DE3532690A1 - Verfahren zur messung der oberflaechenrauheit von werkstuecken sowie geraet zu seiner durchfuehrung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Oberflächenrauheit von Werkstücken gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie ein Gerät zu seiner Durchführung.

Ein Verfahren der oben angesprochenen Art ist in der DE-OS 30 20 044 beschrieben. Bei diesem bekannten Verfahren wird teilkohärentes Licht verwendet, wobei dem Meßlicht zusätzlich inkohärentes Licht überlagert wird. Durch die Verwendung von Zusatzlicht wird aber dieses bekannte Verfahren gleichzeitig empfindlich gegen sonstiges Streulicht aus der Umgebung.

Durch die vorliegende Erfindung soll ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 geschaffen werden, welches unempfindlich gegen Zusatzlicht ist.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Auswertung der gemessenen Intensitätsverteilung des von der Werkstückoberfläche zurückgeworfenen Meßlichtes unter Umsetzung der für verschiedene Raumpunkte erhaltenen Signale in eine eindimensionale Sigalfolge, aus welcher dann das sogenannte Fraktalsignal erzeugt wird. Wie aus der nachstehenden Beschreibung noch deutlicher hervorgehen wird, ist das Fraktalsignal ein Maß für die Unstetigkeit der Werkstückoberfläche, wobei bei seiner Berechnung ein konstanter Untergrund der ausgemessenen Intensitätsverteilung automatisch unberücksichtigt bleibt. Das Fraktalsignal für ein bestimmtes räumliches Intensitätsmuster hängt sowohl von der Oberflächenrauheit der Werkstückoberfläche als auch von der Geometrie des Strahlenganges ab, sodaß erfindungsgemäß die Umsetzung des Fraktalsignales in das Rauheitssignal unter Verwendung einer für die betrachtete Geometrie anhand von Prüfflächen bekannter Oberflächenrauheit ermittelten Kennlinie erfolgt.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich gut zur berührungslosen Messung der Oberflächenrauheit bei der Qualitätskontrolle in hohen Stückzahlen hergestellter Werkstücke.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in weiteren Ansprüchen angegeben.

Wird zur Ausmessung des Meßlicht-Intensitätsmusters ein Festkörperwandler verwendet, welcher matrixartig angeordnete einzelne Wandlerelemente aufweist, so können gemäß Anspruch 2 die Ausgangssignale der Wandlerelemente derart in eine eindimensionale Signalfolge umgesetzt werden, daß in der linearen Signalfolge benachbarte Meßwerte benachbarten Flächenbereichen des Wandlers und damit des Meßlicht-Intensitätsmusters entsprechen.

Das Verfahren gemäß Anspruch 4 läßt sich mit einer besonders einfach aufgebauten digitalen Auswerteschaltung durchführen. Da mit den gemessenen Signalen keine aufwendigen Rechenoperationen durchgeführt werden, läßt sich so die Auswertung auch besonders rasch durchführen.

Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 7 ist im Hinblick auf ein einfaches Umsetzen des Fraktalsignales in eine digitale Anzeige und im Hinblick auf den einfachen Austausch von Kennlinien von Vorteil.

Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 8 kann man Änderungen in der Geometrie des Strahlenganges, wie sie sich aufgrund nicht exakter Positionierung der Werkstückoberfläche bezüglich der Beleuchtungs- und Meßoptik ergeben, durch Anpassung der zur Umsetzung des Fraktalsignales in das Rauheitssignal verwendeten Kennlinie Rechnung tragen.

Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 10 wird erreicht, daß unerwünscht große Abweichungen in der jeweils erhaltenen Strahlengeometrie automatisch kompensiert werden.

Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 11 dient der Ermittlung und Berücksichtigung der momentanen Kenndaten von Lichtquelle und Wandler.

Ein Gerät, wie es im Anspruch 12 angegeben ist, hat besonders kompakten und einfachen Aufbau.

Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 13 wird eine starke optische Vergrößerung des ausgemessenen Bereiches der Werkstückoberfläche bei geringen Gesamtabmessungen des verwendeten Meßkopfes sowie eine großer Abstand zwischen Wandler und Werkstück erhalten.

Ein Gerät gemäß Anspruch 15 eignet sich besonders gut zur Messung über einen großen Bereich der Oberflächenrauheit, wobei das kurzwellige Licht in erster Linie für kleine Rauheit, das langwellige Licht in erster Linie für große Rauheit die Messung trägt.

Handelsübliche Festkörper-Bildwandler haben sehr eng benachbarte Wandlerelemente, deren Abstand typischerweise bei etwa 10 µ liegt. Man kann daher die Flankensteilheit in der Pegeländerung der Meßpunktfolge, die der Steilheit der Hell/Dunkelübergänge in der Beobachtungsebene entspricht, gemäß Anspruch 18 zur Kontrolle der Fokussierungsbedingungen verwenden.

Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 19 wird die Fokuskontrolle bei nur geringem zusätzlichem baulichem Aufwand erhalten.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:

Fig. 1: Eine schematische Darstellung eines Gerätes zur berührungslosen Bestimmung der Oberflächenrauheit eines Werkstückes, wobei ein Meßkopf geschnitten wiedergegeben ist und eine elektronische Auswerteschaltung als Blockschaltbild dargestellt ist;

Fig. 2 bis 5: verschiedene graphische Darstellungen, anhand derer die Ableitung eines die Unstetigkeit des Meßlicht-Intensitätsmusters charakterisierenden Fraktalsignales von einer eindimensionalen Signalfolge erläutert wird, welche aus dem Meßlicht- Intensitätsmuster abgeleitet ist;

Fig. 6: Grapische Darstellungen von Kennlinien, wie sie in einem Kennlinienspeicher des Gerätes nach Fig. 1 abgelegt sind;

Fig. 7: Eine axiale Aufsicht auf den Wandler des in Fig. 1 gezeigten Gerätes, in welche der Abtastweg für die einzelnen Wandlerelemente eingezeichnet ist;

Fig. 8: Eine eindimensionale Signalfolge, welche durch Abtasten der Wandlerelemente längs des in Fig. 7 gezeigten mäanderähnlichen Weges erhalten wird; und

Fig. 9: eine Fokussierungskontrolleinrichtung zur Verwendung an dem in Fig. 1 gezeigten Gerät.

Das in Fig. 1 gezeigte Meßgerät hat einen insgesamt mit 10 bezeichneten Meßkopf, welcher ein Beleuchtungslichtbündel 12 auf die rauhe Oberfläche 14 eines Werkstückes 16 richtet und ein von de Oberfläche 14 zurückgeworfenes Meßlichtbündel 18 aufnimmt. Der Maßkopf 10 erzeugt elektrische Signale, welche der räumlichen Intensitätsverteilung des Meßlichtes in einer Beobachtungsebene entsprechen, und diese Signale werden in einer insgesamt mit 20 bezeichneten Auswerteschaltung in ein der Oberflächenrauheit des Werkstückes zugeordneten Rauheitssignal umgesetzt.

Der Meßkopf 10 hat ein Gehäuse 22, in dessen dem Werkstück 16 zugewandter Stirnwand ein Objektiv 24 angeordnet ist. Hinter dem Objektiv 24 liegt eine Kollimatorblende 26, welche in ihrem oberen Abschnitt einen Beleuchtuntsspalt 28 und in ihrem unteren Abschnitt eine Meßlichtöffnung 30 aufweist. Der Beleuchtungsspalt 28 ist rechteckig, wobei die lange Rechteckseite in der Zeichenebene liegt und die kurze Rechteckseite senkrecht auf der Zeichenebene steht. In der Praxis kann der Beleuchtungsspalt eine Größe von 5 mm mal 0,4 mm aufweisen. Die Meßlichtöffnung 30 ist ebenfalls im wesentlichen rechteckig, wobei die lange Seite des Rechteckes senkrecht auf der Zeichenebene steht und in der Praxis 17 mm lang sein kann. Die in der Zeichenebene verlaufende kurze Rechteckachse hat in der Praxis eine Länge von 8 mm.

Mit der Achse des Beleuchtungsspaltes 28 fluchtend ist eine Sammellinse 32 vorgesehen, hinter welcher sich ein Spalt 34 befindet. Letzterer wird von einer Glühlampe 36 her beleuchtet und dient als Lichtquelle.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, setzt die Sammellinse 32 das vom Spalt 34 ausgehende Licht im wesentlichen in ein Parallel- Lichtbündel um ,welches den Beleuchtungsspalt 28 durchsetzt und vom Objektiv 24 auf die Oberfläche 14 des Werkstückes 16 abgebildet wird. Das Meßlichtbündel 18 wird vom Objektiv 24 in ein schwach konvergierendes Lichtbündel umgesetzt, welches die Meßlichtöffnung 30 durchsetzt und nach Umlenkung durch einen Spiegel 38 auf die Oberfläche eines Wandlers 40 abgebildet wird, welcher unterhalb des Objektives 24 in der Stirnwand des Gehäuses 22 angeordnet ist.

Zwischen dem Spiegel 38 und dem Wandler 40 ist in den Strahlengang des Meßlichtbündels 18 ein halbdurchlässiger Spiegel 42 gestellt, welcher einen kleinen Teil des Meßlichtbündels auf eine Photodiode 44 oder ein anderes lichtempfindliches Element abbildet, wobei anstelle eines einzelnen Elementes auch drei oder mehrere derartige in einer Zeile angeordnete Elemente verwendet werden können.

