Werkstücken mit Hilfe von Streulichtmessungen

Um die Dichtung einer drehenden Welle ohne Leckage oder

Trockenlaufen sicherzustellen, muss die Wellenoberfläche im

Dichtungsbereich drallfrei sein. Drall ist eine Textur der

Oberflächenrauheit, die beim Makrodrall als Welligkeit die Rauheit der Wellenoberfläche wie eine Schraubenstruktur überlagert. Bei Rotation der Welle kommt es zu einem Öltransport. Makrodrall ist der häufigste Bearbeitungsfehler beim Einstichschleifen und Rollieren von

Dichtungsgegenlaufflächen und entsteht bei schlechten

Abrichtungsbedingungen der Schleifscheibe oder ungenügendem Abtrag von Vorbearbeitungsspuren (z.B. Drehriefen). Zur

Qualitätsprüfung auf Drallfreiheit solcher Wellenoberflächen findet man im Stand der Technik Verfahren, die Makrodrall nur bei gleichmäßiger Ausprägung über den Umfang der Welle mit hohen Messzeiten erkennen [vgl. Mercedes Benz Werksnorm MBN 31007-7; 2009-04. Oberflächenbeschaffenheit - Mess- und Auswerteverfahren zur

Bewertung von drallreduzierten dynamischen Dichtflächen], die

Makrodrallstrukturen angeben ohne die Möglichkeit der

Drallwinkelbestimmung [vgl. Hertzsch.A., Kröger, K., Großmann, M.: Schnelle optische Drallmessung. Tm 12/2013. S.429-434] oder die stark streuenden Prüfbedingungen und einer Vielzahl unterschiedlicher Werksnormen unterliegen und oftmals nur zu einer eingeschränkten Reproduzierbarkeit führen, wie bei den bekannten Fadenlaufmethoden.

Die Fadenlaufmethode ist die in der Praxis am weitesten verbreitete Prüfmethode. Die Prüfwelle wird in einer Drehvorrichtung in einem Futter oder zwischen Spitzen gehaltert, so dass die Achse der Welle horizontal ausgerichtet ist. Ein dünner Faden z.B. aus Baumwolle oder Nylon mit einem Fadendurchmesser von ca. 100pm wird mit einem Gewicht beschwert und über den zu prüfenden Wellensitz gehängt. Dabei sollte der Faden eine solche Länge besitzen, dass er

mindestens 200° des Wellenumfangs anliegend umschließt. Die Welle wird nun gleichförmig gedreht und es wird visuell geprüft, ob die drehende Welle den Faden in Achsrichtung transportiert. Anschließend wird der Test mit geänderter Drehrichtung der Welle wiederholt.

Existiert eine Drallstruktur auf der Wellenoberfläche, wird der Faden, abhängig von der Drehrichtung, in Achsrichtung hin und zurück auf der Wellenoberfläche bewegt. Je größer die Weg Verschiebung, umso höher ist der Drallwinkel der Struktur. Die Prüfung wird je nach

Werksnorm mit trockener Wellenoberfläche oder mit ölbenetzter Oberfläche durchgeführt. Fäden aus unterschiedlichem Material führen zu unterschiedlichen Prüfergebnissen. Die Prüfbedingungen lassen sich praxisnah schwer reproduzierbar gestalten. Die Fadenmethode ermöglicht keinerlei Rückschlüsse über die Art und die Ausprägung des Dralls. Sie lässt sich nicht automatisieren.

Ein weiteres Verfahren zur Makrodrallprüfung ist die zweidimensionale Profilometrie. Mit Hilfe von Formprüfgeräten mit taktilem oder optischem Messkopf werden hoch aufgelöste Profilschriebe in

Achsrichtung der Prüfwelle gemessen. Die Welle wird mit einem

Goniometertisch um die Wellenachse in definierten Winkelschritten gedreht und für jede Winkelposition eine Profilmessung in Achsrichtung durchgeführt. Mit Hilfe dieser Profilschriebe wird eine dreidimensionale Topographie der Oberfläche gewonnen. Gemäß einer häufig

verwendeten Norm [Mercedes Benz Werksnorm MBN 31007-7; 2009- 04. Oberflächenbeschaffenheit - Mess- und Auswerteverfahren zur Bewertung von drallreduzierten dynamischen Dichtflächen] betragen die Längen der Profilschriebe in Achsrichtung 2mm und die Anzahl der Schriebe für eine volle Umdrehung 72. Um auch kleinere Strukturen besser auflösen zu können, kann diese Drallmessung für einen

