WO2007082669A2 - Verfahren und vorrichtung zur erfassung von drallstrukturen - Google Patents

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WO2007082669A2
WO2007082669A2 PCT/EP2007/000201 EP2007000201W WO2007082669A2 WO 2007082669 A2 WO2007082669 A2 WO 2007082669A2 EP 2007000201 W EP2007000201 W EP 2007000201W WO 2007082669 A2 WO2007082669 A2 WO 2007082669A2
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workpiece surface
axis
twist
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Hero Weber
Erik Funke
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Carl Mahr Holding GmbH
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Carl Mahr Holding GmbH
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B5/00—Measuring arrangements characterised by the use of mechanical techniques
    • G01B5/28—Measuring arrangements characterised by the use of mechanical techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/30—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces

Definitions

  • the invention relates to a method for swirl measurement on workpiece surfaces having surface structures, in particular machining tracks with a twist with respect to an axis. Furthermore, the invention relates to a device for carrying out this method.
  • Workpiece surfaces in particular rotationally symmetrical workpiece surfaces, such as cylindrical, conical or otherwise shaped bore walls, cylindrical, conical or other outer peripheral surfaces of shafts, cones or similar workpieces or parts of workpieces, often have surface structures that are to the rotational or symmetry axis of the relevant Werk Swissoberflä- with a slope.
  • Such surface structures can be used, for example, in the grinding of a corresponding arise the workpiece surface.
  • the surface structure consists for example of a superposition of straight periodic twist grooves and short stochastically placed grinding marks.
  • the periodic swirl grooves can lead to undesirable effects if the relevant
  • Area e.g. should serve as a shaft sealing surface.
  • a relative rotation between a sealing ring and the relevant workpiece surface may result in an oil feed effect in one or the other axial direction, which leads either to undesired oil losses or to dry running of the sealing ring. Both are undesirable.
  • Even with plain bearings can occur by a surface structure containing a twist undesirable axial ⁇ late bine that may be undesirable. Methods have therefore been developed to measure the helix angle, which is usually in the range of a few minutes.
  • DE 101 50 383 A1 discloses an image-optical measuring method in which a cylinder outer surface, which forms the workpiece surface to be examined, is projected in sections under a grazing light with a camera. The recorded image is subjected to comb filtering. The surface stripe structure is determined from the image data sets of many images taken in succession and the twist direction or the twist angles are determined therefrom.
  • the method requires the evaluation of several hundred image data records, which leads to considerable amounts of data. Furthermore, depth information is missing in the recorded camera image, so that ultimately information about the depth of the twist structure is missing. This can be particularly troublesome if an occurring oil-conveying effect is to be assessed qualitatively or if the surface structure has intersecting swirling effects. structures, ie both twist with positive as well as negative sense, eg with different depth contains.
  • the invention seeks to remedy this.
  • the measurement effort to be driven should remain as manageable as possible in order to be able to carry out the measurement in a short time of at most a few minutes.
  • the inventive method is based on the scanning of the workpiece surface for obtaining measured values along a line, which has both an axial component parallel to the axis of the workpiece surface and a peripheral component in the circumferential direction to the axis of the workpiece surface.
  • the axial component and the circumferential component may be formed by separate contiguous or non-contiguous line sections extending in the axial direction and in the circumferential direction, respectively.
  • the axial and circumferential components may also be contained in a single or multiple helical lines, in adjacent circular lines or other line shapes. If circular lines are used for scanning, the axial spacing of the circular lines is preferably so small that each shaft of the twist structure is cut in the axial direction by at least two circular lines.
  • the pitch is so small that each shaft of the swirl structure is cut in the axial direction of at least two circular lines. This satisfies the sampling theorem. In the case of very steep swirls, it is therefore possible for at least a few circular lines (eg three or four) or a few turns for scanning to be sufficient in compliance with the sampling theorem (at least two samples per wave).
  • At least one variable characterizing the twist is determined from the measured values. This characteristic variable may be, for example, the helix angle ⁇ , which corresponds to the pitch of the twist structure, ie the individual grooves or ribs, and is generally in the range of a few angular minutes.
  • the mobility z can be determined, which can be regarded as the number of threads determined by the twist.
  • a variable characterizing the twist can be the local, the average, the minimum or the maximum height of the twist structure, which is to be measured, for example, between the wave valley and the wave peak of the twist structure. The method according to the invention thus provides reliable and reliable measured values.
  • the method according to the invention is based on the scanning of the workpiece surface along at least one line which has both an axial component and a peripheral component. If, for example, the line contains a circle as a section and if it detects the entire circumference of the workpiece surface as a full circle, the number of wave troughs and wave peaks to be measured on this line section determines the mobility.
  • the perimeter component is supplied by the circle in this example. Vaults appear as the maximum of the measured radius r, whereas troughs appear as the minimum of the measured radius r.
  • the mobility z can be determined, for example, on the basis of the number of wave crests or, alternatively, on the basis of the number of wave troughs.
  • the scanning of the workpiece surface in the axial direction ie along the axial direction in an axial section of the line provided for scanning, can be used, for example, to determine the twist angle ⁇ .
  • the axially oriented portion of the line forms or provides the axial component in this embodiment.
  • the twist angle ⁇ can be calculated, for example, as the arc tangent of the ratio of the product of the mobility z and the wavelength ⁇ y measured in the axial direction to the circumference of the workpiece surface. This calculation gives the amount of twist angle, but not its sign.
  • the linear scanning of the workpiece surface for example along a circular line and along a surface line, then suffices for determining important parameters characterizing the swirl.
  • the workpiece surface can be scanned on a spiral. In the case of a cylindrical workpiece surface, this spiral is a helix. In the case of a conical workpiece surface, this spiral is a conical helix. In the case of a flat workpiece surface, the spiral is a spiral in the actual mathematical sense.
  • the measured values along the line are recorded as measuring points in such a close sequence that the sampling theorem is satisfied, ie each wave is scanned at least twice, preferably several times.
  • each wave is scanned at least twice, preferably several times.
  • the usually encountered relatively small helix angle of a few minutes can in spiral scanning (with cylindrical workpiece surface Scanning along a helical line) at high speeds.
  • workpieces with a diameter of a few tens of millimeters can be scanned at a speed of several hundred to several thousand revolutions per minute, with several thousand revolutions, such as five thousand revolutions, being made to provide a complete set of data.
  • the pitch of the line on which the scan is performed may be relatively small, the lateral spacing of two windings of this line may be greater than the transverse to the swirl structure to be measured wavelength thereof.
  • the measuring points distributed over the workpiece surface form a point cloud, from which both the axial component and the radial component of a hypothetical (synthetic) scan can be calculated out. From the point cloud those points can be selected that lie on an imaginary circular line. These points form the perimeter component. Accordingly, those points which lie on an imaginary axial line can be selected out of the point cloud. These points form the axial component.
  • the advantage of this method is that both the workpiece and the measuring head, e.g. in the form of a stylus tip or an optical probe, are moved evenly. Measurement errors that could be generated by acceleration or deceleration of components of the measuring circuit are avoided.
  • Circular line along a surface line possible to perform a scan on at least one circular line and / or generating line, which are closely adjacent to the first circular line or surface line. With spiral scanning this is unnecessary because of the close proximity of adjacent corridors of the spiral line.
  • the pitch direction ie the sign, of the helix angle can be determined. It is also possible to carry out the scanning on two line sections which cut each other several or more times, for example because they have opposite slopes.
  • the measurement can be carried out while the workpiece is rotating by moving the sensing device back and forth in the axial direction.
  • the obtained point cloud again contains the axial component and the peripheral component.
  • the method also makes it possible to obtain statements in the presence of competing swirl structures, e.g. with positive and negative slope, win.