Die Glühlampe 36 ist innerhalb eines aus Blech gefertigten Lampengehäuses 46 angeordnet, welches auf das Gehäuse 22 aufgesetzt ist. Ein Gebläse 48 dient zur Kühlung der Glühlampe 36.

Durch die lampenseitige Stirnwand des Gehäuses 22 ist ein im wesentlichen S-förmiger Lichtleiter 50 hindurchgeführt, welcher durch ein Glasfaserbündel gebildet ist. Die Stirnfläche des Lichtleiters 50 ist bündig zur Außenfläche der Gehäusestirnwand, und über das lampenseitige Lichtleiterende kann ein Verschlußteil 52 gestellt werden. Letzteres wird durch einen Elektromagneten 54 betätigt.

Vor dem zweiten Ende des Lichtleiters 50 steht ein Spalt 56, welcher rechteckigen Querschnitt hat, wobei die lange Rechteckachse in der Zeichenebene liegt, während die kurze Rechteckachse senkrecht auf dieser steht. Die Spaltabmessungen können in der Praxis 0,5 mm auf 0,1 mm betragen. Der Spalt 56 wird durch eine Linse 58 auf den Wandler 40 abgebildet.

Wie aus Fig. 7 ersichtlich, hat der Wandler 40 eine Vielzahl in Matrixform angeordneter Wandlerelemente 60, welche einzeln auslesbar sind. Der Wandler 40 kann zum Beispiel ein handelsüblicher Festkörperwandler sein, welcher in x- Richtung und y-Richtung jeweils 256 Wandlerelemente aufweist. Das in Fig. 7 angedeutete Koordinatensystem zur Beschreibung der Lage der Wandlerelemente 60 ist auch in Fig. 1 eingetragen. Die Auswerteschaltung 20 hat eingangsseitig einen Auslesekreis 62, welcher das Auslesen der Ausgangssignale der verschiedenen Wandlerelemente steuert und die erhaltenen Signale zur Weiterverarbeitung speichert. Das Arbeiten des Auslesekreises 62 erfolgt seinerseits gesteuert durch einen Prozeßrechner 64, welcher ein Programm zum vollständigen automatischen Abwickeln einer Messung enthält.

Unter Steuerung durch den Prozeßrechner 64 wird zu Beginn einer Messung der Elektromagnet 54 erregt, so daß das Verschlußteil 52 den Lichtleiter 50 freigibt und Licht aus dem Lampengehäuse direkt auf den Wandler 44 gelangt. Gleichzeitig aktiviert der Prozeßrechner 64 einen Referenzspeicher 66, der nun die durch direkte Beleuchtung des Wandler 40 erhaltenen Ausgangssignale der Wandlerelemente 60 übernimmt. Diese Ausgangssignale sind charakteristisch für die Art und den Alterungszustand von Glühlampe 36 und Wandler 40 und können zur späteren Korrektur der Ausgangssignale der Wandlerelemente 60 verwendet werden.

Nach dem Einlesen des Referenzspeichers 66 beendet der Prozeßrechner 64 die Erregung des Elektromagneten 54, sodaß der Lichtleiter 50 verschlossen ist. Nunmehr wird ein Werkstück 16 in der gezeigten Ausrichtung und Positionierung vor das Objektiv 24 gestellt, die Intensitätsverteilung des Meßlichtes in der durch den Wandler 40 vorgegebenen Beobachtungsebene ist bei vorgegebener Geometrie des Strahlenganges ein Maß für die Rauheit der Oberfläche 14. Gesteuert durch den Prozeßrechner 64 werden nun wieder die Ausgangssignale der Wandlerelemente 60 vom Auslesekreis 62 ausgelesen und in einem Korrekturkreis 68 gemäß der Empfindlichkeit des Wandlers 40 und dem Alterungszustand der Glühlampe 36 modifiziert. Der Korrekturkreis 68 arbeitet ebenfalls gesteuert durch den Prozeßrechner 64, wie auch weitere Schaltkreise der Auswerteschaltung. Entsprechende Steuerleitungen sind jeweils durch einen Pfeil gekennzeichnet, wobei sich versteht, daß die verschiedenen Steuersignale vom Prozeßrechner gemäß dem Gesamtablauf des Meßprozesses abgegeben werden.

Die Gesamtheit der vom Korrekturkreis 68 abgegebenen Signale entspricht dem flächigen Intensitätsprofil des Meßlichtes in der Beobachtungsebene. Diese Signale werden in einem Kompressionskreis 70 in eine eindimensionale Signalfolge umgesetzt, wobei unter "eindimensionaler Signalfolge" eine Vielzahl von Meßpunkten verstanden werden soll, welche durch ein Intensitätssignal und ein einziges Koordinatensignal gekennzeichnet sind. Die hier angesprochene Eindimensionalität entspricht somit der Dimension des Meßlicht-Beobachtungsraumes.

