DE2926140A1

DE2926140A1 - Vorrichtung zur ermittlung der umfangsausbildung eines gegenstandes

Info

Publication number: DE2926140A1
Application number: DE19792926140
Authority: DE
Inventors: Isao Ito
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1978-09-11
Filing date: 1979-06-28
Publication date: 1980-03-20
Also published as: GB2030286B; SE442343B; CH640937A5; FR2435698B1; GB2030286A; JPS6238642B2; SE7905377L; JPS5537919A; US4298285A; FR2435698A1; DE2926140C2; CA1120590A

Description

HOFFMANN · EITJLS & PARTNER

DR. ING. E. HOFFMANN (1930-1976) . DIPL.-ING. W.EITLE · DR. RER. NAT.K. HOFFMANN . DIPL.-1NG. W. IEHH

DIPL.-ING. K. FOCHSLE · DR. RER. NAT. B. HANSEN ARABELIASTRASSE 4 (STERNHAUS) . D-8000 MDNCHEN 81 · TELEFON (08?) ΪΠ087 . TELEX 05-29619 (PATH E)

Vorrichtung zur Ermittlung der Umfangsaus*- bildung eines Gegenstandes

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur selbsttätigen, raschen, genauen, berührungslosen Ermittlung der Umfangsausbildung von säulenförmigen Gegenständen mit kreisförmigem oder elliptischem Querschnitt.

Es ist bereits bekannt, die Umfangsausbildung, insbesondere die Krümmung säulenförmiger Gegenstände, beispielsweise von zylindrischen oder elliptischen Körpern und dergleichen, zu messen, indem der Gegenstand gegen eine Grenzlehre gedrückt wird, die unter Berücksichtigung einer Toleranz der Gegenstände hergestellt wurde oder indem ein Fühler in Anlage an die Oberfläche des Gegenstandes gebracht wird, um dessen Abmessungen zu ermitteln. Bei diesen bekannten Verfahren stehen die Grenzlehre und der Fühler in einem unmittelbaren Kontakt mit den Gegenständen, so dap diese Verfahren sich nicht für spröde Gegenstände, wie beispeilsweise keramische

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ORIGINAL INSPECTED

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Wabenanordnungen eigneten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neuartige Vorrichtung zur Ermittlung der Umfangsausbildung oder der Abmessungen von Gegenständen zu schaffen und insbesondere der Krümmung der Gegenstände, und zwar schnell und genau, sowie berührungslos.

Ferner soll durch die Erfindung eine Vorrichtung zur berührungslosen Ermittlung der Umfangsausbildung von Gegenständen geschaffen werden, die einfach aufgebaut und mühelos zu betätigen ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch dne Vorrichtung zur Ermittlung der Umfangsausbildung gelöst, die einen drehbaren Aufnahmetisch aufweist, auf dem der zu messende Gegenstand angeordnet wird, einen Detektor zur Ermittlung eines Drehwinkels des Aufnehmetisches zwecks Erzeugung eines Drehwinkelsignals, einen Randdetektor, der ein Projektionselement für Parallellicht aufweist, um dieses auf einen Gegenstand zu projizieren, und ein Aufηahmeelement für Parallellicht zur Aufnahme eines Teils des Parallellichts, welches durch den Gegenstand nicht abgefangen wird zwecks Erzeugung eines Randpositionssignals, wobei das Projektionselement und das Aufnahmeelement für Parallellicht an jeweils einer Seite des Aufnahmetisches angeordnet sind, einen Speicher zur Speicherung eines Standard-Randpostionssignals, das einen Standard-Gegenstand mit vorgegebener Umfangsausbildung entspricht, und eine Arbeitsschaltung zur Aufnahme des Drehwinkelsignals, des Randpositionssignals und des Standard-Randpcsitionssignals und zur Erzeugung eines Signals, welches eine Abweichung in der zu messenden Umfangsausbildung des Gegenstandes gegenüber einem Standard-Gegenstandes darstellt.

