Uncertainty evaluation and performance verification of a 3D geometric focus-variation measurement

Quality is an important aspect of a product. High quality product ensures the functionality of assembled products and the interchangeability among products from different manufacturers. To verify product quality, tolerance verification (geometrical measurement) by means of coordinate measuring systems has to be carried out. Advancement of manufacturing technology enables a significant reduce of critical dimensions, together with an increase of geometric complexity. This creates challenges in coordinate metrology: tolerances become tighter. Optical-based metrology instruments are a potential option to verify these tolerances. But of course also in this case traceability is a fundamental aspect to ensure reliable measurement results. This thesis addresses the problem of traceability of a focus-variation microscope as 3D coordinate measuring system. First, the traceability of the instrument will be discussed considering its performance. Proposals for reference artifacts and procedures to conduct performance verification according to the ISO10360-8 and ISO10360-3 standards are presented. These proposals consider both 3-axis and 4-axis configurations of the instrument. Second, an approach is presented for task-specific uncertainty evaluation by simulation, coherent with the ISO15530-4 standard. The proposed simulation approach is based on spatial statistic model considering the correlation among captured points. To support the simulation and consider all significant error sources, characterization studies to investigate the influencing factors of measurement by focus-variation microscopy are presented, too. Finally, industrial case studies are carried out to validate the simulator developed. The validation conforms to the ISO15530-4 standard. As a byproduct of this study, algorithms to associate ideal substitute geometries to sampling points will be discussed. An improvement of non-linear least square fitting is presented, based on the optimization of the initial solution through chaos method.

La qualità è un aspetto importante di un prodotto. Un prodotto di alta qualità assicura la funzionalità di un assemblato e l’interscambiabilità tra prodotti provenienti da fornitori diversi. Per test la qualità di un prodotto, la verifica delle tolleranze di progetto (misure geometriche) deve essere effettuato per mezzo di macchine di misura a coordinate. Le tecnologie manifatturiere attualmente in commercio permettono la produzione di finiti caratterizzati da geometrie complesse e dimensioni critiche. Questo processo ha creato una nuova sfida nel campo della metrologia: la misura di caratteristiche con tolleranze sempre più stringenti. Gli strumenti ottici di misura sono diventati uno strumento utile per la verifica di queste tolleranze. La tracciabilità della misura è un importante aspetto per assicurare l’attendibilità del risultati del processo stesso. Questa tesi si occupa del problema della tracciabilità dei microscopi a variazione di fuoco come è stato fatto per i sistemi di misura a coordinate. La tracciabilità dello strumento viene inizialmente discussa considerando le sue prestazioni. Vengono proposti degli artefatti di riferimento e procedure per la verifica delle prestazioni in accordo con le norme ISO10360-8 e ISO10360-3. Questi considerano sia le configurazioni a 3 assi che quelle a 4 assi dello strumento di misura. Viene inoltre proposto un approccio per la valutazione dell’incertezza di uno specifico task di misura per mezzo della simulazione, in accordo con la norma ISO15530-4. L’approccio di simulazione proposto si basa su modelli di statistica spaziale che considera la correlazione tra i punti acquisiti. Come supporto alla simulazione e per considerare tutte le sorgenti di errore significanti, sono stati svolti degli studi per caratterizzare i fattori che influenzano la misura dei microscopi a variazione di fuoco. Infine la valutazione del simulatore sviluppato viene eseguita per mezzo di casi di studio industriali. La validazione è conforme alla norma ISO15530-4. Vengono discussi alcuni algoritmi per modellizare i punti acquisiti. Viene presentato un miglioramento per il fitting ai minimi quadrati non lineari, basato sull’ottimizzazione della soluzione iniziale per mezzo di un metodo semi-casuale.