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Dokumentenidentifikation DE69813937T2 11.03.2004
EP-Veröffentlichungsnummer 0000863380
Titel Verfahren zum Messen von Oberflächenrauheit mittels einer fiberoptischen Probe
Anmelder Mitutoyo Corp., Kawasaki, Kanagawa, JP
Erfinder Yamazaki, Dr., Kazuo, California, US
Vertreter Patent- und Rechtsanwälte Bardehle, Pagenberg, Dost, Altenburg, Geissler, 81679 München
DE-Aktenzeichen 69813937
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 06.02.1998
EP-Aktenzeichen 981020829
EP-Offenlegungsdatum 09.09.1998
EP date of grant 02.05.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 11.03.2004
IPC-Hauptklasse G01B 11/30

Beschreibung[de]
HINTERGRUND DER ERFINDUNG Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Oberflächenrauigkeitsmessung unter Verwendung einer Lichtleitfaser-Sonde, genauer auf ein effektives Verfahren zur Online-Oberflächenrauhigkeits-Überwachung in verschiedenen Bearbeitungsprozessen.

Stand der Technik

Oberflächenrauigkeitsüberwachung ist ein wichtiger Aspekt der Qualitätssicherung von Herstellungsprozessen. Daneben kann Oberflächenrauigkeit auch verwendet werden als ein Indikator zum Diagnostizieren von Verschleißfaktoren, wie Werkzeugverschleiß und ebenso wie Schwingungen eines Bearbeitungsprozesses.

Die neueste Entwicklung von Bearbeitungswerkzeugen erreicht höhere Genauigkeit und höhere Produktivität durch Nutzen von hoher Geschwindigkeit und intelligenten Funktionen. Dies erlaubt einen integrierteren Bearbeitungsvorgang in einem einzelnen Prozess mit kürzerer Bearbeitungszeit. Da hochentwickelte Geometrie in einer kurzen Zeit maschinell hergestellt werden kann, ist es wichtig, die Qualität des maschinell hergestellten Werkstücks zu überprüfen und den Bearbeitungsprozess direkt nachdem das Werkstück vom Bearbeitungsprozess herauskommt und bevor es zum nächsten Prozess geht, zu prüfen. Um eine zeiteffiziente Produktion zu realisieren und eine Qualitätskontrolle durchzuführen während des Einhaltens der höchstmöglichen Produktivität, auf einer hohen Geschwindigkeit, ist ein Qualitätsüberwachungssystem online oder innerhalb des Prozesses entscheidend.

Von diesem Standpunkt aus wird ein Lichtleitfaser-basiertes kontaktloses Oberflächenrauigkeitsmessungsverfahren vorgeschlagen, welches einfach ist, schnell und einfach zu implementieren ist, und um Online-Messung einfach durchzuführen.

Das Lichtleitfaser-Verfahren wurde vorgeschlagen von A. W. Domanski, M. A. Karpierz et al. im Jahre 1986 (A. W. Domanski, M. A. Karpierz, T. J. Rzysko, 1986, The method of surface roughness measurement with application of optical fibers, SPIE, Bd. 670, Optical Fibers and Their Application N, 119–122). In deren System sollte Licht von einer Diode mit geringer Kohärenz in eine Multimode-Faser gekoppelt werden, wobei eine detektierende Multimode-Faser symmetrisch gehalten wird. Basierend auf einigen Annahmen, wie eine bestimmte Art eines Oberflächenmodells etc., und einiger Vereinfachungen, kann eine einfache Beziehung zwischen der Intensität des Streulichts und bestimmter Rauhigkeitsparameter, wie ein RMS-Rauhigkeitskoeffizient Rq, theoretisch und experimentell erlangt werden.

Im gleichen Jahr schlugen A. W. Domanski, W. Ejehart et al. ein anderes Lichtleitfaser-Verfahren vor (A. W. Domanski, W. Ejehart et al., 1986, The fiber-optic instrument for extremely small roughness measurement, SPIE, Bd. 670, Optical Fibers and Their Applications N, 116–118). Dieses Verfahren arbeitet im Bereich einer durchschnittlichen Profilabweichung 20 nm < Ra < 150 nm. In diesem Verfahren wird Licht durch die Faser an die Oberfläche geleitet und wird durch eine andere Faser analysiert, welche in einer Brennebene der Linse fixiert ist. Dieses Verfahren wird verwendet, um die Grundplatte in mikroelektronischen Halbleitertechniken zu überprüfen. Da die Amplitude des gemessenen Signals sehr von den Reflexionseigenschaften des Materials, aus dem die Oberfläche gemacht ist, abhängt, wird eine Kalibrierung benötigt.

Im Jahr 1989 schlugen A. W. Domanski, T. R. Wolinski et al. ein Lichtleitfaser-Oberflächenrauigkeitsmessungsverfahren vor, welches auf Messungen der Polarisation basiert (A. W. Domanski, T. R. Wolinski et al., 1989, Fiber-optic surface roughness sensor based on polarization measurements, SPIE, Bd. 1169, Fiber Optic Laser Sensors VII, 558–566).