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Die Erfindung wird anschließend an Hand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Grundriß einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 eine schematisehe Seitenansicht der Vorrichtung nach Fig. 1,

Fig. 3a und 3b Impulsformen zur Erläuterung des Betriebs der Vorrichtung nach den Fig. 1 und 2,

Fig. 4 eine schematische Darstellung der Umfangs-

ausbildung einer im wesentlichen elliptischen Säule zwecks Erläuterung des Betriebs der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 5 ein Diagramm, welches die Abweichung der üm-

fangsausbildung von Gegenständen zur Erläuterung der Kompensation eines geometrischen Fehlers des Gegenstandes angibt und

Fig. 6 einen schematisehen Grundriß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Die Fig. 1 und 2 stellen schematische Ansichten einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ermittlung der lÄnfangsausbildung von Gegenständen dar. Ein zu messender Gegenstand 1 wird auf einen drehbaren Aufnahmetisch 2 in dessen Mitte angeordnet. Um sicherzustellen, daß sich der Gegenstand 1 auf dem Aufnahmetisch 2 in dessen Mitte befindet, ist eine Führungsplatte 3 auf der Oberfläche

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des Aufnähmetisches 2 befestigt. Der Aufnahmetisch 2 ist mit einer umlaufenden Welle 4 verbunden, die durch einen Motor 5 und ein Getriebe 6 in Richtung des Pfeils A gedreht wird. Die Welle 4 ist ferner mit einem Drehwinkeldetektor, beispielsweise einem umlaufenden Codierer 7, verbunden. Der umlaufende Codierer 7 erzeugt ein Drehwinkelsignal des drehbaren Aufnähmetisehes 2 und somit des Gegenstandes 1 . .

Die Vorrichtung weist ferner drei Sätze optischer Randdetektoren auf, wovon jeder aus einem Projektionselement für Parallellicht und einem Aufnahmeelement für Parallellicht besteht, das jeweils an einer Seite des Aufnahmetisches 2 angeordnet ist. Somit sind gemäß Fig. 2 drei Projektionselemente 8A, 8B und 8C für Parallellicht an der linken Seite des Aufnahmetisches 2 in verschiedener Höhe angeordnet, und arbeiten mit drei Aufnahmelementen 9A, 9B und 9C für Parellellicht zusammen,die an der rechten Seite des Aufnahmetisches in verschiedener Höhe liegen. Bei dieser Ausführungsform wird die Umfangsausbildung des Gegenstandes 1 gleichzeitig an drei verschiedenen Abschnitten gemessen. Jedes Projektionselement für Parallellicht enthält eine Laserlichtquelle und einen rotierenden Spiegel zur Reflexion des Laserstrahls in paralleler Form, wie dies in den Zeichnungen dargestellt ist. Jedes der Lichtaufnahmeelemente für Parallellicht hat eine Eintrittsöffnung, die ausreichend breit zur Aufnahme des Parallellichtstrahls ist. An Stelle einer Lascrlichtquelle kann eine Kombination einer gewöhnlichen Lampe und eines Konkavspiegels verwendet v/erden. Gewöhnlich weicht ein Rand des von den Projektionselementen 8A-8C projizierten Parallellichtstrahls geringfügig ab, wobei diese Paral3elitäts±weichung die Genauigkeit der Messung beeinträchtigen könnte. Um eine derartige Abweichung des parallelen

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Lichtstrahls im Randbereich zu vermeiden, ist ein länglicher Streifen 10 stationär angeordnet, welcher den Randbereich des parallelen Lichtes ausblendet. Wie an späterer Stelle deutlich werden wird, wird die Stellung dieses Streifens als Bezugsposition für die Messung verwendet.

Das Drehwinkelsignal aus dem umlaufenden Codierer 7 und die ausgangsseitigen Randpositionssignale der das Parallellicht empfangenden Aufnahmeelemente 9A bis 9C des Randdetektors werden einer Arbeitsschaltung 11 zugeführt, die ferner ein in einen Speicher 12 gespeichertes Standard-Randpositionssignal erhält. Das Standard-Randpositionssignal entspricht einem Signal, das vom Randdetektor 8, 9 geliefert wird, wenn ein Standard-Gegenstand mit vorgegebener Umfangsausbildung und vorgegebenen Abmessungen auf dem Aufnahmetisch 2 angeordnet und über einen Winkelbereich von 360 gedreht wird. In der Arbeitsschaltung 11 werden die Randpositionssignale miteinander unter Steuerung des vom umlaufenden Codierer 7 gelieferten Drehwinkelsignals verglichen und es wird an der Ausgangsklemme 13 ein Signal erzeugt, welches ein Maß dafür ist,'ob der gemessene Gegenstand 1 eine richtige Umfangsausbildung aufweist, d.h. ob er die ordnungsgemäßen umfangsseitigen Abmessungen besitzt.

