DE4032361A1

DE4032361A1 - Distanzmesskopf fuer drehmaschinen

Info

Publication number: DE4032361A1
Application number: DE19904032361
Authority: DE
Inventors: Dirk Prof Dr Ing Jansen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-10-12
Filing date: 1990-10-12
Publication date: 1992-04-16

Description

1. Problemstellung

Auf numerischen Drehmaschinen werden heute Wellen und andere Drehteile mit hoher Geschwindigkeit und Präzision hergestellt. Da die verwendeten Werkzeuge einem Verschleiß unterliegen, kann trotz gleicher Zustellung der erzeugte Drehdurchmesser nicht immer garantiert werden. Ein Nachmessen des Werkstücks nach der Herstellung außerhalb der Maschine in einer speziellen Meßvorrichtung ist deshalb heute üblich, um gegebenenfalls Korrekturen der Einstellung oder einen Austausch der Schneidplatten zu veranlassen.

Eine zusätzliche Meßvorrichtung könnte enfallen, wenn ein Vermessen des Werkstücks mit hoher Präzision bereits auf der Maschine erfolgt. Hierzu wird ein Distanzmeßgerät benötigt, welches einerseits die nötige Meßauflösung aufweist, andererseits so robust ausgeführt ist, daß es wie ein Werkzeughalter auf dem Revolver der Maschine angeordnet werden kann. Die Messung sollte zudem berührungslos erfolgen, um auch bei rotierendem Werkstück einen Meßwert zu bekommen. Da in vielen Fällen eine Kabelzuführung zum Revolver nicht zulässig oder sehr störend wäre, soll das Distanzmeßgerät über eine autarke Versorgung und kabellose Datenübertragung verfügen.

Es sind Meßfühler bekannt, die mit Hilfe von induktiven Wegaufnehmern die erforderliche Meßauflösung realisieren. Die Verwendung dieser Aufnehmer setzt jedoch immer einen mechanischen Kontakt mit dem Werkstück voraus, was eine Verwendung bei Rotation ausschließt.

Es sind ferner Distanzaufnehmer nach dem optischen Triangulationsprinzip bekannt, bei denen das Werkstück durch einen Laserstrahl beleuchtet und die Position des Leuchtflecks auf einen positionsempfindlichen Detektor direkt abgebildet wird. Diese Aufnehmer sind zur Messung von Distanzen auf optischem Wege prinzipiell geeignet, von der Meßgenauigkeit jedoch meist nicht ausreichend und aufgrund ihres Aufbaus zu groß, um sie auf die Größe eines Werkstückhalters zu integrieren. Die positionsempfindlichen Halbleiterdetektoren ermöglichen zudem nur die Ermittlung eines Summensignals des Lichtflecks, das Signal ist temperaturabhängig und bedarf mehrfacher Kompensation.

Alle diese Aufgaben verfügen in den bekannten Ausführungen über umfangreiche Kabelanschlüsse, die nicht ohne weiteres durch Datenübertragungskanäle ersetzt werden können.

2. Gegenstand der Erfindung

Die Erfindung verwendet eine Anordnung des Triangulationsprinzips, welches aus der Geodäsie hinlänglich zur Bestimmung von Entfernungen bekannt ist, auf die Messung der Distanz Werkstück-Sensor an. Hierbei wird das Werkstück durch einen feinen Laserstrahl, der durch eine in der Meßachse angeordnete Laserdiode mit Kollimator (Abb. 1) erzeugt wird, beleuchtet. Das auf der Oberfläche diffus reflektierte Licht wird von einer unter dem Winkel von 30 Grad zur Meßachse angeordneten Abbildungsoptik aufgenommen und über ein Prisma auf dem CCD-Zeilensensor abgebildet. Durch Wahl des ausgezeichneten Winkels von 30 Grad für die Mitte des Meßbereichs und ein 90 Grad Prisma ergibt sich auf Grund der Abbildungsgeometrie eine Schärfeebene, die senkrecht zur Meßachse steht. Bei geeigneter Wahl der Optik-Brennweite und ev. Justage des Prismas kann erreicht werden, daß die Mitte des CCD-Sensors mit der Meßachse zusammenfällt, wodurch sich eine sehr kompakte und fertigungsmäßig günstige Anordnung aller optischen Komponenten ergibt. Ferner läßt sich eine angenähert 1 : 1 Abbildung des zu messenden Meßbereichs auf den Sensor erreichen, was zu einer hohen Meßauflösung beiträgt.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung ist sichergestellt, daß die Abbildung des Laserflecks auf dem Sensor für alle Entfernungen innerhalb des Meßbereichs scharf ist und damit eine genaue Auswertung erlaubt.

