüfenden Oberfläche des Bauteils eingestellt. Dies kann je nach Ausgestaltung des Präzisionsbauteils eine Erhebung oder eine Vertiefung sein. Die X-Y-Z-Position des Konfokallasers wird zeitsynchron mit dem Messwert und dem Drehwinkel aufgenommen.

Vorteilhafterweise wird der Laserstrahl beim Abtasten in axialen Schichten schichtweise in radialer Richtung bezüglich des Bauteiles bewegt. Die Abtastung erfolgt somit auf der Oberfläche des rotierenden Bauteils von der Mitte nach außen oder umgekehrt, wobei der Laserstrahl über die gesamte (axiale) Länge des Bauteils dieses schichtweise abtastet. Durch die Rotation des Bauteils werden alle Oberflächenpunkte an dem Laserstrahl vorbeigeführt. Es ist zweckmäßig, gerade bei längeren Bauteilen, diese um eine vertikale Achse zu drehen um Messfehler, bei- spielsweise durch Durchbiegungen bei horizontaler Lagerung zu vermeiden.

Falls erforderlich können beim Bewegen in radialer Richtung die Fokuspunkte bei der Abtastung sich um 20 bis 30 % überlappen, um gegebenenfalls nach Angleichen der Signalwerte an den überlappenden Stellen zusätzliche Genauigkeiten bei der Berechnung zu erreichen. Die Abtastung erfolgt gemäß einer bevorzugten Ausbildung des Verfahrens bei einer Drehzahl des Bauteils von 20 bis 60 U/min. Wie bereits vorstehend ausgeführt dreht sich das Bauteil permanent bei der Messung und die Abtastung erfolgt mit je nach Anwendungsfall mit einer Frequenz von 20 kHz oder mehr, wobei jedoch auch möglich ist, in Einzelfällen mit einer geringeren Frequenz abzutasten. Infolge des- sen ergeben sich, beispielhaft bei einer Frequenz von 20 kHz 20.000 Signalwerte pro Sekunde, die durch die Drehung des Bauteils von den verschiedenen Punkten auf der Oberfläche stammen und bei der Auswertung aufgrund der Zuordnung zu dem Drehwinkel dem Oberflächenpunkt wieder zugeordnet werden. Zwangsläufig ergeben sich, je nach dem wie aufwendig und uneben die Oberfläche ist, eine Viel- zahl von Messwerten, die nicht auf der Oberfläche des Bauteils sondern beispielsweise in Vertiefungen, wie Nuten, Kerben usw., liegen, so dass diese Signalwerte aussortiert werden, weil sie nicht im Messbereich des Fokuspunktes des Konfokal- lasers liegen. T rotzdem ist dieses Verfahren schneller als alle bisher bekannten Verfahren. Vorteilhafterweise wird die Oberfläche gegebenenfalls in Abhängigkeit von einer theoretischen Idealform und/oder gegebenenfalls unter Berücksichtigung einer Toleranz, grafisch dargestellt, wobei unter Berücksichtigung der mathematisch hinterlegten Idealform der Oberfläche die Abweichungen entsprechend ermittelt werden. Eine erfindungsgemäße Oberflächenprüfeinrichtung zur Durchführung des Verfahrens weist eine Dreheinrichtung mit einer Drehwinkelerfassungseinrichtung für ein zu prüfendes Präzisionsbauteil auf, eine X-Y-Z-Bewegungseinrichtung, an der der

Konfokallaser angeordnet ist, eine Eingabe- und Ausgabeeinrichtung sowie eine Rechen- und Steuereinrichtung für die Erfassung, Speicherung und Auswertung der Signalwerte sowie Steuerung der Dreheinrichtung, Bewegungseinrichtung und des Konfokallasers.

Erfindungsgemäß ist bei der Oberflächenprüfeinrichtung zur genauen Bestimmung der Abweichung einer Oberflächenform eines Präzisionsbauteils die Dreheinrichtung angepasst, das zu prüfende Bauteil aufzunehmen und während der Messung um eine Rotationsachse der Dreheinrichtung zu drehen. Des Weiteren ist der Laser als Konfokallaser ausgebildet, wobei der Laserstrahl des Konfokallasers mittels der X-Y-Z-Bewegungseinrichtung auf die auf die zur Rotationsachse radiale Oberfläche als zu prüfende Oberfläche des Bauteils auftrifft. Die Rechen- und Steuereinrichtung ist angepasst, um in einem ersten Schritt mit einer maximal möglichen Abtastrate des Konfokallasers Messwerte pro Zeiteinheit als Signalwerte, ein vom Konfokallaser zur Verfügung gestelltes Gütesignal für den jeweiligen Messwert, den Drehwinkel und die drei Raumkoordinaten des Konfokallasers synchron zu erfassen und in einem zweiten Schritt aus den erfassten Signalwerten die Signalwerte, die im Messbereich des Fokuspunktes des Konfokallasers liegen, in Abhängigkeit von dem Gütesignal als Messwerte auszuwählen, zu sortieren und dem jeweiligen Oberflächenpunkt zuzuordnen.