Der Kompressionskreis 70 kann derart arbeiten, daß er die vom Korrekturkreis 68 bereitgestellten Signale derart linear ordnet wie dies auch ein Auslesen der Wandlerelemente 60 längs eines mäanderähnlichen Abtastweges 72 (vergleiche Fig. 7) ergeben würde. Die in Fig. 7 gezeigte Abtastlinie 72 entspricht einem sogenannten Hilbert Scanning, wie es im Prinzip bei der automatischen Bilderkennung ebenfalls verwendet wird.

Trägt man die (korrigierten) Ausgangssignale der Wandlerelemente 60 über der quasi-eindimensionalen, vielfach abgewinkelten Hilbert-Koordinaten x _H auf, so erhält man im obigen Sinne "eindimensionale" Signalfolgen, wie sie in Fig. 8 angedeutet sind.

Die auf eine Dimension komprimierten Wandlerausgangssignale gelangen vom Kompressionskreis 70 auf einen Fraktalrechenkreis 74. Letzterer erstellt aus dieser Signalfolge ein Fraktalsignal, welches direkt der Unstetigkeit der eindimensionalen Signalfolge zugeordnet ist, die vom Kompressionskreis 70 abgegeben wird. Nachstehend werden unter Bezugnahme auf die Fig. 2 bis 5 drei verschiedene Weisen der Erzeugung des Fraktalsignales aus der eindimensionalen Signalfolge beschrieben werden. Für die Zwecke der Beschreibung sei angenommen, daß die zusammen eine Messung darstellende eindimensionale Signalfolge aus sieben Meßpunkten S ₁ bis S ₇ besteht, welche jeweils durch die Intensität I des Meßsignales und eine zugeordnete Koordinate x _H gekennzeichnet sind.

Bei dem ersten Verfahren zur Erzeugung des Fraktalsignales werden die Abstände D ₁, D ₂ usw. zwischen den aufeinanderfolgenden Meßpunkten berechnet. Zusätzlich wird der Abstand D _G zwischen dem ersten und letzten Meßpunkt ermittelt. Hieraus berechnet man Beitragsfaktoren

R _i = D _i / D _G

welche anschaulich den "Beitrag" eines einzelnen Meßpunktes zum Gesamtverlauf der Messung darstellen. Unter Verwendung dieser Beitragsfaktoren wird die Nullstelle der Funktion bestimmt, wozu die üblichen numerischen mathematischen Lösungsverfahren (z. B. regula falsi, Newton'sches Näherungsverfahren) verwendet werden. Das der Nullstelle der obigen Funktion Q (F) entsprechende Signal ist das schon weiter oben erwähnte Fraktalsignal, welches ein Maß für die Unstetigkeit der vom Kompressionskreis abgegebenen eindimensionalen Signalfolge und damit auch ein Maß für die Unstetigkeit der Oberfläche 14 ist.

Das Umsetzen des Fraktalsignales in die übliche arithmetische Oberflächenrauheit R _a erfolgt unter Verwendung einer für die jeweils verwendete spezielle Strahlengeometrie geltenden Kennlinie, wie sie in Fig. 6 bei 76 gezeigt ist.

Die Kennlinie 76 ist in einem adressierbaren Kennlinienspeicher 78 abgelegt, welcher ein Festwertspeicher sein kann oder ein Schreib/Lesespeicher, welcher beim Einschalten des Gerätes von einem Massenspeicher (Diskette, Magnetplatte oder dergleichen) eingelesen wird. Die Speicherzellen des Kennlinienspeichers 78 enthalten jeweils einen Rauheitswert, der entsprechend der Kennlinie 76 einem bestimmten Fraktalsignal F zugeordnet ist. Entsprechend wird das vom Fraktalrechenkreis 74 abgegebene Fraktalsignal in einem Adreßrechenkreis 80 so umgesetzt, daß der nutzbare Hub des Fraktalsignales dem für die Kennlinie 76 zur Verfügung gestellten Adressenbereich des Kennlinienspeichers 78 entspricht. Das Fraktalsignal F wird so in eine bestimmte Adresse umgesetzt, und der in der entsprechenden Speicherzelle stehende Rauheitswert wird von einer an den Ausgang des Kennlinienspeichers 78 angeschlossenen Anzeigeeinheit 82 ausgegeben.

