WO2014114737A2 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung der geometrie von strukturen mittels computertomografie - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur bestimmung der geometrie von strukturen mittels computertomografie Download PDF

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WO2014114737A2
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computed tomography
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geometry
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Ralf Christoph
Ingomar Schmidt
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    • G01N2223/40—Imaging
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Definitions

  • the invention relates to a method and to a device for determining the geometry of structures on objects such as workpieces or tools by means of computed tomography.
  • computer tomography refers to the three-dimensional examination of a workpiece with the aim of determining positions of measuring points at interfaces between two materials, for example at the surface, ie the transition between workpiece and air.
  • the workpiece to be measured is penetrated by the measuring radiation, wherein a weakening of the measuring radiation, depending on the irradiated length and irradiated material occurs.
  • the radiation emerging behind the workpiece is detected by a radiation detector. This is usually carried out flat, to capture the largest possible area of the workpiece at the same time.
  • volume information which contains the local attenuation information of the workpiece is first obtained by means of mathematical reconstruction methods. From this information, the measuring points are then usually calculated by means of a threshold value process.
  • a mechanical axis of rotation this consists of a fixed and a rotatable part.
  • the rotatable part is rotated around a mathematical axis, which is called "rotation axis" in the following:
  • the orientation, ie direction, and position, for example of a point, of this axis of rotation in space is also referred to as the position of the axis of rotation
  • the direction of the mechanical axis of rotation is also spoken of meaning the direction of the (mathematical) axis of rotation.
  • the object of the present invention is to avoid the disadvantages of the prior art, in particular to achieve high accuracies in the measurement of workpieces that are difficult to irradiate. Another task is to ensure a fast and accurate series measurement.
  • the measurement points are selected to determine features that can be assigned to a CAD element of the workpiece. For this, however, an adaptation to a CAD model is first necessary.
  • corresponding 3D models are not always available for many workpieces, for example for injection nozzles. For these are usually only 2D drawings or tables from which fiction, according to so-called parameter sets or parameter files are derived, for example, the angular positions and diameter curves of the injection holes, so only for details of the workpiece.
  • the surface points are selected, which are assigned due to specifiable rules to be determined geometry features, in particular within a maximum predeterminable distance to a desired geometry, preferably based on the direction information of the desired geometry, ie the surface vector, the inside - Is set and outside and this is used to select the surface points.
  • the predefinable rules are defined by the user. For example, the operator selects which type of geometric element, for example cylinder or plane or sphere etc., should be used in order to define a desired geometry of the geometric feature to be determined.
  • the operator determines the location and orientation of the desired geometry in space, either by entering the appropriate parameters for the geometry element, or optionally with the aid of a computer program.
  • the desired geometry is then used to determine the distance to the surface points.
  • the minimum vertical distance to the desired geometry is determined for each surface point.
  • the predetermined by the operator maximum value for this distance which is for example 100 ⁇ , preferably 50 ⁇ , then only the surface points for the determination of the geometric feature are selected, the distance is less than the maximum value.
  • the maximum value is set by the operator as empirical value with respect to the drawing tolerance of the features to be measured.
  • the object underlying the invention is thus essentially solved by a method for determining the geometry of a structure on an object such as a workpiece or tool at least using a computed tomography sensor comprising at least a radiation source, a mechanical axis of rotation and a detector, preferably an area detector, wherein the computed tomography sensor system surface measurement points are preferably generated in the region of material transitions by using surface measurement points that are assigned to the geometry features to be determined on the basis of specifiable rules in order to determine the geometry features.
  • An independent object of the invention is accordingly the measurement of injection nozzles, in particular their pointed holes.
  • elevation angle, side angle or position in space, diameter, diameter profile or roughness of the individual injection holes are determined.
  • the measurement results on these workpieces can also be determined with further sensors, such as, for example, optical, tactile or tactile-optical sensors, as are known in the field of coordinate metrology. The measurement results of the different sensors are also combined.
  • the determination of the geometry of a structure on an object such as a workpiece or tool at least using a computed tomography sensor consisting of at least radiation source, mechanical axis of rotation and detector, preferably area detector, wherein generated by the computed tomography sensor, preferably in the range of material transitions, surface measuring points be by one or more obliquely to each other in the space lying features such as holes are measured, preferably based on the symmetry axis of the object.