  • FIG. 1 shows a section of a workpiece surface with a twist structure and a line serving as a measuring path
  • FIG. 1 with different lines serving as a measuring path
  • 7 shows a measuring device for determining the twist structure of a workpiece surface in a schematic illustration
  • Figure 9 is designed as a confocal microscope optical probe
  • FIG. 10 shows a diagrammatic illustration of measured values obtained on a circular line for
  • Figure 11 is a schematic representation of a strategy for the automatic adaptive determination of a
  • FIG. 12 shows a flow chart of a combination strategy for the automatic adaptive definition of a scan line.
  • FIG. 1 illustrates a cylindrical section of a workpiece surface 1, which in principle may be the outer surface of, for example, a pin or the inner surface of a bore.
  • Section 1 of the workpiece surface is rotationally symmetrical about an axis 2 and in the example has a constant mean radius r.
  • the radius r can also change along the axis 2 - the measuring method described below is not limited to cylindrical surfaces but can also be applied to other rotationally symmetric surfaces or even surfaces or in individual cases on surfaces in which the radius r as a function of the existing in cylindrical coordinates circumferential coordinate ⁇ varies.
  • cylinder coordinates are assumed whose axial coordinate y is determined by the direction of the axis 2.
  • the section 1 of the workpiece surface has a swirl structure 3, which is illustrated schematically in FIG. 1, and which may be made of a number of threads that wind around the axis 2 in the manner of a thread.
  • the swirl structure 3 can be, for example, the result of an abrasive machining of claim 1 of the workpiece surface and consist of individual grooves or scoring sections which have a pitch angle with respect to the axis 2. This pitch angle is called the helix angle ⁇ .
  • Figure 2 in which the twist angle ß is entered. It shows the inclination of a shaping element which determines the twist structure 3, for example a groove or a projection, with respect to a circular line.
  • the twist structure 3 is illustrated as a development into the plane of the drawing.
  • the swirl structure 3 is then scanned along a line 4 by means of a pushbutton, in which case measured values are taken in close succession along the line 4 or points are recorded.
  • Each point has the coordinates r, y, ⁇ in accordance with the cylindrical coordinate system according to FIG. 1.
  • each radius pair y, ⁇ given by the line 4 is assigned the radius r detected by the probe.
  • the line 4 has a peripheral component 5 and an axial component 6.
  • the line 4 has a section in the form of a circular line, which forms exclusively a peripheral component and has no component in the axial direction. All measured values on the section forming the circumferential component 5 have the same Y-coordinate.
  • the axial component 6 is formed by a branch of the line 4, which extends parallel to the axis 2. All points on the corresponding branch of line 4 have the same circumferential coordinate ⁇ .
  • one or more values characterizing the swirl can be determined from the measured values recorded along the circumferential component 5 of the line 4 and the measured values taken along the axial component 6.
  • FIG. This illustrates the measured values recorded along the peripheral component 5 of the line 4 whose radius r is minimal when the valley of a groove is encountered during the measurement along the peripheral component 5 and whose radius r is maximum when a material region lying between two grooves 7, 8 9 is encountered.
  • the point sequence is preferably substantially denser, so that the measured values along the circumferential component 5 are shown as a solid wavy line.
  • the wavelength ⁇ y of the twist structure 3 in the Y direction that is to say the axial component 6 of the measurement carried out on the line 4, is determined. determined in the direction of the axial component 6.
  • the wavelength ⁇ y is found as a distance between measured maxima or minima of the radius r. If the wavelength ⁇ y is reasonably constant, the local measured value can be taken. Otherwise, it is possible to average over several measured values.
  • Wavelength .DELTA.y and frequency z are related to the circumference of section 1 of the workpiece surface.
  • the arc tangent of this ratio is the desired helix angle ⁇ . This is thus determined in amount. After carrying out this simple measurement, it is thus possible to decide whether a workpiece surface has a structure with impermissible swirl or not.
  • FIG. 3 shows, to divide the measuring line 4 into a plurality of lines 4a, 4b, each having a plurality of branches 16a, 17a, 18a or 16b, 17b, 18b.
  • the branches 16a, 16b, 18a, 18b form the peripheral component of, for example, non-contiguous measuring line 4, while the branches 17a, 17b form the axial form component.
  • the measurement is carried out as explained in connection with FIGS. 2 and 10.
  • the waveforms taken along the branches 16a, 16b show a phase shift with respect to the angular coordinate ⁇ to each other.
  • the waveforms taken along the branches 17a, 17b show a phase offset with respect to the Y coordinate. From the direction of the phase offset can be on the sign of the helix angle ß, ie positive or negative slope, closed.
  • the line 4 may also be divided into other branches 16a, 16b, 16c, 16d and 17a, 17b, 17c, 17d, which may also intersect.
  • the individual branches 16a to 17d of the line 4 can thus cover a large part of the workpiece surface.
  • the method can be carried out repeatedly at several points of the workpiece surface, whereby the obtained twist angle ⁇ can be averaged. In addition, the method can be extended to lines 4 with locally non-constant slope.
  • the twist structure 3 can be scan by means of a helical line 4, the helix, as illustrated in FIG. 6, again having a peripheral component 5 and an axial component 6. From the phase offset of the ripples of the individual turns 22, 23, the sign of the twist angle ⁇ can be determined. Thus, it is first determined whether the line 4 and the twist structure 3 are arranged the same or in opposite directions. Furthermore, it can be assumed that the number of wave crests and troughs on one turn, for example winding 22, is equal to the sum of the wave crests and wave troughs that would appear on the perimeter component 5 and on the axial component 6 when measured would. With the aid of the previously determined phase offset between the ripples of adjacent turns 22, 23, the twist angle ⁇ can also be determined. The determination of the
  • Phase offset is particularly simple if the distance between the windings 22, 23, unlike in FIG. 6, is so small that the sampling theorem is satisfied, ie the phase offset between adjacent turns is less than a wavelength measured along the line 4 cut twist structure 3 is.
  • the phase offset may possibly be determined by a correlation analysis of the course of the Measured values between adjacent windings 22, 23 are determined.
  • FIG. 7 illustrates a simple device 24 for carrying out the above-described measurement.
  • the device 24 has, for example, a device for rotating the workpiece in the form of a turntable 25 and a positioning device 26, with which a pushbutton 27 is rotatable at least in the direction of the rotation axis predetermined by the turntable 25, which coincides with the axis 2.
  • the button 27 may for example be a mechanical button, as it is known as roughness button.
  • the probe 27 is, for example, a mechanical probe with a diamond needle, the tip of which has a radius of curvature which is smaller than the width of the grooves to be scanned.
  • optical buttons 27 are used, as schematically illustrated in FIG. 8 or FIG.
  • the probe 27 according to FIG. 8 is designed as a white light interferometer. It has a light source 28 with a short coherence length, which illuminates the workpiece surface 33 via an optical path, for example consisting of optical fibers 29, 30, 31, and an objective 32. Fiber couplers 34, 35 provided in the light path connect a reference light path 36 and an interferometer 37. In the interferometer measuring light beam and reference light beam are superimposed and projected for example via a cylindrical lens 38 to a linear sensor 39. An evaluation device 40 evaluates the resulting interference pattern. Its position is a measure of the distance of the objective 32 from the respectively probed point of the workpiece surface 33.
  • FIG. 9 illustrates the probe 27 in its embodiment, for example as a confocal microscope. In the illustrated advantageous embodiment, it operates with increased depth of field by utilizing multi-color light and a lens 42 with high chromatic aberration. On the optical axis 42 there is a focal line with a sequence of colored foci.
  • An evaluation device with a color analyzer is connected to the light path via the phaser coupler 34. This can, as schematically illustrated, for example, consist of a prism 43 and a connected line sensor 44, which is connected to the evaluation device 40.
  • the light of the color whose focal point lies on the workpiece surface 33 is reflected back into the probe 27 and deflected by the prism 43 in accordance with the light color.
  • the line sensor 44 for example a line camera, thus receives light only on one or more pixels, the center of the illuminated spot being a measure of the distance between the workpiece surface 33 and the objective 41.
  • buttons 27 of Figure 8 and 9 work quickly, so that the workpiece along the line 4 can be scanned at high speed. It can be measured in a short measuring time of a few seconds to minutes large parts of the workpiece surface. The measurement provides not only the helix angle ⁇ and possibly the number of gears z but also, if necessary, the depth of the swirl structure 3, measured in the direction of the R coordinate.