Clive Butler und Gregorios Gregoriou schlugen im Jahr 1992 einen Lichtleitfasersensor für eine Oberflächen-Topographiemessung vor (Clive & Gregorios Grigoriou, 1992, A novel non-contact sensor for surface topography measurement using a fiber-optic principle, Sensors and Actuators A. 31 (1992) 68–72) und berichteten im Jahr 1994 über die Leistungsevolution des Sensors (Clive & Gregorios Grigoriou, 1994, Performance evaluation of a novel non-contact fiber-optic triggering probe for surface-topography measurement, Sensors and Actuators A. 41–42 (1994) 98–101). In diesem System wird ein Strahl, welcher durch eine Laserdiode an der Seitenfläche emittiert wird, aufgeteilt durch einen Strahlteiler und auf die Probenoberfläche als ein 150 &mgr;m-Fleck unter Verwendung einer Linse gerichtet. Licht, welches von der Oberfläche reflektiert wird, läuft durch einen Strahlteiler und wird an einem Faserbündel gesammelt. Die Korrelation zwischen der detektierten Lichtintensität und der Entfernung von der Brennebene des Sensors zur gemessenen Oberfläche kann erlangt werden.

Ein theoretisches Modell dieses Verfahrens basiert auf der geometrischen Optik einer Linse. Dieses Verfahren wird verwendet, um die Oberflächen von Nylon, Acrylharz und verschiedener anderer Materialien zu messen, aber sie haben nur Oberflächen-Stufenhöhen von ungefähr 500 &mgr;m gemessen und keine anderen Oberflächenrauigkeitsparameter waren beteiligt.

Es wurde berichtet, dass das Verwenden eines Lichtleitfaser-Sensors, um das Beugungsbild einer Oberflächen-bearbeiteten Probe zu beobachten, eine einfache Identifikation einer bearbeiteten Oberfläche ermöglicht (Shetty, D. und Neault, H., 1993, Method and Apparatus for Surface Roughness Measurement Using Laser Diffraction Pattern, US-Patent Nr. 5 189 490).

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist ein Ziel der Erfindung, ein Verfahren zur Oberflächenrauigkeitsmessung bereitzustellen, welches die Überwachung einer Oberflächenrauigkeit ermöglicht, unbeeinflusst durch die Orientierung der Struktur der bearbeiteten Oberfläche, unter Nutzung einer einfachen und günstigen Lichtleitfaser-Sonde, und insbesondere solch ein Verfahren, welches vorteilhaft auf eine Online-Messung des Bearbeitungsprozesses angewandt werden kann.

Das Verfahren der Oberflächenrauigkeitsmessung unter Verwendung einer Lichtleitfaser-Sonde gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei die Sonde mindestens einen Sensorkopf hat, welcher aufgebaut ist aus einer lichtemittierenden Faser und mehrfachen lichtempfangenden Fasern, welche koaxial zur lichtemittierenden Faser angeordnet sind, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: (a) Richten eines Lichtstrahls vom Sensorkopf auf jedes von mehreren Referenzmustern, welche bearbeitet werden unter einer Vielzahl von verschiedenen Verarbeitungsbedingungen, und Vormessen einer ersten Korrelation zwischen einer detektierten Intensität und einem Spaltabstand für jedes der Referenzmuster, wobei die detektierte Intensität definiert ist als eine Summe von Ausgaben der lichtempfangenden Fasern, wobei der Spaltabstand definiert ist als ein Abstand zwischen dem Sensorkopf und einer Oberfläche des Referenzmusters; (b) Suchen einer zweiten Korrelation zwischen einer maximalen Intensität, welche definiert ist als eine Spitze der detektierten Intensität in einem vorbestimmten Bereich des Spaltabstands und einer Oberflächenrauigkeit, basierend auf der ersten Korrelation, welche in Schritt (a) erhalten wurde, und Speichern der zweiten Korrelation in einem Speicher; (c) Anpassen des Spaltabstands, um die Sonde in einer Position einzurichten, in welcher die maximale Intensität erhalten wird, basierend auf der ersten Korrelation für das Referenzmuster, welches unter den Verarbeitungsbedingungen bearbeitet wurde, welche überwacht werden sollen; und (d) Überwachen einer detektierten Intensität, welche beim Spaltabstand erhalten wurde, welcher in Schritt (c) für das zu messende Muster eingestellt wurde, und Bestimmen von dessen Oberflächenrauigkeit, basierend auf der zweiten Korrelation, welche im voraus im Speicher gespeichert wurde.

In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird hier ein berührungsloses Verfahren zur Oberflächenrauigkeitsmessung unter Verwendung einer Lichtleitfaser-Sonde erlangt. Eine Standard-Oberfläche und eine bearbeitete Oberfläche wurden verwendet, um die Effektivität der Erfindung zu bestätigen, und eine gute Korrelation wurde erlangt zwischen der detektierten Lichtintensität und der Oberflächenrauigkeit. Die Schlussfolgerung war, dass das Verfahren dieser Erfindung genauso effektiv ist, wie ein Online-Oberflächenrauigkeitsüberwachungsverfahren, welches auf ein Produktionsbearbeitungssystem, wie ein CNC-Bearbeitungszentrum, anwendbar ist.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1A und 1B sind eine Schnittansicht und eine Bodenansicht einer Lichtleitfaser-Sonde 1, welche in einer Ausführungsform dieser Erfindung verwendet wird;

2A und 2B sind eine Schnittansicht von vorn und eine Bodenansicht des Sensorkopfes der gleichen Sonde;

3 zeigt ein Messsystem dieser Ausführungsform;

4A, 4B und 4C zeigen Reflexionsmodi von verschiedenen Musteroberflächen;

5A, 5B und 5C zeigen eine elliptische Verteilung von gestreutem reflektierten Licht;

6 zeigt die Beziehung zwischen dem beleuchtenden Strahl und der Verteilung der Intensität des reflektierten Lichts;

