DE3831566A1

DE3831566A1 - Verfahren zum messen der umrissformen von gegenstaenden, die durch eine vielzahl zylindrischer oberflaechenabschnitte begrenzt sind

Info

Publication number: DE3831566A1
Application number: DE3831566A
Authority: DE
Inventors: Masayasu Minamikawa; Yoshiaki Onabe; Masanao Ohno
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1987-09-17
Filing date: 1988-09-16
Publication date: 1989-05-11
Also published as: FR2620817A1; BE1003159A3; JPH0619251B2; FR2620817B1; JPS6475904A; DE3831566C2; US4877970A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Messen der Umrißform von Gegenständen, die durch eine Vielzahl von zylindrischen Oberflächenabschnitten bestimmt ist, wie von Wabenbauteilen, die eine ungleichförmig zylindrische Außenfläche haben und in Abgasreinigern für Kraftfahrzeuge eingesetzt werden.

Allgemein haben Wabenbauteile zur Verwendung als Katalysatorträger für die Reinigung von Kraftfahrzeugabgasen üblicherweise Zylinderform oder elliptische Walzenform. In der letzten Zeit kamen jedoch Wabenbauteile mit ungleichförmigen zylindrischen Außenflächen aus einer Vielzahl voneinander verschiedenen zylindrischen Oberflächenabschnitten gemäß der Darstellung in Fig. 1 in den Einsatz.

Da diese Wabenbauteile auf genaue Weise in ihre Gehäuse eingesetzt werden müssen, ist es erforderlich, ihre Umrißformen genau zu messen.

Im allgemeinen werden zum Messen der Umrißformen solcher Wabenbauteile Grenzlehren mit einer Größe verwendet, die gleich einer idealen Umrißform zuzüglich einer zulässigen Abmessungstoleranz ist; ob die Umrißform des Wabenbauteils brauchbar ist oder dieser zurückzuweisen ist, wird abhängig davon bewertet, ob das Bauteil durch die Grenzlehre hindurch paßt oder nicht. Da jedoch bei diesem Berührungs-Meßverfahren die Oberfläche dünnwandiger Produkte wie der Wabenbauteile beschädigt werden können, ist dieses Verfahren nicht vorteilhaft.

Infolgedessen wurde von NGK Insulators, Ltd., gemäß US-PS 42 98 285, DE 29 26 140-C und GB 20 30 286-B eine Einrichtung zum Messen der Umrißform von Wabenbauteilen entwickelt. Gemäß der Darstellung in Fig. 7 und 8 hat diese Einrichtung für das Messen der Umrißform von Gegenständen einen Drehtisch 6, auf den ein Gegenstand 5 als Meßobjekt aufgesetzt wird und der mittels eines Motors 9 über einen Getriebemechanismus 10 um eine Drehachse 8 gedreht wird, einen Meßgeber 11, mit dem der Drehwinkel des Drehtisches erfaßt wird, um ein Drehwinkelsignal zu erzeugen, einen Randdetektor mit einer Parallelstrahlen-Projektionseinrichtung 12 für das Projizieren paralleler Lichtstrahlen auf den Gegenstand und mit einer Parallelstrahlen-Empfangseinrichtung 13, die den von dem Gegenstand nicht abgeschirmten bzw. unterbrochenen Teil der parallelen Lichtstrahlen aufnimmt, um ein Randlagesignal zu erzeugen, einen Speicher 16 zum Speichern eines Soll-Randlagesignals, das einem Normalgegenstand mit einer vorgegebenen Umrißform entspricht, und eine Rechenschaltung 15 für die Aufnahme des Drehwinkelsignals usw. Die Projektionseinrichtung und die Empfangseinrichtung für die parallelen Lichtstrahlen sind an den einander gegenüberliegenden Seiten des Drehtisches angeordnet. Das Randlagesignal und das Soll-Randlagesignal ergeben ein Signal, das die Abweichung des Meßobjekts vom Normalgegenstand hinsichtlich der Umrißform wiedergibt. Mit 17 ein Drehungscoolierer an der Rechenschaltung 15 bezeichnet. Der Gegenstand wird an der Drehscheibe mittels einer Führungsplatte 7 geführt. Da jedoch diese herkömmliche Meßeinrichtung für zylindrische oder elliptisch walzenförmige Gegenstände ausgebildet ist, ist es erforderlich, daß der Mittelpunkt der den Außenumfang bildenden zylindrischen oder elliptisch walzenförmigen Fläche auf einer X-Achse oder einer Y-Achse liegt. Daher können mit dieser Meßeinrichtung nachteiligerweise keine genauen Messungen an Gegenständen vorgenommen werden, bei denen gemäß der Darstellung in Fig. 3 einige von Mittelpunkten O₁ bis O₇ gegenüber der X-Achse und der Y-Achse versetzt sind. D. h., bei dem Arbeitsverfahren gemäß diesem Stand der Technik wird bei der Drehung des Drehtisches ein Drehwinkel des Drehtisches ermittelt, bei dem eine Ortskurve der Stellen der Unterbrechung der parallelen Lichtstrahlen einen Spitzenwert zeigt, und es wird eine Abweichung hinsichtlich einer Winkelversetzung des Gegenstands an dem Drehtisch korrigiert. Bei dem Gegenstand mit der in Fig. 1 gezeigten Form ändert sich die Kurve nur leicht, so daß die Lage der Spitzenwerte nicht genau erfaßt werden kann.

