Technisches Gebiet
[0001] Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Erzeugen von Konturdaten einer Querschnittskontur eines Werkstücks, eine Nachführeinrichtung für eine derartige Anordnung sowie ein Verfahren zum Erzeugen von Konturdaten einer Querschnittskontur eines Werkstücks.
Stand der Technik
[0002] Beim Verarbeiten von länglichen Werkstücken aus Stahl, z.B. Rundstahl in einem Stahlwerk, muss die Qualität der Zwischen- und Endprodukte laufend kontrolliert werden. So werden z.B. nach jedem Bearbeitungsschritt (Walzen, Schälen, Schleifen) Kontrollen in einem Qualitätslabor vorgenommen. Dabei muss beim Rundstahl insbesondere festgestellt werden, ob der Querschnitt des Werkstücks Abweichungen von einer Kreisform aufweist.
Dazu genügt es oft nicht, lediglich herkömmliche (diametrale) Durchmesser des Werkstücks in bestimmten Winkelabständen zu bestimmen, denn bei der Stahlverarbeitung entstehen, insbesondere beim Walzen mit einer ungeraden Zahl von Rollen oder beim Centerless-Schleifen, unrunde Querschnitte, bei welchen der Durchmesser im Wesentlichen konstant ist.
[0003] Bisher wurden derartige Abweichungen manuell bestimmt, wobei 3-Punkt-Bügelmessschrauben mit prismatisch angeordneten Messflächen zum Erzeugen von Konturdaten verwendet wurden. Diese wurden in vorgegebenen Winkelabständen an die Querschnittskontur des Werkstücks angelegt und die entsprechenden polygonalen Durchmesser festgehalten.
[0004] Solche manuellen Messungen waren aufwändig und zeitintensiv, z.
B. wegen der schwierigen Handhabung der Messgeräte und der Werkstücke sowie der Notwendigkeit, alle gemessenen Konturdaten festzuhalten. Ausserdem traten subjektive Unterschiede der Messresultate auf, wenn die Messungen durch verschiedene Personen ausgeführt wurden.
Darstellung der Erfindung
[0005] Aufgabe der Erfindung ist es, eine dem eingangs genannten technischen Gebiet zugehörende Anordnung zu schaffen, welche die rationelle und reproduzierbare Bestimmung von Konturdaten einer Querschnittskontur erlaubt.
[0006] Die Lösung der Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 definiert.
Gemäss der Erfindung umfasst die Anordnung
a) : eine Einspannvorrichtung zum Einspannen des Werkstücks;
b) : eine mechanische Nachführeinrichtung zum Kontaktieren des Werkstücks an zwei Kontaktpunkten der Querschnittskontur des Werkstücks;
c) : eine Positionsbestimmungseinrichtung zum Bestimmen einer Position der mechanischen Nachführeinrichtung und zum Erzeugen von ersten Konturdaten abhängig von der bestimmten Position;
d) :
wobei die Nachführeinrichtung und die Einspannvorrichtung relativ zueinander drehbar sind, so dass die Kontaktpunkte entlang der Querschnittskontur des Werkstücks geführt werden können.
[0007] Die mechanische Nachführeinrichtung, welche das Werkstück an zwei Kontaktpunkten entlang der Querschnittskontur berührt, erlaubt eine schnelle und präzise Bestimmung von Konturdaten, mit welchen Abweichungen von einer Kreisform auch dann erfasst werden können, wenn der diametrale Durchmesser im Wesentlichen konstant ist. Die Einspannvorrichtung gewährleistet, dass sämtliche Werkstücke auf eine definierte Art und Weise, unabhängig von subjektiven Faktoren, in der Anordnung positioniert sind.
Die Drehbarkeit der Nachführeinrichtung gegenüber der Einspannvorrichtung erlaubt schliesslich die Aufnahme einer Messreihe entlang der Querschnittskontur, ohne dass ein erneutes Einspannen des Werkstücks notwendig ist. Dabei ist es unerheblich, ob die Einspannvorrichtung drehbar und die Nachführeinrichtung fest angeordnet ist oder umgekehrt. Diese Eigenschaften führen zu präzisen und reproduzierbaren Resultaten.
[0008] Bevorzugt umfasst die Anordnung eine Verarbeitungseinheit zum Verarbeiten der Konturdaten, welche derart ausgebildet ist, dass Qualitätswerte der Querschnittskontur, insbesondere Minimal-, Maximal- und/oder Durchschnittswerte von diametralen und/oder polygonalen Durchmesserwerten und/oder Ovalitäten, gewonnen werden können. Diese Werte sind ein direktes Mass für die Rundheit des Werkstückquerschnitts.
Zusätzlich können auch weitere Werte wie eine Standardabweichung der Durchmesser oder direkt ein Fähigkeitsindex (process capability index) bestimmt werden, aufgrund denen unmittelbar feststeht, ob die Qualitätsprüfung im Bezug auf die Rundheit bestanden ist.
[0009] Die Verarbeitungseinheit ist beispielsweise eine in der Anordnung integrierte Schaltung, wobei die Qualitätswerte unmittelbar an der Verarbeitungseinheit, z.B. auf einer LCD- oder TFT-Anzeige, angezeigt werden. Die Verarbeitung und Darstellung der Konturdaten kann aber auch auf einem Personal Computer (PC) mit einer entsprechenden Software erfolgen. Dazu werden die Konturdaten über ein Datenkabel oder ein Datennetz (z.B. Ethernet) zum PC übertragen.
Wenn die Berechnung der Qualitätswerte direkt in einer in der Anordnung integrierten Schaltung erfolgt, können in gleicher Weise die berechneten Qualitätswerte an einen PC übertragen werden und z.B. dort dargestellt werden. Die Messprotokolle gelangen so automatisch an den für sie vorgesehenen Zielort.
[0010] Mit Vorteil umfasst die Anordnung eine optische Abtastvorrichtung zum Abtasten der Querschnittskontur des Werkstücks und zum Erzeugen von zweiten Konturdaten.
Die Kombination der optischen Abtastvorrichtung und der mechanischen Nachführeinrichtung erlaubt das simultane Erzeugen sowohl diametraler als auch polygonaler Konturdaten, so dass mit derselben Anordnung die Querschnittskontur sowohl von Werkstücken mit geradzahlig als auch mit ungeradzahlig symmetrischen Abweichungen von der Kreisform vermessen werden kann.
[0011] Mit Vorteil umfasst die optische Abtastvorrichtung die Positionsbestimmungseinrichtung für die mechanische Nachführeinrichtung. Auf diese Weise erzeugt die optische Abtastvorrichtung sowohl unmittelbar die zweiten Konturdaten als auch mittelbar, abhängig von der Position der mechanischen Nachführeinrichtung, die ersten Konturdaten. Es ist also nur eine Einrichtung zum Erzeugen von Konturdaten notwendig, wodurch die Anordnung kostengünstiger hergestellt werden kann.
Die optische Abtastvorrichtung kann ausserdem dazu eingesetzt werden, die mechanische Nachführeinrichtung zu kalibrieren.
[0012] Alternativ kann die mechanische Nachführeinrichtung eine gesonderte Positionsbestimmungseinrichtung zum Erzeugen der ersten Konturdaten aufweisen, welche z.B. die Position der Nachführeinrichtung induktiv oder kapazitiv erfasst und entsprechende Daten erzeugt.
[0013] Bevorzugt ist die optische Abtastvorrichtung durch eine Lichtquelle zum Erzeugen eines ausgedehnten Lichtstrahls, insbesondere durch einen Laser, und einen optischen Sensor gebildet. Die Lichtquelle und der optische Sensor sind derart angeordnet, dass der optische Sensor den ausgedehnten Lichtstrahl in einem Detektionsbereich erfasst und das Werkstück den Lichtstrahl teilweise unterbricht und einen Schatten auf den optischen Sensor wirft.