Wie oben schon dargelegt, hängt die Form der Kennlinie 76 von der Strahlengeometrie ab. Die Kennlinie 76 gilt meist nur innerhalb eines eingeschränkten Bereiches des Abstands zwischen der Oberfläche 14 des Werkstückes 16 und dem Objektiv 24. Ändert sich dieser Abstand, muß eine andere Kennlinie verwendet werden, zum Beispiel die in Fig. 6 gestrichelt eingezeichnete Kennlinie 84. Ein falscher Abstand zwischen der Oberfläche 14 und dem Objektiv 24 hat zur Folge, daß das vom halbdurchlässigen Spiegel 42 abgelenkte Teilbündel in seitlicher Richtung wandert, so daß sich das Ausgangssignal der Photodiode 44 ändert. Das Ausgangssignal der Photodiode 44 bzw. einer am gleichen Platz vorgesehenen Diodenzeile kann somit zur Umschaltung von der für die Sollbedingungen geltenden Kennlinie 76 auf die Kennlinie 84 dienen. Hierzu wird das Ausgangssignal der Photodiode 44 über einen Analog/Digitalwandler 86 auf einen zweiten Adreßrechenkreis 88 gegeben, dessen Ausgangssignal einige der Bits der zum Auslesen der Kennlinie verwendeten Gesamtadresse darstellen. Der Adreßrechenkreis 88 schaltet so zwischen verschiedenen Speicherbereichen um, in welchen die Kennlinie 76, die Kennlinie 84 und weitere Kennlinien für andere Strahlgeometrien und/oder andere optische Grundeigenschaften der Werkstückoberfläche (z. B. Farbe) abgespeichert sind.

Das Ausgangssignal der Photodiode 44 wird zusätzlich auf einen ersten Eingang eines Differenzverstärkers 90 gegeben, welcher an einem zweiten Eingang mit einem Referenzsignal beaufschlagt ist, welches dem Ausgangssignal der Photodiode 44 bei Sollgeometrie des Strahlenganges entspricht. Durch das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 90 wird ein Stellmotor 92 angesteuert, welcher zum Beispiel einen den Meßkopf 10 tragenden Schlitten senkrecht zur Oberfläche 14 verfährt oder auf die Brennweitenverstellung eines Zoom- Objektives arbeitet, welches für das Objektiv 24 verwendet wird. Man kann nun wahlweise rasch mit Kennlinienumschaltung oder etwas langsamer mit Einregelung der Sollgeometrie des Strahlenganges arbeiten.

Das vom Kennlinienspeicher 78 ausgegebene Rauheitssignal wird in einem Komparator 94 mit einem vom Prozeßrechner 64 überstellten Sollwert verglichen, und durch den Komparator 94 wird eine Alarmeinheit 96 angesteuert, wenn der vorgegebene Sollwert überschritten wird.

In Fig. 1 ist durch ein Tastenfeld 98 angedeutet, daß der Ablauf des Meßprozesses und die zur Umrechnung des Fraktalsignales in das Rauheitssignal verwendete Kennlinie durch Eingaben bezüglich der spezifischen optischen Eigenschaften der Werkstückoberfläche modifiziert werden können.

Der Fraktalrechenkreis 74 kann die Berechnung der Beitragsfaktoren R _i auch vereinfacht vornehmen. Hierbei bleiben die zu den Meßpunkten gehörenden Ortskoordinaten x _H außer Betracht, was geometrisch einer Projektion der Meßpunkte S _i auf die I-Achse entspricht, wobei man projizierte Meßpunkte P _i erhält, wie in Fig. 3 gezeigt.

Die projizierten Meßpunkte P _i füllen die I-Achse in der Regel nicht dicht. Teilt man die I-Achse in Rasterelemente, die jeweils einer Einheit in I-Richtung entsprechen, so erhält man Bereiche aufeinanderfolgender "gefüllter" Rasterelemente, deren Ausdehnung mit H _i bezeichnet ist. Zwischen diesen zusammenhängend abgedeckten Bereichen der Intensitätsachse I liegen jeweils Zwischenräume. Der Abstand zwischen dem projizierten Meßpunkt kleinster Intensität und dem projizierten Meßpunkt größter Intensität ist mit H _G bezeichnet. Der Fraktalrechenkreis 74 berechnet nun die Beitragsfaktoren nach der Gleichung

R _i = H _i / H _G .

Die Bestimmung des Fraktalsignales erfolgt anschließend durch Ermittlung der Nullstelle der weiter oben angegebenen Funktion (Q (F), wie oben beschrieben. Auch die weitere Signalverarbeitung erfolgt wie beim oben im einzelnen beschriebenen Ausführungsbeispiel.