7A und 7B zeigen ein Messverfahren zum Messen der Intensität von reflektiertem Licht;

8 zeigt das Prinzip der Detektion der Intensität von reflektiertem Licht;

9 zeigt die Korrelation zwischen der detektierten Intensität und der elliptischen Verteilung;

10 zeigt die Orientierung einer Oberflächenstruktur;

11A und 11B zeigen die Beziehung zwischen einer detektierten Intensität und einem Spaltabstand mit der Orientierung der Oberflächenstruktur als ein Parameter;

12A bis 12D zeigen Profile, welche mit einer Oberflächenrauigkeitsmessvorrichtung gemessen wurden in Bezug auf flache geschliffene Flächen;

13 zeigt die Beziehung zwischen der Intensität, welche durch den Sensorkopf detektiert wird, und dem Spaltabstand in Bezug auf die flachen geschliffenen Flächen;

14 zeigt die Korrelation zwischen der maximalen Intensität, welche von 13 erlangt wurde, und dem Spaltabstand;

15A bis 15E zeigen Profile, welche mit einer Oberflächenrauigkeitsmessvorrichtung gemessen wurden, in Bezug auf flache gefräste Flächen;

16 zeigt die Beziehung zwischen der Intensität, welche durch den Sensorkopf detektiert wird, und dem Spaltabstand in Bezug auf die flachen gefrästen Flächen;

17 zeigt die Korrelation zwischen der maximalen Intensität, welche von 16 erlangt wurde, und dem Spaltabstand;

18A bis 18D zeigen Profile, welche mit einer Oberflächenrauigkeitsmessvorrichtung gemessen wurden, in Bezug auf geschliffene kurvige Flächen;

19 zeigt die Beziehung zwischen der Intensität, welche durch den Sensorkopf detektiert wird, und dem Spaltabstand in Bezug auf die geschliffenen kurvigen Flächen;

20 zeigt die Korrelation zwischen der maximalen Intensität, welche von 19 erlangt wurde, und dem Spaltabstand; und

21 zeigt Oberflächenrauigkeitsüberwachungsschritte in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Die 1A und 1B sind eine Schnittansicht und eine Bodenansicht einer Lichtleitfaser-Sonde 1, welche in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Die Sonde 1 ist die gleiche wie die, welche in der Messvorrichtung zum Messen einer dreidimensionalen Form verwendet wird, welche früher durch die Erfinder vorgeschlagen wurde und in US-Patent 5 410 410 offenbart ist. Die Lichtleitfaser-Sonde 1 weist eine Sondenbasis 11 und ein Gehäuse 12 auf, welches als ein Tragkörper für den Anschluss an ein CNC- oder solch ein anderes Bearbeitungswerkzeug dient. Fünf Sensorköpfe 2 sind eingebettet in die Sondenbasis 11. Einer der Sensorköpfe 2 ist in der Mitte der Spitze der Sondenbasis 11 angeordnet, und die anderen vier Sensorköpfe sind mit deren Kopfoberflächen schräg angeordnet, um den zentralen Sensorkopf zu umgeben.

Wie in der Schnittansicht von vorn der 2A und der Bodenansicht der 2B gezeigt, weist jeder Sensorkopf 2 neun Fasern auf, welche in einer Kopfbasis 21 eingebettet sind. Die Faser 22 in der Mitte ist eine lichtemittierende Faser, und hat eine SELFOC-Mikrolinse 23 an ihrer Spitze angebracht. Acht lichtempfangende Fasern 24 sind symmetrisch angeordnet in Bezug auf die emittierende Faser 22 in der Mitte. Die inneren vier empfangenden Fasern 24Ni, 24Si, 24Ei und 24Wi sind auf Zwischenabschnitten zwischen einem Kreis Ci eines Radius Ri und x- und y-Achsen, welche durch die Mitte der Kopfoberfläche laufen, angeordnet, und die äußeren vier empfangenden Fasern 24No, 24So, 24Eo und 24Wo sind auf Zwischenabschnitten zwischen einem Kreis Co eines Radius Ro und den x- und y-Achsen angeordnet. Fasern, welche einen NA von 0,47 haben, werden als die Fasern 22, 24 verwendet. Als Lichtquelle, welche mit der emittierenden Faser 22 gekoppelt ist, wird dort eine kompakte leistungsfähige LED (Wellenlänge: 637 nm) verwendet.

Die Endfläche (emittierendes Ende) der Mikrolinse 23 und die Endflächen (detektierende Enden) der lichtempfangenden Fasern 24 sind auf derselben Ebene ausgerichtet. Die Entfernung Ri zwischen der emittierenden Faser 22 und den inneren empfangenden Fasern 24Ni24Wi sowie die Entfernung Ro zwischen der emittierenden Faser 22 und den äußeren empfangenden Fasern 24No24Wo üben einen großen Effekt auf die Formen der empfangenen Lichtintensität gegenüber der Spaltabstandskurve aus, wie später erklärt werden wird, und dieses bezieht sich direkt auf die dynamischen Charakteristiken des Sensorkopfes. Im gegenwärtig hergestellten Sensorkopf, wobei 2ri = 2,75 mm und 2ro = 5,25 mm, war, während der Durchmesser der lichtempfangenden Fasern 24 0,75 mm war, der der lichtemittierenden Faser 22 0,5 mm und der der Mikrolinse 23 war 1,0 mm.

