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Verfahren zum berührungslosen Messen und
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Prüfen von Oberflächen und Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum berührungslosen Messen und Prüfen von insbesondere
bei der Bearbeitung eines Gegenstandes anfallenden Oberflächen im Hinblick auf deren
mittlere Grobgestalt (Welligkeit) sowie Einrichtungen zur Durchführung des Verfahrens.
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Verfahren und Einrichtungen der genannten Art sollen im Besonderen
dem Erkennen von Form und Größe der Strukturen technischer Oberflächen dienen und
werden zur Beurteilung von Werkstücken verwendet, welche zum Beispiel Walz- und
Ziehprozessen oder alLen Arten von Oberflächenbearbeitung unterliegen und deren
Oberflächenbeschaffenheit, wie etwa die Rauhigkeit, durch Messungen kontrolliert
werden soll.
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In diesem Zusammenhang ist es üblich, die mittlere quadratische Abweichung
von einer Referenz als Maßzahl für die Güte der FLäche zu verwenden.
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Es ist bekannt, mittels Vergleichsmikroskopen zwei Oberflächen miteinander
visuell zu vergleichen. Dazu wird die zu untersuchende Oberfläche und die Vergleichs
oberfläche nebeneinander im Okular des Vergleichsmikroskops abgebildet.
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Eine Messung der Oberflächengüte mit einem derartigen Gerät ist jedoch
nicht möglich.
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Weiterhin ist es bekannt, Oberflächen im Lichtschnittverfahren oder
mittels Lichtinterferenzen zu untersuchen.
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Im ersten Fall wird ein Lichtspalt auf die Oberfläche abgebildet und
mit einem Mikroskop beobachtet. Im allgemeinen erfolgt die Beobachtung senkrecht
zur Ebene, in welcher der Lichtspalt auf die Oberfläche trifft. Dadurch wird die
Profilform als Lichtband sichtbar.
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Am günstigsten ist dafür eine Anordnung, bei der die Winkelhalbierende
der optischen Achsen von Beleuchtung- und Beobachtungssystemen mit der Normalen
der Oberfläche zusammenfallen.
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Ist diese Voraussetzung nicht gegeben, ist eine Beobachtung nur möglich,
wenn die Oberfläche diffus streut.
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Bei der Prüfung mit Lichtinterferenz entspricht der Grundaufbau des
Prüfgerätes einem Interferometer, kombiniert mit einem Mikroskop. Die entstehenden
Interferenzstreifen lassen in Art von öhenschichtlinien die dritte Dimension erkennen
und messen.
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Ferner sind auch Verfahren bekannt, mit denen eine zu prüfende Oberfläche
unter Verwendung pneumatischer Mittel untersucht wird.
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Dazu wird auf die zu prüfende Oberfläche eine besondere Meßdüse gesetzt,
welche einen Stützring mit einer scharfen ringförmigen Kante besitzt, der den eigentlichen
Abstand der eigentlichen Düse von der zu Wüfenden Oberfläche bestimmt. Der freie
Querschnitt zwischen gerader Kante des Meßkopfes und der Oberfläche des Prüflings
ist das Maß für den Lichtwiderstand der Meßdüse und damit für die Beschaffenheit
der Prüflingsoberfläche.
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Diese ängegebenen Verfahren sowie die zur Durchführung erforderlichen
Anordnungen liefern Ergebnisse höchster Genauigkeit und sind daher im Aufbau aufwendig,
kostspielig und kompliziert in der Anwendung.
