Berührungslose kontinuierliche Topografiemessung auf bewegten Körpern

Abstract

Materialoberflächen sind ein wichtiges Qualitätsmerkmal vieler Produkte. Um schon während der Produktion auf Defekte reagieren zu können, ist eine prozessnahe Messung der Oberflächeneigenschaften anzustreben. Zur Messung von hochqualitativen Oberflächen ist die Weißlichtinterferometrie (WLI) etabliert. Mit ihr sind Topografiemessunsicherheiten in der Größenordnung einzelner Nanometer möglich. Die am weitesten verbreitete Umsetzung des WLI-Prinzips für Topografiemessungen ist die vertikal scannende WLI (VSWLI), die allerdings stillstehende Messobjekte voraussetzt. Die lateral scannende WLI (LSWLI) liefert einen Lösungsansatz für Messungen an sich geradlinig bewegenden Oberflächen. Das Ziel der Arbeit ist, die LSWLI zu befähigen, auch auf kontinuierlich rotierenden Körpern messen zu können. Für die rotatorische LSWLI wird die Form des kreisförmigen Scanpfads der Messobjekte in die Berechnung der Höhe miteinbezogen. Die Höhenunsicherheit hängt dabei von den Winkeln des Scanpfads im Bereich des Sensors ab. Bei der Ausrichtung des Messgeräts auf den Scanpfad ist ein Kompromiss zwischen niedriger Höhenunsicherheit und großem Messbereich zu finden. Mit einer Waveletanalyse des LSWLI-Signals lassen sich die lokalen Krümmungswinkel des Scanpfads berechnen, wodurch nur mit demonstratoreigenen Daten Topografien ausgewertet werden können. Simulationen zu den Auswirkungen der Scanbewegung auf die Höhenunsicherheit zeigen, dass der Einfluss der Unsicherheit der Bewegungsmessung um rund eine Größenordnung größer ist, als der Einfluss von Schwankungen der Scanbewegung selbst. Aus diesem Grund ist ein genaues Verschiebungsmesssystem gefordert. Mit einem integrierten, specklebasierten Verschiebungsmesssystem wurden Messunsicherheiten von 11 nm erreicht. Experimentell wurden mit dem entstandenen Demonstrator Topografien von technischen Oberflächen gemessen, welche Höhendifferenzen zu VSWLI-Messungen mit Standardabweichungen von 37,5 nm aufwiesen. Die Beispielanwendung auf Kugellagerinnenringen demonstriert die Fähigkeit zu kontinuierlichen Topografiemessungen mit hoher Wiederholbarkeit. Die prozessnahe Anwendung an Dressierwalzen zeigt das Potenzial des Messsystems für Topografiemessungen an schnell rotierenden Oberflächen in Fertigungsumgebungen.