Weiter ist eine Auswerteeinheit vorhanden, zum Erzeugen der Konturdaten, z.B. zum Messen eines Durchmessers des Werkstücks, aufgrund des detektierten Schattens.
[0014] Der Detektionsbereich wird sowohl durch die Form des Lichtstrahls als auch durch die Orientierung und die Auflösung des optischen Sensors bestimmt: Den Detektionsbereich bildet jene Raumregion, welche vom Lichtstrahl auf dem Weg zum optischen Sensor passiert wird.
Jene Areale, die von einem Anteil des Lichtstrahls beleuchtet werden, der nicht zum optischen Sensor gelangt, und jene Areale, die im Prinzip im Auflösungsbereich des Sensors liegen, aber nicht von der Lichtquelle beleuchtet werden, gehören nicht zum Detektionsbereich.
[0015] Vorzugsweise ist die mechanische Nachführeinrichtung im Wesentlichen ausserhalb des Detektionsbereichs angeordnet und weist einen Vorsprung auf, welcher in den Detektionsbereich hineinragt und einen zweiten Schatten auf den optischen Sensor wirft. Daraus kann die Position der mechanischen Nachführeinrichtung bestimmt werden.
Es können also sowohl der Durchmesser des Werkstücks als auch die Position der Nachführeinrichtung auf die gleiche Weise gemessen werden, so dass eine einzige Auswerteeinheit mit einem einfachen Aufbau ausreicht.
[0016] Bevorzugt ist der Detektionsbereich im Wesentlichen eine Ebene, und die mechanische Nachführeinrichtung weist eine Führung und einen Anschlagteil mit zwei einen Winkel einschliessenden Anschlagflächen auf, welche in einer Führungsebene parallel zur Ebene des Detektionsbereichs verlaufen. Die Führung hält den Anschlagteil in der Führungsebene verschiebbar, aber drehfest.
[0017] Der Schnitt des Detektionsbereichs mit dem Werkstück definiert im Wesentlichen den betrachteten Ausschnitt des Werkstücks. Eine Ebene als Detektionsbereich bedeutet also, dass genau die durch diese Ebene definierte Querschnittsfläche des Werkstücks untersucht wird.
Die Führung der mechanischen Nachführeinrichtung stellt sicher, dass der Anschlagteil mit den Anschlagflächen in der Führungsebene verschiebbar ist und dass die Anschlagflächen das Werkstück an je einem Kontaktpunkt kontaktieren, z.B. mittels einer minimalen Anschlagskraft zwischen Anschlagfläche und Werkstück. Gleichzeitig verhindert die Führung Drehbewegungen des Anschlagteils. Die drehfeste Anordnung garantiert, dass die aktuelle Position der Nachführeinrichtung (und damit der Kontaktpunkte) stets durch zwei Abstände beschrieben werden kann. Durch die zwei Anschlagflächen können Konturdaten von Querschnittskonturen mit stark unterschiedlichen Durchmessern ohne Anpassung der Nachführeinrichtung bestimmt werden.
Die Anschlagflächen können beispielsweise ein dreieckiges Gebiet einschliessen, so dass Konturdaten von Querschnittskonturen auch mit sehr kleinem Durchmesser bestimmt werden können. Die Anschlagflächen können aber auch z.B. ein trapezförmiges Gebiet einschliessen, was die Bestimmung von Konturdaten von Querschnittskonturen mit grossem Durchmesser erlaubt, ohne dass die Position des Werkstücks bzw. der Nachführeinrichtung stark verändert werden muss.
[0018] Alternativ können nur z.B. zwei beabstandete, an einem Anschlagteil angeordnete Anschlagbolzen vorgesehen sein, welche die zwei Kontaktpunkte definieren.
Auf diese Weise kann ein polygonaler Durchmesser aber nur für genau einen Werkstückdurchmesser bestimmt werden, bei kleineren oder grösseren Durchmessern ergeben sich Abweichungen.
[0019] Vorzugsweise weisen sowohl die Einspannvorrichtung als auch die Führungsebene in axialer Richtung des Werkstücks einen minimalen Abstand von der Ebene des Detektionsbereichs auf. Durch den geringen Abstand zwischen der Einspannvorrichtung und der Ebene des Detektionsbereichs wirken sich mögliche Winkelfehler aufgrund einer nicht perfekten Einspannung nur minimal auf die bestimmten Konturdaten aus.
Der geringe Abstand zwischen der Detektionsebene und der Führungsebene stellt sicher, dass durch die mechanische Nachführeinrichtung und durch die optische Abtastvorrichtung im Wesentlichen dieselbe Querschnittsfläche abgetastet wird.
[0020] Mit Vorteil entspricht der Winkel zwischen den Anschlagflächen einer ungeradzahligen Symmetrie. Dadurch kann der entsprechende polygonale Durchmesser bestimmt werden, die Amplitude der Auslenkung der Nachführeinrichtung bei Querschnittskonturen mit derselben ungeradzahligen Symmetrie wird maximiert und Messfehler minimiert.
Der Winkel zwischen den Anschlagflächen beträgt bei einer dreizähligen Symmetrie der Querschnittskontur 60 , bei einer fünfzähligen Symmetrie 108 , bei einer siebenzähligen Symmetrie 128 34 ¾17 ¾ ¾etc.
[0021] Alternativ können andere Winkel gewählt werden, so dass z.B. mit derselben Nachführeinrichtung sowohl Konturdaten von Querschnittskonturen mit drei- und mit fünfzähliger Symmetrie mit ungefähr gleich grosser Messgenauigkeit bestimmt werden können.
[0022] Vorzugsweise umfasst die Führung der mechanischen Nachführeinrichtung eine Wechselhalterung für den Anschlagteil, so dass der Anschlagteil ausgewechselt werden kann, und Anschlagteile mit unterschiedlich angeordneten Anschlagflächen verwendet werden können.
Dadurch kann die Anordnung vom Benutzer auf einfache Weise an den Durchmesser des Werkstückquerschnitts und an die Symmetrie der Werkstücke angepasst werden.
[0023] Mit Vorteil umfassen dabei unterschiedliche Anschlagteile Vorsprünge mit unterschiedlichen Durchmessern. So sind die Anschlagteile mittels der optischen Abtastvorrichtung automatisch identifizierbar.
Die optische Abtastvorrichtung bestimmt aufgrund des durch den Vorsprung verursachten Schattens den Durchmesser des Vorsprungs und entnimmt die geometrischen Parameter (Winkel zwischen den Anschlagflächen, Ort des Vorsprungs relativ zum Schnittpunkt der Anschlagflächen, gegebenenfalls weitere vorgespeicherte Kalibrierungswerte) einer Tabelle, die im Gerät gespeichert ist.
[0024] Alternativ können andere Mittel zur Identifikation der Anschlagteile vorgesehen werden, z.B. ein am Anschlagteil angeordneter induktiver Datenspeicher, welcher beim Einsetzen des Anschlagteils in die Wechselhalterung ausgelesen wird. Schliesslich kann der verwendete Anschlagteil von Hand angewählt werden.
[0025] Mit Vorteil weist die Nachführeinrichtung Federn auf, welche so angeordnet sind, dass die Nachführeinrichtung ständig an das Werkstück gedrückt wird.
Die Federn sind beispielsweise in der Führung angeordnet und drücken die Wechselhalterung mit dem Anschlagteil an das Werkstück. Alternativ können entsprechende Kräfte auch z.B. durch andere elastische oder pneumatische Mittel, Magnete oder das Eigengewicht der Nachführeinrichtung erzeugt werden.