Gemäß einer besonderen Ausbildung der Erfindung ist die Rechen- und Steuereinrichtung ausgebildet ist, die im Messbereich des Fokuspunktes des Konfokallasers liegenden Messwerte nur bei überschreiten eines vorgebbaren Schwellwertes für das dem Messwert zugehörige Gütesignal als weiter zu verarbeitende Messwerte auszuwählen.

Vorteilhafterweise ist die Rechen- und Steuereinrichtung ausgebildet, die mittels der X-Y-Z-Bewegungseinrichtung eingestellten X-Y-Z-Position des Konfokallasers für die Erfassung der Signalwerte exakt zu bestimmen, wobei der Abstand zur Oberfläche des Bauteils durch die Laserstrahlreichweite und einen Auftreffwinkel auf die Oberfläche der Zähne definiert ist.

Gemäß einer weiteren Ausbildung ist die Rechen- und Steuereinrichtung ausgebildet, die mittels der X-Y-Z-Bewegungseinrichtung eingestellte Position des Konfo- kallasers und/oder den Konfokallaser zu Beginn der Messung mit dem Fokuspunkt auf eine exponierte Stelle, wie beispielsweise Vertiefung oder Erhebung, der zu prüfenden Oberfläche des Bauteils einzustellen.

Des Weiteren ist die Rechen- und Steuereinrichtung gemäß einer weiteren Ausbildung geeignet, den Laserstrahl beim Abtasten in axialen Schichten schichtweise in radialer Richtung bezüglich einer Längsachse des Bauteils zu bewegen.

Die Oberflächenprüfeinrichtung ermöglicht gemäß einer weiteren Ausbildung, dass beim Bewegen in radialer Richtung die Fokuspunkte bei der Abtastung sich um 20 bis 30% überlappen.

Vorteilhafterweise erfolgt die Abtastung bei einer Drehzahl des Bauteils von 20 bis 60 U/min.

Bei der erfindungsgemäßen Oberflächenprüfeinrichtung ist zweckmäßigerweise die Rechen- und Steuereinrichtung derart ausgebildet, dass die Topologie der des Bauteils gegebenenfalls in Abhängigkeit von der theoretischen Idealform und/oder gegebenenfalls unter Berücksichtigung einer Toleranz grafisch über die Eingabe- und Ausgabeeinrichtung dargestellt werden kann.

Der Vorteil des vorstehend geschilderten Verfahrens sowie der Oberflächenprüfeinrichtung besteht darin, dass es damit möglich ist, hochgenau im Mikrometerbereich bei einer Auflösung von kleiner einem Mikrometer mit hoher Geschwindigkeit Präzisionsbauteile zu prüfen, so dass das Verfahren und die Vorrichtung zu 100% Kontrolle in einem Fertigungsprozess in vorteilhafter Weise integriert werden kann. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur allein gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar. Zur Ausführung der Erfindung müssen nicht alle Merkmale der unabhängigen Ansprüche verwirklicht sein. Auch können einzelne Merkmale der unabhängigen Ansprüche durch andere offenbarte Merkmale oder Merkmalskombinationen ersetzt werden.

Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder der Zeichnung hervorge- henden Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumliche Anordnung und Verfahrensschritte können sowohl für sich als auch in verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in der Figur näher erläutert. Die Figur stellt ein Blockschaltbild mit den einzelnen Elementen der Oberflächenprüfeinrichtung dar.