Es wird nunmehr ein Meßvorgang zur Ermittlung der Krümmung des Gegenstandes 1 mittels der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Vorrichtung unter Bezugnahme auf die Fig. 3 beschrieben. Der Gegenstand, beispeilsweise eine elliptische Säule, wird auf den drehbaren Aufnahmetisch 2 gebracht und in Richtung des Pfeils A gedreht. Während dieser Drehung projizieren die Projektionselemente 8A bis 8C für Parallellicht die Laserstrahlen während einer vorgegebenen Zeitspanne T aufeinanderfolgend in Fig. 1 von oben nach unten. Anders ausgedrückt, der Gegenstand 1 wird während der Zeit-

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spanne T durch den Laserstrahl abgetastet. Fig. 3a zeigt eine Wellenform des Ausgangssignals eines der Aufnahmeelemente für Parallellicht, beispielsweise des Aufnahmeelements 9A, wenn sich der Gegenstand 1 nicht auf dem Aufnahmetisch 2 befindet. Da der Laserstrahl nicht durch den Gegenstand ausgeblendet wird, empfängt das Aufnahmeelement 9A während der Zeitspanne T den Laserstrahl vom Projektionselement 8A,womit das Ausgangssignal vom Aufnahmeelement 9A während der gesamten Abtastperiode T vorhanden ist. Befindet sich hingegen der Gegenstand 1 auf dem Aufnahmetisch 2, so wird der Laserstrahl durch den Gegenstand abgeschirmt und die Dauer des vom Aufnahmeelement 9A erhaltenen Ausgangssignals wird gemäß Fig. 3b auf t verringert. Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, steht die Dauer t in Beziehung zu einer Entfernung S zwischen dem Streifen 10 und einem Rand des Gegenstands 1. Daher kann eine Entfernung r.zwischen dem Rand des Gegenstandes 1 und einem gegebenen Bezugspunkt, wie beispielsweise dem Mittelpunkt 0 des Aufnahmetisches 2, als Unterschied zwischen einer konstanten Entfernung L vom Bezugspunkt 0 zu dem stationär angeordneten Streifen und der gemessenen Entfernung S ermittelt werden. Auf diese Weise kann die Entfernung r gemessen werden, wobei diese Entfernung sich abhängig von der Drehung des Aufnahmetisches 2 ändert. Im Speicher 12 sind die Standard-Randpositionswerte für die Entfernung r bei den jeweiligen Drehwinkeln des Aufnähmetisehes 2 gespeichert. Somit kann in der Arbeitsschaltung 11 eine Abweichung der Entfernung r gegenüber dem Standardwert bei der jeweiligen Winkelposition unter Steuerung des vom umlaufenden Codierer 7 gelieferten Drehwinkelsignals berechnet werden. Da bei dieser Ausführungsform die Messung in drei verschiedenen Positionen des Gegenstandes Λ erfolgt, kann die rechtwinkelige Lage der Gegenstandsoberfläche ebenfalls ermittelt werden, indem drei für

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die Entfernung r in verschiedenen Höhen berechnete Werte verglichen werden.

Wie vorausgehend erläutert wurde, ist die Führungsplatte 3 auf der Oberfläche des Aufnahmetisches 2 zur Einstellung des Gegenstandes befestigt. Jedoch könnte in der Praxis der Gegenstand nicht genau im Mittelpunkt 0 des Aufnahmetisches 2 angeordnet sein und der Mittelpunkt des Gegenstandes 1 eine Abweichung gegenüber dem Mittelpunkt 0 des Aufnahmetisches aufweisen. Eine derartige Abweichung könnte einen Meßfehler verursachen. Jedoch kann erfindungsgemäß eine derartige Abweichung in der Arbeitsschaltung 11 kompensiert werden. Dies wird unter Bezugnahme auf die Fig. 4 und 5 erläutert.