  • FIG. 11 illustrates an adaptive strategy for defining a line 4 for scanning the workpiece and optionally for swirl detection.
  • the strategy in the simplest case, assumes that there is a line 4 that is best suited for the complete scan of the spin. This line can be, for example, a helical line whose inclination can be set adaptively.
  • the variation can be done by the pitch angle is increased, for example, gradually.
  • the measurement can then be continued and completed at the pitch angle at which the sought twist parameters can best be calculated.
  • Fig. 11 illustrates an adaptive strategy for defining a line 4.
  • Stage 1 consists of two generatrices (vertical in the upper left partial image) and two circular lines (horizontal in the upper left partial image).
  • the measuring program determined in a second stage (top center) from these measurements, the dominant ripples. If these are the same, the three parameters can be calculated. If not, a refinement measurement is performed in a third step (top right). In this case, at least one preferably two further generatrices are measured between the two already measured generatrices. In addition, a further preferably approximately centrally located between the two circular lines line can be measured. In a fourth step (bottom right) it is checked whether the determined dominant ripples are the same. If yes, the spin parameters are calculated.
  • step 5 a further refinement measurement is carried out in step 5 by carrying out measurements on further generatrices and circular lines. Again, the dominant ripples on all lines (circles and generatrices) are determined and, if they are equal, the swirl parameters are calculated. If not, the program can abort and issue a corresponding error message.It is also possible to carry out a further refinement according to the above scheme until finally a valid measurement is reached.
  • the measurements carried out in the different stages 1, 3 and 5 and optionally further refined measuring stages can be carried out with a constant uniform measuring point distance. It is also possible to reduce the measuring point distances from stage to stage in order to increase the probability of obtaining a valid, precise measurement with as few scanning lines as possible.
  • Another adaptive measurement strategy is illustrated in FIG. It is a combined helix measurement with adaptive strategy.
  • the axis of a reference cylinder is calculated. Then, in the step “Computational centering of the ith circle on the cylinder axis”, the measured circles are then centered on the cylinder axis by calculation, then in the step “Computational unwinding of the ith circle in the first surface line” the measured circles and Generating generatrices in a plane, as shown for example in Figure 11 in step 1, 3 or 5. Then a dominant waviness is determined in the step “Extract WD 1 -PrOfH from the i-th generatrix.” In the step “wavelength WDSm 1 associated wavenumber f ⁇ ", the associated wavelength is determined for each circular line i and each associated generatrix ,
  • the axis of the reference cylinder is recalculated (optional) and each surface line is aligned accordingly in the step "Computational alignment of the i-th generatrix parallel to the cylinder axis" between the surface line and the cylinder axis with slightly conical workpieces that could otherwise lead to measurement errors or overflows in corresponding measuring devices or calculation programs.
  • the step “Extract WD 1 -PrOfU from i-th line” from each generating line the WD Profile extracted. From this, the wavelength is determined for each jacket length in the step "wavelength WDSm 1 ".
  • the most frequently occurring wavelengths are now determined from the wavelengths determined on the circular lines and on the surface lines.
  • the method is self-adaptive because it automatically determines the wavelength based on the circular scan line and the cladding scan line. Whether the wavelength is determined on the basis of the circle lines or on the basis of the measured value group originating from the generatrix lines or on the basis of both groups of measured values results automatically.
  • the Am- plitude and the phase of the wavelength WDSm, the twist depth, the workpiece diameter, the workpiece circumference, etc. are calculated.
  • the measuring method according to FIG. 12 described so far can be integrated into the adaptive strategy according to FIG. 11 as a measuring method. It is also not limited to the measurement on circular lines and surface lines. Rather, it can also be performed on line sections that have different pitch angles.
  • the evaluation can be carried out not only for the existing ripple of first dominance but also for the possibly present ripple of second dominance, with which the spin parameters can be determined not only for the first dominance but also for the second dominance. If, however, the dominant wavelength WDSm of the individual generatrices is not the same, no twist can be detected.
  • the workpiece surface is preferably moved along a helical line of small pitch by coordinated measuring movement with a rotating component (peripheral component) and a linear component (axial component).
  • a rotating component peripheral component
  • a linear component axial component
  • measuring points on the workpiece surface are detected in three dimensions.
  • the probing of the workpiece surface can be done mechanically or without contact. The measurement allows in a simple, robust and safe way the determination of the swirl characterizing quantities including also the depth of the swirl structure 3 to be measured.

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  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung von Drallstrukturen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Drallmessung an Werkstückoberflächen, die Oberflächenstrukturen, insbesondere Bearbeitungsspuren mit einem Drall in Bezug auf eine Achse aufweisen. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens .
Werkstückoberflächen, insbesondere rotationssymmetrische Werkstückoberflächen, wie zylindrische, kegelförmige oder anderweitig geformte BohrungsWandungen, zylindrische, kegelförmige oder anderweitige Außenumfangsflachen von Wellen, Zapfen oder ähnlichen Werkstücken oder Teilen von Werkstücken, weisen häufig Oberflächenstrukturen auf, die zu der Dreh- oder Symmetrieachse der betreffenden Werkstückoberflä- che mit einer Steigung verlaufen. Solche Oberflächenstrukturen können z.B. bei der Schleifbearbeitung einer entsprechen- den Werkstückoberfläche entstehen. Die Oberflächenstruktur besteht beispielsweise aus einer Überlagerung von geraden periodischen Drallrillen und kurzen stochastisch platzierten Schleifriefen. Insbesondere die periodischen Drallrillen kön- nen zu unerwünschten Wirkungen führen, wenn die betreffende
Fläche z.B. als Wellendichtflache dienen soll. Je nach Drall- richtung und Drehrichtung kann bei einer Relativdrehung zwischen einem Dichtring und der betreffenden Werkstückoberfläche eine Ölförderwirkung in der einen oder anderen Axialrich- tung auftreten, die entweder zu unerwünschten Ölverlusten oder zum Trockenlaufen des Dichtrings führt. Beides ist unerwünscht. Auch bei Gleitlagern können durch eine Oberflächenstruktur, die einen Drall enthält unerwünschte axiale Ölfördereffekte auftreten, die unerwünscht sein können. Es sind deshalb Verfahren entwickelt worden, um den Drallwinkel, der üblicherweise im Bereich weniger Minuten liegt, zu messen.
Die DE 101 50 383 Al offenbart dazu ein bildoptisches Messverfahren, bei dem eine Zylinderaußenfläche, die die zu untersuchende Werkstückoberfläche bildet, unter Streiflicht mit einer Kamera ausschnittsweise abgebildet wird. Das aufgenommene Bild wird einer Kammfilterung unterworfen. Aus den Bilddatensätzen vieler nacheinander aufgenommener Bilder wird die Oberflächenstreifenstruktur ermittelt und aus dieser die Drallrichtung bzw. der Drallwinkel bestimmt.
Das Verfahren erfordert die Auswertung mehrerer hundert Bilddatensätze, was zu erheblichen Datenmengen führt. Des Weiteren fehlt im aufgenommenen Kamerabild Tiefeninformation, so dass letztendlich Information über die Tiefe der Drall - struktur fehlt. Dies kann insbesondere dann störend sein, wenn eine auftretende Ölförderwirkung qualitativ zu bewerten ist oder wenn die Oberflächenstruktur sich kreuzende Drall- strukturen, d.h. sowohl Drall mit positivem als auch mit negativem Sinn, z.B. mit unterschiedlicher Tiefe, enthält.
Die Erfindung sucht hierzu nach Abhilfe. Dabei soll der zu treibende Messaufwand möglichst überschaubar bleiben, um die Messung in kurzer Zeit von allenfalls wenigen Minuten durchführen zu können.
Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren nach Anspruch 1 gelöst, das beispielsweise von der Vorrichtung nach Anspruch 19 auszuführen ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der Abtastung der Werkstückoberfläche zur Gewinnung von Messwerten entlang einer Linie, die sowohl eine Axialkomponente parallel zu der Achse der Werkstückoberfläche sowie eine Umfangskomponente in Umfangsrichtung zu der Achse der Werkstückoberfläche aufweist. Die Axialkomponente und die Umfangskomponente können durch gesonderte zusammenhängende oder nicht zusammenhängende Linienabschnitte gebildet sein, die sich in Axialrichtung bzw. in Umfangsrichtung erstrecken. Die Axial- und Umfangskomponente können auch in einer einzigen oder mehrere Schraubenlinien, in benachbarten Kreislinien oder anderen Linienformen enthalten sein. Werden zur Abtastung Kreislinien ge- nutzt, ist der Axialabstand der Kreislinien vorzugsweise so klein, dass jede Welle der Drallstruktur in Axialrichtung von wenigstens zwei Kreislinien geschnitten wird. Ist die Linie eine Schraubenlinie, ist die Ganghöhe so gering, dass jede Welle der Drallstruktur in Axialrichtung von wenigstens zwei Kreislinien geschnitten wird. Damit ist das Abtasttheorem erfüllt . Bei sehr steilem Drall können somit unter Umständen wenigste Kreislinien (z.B. drei oder vier) oder wenige Windungen zur Abtastung unter Einhaltung des Abtasttheorems (mindestens zweit Abtastwerte pro Welle) ausreichen. Aus den Messwerten wird zumindest eine den Drall kennzeichnende Größe bestimmt. Diese kennzeichnende Größe kann beispielsweise der Drallwinkel ß sein, der der Steigung der Drallstruktur, d.h. der einzelnen Riefen oder Rippen, ent- spricht und in der Regel im Bereich weniger Winkelminuten liegt. Des Weiteren kann als eine den Drall kennzeichnende Größe die Gängigkeit z bestimmt werden, die als Anzahl der durch den Drall bestimmten Gewindegänge angesehen werden kann. Des Weiteren kann eine den Drall kennzeichnende Größe die lokale, die durchschnittliche, die minimale oder die maximale Höhe der Drallstruktur sein, die beispielsweise zwischen Wellental und Wellenberg der Drallstruktur zu messen ist. Das erfindungsgemäße Verfahren liefert somit sichere und verlässliche Messwerte.
Das erfindungsgemäße Verfahren beruht, wie erwähnt, auf der Abtastung der Werkstückoberfläche entlang zumindest einer Linie, die sowohl eine Axialkomponente wie auch eine Umfangs- komponente aufweist. Enthält die Linie als einen Abschnitt beispielsweise eine Kreislinie und erfasst sie den gesamten Umfang der Werkstückoberfläche als Vollkreis, bestimmt die Anzahl der auf diesem Linienabschnitt zu messenenden Wellentäler und Wellenberge die Gängigkeit . Die Umfangskomponente wird in diesem Beispiel durch die Kreislinie geliefert. WeI- lenberge treten als Maximum des gemessenen Radius r in Erscheinung während Wellentäler als Minimum des gemessenen Radius r in Erscheinung treten. Die Gängigkeit z kann beispielsweise anhand der Anzahl der Wellenberge oder alternativ anhand der Anzahl der Wellentäler bestimmt werden. Es ist des Weiteren möglich, die Maxima und die Minima des Radius r zu registrieren, etwa mittig eine nahezu kreisförmige Linie zwischen diese zu legen und die Anzahl der Durchgänge der Mess- werte durch diese Linie zu zählen. Die ermittelte Zahl geteilt durch Zwei entspricht wiederum der Gängigkeit z. Die Abtastung der Werkstückoberfläche in Axialrichtung, d.h. entlang der Axialrichtung in einem Axialabschnitt der zur Abtastung vorgesehenen Linie, kann beispielsweise zur Ermittlung des Drallwinkels ß genutzt werden. Der axial orientierte Abschnitt der Linie bildet oder liefert in diesem Ausführungsbeispiel die Axialkomponente . Der Drallwinkel ß kann beispielsweise als Arcustangens des Verhältnisses aus dem Produkt der Gängigkeit z und der in Axialrichtung gemessenen Wellenlänge Δy zu dem Umfang der Werkstückoberfläche berechnet werden. Diese Rechnung liefert den Betrag des Drallwinkels, nicht aber sein Vorzeichen.
Unter Voraussetzung einer die Werkstückoberfläche einnehmenden, relativ gleichmäßigen Drallstruktur reichen somit zur Bestimmung wichtiger, den Drall kennzeichnenden Größen, die linienhafte Abtastung der Werkstückoberfläche beispielsweise entlang einer Kreislinie und entlang einer Mantellinie. Es ist des Weiteren aber auch möglich, entlang einer Linie abzutasten, die weder mit einer Kreislinie noch mit einer Mantellinie übereinstimmt, sondern beispielsweise schräg zu beiden mit einer gegebenen konstanten oder auch variierenden Steigung festgelegt ist. Beispielsweise kann die Werkstückoberfläche auf einer Spirale abgetastet werden. Im Falle einer zylindrischen Werkstückoberfläche ist diese Spirale eine Schraubenlinie. Im Falle einer kegelförmigen Werkstückoberfläche ist diese Spirale eine konische Schraubenlinie. Im Falle einer ebenen Werkstückoberfläche ist die Spirale eine Spirale im eigentlichen mathematischen Sinn. In allen Fällen werden die Messwerte entlang der Linie als Messpunkte in so dichter Folge aufgenommen, dass das Abtasttheorem erfüllt ist, d.h. jede Welle mindestens zweifach, vorzugsweise mehrfach, abgetastet wird. Wegen des in der Regel anzutreffenden relativ geringen Drallwinkels von wenigen Minuten kann bei der Spiralabtastung (bei zylindrischer Werkstückoberfläche Abtastung entlang einer Schraubenlinie) mit hohen Drehzahlen gearbeitet werden. Werkstücke mit einem Durchmesser von wenigen Zehn Millimetern können beispielsweise bei einer Drehzahl von mehreren Hundert bis mehreren Tausend Umdrehungen pro Minute abgetastet werden, wobei mehrere Tausend Umdrehungen, beispielsweise Fünftausend Umdrehungen vollführt werden können, um einen vollständigen Datensatz zu liefern. Die Ganghöhe der Linie auf der die Abtastung durchgeführt wird, kann relativ klein sein, wobei der seitliche Abstand zweier Win- düngen dieser Linie größer sein kann als die quer zur Drall - Struktur zu messende Wellenlänge derselben.
Die über die Werkstückoberfläche verteilten Messpunkte bilden eine Punktewolke, aus der sowohl die Axialkomponente als auch die Radialkomponente einer hypothetischen (synthetischen) Abtastung herausgerechnet werden können. Aus der Punktewolke können diejenigen Punkte herausselektiert werden, die auf einer gedachten Kreislinie liegen. Diese Punkte bilden die Umfangskomponente . Entsprechend können aus der Punktewol- ke diejenigen Punkte herausselektiert werden, die auf einer gedachten Axiallinie liegen. Diese Punkte bilden die Axial - komponente . Der Vorzug dieses Verfahrens liegt darin, dass zur Durchführung der Messung sowohl das Werkstück als auch der Messkopf, z.B. in Form einer Tastspitze oder eines opti- sehen Tasters, gleichmäßig bewegt werden. Messfehler, die durch Beschleunigung oder Verlangsamung von Komponenten des Messkreises erzeugt werden könnten, werden vermieden.
