DE4313987A1 - Verfahren und Einrichtung zur berührungslosen Messung der Wandabstände von rotationssymmetrischen Werkstückinnenprofilen, insbesondere Innendurchmessern von Bohrungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur berührungslosen Messung der Wandabstände von rotationssymmetri­ schen Werkstückinnenprofilen, insbesondere Innendurchmessern von Bohrungen mittels Laserlicht, gemäß dem Oberbegriff des Hauptan­ spruches.

Aus der DE OS 40 06 889 ist ein Verfahren zur Bestimmung von Roh­ rinnendurchmessern bekannt. Das Verfahren wird mittels eines Prüfgerätes mit einem Lasermikrometer, einem Prüfstückträger, der das Prüfstück dem Laserstrahl aussetzt, einem Aufnahmedorn und einem Computer durchgeführt. Der vom Lasermikrometer zum Meßgehäuse gesendete Laserstrahl weist eine rechteckige Quer­ schnittsform mit einem exakt definierten Ende auf. Zur Durchführung der Messung wird zunächst der Aufnahmedorn in ein Spannfutter eingesetzt, ausgerichtet und eingespannt. Der Prüfstückträger wird bezüglich des Lasermikrometers so positio­ niert, daß der Laserstrahl senkrecht auf der Längsachse des Auf­ nahmedornes steht. Auf den Aufnahmedorn wird ein Gewicht aufgesetzt. Anschließend wird die Entfernung zwischen dem Ende des Laserstrahls und dem dazu nächstliegenden Punkt der zu messen­ den zylindrischen Fläche gemessen. Im nächsten Schritt des Ver­ fahrens wird das Gewicht wieder abgehoben, ein Prüfstück bezüglich der zu messenden Fläche mittig auf den Aufnahmedorn auf­ geschoben und das Gewicht auf das Prüfstück herabgelassen. Dabei muß das Gewicht so positioniert sein, daß das Prüfstück auf der zu messenden Fläche balanciert. Danach wird wieder der Abstand zwi­ schen dem Laserstrahlende und dem dazu nächstliegenden Punkt der zu messenden Fläche bestimmt. Die sich aus dieser Messung ergeben­ de Wandstärke des Prüfstücks wird dann aus der Differenz der bei­ den Messungen bestimmt. Der Außendurchmesser wird anhand des vom Prüfstück geworfenen Schattens gemessen. Da die entsprechenden Werte nur für die jeweilige Stellung des Prüfstückes gelten, muß das Prüfstück um seine Längsachse um beliebige Winkel gedreht wer­ den, um mehrere verschiedene Stellungen zu erhalten, wobei in jeder Stellung die Wandstärke und der Außendurchmesser bestimmt werden. Anschließend wird das Prüfstück um seine Längsachse ge­ dreht, erneut mittig bezüglich der zu messenden Fläche auf den Aufnahmedorn aufgeschoben und weitere Messungen werden durchgeführt. Aus diesen Messungen werden nunmehr mittels eines Computers Durchschnittswerte des Außendurchmessers und der Wandstärke bestimmt. Der durchschnittliche Innendurchmesser er­ gibt sich aus der Differenz zwischen Außendurchmesser minus dop­ pelter Wandstärke. Das beschriebene Verfahren besteht aus einer großen Anzahl von Schritten, wobei die Messungen jeweils von der Position des Werkstückes bezüglich der Prüfeinrichtung abhängig sind. Die Durchführung des Verfahrens ist langwierig und kompli­ ziert. Darüberhinaus wird der Innendurchmesser der zu messenden Werkstücke anhand zweier anderer Durchschnittsmeßwerte bestimmt, was zu einer zusätzlichen Fehlerbelastung der Messung führt.