Die einzige Figur zeigt in schematischer Darstellung eine Oberflächenprüfeinrichtung 1 mit einer Dreheinrichtung 2 zur Aufnahme für eines in vertikaler Richtung angeordneten zu prüfenden Präzisionsbauteils 3, beispielsweise einer Nockenwelle, wobei die Dreheinrichtung 2 eine Drehwinkelerfassungseinrichtung 4 auf- weist, die eine genaue Winkellagebestimmung des Bauteils 3 ermöglicht. In der Figur ist lediglich ein Symbol für ein beliebiges Präzisionsbauteil 3 dargestellt, das sich um die Rotationsachse 9 dreht. Des Weiteren ist eine X-Y-Z-Bewegungsein- richtung 6 vorgesehen, an der ein Konfokallaser 5 mit einem auf die Oberfläche 3 des Bauteils 3 gerichteten Laserstrahl 5‘ angeordnet ist. Des Weiteren ist eine Ein- gäbe- und Ausgabeeinrichtung 7 sowie eine Rechen- und Steuereinrichtung 8 für die Erfassung, Speicherung und Auswertung der Signalwerte sowie Steuerung der Dreheinrichtung 2, Bewegungseinrichtung 6 und des Konfokallasers 5 vorgesehen. Mittels der Rechen- und Steuereinrichtung 8 erfolgt die Positionsvorgabe, Positionierung des Konfokallasers 5 über die entsprechende Mechanik der Achsantriebe der X-Y-Z-Bewegungseinrichtung 6 und die Steuerung des Antriebs der Dreheinrichtung 2. Die Dreheinrichtung 2 mit ihrer Drehwinkelerfassungseinrichtung 4 liefert zeitsynchron den augenblicklichen Winkel an die Rechen- und Steuereinrichtung 8, die zur gleichen Zeit die zu dem jeweiligen Drehwinkel gehörenden abgetasteten Signalwerte des Konfokallasers 5 von dem Oberflächenpunkte des Bauteils 3 erhält und die Signalwerte diesem Drehwinkel und der jeweiligen abgetasteten Schicht des zu prüfenden Bauteils 3 zuordnet. Über die Eingabe- und Ausgabeeinrichtung 7 mit einer grafischen Oberfläche sowie Drucker kann das Ergebnis der in der Rechen- und Steuereinrichtung 8 erfolgten Auswertung dargestellt werden. Je nach Wahl kann die Oberfläche 3‘ des Bauteils 3 mit den exponierten Stellen, wie Vertiefungen oder Erhebungen, und den einzelnen Messpunkten einzeln oder in Relation zu der Idealform des Bauteils 3 dargestellt werden.

Das Prüfverfahren erfolgt derart, dass nach der Beladung der Dreheinrichtung 2 mit dem zu prüfenden Präzisionsbauteil 3 dieses in Rotation versetzt wird, anschließend mittels der X-Y-Z-Bewegungseinrichtung 6 die Position des Konfokallasers 5 angefahren wird und die Abtastung in radialer Richtung, wie vorstehend beschrieben, an dem Bauteil 3 durchgeführt wird. Anschließend wird die nächste Messposition angefahren und er Vorgang so lange wiederholt, bis die gesamte Oberfläche des Bauteils 3 abgetastet ist. Je nach Ausgestaltung der besonders exponierten und genau zu prüfenden Stellen des Bauteils kann auch eine Ausrichtung auf verschiedene Flanken oder Seiten von Vertiefungen oder Erhebungen erforderlich sein. Im Anschluss daran werden die Messwerte ausgewählt, die im Messbereich des Fokuspunktes des Konfokallasers 5 liegen und somit Messpunkte der Oberfläche des Bauteils 3 darstellen. Dies erfolgt durch die Festlegung eines Schwellwertes für ein ebenfalls abgespeichertes Gütesignal, der entsprechend der vorliegenden Gütewerte des Bauteils ausgewählt wird. Er bestimmt sich entweder durch einen vorgegeben Wert oder iterativ durch die Vorgabe einer bestimmten Anzahl von für die Weiterverarbeitung notwendigen Messwerten. Zudem wird bei diesen beliebigen Bauteilen das Gütesignal noch benutzt, um direkt nach einem Scan über Sta_¬ tistik festzustellen, ob an bestimmten Winkelpositionen signifikant schlechtere Signale gemessen werden. Wenn das zutrifft, wird sofort noch einmal gescannt und an diesen Winkeln die Drehzahl reduziert, wodurch sich die Anzahl Messwerte an diesen Stellen erhöht. Das geht mit Triggern über Drehgeber nicht. Damit werden scharfe Kanten oder Beschädigungen signifikant besser erfasst. Diese Signalwerte sind einem entsprechenden Drehwinkel zugeordnet, so dass alle Signalwerte des jeweiligen zu dem Drehwinkel gehörenden Messpunktes sortiert und den jeweiligen Oberflächenpunkten zugeordnet werden können. Danach kann bei der mathematischen Auswertung und Erstellung einer Abbildung der Oberfläche eines Bauteils aufgrund der gemessenen Werte erstellt werden. Zusätzlich kann aufgrund von vorher hinterlegten Idealwerten unter Berücksichtigung der jeweiligen gewünschten vorgegebenen Vorschriften ein Protokoll der Messung und der Abweichungen von dem Idealwert erstellt und visuell auf einer grafischen Oberfläche dargestellt werden.