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Zum bloßen Erkennen von Oberflächenstrukturen und deren Größe, insbesondere
im Hinblick auf die Ermittlung von deren mitt-Leerer Grobgestalt (Welligkeit) sind
aber Geräte derartiger Genauigkeit nicht erforderlich.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur berührungslosen
WeLligkeitsmessung anzugeben, mit welchem in einfacher Weise Oberflächenstrukturen
geprüft und gemessen werden können, und eine Einrichtung zu finden, die kostengünstig
herstellbar und in der Anwendung unkompliziert ist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe für ein Verfahren der eingangs
genannten Art gelöst durch a) Überlagern der zu messenden und/oder zu prüfenden
Oberflächenstruktur mit entsprechenden Referenzstrukturen, b) Bewegen der Oberflächenstruktur
zu den Referenzstrukturen, c) Umformen der aus der Überlagerung resultierenden Lichtflußanteile
in entsprechende elektrische Signale und d) Auswerten dieser Signale zur Darstellung
der gemessenen Grobgestaltwerte.
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Die Ausgestaltung einer Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens
der eingangs genannten Art ist dadurch gekennzeichnet, daß als Referenzstrukturen
ein Raster oder ein Bild des Rasters vorgesehen ist, welche dicht über der zu messenden
und zu prüfenden Oberfläche lagert, und daß in Lichtrichtung gesehen dem Raster
mindestens ein fotoelektrisoher Empfänger nachgeordnet ist, welcher dis das Raster
verlassenden Lichtflußanteile in elektrische Signale umformt, aus deren Größe die
Übereinstimmung zwischen den Referenzstrukturen und Oberflächenstrukturen bestimmbar
ist.
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Für eine andere Ausbildung einer solchen Einrichtung ist ein optischer
Korrelator vorgesehen, welcher aus einem Abbildungssystem, einem mindestens in der
Nähe der Bildebene des Abbildungssystems befindlichen Raster als Referenzstrukturen
und einem mindestens einen Empfänger enthaltenden fotoelektrischen Empfängersystem
besteht, dessen aus der Überlagerung der Strukturen abgeleiteten elektrische Signale
ein Maß für die Übereinstimmung von Referenz und Oberflächenstruktur sind.
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Es erweist sich als für die Erfindung als vorteilhaft, wenn das als
Referenz eingesizte Raster mit variabler Rasterkonstante ausgestattet ist.
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Zur Erzeugung eines Rasters mit variabler Konstante wird in der Erfindung
vorgeschlagen, zwei übereinander und beweglich gelagerte Rasterstrukturen zu verwenden,
mit welchen durch Verdrehung gegeneinander eine veränderbare Konstante herstellbar
ist.
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Diese Änderung der Konstanten ist sowohl mit Raster gleicher als auch
mit Rastern mit untereinander unterschiedlichen Konstarten durchführbar.
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Ein ordnungsgemäßes Funktionieren der erfindungsgemäßen Einrichtung
ist auch mit Rasterstrukturen sichergestellt, die als Amplituden- oder als Phasengitter
ausgebildet sind.
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Als weitere Möglichkeit, Rasterstukturen mit variabler Konstante zu
erzeugen, bietet sich der Einsatz von Fresnel'schen Zonenplatten an, welche zwecks
Erstellung eines Rasters mit veränderbarer Konstanten paarweise übereinanderlagern
und gegeneinander verschoben werden und welche gleichzeitig der Sammlung der vom
Prüfling-ausgehenden Ljchtflüsse dienen.
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Ferner wird zur Darstellung veränderbarer Rasterkonstanten vorgeschlagen,
daß Prüfling, Abbildungssystem und Rasterstruktur der Scheimpflug-Bedingung gemäß
angeordnet sind, nach welcher sich - zur Erzeugung unterschiedlicher Abbildungsmaßstäbe
für unterschiedliche Bildpunkte - Bildebene, Abbildungs-System-Mittelebene und die
Ebene der zu messenden und zu prüfenden Oberfläche in einer Geraden schneiden müssen.
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Da liattermarken vorw iegend gleichmäßige Muster sind, die durch Schwingungen
bei der Bearbeitung eines Werkstückes entstehen, ist deren Verwendung als Referenz
durchaus denkbar.
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Nach Art der Schrittgeber ist es daher erfindungsgemäß auch moglich,
ein Bild der zu messenden und zu prüfenden Oberflächenstruktur zu verwenden.