Die Verwendung eines CCD-Zeilendetektors mit einer großen Zahl von Einzelelementen, deren Raster durch die Herstelllgeometrie fest liegt, ermöglicht darüber hinaus eine genaue Auswertung des Bildpunktmusters, welche über die reine Integration hinausgehen kann. Die Anordnung ist zudem weitgehend unempfindlich gegen Temperaturänderungen.

Der Meßkopf ist ferner erfindungsgemäß mit einer Elektronik ausgestattet, die die aufgenommenen Werte des CCD-Sensors digitalisiert, in ein sequentielles Datenformat bringt und über eine optische Datenstrecke (Leistungs-LED oder Laserdiode) abstrahlt.

Die Versorgung der Elektronik erfolgt erfindungsgemäß durch Batterien bzw. Akkumulatoren, so daß keine Kabelzuführung erforderlich ist.

Die Messung wird initialisiert durch ein optisches Signal, welches erfindungsgemäß durch einen im Meßkopf enthaltenen optischen Detektor empfangen und in der Steuerelektronik verarbeitet wird.

Der äußere Aufbau entspricht erfindungsgemäß in den Dimensionen und in der mechanischen Schnittstelle einem Werkzeughalter, so daß eine Anordnung auf dem Revolver einer numerischen Drehbank problemlos möglich ist. Die Gehäuseausführung ist präzise, um eine mit einem Werkzeug vergleichbare Reproduzierbarkeit zu erhalten. Der Meßbereich ist ausreichend groß, um vor der Messung eine Referenz anfahren zu können (Drehmaschine, Revolverposition), die so gewählt wird, daß alle weiteren Messungen des Werkstücks ohne Repositionierung der Revolver-Vorschubachse möglich sind, was Positionierungenauigkeiten dieser Achse ausschließt.

Zum Schutz vor Spänen und der Kühlmittelflüssigkeit ist das optische Fenster des Gehäuses erfindungsgemäß durch einen dichten Verschluß während des Drehvorgangs geschützt. Erst bei Empfang eines entsprechenden Kommandos wird der Verschluß durch einen elektromotorischen Antrieb entfernt und die Optik freigegeben. Das Kühlmittel muß während der Messung ausgeschaltet sein. Nach der Messung wird die Optik wieder dicht verschlossen.

3. Beschreibung der Erfindung

Abb. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Licht einer Laserdiode mit Kollimator (1) fällt auf das Werkstück (2), eine in der Maschine aufgespannte, möglicherweise rotierende Welle. Eine Abbildungsoptik (3) sammelt das diffus reflektierte Licht des Laserflecks und bildet es über ein Prisma (7) auf dem CCD- Zeilensensor (5) ab. Dabei werden die Punkte des Meßbereichs (6) 1, 2, 3 auf die entsprechenden Punkte 1′, 2′, 3′ abgebildet.

Die Optik ist in einem lichtdichten Gehäuse (4) untergebracht, welches im folgenden als Sensorkopf bezeichnet werden soll.