Zur Bestimmung des Vorzeichens des Drallwinkels ist es ausgehend von der einfachst denkbaren Abtastung entlang einer
Kreislinie sowie entlang einer Mantellinie möglich, eine Abtastung auf zumindest einer Kreislinie und/oder Mantellinie durchzuführen, die der ersten Kreislinie oder Mantellinie eng benachbart sind. Bei Spiralabtastung erübrigt sich dies wegen der engen Nachbarschaft benachbarter Gänge der Spirallinie. Aus dem Versatz der erfassten Wellen auf den beiden benachbarten Linienabschnitten gegen einander, kann die Steigungs- richtung, d.h. das Vorzeichen, des Drallwinkels bestimmt wer- den. Es ist auch möglich, die Abtastung auf zwei Linienabschnitten durchzuführen, die sich gegenseitig mehr- oder vielfach schneiden, z.B. weil sie entgegengesetzte Steigungen aufweisen. Die Messung kann bei drehendem Werkstück durchgeführt werden, indem die Tasteinrichtung in Axialrichtung einmal hin und her bewegt wird. Die erhaltene Punktwolke enthält wiederum die Axialkomponente und die Umfangskomponente .
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich sowohl für schnelle und dabei doch präzise Übersichtsmessungen als auch für die präzise Vermessung eines gesamten interessierenden
Flächenbereichs in geringer Messzeit und mit hoher Präzision. Mit dem Verfahren lassen sich auch Aussagen bei Vorliegen konkurrierender Drallstrukturen, z.B. mit positiver und negativer Steigung, gewinnen.
Weitere Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Zeichnung, der Beschreibung oder weiterer Unteransprüche .
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung veranschaulicht. Es zeigen:
Figur 1 einen Ausschnitt aus einer Werkstückoberfläche mit Drallstruktur und einer als Messweg die- nenden Linie,
Figur 2 bis 6 eine Abwicklung der Werkstückoberfläche gemäß
Figur 1 mit unterschiedlichen, als Messweg dienenden Linien, Figur 7 eine Messvorrichtung zur Bestimmung der Drall struktur einer Werkstückoberfläche in schema- tischer Veranschaulichung,
Figur 8 einen berührungslosen interferenzoptischen
Taster zur Erfassung der Drallstruktur einer Werkstückoberfläche,
Figur 9 einen als konfokales Mikroskop ausgebildeten optischen Taster
Figur 10 eine diagrammartige Veranschaulichung von auf einer Kreislinie gewonnenen Messwerten zur
Bestimmung der Gängigkeit z,
Figur 11 eine schematische Darstellung einer Strategie zur automatischen adaptiven Festlegung einer
Abtastlinie und
Figur 12 ein Flussbild einer Kombi-Strategie zur automatischen adaptiven Festlegung einer Abtastlinie .
In Figur 1 ist ein zylindrischer Abschnitt einer Werkstückoberfläche 1 veranschaulicht, bei der es sich prinzipiell um die Außenfläche beispielsweise eines Zapfens oder auch die Innenfläche einer Bohrung handeln kann. Der Ab- schnitt 1 der Werkstückoberfläche ist rotationssymmetrisch zu einer Achse 2 und weist im Beispiel einen konstanten mittleren Radius r auf. Der Radius r kann sich jedoch entlang der Achse 2 auch ändern - das nachfolgend beschriebene Messverfahren ist nicht auf Zylinderflächen beschränkt sondern kann auch bei anderen rotationssymmetrischen Flächen oder auch ebenen Flächen oder im Einzelfall auch auf Flächen angewendet werden, bei denen der Radius r in Abhängigkeit von der in Zylinderkoordinaten geltenden Umfangskoordinate φ variiert. Hier, wie zur weiteren Erläuterung, werden Zylinderkoordina- ten vorausgesetzt, deren Axialkoordinate y durch die Richtung der Achse 2 bestimmt ist .
Der Abschnitt 1 der Werkstückoberfläche weist eine in Figur 1 schematisch veranschaulichte Drallstruktur 3 auf, die aus einer Anzahl sich nach Art eines Gewindes um die Achse 2 herum windenden Gewindegängen vorliegen kann. Die Drallstruktur 3 kann beispielsweise das Resultat einer Schleifbearbeitung des Anspruchs 1 der Werkstückoberfläche sein und aus einzelnen Riefen oder Riefenabschnitten bestehen, die einen Steigungswinkel bezüglich der Achse 2 aufweisen. Dieser Steigungswinkel wird als Drallwinkel ß bezeichnet. Zur besseren Veranschaulichung wird auf Figur 2 Bezug genommen, in die der Drallwinkel ß eingetragen ist. Er zeigt die Neigung eines die Drallstruktur 3 bestimmenenden Formelements, beispielsweise einer Riefe oder eines Vorsprungs, in Bezug auf eine Kreislinie. In Figur 2 ist die Drallstruktur 3 dazu als Abwicklung in die Zeichenebene veranschaulicht. Die Drallstruktur 3 wird nun mittels eines Tasters entlang einer Linie 4 abgetastet, wobei dann entlang der Linie 4 in dichter Folge Messwerte bzw. Punkte aufgenommen werden. Jeder Punkt hat die Koordinaten r, y, φ gemäß des Zylinderkoordinatensystems nach Figur 1. Bei der Messung wird jedem durch die Linie 4 vorgegebenen Koordinatenpaar y, φ der durch den Taster erfasste Radius r zugeordnet .
Die Linie 4 weist eine Umfangskomponente 5 und eine Axialkomponente 6 auf. Im einfachsten Fall hat die Linie 4 einen Abschnitt in Form einer Kreislinie, die ausschließlich eine Umfangskomponente bildet und keine Komponente in Axialrichtung hat. Alle Messwerte auf dem die Umfangskomponente 5 bildenden Abschnitt haben die gleiche Y-Koordinate .
Die Axialkomponente 6 wird durch einen Zweig der Linie 4 gebildet, der sich parallel zu der Achse 2 erstreckt. Alle Punkte auf dem entsprechenden Zweig der Linie 4 haben die gleiche Umfangskoordinate φ.
Im Idealfall lassen sich aus den entlang der Umfangs- komponente 5 der Linie 4 aufgenommenen Messwerten und den entlang der Axialkomponente 6 aufgenommenen Messwerten ein oder mehrere den Drall kennzeichnende Größen bestimmen. Zur Erläuterung wird zunächst auf Figur 10 verwiesen. Diese veranschaulicht die entlang der Umfangskomponente 5 der Linie 4 aufgenommenen Messwerte, deren Radius r minimal ist, wenn bei der Messung entlang der Umfangskomponente 5 das Tal einer Riefe angetroffen wird und deren Radius r maximal ist, wenn ein zwischen zwei Riefen 7, 8 liegender Materialbereich 9 angetroffen wird. Obwohl im vorliegenden Beispiel die Auf- nähme von Messpunkten im Abstand von einigen Grad der Winkel - koordinate φ ausreichen würden, ist die Punktefolge vorzugsweise wesentlich dichter, so dass die Messwerte entlang der Umfangskomponente 5 als durchgezogene wellige Linie dargestellt sind. Zur Bestimmung der Gängigkeit z, d.h. der Anzahl der den in Figur 10 dargestellten Kreisschnitt schneidenden Riefen 7, 8, kann lokal ein mittlerer Radius bestimmt werden, der ungefähr mittig zwischen den Maxima 10, 11 und den Minima 12, 13 verläuft. Die Anzahl der Schnittpunkte 14, 15 (usw.) zwischen der von den Messwerten vorgegebenen Linie I und der von dem gemittelten Durchmesser vorgegebenen Linie II entspricht zwei z. Die Gängigkeit z ist auf diese Weise einfach zu erhalten, indem die betreffende Anzahl durch zwei geteilt wird.
Zur Bestimmung des Drallwinkels ß wird nun anhand der Axialkomponente 6 der auf der Linie 4 durchgeführten Messung die Wellenlänge Δy der Drallstruktur 3 in Y-Richtung d.h. in Richtung der Axialkomponente 6 bestimmt. Die Wellenlänge Δy findet sich als Abstand zwischen gemessenen Maxima oder Minima des Radius r. Ist die Wellenlänge Δy einigermaßen konstant, kann der lokale Messwert genommen werden. Andernfalls kann über mehrere Messwerte gemittelt werden.