Die Faserbündel 20 der einzelnen Sensorköpfe 2 werden durch das Gehäuse 12 zur Außenseite geleitet, wie in 1A gezeigt, und mit der Lichtquelle und einem Fotosensor verbunden.

3 zeigt eine Systemkonfiguration zum Durchführen einer Oberflächenrauigkeitsüberwachung. Die lichtemittierende Faser 22 der Lichtleitfaser-Sonde 1 ist gekoppelt mit einer LED 31 und die lichtempfangenden Fasern 24 sind mit einem Fotosensor 32 gekoppelt. Die LED 31 wird durch einen LED-Treiber 33 getrieben, welcher durch einen Rechner 36 gesteuert wird. Die Ausgabe des Fotosensors 32 wird verstärkt, einem Filtern und anderen solchen Prozessen durch einen Signalprozessor 34 unterzogen, in digitale Daten durch einen A/D-Wandler 35 konvertiert, und in den Rechner 36 eingegeben. Wenn die Lichtleitfaser-Sonde 1 mit einem Rechner-gesteuerten Bearbeitungswerkzeug verbunden ist, ist der Rechner 36 der Steuerrechner des Bearbeitungswerkzeugs.

In der vorliegenden Erfindung wird die Überwachung der Oberflächenrauigkeit durchgeführ durch Detektieren der Intensität des reflektierten Lichts von der Oberfläche, welches zu messen ist unter Verwendung der Lichtleitfaser-Sonde 1. Obwohl die Sonde 1 der 1 mit mehrfachen Sensorköpfen 2 für den Zweck des Messens einer dreidimensionalen Form ausgestattet ist, kann die Überwachung der Oberflächenrauigkeit einer einzelnen Oberfläche durch Verwendung nur eines einzigen Sensorkopfs durchgeführt werden, d. h. durch den einen in der Mitte. Das Prinzip der Überwachung der Oberflächenrauigkeit unter Verwendung eines einzelnen Sensorkopfs wird nun im Detail erklärt werden.

Die Intensität des reflektierten Lichts hängt gewöhnlich von verschiedenen Faktoren ab, wie die Reflektivität und Rauigkeit der Oberfläche, der Orientierung der Oberflächenstruktur und ähnlichem. Bezüglich der bearbeiteten Oberfläche eines bestimmten Musters wird die Intensität des reflektierten Lichts hauptsächlich durch den Bearbeitungsprozess, die Rauigkeit der Oberfläche und die Orientierung der Struktur beeinflusst. Im Allgemeinen sollte die Streuung von einer Oberfläche unter Verwendung der Vektorstreuungstheorie behandelt werden, aber unglücklicherweise sind die Vektorverfahren extrem mühsam und neigen zu Missinterpretation. Es gibt hier zwei mögliche Alternativen. Eine ist die Skalar-Theorie, die andere basiert auf geometrischer Optik. Falls die Oberflächenrauigkeit sehr viel geringer ist als die Wellenlänge des einfallenden Lichts, kann die geometrische Optik angepasst werden. Die 4A4C zeigen drei verschiedene Typen von Oberflächenstreuung: (a) Reflexion von einer spiegelnden Oberfläche ohne Streuung, (b) Streuung von einer diffusen Oberfläche und (c) Streuung von einer Oberfläche, welche eine Mischung einer spiegelnden und einer diffusen Oberfläche ist.

Für die meisten technischen Oberflächen ist die Rauigkeit größer als die Wellenlänge der einfallenden Lichtquelle für solche Art der Messung, wobei die ganze Oberfläche nicht als eine geometrisch glatte Oberfläche behandelt werden kann. Dennoch kann solch eine Oberfläche als eine Kombination einer Anzahl von kleinen Facetten behandelt werden, und für jede Facette wird der Kanteneffekt bei anwendbarer bereitgestellter geometrischer Optik ignoriert. Dennoch ist das Facettenverfahren nicht einfach, da die quantitative Beziehung zwischen der Intensität von reflektiertem Licht und der Oberflächenrauigkeit schwierig zu erlangen ist, da beide, Höhe und Neigungsinformation jeder Facette involviert sind.

Deshalb werden in unserem Ansatz die folgenden Annahmen gemacht:

  • (1) Die Verteilung der Lichtintensität, welche von einer Oberfläche reflektiert wird, wird durch eine Ellipse approximiert.
  • (2) Die Intensität des gesamt einfallenden Lichts wird approximiert durch das Gebiet der Ellipse und die Streuungseigenschaft wird repräsentiert durch die Form der Ellipse, z. B. durch das Verhältnis der Halbachsen a, b der Ellipse, so dass, wie in 5A5C gezeigt, je größer das Verhältnis a/b ist, desto glatter ist die Oberfläche.
  • (3) Die Streueigenschaft wird vollständig bestimmt durch die Oberflächenrauigkeit und die Orientierung der Struktur für das gleiche Material und den gleichen Bearbeitungsprozess.
  • (4) Basierend auf den obigen drei Annahmen kann die Oberfläche als eine geometrisch glatte Oberfläche behandelt werden.

Mit den obigen vier Annahmen kann die Intensität des reflektierten Lichts bezogen werden auf die Oberflächenrauigkeit der Oberfläche, welche zu messen ist.

Die Ellipsen von verschiedenen Formen, welche in 5A5C gezeigt sind, können durch ein Simulationsmodell gemäß den obigen Annahmen und einer Korrelation zwischen der Oberflächenrauigkeit und dem Verhältnis der Halbachsen a, b hergestellt werden.