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Dazt: wird als eine weitere Ausführungsform für eine Einrichtung zur
berührungslosen Messung und/oder Prüfung von Oberflächen im Hinblick auf deren mittlere
Grobgestalt (Welligkeit) vorgeschlagen, daß ein im Abbildungsmaßstab 1 : 1 abbildendes
System die zu messende und/oder zu prüfende Oberflächenstruktur des Werkstückes
gegenläufig auf sich selbst abbildet und das aus den aus der Überlagerung von Oberflächenstruktur
und deren Bild resultierenden Lichtflußanteilen elektrische Signale liefert, die
ein Maßstab für die Oberflächenqualität sind.
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Hierbei wird das Prinzip der "Eigenfaltung" durchgeführt, Darunter
versteht man im optischen Sinne die gegenläufige Abbildung des Objektes auf sich
selbst. Sorgt man dann noch für eine konstante Bewegungsgeschwindigkeit der zu untersuchenden
Oberflächenstruktur, so daß anstelle des Bewegungsfaktors ein Zeitfaktor treten
kann, stehen Signale in elektronisch einfach aus wertbarer Form zur Verfügung.
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Für die beschriebene Ausführungsform erweist es sich als besonders
vorteilhaft,
daß in der Fourrier-Ebene des abbildenden Systems Mittel enthalten sind, deren Eigenschaften
die Unterdrückung der Signalbildung aus störenden Strukturen bewirken.
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Um dieses zu erreichen, sind bei einer solchen Ausführungsform der
Erfindung lediglich bestimmte Teile des abbildenden Systems und zwar die in Wirkrichtung
der Rattermarken liegenden, verspiegelt. Da die Restfläche verspiegelungsfrei bleibt,
wird die Bildung optischer Signale aus den senkrecht zur Richtung der Rattermarken
verlaufenden Bearbeitungsriefen unterdrückt.
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Erfindungsgemäß ist weiter vorgesehen, daß den die Lichtflußanteile
in elektrische Signale umsetzenden fotoelektrischen Empfängern eine Schaltung zur
Auswertung dieser Signale nachgeordnet ist, die anzeigt, daß starke Modulation ein
Zeichen für vorhandene, stark ausgeprägte Welligkeit ist. Es kann sich dabei z.B.
um eine Schaltung zur Anzeige des ermittelten Wertes oder um eine Sortierschaltung
oder um beides in Kombination handeln.
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In der Zeichnung ist die Erfindung in mehreren Ausfuhrungsbeispielen
dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 die schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Einrichtung als Kontaktgitter, Fig 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemaß'en:
Einrichtung als optischer Korrelator, Fig. 3 eine Rasterstruktur, mit veränderbarer
Raeterkonstante in Einzelheit, Fig.4 zur Variation der Rasterkonstanten gegeneinander
ver schiebbare Fresnel'sche Zonenplatten, Fig. 5 im Schema die Anordnung des optischen
Korrelators gemäß Fig. 2 nach der Scheimpflug-Bedingung,
Fig. 6
ein schematisches Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung in Form
eines Spiegelschrittgebers, Fig. 7 eine Einrichtung gemäß Fig. 6 mit Filtern zur
Unterdrückung Störsignale erzeugender Strukturen.
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In Fig. 1 ist mit 1 ein auf seine mittlere Grobgestalt zu untersuchendes
Werkstück bezeichnet, über dem dicht eine Rasterstruktur 2 mit vorgegebener Rasterkonstanten
als Referenz lagert. Die die Raserstruktur 2 verlassenden Lichtflußanteile werden
von einem Kondensor 3 au fotoelektrische Empfänger 4, 5 konzentriert, welche daraus
elektrische Signale erzeugen, die ein Maß für die Übereinstimmung von Struktur des
Werkstückes 1 mit der Rasterstruktur 2 und damit auch für die Oberflächenqualität
des Werkstückes 1 (Grobgestalt, Welligkeit) sind.