Umfangswinkelbereich von 36° in 0.5° Schritten wiederholt werden. Die so gemessenen 2-dimensonalen Topographiedaten werden mit einem standardisierten Filterverfahren auf dominante Welligkeiten und

Riefenstrukturen analysiert. Die Hauptdominante wird als Drallstruktur gefiltert und hinsichtlich Tiefe, Texturwinkel und laterale Ausdehnung bewertet (vgl. DE 19740141 C1). Dieses Verfahren arbeitet mit zwei sehr unterschiedlichen lateralen Auflösungsgrenzen. Wird in

Achsrichtung mit einer sehr hohen lateralen Auflösung von 500nm gemessen, ist die Auflösung in Umfangsrichtung um Faktor 1000 bis 10.000 niedriger. Mit diesem Verfahren können nur sehr langwellige, über den Gesamtumfang ausgeprägte Drallstrukturen analysiert werden. Zudem ist die Messzeit mit ca. 45min relativ hoch, was eine Inprocess-Messung mit diesem Verfahren unmöglich macht. Versuche, das Verfahren zu beschleunigen (vgl. EP 2383541 A1), eignen sich nur für stark ausgeprägte, den Gesamtumfang umlaufende

Makrodrallstrukturen.

Ein optisches Prüfverfahren zur Makrodrallkontrolle an zylindrischen Außendurchmessern von Wellen ist in DE10027439 B4 und

DE 10050203 C1 beschrieben. Dabei wird die Welle in

Umfangsrichtung mit streifend einfallendem kohärentem Licht beleuchtet. Existiert auf der rauen Oberfläche eine zur Rauheit langwellige periodische Struktur, so entsteht eine Beugungsfigur ähnlich der Beugung an einem eindimensionalen Gitter. Da das Gitter quasi in Riefenrichtung streifend beleuchtet wird, liegen die

Beugungsextrema auf einem Kreis, der senkrecht zur Einfallsebene des Lichts steht. Deshalb spricht man in diesem Fall von konischer Beugung. Zudem ist die Wellenoberfläche in Richtung Einfallsebene gekrümmt, so dass das kollimiert einfallende Lichtbündel in

Einfallsrichtung divergiert. Das an der Prüflingsoberfläche reflektierte Licht bildet nun eine Lichtlinie und bei Vorhandensein einer

Drallstruktur entsteht eine streifenförmige Beugungsfigur. Durch den streifenden Einfall des Laserlichts werden langwellige periodische Oberflächenanteile verstärkt zur Beugung angeregt, während die Lichtstreuung an den Rauheitsstrukturen durch Abschattung und Mehrfachstreueffekte innerhalb der reflektierten Streulichtverteilung gedämpft wird.

Anhand der Beugungsfigur lassen sich weiterhin die Drallparameter Dralltiefe und Periodenlänge der Drallstruktur berechnen. So erhält man aus dem Abstand der Beugungsmaxima zueinander über die Gittergleichung die Periodenlänge der Drallstruktur (vgl.

WO 0022377 A1 , DE 10027439 B4). Die Dralltiefe kann anhand des Intensitätsverhältnisses der Beugungsmaxima zueinander abgeschätzt (WO 0022377 A1) bzw. bei konischer Beugung berechnet werden (DE 10027439 B4). Ein wesentlicher Drallparameter, der für die

Ölförderwirkung bei Drall verantwortlich ist, der Drallwinkel, kann jedoch mit diesem Verfahren nicht nachgewiesen werden.