[0026] Bevorzugt umfasst die Einspannvorrichtung ein motorisch angetriebenes Spannfutter. Dadurch kann das Werkstück kontrolliert, frei von Einflüssen des Bedieners, gegenüber der Nachführeinrichtung und der Abtastvorrichtung gedreht werden. Durch die Position des Spannfutters ist auch immer die aktuelle Drehlage des Werkstücks gegeben. Besonders bei schweren Werkstücken wird zudem die Handhabung verbessert.
[0027] Alternativ kann die Drehbewegung auch manuell ausgeführt werden.
Kurze Werkstücke mit niedrigem Schwerpunkt können auch lediglich auf einem Drehteller fixiert werden.
[0028] Die Einspannvorrichtung ist vorzugsweise so angeordnet, dass das Werkstück in seiner Längenausdehnung senkrecht steht. Die optische Abtastvorrichtung und die mechanische Nachführeinrichtung sind derart angeordnet, dass die Querschnittskontur in einer horizontalen Ebene abgetastet und die Kontaktpunkte in einer horizontalen Ebene nachgeführt werden.
[0029] Eine Nachführeinrichtung für die erfindungsgemässe Anordnung zum Erzeugen von Konturdaten weist zwei einen Winkel einschliessende Anschlagflächen zum Kontaktieren des Werkstücks an zwei Kontaktpunkten in einer Kontaktebene auf sowie einen Vorsprung,
der aus der Kontaktebene hinausragt.
[0030] Bei einem Verfahren zum Erzeugen von Konturdaten einer Querschnittskontur eines Werkstücks wird das Werkstück eingespannt. Daraufhin werden folgende Schritte iterativ ausgeführt:
a) : Bestimmen der Position einer mechanischen Nachführeinrichtung, welche das Werkstück an zwei Kontaktpunkten kontaktiert zum Erzeugen von ersten Konturdaten;
b : Bringen des Werkstücks in eine um eine Achse senkrecht zur Querschnittskontur gedrehte neue Position relativ zur Nachführeinrichtung;
c) :
Nachführen der mechanischen Nachführeinrichtung entlang der Querschnittskontur des Werkstücks.
[0031] Aus der nachfolgenden Detailbeschreibung und der Gesamtheit der Patentansprüche ergeben sich weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Merkmalskombinationen der Erfindung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
[0032] Die zur Erläuterung des Ausführungsbeispiels verwendeten Zeichnungen zeigen:
<tb>Fig. 1<sep>eine Schrägansicht einer erfindungsgemässen Anordnung zum Erzeugen von Konturdaten einer Querschnittskontur eines Werkstücks;
<tb>Fig. 2<sep>eine schematische Darstellung der Funktionsweise der erfindungsgemässen Anordnung;
<tb>Fig. 3<sep>eine Schrägansicht einer erfindungsgemässen mechanischen Nachführeinrichtung;
<tb>Fig. 4<sep>eine schematische Darstellung eines erfindungsgemässen Nachführprismas für Werkstücke mit dreizähliger Symmetrie und kleinem Durchmesser;
<tb>Fig. 5<sep>eine schematische Darstellung eines erfindungsgemässen Nachführprismas für Werkstücke mit dreizähliger Symmetrie und grossem Durchmesser;
<tb>Fig. 6<sep>eine schematische Darstellung eines erfindungsgemässen Nachführprismas für Werkstücke mit fünfzähliger Symmetrie;
<tb>Fig. 7A, 7B<sep>schematische Darstellungen der Geometrie der Kalibration und der Messung von polygonalen Durchmessern.
[0033] Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Wege zur Ausführung der Erfindung
[0034] Die Fig. 1 zeigt eine Schrägansicht einer erfindungsgemässen Anordnung zum Erzeugen von Konturdaten einer Querschnittskontur eines Werkstücks. Das Werkstück 1 hat eine langgestreckte, ungefähr zylindrische Form. Es ist in einer Einspannvorrichtung 10 mit einem drehbaren Spannfutter 11 eingespannt, wobei die Zylinderachse senkrecht steht. Das Spannfutter 11 ragt oben aus dem Basisteil 21 eines U-förmigen Gehäuses 20 heraus. Innerhalb des Basisteils 21 befindet sich die drehbare Lagerung des Spannfutters 11 sowie ein Motor zum Drehen des Spannfutters 11.
Das Spannfutter 11 ist somit gemeinsam mit dem eingespannten Werkstück 1 um eine vertikale Drehachse 12 im Uhrzeigersinn 13 drehbar. Die Drehachse 12 korrespondiert ungefähr mit der Zylinderachse des Werkstücks 1. Die Einspannvorrichtung 10 umfasst ebenfalls Mittel zur Bestimmung der aktuellen Winkelposition des Werkstücks 1. Ist das Spannfutter 11 an einen Schrittmotor gekoppelt, kann die Winkelposition durch die Motorsteuerung vorgegeben werden. Alternativ wird der Winkel durch einen an sich bekannten Drehgeber ermittelt.
[0035] Im linken Schenkel 22 ist eine Laser-Lichtquelle 30 angeordnet, ein Linienlaser, welcher einen in einer horizontalen Strahlebene ausgedehnten Lichtstrahl 31 aussendet. Die horizontale Strahlebene befindet sich in einem geringen Abstand oberhalb des Spannfutters 11 der Einspannvorrichtung 10.
Auf der Gegenseite, im rechten Schenkel 23 des Gehäuses 20 ist ein optischer Sensor 40 angeordnet, dessen Messfenster im Wesentlichen jenen Bereich der Innenseite des rechten Schenkels 23 abdeckt, welcher vom Lichtstrahl 31 erreicht werden kann. Die Laser-Lichtquelle 30 und der optische Sensor bilden also einen an sich bekannten Laserscanner.
[0036] Oberhalb der horizontalen Strahlebene ist ein mechanischer Anschlagteil, nämlich ein Nachführprisma 50, angeordnet, dessen Hauptfläche 51 horizontal, also senkrecht zur Längsachse des Werkstücks 1, orientiert ist. Das Nachführprisma 50 ist drehfest, aber in seiner horizontalen Ebene in Längsrichtung 52 und Querrichtung 53 des Lichtstrahls 31 verschiebbar gelagert. Zugunsten einer besseren Übersichtlichkeit ist die Lagerung des Nachführprismas 50 hier nicht dargestellt (siehe Fig. 3).
Das Nachführprisma 50 umfasst einen Basisteil 54, an welchem einstückig zwei Schenkel 55, 56 ausgebildet sind, welche je eine im Wesentlichen dreieckige Form aufweisen und wie der Basisteil 54 in der Horizontalebene des Nachführprismas 50 verlaufen. Die Schenkel 55, 56 schliessen einen Bereich mit einer dreieckigen Fläche ein, die Innenseiten der Schenkel 55, 56 bilden zwei einen Winkel 57 einschliessende Anschlagflächen.
[0037] Zum Einspannen des Werkstücks 1 kann das Nachführprisma 50 in eine Ruheposition verfahren werden, so dass das Werkstück 1 ungehindert in das Spannfutter 11 eingeführt werden kann.
Sobald das Werkstück 1 eingespannt ist, wird das Nachführprisma 50 in seine Arbeitsposition gebracht.
[0038] Sowohl zwischen dem Spannfutter 11 und der horizontalen Strahlebene des Lichtstrahls 31 als auch zwischen der Strahlebene und der Hauptfläche 51 des Nachführprismas 50 sind die Abstände so klein wie möglich gewählt, d. h. gerade so, dass der Lichtstrahl weder vom Spannfutter 11 noch von der Hauptfläche 51 des Nachführprismas 50 gestört wird. Durch diese minimalen Abstände werden mögliche Fehler, insbesondere aufgrund von Ungenauigkeiten der Einspannung des Werkstücks 1 in der Einspannvorrichtung 10, minimiert.