Zur Bestimmung des Drallwinkels ß wird das Produkt aus
Wellenlänge Δy und Gängigkeit z mit dem Umfang des Abschnitts 1 der Werkstückoberfläche ins Verhältnis gesetzt. Der Arcus Tangens dieses Verhältnisses ist der gesuchte Drallwinkel ß. Dieser ist somit dem Betrag nach festgelegt. Nach Durchfüh- rung dieser einfachen Messung kann somit entschieden werden ob eine Werkstückoberfläche eine Struktur mit unzulässigem Drall aufweist oder nicht.
Zur Verfeinerung des Verfahrens ist es möglich, wie Fi- gur 3 zeigt, die Messlinie 4 auf mehrere Linien 4a, 4b aufzuteilen, die jeweils mehrere Zweige 16a, 17a, 18a bzw. 16b, 17b, 18b aufweisen. Die Zweige 16a, 16b, 18a, 18b bilden dabei die Umfangskomponente der beispielsweise nicht zusammenhängenden Messlinie 4, während die Zweige 17a, 17b die Axial- komponente bilden. Die Messung wird, wie im Zusammenhang mit Figur 2 und 10 erläutert, durchgeführt. Jedoch zeigen die entlang der Zweige 16a, 16b aufgenommenen Wellenformen einen Phasenversatz hinsichtlich der Winkelkoordinate φ zueinander. Die entlang der Zweige 17a, 17b aufgenommenen Wellenformen zeigen einen Phasenversatz hinsichtlich der Y-Koordinate. Aus der Richtung des Phasenversatzes kann auf das Vorzeichen des Drallwinkels ß, d.h. positive oder negative Steigung, geschlossen werden.
Wie Figur 4 veranschaulicht, kann die Linie 4 auch auf - anderweitige Zweige 16a, 16b, 16c, 16d und 17a, 17b, 17c, 17d aufgeteilt sein, die sich auch kreuzen können. Die einzelnen Zweige 16a bis 17d der Linie 4 können somit einen großen Teil der Werkstückoberfläche überstreichen.
Es ist des Weiteren möglich, die Linie 4 auf Zweige 19, 20, 21 aufzuteilen, die jeweils eine Axialkomponente 6 und eine Umfangskomponente 5 aufweisen. Dies ist in Figur 5 am Beispiel des Abschnitts 21 der Linie 4 veranschaulicht. Dieser verläuft nach Art einer Schraubenlinie mit einer z.B. konstanten Steigung entlang der Werkstückoberfläche. Schon allein anhand der unterschiedlichen Anzahl der erfassten Radius Maxima und Radius Minima entlang gleicher Längen- abschnitte der Zweige 21, 20 lässt sich auf die Gängigkeit z und den Winkel ß schließen. Dies kann beispielsweise mittels der in Figur 5 eingezeichneten Hilfslinie III erfolgen, die rechtwinklig zu der Drallstruktur 3, d.h. zu deren Riefen, eingetragen ist. Die Winkel α20 und α21 der Zweige 20 und 21 zu der Linie III sind zunächst unbekannt. Bekannt ist jedoch der Winkel y zwischen den beiden Zweigen 20, 21. Wird nun eine willkürliche Anzahl von geschnittenen Riefen, z.B. fünf, festgelegt und sowohl auf dem Zweig 20 wie auch auf dem Zweig 21 die Strecke A bzw. B bestimmt, die fünf Riefen jeweils einnehmen, gilt A/B = cosα20/cosα21. Des Weiteren gilt γ-α21 + α20 = 180° . Aus beiden Gleichungen lassen die beiden Unbekannten Winkel α20, α21 und aus diesen durch einfache Umrechnung der Drallwinkel ß bestimmen. Das Verfahren kann an meh- reren Stellen der Werkstückoberfläche wiederholt durchgeführt werden, wobei der erhaltene Drallwinkel ß gemittelt werden kann. Außerdem lässt sich das Verfahren auf Linien 4 mit lokal nicht konstanter Steigung erweitern.
Es ist des Weiteren möglich, die Drallstruktur 3 gemäß Figur 6 anhand einer schraubenförmigen Linie 4 abzutasten, wobei die Schraubenlinie, wie in Figur 6 veranschaulicht, wiederum eine Umfangskomponente 5 und eine Axialkomponente 6 aufweist. Aus dem Phasenversatz der Welligkeiten der einzel- nen Windungen 22, 23 lässt sich das Vorzeichen des Drallwinkels ß bestimmen. Damit ist zunächst festgelegt, ob die Linie 4 und die Drallstruktur 3 gleich oder gegensinnig angeordnet sind. Des Weiteren kann vorausgesetzt werden, dass die Anzahl der Wellenberge und Wellentäler auf einer Windung, beispiels- weise der Windung 22, gleich der Summe der Wellenberge und Wellentäler sind, die auf der Umfangskomponente 5 sowie auf der Axialkomponente 6 zu verzeichnen wären, wenn diese gemessen würden. Mit Hilfe des zuvor ermittelten Phasenversatzes zwischen den Welligkeiten benachbarter Windungen 22, 23 kann auch der Drallwinkel ß bestimmt werden. Die Bestimmung des
Phasenversatzes ist besonders einfach, wenn der Abstand zwischen den Windungen 22, 23, anders als in Figur 6 dargestellt, so gering ist, dass das Abtasttheorem erfüllt ist, d.h. der Phasenversatz zwischen benachbarten Windungen klei- ner als eine entlang der Linie 4 gemessene Wellenlänge der geschnittenen Drallstruktur 3 ist. In dem in Figur 6 dargestellten Fall des größeren Windungsabstands kann der Phasenversatz evtl. durch eine Korrelationsanalyse des Verlaufs der Messwerte zwischen benachbarten Windungen 22, 23 ermittelt werden .
Figur 7 veranschaulicht eine einfache Vorrichtung 24 zur Durchführung der vorbeschriebenen Messung. Die Vorrichtung 24 weist beispielsweise eine Einrichtung zum Drehen des Werkstücks in Form eines Drehtischs 25 und eine Positioniereinrichtung 26 auf, mit der ein Taster 27 wenigstens in Richtung der von dem Drehtisch 25 vorgegebenen Drehachse drehbar ist, die mit der Achse 2 übereinstimmt. Der Taster 27 kann beispielsweise ein mechanischer Taster sein, wie er als Rauheitstaster bekannt ist. Mit dieser Vorrichtung 24 lässt sich nach genauer Ausrichtung der Achse 2 des Werkstücks auf die Drehachse des Drehtischs die Werkstückoberfläche entlang der Linie 4 abtasten. Dabei kann jede Linie 4 nach einer der Figuren 2 bis 6 sowie abweichend beispielsweise in Form von über die Mantelfläche der Werkstückoberfläche verteilter Sinuskurven abgetastet werden.
Der Taster 27 ist beispielsweise ein mechanischer Taster mit einer Diamantnadel , deren Spitze einen Rundungsradius aufweist, der geringer ist als die Breite der abzutastenden Riefen. Bevorzugterweise werden jedoch optische Taster 27 verwendet, wie sie in Figur 8 oder Figur 9 schematisch ver- anschaulicht sind. Der Taster 27 nach Figur 8 ist als Weiß- lichtinterferometer ausgebildet. Er weist eine Lichtquelle 28 mit geringer Kohärenzlänge auf, die über einen z.B. aus Lichtleitfasern 29, 30, 31 bestehenden Lichtweg und ein Objektiv 32 die Werkstückoberfläche 33 beleuchtet. In dem Lichtweg vorgesehene Faserkoppler 34, 35 schließen einen Referenzlichtweg 36 und ein Interferometer 37 an. In dem Inter- ferometer werden Messlichtstrahl und Referenzlichtstrahl überlagert und beispielsweise über eine Zylinderlinse 38 auf einen linearen Sensor 39 projiziert. Eine Auswerteeinrichtung 40 wertet das entstandene Interferenzmuster aus. Seine Position ist ein Maß für den Abstand des Objektivs 32 von dem jeweils angetasteten Punkt der Werkstückoberfläche 33.