Wie in 6 gezeigt, ist der Strahl 61, welcher von der Linse 23 des Sensorkopfs 2 emittiert wird, von konischer Form und alle Strahlen des Strahls 61 werden von der Oberfläche 63 reflektiert, um gemessen zu werden, und bilden eine Verteilung einer Reflexionsintensität einer Ellipse 62 aus, basierend auf den obigen Annahmen.

Eine experimentelle Gleichung, welche die Strahlintensität I (x, z) repräsentiert, wurde erhalten als die folgende Gleichung (1) von gemessenen Ergebnissen, welche in den 7A und 7B gezeigt ist (Yamazaki, Kee Sein Lee, et al., 1993, Noncontact Probe for Continuous Measurement of Surface Inclinatiort and Position Using Inadiation of Light Beam, Annals of the CIRP, Vol.).

Das Prinzip der Detektion einer Lichtintensität wird in 8 gezeigt. In 8 wird der Lichtempfangsstatus gezeigt mit Bezug auf die zwei lichtempfangenden Fasern 24Ei, 24Eo auf der y-Achse der Kopfoberfläche, wie gezeigt in 2B. Ob reflektiertes Licht durch eine lichtempfangende Faser detektiert wird oder nicht, hängt von dem Faserdurchmesser und dem kritischen Winkel a ab. Die Intensität, welche durch die lichtempfangende Faser detektiert werden kann, wird repräsentiert durch den detektierbaren Bereich in der Ellipse der reflektierten Intensität. Um den detektierbaren Bereich zu bestimmen, müssen wir die schattierten Bereiche in 8 betrachten, welche die Schnittbereiche der Ellipse und der geradlinigen Segmente der empfangenen Fasern sind. Falls ein schattierter Bereich innerhalb des kritischen Winkels a der empfangenden Faser ist, wird der Bereich als detektierbarer Bereich betrachtet und kann verwendet werden für das Simulieren der Intensität des durch den Sensorkopf detektierten Lichts. Der detektierbare Bereich kann unter Verwendung der folgenden Formel (2) berechnet werden:

wobei a und b die Halbachsen der Ellipse der Verteilung der Intensität des reflektierten Lichts sind und gemäß den Reflexionscharakteristika der Oberfläche, welche zu messen ist, gewählt werden können. Das Integral kann unter Verwendung der folgenden Gleichung (3) berechnet werden.

Eine detektierbare Region der Ellipse existiert für jede der acht unabhängigen lichtempfangenden Fasern, und diese werden addiert. Unsere vorherige Arbeit hat gezeigt, dass die Addition der detektierten Bereiche, wie berechnet, und die gegenwärtigen Intensitäten, welche durch jede empfangende Faser detektiert werden, eine sehr enge Übereinstimmung hatten (Y. Yang und K. Yamazaki, 1996, Error Analysis by Simulation for a Fiber Based Non-contact Measurement Probe System, Proceedings of ASPE Annual Meeting, 1996). Vorausgesetzt das Prinzip der Intensität des reflektierten Lichts, welche oben dargelegt ist, wird nun die konkrete Beziehung zwischen Oberflächenrauigkeit, detektierter Intensität, Spaltabstand und ähnlichem, welches die Voraussetzung ist, welche der Überwachung von Oberflächenrauigkeit gemäß der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegt, erklärt. Die Summe der Ausgaben, welche durch die lichtempfangenden Fasern detektiert werden, wenn die zu messende Oberfläche durch Licht vom Sensorkopf beleuchtet wird, wird hiernach einfach als die "detektierte Intensität" bezeichnet werden.

Beziehung zwischen detektierter Intensität und Oberflächenrauigkeit

Die quantitative Beziehung zwischen der durch den Sensorkopf detektierten Intensität und dem durchmesserverhältnis a/b der Ellipse wurde bestimmt durch Simulation unter Verwendung des oben entwickelten Verfahrens. 9 zeigt diese Beziehung.

In 9 kann gesehen werden, dass die detektierte Intensität nicht monoton auf das Verhältnis a/b für den gesamten Bereich des Verhältnisses, welches in der Figur gezeigt ist, bezogen werden kann, jedoch ist sie entweder monoton steigend oder fallend in einigen bestimmten Intervallen des Verhältnisses. Zum Beispiel steigt die detektierte Intensität monoton, wenn das Verhältnis von 0,05 auf ungefähr 1,4 steigt, welches nahe legt, dass eine Korrelation zwischen der detektierten Intensität und der Rauigkeit verwendet werden kann, um die Rauigkeit der Oberfläche des Musters, welche gemessen wird, zu bestimmen. Jedoch impliziert 9 auch, dass das Verfahren der vorliegenden Erfindung für einige Bereiche von Rauigkeitswerten nicht gültig sein könnte.