Zudem können Drallstrukturen über den Umfang von geschliffenen Wellen stark variieren. Die Ortsabhängigkeit resultiert aus der unterschiedlichen Ausprägung von Rauheit und Welligkeit. Die durchgehende Periodizität der Drallstrukturen wird z.B. bei zusätzlich auftretenden Rattermarken auf der Wellenoberfläche (worunter eine Facettenbildung in Umfangsrichtung zu verstehen ist) gestört und verzerrt. Die Mikrostruktur der Schleifriefen kann sich in

Umfangsrichtung periodisch verändern. Trotz der global gestörten Drallstruktur können die lokal ungestörten Bereiche des Dralls zu Undichtheit führen. Je nach Signal-Rausch-Verhältnis ist die reflektierte Streulichtverteilung der Wellenoberfläche dann entweder durch

Speckleeffekte oder durch Beugungserscheinungen stärker geprägt. Besonders wenn die Dralltiefe klein ist und/oder die Periodenlänge der Drallstruktur groß, können die Beugungsstreifen durch die überlagerten Speckleeffekte nahezu ausgelöscht werden. Es ist in solchen Fällen sehr schwierig, anhand einzelner Streulichtbilder eine klare Aussage zur Drallfreiheit der Wellenoberfläche zu treffen. Jedoch ist es möglich, das optische Prüfergebnis zu stabilisieren, wie in „Hertzsch.A.,

Kröger, K., Großmann, M.: Schnelle optische Drallmessung. Tm

12/2013. S.429-434“ beschrieben. Dreht sich die Welle während der optischen Prüfung mit streifendem Laserlichteinfall, mittein sich alle stochastischen Streuerscheinungen aus. Abhängig von der lokalen Oberflächenrauheit ändern sich Ort und Intensität des

Interferenzmusters. Die Addition mehrerer solcher Speckleverteilungen führt somit zu einer kontrastarmen niederfrequenten Lichtverteilung. Andererseits fallen die Beugungsmaxima und -minima der gestörten Drallstruktur immer in die gleichen Raumwinkelbereiche. Durch

Überlagerung mehrerer gestörter Beugungsmuster einer Drallstruktur erhöhen sich die Linienschärfe und der Kontrast der Beugungsstreifen. Dieser einfache optische Filterprozess ist in Figur 1 schematisch dargestellt. Eine geschliffene Wellenoberfläche (siehe Fig. 2) wird streifend in Umfangsrichtung (z.B. mit einem Einfallswinkel 0j=8O°) mit einem Laser beleuchtet. Eine Kamera 5 erfasst das von der Oberfläche reflektierte Streulicht in einem kleinen Raumwinkelbereich mit einem Öffnungswinkel von ca. ±2° in azimutaler Richtung f und in

Streuwinkelrichtung 0 _S um den direkten Reflex. Die Streulichtverteilung wird durch lokal variierende streifenförmige Specklemuster dominiert, wie es in Fig 1 auf der linken Seite skizziert ist. Beugungsstreifen sind nicht eindeutig zu identifizieren. Auf der rechten Seite von Figur 1 ist ein gemitteltes Streulichtbild dargestellt, dass aus der Überlagerung vieler Einzelbilder resultiert, die bei rotierender Welle in einem

Winkelsektor von z.B. 36° aufgenommen wurden. Beugungsstreifen prägen nun diese Streulichtverteilung. Neben der intensitätsstarken Reflexionslinie bei f=0° sind symmetrisch quasi gleich beabstandende Beugungslinien beidseitig zur Reflexionslinie angeordnet. Das

Specklemuster ist stark reduziert. Anhand des gemittelten

Streulichtbildes können bei Vorhandensein von periodischen

Drallstrukturen auch auf stark ortsabhängigen Oberflächen deutlich Beugungsstreifen verstärkt abgebildet und somit Drall auf der