  • a computed tomography sensor consisting of at least radiation source, mechanical axis of rotation and detector, preferably area detector, wherein generated by the computed tomography sensor, preferably in the range of material transitions, surface measuring points be by one or more obliquely to each other in the space lying features such as holes are measured, preferably based on the symmetry axis of the object.
  • Diagonally in space means that the orientation of the features, for example the cylinder axis of a cylinder, ie a direction in space that can be assigned to the feature, is different. This is the case, for example, with cylindrical or nearly cylindrical injection holes of injection nozzles.
  • CAD elements which have the same data format as a CAD model, can subsequently be generated from these basic elements or composite basic elements, as a result of which existing measuring programs based on CAD data can be used.
  • these CAD elements are not previously known CAD models, as they are derived, for example, from a 3D model of the workpiece.
  • the CAD elements meant here are made of real measured measuring points, eg. B.
  • parameter sets consist, for example, of the definition of spray-hole geometries or of the position of one or more injection holes from three spatial coordinates (x, y, z) and at least one angular position (phi, theta) or axial position (dx, dy, dz) or from one plane (x, y, z as point information and dx, dy, dz as plane normal vector) and possibly from others in space defined and preferably limited in their extent geometric elements.
  • target data such as angular positions, positions and diameters or Duchmesserverpen, so-called hand elements are then generated.
  • the CAD elements or hand elements define the desired geometry, or a part of it. Not relying on a conventional CAD model is a notable feature of the invention in contrast to the prior art.
  • a cylinder element can represent a solid cylinder, but also a bore. Only by adding a direction vector such as vector surface vector is the target geometry so completely defined. It is thus possible to distinguish inside and outside and accordingly to associate surface points of the desired geometry.
  • the desired geometry is first roughly defined.
  • the operator on the basis of his prior knowledge of the present feature, that is, for example, has a cylindrical shape, conical shape or planar shape, defines a geometry element type and any present orientation and size, for example the diameter of a cylinder.
  • the user is typically auxiliaries available.
  • the operator may select individual points that can be safely assigned to the feature in question to calculate a compensation element by means of a computer program. This can then be used as a roughly defined nominal geometry.
  • the operator can at known, z. B.
  • the calibration comprises the determination of the position of the workpiece with respect to the sensor, for example in a coordinate measuring machine.
  • the workpiece contains clearly assignable Geometric features.
  • at least partially rotationally symmetrical injectors are marks, such as laser marking strokes or the like, or grooves, usually outside, or eccentric holes mounted to determine the orientation or rotational position in a single clamping.
  • the operator is also oriented to adjacent features, such as the cylinder bounding planes in a through hole.
  • intersections of geometric elements may also make sense in order to determine the roughly determined desired geometry or the roughly determined geometric element.
  • a cylinder element can be limited in length to a cylinder section by forming an intersection with a cone element.
  • preliminary surface points from the measured data are selected by means of the roughly determined geometric element and from these a geometric compensation element, usually of the same type, as the roughly determined geometric element, is calculated. This is still inaccurate, since not all and not only only the measuring points that are assigned to the feature have been selected.
  • this compensating element is now more accurate than the previously roughly determined geometry element.
  • These parameters are now used to reselect the surface points.
  • the previously roughly determined geometry element is adapted to the compensation element, that is, for example, moved to its position, and orientation and size, such as diameter of a cylinder, changed accordingly.
  • This makes sense since the manually roughly determined geometry element, as already mentioned, can already be modified, for example trimmed.
  • the exact measurement result for example the diameter or the shape deviation of a replacement geometry element or compensating element, is calculated from the surface points selected by the renewed selection. This process can also be repeated several times, that is, the specific geometry element can be used again for selection, and so on. Another way to define the required geometry for measuring point selection is to use additional sensors.
  • Their measuring points for example a few points measured within a cylinder, can be used to determine a compensating element that defines the desired geometry.
  • the features used for trimming and cutting can also be measured with another sensor.
  • the basic requirement is that the sensors used measure in the same coordinate system. This is typically achieved by measuring the sensors. In contrast to calibrating the workpiece position, this process serves to determine the positions of the measuring points generated by a plurality of sensors relative to one another, in particular by determining the offset and the orientation of the sensors relative to one another, taking into account their respective working distance.