Beziehung zwischen detektierter Intensität und Orientierung der Oberflächenstruktur

Verschiedene Bearbeitungsprozesse werden verschiedene Strukturen auf der bearbeiteten Oberfläche erzeugen. Normalerweise hängt die Verteilung der Streuintensität vom Streuwinkel ab, und es wird dort größere Streuung in der Richtung der Oberfläche sein, wo die Struktur am rauesten ist. Zum Beispiel werden parallele Rillen in einer bearbeiteten Oberfläche fast alles in rechten Winkeln zur Richtung der Rillen streuen. In anderen Worten sind die bearbeiteten Oberflächen nicht isotrop bezüglich Streuung. In diesem Fall sollte die Orientierung der Struktur betrachtet werden, wenn Oberflächenrauigkeit unter Verwendung von Streuungsverfahren bestimmt wird. In diesem Zusammenhang verwenden wir die Bezeichnung "Orientierung der Oberflächenstruktur", um die relative Winkelposition von zwei Koordinatensystemen xh, yh und xs, ys, wie gezeigt in 10, zu bezeichnen. Das erste System xh-yh ist das Koordinatensystem des Sensorkopfs, wobei der Ursprung an der Mitte des Sensorkopfs angebracht ist, mit seiner z-Achse übereinstimmend mit der longitudinalen Achse des Kopfes. Das zweite System xs-ys ist das Koordinatensystem der Oberfläche des Musters, wobei der Ursprung des Systems an einer Messposition der Oberfläche befestigt ist, mit seiner z-Achse übereinstimmend mit der Normalen der Oberfläche an dem Messpunkt. Offensichtlich ist ein Verfahren, welches unabhängig ist von der Orientierung der Oberflächenstruktur, für eine Online-Überwachung des Bearbeitungsprozesses vorzuziehen.

In dem Verfahren der vorliegenden Erfindung sind im Sensorkopf empfangende Fasern, wobei vier von diesen in Nord-Süd-Richtung angeordnet sind, die anderen vier in Ost-West-Richtung. Für verschiedene Anordnungen der Struktur der Oberfläche ist die Intensität, welche durch jede empfangende Faser detektiert wird, verschieden, jedoch bleibt die Summe der Intensitäten, welche von den Fasern in beiden Richtungen empfangen wird, die gleiche bei gleichem Spaltabstand. 11A und 11B zeigen die Ergebnisse des Spaltabstandes g gegenüber der Kurve der detektierten Intensität gegen Ausrichtungswinkel der Struktur im Bereich von &thgr; = 0° bis 90° für zwei gedrehte Oberflächen. Von 11A und 11B kann gesehen werden, dass der Spitzenwert der detektierten Intensität im Spaltabstand gegenüber der Kurve der Intensität ziemlich genau der gleiche ist für jeden Ausrichtungswinkel von &thgr; = 0° bis 90°. Deshalb kann der Spitzenwert der detektierten Intensität in einem vorbestimmten Bereich des Spaltabstands (hiernach einfach als die "maximale Intensität" bezeichnet) durch den Spaltabstand g und die Rauigkeit der Oberfläche bestimmt werden, unabhängig von der Ausrichtung der Struktur.

Beziehung zwischen detektierter Intensität und Spaltabstand

Die Simulation und die tatsächliche Messung zeigen, dass die detektierte Intensität nicht nur von der Rauigkeit abhängt, sondern auch vom Spaltabstand g zwischen dem Sensorkopf und der Oberfläche, welche zu messen ist. Tatsächlich hat letztere einen größeren Einfluss auf die detektierten Intensitäten. Deshalb sollte, um die detektierte Intensität eindeutig auf die Oberflächenrauigkeit zu beziehen, die Messung mit dem exakten Spaltabstand genommen werden, bei welchem die Referenzmessung durchgeführt wird. Dies wäre in einer praktischen Situation sehr schwierig und neigt dazu, einen Kalibrierfehler einzuführen. Glücklicherweise hat der Sensorkopf das folgende vorteilhafte Merkmal: Obwohl die detektierten Intensitäten bei unterschiedlichen Spaltabständen für die gleiche Oberfläche unterschiedlich sind, ist die maximale Intensität in der Tat einzigartig zur Oberfläche selbst zugeordnet. Für die gleiche Art von Material und die gleiche Art der Bearbeitungsprozedur treten die maximalen Intensitäten immer beim ungefähr gleichen Spaltabstand auf. Der Spaltabstand, welcher der maximalen Intensität zugeordnet ist, beruht primär auf der Reflexivität der Oberfläche. Unsere Experimente zeigten, dass die Spaltabstände hinsichtlich der maximalen Intensität zwischen 3 mm und 5 mm sind für einen großen Bereich der Reflexivität von Oberflächen der Muster.

Daher, wenn einmal die Korrelation zwischen den maximalen Intensitäten und dem Spaltabstand erlangt ist, können diese verwendet werden, um die Rauigkeit der besagten Oberfläche zu bestimmen. In der experimentellen Konfiguration war der Sensorkopf an die Spalte des Koordinatenmessgeräts (Coordinate Measuring Machine – CMM) angebracht, um bewegbar zu sein. Die maximale Intensität kann einfach bestimmt werden durch Messen des Sensorkopfs gegen jeden Spaltabstand während eines Moments.

Beziehung zwischen detektierter Intensität und Rauigkeitswert (durchschnittliche Mittellinienrauigkeit) Ra

Die detektierte Intensität kann sich auf verschiedene Parameter einer Oberflächenrauigkeit beziehen, wie Ra (Durchschnitt des absoluten Wertes der Abweichung zwischen der durchschnittslinie und der gemessenen Kurve), Rq (rms des durchschnitts zwischen der durchschnittslinie und der gemessenen Kurve), Rp (maximale Kantenhöhe) oder ähnliches. In unserer Studie wird eine Beziehung zwischen der detektierten Intensität und der Rauigkeit Ra festgestellt.