Wellenoberfläche nachgewiesen werden. Um globale Drallparameter über den Gesamtumfang der Welle zu ermitteln, ist es notwendig, die Welle während der optischen Drallprüfung eine ganze Umdrehung rotieren zu lassen. Die besten Ergebnisse werden erreicht, wenn die Welle in einem Backenfutter oder zwischen Spitzen aufgenommen wird und ein motorisierter Drehtisch eine präzise und stabile Wellendrehung realisiert. Die Ortsabhängigkeit der Streulichtbilder wird mit einer Messkamera bei fester Winkelschrittweite für eine Umdrehung der Welle erfasst. Durch Überlagerung der gemessenen Bilder sind somit Drallstrukturen nachweisbar, die lokal stark gestört oder sehr schwach ausgeprägt sind. Jedoch kann mit diesem Verfahren nicht der Anstieg der Drallstruktur, worunter der Drallwinkel verstanden wird, bestimmt werden.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, das Makrodrall auf Wellen sicher erfasst und bewerten lässt und schnelle Prüfergebnisse unter fertigungsnahen Bedingungen liefert, wobei sämtliche relevanten Drallparameter mit diesem Verfahren gewonnen werden. Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der nachgeordneten Ansprüche.

Die Erfindung soll nachstehend anhand spezieller

Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 beispielhafte Beugungsbilder nach dem bekannten Stand der Technik;

Fig. 2 eine beispielhafte Anordnung eines Streulichtmessverfahrens nach dem bekannten Stand der Technik;

Fig. 3 schematisch die Gewinnung einzelner Streulichtbilder nach vorliegender Erfindung;

Fig. 4 die Art der Bildung eines Überlappungsbereichs zwei

benachbarter Streulichtbilder nach vorliegender Erfindung;

Fig. 5 auf der linken Seite eine über 360° Wellendrehung nach Fig.

4 gebildete Gesamtstreulichtverteilung mit einer

Intensitätsmodulation der ±1. Beugungsordnungen der

Wellenzahl 22 und auf der rechten Seite die zugehörige mittlere Intensitätsverteilung in Azimutwinkelrichtung f, die durch

Mittelung der Gesamtstreulichtverteilung in Drehwinkelrichtung a entsteht;

Fig. 6 auf der linken Seite schematisch einen Wellenabschnitt mit einer 5-gängigen Drallstruktur und auf der rechten Seite einen zugehörigen Ausschnitt der abgerollten Zylindermantelfläche;

Fig. 6a eine Gesamtstreulichtverteilung, die als

Streulichtmessergebnis der Welle nach Fig. 6 entsteht und

Fig. 7 schematisch vier Fouriertransformationen unterschiedlicher Gesamtstreulichtverteilungen, die charakteristische Texturen bei unterschiedlichen Bearbeitungsverfahren abbilden a) Einstichschleifen, b) Durchgangsschleifen, c) Pendelschleifen und d) Bürstenschleifen und

Fig. 8 zeigt als inversen Grauwertplot den Verlauf einer

beispielhaften Reflexionsgradlinie für eine zusammengesetzte Gesamtstreulichtverteilung, wenn die Welle einen Taumel während der Messung aufweist.

Basierend auf dem bekannten optischen Streulichtmessverfahren gemäß der Figuren 1 und 2 bei streifendem Laserlichteinfall wird nachstehend das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben, das anhand von Streulichtbildern in kurzer Messzeit (<1min) alle

wesentlichen Makrodrallparameter bestimmen lässt.

Dazu werden zunächst die Beugungsbilder nach dem oben

beschriebenen Streulichtverfahren (Stand der Technik) für den

Gesamtumfang des Prüflings gemessen. Ein Laser 1 beleuchtet mit einem kohärenten Lichtbündel 2 das zylindrische Werkstück 3 streifend in Umfangsrichtung (vgl. Figur 2) mit einem Einfallswinkel Q,. Das reflektiert gestreute Licht 4 wird im Raumwinkelbereich des direkten Reflexes winkelaufgelöst mit einer 2-dimensionalen Kamera,

respektive CCD-Array 5 erfasst. Dabei ist die Kamera vorteilhaft so ausgerichtet, das der Richtungsvektor des direkten Reflexes 4 (0 _s =0 _j ) die Kamerasensorfläche 5 mittig beleuchtet und die Einfallsebene (aufgespannt von Richtungsvektor des Beleuchtungslichtbündels und der Oberflächennormale des zylindrischen Werkstücks am

Beleuchtungsort) parallel zu einer Achse des CCD-Arrays ausgerichtet ist. Der gemessene Raumwinkelbereich wird somit in der senkrecht zur Einfallsebene liegenden Achsrichtung z durch den Öffnungswinkel ±f beschrieben und innerhalb der Einfallsebene durch den

Streuwinkelbereich 0s=0i±A0s. Die Absolutwerte von f und A0s betragen im Beispiel 2° bis 4°. Existiert auf dem zylindrischen Werkstück 3 eine Makrodrallstruktur, so entsteht auf der Bildebene 5 der Kamera ein streifenförmiges Beugungsmuster 4.2. Der Abstand einer Beugungsordnung 4.1 wird durch den Winkel f erfasst.