Aus der DE OS 38 35 981 ein weiteres Verfahren zur Prüfung der To­ leranzen von Bohrungen bekannt. Das Verfahren wird so durchgeführt, daß während jedes zur Herstellung der Bohrung not­ wendigen Laserimpulses ein Rasterbild der Bohrungsumgebung auf­ genommen und zur Bestimmung des mittleren Bohrungsdurchmessers ausgewertet wird. Dazu wird ein über Spiegel umgeleiteter Laser­ strahl auf eine Bündellinse geleitet. Nach der Bündelung trifft er Laserstrahl auf das zu messende Werkstück. Das vom Laser reflek­ tierte Licht durchdringt einen der Umlenkspiegel und gelangt in ein optisches Aufzeichnungsgerät. Auf dem optischen Auf zeichnungsgerät wird ein Abbild der Bohrung dargestellt. Aus einem so aufgenommenen Grauwerthistogramm wird nach mehreren Aus­ werteverfahrensschritten der mittlere Bohrungsdurchmesser mit­ tels einer Gleichung bestimmt. Dieses Verfahren ist vor allem mit Ungenauigkeiten bei der Erstellung des Grauwerthistogramms be­ haftet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur berührungslosen Messung von rotationssymmetrischen Werkstückinnenprofilen, insbesondere Innendurchmessern von Boh­ rungenen anzugeben, welches unter Vermeidung der o.g. Nachteile einfach durchführbar ist und eine hohe Meßgenauigkeit aufweist. Ferner soll eine Anordnung angegeben werden, die zur Durchführung des Verfahrens dient.

Diese Aufgabe wird durch das im Anspruch 1 angegebene Verfahren gelöst. Die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist im An­ spruch 8 angegeben. Die Unteransprüche stellen vorteilhafte Wei­ terbildungen dar.

Erfindungsgemäß wird das Verfahren so durchgeführt, daß das min­ destens zwei punktförmig oder linienförmig fokussierte Laserlichtbündel auf zwei diagonal einander gegenüberliegende Wandabschnitte eines zu messenden Innenprofils schräg projiziert werden. Das von den Wandabschnitten reflektierte Laserlicht wird auf einem Sensor abgebildet. Eine Auswerteeinheit bestimmt auf­ grund der Intensitätsverteilung des reflektierten Lichtes den ma­ ximalen Abstand zwischen den reflektierten Laserlinien bzw. Laserpunkten und ordnet diesem einen Wert für den Innendurchmes­ ser des Bauteilprofiles zu. Da immer der Abstand zwischen den La­ serlinien oder Laserpunkten der Abbildung auf dem Sensor vermessen wird, sind die absoluten Positionen des Bauteiles während der Messung unerheblich, so daß eine Schwankung der Lage des Bauteiles keinen Einfluß auf das Meßergebnis hat. Durch die Projektion von mehreren nebeneinander auf einer Linie liegenden Punkten oder durch die Projektion von Laserlichtlinien ist es möglich, die Positionierungenauigkeiten des Meßobjektes auszu­ gleichen. Die Unabhängigkeit von einer exakten Positionierung des zu vermessenden Werkstückes ist ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens, der es u. a. erlaubt, das Verfahren innerhalb kürzester Zeit durchzuführen. Dadurch ist es möglich, die Taktzeiten, in denen die einzelnen, aufeinander folgenden Messungen erfolgen, soweit zu steigern, daß bis zu acht Bauteile pro Sekunde geprüft werden können.

Es ist vorteilhaft, wenn die Projektion der Laserlinien oder der Laserpunkte auf die Innenwand des zu vermessenden Profils unter etwa 45° erfolgt. Dabei bildet die Längsachse des Laserlichtbündels und die Rotationsachse des Innenprofils oder der Bohrung einen Winkel von etwa 45°. Der Kegel des reflektierten Lichtes ist ebenfalls auf diesen Bereich begrenzt, wodurch die gesamte Anordnung klein dimensioniert werden kann.

Die Erfindung sieht vor, daß die Einstrahlung des Laserlichtes durch außerhalb der Bauteiloberfläche angeordnete Laser erfolgt. Der Innendurchmesser wird danach durch Einstrahlung des Laser­ lichtes nur an einem Ende des Bauteiles gemessen, vorteilhafter­ weise am oberen Ende desselben.