Der geringe Abstand zwischen der Strahlebene und dem Nachführprisma 50 stellt ausserdem sicher, dass die optischen und die mechanischen Messungen praktisch in derselben Ebene erfolgen.
[0039] Die Fig. 2 ist eine schematische Darstellung der Funktionsweise der erfindungsgemässen Anordnung. Das Werkstück 1 ist so in der erfindungsgemässen Anordnung eingespannt, dass es die Strahlebene des Lichtstrahls 31 durchdringt, so dass auf der von der Laser-Lichtquelle 30 abgewandten Seite des Werkstücks 1 ein Schatten 61 gebildet wird. Dessen Breite und Position wird vom optischen Sensor 40 detektiert. Die Breite ist ein Mass für den diametralen Durchmesser des Werkstückquerschnitts in der Strahlebene, gemessen in Querrichtung zum Lichtstrahl 31.
Oberhalb der Strahlebene wird das Werkstück 1 entlang seiner Kontur an zwei Punkten 71, 72 von den Anschlagflächen der Schenkel 55, 56 des Nachführprismas 50 kontaktiert. Die Position des Nachführprismas 50 ist also durch die Querschnittskontur des Werkstücks 1 festgelegt. Zusammen mit der optisch gemessenen Position des vordersten Punktes 73 des Werkstücks 1 kann der sogenannte polygonale Durchmesser bestimmt werden, also der Durchmesser eines Kreises, welcher durch die drei Tangenten auf den drei Punkten 71, 72, 73 definiert ist.
[0040] Das Nachführprisma 50 weist auf seiner Unterseite einen dornartigen Vorsprung 58 auf, welcher senkrecht nach unten ragt und die Strahlebene des Lichtstrahls 31 durchdringt. So wird ein zweiter Schatten 62 gebildet. Auch dessen Breite und Position wird vom optischen Sensor 40 detektiert.
Für die aktuelle Position des Werkstücks 1 können nun also sowohl der diametrale Durchmesser in Querrichtung zum Lichtstrahl 31 als auch der polygonale Durchmesser, wie er durch die drei Punkte 71, 72, 73 definiert ist, bestimmt werden. Diese Messwerte werden in einem Speicher einer im Gehäuse 20 eingebauten Datenverarbeitungseinrichtung abgelegt.
[0041] Das Spannfutter 11 der Einspannvorrichtung 10 wird nun zusammen mit dem Werkstück 1 um einen gewissen Drehwinkel gedreht, worauf die genannten Messungen der diametralen und polygonalen Durchmesser wiederholt werden. Auch diese Werte werden gespeichert. Diese Prozedur wird so oft wiederholt, bis das Werkstück eine ganze Umdrehung um seine Längsachse ausgeführt hat.
Die Messungen können in sehr schneller Folge ausgelöst werden, bei 1000 Messungen pro Sekunde kann beispielsweise in zwei Sekunden bereits eine vollständige Erfassung mit einer Winkelauflösung von ca. 10 Bogenminuten durchgeführt werden.
[0042] Aus den in der Datenverarbeitungseinrichtung gespeicherten Werten für die diametralen und polygonalen Durchmesser lassen sich nun auf einfache Weise das Minimum, das Maximum und der Durchschnitt ermitteln.
Auch die Ovalitäten als Differenz der maximalen und minimalen Werte, die Standardabweichung der Durchmesser oder ein Fähigkeitsindex können bestimmt werden, so dass unmittelbare Kennzahlen für die Qualität der Rundheit des Querschnitts zur Verfügung stehen.
[0043] In der Fig. 2 ist mit unterbrochenen Linien auch die Position des Nachführprismas 50 eingezeichnet, welche sich beim Einspannen eines Werkstück 2 mit kleinem Durchmesser ergibt. Die entsprechenden Bezugszeichen sind mit einem Hochstrich versehen. Die Position der Längsachse des Werkstücks 2 wird durch das Spannfutter 11 vorgegeben und stimmt ungefähr mit der Position der Längsachse des Werkstücks 1 mit grösserem Durchmesser überein.
Das Nachführprisma 50 ¾ ist aber so weit nach vorne verschoben, dass das Werkstück 2 wiederum an zwei Punkten 71 ¾, 72 ¾ seiner Querschnittskontur von den Anschlagflächen der Schenkel 55 ¾, 56 ¾ kontaktiert wird. Auch in dieser Situation werden die Schatten des Werkstücks 2 und des Vorsprungs 58 ¾ so innerhalb der Strahlebene erzeugt, dass sie durch den Sensor 40 erfasst werden können. Dasselbe Nachführprisma 50, 50 ¾ ist also in der Lage, Konturdaten einer Querschnittskontur von Werkstücken 1, 2 mit stark unterschiedlichen Durchmessern zu erzeugen.
[0044] Die Fig. 3 zeigt eine Schrägansicht einer erfindungsgemässen Nachführeinrichtung. Diese wird durch einen Anschlagteil, das Nachführprisma 50, und eine Führung 80 gebildet, wobei das Nachführprisma 50 in der Führung 80 gehalten ist und von ihr geführt wird.
Die Führung 80 weist einen Basisteil 81 auf, in welchem ein Vorderteil 82 so geführt ist, z.B. mittels Schienen, dass er relativ zum Basisteil 81 in Querrichtung zum Lichtstrahl, d.h. nach vorne und nach hinten, verschoben werden kann. Der maximal mögliche Verschiebungsweg ist so gross gewählt, dass Konturdaten von Werkstücken mit unterschiedlichem Durchmesser erzeugt werden können (siehe Fig. 2) und dass die Ruheposition des Nachführprismas 50 erreicht werden kann. Der Vorderteil 82 weist einen horizontalen Schlitz 83 auf, aus welchem das Nachführprisma 50 nach vorne ragt. Die Breite des Schlitzes 83 ist grösser als jene des Nachführprismas 50. Dieses lässt sich also auch in Längsrichtung, d.h. nach rechts und nach links, verschieben.
Dazu ist innerhalb des Vorderteils 82 ein auf Schienen in Längsrichtung bewegbarer Wagen angeordnet, an welchem das Nachführprisma 50 lösbar eingeklinkt ist. Das Nachführprisma 50 lässt sich also auf einfache Art und Weise durch ein anderes Nachführprisma ersetzen.
[0045] Damit das Nachführprisma die Querschnittskontur des Werkstücks ständig an zwei Punkten kontaktiert, sind im Basisteil 81 Federn angeordnet, welche den Vorderteil 82 nach vorne drücken. Der Federdruck führt gleichzeitig dazu, dass sich das Nachführprisma 50 auch in Längsrichtung der Querschnittskontur anpasst.
[0046] Die Führung für das Nachführprisma kann anders aufgebaut sein, sowohl die Längs- als auch die Querbewegung können beispielsweise jeweils mittels Führungsschienen, mittels eines Scherenantriebs oder einer Spindel ermöglicht werden.
Anstelle einer Feder kann ausserdem z.B. ein Permanent- oder Elektromagnet eingesetzt werden, welcher das Nachführprisma an das Werkstück andrückt.
[0047] Die Fig. 4 ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemässen Nachführprismas für Werkstücke mit dreizähliger Symmetrie und kleinem Durchmesser. Sein Aufbau entspricht dem in den Fig. 1-3 gezeigten Nachführprisma 50. Die Innenseiten der Schenkel 55, 56 schliessen einen Winkel von 60 deg. ein, so dass das Nachführprisma 50 Werkstücken mit dreizähliger Symmetrie angepasst ist. Gemessen wird also mittels dieses Nachführprismas 50 ein trigonaler Durchmesser.
