Immer kleinere Fertigungstoleranzen in der Lager- und Präzisionsoptikindustrie zwingen die Messgerätehersteller zur stetigen Weiterentwicklung ihrer Systeme. Formfehler unter 1 µm und Rauheiten unter 10 nm Rq sollen noch verlässlich gemessen werden können. Die meisten auf dem Markt befindlichen Kontur- und Rauheitsmessgeräte sind damit weit überfordert. Taylor Hobson stellt nun ein weiterentwickeltes Messsystem, das Form Talysurf PGI Plus vor, das den neuen Anforderungen aus diesen Industriezweigen Rechnung trägt und sich gegenüber anderen auf dem Markt befindlichen Systemen in der erzielbaren Genauigkeit deutlich absetzt. Dieser Artikel stellt die Besonderheit dieses Messsystems dar und erklärt anschaulich, warum es in seiner Klasse den Massstab setzen wird.
Dipl.-Ing. (FH) Jörg Schröder, Geschäftsführer, Taylor Hobson GmbH, Wiesbaden
Die Form Talysurf PGI-Technologie basiert auf einem Phasen-Gitter-Interferometer, bei dem im Inneren des Tastsystems die Bewegung eines herkömmlichen Diamanttastarmes statt auf induktivem Wege mit einem Laserstrahl, der auf einen gekrümmten Glasmaßstab trifft, interferometrisch in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Die Auswertung der Tastarmbewegung mittels einer konstanten Licht-Wellenlänge gewährleistet außer einer hohen Auflösung eine absolute Linearität über den gesamten Messbereich.
Herkömmliche, induktive Tastsysteme weisen demgegenüber den nachteiligen Effekt auf, dass sie nicht über den gesamten Messbereich linear sind und dass hohe Auflösungen nur bei kleinen Messbereichen zu erzielen sind. Dies wird insbesondere bei der Form- und Rauheitsmessung auf stark gekrümmten oder geneigten Flächen, bei denen ein großer Messbereich in Z benötigt wird, besonders deutlich. Hier zeigt das PGI seine besondere Stärke und Einzigartigkeit und begründet seinen Ruf als Referenzgerät für höchste Präzision.
Außer der PGI-Technologie ist jedoch eine weitere Besonderheit für die hohen Genauigkeiten verantwortlich: Die Kalibrierung über eine Kugel. Mit dieser Taylor Hobson eigenen Kalibriermethode werden nicht nur der Tastpitzenradius und die Verstärkung kalibriert, sondern auch die Kreisbogenbewegung und der Tasteranlage-Punkt korrigiert (siehe Bild 3).
Während der Messung über eine Kalibrierkugel wird neben den zuvor beschriebenen Korrekturen zusätzlich der Messbereich in Z und X dynamisch kalibriert. Als Ergebnis einer Kalibriermessung erhält man die Formabweichung des Systems im gesamten Messbereich. Fehlerstellen an der Tastspitze oder sonstige Systemungenauigkeiten werden sofort erkannt. Eine einfache Probe aufs Exempel der unerreichten Genauigkeit bringt die Messung einer Kugel a) symmetrisch, b) an auf- und c) an absteigender Flanke. Die hier dargestellten geringen Abweichungen begründen den exzellenten Ruf des PGI von Taylor Hobson (siehe Bild 5).
PGI plus – Was ist neu?
Das bisherige, bewährte Standard-PGI weist in einem Messbereich von 10mm in Z eine Auflösung von 13 nm und eine Messlänge von 120 mm in X auf. Die X-Achse ist standardmässig mit einem Glasmaßstab ausgestattet und gewährleistet einen gleichmäßigen Datenpunktabstand von 0,25 µm.
Bei dem PGI Plus sind zu diesen allgemeinen Vorzügen folgende Eigenschaften verbessert worden:
0,8 nm Auflösung:
Durch Überarbeitung der Geräteelektronik und verbesserter Datenverarbeitung konnte die Auflösung des Tastsystems auf beachtliche 0,8 nm erhöht werden. Bei einem Messbereich von 10 mm ist das weltweit derzeit unerreicht.
Reduziertes Grundrauschen des Systems:
Alle elektronischen Messinstrumente besitzen ein sogenanntes systemeigenes Grundrauschen. Häufig wird der Anwender durch die pure Angabe der theoretischen Auflösung des Tastsystems irritiert. Entscheidend für die erzielbare Genauigkeit ist außer den zuvor beschriebenen, mechanischen Eigenschaften jedoch das Grundrauschen eines Geräts. Dies gilt besonders bei der Messung von Rauheit auf gefinishten und polierten Flächen. Durch den Einsatz neuester Elektronik und zusätzlich verbesserter Vibrationsdämpfung weist das PGI Plus nun ein Grundrauschen von nur 4 nm Rq auf. Auch dieser Wert wird von keinem anderen, vergleichbaren System unterboten.
Verbesserte Kugelkalibrierung:
Die bereits zuvor beschriebene Taylor Hobson eigene Kalibrierroutine wurde durch verbesserte Algorithmen optimiert. Damit weist das PGI Plus nun einen maximalen Formfehler von 0,2 mm im gesamten kalibrierten Messbereich auf. Herkömmliche Systeme werden meist nur mit einer separaten Fehlerangabe in der X- und Z-Achse charakterisiert. (z.B. in der Form +/- (1 + L/100)µm).