Fig. 4 stellt eine schematische Ansicht einer Umfangsanordnung eines Gegenstandes von im wesentlichen elliptischer Form dar. Der Standard-Gegenstand hat einen Hauptdurchmesser D-, , einen kleinen Durchmesser D , einen kleinen Krümmungsradius R₁ und einen Haupt-Krümmungsradius R~, wie aus Fig. 4 ersichtlich ist. Somit kann die Entfernung r vom Mittelpunkt C bis zu einem im Winkel © angeordneten Rand des Gegenstandes wie folgt ausgedrückt werden:

r = R₁ + (D /2-R₁) cos Q oder

r =

- (R₂-D_s/2) sin B

Falls ein derartiger Standard-Gegenstand richtig auf dem Auf nahmetisch in dessen Mitte 0 angeordnet ist, kann die Arbeitsschaltung 11 die Entfernung r berechnen, während der Aufnahmetisch 2 eine Umdrehung ausführt. Diese berechnete Enfernung r ist in pig. 5 durch die voll ausgezogene Kurve a

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angegeben. Jedoch weicht bei der tatsächlichen Messung der Mittelpunkt C des Gegenstandes 1 vom Mittelpunkt O des Aufnahmetisches 2 ab und die dabei berechnete Entfernung R kann durch die gestrichelte Kurve B in Fig. 5 ausgedrückt werden. Um dne derartige Abweichung der Mittenposition zu kompensieren, kann die Kurve b in Fig. 5 in die strichpunktierte Kurve c umgewandelt werden, indem folgende Kprrekturgrößen eingeführt werden:

In Richtung der Hauptachse: (dp.. + dp₂)/2 In Richtung der kleinen Achse: (dq.. + dq~) /2

Auf diese Weise kann die Abweichung der Mittenposition kompensiert werden. Jedoch wird bei einer tatsächlichen Messung ebenfalls ein Winkelfehler erzeugt, d.h. eine Abweichung in Drehrichtung. Dieser Winkelfehler kann korrigiert werden, indem ein Korrektionswinkel C^ eingeführt wird, welchei in bekannter Weise nach der Methode der kleinsten Quadrate ermittelt wird. D.h. der Korrektionswinkel Ck kann durch folgende Gleichung ermittelt werden

X a-cA )² > Minimum, n=l ⁿ

wobei <^ ii^2'^3 und C^ * die Winke !abweichungen zwischen der idealen Kurve; a und der Kurve c jeweils bei vier vorgegebenen Winkelpositionen (^ ^ , ö 2 f ^ 3 und 0₄ darstellten. Nachdem eine Korrektur in der vorausgehend beschriebenen Weise vorgenommen wurde, kann die Abweichung der Umfangsausbildung <3es Gegenstandes 1 gegenüber einem Standard-Gegenstand in extrem genauer Weise ermittelt werden. Die Arbeitsschaltung 11 erkennt ferner, ob die berechnete Abweichung die maximale zulässige Toleranz überschreitet und erzeugt an der Ausgangs-

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klemme 13 ein Signal, welches gegebenenfalls gedruckt oder angezeigt wird.

Die Erfindung ist nicht auf die vorausgehend beschriebene Ausführungsform beschränkt, sondern kann im Rahmen der Ansprüche weitere Abänderungen erfahren. Beispielsweise können unterschiedliche Arten von Umfangsausbildungen verschieden geformter Gegenstände, wie zylindrischer oder polygonaler Säulen, durch die erfindungsgemäße Vorrichtung gemessen werden. Ferner geben gemäß der Ausführungsform nach den Pig. 1 und die Projektionselemente 8 für Parallellicht den Laserstrahl nur an einer Seite des Gegenstandes ab. Ist jedoch der zu messende Gegenstand 1 verhältnismäßig klein, so kann der gesamte Gegenstand durch das Parallellicht beleuchtet werden, das gemäß Fig. 6 von dem Projektionselement 8 für Parallellicht abgegeben wird. In desem Fall sollte das Lichtaufnahmeelement 9 eine Eintrittsöffnung aufweisen, die ausreichend breit ist, um das an beiden Seiten des Gegenstandes 1 vorbeitretende Licht aufzunehmen. In der vorausgehend erläuterten Ausführungsform wird die Entfernung S gemessen, indem die Zeitdauer des Ausgangssignals vom Lichtaufnahmeelement 9 gemessen wird, jedoch kann die Entfernung S durch eine Amplitude des Ausgangssignals des Lichtaufnahmeelements 9 ermittelt werden, falls der Gegenstand gleichzeitig durch ein breites Parallellicht beleuchtet wird. In diesem Falle ist es nicht notwendig, daß der Laserstrahl im Lichtprojektionselement 8 eine Abtastung vornimmt, womit der rotierende Spiegel weggelassen v/erden kann, und es genügt, den zu messenden Gegenstand über einen Winkel von 180° anstatt von 360 zu drehen.