Zur Lösung der diesem Stand der Technik anhaftenden Probleme liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum genauen Messen der Umrißformen von Gegenständen zu schaffen, die von einer Vielzahl zylindrischer Flächen begrenzt sind, deren Mittelpunkte gegen eine X-Achse und eine Y-Achse versetzt sind.

Zur Lösung der Aufgabe wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mit parallelen Lichtstrahlen eine Seite eines Gegenstandes bestrahlt, der auf einen Drehtisch aufgesetzt ist und mit einer Vielzahl zylindrischer Oberflächenabschnitte ausgestaltet ist; während der Drehung des Gegenstands werden Änderungen hinsichtlich einer Stelle L, an der die parallelen Lichtstrahlen von dem Gegenstand unterbrochen werden, mittels eines Lichtempfangselements als eine Funktion L (R) erfaßt, in welcher R ein Drehwinkel des Drehtisches ist. Die auf diese Weise erfaßten Daten werden in den Speicher eines Computers eingegeben, in welchem L (R) + L (R + 180°) berechnet wird, wonach Versetzungen des Gegenstandes auf dem Drehtisch hinsichtlich der Lage und des Winkels dadurch korrigiert werden, daß die auf diese Weise berechneten Werte mit solchen für eine ideale Umrißform eines Gegenstands verglichen werden. Dadurch können fehlerfreie Meßwerte für die Umrißform des Gegenstands erzielt werden.

Erfindungsgemäß werden ein Spitzenwert und eine Winkelstellung R des Drehtisches, bei der Spitzenwert auftritt, nicht direkt aus den Änderungen hinsichtlich der Stelle L (R) ermittelt, an der die parallelen Lichtstrahlen von dem Seitenbereich des auf dem Drehtisch aufgesetzten Gegenstands bei der Drehung unterbrochen werden, sondern aus den Summen aus den Lichtunterbrechungsstellen L (R) und den demgegenüber um 180° versetzten Lichtunterbrechungsstellen L (R + 180°), nämlich aus den Werten L (R) + L (R + 180°). Daher kann gemäß nachfolgend beschriebenen Beispielen eine Kurve mit einem ausgeprägten Spitzenwert für den Gegenstand erzielt werden, der gemäß Fig. 3 durch eine Vielzahl zylindrischer Oberflächenabschnitte gebildet ist. Daher können erfindungsgemäß die bei dem Aufsetzen des Gegenstandes auf den Drehtisch unvermeidbar auftretenden Abweichungen hinsichtlich der Lage und der Winkelstellung des Gegenstands in bezug auf den Drehtisch auf genaue Weise erfaßt und korrigiert werden, was eine außerordentlich genaue Messung der Umrißform des Gegenstands ermöglicht.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 ist eine Draufsicht, die das erfindungsgemäße Meßprinzip veranschaulicht.

Fig. 2 ist eine graphische Darstellung von Meßwerten L (R).

Fig. 3 ist eine Draufsicht, die die Umrißform eines Gegenstands gemäß einem Beispiel zeigt.

Fig. 4 und 5 sind Draufsichten, die Variable zeigen, welche die Umrißform des Gegenstands wiedergeben.

Fig. 6 ist eine Draufsicht, die die Zusammenhänge zwischen einem Versetzungswinkel ϕ und einer Mittelpunktsabweichung (W, R w) zeigt.

Fig. 7 ist eine schematische Draufsicht auf eine herkömmliche Meßeinrichtung.

Fig. 8 ist eine schematische Seitenansicht der in Fig. 7 gezeigten Meßeinrichtung.