Dies sagt über die erzielbare Genauigkeit auf Werkstücken in Kombination beider Achsen jedoch nichts aus.
Vorteile für Anwender in der Lager- und Optikindustrie
Die zuvor beschriebenen Technologien machen das PGI Plus für zwei Anwendungen ideal: Die Messung von Hoch-Präzisions-Lagern und von Asphärischen Linsen. Hier bietet Taylor Hobson mit dem PGI Plus ausser höchster Genauigkeit in der Rauheits- und Konturmessung die folgenden, ergänzenden Auswertemöglichkeiten:
Gotische Bogen-Analyse:
Kugellagerlaufbahnen weisen inzwischen Formfehler von unter 1 µm und Rauheitsgrössen unter 10 nm Rq auf. Mit dem PGI plus können diese kritischen Kenngrössen gleichzeitig gemessen werden, und dies mit einer Genauigkeit, die kein anderes Tastschnittgerät erreicht.
Eine besondere Ausführung von Kugellagerlaufbahnen ist das sogenannte gotische Profil, da es an die Spitze von alten Kirchenfenstern erinnert. Technisch gesehen handelt es sich um eine Laufbahn, bei der zwei gleich große Radien mit einem bewussten Mittelpunktabstand zueinander angeordnet werden. Dies gewährleistet definierte Kontaktpunkte der Kugel in den Laufbahnen selbst.
Gerade bei der Messung solcher Profile ist die zuvor beschriebene Stärke des PGI plus, sowohl aufsteigende als auch abfallende Radienflanken präzise messen zu können, notwendige Voraussetzung für ein zuverlässiges Ergebnis.
Nach Aufnahme der Messpunkte wird mit der gotischen Bogen Software eine Prüfkugel mit vorgebbarem Durchmesser in das Profil eingepasst. Nach Durchführung der Analyse erhält der Anwender unter anderem die folgenden Messergebnisse: (siehe Bild 7)
– Abstand der Prüfkugel zum tiefsten Punkt der Laufbahn
– Absolutwert des linken und rechten Radius, sowie die Differenz dieser beiden Radienwerte
– Abstand und Versatz der beiden Radienmittelpunkte zueinander in X und Z, sowie als Betrag
– Größe des linken und rechten Kontaktwinkels, deren Summe und Differenz
Asphärenanalyse:
Eine asphärische Optik weist eine komplexe Geometrie auf, die mathematisch über den Scheitelradius, der konischen Konstanten und den asphärischen Koeffizienten beschrieben wird. Bei asphärischen Linsen, die z.B. als Massenprodukt in der Lithografie verwendet werden, darf der Formfehler 0,25 µm nicht überschreiten. Auch für diese Anwendung ist das PGI plus ideal, da außer der absoluten Genauigkeit auch eine geringe Streuung der Messergebnisse gefordert ist.
Die Taylor Hobson Asphärensoftware ermöglicht es zunächst, die zu messende Asphäre mittels der mathematischen Kenngrößen mit bis zu 20 Koeffizienten als Sollkontur zu generieren. Nach Aufnahme der Messwerte werden diese dann gegen die Sollform verglichen und die Abweichungen grafisch dargestellt.
Diese Art der Darstellung ermöglicht eine sofortige Aussage, an welchen Stellen der Linse ihre Form gegebenenfalls korrigiert werden muss. Optional ist es möglich, die Koordinaten der von der Sollform abweichenden Profilpunkte in die Produktionsmaschine einzulesen, damit deren Steuerbefehle dementsprechend korrigiert werden können. Neben der Aussage über den maximalen Formfehler der Asphäre erhält der Anwender gleichzeitig den arithmetischen und quadratischen Mittelwert der Formabweichung (siehe Bild 6).
Lange Tradition
Taylor Hobson Ltd, mit Sitz in Leicester, England ist seit seiner Gründung im Jahre 1886 ein weltweit führender Hersteller von Präzisionsmessgeräten. Dabei wandte sich Taylor Hobson bereits in den 30-er und 40-er Jahren der Entwicklung von Form- und Rauheitsmessgeräten zu, um die Qualität der im Hause gefertigten Optiken und Linsen für die Filmindustrie zu verbessern.
Im Zuge dieser Entwicklung von Messtechnik im eigenen Hause wurde 1979 das erste Form Talysurf vorgestellt. Das Form Talysurf fand ursprünglich seinen größten Anwenderkreis in der Lagerindustrie und gilt dort auch heute noch als das Referenzgerät weltweit. Durch die ständige Weiterentwicklung dieses Systems und der Mitte der 90-er Jahre vorgestellten PGI Technology konnte der Messbereich des Form Talysurfs erheblich vergrößert werden und machte es dadurch nun auch für die Anwendung im Bereich der Präzisionsoptiken besonders interessant.
Durch die zusätzliche Ausstattung mit der leistungsfähigen Windows-Software Ultra wurde das PGI Ende der 90-er Jahre nun auch in diesem Industriezweig zu einem anerkannten Referenz- und Standardmesssystem, insbesondere bei der Messung von Asphären.
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