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Stimmt die Welligkeitskonstante, die als regelmäßiges, unerwünschtes
Muster z.B. durch Schwingungen von Werkstück und Werkzeug bei spanabhebender Bearbeitung
entsteht, mit der Gitterkonstanten überein, so tritt eine stärkere Modulation der
vom Werkstück ausgehenden Lichtflüsse durch die Raterstruktur 2 auf, als wenn nur
eine rauhe Fläche ohne Welligkeitsmuster vorhanden wäre. Mehr oder weniger gute
Übereinstimmung ergibt in dem entstehenden Signal Schwebungen, deren Frequenzen
dem Unterschied zwischen der Strukturkonstanten des Rasters 2 und der Welligkeitskonstanten
des Werkstückes 1 proportional sind.
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In Fig. 2 ist ein optischer Korrelator dargestellt, der aus einer
Abbildungsoptik 6, einer Rasterstruktur 7 und fotoelektrischen Empfängern 8, 9 besteht.
Die Oberflächenstruktur des Werkstückes 1 wird von der Abbildungsoptik 6 - angedeutet
durch a und a' - auf die die Referenz darstellende Rasterstruktur 7 abgebildet.
Die vom Bild der Oberflächenstruktur des Werkstükkes 1 ausgehenden Lichtflußanteile
werden durch die Rasterstruk-
tur 7 überlagert und gelangen über
ein Kondensorsystem lo auf die fotoelektrischen Empfänger 8 und 9. Diese erzeugen
aus den überlagerten Lichtflußanteilen elektrische Signale, welche ein Maß für die
Übereinstimmung zwischen Raster und Oberflächenstruktur darstellen.
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Mit Vorteil können Rasterstrukturen eingesetzt werden, deren Rasterkonstante
zwecks Anpassung an unterschiedliche Oberflächenstrukturen variabel ist. In Fig.
3 ist eine Anordnung gezeigt, mit welcher die Konstante einer Rasterstruktur innerhalb
eines gewissen Bereiches veränderbar ist. Dazu lagert ein Raster 11 mit einer Konstanten
g1 verschieb- oder verdrehbar unter einem zweiten Raster 12 mit einer Konstanten
g2.
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Durch Gegeneinanderverdrehen der beiden Raster 11 und 12 entsteht
eine dritte Rasterstruktur mit der Konstanten g. Um diese Wirkung zu erzielen, ist
es nicht zwingend erforderlich, Raster gleicher Konstanten zii verwenden.
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Bin gleicher Effekt ist mit den in Fig. 4 gezeigten FresZnel-Zonenplatten
13 und 14 erreichbar. Der besondere Vorteil bei Verwendung derartiger optischer
Bauelemente besteht darin, daß diese gleichzeitig noch zur Konzentration der Lichtflußanteile
benutzt werden können.
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Eine weitere MögLichkeit mit variablen Rasterkonstanten als Referenz
zu arbeiten, ist in Fig. 5 dargestellt. Hierin sind die Bauelemente des optischen
Korrelators aus Fig. 2 der Scheimpflug-Bedingung gemäß angeordnet. Dementsprechend
ist das Werkstück 1 dergestalt angeordnet, daß sich dessen zu untersuchende Oberfläche
1t und die Mittelebene 6 der Abbildungsoptik 6 sowie eine Bildebene 7' der Abbildungsoptik
6, in welcher die Rasterstruktur 7 angeordnet ist, in einer Geraden schneiden.
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Da durch die schiefe Abbildung unterschiedliche Bildpunkte aus der
Oberfläche 1' des Werkstückes 1 mit unterschiedlichen Maßstäben auf die Itasterstruktur
7 abgebildet werden, wirkt diese
als Raster mit sich kontinuierlich
ändernder Gitterkonstante.
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Eine bewegbare Blende 34 dient der Auswahl der günstigsten Gitterkonstante.