  • the measuring points of both sensors can also be transferred by subsequent manipulation by fitting into each other in the same coordinate system. However, this is only possible if suitable geometries on the workpiece are available.
  • the further sensors are typically arranged together with the computer tomography sensor in a coordinate measuring machine or form this.
  • the measuring points of the further sensor can be used to define the desired geometry, as already described.
  • the target geometry is then limited to the areas in which measurement points were determined with the other sensor.
  • a tactile or tactile-optical sensor only points on four generatrices of a cylinder are measured, for example by scanning. Balancing planes, which serve as the desired geometry, are calculated from the respectively opposite generatrices. Now becomes the amount of surface points measured with the computed tomography sensor Cut with these planes, the points are used, which are used for the evaluation, so to measure the cylinder.
  • the points selected in this way are therefore in the same range.
  • This similar point structure allows a further possibility, namely the use of the measurement results of a more precise further sensor for the correction of the CT results.
  • only the measuring points are corrected, which have been measured in the same area with the two or more sensors, ie spatially associated with each other.
  • the correction then takes place in accordance with the method described in WO 2008128978 A2. This can improve the accuracy of the measurement results.
  • the correction points with the one or more other sensors must be determined only once on a master part and then for the correction of the measurement results of other parts of the series, which need only be measured quickly with the computed tomography sensor used.
  • the feature is arranged and aligned in a favorable position in the measuring beam of the computed tomography sensor.
  • the largest possible image scale is usually set. This is the case when the feature, such as the injection hole of an injection nozzle as close to the radiation source is arranged, while still being fully mapped in all rotational positions on the detector.
  • the rotational position thus serves as the basis for the alignment of the existing coordinate systems and must also be set reproducibly during series measurement.
  • the region of the workpiece to be measured for example the injection hole of an injection nozzle, is brought into a defined position. This is done for example by applying the workpiece in a jig on the rotatable part of the mechanical axis of rotation, for example, containing a fit to reproducibly place the workpiece in the same position and location.
  • Invention according to an additional aligning element is additionally attached to the rotatable part of the mechanical axis of rotation.
  • This example consists of one or two cylindrical pins which are parallel to the direction of the axis of rotation.
  • the vertical connecting line between, for example, the two cylinder axes of the pins forms by way of example a direction which can be screwed in a predefined axial direction, for example the y-axis of the coordinate measuring machine. But even with a single cylinder pin alignment can be done.
  • the vertical connecting line between the cylinder axes of a cylinder pin and another cylindrical member for fixing the workpiece for example a cylindrical dowel pins or a cylindrical opening for workpiece holder, which also extends parallel to the direction of the axis of rotation or in this case as congruent with this , certainly.
  • the screwing in of this connecting line can again take place on the y-axis, but also on an axis running perpendicular to the y-axis and the direction of the axis of rotation, which runs in the x-direction, for example, ie the z-axis.
  • the alignment element can also be measured with the other sensors for defining or adjusting the coordinate systems.
  • workpieces such as injectors or to clearly recognize the rotational position
  • workpieces usually contain clearly assignable geometry features such as markings, such as laser marking lines or the like, or grooves, usually in the outer area or eccentric holes.
  • markings such as laser marking lines or the like
  • grooves usually in the outer area or eccentric holes.
  • the orientation or rotational position is determined in the clamping and can be set in relation to the axis defined by the alignment. In this way, therefore, the workpiece can always be screwed into the same rotational position according to its marking or the angular offset is used for coordinate transformation in a uniform coordinate system.
  • the rotational position can be adjusted uniformly before the start of the computed tomography measurement by always placing the alignment elements or the markings on the workpiece in the same rotational position so-called starting rotational position are brought.
  • measurements with the computed tomography sensor and / or further sensors are possible in advance, also called flow measurements.
  • the alignment elements are used as fastening means for the workpiece. These are eccentrically to the axis of rotation such that the cylindrical workpiece is arranged in the center of rotation. As a result, the rotational position of the workpiece is reproducibly adjustable and the workpiece coordinate system known.
  • the measuring body used for determining the imaging scale for example a calibrated ball, is arranged at precisely this point and the magnification is determined, preferably by comparing the calibrated diameter with the diameter determined by the computer tomography sensor.