Für eine vollständige Messung wird die Prüfwelle um die eigene Achse mit dem Winkel a = 360° gedreht. Hier setzt vorliegende Erfindung an, indem die pro Drehwinkelschritt ermittelten Streulichtbilder, im

Gegensatz zu dem bis dahin bekannten Stand der Technik, nicht überlagert, sondern winkeltreu zu einer 360°

Gesamtstreulichtverteilung panoramaartig zusammengesetzt werden.

Figur 3 zeigt schematisch, dass sich eine solche 360°

Gesamtstreulichtverteilung aus einer definierten Anzahl von

Einzelbildern zusammensetzt, die in Umfangsrichtung lückenlos das Streulicht von einem geschlossen beleuchteten Achsabschnitt des zylindrischen Werkstücks abbilden. Dazu werden die Einzelbilder bei entsprechender Winkelzustellung Da nahtlos oder mit einem

Überlappbereich (vgl. Fig. 4) zu der 360° Gesamtstreulichtverteilung panoramaartig aneinandergereiht. Wird die Prüfwelle um den Winkel Da gedreht, so verschiebt sich das Streulichtbild nach dem

Reflexionsgesetz um 2Da. Voraussetzung für die Erstellung einer 360° Gesamtstreulichtverteilung ist, dass die Drehwinkelschrittweite Da kleiner/gleich der halben Kameraapertur ist und der beleuchtete Oberflächenbereich nach Winkeldrehung Aa an den vorangegangenen beleuchteten Oberflächen bereich direkt anschließt oder diesen überlappt. Mit diesem Vorgehen wird sichergestellt, dass die

gemessenen Kamerabilder bei einer vollen Prüfteilumdrehung auch die Lichtstreuung der geschlossenen Umfangsfläche erfassen.

Für Wellen mit sehr großen Radien ( R>L/(2cos(0j)tan(A0 _s /2)), wobei L der Spotdurchmesser des Beleuchtungsstrahlenbündels 4 auf der Wellenoberfläche 3 ist (vgl. Fig.2), wird die notwendige

Winkelschrittweite durch das beleuchtete Oberflächengebiet

vorgegeben und beträgt Äa<atan(L/(R cos(0i))). Auch für diesen Fall ist zu gewährleisten, dass die Winkelschrittweite Da so gewählt ist, dass sich die Bildinformation in benachbarten Bildern direkt anschließt bzw. in einem Bildbereich überlagert und eine geschlossene

Bildzusammensetzung in Drehrichtung wie oben beschrieben

ermöglicht wird.

Führt die Winkelschrittweite Da bei Bildung einer 360°

Gesamtstreulichtverteilung zu überlappenden Bildbereichen, so wird erfindungsgemäß innerhalb dieser Überlappbereiche jeweils ein mittleres Streulichtbild aus den beiden Bildinformationen gebildet, um einen stetigen Intensitäts- und Musterübergang von Bild zu Bild zu gewährleisten (vgl. Fig. 4). Zur besseren Veranschaulichung sind die beiden benachbarten Bilder in Fig. 4 in der Höhe leicht versetzt dargestellt, um identische Bildbereiche im Überlappungsbereich zu erkennen.

Die erfindungsgemäß gewonnene Gesamtstreulichtverteilung, bspw. für eine Getriebewelle, ist beispielhaft in Figur 5 (linker Teil) als inverser Grauwertplot dargestellt. Schwarze Bild bereiche

repräsentieren hohe Streuintensitäten. Das Bild setzt sich im

speziellen Beispiel aus 500 Einzelbildern zusammen, die in oben beschriebener Weise panoramaartig zusammengefügt wurden.