[0048] Die Fig. 5 ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemässen Nachführprismas für Werkstücke mit dreizähliger Symmetrie und grossem Durchmesser.
Das Nachführprisma 90 weist wiederum einen Basisteil 94 auf und zwei Schenkel 95, 96 mit einer im Wesentlichen dreieckigen Form. Die Schenkel 95, 96 schliessen nun aber einen trapezförmigen Bereich ein, d.h. die Innenseiten der Schenkel 95, 96 treffen nicht unmittelbar aufeinander, sondern sind durch eine parallel zum Lichtstrahl 31 verlaufende hintere Seite miteinander verbunden. Dadurch lässt sich bei Werkstücken mit grösseren Durchmessern vermeiden, dass Ränder der zu vermessenden Schatten nicht mehr im Erfassungsbereich des optischen Sensors liegen. Gleichzeitig ist es vorteilhaft, wenn die Einspannvorrichtung gegenüber dem Lichtstrahl 31 in Querrichtung verschoben werden kann.
Wie anhand der Schatten 61 ¾, 62 ¾ zu erkennen ist, liegen diese nun auch bei einem Werkstück 3 mit erheblich grösserem Durchmesser noch innerhalb des vom optischen Sensor erfassten Bereichs des Lichtstrahls 31. Durch Einsetzen des Nachführprismas 90 kann also der Durchmesserbereich erheblich vergrössert werden.
[0049] Der dornartige Vorsprung 98 ist wiederum mittig hinter dem trapezförmigen Bereich angeordnet, liegt hier aber vor dem (imaginären) Schnittpunkt der Innenseiten der Schenkel 95, 96.
Der Vorsprung 98 weist ausserdem einen unterschiedlichen Durchmesser auf vom entsprechenden Vorsprung 58 des Nachführprismas 50 für kleinere Werkstückdurchmesser, so dass die unterschiedlichen Nachführprismen von der erfindungsgemässen Anordnung automatisch identifiziert werden können.
[0050] Die Fig. 6 ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemässen Nachführprismas 100 für Werkstücke mit fünfzähliger Symmetrie. Sein Aufbau entspricht weitgehend dem des Nachführprismas 50 in der Fig. 4. Im Unterschied dazu schliessen die Innenseiten der Schenkel 105, 106 hier aber einen Winkel von 108 deg. ein, der einem Innenwinkel eines regulären Fünfecks entspricht. Mittels des Nachführprismas 100 wird also ein pentagonaler Durchmesser bestimmt.
Zur automatischen Identifikation des Nachführprismas ist der Durchmesser des dornartigen Vorsprungs 108 wiederum verschieden von denjenigen der anderen Nachführprismen 50, 90.
[0051] Die Fig. 7A, 7B sind schematische Darstellungen der Geometrie der Messung von polygonalen Durchmessern am Beispiel eines Nachführprismas 50 für trigonale Durchmesser. Das zur Verfügung stehende Messfeld MF wird durch die Ausdehnung des Lichtstrahls und den Empfindlichkeitsbereich des optischen Sensors bestimmt. Der Referenzdorn 58 weist einen Durchmesser d auf, welcher von der Anordnung zur Identifikation des verwendeten Nachführprismas 50 verwendet wird. Zum Kalibrieren des Nachführprismas 50 wird dieses in seine Führung eingeklinkt. Ausserdem wird ein Referenzkörper 5 mit exakt kreisförmigem Querschnitt und von bekanntem Durchmesser D in die Einspannvorrichtung eingespannt.
In einem ersten Schritt wird die optische Abtastvorrichtung auf den Durchmesser D kalibriert. Gleichzeitig können die kalibrierten Messwerte A als Abstand einer Bezugslinie, die vom hinteren Rand des Messfeldes MF gebildet wird, vom hinteren Rand des Referenzdorns 58 und H2 als Abstand der Bezugslinie zum vorderen Rand des Referenzkörpers 5 bestimmt werden.
[0052] Aufgrund des 60 -Winkels zwischen den Innenflächen der Schenkel 55, 56 ergibt sich für die Grösse H als Abstand der Vorderseite des Referenzkörpers 5 vom Schnittpunkt der Innenflächen H =1.5 X D. Der Bezugsabstand B zwischen dem Mittelpunkt des Dorns 58 und dem Schnittpunkt der Innenflächen ergibt sich schliesslich durch B = H2-A-H.
Dieser Bezugsabstand B kann auch einen negativen Wert annehmen, wenn der Schnittpunkt der Innenflächen der Schenkel 55, 56 hinter den Mittelpunkt des Dorns 58 zu liegen kommt (siehe z.B. Fig. 5). Damit ist der Kalibierungsvorgang für das Nachführprisma 50 abgeschlossen.
[0053] In der Fig. 7B ist der eigentliche Messvorgang dargestellt. Zuerst wird ein Werkstück 6 mit unbekanntem Querschnitt in die Einspannvorrichtung eingespannt. Das Nachführprisma 50 kontaktiert das Werkstück 6 an zwei Kontaktpunkten 71 ¾ ¾, 72 ¾ ¾ der Kontur. Im dargestellten Fall ist das Nachführprisma 50 aufgrund der Unrundheit des Werkstücks 6 gegenüber der Kalibrierstellung in Querrichtung nach vorne verschoben. Der diametrale Durchmesser D wird durch die optische Abtastvorrichtung gemessen, desgleichen A und H2.
Mit Hilfe des aus der Kalibration bekannten Bezugsabstands B lässt sich nun die Höhe H des den Körper umschreibenden gleichseitigen Dreiecks mittels H = H2-(A+B) berechnen. Der trigonale Durchmesser D_tr ergibt sich schliesslich als D_tr = 2/3 x H. Die Position des Nachführprismas in Längsrichtung relativ zum Lichtstrahl ist für die Bestimmung des polygonalen Durchmessers also nicht relevant und muss nicht bestimmt werden.
[0054] Das Werkstück wird nun durch die Einspannvorrichtung in die nächste Position gedreht, worauf wiederum der diametrale Durchmesser D und der trigonale Durchmesser D_tr bestimmt werden können.
[0055] Das Verfahren lässt sich analog auf Werkstücke mit höherer ungeradzahliger Symmetrie übertragen.
Anstelle eines Nachführprismas mit einem Winkel von 60 deg. zwischen den Innenseiten der Schenkel wird nun ein Nachführprisma mit einem Winkel von 108 deg. (Fünfeck, pentagonaler Durchmesser D_pe) bzw. 128 34 ¾17 ¾ ¾ (Siebeneck, heptagonaler Durchmesser D_hep) etc. verwendet. Zur Berechnung des polygonalen Durchmessers werden entsprechend andere Faktoren verwendet, z.B. D_pe = 0.89443 x H oder D_hep = 0.94790 x H.
[0056] Zusammenfassend ist festzustellen, dass die Erfindung eine Anordnung und ein Verfahren zum Erzeugen von Konturdaten einer Querschnittskontur eines Werkzeugs schafft, welche die rationelle und reproduzierbare Bestimmung von Konturdaten einer Querschnittskontur erlauben.
Technical area
The invention relates to an arrangement for generating contour data of a cross-sectional contour of a workpiece, a tracking device for such an arrangement and a method for generating contour data of a cross-sectional contour of a workpiece.
State of the art
When processing elongate steel workpieces, e.g. Round steel in a steel mill, the quality of the intermediate and end products must be constantly monitored. Thus, e.g. After each processing step (rolling, peeling, grinding), checks are carried out in a quality laboratory. In particular, it must be determined in the case of the round steel whether the cross section of the workpiece has deviations from a circular shape.