Durch die Projektion von Laserlichtlinien bzw. auf einer Linie liegenden Laserlichtpunkten ist eine weitestgehende Unabhän­ gigkeit von den optischen Eigenschaften, der Rauhigkeit und den Reflexionseigenschaften der bestrahlten Oberflächen gewährleistet.

In Ausgestaltung sieht die Erfindung vor, daß die Abbildung von beiden Wandabschnitten entweder durch einen Sensor erfaßt werden, oder daß jeder Abbildung ein Sensor zugeordnet wird. In beiden Fällen werden beide Abbildung durch ein gemeinsames Objektiv auf dem Sensor oder den Sensoren abgebildet, wobei jedoch der geo­ metrische Bildort für jede Abbildung durch ein Prisma oder einen Spiegel getrennt festgelegt wird. Die Laserbeleuchtung des Bau­ teiles bewirkt eine Verteilung des reflektierten Lichtes deren Intensität von den Oberflächeneigenschaften des zu vermessenden Materials abhängt. Durch eine Schwellwertoperation werden die Be­ reiche auf dem Sensor, wo die auftreffende Intensität die Schwelle überschreitet, von denjenigen getrennt, wo dies nicht der Fall ist. Durch eine geeignete Wahl des Schwellwertes kann die Anord­ nung an beliebige Beschaffenheit der Materialoberfläche angepaßt werden. Die Orte hoher Intensität werden rechnerisch ermittelt und festgehalten. Diese Orte zerfallen in zwei Gruppen: Diejeni­ gen Orte, die der einen Wand zugeordnet sind und diejenigen Orte, die der anderen Wand zugeordnet sind. Aus den Orten für eine Wand muß ein genauester Wert für die Lage dieser Wand berechnet werden. Dies wird dadurch realisiert, daß der Schwerpunkt der Intensitätsverteilung des reflektierten Lichtes benutzt wird. In diesem Fall kann sogar mit den Intensitätswerten selbst, ohne Schwellwertoperation, gearbeitet werden. Dieses Verfahren ist insbesondere bei der Projektion von Laserpunkten vorteilhaft an­ wendbar.

Eine höhere Meßgenauigkeit kann erzielt werden, wenn Laserlinien projiziert werden. Im Falle einer runden Bohrung ergeben sich Elipsenbögen als Bilder auf dem Sensor. Der gesuchte Bohrungs­ durchmesser ist durch den Abstand der Scheitelpunkte dieser Elipsenbögen gegeben. Die aus von dem Sensor abgegebenen Signalen ermittelten Orte hoher Intensität werden durch Elipsenbögen oder Parabelbögen angenähert, die Scheitelpunkte dieser Bögen be­ stimmt und daraus der Abstand der Scheitelpunkte berechnet. Die Umrechnung der auf dem Sensor gefundenen Orte in Millimeterwerte der Bauteilinnendurchmesser kann durch die Aufnahme einer Eich­ kurve erfolgen, indem Bohrungen genau bekannter Durchmesser be­ trachtet werden, und die auf dem Sensor gefundenen Abstände abgespeichert werden. Ein gemessener Abstand auf dem Sensor wird dann durch Interpolation in dieser Tabelle in einen Millimeter­ durchmesser dieses Objektes zurückgerechnet.

Die Meßgenauigkeit des Verfahrens ist besser als 0,001 mm bei Meßbereichen zwischen 1 und 100 mm.

Die Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist mindestens zwei Laserlichtsender mit Optiken zur Fokussie­ rung der ausgestrahlten Laserlichtbündel in Punkt- oder Linien­ form, eine Abbildungsoptik für das von den Innenwandabschnitten des Meßobjektes reflektierte Laserlicht,mindestens einen Sensor zur Erfassung der Intensität des reflektierten Lichtes und eine Auswerteeinheit auf. Als Laserlichtsender werden Diodenlaser eingesetzt. Die Optik zur Fokussierung des Laserlichtbündels zu einer Linie oder zu mehreren auf einer Linie liegenden Punkten wird durch eine entsprechende Linse oder Linsenanordnung gebil­ det.