Deutlich sind die intensitätsstarke Reflexionslinie (bzw. Beugungslinie 0-ter Ordnung) und zwei Beugungslinien 1-ter Ordnung zu erkennen. Die Beugungslinien 2-ter Ordnung lassen sich ebenfalls schwach nachweisen. Zur automatischen Beugungsmustererkennung kommen nun einfache Bildverarbeitungsalgorithmen zum Einsatz. Dazu wird über die 360° Gesamtstreulichtverteilung die Zeilensumme, worunter die Aufsummierung der Streulichtintensitäten über den Drehwinkel et zu verstehen ist, gebildet. In Fig. 5 repräsentieren die Strichstärken die Streulichtintensität. Die sich nun anschließende Bildung der

horizontalen Zeilensumme des Gesamtstreulichtbildes führt zu einem Intensitätsprofil, das ausschließlich die Lichtverteilung in Achsrichtung (f-Richtung) abbildet (vgl. Fig. 5 rechten Kurvenverlauf). Anhand dieser summarischen Intensitätsverteilung wird getestet, ob ein

Beugungsmuster und somit eine Makrodrallstruktur auf der Oberfläche nachzuweisen ist. Die Lage und die Ausprägung der lokalen Maxima innerhalb der Kurve sind die Entscheidungskriterien dafür. Ist die Kurve durch symmetrische quasi gleich beabstandete Intensitätsmaxima geprägt (wie in Fig. 5 in Höhe der Beugungsordnungen ersichtlich) ist eine Drallstruktur vorhanden. Die zugehörigen Winkel (p _m dieser Intensitätsmaxima beschreiben dann die Lage der m-Beugungsmaxima nach der konischen Beugungsgleichung [wie bspw. in„Y. Fan: Light scattering from periodic surfaces and turned surface roughness measurement. Ph.D. dissertation, University of Windsor, Windsor,

1992“ beschrieben. Die Periodenlänge DP in Achsrichtung der

Drallstruktur für die beleuchtete Mantelfläche des zylindrischen

Werkstücks berechnet sich wie folgt:

wobei m die Beugungsordnung, l die Wellenlänge des einfallenden Lichts und 0j der Einfallswinkel sind. Nach Gleichung (1) wird deutlich, dass die Streulichtverteilung in Achsrichtung eine Frequenzverteilung abbildet. Je kleiner der Azimutstreuwinkel <p _m ist, umso größer ist die Periodenlänge DP.

Sind durch die Beugungsmustererkennung die Winkel <p _m der

Beugungsordnungen m bekannt, so lassen sich in der 360°

Gesamtstreulichtverteilung diesen (p _m -Winkeln definierte horizontale Bildzeilen zuordnen. Die Intensitätsmodulation dieser Zeilen über den Drehwinkel a bildet die Gängigkeit der Oberflächendrallstruktur ab. Die Gesamtstreulichtverteilung in Umfangsrichtung a folgt im Wesentlichen dem geometrisch-optischen Modell aufgrund der großen

Beleuchtungsausdehnung und der langwelligeren Rauheitsstruktur in Umfangsrichtung. So wird in Fig. 5 durch die gestrichelte Linie schematisch verdeutlicht, dass die Beugungslinien der 1. Ordnungen durch eine Periodizität mit der Wellenzahl 22 gekennzeichnet sind. Die Entstehung dieser Periodizität wird anhand der Figuren 6 und 6a diskutiert. Besitzt die Welle 3 eine mehrgängige Drallstruktur (vgl. in Fig. 6 die fünf Gänge 6.1...6.5), so schneidet eine kreisförmige

Messbahn 7 für eine volle Umdrehung von cc=360° jeden einzelnen Drallgang einmal. Die Messbahn erfasst somit die Drallstruktur als eine eindimensionale Welligkeit. Diese Welligkeit moduliert die

Streulichtintensität bei streifendem Lichteinfall nach Fig.2 bei Rotation der Welle 3 um a nach dem Reflexionsgesetz. Die Anzahl der

Welligkeitsperioden für eine Umdrehung, die als Gängigkeit bzw.