  • further measures are taken to achieve optimal measurement results with the computed tomography sensor in the measurement of injection nozzles.
  • an artifact correction in particular a correction of the beam hardening, the use of focal spot diameters of the radiation source of less than about 10 ⁇ , the arrangement of a beam filter, preferably made of gold and with a thickness of about 0.1 mm, in front of the radiation source, the setting of Voltage of an X-ray source to about 190 kV to 200 kV and the measurement with the computed tomography sensor during rotation of the mechanical axis of rotation.
  • one or more of these measures is taken.
  • a device is moreover proposed that is used to determine the geometry of a structure on a workpiece or tool at least consisting of a computed tomography sensor comprising at least a radiation source, a mechanical axis of rotation and a detector, preferably an area detector, whereby the computed tomography sensor , preferably in the area of material transitions, surface measuring points can be generated, is attached to the rotatable part of the mechanical axis of rotation on a clamping device containing means for mounting the workpiece such as injector and means for fixing an alignment element, wherein the alignment element of the computed tomography sensor, but preferably also be detected by other sensors.
  • the also mounted on the mechanical axis alignment elements are as possible made of the same material as the workpiece to be measured, or from a material approximately the same density, more precisely the same mass number. This results in an approximately equal attenuation of the measuring radiation and it can easily be an adjustment of the radiation characteristic of the X-ray source, ie acceleration voltage, current and possibly mechanical pre-filter, found be, with the workpiece and alignment element high-contrast or even be irradiated.
  • the same fixture is used for fastening the calibration body as for the workpiece to be measured later.
  • the calibration ball is placed, for example, on the same dowel pin as an injection nozzle, optionally indirectly via an adapter.
  • the invention is characterized by a method for determining the geometry of a structure on an object such as workpiece or tool at least using a computed tomography sensor consisting of at least radiation source, mechanical axis of rotation and detector, preferably area detector, wherein by the computed tomography sensor, preferably in the range of material transitions , Surface measurement points are generated, are used to determine the geometry features surface measuring points, which are assigned to the determined geometric features due to specifiable rules.
  • the invention is characterized in that surface measuring points are used to determine the geometric features, which are determined by predefinable rules,
  • the desired geometry particularly preferably taking into account the surface vector of the desired geometry, wherein the desired geometry of the features by measuring a master part and / or based on one or more geometric elements and / or based on at least one parameter set and / or manual at least roughly determined by the operator geometric elements is determined, wherein the desired geometry is preferably determined by Bestfiteinpassung the used for determining measurement points or the points taken from the parameter sets,
  • the geometry features are determined.
  • surface measuring points are used which are within a maximum predefinable distance A, preferably A ⁇ 100 ⁇ , in particular A ⁇ 50 ⁇ , to a desired geometry.
  • the invention is characterized in that the selection of the surface measuring points to be used for determining the geometry features takes place taking into account the surface vector of the desired geometry.
  • a computed tomography sensor consisting of at least radiation source, mechanical axis of rotation and detector, preferably area detector, wherein by the computed tomography sensor, preferably in the range of Material transitions, surface measuring points are generated, wherein one or more inclined to each other in space features such as holes are measured, preferably based on the symmetry axis of the object.
  • At least height and / or side angle and / or position in space and / or diameter and / or diameter profile and / or roughness are determined.
  • one or more areas are measured by injection nozzles.
  • the invention is also distinguished by the fact that nominal dimensions and / or nominal geometry of the features can be defined or calibrated by measuring a master part.
  • the invention is characterized in that the desired geometry of one or more geometric elements such as straight line, straight line section, circle, Circular section, ball, ball section, cylinder, cylinder section, cone, conical section, Toms, Torusabites and is not determined by a pre-existing CAD model, preferably by the geometric elements at least one CAD element of the desired geometry is defined.
  • the desired geometry is defined by at least one parameter set, which preferably consists of three spatial coordinates (x, y, z) and / or at least one angular position (phi, theta) or axial position (dx, dy, dz) and / or plane (x, y, z, dx, dy, dz) and / or further defined in space and preferably limited in their extent geometric elements, preferably defined by the parameter set geometric elements and / or CAD elements of the desired geometry.