Figur 9 veranschaulicht den Taster 27 in seiner Ausführungsform, beispielsweise als konfokales Mikroskop. In der veranschaulichten vorteilhaften Ausführungsform arbeitet es mit erhöhter Tiefenschärfe durch Nutzung mehrfarbigen Lichts und eines Objektivs 42 mit hoher chromatischer Aberration. Auf der optischen Achse 42 findet sich eine Brennlinie mit einer Folge farbiger Brennpunkte. An den Lichtweg ist über den Phaserkoppler 34 eine Auswerteeinrichtung mit einem Farb- analysator angeschlossen. Dieser kann, wie schematisch veranschaulicht, beispielsweise aus einem Prisma 43 und einem angeschlossenen Liniensensor 44 bestehen, der mit der Auswerteeinrichtung 40 verbunden ist. Das Licht der Farbe, deren Brennpunkt auf der Werkstückoberfläche 33 liegt, wird in den Taster 27 zurückgestrahlt und entsprechend der Lichtfarbe von dem Prisma 43 abgelenkt. Der Liniensensor 44, beispielsweise eine Linienkamera, erhält somit nur auf einem oder mehreren Pixeln Licht, wobei der Mittelpunkt des beleuchteten Flecks ein Maß für den Abstand zwischen der Werkstückoberfläche 33 und dem Objektiv 41 ist.
Beide Taster 27 nach Figur 8 und 9 arbeiten schnell, so dass das Werkstück entlang der Linie 4 mit hoher Geschwindigkeit abgetastet werden kann. Es können in kurzer Messzeit von einigen Sekunden bis Minuten große Teile der Werkstückoberfläche vermessen werden. Die Messung liefert nicht nur den Drallwinkel ß und gegebenenfalls die Gängezahl z sondern bedarfsweise auch die Tiefe der Drallstruktur 3, gemessen in Richtung der R-Koordinate . Figur 11 veranschaulicht eine adaptive Strategie zur Festlegung einer Linie 4 zur Abtastung des Werkstücks und gegebenenfalls zur Drallermittlung. Die Strategie geht im einfachsten Fall davon aus, dass es eine Linie 4 gibt, die für die vollständige Abtastung des Dralls am besten geeignet ist. Diese Linie kann beispielsweise eine Schraubenlinie sein, deren Neigung adaptiv festgelegt werden kann. Dies kann erfolgen, indem die Messung beispielsweise auf einer Schraubenlinie mit einer ersten Steigung beginnt und der Steigungs- winkel während der Messung variiert wird. Die Variation kann erfolgen, indem der Steigungswinkel beispielsweise stufenweise erhöht wird. Die Messung kann dann mit demjenigen Steigungswinkel weiter fortgeführt und abgeschlossen werden, bei dem sich die gesuchten Drallparameter am besten berechnen lassen.
Bei einem vereinfachten Verfahren wird lediglich zwischen zwei Steigungswinkeln (z.B. 0° und 90°) unterschieden. Dazu wird z.B. an der auf Drall zu untersuchenden Mantelflä- che eines Werkstücks an zwei einander gegenüber liegenden
Mantellinien möglichst großer Länge sowie an zwei Kreisprofilen an dieser Mantelfläche mit möglichst kleinem Messpunkt- abstand eine Messung durchgeführt . Die Linie 4 besteht somit aus zwei Kreisbögen oder zwei Kreisringen und zwei Geraden (Mantellinien) . So werden vier Profile gewonnen. Ein entsprechendes Messprogramm entscheidet dann anhand der in den vier Profilen vorhandenen dominanten Welligkeiten, ob die nachfolgende gültige Messung an Mantellinien oder Kreisen durchgeführt werden soll und wie groß dabei der Messpunktabstand sein darf. Genügt eine der bereits durchgeführten Abtastungen den sich ergebenden Anforderungen kann die durchgeführte Probemessung schon als endgültige Messung dienen. Weiter veranschaulicht Figur 11 eine adaptive Strategie zur Festlegung einer Linie 4. In Stufe 1 besteht diese, wie beschrieben, aus zwei Mantellinien (Vertikalen im linken oberen Teilbild) und zwei Kreislinien (Horizontalen im linken oberen Teilbild) . Das Messprogramm, bestimmt in einer zweiten Stufe (oben Mitte) aus diesen Messungen die dominanten Welligkeiten. Sind diese gleich, können die drei Parameter berechnet werden. Falls nicht, wird in einem dritten Schritt (oben rechts) eine Verfeinerungsmessung durchgeführt. Dabei werden zwischen den beiden bereits gemessenen Mantellinien zumindest eine vorzugsweise zwei weitere Mantellinien gemessen. Außerdem kann eine weitere vorzugsweise etwa mittig zwischen den beiden Kreislinien liegende Linie vermessen werden. In einem vierten Schritt (rechts unten) wird geprüft, ob die ermittelten dominanten Welligkeiten gleich sind. Falls ja, werden die Drallparameter berechnet. Falls nein, wird in Schritt 5 eine weitere Verfeinerungsmessung durchgeführt, indem auf weiteren Mantellinien und Kreislinien Messungen durchgeführt werden. Wiederum werden die dominanten Wellig- keiten auf allen Linien (Kreisen und Mantellinien) ermittelt und, falls diese gleich sind, die Drallparameter berechnet. Falls nicht, kann das" Programm abbrechen und eine entsprechende Fehlermeldung ausgeben. Es ist auch möglich, eine weitere Verfeinerung nach obigem Schema durchzuführen bis schlussendlich eine gültige Messung erreicht wird.
Die in den verschiedenen Stufen 1, 3 und 5 sowie gegebenenfalls weiter verfeinerten Messstufen durchgeführten Messungen können mit konstantem einheitlichen Messpunktabstand durchgeführt werden. Es ist auch möglich, die Messpunktab- stände von Stufe zu Stufe zu verringern, um die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen, mit möglichst wenig Abtastlinien eine gültige präzise Messung zu erreichen. Eine weitere adaptive Messstrategie ist in Figur 12 veranschaulicht. Es handelt sich dabei um eine kombinierte He- lixmessung mit adaptiver Strategie. Bei der Durchführung des Verfahrens durch ein entsprechendes Messprogramm wird den in Figur 12 aufgezeigten Schritten in der angegebenen Reihenfolge gefolgt. Dazu werden zunächst eine beliebige Anzahl n Kreise um einen Umfang von vorzugsweise C=360° mit einer Schrittweite, d.h. einem Messpunktabstand Δz gescannt. Nachfolgend werden eine bestimmte Anzahl m Mantellinien mit einem gleichen oder anderen Messpunkt'abstand Δz gescannt. Die Mantellinien sind um einen Winkel von Δc voneinander beabstandet.
Daraus wird die Achse eines Referenzzylinders berechnet. Es werden dann in dem Schritt „Rechnerisches Zentrieren des i-ten Kreises auf die Zylinderachse" die gemessenen Kreise rechnerisch zu der Zylinderachse zentriert. Dann werden in dem Schritt „Rechnerisches Abwickeln des i-ten Kreises in i- te Mantellinie" die gemessenen Kreise und Mantellinien in eine Ebene übertragen, wie sie beispielsweise in Figur 11 in Schritt 1, 3 oder 5 dargestellt ist. Dann wird in dem Schritt ,,WD1-PrOfH aus i-ter Mantellinie extrahieren" eine dominante Welligkeit bestimmt. In dem Schritt „Wellenlänge WDSm1 zugehörige Wellenzahl f±" wird für jede Kreislinie i und jede zu- geordnete Mantellinie die zugehörige Wellenlänge bestimmt.
Im nächsten Schritt „Häufigste Wellenzahl f aus Wellenzahlen fi" wird die in allen Wellenzahlen f± am häufigsten auftretende Wellenzahl bestimmt.