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In Fig. 6 ist ein Ausführungsbeispiel einer Einrichtung in Form eines
Spiegelschrittgebers dargestellt. Die Oberfläche 1 des Werkstückes 1 reflektiert
und streut das von einer nicht gezeigten Lichtquelle ausgehende Licht auf die Fläche
15 eines Hohlspiegels 17. Von dort wird das Bild der Oberfläche 1 durch Reflexion
gegenläufig auf eine andere Stelle der Oberfläche 1 projeziert, wodurch deren Struktur
durch das Bild der Struktur überlagert wird und die von der Struktur und deren Bild
ausgehenden Lichtflüsse miteinander modulieren.
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Die von der Oberfläche 1 erneut reflektierten, modulierten Lichtflußanteile
fallen durch eine Öffnung 18 im Hohlspiegel 17 auf einen fotoelektrischen Empfänger
19, der elektrische Signale erzeugt, welche einen Maßstab für die Qualität der Oberfläche
1 1 des Werkstückes 1 darstellen.
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Es ist leicht einzusehen, daß je gleichmäßiger das Muster ist, desto
besser wird die Übereinstimmung der "Verzahnung" bei der igenfaltung" stimmen und
um so größer wird der Nodulationsgrad sein, der für die Qualitätsbestimmung ausgewertet
wird.
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Eine weitere Variante der Einrichtung, und zwar mit einem Meßkopf
nach Dyson, ist schematisch in Fig. 7 wiedergegeben.
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Hierfür sorgt für die Beleuchtung der Oberfläche 1' des Werk stückes
1 eine Lichtquelle 20. Deren-Licht gelangt über einen Kondensorspiegel 21 und eine
Öffnung 22- in einem Hohlspiegel 23 in den eigentlichen Meßkopf der Einrichtung,
der außer dem HoBlspiegel 23 noch aus einer Korrekturlinie 24 besteht. Hohlspiegel
23 und Korrekturlinse 24 sind in einem Gehäuse 25 untergebracht.
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Wie bereits in Fig. 6 beschrieben, reflektiert und beugt auch hier
die Oberfläche 1 des Werkstückes 1 das auf sie fallende Licht zum Hohlspiegel 23,
der in dieser Ausführung nur an vorausbestimmten Flächenanteilen 26 und 27 verspiegelt
ist.
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Vorzugsweise handelt es sich hierbei um Flächenanteile, die in Richtung
der zu prüfenden Rattermarken verlaufen, so daß nur von diesen ausgehende Strahlung
zur Erzeugung von Signalen herangezogen wird und Strahlung, die von den senkrecht
zu den Rattermarken verlaufenden Bearbeitungsriefen erzeugt wird, dafür unwirksam
bleibt.
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Mittels der verspiegelten Flächenanteile 26 und 27 wird über die Korrekturlinse
24 die Struktur der Oberfläche 1' des Werkstückes 1 auf einen anderen Teil der Oberfläche
1' abgebildet und von dort erneut in Richtung Hohlspiegel 23 gebeugt und reflektiert.
Die itückstrahtung erfolgt in der Weise, daß die zurücklaufenden Lichtflußanteile
aus dem Mekopf durch die Öffnung 22 im Hohlspiegel 23 austreten.
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Nach dem Austreten werden die Lichtflußanteile über ein Kondensorsystem
28 einem fotoelektrischen Empfänger 29 zugeführt, der aus den ihn beaufschlagenden
Lichtflußanteiien elektrische Signale erzeugt, die wechselstrommäßig angekoppelt
in einem Verstärker 30, verstärkt und dann mit Gleichrichter 31 und Integrator (Mittelwertbildner)
32 bestehenden Schaltung ausgewertet werden. Die aus der Auswertung hervorgehenden
Größen werden einem Anzeigegerät 33 zugeführt und es ist vorstellbar, daß dieses
eine Selektivschaltung steuern kann, mittels welcher die zu prüfenden Werkstücke
automatisch in "Qut"- bzw. "Ausschuß"-Stücke unterschieden werden.
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L e e r s e i t e