  • the invention provides that the geometric elements to be used for the determination of the desired geometry are defined manually at least roughly by the operator and preferably then a more accurate determination by a computer program takes place by means of the following steps:
  • geometric elements are calculated from measuring points of the further sensor whose measuring points are present in a common coordinate system by aligning and / or by measuring the further sensor for computed tomography sensors.
  • a sensor is used as a further sensor, which is integrated together with the computed tomography sensor in a coordinate measuring machine.
  • the invention is also characterized in that geometry features are measured with the computed tomography sensor and a further sensor with the same measurement strategy, preferably for the further sensor, the measurement points are used for the evaluation, which has been used to calculate the geometric element for determining the desired geometry.
  • the invention is distinguished by the fact that the measuring points of the further sensor are used to correct each of the measuring points of the computed tomography sensors which are spatially associated with the measuring points of the further sensor, preferably in a predeterminable maximum distance from the measuring points of the further sensor, wherein preferably the Measuring points of computer tomography sensors are corrected, which were selected with the aid of the desired geometry, which was formed from the geometric elements, which have been calculated from the measuring points of the other sensor and used to correct these measuring points of the other sensor.
  • the area to be measured on the object preferably injection hole of an injection nozzle, preferably automatically, in the appropriate position between the radiation source and detector, preferably as close to the radiation source is arranged, so that the area to be measured in all Rotary positions is completely displayed on the detector.
  • the rotational position of the mechanical axis of rotation preferably automatically, is adjusted such that the area to be measured on the workpiece, preferably the injection hole of an injection nozzle, is in a predefined position is arranged, preferably by an arranged on the mechanical axis of rotation alignment element, such as parallel to the axis of rotation extending cylinder pins, and / or a mark on the workpiece with the computed tomography sensor and / or another sensor is detected.
  • the invention is characterized in that the imaging scale of the computed tomography sensor is determined with a measuring body, preferably a calibrated ball, which is arranged at the same location as the area of the workpiece to be measured later.
  • the invention is characterized in that deviations in the relative position of the mechanical axis of rotation to the rest of the computed tomography sensors are detected by the position of a drift body as drift ball is determined, and the deviations are corrected, preferably by positioning the mechanical axis of rotation and / or the radiation source and / or the detector by means of mechanical axes of motion and / or by shifting the recorded radiographic images.
  • the position of the drift body is determined by means of one of the further sensors, preferably an optical sensor, particularly preferably an image processing sensor, and / or radiograph taken with the computed tomography sensor, wherein the measurement is determined in one or more fixed rotational positions of the mechanical axis of rotation, preferably starting rotational position, or by means of Umschlagmethode in two 180 ° offset rotational positions takes place
  • a coordinate system is determined for the measurement results of the computed tomography sensor and preferably further sensors by at least one axis running perpendicular to the axis of rotation being guided by an alignment element arranged on the mechanical axis of rotation, such as parallel to the rotation axis. is defined by the alignment element is detected with the computed tomography sensor and / or the other sensors.
  • the invention is characterized in that a coordinate system, preferably a common coordinate system, is determined for the measurement results of the computed tomography sensor and preferably further sensors by detecting a marking on the object with the computed tomography sensor and / or the further sensors.
  • the invention provides that when measuring an injection nozzle:
  • a manual or automatic artifact correction, in particular beam hardening correction, for the computer tomography sensor takes place and / or
  • the focal spot of the radiation source is set to a diameter less than about 10 ⁇ and / or
  • a beam filter preferably made of gold and having a thickness of about 0.1 mm, is used and / or
  • the voltage of an X-ray source is set to about 190 kV to 200 kV and / or
  • examples of compensating elements are geometric elements such as straight line, straight line section, circle, circle section, sphere, sphere section, cylinder, cylinder section, cone, cone section, tom, toras section.
  • a compensating element as also known in the art, the deviations between the measuring points and a compensating element are minimized and the resulting compensating element and its position processed to the measuring points.
  • the distances between this compensation element and the measuring points are evaluated and, for example, only the measuring points further processed, which fall below a predetermined distance to the compensation element.