Zuerst werden vor der ausführlichen Erläuterung Variable für die Darstellung der in Fig. 3 gezeigten Umrißform bzw. Kontur des Gegenstands definiert.

In der Fig. 3 sind Mittelpunkte für zylindrische Oberflächen abschnitte jeweils mit O₁, O₂, . . . und O₇ bezeichnet, während eine Y-Achse in der Richtung der maximalen Abmessung des Gegenstands verläuft und eine X-Achse in der hierzu senkrechten Richtung verläuft. Die Fig. 3 zeigt, daß der Gegenstand durch die sieben zylindrischen Oberflächenabschnitte begrenzt ist und daß die Y-Achse eine gerade Linie ist, die durch die Mittelpunkte O₃ und O₇ verläuft. Selbstverständlich ändern sich die Anzahl der Mittelpunkte und die Richtungen der X-Achse und der Y-Achse in Abhängigkeit von den betreffenden Gegenständen bzw. Meßobjekten. Da jedoch die Umrißform von Gegenständen, bei denen die Anzahl von Mittelpunkten "4" oder weniger beträgt, nach dem herkömmlichen Verfahren mit der gleichen Meßgenauigkeit wie nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gemessen werden kann, ist das erfindungsgemäße Verfahren hauptsächlich auf Gegenstände mit fünf oder mehr Mittelpunkten als Meßobjekt gerichtet.

Es sei angenommen, daß gemäß Fig. 4 der Abstand zwischen einem Mittelpunkt O _N und dem Ursprungspunkt O der Koordinatenachse X und Y und ein von der X-Achse ausgehend im Uhrzeigersinn gemessener Winkel einer Strecke O-O _N jeweils Y _N bzw. R _N sind, während der Krümmungsradius des um den Mittelpunkt O _N gezeichneten zylindrischen Oberflächenabschnitts und ein Anschlußpunkt zwischen diesem zylindrischen Oberflächenabschnitt und dem nachfolgend daran angrenzenden Abschnitt jeweils R _N bzw. P _N sind. Da die aneinander angrenzenden zylindrischen Oberflächenabschnitte stoßfrei bzw. stufenlos ineinander übergehen, liegt gemäß der Darstellung in Fig. 5 der Biegungs-Anschlußpunkt P _N auf einer geraden Linie, die durch den Mittelpunkt O _N und einen Mittelpunkt O _{N +1} verläuft. Diese gerade Linie wird derart parallel verschoben, daß sie durch den Ursprungspunkt der Koordinatenachsen X und Y verläuft, und der Winkel zwischen der auf diese Weise verschobenen geraden Linie und der X-Achse wird als Ablenkwinkel R _PN bezeichnet.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird gemäß der Darstellung in Fig. 1 ein Gegenstand 1, der gemäß den vorangehenden Ausführungen durch eine Vielzahl zylindrischer Oberflächenabschnitte bestimmt ist, auf einen Drehtisch 2 aufgesetzt, wonach unter Drehung des Gegenstands auf einen Seitenbereich des Gegenstands 1 parallele Lichtstrahlen wie Laserlichtstrahlen gerichtet werden. Von dem Seitenbereich des Gegenstandes werden die parallelen Lichtstrahlen in einer Breite e abgefangen, die mittels eines Lichtempfangselements 4 gemessen wird; als "L" wird die Summe aus dieser Breite e und einem im voraus auf genaue Weise gemessenen Abstand R von der Drehmitte des Drehtisches 2 bis zu dem nächstgelegend durchlaufenden parallelen Lichtstrahl gemessen. Der Wert L ergibt für jeweilige Drehwinkel R des Drehtellers 2 eine Funktion L (R). Falls der Gegenstand 1 die ideale bzw. Soll-Form hat, gilt die Beziehung

L (R) = R _N + Y _N · Cos (R _N - R)

Da sich der Wert von N jedesmal ändert, wenn R den vorangehenden genannten Ablenkungswinkel R _PN übersteigt, ändern sich die Werte von R _N, Y _N und R _N folgendermaßen:

wenn O ≦ R ≦ R _{P 1} gilt, ist L (R) = R₁ + Y₁ · Cos (R₁ - R), und

wenn R _{P 1} < R ≦ R _{P 2} gilt, ist L (R) = R₂ + Y₂ · Cos (R₂-R).

Die bei diesen Berechnungen erzielten Werte L (R) sind in der Fig. 2 in dem Bereich von 0° ≦ R ≦ 360° als stark ausgezogene Linie dargestellt.