12A12D zeigen die Profile von vier flachen Grundflächen (Ra = 0,07, 0,1, 0,2, 0,7), gemessen durch Surftest 501 (Produkt der Mitutoyo Corporation). Die Messbedingungen sind: Grenzwellenlänge &lgr;c = 0,8 &mgr;m; Messzahl × 4; horizontale Multiplikation × 20; und vertikale Multiplikation × 10.000. 13 zeigt die Messkurve der detektierten Intensität gegenüber dem Spaltabstand. 14 ist die Beziehungskurve zwischen der detektierten maximalen Intensität und der Oberflächenrauigkeit Ra.

15A15E zeigen die Profile von fünf flachen gefrästen Musteroberflächen (Ra = 0,98, 2,09, 3,64, 5,46, 6,69), gemessen durch Surftest 501. 16 zeigt die Messkurve der detektierten Intensität gegenüber dem Spaltabstand für diese Musteroberflächen (mit denen für die Fälle von Ra = 2,09, 5,46 weggelassen). 17 ist die Beziehungskurve zwischen der detektierten maximalen Intensität und der Rauigkeit Ra.

18A18D zeigen die Profile von vier geschliffenen kurvigen Flächen von Mustern (Ra = 0,08, 0,29, 0,66, 1,24), gemessen durch Surftest 501. 19 zeigt Messkurven der detektierten Intensität gegenüber Spaltabständen für die Musteroberflächen. 20 ist die Beziehung einer Kurve zwischen der detektierten maximalen Intensität und der Rauigkeit Ra für die geschliffenen kurvigen Flächen der Muster.

Es kann von den obigen Ergebnissen gesehen werden, dass die maximale Intensität mit dem Rauigkeitswert für jeden Typ einer Oberfläche unabhängig von der Bearbeitungsart korreliert. Diese Korrelation kann verwendet werden, um die Rauigkeit einer Oberfläche mit Hilfe einer Vorkalibrierung unter Verwendung der Ergebnisse der Referenzrauigkeitsmessung zu bestimmen.

Basierend auf dem oben beschriebenen Wissen wird die Überwachung der Oberflächenrauigkeit während der Bearbeitung eines gegebenen Musters unter Verwendung eines bestimmten Bearbeitungswerkzeugs durchgeführt wie folgt. Während der eigentlichen Oberflächenüberwachung wird die Kopfoberfläche des Sensorkopfs parallel zur Messoberfläche gehalten. Wie durch US-Patent Nr. 5 410 410 gelehrt, hat der Sensorkopf, welcher in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, die Fähigkeit, die Abweichung vom Parallelen zur Messoberfläche zu detektieren. Deshalb, unter Verwendung dieser Fähigkeit, kann Fertigeinstellung im Fall der Abweichung von der Parallelen einfach gemacht werden.

21 umreißt die Schritte des Überwachens der Oberflächenrauigkeit. Schritte S1 bis S3 sind Kalibierschritte. Im Vormessungsschritt S1 wird die Sonde verwendet, um die Messung in Bezug auf eine Vielzahl von Referenzmustern, welche unter einer Vielzahl von verschiedenen Prozessbedingungen erhalten wurden, durchzuführen, und eine erste Korrelation zwischen dem Spaltabstand und der detektierten Intensität wird für jede gefunden. Wie aus 14, 17 und 20 klar ist, können von diesen Korrelationen dort zweite Korrelationen zwischen maximaler Intensität und dem Wert der Oberflächenrauigkeit erlangt werden, welche sich in der Art der Bearbeitung unterscheiden, und deshalb, in Schritt S2, werden die zweiten Korrelationen der maximalen Intensität gegenüber der Oberflächenrauigkeit gesucht, um in einem Speicher oder ähnlichem gespeichert zu werden.

Als nächstes, im Spalteinstellschritt S3, wird die Sonde auf solch einen Spaltabstand gesetzt, dass die maximale Intensität erlangt wird, basierend auf der ersten Korrelation der detektierten Intensität gegenüber dem Spaltabstand, welcher im Vormessungsschritt S1 erlangt wurde für die Oberfläche der Referenzmuster, welche unter den Prozessbedingungen, welche zu überwachen sind, bearbeitet wurden. Wie aus 11A und 11B gesehen werden kann, obwohl sich die detektierte Intensität gegenüber der Spaltabstandskurve mit den Prozessbedingungen unterscheidet, ist der Spaltabstand, an welchem die maximale Intensität erlangt wird, im Wesentlichen konstant, solange die Prozessbedingungen konstant sind.

Schritt S4 ist der Rauigkeitsüberwachungsschritt für das Überwachen der Oberflächenrauigkeit der zu messenden Muster, welche die tatsächliche Bearbeitung begleiten. In diesem Schritt S4 wird die maximale Intensität der bearbeiteten Oberfläche am Spaltabstand, welcher in Schritt S3 gesetzt wird, in Echtzeit überwacht, und Rauigkeit wird unterschieden basierend auf der zweiten Korrelation zwischen maximaler Intensität und einem Rauigkeitswert, welcher im Speicher vorher gespeichert wurde.

Wegen der Einfachheit des Messverfahrens ist es leicht, das Messverfahren in eine praktische Anwendung zu implementieren. Zum Beispiel kann der Sensorkopf an der Spindel eines CNC-Bearbeitungswerkzeugs angebracht werden, genauso wie ein normales Werkzeug, um die nötige Bewegung zu erlauben, und die Berechnung kann durchgeführt werden durch den Rechner der Steuerung der CNC-Maschine. Durch solch eine Anwendung kann Online-Überwachung der Oberflächenrauigkeit und Steuerung durchgeführt werden. Daher kann das Verfahren der vorliegenden Erfindung ein passender Ansatz sein, um die Oberflächenqualität für produktive Bearbeitungssysteme zu überwachen.