Claims

Patentansprüche

1. Oberflächenprüfverfahren zur genauen Bestimmung der Abweichung einer Oberflächenform eines Präzisionsbauteils (3) von einer vorgegebenen idealen Oberflächenform des Präzisionsbauteils (3) mittels eines Konfokalla- sers (5), wobei zur Messung die zu vermessende Oberfläche (3’) des Bauteils (3) um eine Rotationsachse (9) gedreht wird, so dass der Laserstrahl (5‘) des Konfokallasers (5) während der Messung mit seinem Fokuspunkt auf die zur Rotationsachse (9) radiale Oberfläche (3’) des Bauteils auftrifft, dabei die Oberfläche (3’) des Bauteils (3) abgetastet und gleichzeitig der Drehwinkel erfasst wird, indem beim Auftreffen des Laserstrahls (5‘) des Konfokallasers (5) auf die Oberfläche (3’) des Bauteils (3) zu einem jeweiligen Oberflächenpunkt erzeugte Signalwerte erfasst, in Relation zum Drehwinkel gespeichert und einander zugeordnet ausgegeben werden, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt bis zu einer maximal möglichen Abtastrate des Konfokallasers (5) Messwerte pro Zeiteinheit als Signalwerte, ein vom Konfokallaser (5) zur Verfügung gestelltes Güte signal für den jeweiligen Messwert, der Drehwinkel und drei Raumkoordinaten des Konfokallasers (5) synchron erfasst und in einem zweiten Schritt aus den erfassten Signalwerten die Signalwerte, die im Messbereich des Fokuspunktes des Konfokallasers (5) liegen in Abhängigkeit von dem Gütesignal als Messwerte ausgewählt, sortiert und dem jeweiligen Oberflächenpunkt des Bauteils (3) zugeordnet werden.

2. Oberflächenprüfverfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die im Messbereich des Fokuspunktes des Konfokallasers (5) liegenden Messwerte nur bei überschreiten eines vorgebbaren Schwellwertes für das dem Messwert zugehörige Gütesignal als weiter zu verarbeitende Messwerte ausgewählt werden.

3. Oberflächenprüfverfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die X-Y-Z-Position des Konfokallasers () für die Erfassung der Signalwerte exakt bestimmt wird, wobei der Abstand zum Bauteil (3) durch die Laserstrahlreichweite und einen Auftreffwinkel auf die Ober- fläche (3’) des Bauteils (3) definiert wird.

4. Oberflächenprüfverfahren nach einem der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zu Beginn der Messung der Fokuspunkt auf eine exponierte Stelle der zu prüfenden Oberfläche (3’) des Bauteils (3) eingestellt wird.

5. Oberflächenprüfverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (5‘) beim Abtasten in axialen Schichten schichtweise in radialer Richtung bezüglich des Bauteiles (3) bewegt wird.

6. Oberflächenprüfverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass beim Bewegen in radialer Richtung die Fokuspunkte bei der Abtastung sich um 20% bis 30% überlappen.

7. Oberflächenprüfverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastung bei einer Drehzahl des Bauteiles von 20 bis 60 U/min durchgeführt wird.

8. Oberflächenprüfverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Topologie des Bauteils (3) gegebe- nenfa!fs in Abhängigkeit von einer theoretischen Idealform und/oder gegebenenfalls unter Berücksichtigung einer Toleranz, grafisch dargestellt werden.

9. Oberflächenprüfeinrichtung (1 ) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit einer Dreheinrichtung (2) mit einer Dreh in- kelerfassungseinrichtung (4) für ein zu prüfendes Bauteil, einer X-Y-Z-Be- wegungseinrichtung an der der Konfokallaser angeordnet ist, einer Eingabe- und Ausgabeeinrichtung (7) sowie einer Rechen- und Steuereinrichtung (8) für die Erfassung, Speicherung und Auswertung der Signalwerte sowie Steuerung der Dreheinrichtung (2), Bewegungseinrichtung (6) und des Konfokallasers (5).