Anzahl der Spiralen G bezeichnet wird, ist abhängig vom Anstieg DW und der Periodenlänge DP der Drallstruktur 6.1...6.5.. Für das in Fig. 6 dargestellte Beispiel schneidet die kreisförmige Messbahn die

Drallstruktur in fünf Punkten. Die Intensitäten der ersten

Beugungsordnungen für die erfindungsgemäß ermittelte

Gesamtstreulichtverteilung sind für das Beispiel sinusförmig moduliert mit fünf Perioden, die somit die Gängigkeit der Drallstruktur G=5 anzeigen (vgl. Fig. 6a). Ist der Durchmesser der Welle 3 bekannt und die Periodenlänge der Drallstruktur DP aus der Winkellage der

Beugungsstreifen (gemäß Gleichung (1) ermittelt), so kann der

Drallwinkel DW aus der Gängigkeit G wie folgt berechnet werden:

( DP* G

DW = a tan (2) Bildet man für die Intensitätsverteilungen der 1. Beugungsordnungen als Funktion des Drehwinkels cc die Fouriertransformierten, so sind diese beiden Fouriertransformierten bei periodischer Modulierung durch jeweils ein Maximum geprägt, dessen Lage die Wellenzahl in Umfangsrichtung und somit die Gängigkeit der Drallstruktur angibt. Mit Hilfe einer Maximumsuche bei diesen Fouriertransformierten kann automatisch die Gängigkeit und daraus nach Gleichung (2) der

Drallwinkel berechnet werden.

Die Tiefe der Drallstruktur Dt wird anhand der Intensitätsverteilung des Streulichts in f-Richtung bestimmt (vgl. Fig.5, rechte Seite). Für jeden Drehwinkel a _n lässt sich aus der Gesamtstreulichtverteilung eine zugehörige Streulichtverteilung I(f) extrahieren. Dabei beschreibt nun die Intensitätsverteilung für einen bestimmten Winkel a _n die Tiefe des Dralls für diesen beleuchteten Umfangsbereich der Welle. Für diese lokale Streulichtverteilung I(a _h , cp) werden die Intensitätswerte an den Orten der Beugungsordnungen (vgl. Fig. 5) bestimmt und mit einem Beugungsmodell angefittet. Der als eindimensionales Gitter genäherte Drall liefert durch diese Beugungssimulation die zugehörige Dralltiefe. Die detaillierte Vorgehensweise ist u.a. in [Hertzsch,A., Kröger, K., Großmann, M.: Schnelle optische Drallmessung. Tm 12/2013. S.429- 434] beschrieben. Auf Grundlage dieses Vorgehens lassen sich die Dralltiefen als Funktion des Drehwinkels a berechnen.

Alle beschriebenen Bildauswertalgorithmen und

Parameterberechnungen werden mit einem Rechner nach der

Kamerabildaufnahme ausgeführt. Die Ergebnisse können in einem Protokoll dokumentiert werden. Mit dieser Vorgehensweise ist eine schnelle und automatische Makrodrallkontrolle selbst in der Fertigung erstmals realisierbar. Ein weiterer Vorteil vorliegender Erfindung besteht in Folgendem:

Anhand der 360°-Gesamtstreulichtverteilung kann zusätzlich getestet werden, welches Bearbeitungsverfahren zur Herstellung der

Oberfläche eingesetzt wurde. Dazu werden die 1 -dimensionalen Fouriertransformierten aller Bildzeilen der 360°

Gesamtstreulichtverteilung berechnet und in einem 2-dimensionalen Frequenzverteilungsbild abgelegt. Wie bei der Ermittlung der

Gängigkeit für die Beugungsordnungen kommen nun die Modulationen der Gesamtstreulichtverteilung zur Abbildung. Für jeden Streuwinkel f der 360° Gesamtstreulichtverteilung wird das Welligkeitsspektrum mit Hilfe der Fouriertransformation berechnet und abgebildet. Es entsteht eine 2-dimensionale Frequenzverteilung, die charakteristische herstellungsbedingte Wellenzahlverteilungen in der Ebene aufzeigt.