Die Fig. 4 und 5 zeigen ein drittes Verfahren zur Bestimmung des Fraktalsignales F:

Ausgehend vom ersten Meßpunkt S ₁ wird derjenige Meßpunkt bestimmt, welcher in der I-x _H -Ebene als erster um mehr als die Strecke r ₁ vom ersten Meßpunkt entfernt ist, wobei r ₁ ein willkürlich gewählter Radius ist, in Fig. 4 S ₅. Anschließend bestimmt man denjenigen Meßpunkt, welcher als erster um mehr als die Strecke r ₁ vom Meßpunkt S ₅ entfernt ist usw. Hieraus wird die Länge des durch die Kreismittelpunkte gegebenen Polygonzuges berechnet zu Stattdessen kann man auch vereinfacht schreiben: wobei m _i die Anzahl der benötigten Kreimittelpunkte ist. L _i wird für verschiedene r _i bestimmt, wie in Fig. 5 für einen kleineren Radius r ₂ ≦ωτ r ₁ gezeigt ist. Allgemein gilt folgender Zusammenhang zwischen L(r) und dem Fraktalsignal F:

ln(L(r)) = const + (l-F) × ln(r).

Aus der Folge der L _i läßt sich somit F bestimmen.

Das auf diese Weise erhaltene Fraktalsignal ändert sich weniger stark mit der Unstetigkeit der vom Kompressionskreis 70 abgegebenen eindimensionalen Signalfolge als das aus der Nullstelle der oben angesprochenen Funktion Q (F) erhaltene Fraktalsignal, sodaß zur Umsetzung in das Rauheitssignal eine andere Kennlinie verwendet werden muß, welche in Fig. 6 bei 100 gezeigt ist. Auch dieser Kennlinientyp ist bei einer Änderung der Strahlengeometrie zusätzlich zu modifizieren.

Den oben beschriebenen Verfahren zur Bestimmung des Fraktalsignales ist gemeinsam, daß sie nur die Unstetigkeiten der am Ausgang des Kompressionskreises 70 bereitgestellten eindimensionalen Signalfolge verwerten, ein darunter liegender Untergrund, welcher durch Umgebungslicht und Dunkelströme des Wandlers bedingt sein kann, bleibt unberücksichtigt.

Durch Änderung der Geometrie (z. B. der Breite) des Spaltes 34 kann man bei Verwendung einer Glühlampe 36 die Teilkohärenz des auf die Oberfläche 14 auffallenden Beleuchtungslichtbündels variieren. Es versteht sich, daß bei gleicher Oberflächenrauheit hierdurch auch die Intensitätsverteilung des Meßlichtes in der durch den Wandler 40 vorgegebenen Beobachtungsebene abgewandelt wird, so daß man eine abgewandelte Kennlinie im Kennlinienspeicher 76 ablegen muß. Ist es notwendig, die Größe des Spaltes 34 für verschiedene Messungen unterschiedlich einzustellen, so kann dem verstellbaren Spalt 34 ein Weggeber zugeordnet werden, dessen Ausgangssignal ähnlich zur Umschaltung verschiedener Speicherbereiche des Kennlinienspeichers 78 verwendet wird, wie das Ausgangssignal der Photodiode 44. In diesem Falle erhält man dann automatisch die Auswahl der zur jeweiligen Teilkohärenz und Intensität des verwendeten Beleuchtungslichtbündels passenden Kennlinie.

Anstelle der durch die Glühlampe 36 und den davor angeordneten Spalt 34 gebildeten Lichtquelle kann man auch eine oder mehrere Leuchtdioden oder Halbleiterlaser verwenden, wobei wiederum in dem Kennlinienspeicher 78 eine entsprechend angepaßte Kennlinie abgelegt sein muß, welche zuvor anhand von Prüfoberflächen mit bekannter Oberflächenrauhigkeit ermittelt wurde.

Wird eine Mehrzahl von Festkörper-Lichtquellen verwendet, so wählt man vorzugsweise deren Arbeitswellenlänge unterschiedlich, sodaß das Arbeitslicht ebenso wie bei Verwendung einer Glühlampe mehrere Wellenlängen enthält. Der Intensitätskontrast in der Beobachtungsebene ist nämlich für kleine Rauheit nur dann groß, wenn das Arbeitslicht kurzwellige Anteile hat, und für große Rauheit nur dann groß, wenn das Arbeitslicht langwellige Anteile enthält. Mit mehrfarbigem Arbeitslicht erhält man somit einen großen Meßbereich des Gerätes.

Der insbesondere der Bestimmung der Alterung von Glühlampe 36 und Wandler 40 dienende zusätzliche interne Strahlengang im Meßkopf 10 kann entfallen, wenn man jeweils zu Beginn einer Messung anstelle des Werkstückes 16 eine Eichoberfläche bekannter Oberflächenrauheit vor das Objektiv 24 stellt und die dann vom Wandler 40 abgegebenen Signale in den Referenzspeicher 66 einliest.