10. Oberflächenprüfeinrichtung (1) zur genauen Bestimmung der Abweichung einer Oberflächenform eines Präzisionsbauteils von einer vorgegebenen idealen Oberflächenform des Präzisionsbauteils mittels eines mit Abstand zum Bauteil angeordneten Lasers (5) mit einer Dreheinrichtung (2) für das zu prüfende Bauteil (3) mit einer Drehwinkelerfassungseinrichtung (4), einer X-Y-Z-Bewegungseinrichtung (6) an der der Laser (5) angeordnet ist, eine Eingabe- und Ausgabeeinrichtung (7) sowie einer Rechen- und Steuereinrichtung (8) für die Erfassung, Speicherung und Auswertung der Signalwerte sowie Steuerung der Dreheinrichtung (2), Bewegungseinrichtung (6) und des Lasers (5), wobei die Dreheinrichtung (2) angepasst ist, das zu prüfende Bauteil (3) aufzunehmen und während der Messung um eine Rotationsachse (9) der Dreheinrichtung (2) zu drehen, der Laser als Konfokallaser ausgebildet ist, wobei der Konfokallaser mittels der X-Y-Z-Bewegungseinrichtung (6) derart ausgerichtet ist, dass der der Laserstrahl mit seinem Fokuspunkt auf die zur Rotationsachse (9) radiale zu prüfende Oberfläche (3’) des Bauteils auftrifft, und die Rechen- und Steuereinrich_¬ tung (8) angepasst ist, die beim Auftreffen des Laserstrahls des Konfokal_¬ lasers auf die Oberfläche (3’) des Bauteils zu einem jeweiligen Oberflä_¬ chenpunkt erzeugten Signalwerte zu erfassen, in Relation zum Drehwinkel zu speichern und einander zugeordnet auszugeben, dadurch gekennzeichnet, dass die Rechen- und Steuereinrichtung (8) des Weiteren angepasst ist, in einem ersten Schritt mit einer maximal möglichen Abtastrate des Konfokallasers (5) Messwerte pro Zeiteinheit als Signalwerte, ein vom Konfokallaser (5) zur Verfügung gestelltes Gütesignal für den jeweiligen Messwert, den Drehwinkel und die drei Raumkoordinaten des Konfokallasers (5) synchron zu erfassen und in einem zweiten Schritt aus den erfassten Signalwerten die Signalwerte, die im Messbereich des Fokuspunktes des Konfokallasers (5) liegen in Abhängigkeit von dem Gütesignal als Messwerte auszuwählen, zu sortieren und dem jeweiligen Oberflächenpunkt zuzuordnen.

11. Oberflächenprüfeinrichtung (1 ) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Rechen- und Steuereinrichtung (8) ausgebildet ist, die im Messbereich des Fokuspunktes des Konfokallasers (5) liegenden Messwerte nur bei überschreiten eines vorgebbaren Schwellwertes für das dem Messwert zugehörige Gütesignal als weiter zu verarbeitende Messwerte auszuwählen.

12. Oberflächenprüfeinrichtung (1 ) nach Anspruch 10 oder Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Rechen- und Steuereinrichtung ausgebildet ist, die mittels der X-Y-Z-Bewegungseinrichtung (6) eingestellte X-Y- Z-Position des Konfokallasers (5) für die Erfassung der Signalwerte exakt zu bestimmen, wobei der Abstand zur Oberfläche (3’) des Bauteils (3) und zum Bauteil (3) selbst durch die Laserstrahlreichweite und einen Auftreffwinkel auf die Oberfläche (3') definiert ist.

13. Oberflächenprüfeinrichtung (1 ) nach einem der vorangegangen Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Rechen- und Steuereinrich_¬ tung (8) ausgebildet ist, den mittels der X-Y-Z-Bewegungseinrichtung (6) eingestellten Abstand des Konfokallasers (5) und/oder den Konfokallaser (5) zu Beginn der Messung mit dem Fokuspunkt auf eine exponierte Stelle der zu prüfenden Oberfläche (3’) des Bauteils (3) einzustellen.

14. Oberflächenprüfeinrichtung (1 ) nach einem der vorangegangenen Ansprüche 9 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Rechen- und Steuereinrichtung (8) ausgebildet ist, den Laserstrahl (5‘) beim Abtasten in axialen Schichten schichtweise in radialer Richtung bezüglich des Bauteils (3) zu bewegen.

15. Oberflächenprüfeinrichtung (1 ) nach einem der vorangegangenen Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Rechen- und Steuereinrichtung (8) ausgebildet ist, die Topologie des Bauteils (3), gegebenenfalls in Abhängigkeit von einer theoretischen Idealform und/oder gegebenenfalls unter Berücksichtigung einer Toleranz, grafisch über die Eingabe- und Ausgabeeinrichtung (7) darzustellen.