For this purpose, it is often not sufficient to determine only conventional (diametrical) diameters of the workpiece at certain angular intervals, because in steel processing, in particular when rolling with an odd number of rollers or Centerless grinding, non-circular cross-sections, in which the diameter substantially is constant.
So far, such deviations have been determined manually, with 3-point outside micrometers were used with prismatic measuring surfaces for generating contour data. These were applied at predetermined angular distances to the cross-sectional contour of the workpiece and held the corresponding polygonal diameter.
Such manual measurements were laborious and time consuming, z.
Because of the difficult handling of the measuring instruments and the workpieces as well as the need to record all measured contour data. In addition, subjective differences in the measurement results occurred when the measurements were made by different persons.
Presentation of the invention
The object of the invention is to provide a the technical field mentioned above belonging arrangement, which allows the rational and reproducible determination of contour data of a cross-sectional contour.
The solution of the problem is defined by the features of claim 1.
According to the invention, the arrangement comprises
a): a clamping device for clamping the workpiece;
b): a mechanical tracking device for contacting the workpiece at two contact points of the cross-sectional contour of the workpiece;
c): a position determination device for determining a position of the mechanical tracking device and for generating first contour data as a function of the determined position;
d):
wherein the tracking device and the clamping device are rotatable relative to each other, so that the contact points along the cross-sectional contour of the workpiece can be performed.
The mechanical tracking device, which contacts the workpiece at two contact points along the cross-sectional contour, allows a fast and precise determination of contour data, with which deviations from a circular shape can be detected even if the diametric diameter is substantially constant. The jig ensures that all workpieces are positioned in a defined manner, independent of subjective factors, in the assembly.
The rotatability of the tracking device relative to the clamping device finally allows the recording of a series of measurements along the cross-sectional contour, without a re-clamping of the workpiece is necessary. It is irrelevant whether the jig rotatable and the tracking is fixed or vice versa. These properties lead to precise and reproducible results.
Preferably, the arrangement comprises a processing unit for processing the contour data, which is designed such that quality values of the cross-sectional contour, in particular minimum, maximum and / or average values of diametral and / or polygonal diameter values and / or ovalities, can be obtained. These values are a direct measure of the roundness of the workpiece cross-section.
In addition, further values such as a standard deviation of the diameters or directly a capability index can be determined, on the basis of which it is immediately clear whether the roundness quality test has been passed.
The processing unit is, for example, an integrated circuit in the array, the quality values being applied directly to the processing unit, e.g. on an LCD or TFT display. The processing and representation of the contour data can also be done on a personal computer (PC) with appropriate software. For this purpose, the contour data is transmitted to the PC via a data cable or a data network (for example Ethernet).
Similarly, if the calculation of the quality values is done directly in an array integrated circuit, the calculated quality values can be transmitted to a PC and e.g. be presented there. The measurement logs will automatically reach their intended destination.
Advantageously, the arrangement comprises an optical scanning device for scanning the cross-sectional contour of the workpiece and for generating second contour data.
The combination of the optical scanning device and the mechanical tracking device allows the simultaneous production of both diametrical and polygonal contour data, so that with the same arrangement, the cross-sectional contour of both even and odd-symmetrical deviations from the circular shape can be measured.
Advantageously, the optical scanning device comprises the position determining device for the mechanical tracking device. In this way, the optical scanning device generates both the second contour data directly and indirectly, depending on the position of the mechanical tracking device, the first contour data. So it is only a means for generating contour data necessary, whereby the arrangement can be produced more cheaply.
The optical scanning device can also be used to calibrate the mechanical tracking device.
Alternatively, the mechanical tracking device may comprise a separate position-determining device for generating the first contour data, which may be e.g. detects the position of the tracking device inductively or capacitively and generates corresponding data.
Preferably, the optical scanning device is formed by a light source for generating an extended light beam, in particular by a laser, and an optical sensor. The light source and the optical sensor are arranged such that the optical sensor detects the extended light beam in a detection area and the workpiece partially interrupts the light beam and casts a shadow on the optical sensor.
Furthermore, there is an evaluation unit for generating the contour data, e.g. for measuring a diameter of the workpiece due to the detected shadow.
The detection range is determined both by the shape of the light beam and by the orientation and the resolution of the optical sensor: The detection area forms that region of space which is passed by the light beam on the way to the optical sensor.
Those areas which are illuminated by a portion of the light beam which does not reach the optical sensor and those areas which are in principle in the resolution range of the sensor but are not illuminated by the light source do not belong to the detection area.
Preferably, the mechanical tracking device is arranged substantially outside the detection area and has a projection which projects into the detection area and casts a second shadow on the optical sensor. From this, the position of the mechanical tracking device can be determined.
Thus, both the diameter of the workpiece and the position of the tracking device can be measured in the same way, so that a single evaluation unit with a simple structure is sufficient.
Preferably, the detection area is substantially a plane, and the mechanical tracking device has a guide and a stop member with two an angle enclosing stop surfaces, which extend in a guide plane parallel to the detection area. The guide holds the stop member in the management level displaceable, but rotatably.
The section of the detection area with the workpiece essentially defines the considered section of the workpiece. A plane as a detection area thus means that exactly the cross-sectional area of the workpiece defined by this plane is examined.
The guidance of the mechanical tracking device ensures that the stop member is displaceable with the stop surfaces in the guide plane and that the stop surfaces contact the workpiece at each contact point, e.g. by means of a minimal impact force between stop surface and workpiece. At the same time, the guide prevents rotational movements of the stop member. The rotationally fixed arrangement guarantees that the current position of the tracking device (and thus the contact points) can always be described by two distances. Due to the two abutment surfaces contour data of cross-sectional contours can be determined with very different diameters without adjustment of the tracking device.
The stop surfaces may for example include a triangular area, so that contour data of cross-sectional contours can be determined even with a very small diameter. However, the stop surfaces may also be e.g. Include a trapezoidal area, which allows the determination of contour data of cross-sectional contours with large diameter, without the position of the workpiece or the tracking device must be changed greatly.
Alternatively, only e.g. two spaced, arranged on a stop member stop bolts may be provided which define the two contact points.
In this way, a polygonal diameter can only be determined for exactly one workpiece diameter, with smaller or larger diameters results in deviations.
Preferably, both the clamping device and the guide plane in the axial direction of the workpiece at a minimum distance from the plane of the detection area. Due to the small distance between the clamping device and the plane of the detection area, possible angular errors due to incomplete clamping only have a minimal effect on the determined contour data.
The small distance between the detection plane and the guide plane ensures that substantially the same cross-sectional area is scanned by the mechanical tracking device and by the optical scanning device.
Advantageously, the angle between the abutment surfaces corresponds to an odd-numbered symmetry. Thereby, the corresponding polygonal diameter can be determined, the amplitude of the deflection of the tracking device for cross-sectional contours with the same odd-numbered symmetry is maximized and measurement errors are minimized.
The angle between the abutment surfaces is at a threefold symmetry of the cross-sectional contour 60, at a five-fold symmetry 108, at a seven-fold symmetry 128 34 ¾17 ¾ Etc.
Alternatively, other angles can be chosen so that e.g. Both contour data of cross-sectional contours with three and five-fold symmetry can be determined with approximately the same accuracy of measurement with the same tracking device.
Preferably, the leadership of the mechanical tracking device comprises a removable holder for the stop member, so that the stop member can be replaced, and stop members can be used with differently arranged stop surfaces.
As a result, the arrangement can be adapted by the user in a simple manner to the diameter of the workpiece cross-section and to the symmetry of the workpieces.
Advantageously, different stop members include projections with different diameters. Thus, the stop members are automatically identifiable by means of the optical scanning device.
