Schnelle optische Drallmessung
-
Albrecht Hertzsch
Dr.-Ing. Albrecht Hertzsch ist Abteilungsleiter Technische Optik im Bereich Magnetische und optische Systeme des Innovent e. V. Jena. Schwerpunktthemen sind die Streulichtanalyse an technischen Oberflächen sowie die Entwicklung fertigungsnaher optischer Messtechnik zur Oberflächen- und Materialkontrolle.
INNOVENT e.V. Technologieentwicklung Jena, Prüssingstraße 27 B, 07745 Jena
,
Knut Kröger
Knut Kröger ist wissenschaftlicher Mitarbeiter im Bereich Magnetische und Optische Systeme der Forschungseinrichtung Innovent e.V., Jena.
INNOVENT e.V. Technologieentwicklung Jena, Prüssingstraße 27 B, 07745 Jena
Marko Großmann ist wissenschaftlicher Mitarbeiter im Bereich Magnetische und Optische Systeme der Forschungseinrichtung Innovent e.V., Jena.
INNOVENT e.V. Technologieentwicklung Jena, Prüssingstraße 27 B, 07745 Jena
Zusammenfassung
Um die Dichtheit einer drehenden Welle ohne Leckage oder Trockenlaufen sicherzustellen, muss die Wellenoberfläche im Dichtungsbereich drallfrei sein. Drall ist eine Oberflächenstruktur, die die Rauheit der Wellenoberfläche wie eine mikroskopische Schraubenstruktur überlagert und somit zu einem Öltransport führt. Schneidet man die Drallstruktur in axialer Richtung, so besitzt sie die Form einer periodischen Welligkeit. Durch angepasste kohärente Beleuchtung der Wellenoberfläche kann die Drallstruktur im reflektierten Licht deutlich visualisiert werden. Der angepasste Beleuchtungsprozess wirkt wie ein optischer Filter, der das optische Rauschen der Rauheitsstrukturen im reflektierten Streulicht reduziert und die Lichtbeugung an der Drallstruktur verstärkt anregt. Es entsteht innerhalb der reflektierten Streulichtverteilung ein deutliches Beugungsmuster. Mit Hilfe eines rigorosen Beugungsmodells berechnen wir die gemessenen Beugungseffizienzen in bester Näherung und bestimmen somit die Periodenlänge und Dralltiefe der Drallstruktur. Wir stellen ein Streulichtmessgerät vor, das schnell und reproduzierbar Drallstrukturen auf Wellenoberflächen ermittelt. Anhand von produktionstypischen Wellenoberflächen mit unterschiedlichen Drallstrukturen testen wir diese optische Drallmessung und vergleichen die Ergebnisse mit taktilen Messungen. Es werden die Grenzen des optischen Messverfahrens diskutiert und die zukünftigen Entwicklungsschritte aufgezeigt.
Abstract
To ensure that seals do not leak one of the main requirements for the shaft surface is the absence of twist structures. Twist is a periodic, generally thread-shaped microstructure which is superimposed on the roughness of the shaft surface and takes the form of waviness in the axial and circumferential directions. Using an optimized scattering geometry light scattering leads to an intensified mapping of the periodic twist structure of the shaft surface. The optical filtering process reduces the speckle effect from surface roughness and produces a diffraction pattern from the twist structure. We use a rigorous diffraction model to calculate the diffraction efficiencies and to determine the twist parameters twist depth and twist period length. We introduce an optical scattering apparatus for fast and reliable measurements of the twist structure. A comparison between the experimental results of scatterometry and the experimental results of stylus measurements will be presented for a number of sealing shaft surfaces produced under different machining conditions. We discuss the limitations of the present model and indicate directions of future work.
About the authors
Dr.-Ing. Albrecht Hertzsch ist Abteilungsleiter Technische Optik im Bereich Magnetische und optische Systeme des Innovent e. V. Jena. Schwerpunktthemen sind die Streulichtanalyse an technischen Oberflächen sowie die Entwicklung fertigungsnaher optischer Messtechnik zur Oberflächen- und Materialkontrolle.
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© 2013 by Walter de Gruyter Berlin Boston
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