Für eine im Einstichschleifen hergestellte Oberfläche bilden sich Frequenzbänder in Umfangsrichtung aus. Für eine im Vorschub geschliffene oder gedrehte Oberfläche entstehen bevorzugt axiale Frequenzbänder. Eine oszillierend geschliffene bzw. im

Pendelschleifen hergestellte Oberfläche zeigt geneigte

Frequenzbänder, die ein Trapezmuster bilden. Ein stark stochastisches Verfahren, wie das Bürstenschleifen oder Finishen, führt zu einer ebenfalls stochastischen Anordnung der Fourierkomponenten. Figur 7 verdeutlicht schematisch die Anordnung von dominanten

Fourierkomponenten einer erfindungsgemäß gewonnenen

Gesamtstreulichtverteilung nach eindimensionaler

Fouriertransformation in Umfangsrichtung für a) Einstichschleifen, b) Vorschubschleifen, c) Pendelschleifen und d) Bürsten. So ist es mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, zusätzlich zur Makrodrallbestimmung das Herstellungsverfahren der geschliffenen Oberfläche zu prüfen und Verfahren, die automatisch zu einer Drallstruktur führen (Vorschubschleifen und Pendelschleifen)

anzuzeigen. Somit kann für eine Eingangskontrolle sehr schnell und einfach die normgerechte Bearbeitung von Dichtungsgegenlaufflächen überprüft werden.

Ein weiterer Vorzug des vorgeschlagenen Verfahrens ist, dass die Prüfwellen hinsichtlich ihrer Zentrierung und Nivellierung nicht den hochgenauen Anforderungen entsprechen müssen, wie diese bei einer profilometrischen Messung notwendig sind. Ein Höhenschlag von <50pm sowie Exzentrizitäten bis zu 10Omih sind nach dem

erfindungsgemäßen Verfahren softwaremäßig kompensierbar. Besitzt die Prüfwelle durch Spannfehler einen Kippwinkel zur Rotationsachse, so ist die Gesamtstreulichtverteilung bei einer geschlossenen

Umdrehung a =360° durch eine Periode einer sinusförmige

Auslenkungen des Lichts in f-Richtung gestört. Diese Auslenkung lässt sich am einfachsten beim Verlauf der intensitätsstarken

Reflexionslinie nachweisen. Figur 8 zeigt als inversen Grauwertplot den Verlauf der Reflexionsgradlinie für eine zusammengesetzte

Gesamtstreulichtverteilung mit Taumel (linke Bildseite). Erfasst man in Abhängigkeit von a den Ort des Maximums cp der Reflexion, so erhält man die Kurve, wie sie in Figur 8 auf der rechten Seite dargestellt ist. Von dieser wird die Auslenkamplitude und Phasenlage in Abhängigkeit vom Drehwinkel cc berechnet. Diese Kurve ermöglicht

erfindungsgemäß eine Enttaumelung der Gesamtstreulichtverteilung, indem die Kurve (in Figur 8 linke Seite) als Interpolationspfad

verwendet wird. Alle Intensitätswerte die auf dieser Kurve liegen, entsprechen einem festen Winkel f. Durch Verschieben der Kurve in f- Richtung wird nun die Gesamtstreulichtverteilung für jeden f-Wert enttaumelt, wobei die Kurve die Stützstellen für die 2-dimensionale Interpolation der Gesamtstreulichtverteilung vorgibt. Im Gegensatz zum Verfahren der Streulichtbildüberlagerung kommt es zu einer

kontrastscharfen Bildentzerrung, die das langwellige Verhalten der Taumelkurve berücksichtigt (Subpixelinterpolation).

Alle in der Beschreibung, den Patentansprüchen und/oder

Zeichnungen erkennbaren Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Bezugszeichenliste

1 - Laser

2 - Lichtstrahl

3 - zylindrisches Werkstück / Welle

4 - reflektiert gestreutes Licht

4.1, 4.2 - Beugungsordnungen

5 - CCD-Array / Kamera

6.1-6.5 - Gänge

7 - Messbahn