The optical scanning device determines the diameter of the protrusion due to the shadow caused by the protrusion and extracts the geometric parameters (angle between the abutment surfaces, location of the protrusion relative to the intersection of the abutment surfaces, optionally further prestored calibration values) of a table stored in the device.
Alternatively, other means for identifying the stop members may be provided, e.g. an arranged on the stop part inductive data storage, which is read when inserting the stop member in the removable holder. Finally, the used stop part can be selected manually.
Advantageously, the tracking device on springs, which are arranged so that the tracking device is constantly pressed against the workpiece.
The springs are arranged for example in the guide and press the change holder with the stop member to the workpiece. Alternatively, corresponding forces may also be used e.g. be generated by other elastic or pneumatic means, magnets or the weight of the tracking device.
Preferably, the clamping device comprises a motor-driven chuck. As a result, the workpiece can be controlled, rotated free of influences of the operator, with respect to the tracking device and the scanning device. Due to the position of the chuck always the current rotational position of the workpiece is given. Especially with heavy workpieces handling is also improved.
Alternatively, the rotational movement can also be performed manually.
Short workpieces with a low center of gravity can only be fixed on a turntable.
The clamping device is preferably arranged so that the workpiece is perpendicular in its longitudinal extent. The optical scanning device and the mechanical tracking device are arranged such that the cross-sectional contour scanned in a horizontal plane and the contact points are tracked in a horizontal plane.
A tracking device for the inventive arrangement for generating contour data has two an angle enclosing stop surfaces for contacting the workpiece at two contact points in a contact plane and a projection,
which protrudes from the contact level.
In a method for generating contour data of a cross-sectional contour of a workpiece, the workpiece is clamped. The following steps are then performed iteratively:
a): determining the position of a mechanical tracking device which contacts the workpiece at two contact points to generate first contour data;
b: Bring the workpiece in a rotated about an axis perpendicular to the cross-sectional contour new position relative to the tracking device;
c):
Tracking the mechanical tracking device along the cross-sectional contour of the workpiece.
From the following detailed description and the totality of the claims, there are further advantageous embodiments and feature combinations of the invention.
Brief description of the drawings
The drawings used to explain the embodiment show:
<Tb> FIG. 1 <sep> is an oblique view of an inventive arrangement for generating contour data of a cross-sectional contour of a workpiece;
<Tb> FIG. 2 <sep> is a schematic representation of the operation of the inventive arrangement;
<Tb> FIG. 3 <sep> is an oblique view of an inventive mechanical tracking device;
<Tb> FIG. 4 <sep> is a schematic representation of a Nachführprismas invention for workpieces with threefold symmetry and small diameter.
<Tb> FIG. 5 <sep> is a schematic representation of a Nachführprismas invention for workpieces with threefold symmetry and large diameter;
<Tb> FIG. 6 <sep> is a schematic representation of a Nachführprismas invention for workpieces with fünfzähliger symmetry;
<Tb> FIG. 7A, 7B <sep> schematic representations of the geometry of the calibration and the measurement of polygonal diameters.
Basically, the same parts are provided with the same reference numerals in the figures.
Ways to carry out the invention
Fig. 1 shows an oblique view of an inventive arrangement for generating contour data of a cross-sectional contour of a workpiece. The workpiece 1 has an elongate, approximately cylindrical shape. It is clamped in a clamping device 10 with a rotatable chuck 11, wherein the cylinder axis is vertical. The chuck 11 protrudes at the top out of the base part 21 of a U-shaped housing 20. Within the base part 21 is the rotatable mounting of the chuck 11 and a motor for rotating the chuck 11th
The chuck 11 is thus rotatable together with the clamped workpiece 1 about a vertical axis of rotation 12 in the clockwise direction 13. The axis of rotation 12 corresponds approximately to the cylinder axis of the workpiece 1. The clamping device 10 also includes means for determining the current angular position of the workpiece 1. If the chuck 11 coupled to a stepper motor, the angular position can be specified by the motor control. Alternatively, the angle is determined by a known rotary encoder.
In the left leg 22, a laser light source 30 is arranged, a line laser, which emits an extended in a horizontal beam plane light beam 31. The horizontal beam plane is located at a slight distance above the chuck 11 of the clamping device 10.
On the opposite side, in the right leg 23 of the housing 20, an optical sensor 40 is arranged, the measuring window covers substantially that area of the inside of the right leg 23, which can be achieved by the light beam 31. The laser light source 30 and the optical sensor thus form a known laser scanner.
Above the horizontal beam plane is a mechanical stop member, namely a Nachführprisma 50, arranged, the main surface 51 is oriented horizontally, ie perpendicular to the longitudinal axis of the workpiece 1. The Nachführprisma 50 is rotationally fixed, but slidably mounted in its horizontal plane in the longitudinal direction 52 and transverse direction 53 of the light beam 31. For the sake of clarity, the mounting of the Nachführprismas 50 is not shown here (see Fig. 3).
The Nachführprisma 50 includes a base portion 54, on which integrally two legs 55, 56 are formed, each having a substantially triangular shape and as the base portion 54 in the horizontal plane of Nachführprismas 50 extend. The legs 55, 56 include an area with a triangular surface, the inner sides of the legs 55, 56 form two an angle 57 enclosing stop surfaces.
For clamping the workpiece 1, the Nachführprisma 50 are moved to a rest position, so that the workpiece 1 can be freely inserted into the chuck 11.
Once the workpiece 1 is clamped, the Nachführprisma 50 is brought into its working position.
Both between the chuck 11 and the horizontal beam plane of the light beam 31 and between the beam plane and the main surface 51 of the Nachführprismas 50, the distances are chosen as small as possible, d. H. just so that the light beam is disturbed neither by the chuck 11 nor by the main surface 51 of the Nachführprismas 50. These minimum distances minimize possible errors, in particular due to inaccuracies in the clamping of the workpiece 1 in the clamping device 10.
The small distance between the plane of the beam and the Nachführprisma 50 also ensures that the optical and mechanical measurements take place practically in the same plane.
Fig. 2 is a schematic representation of the operation of the inventive arrangement. The workpiece 1 is clamped in the arrangement according to the invention such that it penetrates the beam plane of the light beam 31, so that a shadow 61 is formed on the side of the workpiece 1 facing away from the laser light source 30. Whose width and position is detected by the optical sensor 40. The width is a measure of the diametric diameter of the workpiece cross-section in the beam plane, measured in the transverse direction to the light beam 31.
Above the beam plane, the workpiece 1 is contacted along its contour at two points 71, 72 by the abutment surfaces of the legs 55, 56 of the tracking prism 50. The position of Nachführprismas 50 is thus determined by the cross-sectional contour of the workpiece 1. Together with the optically measured position of the foremost point 73 of the workpiece 1, the so-called polygonal diameter can be determined, ie the diameter of a circle, which is defined by the three tangents on the three points 71, 72, 73.
The Nachführprisma 50 has on its underside a thorn-like projection 58 which projects vertically downwards and penetrates the beam plane of the light beam 31. Thus, a second shadow 62 is formed. Its width and position are also detected by the optical sensor 40.
For the current position of the workpiece 1, both the diametrical diameter in the transverse direction to the light beam 31 and the polygonal diameter, as defined by the three points 71, 72, 73, can now be determined. These measured values are stored in a memory of a data processing device installed in the housing 20.
The chuck 11 of the clamping device 10 is now rotated together with the workpiece 1 by a certain angle of rotation, whereupon said measurements of the diametral and polygonal diameters are repeated. These values are also saved. This procedure is repeated until the workpiece has made one complete revolution about its longitudinal axis.
The measurements can be triggered in a very fast sequence, for example, at 1000 measurements per second, a complete acquisition with an angular resolution of about 10 arc minutes can already be carried out in two seconds.