Abb. 2 zeigt den Aufbau des Sensorkopfes (11) auf dem Revolver (10) einer Drehmaschine. Die mechanische Verbindungsschnittstelle (12) ist nur angedeutet. Seitlich am Sensorkopf sind ein optischer Transmitter (LED) (13) und ein optischer Empfänger (14) angeordnet, um Steuerbefehle einer hier nicht weiter geschilderten Steuerelektronik zu empfangen bzw. Daten an diese abzusenden. Der Sensorkopf wird über Batterie bzw. Akku versorgt (15).

Auf der Seite der Meßoptik verfügt der Sensorkopf (11) über einen dichten mechanischen Verschluß (9), dessen Einzelheiten hier nicht näher dargestellt werden sollen. Hier ist auch ein wellenlängenselektives Filter als Schutzfenster angeordnet, dessen Wellenlänge auf die Wellenlänge des Lasers abgestimmt ist, so daß Fremd- und Umgebungslicht weitgehend unterdrückt werden.

Die Anordnung ist ausgelegt für einen Arbeitsabstand, der in etwa dem Arbeitsabstand mit Drehmeißel entspricht. Die Art der Signalverarbeitung und Signalauswertung zur Ermittlung der Distanz ist nicht Gegenstand dieser Erfindung und wird deshalb hier nicht weiter erläutert. Elektronische Anordnungen, die dies leisten, sind in zahlreichen Ausführungen bekannt.

Claims

1. Anordnung zur berührungslosen Messung von Abständen und Durchmessern an Drehmaschinen durch optische Triangulation, enthaltend

a) eine Laserdiode mit Kollimator, die einen dünnen parallelen Beleuchtungsstrahl erzeugt,
b) eine Abbildungsoptik, die den auf dem Meßobjekt diffus reflektierten Laserstrahl auf einem positionsempfindlichen elektrooptischen Sensor abbildet,
c) einen positionsempfindlichen Sensor, ausgebildet als CCD-Linear-Zeilensensor mit einer großen Anzahl von lichtempfindlichen, in einer Reihe angeordneten Detektoren, deren Signale durch eine Verarbeitungselektronik erfaßt und ausgewertet werden.

dadurch gekennzeichnet, daß

d) Beleuchtungsstrahl und optische Achse der Abbildungsoptik einen Winkel von 30 grad bilden,
e) der Strahlengang durch ein 90 grad Reflektionsprisma so gefaltet wird, daß der Linearsensor senkrecht zur Beleuchtungsachse mittig angeordnet werden kann,
f) die Brennweite der Optik so gewählt wird, daß sowohl die größte als auch die kürzeste zu messende Distanz noch zu einer scharfen Abbildung des Laserflecks auf dem Linearsensor führt,
g) sich durch diese oben beschriebenen Maßnahmen in etwa eine 1 : 1 Abbildung des Distanzmeßbereichs auf die lichtempfindliche Sensorlänge ergibt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

a) das Gehäuse in äußerer Form und der mechanischen Aufnahme einem Werkzeughalter nachgebildet ist, wie er für numerisch gesteuerte Revolver-Drehmaschinen und Bearbeitungszentren üblicherweise verwendet wird,
b) das Gehäuse über eine mechanische Anordnung verfügt, die einen dichten Verschluß der Optik gegen Verschmutzung und Kühlflüssigkeit gewährleistet und die auf ein entsprechendes Signal hin geöffnet bzw. geschlossen werden kann.

3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die vom Sensor erfaßten Signale über eine optische Datenverbindung an einen Steuerrechner digital übertragen werden, wobei Maßnahmen zur Überprüfung und Sicherstellung der Datensicherheit angewendet werden,
b) die vom Steuerrechner kommenden Kommandos zum öffnen des Schutzdeckels, zur Auslösung der Messung usw. ebenfalls optisch übertragen werden,
c) das Gehäuse dazu optische Fenster aufweist, um die für die Datenübertragung erforderlichen Signale der internen Elektronik zugänglich zu machen.

4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß

die Stromversorgung der Sensorelektronik sowie des Schutzmechanismus durch einen Akkumulator bzw. eine Batterie erfolgt, so daß keine Kabelverbindung zum Sensor erforderlich ist.