Im nächsten Schritt „Gängigkeit DG mit DG=f" wird die Anzahl der „Gewindegänge" berechnet, die in dem Welligkeits- profil entsprechend der Wellenzahl f enthalten sind. Nach der insoweit durchgeführten Auswertung der Mess- werte, die auf den zu der Linie 4 gehörigen Kreislinien gewonnen worden sind, werden die auf den Mantellinien gewonnenen oder zu gewinnenden Messwerte ausgewertet. Die Mantelli- nien gehören dabei ebenfalls zu der kombinierten Linie 4. Zunächst wird (optional) die Achse des Referenzzylinders nochmals berechnet und es wird jede Mantellinie in dem Schritt „Rechnerisches Ausrichten der i-ten Mantellinie parallel zur Zylinderachse" entsprechend ausgerichtet. Damit können Parallelitätsfehler zwischen Mantellinie und Zylinderachse bei leicht konischem Werkstücken ausgeglichen werden, die ansonsten zu Messfehlern oder Werteüberläufen in entsprechenden Messeinrichtungen oder Berechnungsprogrammen führen könnten. Danach wird in dem Schritt ,,WD1-PrOfU aus i-ter Man- tellinie extrahieren" aus jeder Mantellinie das WD-Profil extrahiert. Daraus wird in dem Schritt „Wellenlänge WDSm1" für jede Mantellänge die Wellenlänge ermittelt.
Es werden nun aus den auf den Kreislinien und den auf den Mantellinien ermittelten Wellenlängen die am häufigsten auftretenden Wellenlängen ermittelt. Dazu dient der Schritt „häufigste Wellenlänge WDSm aus Wellenlängen WDSm1". Aus der ermittelten Wellenlänge WDSm kann die axiale Periodenlänge DP bestimmt werden. Dazu dient der Schritt „axiale Periodenlänge DP mit DP=WDSm". Das Verfahren ist selbstadaptiv, weil es unter Zugrundelegung der Kreisabtastlinie und der Mantelabtastlinie die Wellenlänge automatisch ermittelt. Ob die Wellenlänge dabei anhand der von den Kreislinien oder anhand der von den Mantellinien stammenden Messwertgruppe oder anhand von beiden Messwertgruppen bestimmt wird ergibt sich automatisch.
Es können sich weitere Auswerteschritte anschließen. Beispielsweise können in den nachfolgenden Schritten die Am- plitude und die Phase der Wellenlänge WDSm, die Dralltiefe, der Werkstückdurchmesser, der Werkstückumfang usw. berechnet werden. Das insoweit beschriebene Messverfahren nach Figur 12 kann als Messverfahren in die adaptive Strategie nach Figur 11 integriert werden. Es ist außerdem nicht auf die Messung auf Kreislinien und Mantellinien beschränkt. Vielmehr kann es auch auf Linienabschnitten durchgeführt werden, die unterschiedliche Steigungswinkel aufweisen. Außerdem kann die Auswertung nicht nur für die vorhandene Welligkeit erster Domi- nanz sondern auch für die evtl. vorhandene Welligkeit zweiter Dominanz durchgeführt werden, womit die Drallparameter nicht nur für die erste Dominanz sondern auch für die zweite Dominanz bestimmbar sind. Ist hingegen die dominante Wellenlänge WDSm der einzelnen Mantellinien nicht gleich, kann kein Drall nachgewiesen werden.
Zur Drallmessung, beispielsweise mittels Formmessgeräten oder Koordinatenmessgeräten oder ähnlichen Messgeräten, wird die Werkstückoberfläche vorzugsweise entlang einer Schrauben- linie kleiner Ganghöhe durch koordinierte Messbewegung mit einer drehenden Komponente (Umfangskomponente) und einer linearen Komponente (Axialkomponente) bewegt. Es werden dabei gleichzeitig Messpunkte auf der Werkstückoberfläche dreidimensional erfasst . Die Antastung der Werkstückoberfläche kann mechanisch oder berührungslos erfolgen. Die Messung gestattet auf einfache, robuste und sichere Weise die Bestimmung von den drallkennzeichnenden Größen einschließlich auch der Tiefe der zu vermessenden Drallstruktur 3.

Claims

Patentansprüche :
1. Verfahren zur Drallmessung an Werkstückoberflächen, die Oberflächenstrukturen (3), insbesondere Bearbeitungs- spuren, mit einem Drall in Bezug auf eine Achse (2) aufweisen,
bei dem die Werkstückoberfläche zur Gewinnung von Mess- werten entlang einer zumindest Linie (4) abgetastet wird, die eine Axialkomponente (6) parallel zu der Achse (2) sowie eine Umfangskomponente (5) in Umfangsrichtung zu der Achse (2) aufweist,
wonach aus den Messwerten zumindest eine den Drall kenn- zeichnende Größe bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die den Drall kennzeichnende Größe der Drallwinkel (ß) ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die den Drall kennzeichnende Größe die Gängigkeit (z) ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstückoberfläche zusätzlich an wenigstens einer Stelle (17b) abgetastet wird, die einem Abschnitt (17a) der Linie (4) benachbart ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass aus der zusätzlich vorgenommenen Abtastung das Vorzeichen des Drallwinkels (ß) bestimmt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Linie (4) mehrere Kreisschnitte umfasst.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Linie (4) zumindest einen Abschnitt (17a) aufweist, der parallel zu der Achse (2) orientiert ist und die Axialkomponente (6) der Line (4) bildet.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Linie (4) zumindest einen Abschnitt (16b) aufweist, der in Umfangsrichtung orientiert ist und die Umfangs- komponente (5) der Linie (4) bildet.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Linie (4) wenigstens einen Abschnitt (20, 21) aufweist, der zu der Umfangsrichtung (5) in einem spitzen Winkel orientiert ist.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der spitze Winkel wenigstens innerhalb des Abschnittes konstant ist .
11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Linie (4) in der ebenen Abwicklung der Werkstücko- berflache wenigstens abschnittsweise eine Gerade ist.
12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Linie wenigstens zwei Abschnitte gemäß wenigstens zwei der Ansprüche 6 bis 10 aufweist.
13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zu den Messwerten Punkte (r, y, φ) gehören, die durch einen Radiuskoordinatenwert (r) , einen Axialkoordinaten- wert (y) und einen Winkelkoordinatenwert (φ) festgelegt sind.
14. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen zwei einander benachbarten Punkten (rn, Yn, cpn; rn+1, yn+1, <pn+1) der Messwerte geringer ist als die halbe zu erwartende Wellenlänge der den Drall aufweisenden Oberflächenstruktur.
15. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen zwei einander benachbarten Punkten (rn, yn, φn; rn+1, yn+1, φn+1) der Messwerte geringer ist als die halbe in der jeweiligen Messrichtung zu erwartende Wellenlänge der den Drall aufweisenden Oberflächenstruk- tur.
16. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Axialkomponente (6) und die Umfangskomponente (5) aus einem Abschnitt der Linie (4) bestimmt werden, der in Bezug auf die Achse (2) eine Steigung aufweist.
17. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastung der Werkstückoberfläche zur Gewinnung der Messwerte durch mechanische Antastung mit einer Tast- spitze oder mit einer nichtberührenden Tasteinrichtung (27) erfolgt.
18. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Linie (4) zur Abtastung der Werkstückoberfläche zur Gewinnung der Messwerte adaptiv festgelegt wird.
19. Vorrichtung (24) zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 , mit einer Aufnahmeeinrichtung (25) zur Aufnahme das Werkstücks konzentrisch zu der Achse (2) ,
mit einer Einrichtung (27) zur Aufnahme von Messwerten entlang der Linie (4) und
mit einer Einrichtung (40) zur Bestimmung wenigstens des Betrags des Drallwinkels ß anhand der aufgenommenen Messwerte .
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (27) zur Aufnahme der Messwerte eine mechanische Tasteinrichtung ist .
21. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (27) zur Aufnahme der Messwerte ein Lichtmikroskop ist.
22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (27) zur Aufnahme der Messwerte ein konfokales Mikroskop ist.
23. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (27) zur Aufnahme der Messwerte ein Weißlicht-Interferenzmikroskop ist.
24. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (27) dazu eingerichtet ist, die Länge und/oder den Verlauf der Linie (4) adaptiv fest- zulegen.
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