From the values for the diametrical and polygonal diameters stored in the data processing device, the minimum, the maximum and the average can now be determined in a simple manner.
Also, the ovalities as the difference of the maximum and minimum values, the standard deviation of the diameters or a capability index can be determined so that immediate metrics for the quality of the roundness of the cross-section are available.
In FIG. 2, the position of the Nachführprismas 50 is shown with broken lines, which results when clamping a workpiece 2 with a small diameter. The corresponding reference numerals are provided with a high bar. The position of the longitudinal axis of the workpiece 2 is predetermined by the chuck 11 and approximately coincides with the position of the longitudinal axis of the workpiece 1 with a larger diameter.
The Nachführprisma 50 ¾ but is moved so far forward that the workpiece 2 in turn is contacted at two points 71 ¾, 72 ¾ of its cross-sectional contour of the abutment surfaces of the legs 55 ¾, 56 ¾. Also in this situation, the shadows of the workpiece 2 and the protrusion 58 are generated ¾ within the beam plane so that they can be detected by the sensor 40. The same Nachführprisma 50, 50 ¾ is thus able to generate contour data of a cross-sectional contour of workpieces 1, 2 with very different diameters.
3 shows an oblique view of an inventive tracking device. This is formed by a stop member, Nachführprisma 50, and a guide 80, wherein the Nachführprisma 50 is held in the guide 80 and is guided by it.
The guide 80 has a base part 81 in which a front part 82 is guided, e.g. by means of rails, relative to the base part 81 in the transverse direction to the light beam, i. forward and backward, can be moved. The maximum possible displacement is chosen so large that contour data of workpieces with different diameters can be generated (see Fig. 2) and that the rest position of Nachführprismas 50 can be achieved. The front part 82 has a horizontal slot 83 from which the Nachführprisma 50 projects forward. The width of the slot 83 is greater than that of the Nachführprismas 50. This can thus also in the longitudinal direction, i. to the right and to the left, move.
For this purpose, a rail movable in the longitudinal direction of the carriage 82 is arranged within the front part, on which the Nachführprisma 50 is releasably latched. The Nachführprisma 50 can therefore be easily replaced by another Nachführprisma.
So that the Nachführprisma contacts the cross-sectional contour of the workpiece constantly at two points, springs 81 are arranged in the base part, which press the front part 82 to the front. The spring pressure also causes the Nachführprisma 50 also adapts in the longitudinal direction of the cross-sectional contour.
The guide for the Nachführprisma may be constructed differently, both the longitudinal and the transverse movement, for example, each by means of guide rails, by means of a scissors drive or a spindle can be made possible.
In lieu of a spring, moreover, e.g. a permanent magnet or electromagnet are used, which presses the Nachführprisma to the workpiece.
4 is a schematic representation of a Nachführprismas invention for workpieces with threefold symmetry and small diameter. Its construction corresponds to the Nachführprisma 50 shown in FIGS. 1-3. The inner sides of the legs 55, 56 close an angle of 60 °. a, so that the Nachführprisma 50 workpieces with threefold symmetry is adjusted. Thus, a trigonal diameter is measured by means of this tracking prism 50.
5 is a schematic representation of a Nachführprismas invention for workpieces with threefold symmetry and large diameter.
The tracking prism 90 again has a base part 94 and two legs 95, 96 with a substantially triangular shape. However, the legs 95, 96 now enclose a trapezoidal area, i. the inner sides of the legs 95, 96 do not meet directly on each other, but are connected by a parallel to the light beam 31 extending rear side. As a result, for workpieces with larger diameters, edges of the shadows to be measured are no longer within the detection range of the optical sensor. At the same time, it is advantageous if the clamping device can be displaced in the transverse direction relative to the light beam 31.
As can be seen from the shadows 61 ¾, 62 ¾, these are now even in the case of a workpiece 3 with a considerably larger diameter within the range of the light beam 31 detected by the optical sensor. By inserting the tracking prism 90, the diameter range can thus be increased considerably.
The thorn-like projection 98 is in turn arranged centrally behind the trapezoidal region, but is here before the (imaginary) intersection of the inner sides of the legs 95, 96th
The projection 98 also has a different diameter from the corresponding projection 58 of the Nachführprismas 50 for smaller workpiece diameter, so that the different Nachführprmen of the inventive arrangement can be automatically identified.
Fig. 6 is a schematic representation of a Nachführprismas 100 according to the invention for workpieces with fünfzähliger symmetry. Its structure largely corresponds to that of Nachführprismas 50 in FIG. 4. In contrast, close the inner sides of the legs 105, 106 here but an angle of 108 deg. which corresponds to an interior angle of a regular pentagon. By means of the Nachführprismas 100 thus a pentagonal diameter is determined.
For automatic identification of the Nachführprismas the diameter of the mandrel-like projection 108 is again different from those of the other tracking prisms 50, 90th
7A, 7B are schematic representations of the geometry of the measurement of polygonal diameters using the example of a tracking prism 50 for trigonal diameters. The available measuring field MF is determined by the extent of the light beam and the sensitivity range of the optical sensor. The reference mandrel 58 has a diameter d which is used by the arrangement for identifying the tracking prism 50 used. To calibrate Nachführprismas 50 this is latched into his leadership. In addition, a reference body 5 is clamped with exactly circular cross-section and of known diameter D in the jig.
In a first step, the optical scanning device is calibrated to the diameter D. At the same time, the calibrated measured values A can be determined as the distance of a reference line, which is formed by the rear edge of the measuring field MF, from the rear edge of the reference mandrel 58 and H2 as the distance of the reference line to the front edge of the reference body 5.
Due to the 60-angle between the inner surfaces of the legs 55, 56 results for the size H as the distance of the front of the reference body 5 from the intersection of the inner surfaces H = 1.5 X D. The reference distance B between the center of the mandrel 58 and the Intersection of the inner surfaces is finally given by B = H2-AH.
This reference distance B may also assume a negative value when the intersection of the inner surfaces of the legs 55, 56 comes to lie behind the center of the mandrel 58 (see, e.g., Fig. 5). Thus, the calibration process for the Nachführprisma 50 is completed.
FIG. 7B shows the actual measuring process. First, a workpiece 6 of unknown cross-section is clamped in the clamping device. The Nachführprisma 50 contacts the workpiece 6 at two contact points 71 ¾ ¾, 72 ¾ of the contour. In the case shown, the Nachführprisma 50 is due to the out-of-roundness of the workpiece 6 relative to the calibration position in the transverse direction moved forward. The diametric diameter D is measured by the optical pickup, as are A and H2.
With the aid of the reference distance B known from calibration, the height H of the equilateral triangle circumscribing the body can now be calculated by means of H = H2- (A + B). The trigonal diameter D_tr finally results as D_tr = 2/3 x H. The position of the tracking prism in the longitudinal direction relative to the light beam is thus not relevant for the determination of the polygonal diameter and does not have to be determined.
The workpiece is now rotated by the jig in the next position, where again the diametric diameter D and the trigonal diameter D_tr can be determined.
The method can be analogously transferred to workpieces with higher odd-numbered symmetry.
Instead of a Nachführprismas with an angle of 60 deg. between the inner sides of the legs is now a Nachführprisma with an angle of 108 deg. (Pentagon, pentagonal diameter D_pe) or 128 34 ¾17 ¾ ¾ (heptagon, heptagonal diameter D_hep) etc. used. To calculate the polygonal diameter, other factors are used accordingly, e.g. D_pe = 0.89443 × H or D_hep = 0.94790 × H.
In summary, it should be noted that the invention provides an arrangement and a method for generating contour data of a cross-sectional contour of a tool, which allow the rational and reproducible determination of contour data of a cross-sectional contour.