Der in Fig. 1 gezeigte halbdurchlässige Spiegel 42 und die Fotodiode 44 können entfallen, wenn die in Fig. 9 gezeigte Fokus-Kontrolleinrichtugn verwendet wird.

Die am Ausgang des Auslesekreises 62 bereitgestellten Signale werden zusätzlich auf ein Hochpaßfilter 102 gegeben. Je schärfer die Hell/Dunkelübergänge des Licht-Intensitätsmusters in der Beobachtungsebene (Wandler 40) sind, umso größer ist das Ausgangssignal des Hochpaßfilters 102. Damit entspricht die optimale Abbildung der Werkstückoberfläche in die Beobachtungsebene dem Maximum der Filter-Ausgangsspannung. Zu dieser Optimierung ist der Filterausgang mit einem adaptiven Fokussteuerkreis 104 verbunden, welcher den Stellmotor 92 so erregt, daß das Filter-Ausgangssignal zu einem Maximum wird.

Claims (19)

1. Verfahren zur Messung der Oberflächenrauheit von Werkstücken, bei welchen die Werkstückoberfläche mit Licht bestrahlt wird und die Intensitätsverteilung des von der Werkstückoberfläche zurückgeworfenen Lichtes unter Verwendung eines Wandlers ausgemessen wird und aus der gemessenen Intensitätsverteilung ein Rauheitssignal berechnet wird, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
a) aus den vom Wandler (40) erzeugten Signalen wird eine eindimensionale (x _H ) Signalfolge (S _i ) zusammengestellt;
b) aus der eindimensionalen Signalfolge (S _i ) wird ein Fraktalsignal (F) erzeugt und
c) Das Fraktalsignal (F) wird unter Verwendung einer solchen Kennlinie (76) in das Rauheitssignal umgesetzt, welche für die jeweilige Geometrie des Strahlenganges und die jeweilige Art der Erzeugung des Fraktalsignales anhand von Prüfflächen bekannter Oberflächenrauheit ermittelt wurde.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Wandler in Zeilen und Spalten angeordnete einzeln adressierbare Wandlerelemente aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale der Wandlerelemente (60) in solcher Reihenfolge zu der eindimensionalen Signalfolge (S _i ) zusammengestellt werden, wie sie sich durch ein "Hilbert-Scanning" der Wandlerelemente (60) ergibt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die eindimensionale Signalfolge (S _i ) die Abstände (D _i ) aufeinanderfolgender Meßpunkte im Signal/Koordinatenraum (S, x _H ) berechnet und jeweils durch den Abstand (D _G ) zwischen erstem und letztem Meßpunkt geteilt werden, und daß mit den so erhaltenen Beitragsfaktoren (R _i ) die Nullstelle der Funktion ermittelt wird, welche dem Fraktalsignal zugeordnet ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pegel der eindimensionalen Signalfolge (S _i ) unter Zugrundelegung eines vorgegebenen Einheitsrasters für die Intensitätsachse (I) digital geordnet werden, und die Ausdehnungen (H _i ) zusammenhängend mit Meßergebnissen belegter Rastergruppen bestimmt werden, diese Rastergruppenausdehnungen (H _i ) durch den Gesamtsignalhub (H _G ) zwischen niederstem und höchstem belegtem Einheitsraster geteilt werden und mit den so erhaltenen Beitragsfaktoren (R _i ) die Nullstelle der Funktion ermittelt wird, welche dem Fraktalsignal zugeordnet ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man ausgehend vom ersten Meßpunkt (S ₁) denjenigen weiteren Meßpunkt bestimmt, welcher um mehr als eine vorgegebene Strecke (in Fig. 4: r ₁) vom ersten Meßpunkt (S ₁) entfernt ist, für diesen weiteren Meßpunkt (in Fig. 4: S ₅) wiederum den nächsten Meßpunkt bestimmt, welcher um mehr als die vorgegebene Strecke (r ₁) vom betrachteten Meßpunkt entfernt ist, usw., bis der letzte Meßpunkt (S ₇) erreicht ist, daß die Länge (L(r ₁)) des durch die so bestimmten Meßpunkte vorgegebenen Streckenzuges ermittelt wird und unter Verwendung mindestens zweier für verschiedene vorgegebene Strecken (r _i ) derart ermittelter Streckenzuglängen (L), das fraktale Dimensionssignal (F) unter Verwendung der Beziehung ln(L(r)) = const + (l-F) × ln(r)bestimmt wird.

6. Gerät zur Durchführung des Meßverfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen Meßkopf (10), welcher eine Lichtquelle (34, 36), eine Beleuchtungsoptik (24) zum Abbilden der Lichtquelle auf die Oberfläche (14) des Werkstückes (16), einen optoelektrischen Wandler (40), und eine Meßoptik (24) zum Abbilden der Werkstückoberfläche auf den Wandler (40) aufweist, und durch eine Auswerteschaltung (20), die einen Speicher (62) für mindestens zwei aufeinanderfolgend ausgelesene Wandlersignale, eine Rechenschaltung (74) zur Umrechnung der Meßpunktfolge in das Fraktalsignal (F) und einen Kennlinienspeicher (78) aufweist.

7. Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Adressierkreis (80) das Fraktalsignal (F) in ein Adressiersignal umsetzt, dessen Variationsbereich dem Adreßbereich der die Kennlinie enthaltenden Speicherzellen des Kennliniespeichers (78) entspricht, und daß in den Speicherzellen des Kennlinienspeichers (78) monoton ansteigende Rauheitssignale abgelegt sind.

8. Gerät nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang hinter der Meßoptik (24), jedoch vor dem Wandler (40), ein halbdurchlässiger Spiegel (42) angeordnet ist, welcher einen Teil des Meßlichtes auf einen optoelektrischen Hilfswandler (44) wirft, und daß das Ausgangssignal des letzteren zur Modifizierung der zur Umsetzung des Fraktalsignales in das Rauheitssignal verwendeten Kennlinie (76) verwendet wird.

9. Gerät nach Anspruch 8 in Verbindung mit Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine zweite Adressierschaltung (88), welche aus dem Ausgangssignal des Hilfswandlers (44) ein zweites Adressiersignal erzeugt, dessen Variationsbereich der Anzahl unterschiedlicher im Kennlinienspeicher (78) abgelegter Kennlinien entspricht, und daß das zweite Adressiersignal zusammen mit dem Ausgangssignal des ersten Adressierkreises (80) die jeweilige Adresse für diejenige Speicherzelle des Kennlinienspeichers (78) bildet, in welcher das zum jeweiligen Abstand zwischen Meßkopf (10) und Werkstückoberfläche (14) und zum ermittelten Fraktalsignal (F) gehörende Rauheitssignal abgelegt ist.

10. Gerät nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch einen Komparator (90), welcher mit dem Ausgangssignal des Hilfswandlers (44) und einem zugehörigen Referenzsignal beaufschlagt ist, und durch eine durch das vom Komparator (90) bereitgestellte Fehlersignal gesteuerte Stelleinrichtung (92) zum Ändern des Abstandes zwischen Meßkopf (10) und Werkstückoberfläche (14) oder zum Verstellen eines den optischen Strahlengang bestimmenden optischen Elementes (24).

11. Gerät nach einem der Ansprüche 6 bis 10, gekennzeichnet durch einen innerhalb des Meßkopfes (10) verlaufenden zweiten Lichtweg (50, 56, 58), auf welchem Licht von der Lichtquelle (36) gesteuert durch einen Verschluß (52) auf den Wandler (40) gegeben werden kann, und durch einen Referenzspeicher (66) für das Wandlerausgangssignal, welcher mit dem Öffnen des Verschlusses (52) eingelesen wird, sowie einen Korrekturkreis (68), welcher mit dem Ausgangssignal des Wandlers (40) und des Referenzspeichers (66) beaufschlagt ist.

12. Gerät nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungsoptik und die Meßoptik durch transversal benachbarte Abschnitte einer einzigen Optik (24) gebildet sind und daß eine Kollimatorblende (26) vorgesehen ist, welche einen Beleuchtungsspalt (28) sowie eine dieser transversal benachbarte Meßlichtöffnung (30) enthält.

13. Gerät nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch einen mit der Achse der Meßlichtöffnung (30) fluchtenden Umlenkspiegel (38), welcher das Meßlicht auf den der Optik (24) benachbarten Wandler (40) wirft.

14. Gerät nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht der Lichtquelle (34, 36) teilkohärent oder kohärent ist.

15. Gerät nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (34, 36) Mischlicht mit langwelligem und kurzwelligem Anteil bereitstellt.

16. Gerät nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle mehrere Festkörper-Strahler wie Leuchtdioden oder Halbleiter-Laser umfaßt, welche verschiedene Arbeitswellenlänge haben.

17. Gerät nach einem der Ansprüche 6 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle durch einen Spalt (34) und die Wendel einer hinter diesem angeordneten Glühlampe (36) gebildet ist.

18. Gerät nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß an den Speicher (62) eine Fokussierungs-Kontrollschaltung (64, 102) angeschlossen ist, welche ein der Flankensteilheit der Pegeländerungen in der Meßpunktfolge zugeordnetes Ausgangssignal erzeugt.

19. Gerät nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontrollschaltung einen Taktgeber (64), welcher das Auslesen der Meßpunkte aus dem Speicher (62) steuert, sowie ein mit dem Speicherausgang verbundenes Frequenzfilter (102) aufweist.