Die Abbildungsoptik zur Abbildung des reflektierten Laserlichtes auf dem Sensor besteht aus einem Objektiv für die Abbildung von beiden Wandabschnitten und Prismen oder Spiegeln welche die geo­ metrischen Bildorte für jede Abbildung getrennt festlegen. Das von den Prismen oder Spiegeln reflektierte Laserlicht wird auf einem Sensor abgebildet, wobei vorteilhafterweise der Sensor dur­ ch einen CCD-Sensor einer Videokamera gebildet ist.

Die Auswertung der vom Sensor abgegebenen Signale erfolgt durch die Auswerteeinheit. Die Auswerteeinheit ist durch ein Standard­ system für digitale Bildverarbeitung gebildet (z. B. VIBO 2400). Von besonderer Bedeutung ist eine sehr hohe Auswerteleistung die­ ser Einheit. Da eine Vielzahl von Signalen in Form von Videobil­ dern je Sekunde ausgewertet werden muß, ist es vorteilhaft wenn ein wesentlicher Teil der Verarbeitung in Hardware ausgeführt wir. Durch den Einsatz der speziellen Hardware ist es möglich, Hunderttausende von Bildpunkten in kürzesten Taktzeiten auszu­ werten. Die Meßgenauigkeit entspricht im wesentlichen der Auflösung der als Sensor verwendeten CCD-Videokamera. Bei einem Gesichtsfeld der Kamera von 1 mm und einer Pixelzahl von 768 Bild­ punkten ergibt sich eine Pixelauflösung von 0,0013 mm.

In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 Schematische Darstellung einer Anordnung zur Messung von Innendurchmessern.

Fig. 2 Auf einem CCD-Videokamerasensor abgebildetes Bild bei einer punktförmigen Fokussierung des Laserlichtes.

Fig. 3 Auf einem CCD-Sensor abgebildetes Bild bei Bestrahlung der Oberfläche mit linienförmigen Laserlicht.

Fig. 4 Eine Form eines anderen Innenprofiles, das mittels der in Fig. 1 dargestellten Einrichtung gemessen werden kann.

Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung zur Messung eines Innendurch­ messers D einer Bohrung 1 in einem Bauteil 2 weist zwei Laser­ lichtsender 3, eine Abbildungsoptik 4, einen Sensor 5 und eine Auswerteeinheit 6 auf. Die Laserlichtsender 3 sind durch Dioden­ laser gebildet. Sie weisen Optiken 7 auf, welche die Laserlichtbündel 8 punktförmig oder linienförmig fokussieren. Das fokussierte Laserlicht trifft auf die Innenwände 9, 10 der Boh­ rung 1 auf. Das punktförmig fokussierte Laserlicht wird so auf die Innenwände 9, 10 projiziert, daß die einzelnen Punkte 11 auf einer Linie liegen. Das von den Wänden 9, 10 reflektierte Licht 12 wird durch die Abbildungsoptik 4 auf dem Sensor 5 abgebildet. Die Ab­ bildungsoptik 4 weist für das von der Wand 9 und für das von der Wand 10 reflektierte Licht 12 ein gemeinsames Objektiv 13 und zwei Spiegel bzw. zwei Prismen 14, 15 auf. Das Licht 16, 17 gelangt über die Spiegel oder Prismen 14, 15 auf einen CCD-Sensor 18 einer als Sensor (5) dienenden CCD-Kamera. Die dort abgebildeten Refle­ xionsbilder sind in Fig. 2 und 3 dargestellt. Das der Fig. 2 ent­ nehmbare Bild entsteht bei einer punktförmigen Fokussierung der Laserlichtbündel 8, das in Fig. 3 dargestellte Bild entsteht durch eine Linienprojektion des Laserlichtes auf die Innenwände 9, 10. Der maximale Abstand A zwischen den Punkten 11 bzw. den Linien 19 entspricht dem Innendurchmesser D der Bohrung 1. Der maximale Ab­ stand A wird durch die Auswerteeinheit 6 aufgrund der Intensivitätsverteilung des auf dem Sensor 5 abgebildeten Lichtes berechnet und dem Durchmesser D der Bohrung 1 zugeordnet. Die Meßergebnisse werden durch die Auswerteeinheit 6 direkt in Millimetern angegeben.