Wie vorausgehend im einzelnen erläutert wurde, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung die Umfangsausbildung eines Gegenstandes und insbesondere seine Krümmung berührungslos genau

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ermitteln und eignet sich daher besonders zum Messen spröder Gegenstände. Da ferner die Messung in sehr kurzer Zeit von beispielsweise zwei bis drei Sekunden erfolgen kann, eignet sich die erfindungsgemäße Meßvorrichtung besonders für die Messung von Gegenständen, wie beispielsweise keramischen Wabenanordnungen, die in Massenfertigung hergestellt werden.

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Claims

HOFFMAoNiN · BIXLUK & PARTNER : . " DR. ING. E. HOFFMANN (1930-197(5) · DIPL.-ING. W. EITLE · DR. RER. NAT. K. HOFFMANN . Dl PL.-I NG. W. LEHN DIPL.-ING. K. FDCHSLE · DR. RER. NAT. B. HANSEN ARABELLASTRASSE 4 (STERNHAUS) . D-8000 MD NCH EN 81 · TELEFON (089) 911087 · TELEX 05-29il9 (PATH E) 32 285 NGK Insulators,. Ltd., Nagaya City / Japan Vorrichtung zur Ermittlung der Umfangsausbildung eines Gegenstandes Patentansprüche :

1. Vorrichtung zur Ermittlung der Umfangsausbildung eines Gegenstandes, gekennzeichnet durch einen drehbaren Aufnahmetisch (2), auf dem der zu messende Gegenstand angeordnet wird, einen Detektor (7) zur Ermittlung eines Drehwinkels des Aufnahmetisehes zwecks Erzeugung eines Drehwinkelsignals, einen Randdetektor, der ein Projektionselement (8A, 8B, 8C) für Parallellicht aufweist, um dieses auf den Gegenstand zu projizieren", und ein Aufnahmeelement

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(9A, 9B, 9C) für Parallellicht zur Aufnahme eines Teils des Parallellichts, welches durch den Gegenstand nicht abgefangen wird zwecks Erzeugung eines Randpositionssignals, wobei das Projektionselement und das Aufnahmeelement für Parallellicht jeweils an einer Seite des Aufnahmetisches angeordnet sind, einen Speicher (1 2) zur Speicherung eines Standard-Randpositionssignals, das einen Standard-Gegenstand mit vorgegebener Umfangsausbildung entspricht, und eine Arbeitsschaltung (11) zur Aufnahme des Drehwinkelsignals, des Randpositionssignals und des Standard-Randpositonssignals und zur Erzeugung eines Signals, welches eine Abweichung in der zu messenden Umfangsausbildung des Gegenstandes gegenüber einem Standard-Gegenstaxes darstellt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, diß der Randdetektor eine Anzahl von Paaren von Projektions-und Aufnahmeelementen für Parallellicht aufweist, die an verschiedenen Punkten längs des Randes des zu erfaßenden Gegenstandes angeordnet sind,

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Randdetektor ferner ein stationär angeordnetes Element (10) zum Abfangen eines Teils des Parallellichts in dessen Umfangsbereich aufweist.

4. Vorrichtung nach Anpruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher (12) die maximale zulässige Toleranz der Abweichung speichert und die Arbeitsschaltung (11) die ermittelte Abweichung mit der maximalen zulässigen Toleranz vergleicht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Projektionselement (8A, 8B, 8C) für Parallellicht eine Laserlichtquelle umfaßt, und einen um-

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laufenden Spiegel zur parallelen Reflexion des Laserstrahls zwecks Abtastung des Gegenstandes und daß die Randposition ermittelt wird, indem die Zeitdauer des Ausgangssignals vom Aufnahmeelement (9A, 9B, 9C) für Parallellicht gemessen wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 ,. g e k e η η ζ e i c h η et durch ein Führungselement (3), das am Aufnahmetisch (3) zur Einstellung des Gegenstandes auf demselben befestigt

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsschaltung (11) eine Abweichung in der zentralen Lage des Gegenstandes gegenüber dem Aufnahmetisch kompensiert.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 7, dadurch g e kenn ze ic h η e t, daß die Arbeitsschaltung eine Abweichung der Winkellage des Gegenstands gegenüber dem Aufnahmetisch kompensiert.

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