  • the invention is also characterized by a device for determining the geometry of a structure on an object such as a workpiece or tool at least consisting of a computed tomography sensor consisting of at least the radiation source, mechanical axis of rotation and detector, preferably area detector, wherein by the computed tomography sensor, preferably in the range of material transitions Surface measuring points are generated, wherein on the rotatable part of the mechanical axis of rotation, a jig is fixed, which includes means for fixing the object and means for fixing an alignment and / or drift body, wherein the alignment element and / or the drift body of the computed tomography sensor and / or another sensor can be detected.
  • the device is characterized in that on the rotatable part of the mechanical axis of rotation is fixed to a clamping device, the means for fixing the object and means for fixing at least one axial direction of a coordinate system and / or rotational position of the mechanical axis of rotation predefined alignment element and / or a for determining the deviations in the relative position of the mechanical axis of rotation to the rest of the computed tomography sensor, in particular the displacements between the mechanical axis of rotation to the detector or the X-ray source (1) contains suitable drift body, wherein the alignment element and / or the drift body of the computed tomography sensor and / or another Sensor is detectable.
  • a device according to the invention is also characterized in that the means for fixing the object is cylindrically shaped and preferably a fit and / or centering, preferably for attachment of an injection nozzle on the inner cylinder or on the outer cylinder.
  • the alignment element consists of one or two cylindrical pins, which are preferably aligned parallel to the axis of rotation, wherein the alignment elements preferably serve as the means for fixing the object.
  • the invention is further characterized in that the alignment element consists of a material of the same density or approximately the same density as the object, preferably of steel.
  • the means for fixing the object are formed to receive a Einmessêt.
  • a device according to the invention is also characterized in that the attachment of the drift body by arranging in a material, preferably foam, takes place, which less weakens the measuring radiation of the computed tomography sensor compared to the drift body, preferably a maximum of 50% of the weakening of the drift body results.
  • the invention provides that the attachment of the drift body by arranging in an opening takes place such that in at least one rotational position of the mechanical axis of rotation of the drift body by the further sensor, preferably a tactile sensor or an image processing sensor in incident or transmitted light, can be detected.
  • the further sensor preferably a tactile sensor or an image processing sensor in incident or transmitted light
  • the computed tomography sensors and preferably at least one further sensor are integrated in a coordinate measuring machine.
  • Fig. 1 shows an inventive arrangement of computed tomography sensor, further sensor and the workpiece to be measured and accessories of
  • Fig. 2 shows a particular embodiment of a section of the invention
  • FIG. 3 shows a flowchart for clarifying the steps in the evaluation of features.
  • the radiation source 1 here an X-ray source, a radiation detector 2 and a mechanical axis of rotation 30, whose rotatable part 32 in the direction of an arrow 3, that is to an x-axis, represented by the x designated arrow, parallel axis is rotatable.
  • the mechanical axis of rotation 30 can also be moved along the arrows x, y and z in all mechanical axes of motion in order to bring a workpiece 4 located on the mechanical axis of rotation 30 into the desired position relative to the remaining computer tomography sensor.
  • the axes of motion can be positioned by a CNC control program.
  • X, Y, Z are the axes of a coordinate system, in particular Cartesian coordinate system.
  • the workpiece 4 is on the inner cylinder 7, which in the figure indicated by dashed lines, fitting on fastening means 6, for example, a centered in the chuck introduced cylinder pin plugged.
  • a mark 11, for. B. provided a laser mark. This is, for example, a short in the direction of the arrow x extending line, which can be detected for coarse alignment by the operator.
  • the laser marking is detected with an optical sensor and brought by rotating the mechanical axis of rotation 30 in a predetermined desired position.
  • workpieces such as gasoline injection nozzles, in which the cylindrical circumference is flattened on a defined side.
  • the determination of the rotational position of the workpiece then takes place on the basis of the measuring points determined by the computer tomography sensor at the flat, for example by fitting a plane into the measuring points of the flat.
  • workpieces such as injection nozzles 4 are manufactured with two eccentric inner bores 7. This is shown in FIG. 2, in particular reference numeral 7, which represents a section of FIG. 1, but in this particular embodiment.
  • alignment elements 9 for example two cylindrical pins, are used as fastening means for the workpiece. These are eccentrically to the axis of rotation such that the cylindrical workpiece is arranged in the center of rotation.