In Fig. 4 ist ein Beispiel eines Innenprofiles dargestellt, wel­ ches mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auf Einhaltung der Tole­ ranzen überprüft oder dessen Durchmesser gemessen werden kann. Die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens und der Anordnung sind durch das in Fig. 4 dargestellte Beispiel veranschaulicht.

Claims (10)

1. Verfahren zur berührungslosen Messung von Wandabständen von ro­ tationssymmetrischen Bauteilinnenprofilen, insbesondere In­ nendurchmessern von Bohrungen mittels Laserlicht, wobei das Laserlicht auf das Bauteil projiziert wird, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mindestens zwei Laserlichtbündel (8) als Laserli­ nien (19) oder mehrere auf einer Linie liegende Punkte (11) schräg auf mindestens zwei diagonal gegenüberliegende Innen­ wandabschnitte (9, 10) des Bauteils (2) projiziert werden und das von den Wandabschnitten (9, 10) reflektierte Laserlicht (16, 17) auf mindestens einem Sensor (5) abgebildet wird,und das von dem Sensor (5) abgegebene Signal einer Auswerteeinheit (6) zugeführt wird, die aus dem maximalen Abstand (A) der reflek­ tierten Linien (19) oder Punkte (11) den Wandabstand (C) des In­ nenprofils oder den Innendurchmesser (D) ermittelt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pro­ jektion der Laserlinien (19) oder Laserpunkte (11) auf die Innenwände (9, 10) unter etwa 45° erfolgt.

3. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das reflektierte Laserlicht (12) durch eine Abbildungsoptik (4) auf dem Sensor (5) abgebildet wird.

4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Sensor (5) beide Abbildung (16, 17) erfaßt, oder daß jeder Abbildung (16, 17) ein Sensor zugeordnet wird.

5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß für die Auswertung der Intensität der abge­ bildeten Lichtstrahlung ein Schwellwert entsprechend der Beschaffenheit der Werkstückoberfläche (2) gewählt wird.

6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß bei der punktförmigen Projektion des Laser­ lichts aus mehreren Orten der Reflexion die Schwerpunkte der Intensitätsverteilung des reflektierten Lichtes gebildet wer­ den und daß der maximale Abstand der Innenwände zueinander aus diesen Schwerpunkten der Intensitätsverteilung bestimmt wird.

7. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder meh­ reren der vorangegangenen Ansprüche mit zwei Laserlichtsendern (3) mit Optiken (7) zur punkt- oder linienförmigen Fokussierung der Laserlichtbündel (8), einer Abbildungsoptik (4) für das von den Wandabschnitten (9, 10) eines Bauteiles (2) reflektierte La­ serlicht (12), mindestens einem Sensor (5), auf dem das Refle­ xionsbild (11, 19) abgebildet wird und mit einer Auswerteeinheit (6) zur Auswertung des von dem Sensor (5) abgegebenen Signals und Erstellung eines Meßergebnisses.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die La­ serlichtsender (3) Diodenlaser sind.

9. Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildungsoptik (4) durch eine aus einem Objektiv (13) und den reflektierten Abbildung (16, 17) zugeordneten Prismen oder Spiegeln (14, 15) besteht.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 8 dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Sensor (5) durch ein CCD-Sensor (18) einer Videokamera gebildet ist.