Bei der tatsächlichen Messung der Umrißform des Gegenstands ist es jedoch vermeidbar, daß gemäß der Fig. 6 die Mitte O′ des Gegenstands von der Mitte O des Drehtisches weg versetzt ist und die Koordinatenachsen um einen Versetzungswinkel verschwenkt sind. Aus diesem Grund ergeben sich bei der tatsächlichen Messung Werte L (R), die gemäß der Darstellung durch eine dünne Linie in Fig. 2 abweichen. Infolgedessen werden Abweichungen hinsichtlich des Mittelpunkts und des Winkels dadurch korrigiert, daß ein Spitzenwert von L (R) und ein Wert von R an dieser Stelle herangezogen werden. Gemäß Fig. 2 verläuft die Kurve von L (R) bei einem derartigen Gegenstand verhältnismäßig flach, so daß es schwierig ist, auf genaue Weise den Wert von R zu erfassen, bei dem der Spitzenwert auftritt.

Um einen solchen Mangel auszuschalten, werden die Daten L (R) in den Speicher eines Computers eingegeben, in dem durch das Addieren eines Werts L (R + 180°) der Wert L (R) + L (R + 180°) berechnet wird. Als Ergebnis wird gemäß der Darstellung in Fig. 2 eine Kurve erzielt, die verhältnismäßig scharfe bzw. ausgeprägte Spitzen hat. Daher können von diesem Rechenwert ausgehend die Lage und der Winkel des Gegenstands in bezug auf den Drehtisch korrigiert werden.

Zum Ermitteln des Versetzungswinkels ϕ werden jeweils aus den Daten für L (R) nahe von R = 90° und R = 270° beispielsweise an dreizehn Punkten in dem jeweiligen Bereich von 13° um diese Winkelwerte herum eine erste Regressionsgleichung y₁ und eine zweite Regressionsgleichung y₂ folgendermaßen bestimmt:

y₁(R) = a₁R² + b₁R + c₁

y₂(R) = a₂R² + b₂R + c₂

Danach wird mittels der vorangehend genannten Addition die Funktion

Y (R) = y₁(R) + y₂(R + 180°)

gebildet und nach R differenziert, um

dY (R)/dR = d {y₁(R) + y₂(R + 180°)}/dR

zu erhalten. Danach wird der Wert R für dY (R)/dR = 0, nämlich R max ermittelt, aus dem der Versetzungswinkel ϕ als ϕ = R max -90° ermittelt wird.

Als nächstes wird eine Versetzung der Mitte des Gegenstands gegen die Mitte des Drehtisches gemäß der Darstellung in Fig. 6 unter Verwendung von Polarkoordinaten (W, R _w) ermittelt. Zu diesem Zweck werden wie bei der Ermittlung des Versetzungswinkels ϕ beispielsweise an dreizehn Punkten zu jeweils 1° im Bereich von 13° um Werte R = 90° und R = 270° herum jeweils eine dritte und eine vierte Regressionsgleichung y₃ und y₄ folgendermaßen bestimmt:

y₃(R) = a₃R² + b₃R + c₃

y₄(R) = a₄R² + b₄R + c₄

Dann werden ausgehend von diesen Regressionsgleichungen und den Differenzen von L (R) zwischen der tatsächlichen bzw. Ist-Umrißform und der idealen bzw. Soll-Umrißform des Gegenstands bei R = 0°, 90°, 180° und 270° die Werte a und b folgendermaßen bestimmt:

a = [{y₂(180°-ϕ) - L(180°)} - {y₁(R max) - L(0°)}]/2

b = [{y₄(270°-ϕ) - L(270°)} - {y₃(90°-ϕ) - L (90°)}]/2

Die Werte von a und b werden der Koordinatentransformation nach folgenden Gleichungen unterzogen:

a = - (a cos ϕ + b sin ϕ)

b = - (b cos ϕ - a sin ϕ)

Unter Anwendung der auf diese Weise erhaltenen Werte a und b können Polarkoordinaten (W, R w) für die Versetzungen der Mitte des Gegenstands auf genaue Weise folgendermaßen bestimmt werden:

W = (a² + b²)^1/2

R w = n π ± sin^-1 (b/Y)

Gemäß den vorstehenden Ausführungen können bei dem erfindungsgemäßen Verfahren durch Anwendung der Summe aus L (R) und L (R + 180°) die Werte (W, R w) auf genaue Weise ermittelt werden, die die Versetzungswinkel ϕ und die Abweichungen gegen die Mittelpunkte zeigen.