Ein weiteres attraktives Merkmal des Verfahrens der vorliegenden Erfindung ist, dass der gleiche Messkopf auch verwendet werden kann, um autonom sowohl Neigungswinkel als auch Positionskoordinaten für eine Freiformfläche auf eine kontaktlose Art mit Hilfe eines Koordinatenmessgeräts und zugehöriger Software und Algorithmen, welche früher durch den Erfinder entwickelt worden sind, zu messen. Dies stellt eine potentielle Innovation bereit, um kontaktlose Oberflächenkoordinatenmessung und Rauigkeitsmessung in eine einzelne Messsonde oder in ein einzelnes Messgerät zu integrieren, welches offensichtlich sehr hilfreich für die Entwicklung von integrierten Mehrzweckmessgeräten sein wird.

Daher stellt die vorliegende Erfindung die folgenden Auswirkungen bereit:

  • (a) Ein einfaches, schnelles online, einfach zu implementierendes und einfach auszuführendes Oberflächenrauigkeitsmesssystem wird bereitgestellt für produktive Herstellungssysteme, wie CNC-Verarbeitungswerkzeuge und Bearbeitungszentren.
  • (b) Sie hat nicht die Nachteile von vielen anderen kontaktlosen Oberflächenrauigkeitsmessverfahren, welche vor dieser vorgeschlagen wurden.
  • (c) Wegen der Einfachheit der Implementierung kann dieses Lichtleitfaser-Verfahren weitgehende Anwendungen in der Zukunft finden.
  • (d) Durch richtiges Anordnen von Fasersensoren ist der Sensorkopf unabhängig von der Ausrichtung der Struktur der Musteroberflächen.
  • (e) Für die gleiche Art von Oberfläche hat die detektierte maximale Intensität eine gute Korrelation mit den Rauigkeitswerten der Musteroberflächen.
  • (f) Das Verfahren der vorliegenden Erfindung stellt eine potentielle Möglichkeit bereit, die Oberflächenrauigkeitsmessung und Oberflächenpositionskoordinaten- und Neigungswinkelmessung in eine einzige Messsonde einzuschließen, basierend auf dem vorherigen Forschungsergebnis über autonome Freiflächen-Messsysteme, welche durch den Erfinder erlangt wurden.

Anspruch[de]
  1. Verfahren zur Oberflächenrauigkeitsmessung unter Verwendung einer Lichtleitfaser-Sonde (1), wobei die Sonde mindestens einen Sensorkopf (2) aufweist, der aufgebaut ist aus einer Licht emittierenden Faser (22) und mehrfachen Licht empfangenden Fasern (24), welche koaxial zur Licht emittierenden Faser angeordnet sind, wobei das Verfahren die Schritte umfasst von:

    (a) Richten eines Lichtstrahls vom Sensorkopf auf jedes von mehreren Referenzmustern, die bearbeitet werden unter einer Vielzahl verschiedener Verarbeitungsbedingungen, und Vormessen einer ersten Korrelation zwischen einer detektierten Intensität und einem Spaltabstand (g) für jedes der Referenzmuster, wobei die detektierte Intensität bestimmt ist als eine Summe von Ausgaben der Licht empfangenden Fasern, der Spaltabstand bestimmt ist als ein Abstand zwischen dem Sensorkopf und einer Oberfläche des Referenzmusters;

    (b) Suchen einer zweiten Korrelation zwischen einer maximalen Intensität, die bestimmt ist als eine Spitze der detektierten Intensität in einem vorbestimmten Bereich des Spaltabstands und einer Oberflächenrauigkeit, auf der Grundlage der ersten Korrelation, welche in Schritt (a) erhalten wurde, und Speichern der zweiten Korrelation in einem Speicher;

    (c) Anpassen des Spaltabstands, um die Sonde in einer Position einzurichten, in welcher die maximale Intensität erhalten wird, auf der Grundlage der ersten Korrelation für das Referenzmuster, welches unter den Verarbeitungsbedingungen hergestellt wurde, die beobachtet werden sollen; und

    (d) Beobachten einer detektierten Intensität, die erhalten wurde bei dem Spaltabstand, der in Schritt (c) eingestellt wurde für das zu messende Muster, und Bestimmen von dessen Oberflächenrauigkeit auf der Grundlage der zweiten Korrelation, welche im Voraus in dem Speicher gespeichert wurde.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Sensorkopf umfasst die Licht emittierende Faser und acht Licht empfangende Fasern, welche dazu koaxial angeordnet sind, wobei vier der Licht empfangenden Fasern (24No, 24Ni, 24Si, 24So) symmetrisch angeordnet sind auf einer ersten Achse (x), welche durch eine Licht emittierende Oberfläche (23) der Licht emittierenden Faser geht, um auf gegenüberliegenden Seiten der Licht emittierenden Faser zu liegen, und die übrigen vier der Licht empfangenden Fasern (24Eo, 24Ei, 24Wi, 24Wo) symmetrisch angeordnet sind auf einer zweiten Achse (y), die senkrecht auf der ersten Achse steht, um auf gegenüberliegenden Seiten der Licht emittierenden Faser zu liegen.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Lichtleitfaser-Sonde angebracht ist an einem Bearbeitungswerkzeug und der Überwachungsschritt (d) ausgeführt wird während des Bearbeitungsvorgangs des Bearbeitungswerkzeugs.
Es folgen 14 Blatt Zeichnungen






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