Daher können die bei dem Aufsetzen des Gegenstands 1 auf den Drehtisch 2 unvermeidbar auftretenden Abweichungen hinsichtlich der Lage und des Winkels auf genaue Weise korrigiert werden. Da die auf diese Weise korrigierten Daten für L (R) die Umrißform des Gegenstandes bei der normalen bzw. Soll-Lage darstellen, kann durch die Berechnung der Differenz zwischen der idealen und der tatsächlichen Umrißform festgestellt werden, wie weit die Umrißform des Gegenstands gegenüber der idealen Form des Gegenstands verformt ist. Wenn das Verformungsausmaß einen annehmbaren Wert übersteigt, wird der Gegenstand als nicht annehmbar zurückgewiesen.

Aus der vorstehenden Erläuterung ist ersichtlich, daß nach dem erfindungsgemäßen Verfahren die Umrißform des durch eine Vielzahl von zylindrischen Oberflächenabschnitten begrenzten Gegenstands berührungsfrei gemessen werden kann. Daher ist das erfindungsgemäße Verfahren für das Messen der Umrißformen von Gegenständen mit geringen Wanddicken wie beispielsweise Wabenbauteilen geeignet. Ferner treten zwar bei einer Messung unvermeidbar Abweichungen hinsichtlich der Mitte und des Winkels des Gegenstands in bezug auf diejenigen des Drehtisches auf, jedoch können der Spitzenwert und der entsprechende Drehwinkel auf genaue Weise erfaßt und ihre Abweichungen entsprechend den Rechenwerten L (R) + L (R + 180°) korrigiert werden. Infolgedessen können ohne Beeinflussung durch diese Abweichungen genaue Meßwerte erhalten werden. Daher kann nach dem beschriebenen Verfahren mit hoher Genauigkeit ermittelt werden, inwieweit das Meßobjekt gegenüber der idealen Umrißform verformt ist. Daher trägt das Verfahren zum Messen der Umrißformen von durch eine Vielzahl von zylindrischen Oberflächenabschnitten begrenzten Gegenständen in hohem Ausmaß zu industriellen Entwicklungen bei, während die bei dem Stand der Technik auftretenden Probleme vollständig gelöst sind.

Es wird ein Verfahren zum Messen der Umrißform eines durch eine Vielzahl zylindrischer Oberflächenabschnitte begrenzten Gegenstands beschrieben, welches darin besteht, daß der Gegenstand auf einen Drehtisch aufgesetzt wird, während der Drehung des Drehtisches ein Seitenbereich des Gegenstands mit parallelen Lichtstrahlen bestrahlt wird, mittels eines Lichtempfangselements Änderungen von Stellen L, an denen die parallelen Lichtstrahlen durch den Gegenstand unterbrochen werden, als eine Funktion L (R) erfaßt werden, wobei R der jeweilige Drehwinkel des Drehtisches ist, die auf diese Weise erfaßten Daten für die Funktion L (R) in den Speicher eines Computers eingegeben werden, Werte L (R) + L (R + 180°) berechnet werden, die auf diese Weise berechneten Werte mit denjenigen für eine ideale Umrißform verglichen werden und Abweichungen hinsichtlich der Lage und des Winkels des Gegenstands korrigiert werden. Dadurch wird ein fehlerfreier Meßwert erzielt.

Claims

1. Verfahren zum Messen der Umrißform eines durch eine Vielzahl zylindrischer Oberflächenabschnitte begrenzten Gegenstands, dadurch gekennzeichnet,
daß der Gegenstand auf einen Drehtisch aufgesetzt wird,
daß unter Drehung des Drehtisches ein seitlicher Bereich des Gegenstands mit parallelen Lichtstrahlen bestrahlt wird,
daß mittels eines Lichtempfangselements Änderungen hinsichtlich Orten L, an denen die parallelen Lichtstrahlen von dem Gegenstand unterbrochen werden, als eine Funktion L (R) erfaßt werden, wobei R der Drehwinkel des Drehtisches ist,
daß die auf diese Weise erfaßten Daten für die Funktion L (R) in den Speicher eines Computers eingegeben werden,
daß ein Wert L (R) + L (R + 180°) berechnet wird,
daß der auf diese Weise berechnete Wert mit demjenigen für eine ideale Umrißform verglichen wird und
daß Abweichungen hinsichtlich der Lage und der Winkelstellung des Gegenstands korrigiert werden, wodurch ein fehlerfreier Meßwert erhalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umrißform eines Wabenbauteils als Gegenstand gemessen wird, der durch die Vielzahl zylindrischer Oberflächenabschnitte begrenzt ist.