  • An unillustrated Einmessdisproportionate can also be attached to the fastener 6, for example, by also including a matching pin to the cylindrical pin.
  • the imaging scale can be determined at exactly the position in which the workpiece 4 is located during the actual measurement.
  • An arrangement directly on the rotatable part 32 of the mechanical axis of rotation 30 is also possible.
  • two alignment elements 9 are arranged offset in the y-direction, that is to say along the arrow y. They both have a cylindrical shape, whereby the cylinder axis parallel to the arrow x, that is parallel to the direction about which the rotatable part 32 of the mechanical axis of rotation 30 rotates, that extends about the axis of rotation.
  • the alignment elements 9 can be screwed exactly offset in the y-direction and define the y-axis of the device.
  • the registration of the position of the alignment is done for this purpose with the computed tomography sensor or, if available, with the other sensor 10. If the alignment elements 9 are subsequently used for fastening the workpiece 4, the rotational position of the workpiece 4 is thus reproducibly the same adjustable and the workpiece coordinate system known.
  • a drift body 12 here by way of example in the form of a sphere, is shown integrated in the clamping device 5. This is arranged in an opening 13 on the clamping device 5 and thus by another sensor 10 in one or two rotational positions of the mechanical axis of rotation 30 can be measured.
  • the attachment is carried out so that the ball is attached only at three to four points on the circumference, so that the measurement can be done on the free circumference.
  • a corresponding transmitted light device is additionally fastened to the mechanical axis of rotation 30 according to the invention.
  • the drift body 12 is measured with the computed tomography sensor.
  • the drift body 12 is arranged in a material such as foam, which absorbs the measuring radiation much less than the drift body 12 itself.
  • the foam is arranged, for example, in the opening 13.
  • the position of the drift body 12, for example, the position of the center of the drift ball is determined.
  • the position of the drift body 12 is determined several times between the various measurements, whereby displacements between the mechanical axis of rotation 3 and thus of the workpiece 4 and the other on the mechanical axis of rotation. 3 arranged elements 5, 6, 9, 11 to the detector 2 and the X-ray source 1 are detected and corrected.
  • the further sensor 10 is shown, which in the exemplary embodiment is a tactile sensor.
  • the computed tomography sensor or its components as well as the further sensor 10 can be positioned according to the arrows shown.
  • the presence of axes of motion, together with the ability to determine positions for measurement points, are indicia of the presence of a CMM.
  • the region of the workpiece 4 to be measured here an injection nozzle, is designated by 8 and comprises, for example, injection holes, which are not shown in the figure.
  • the region 8 is positioned as close as possible, in the direction of the arrow z, to the radiation source 1, in order to achieve the highest possible magnification of the image on the detector 2 and thus high resolution and accuracy.
  • the region 8 can also be divided into subregions, which are measured one after the other. The part measurement results are then assembled. Corresponding methods are known by the term "scanning tomography or tomography" Am-Bild ".
  • the position of the alignment elements 9 should also be taken into account, they must be measurable with at least one sensor. If there is no further sensor 10, the alignment elements are inventively detected by the computed tomography sensor, whereby the position of the workpiece must be adjusted a little further away from the radiation source, so that the alignment elements 9 are imaged on the detector 2 in all rotational positions. Alternatively, a separate measurement can be carried out for the determination of the position of the alignment elements 9. In addition, the alignment elements 9 should be made of the same material as the area to be measured 8 in order to ensure, as mentioned, a high-contrast radiopacity.
  • the area 8 to be measured and, if appropriate, the alignment elements 9 are detected successively with both sensors. This makes it possible to generate measurement data in the same coordinate system.
  • the rotational position of the workpiece 4 is accurately determined by measuring the mark 11 with the further sensor 10, since laser markings may not be measured accurately enough with the computed tomography sensor, or is defined by the fastening of the workpiece 4 to the alignment elements 9.
  • the measurement data of the further sensor can be used to correct the computed tomography results, but features can also only be measured with one sensor and the results can be linked to distances or angles, for example.
  • the measurement data of the further sensor 10 can also be used in order to determine the setpoint geometry for the selection of the measurement points of the computed tomography sensor to be used for the evaluation.
  • FIG. It is divided into the following steps: a) clamping of the workpiece 4 in the clamping device 5
  • Step a) comprises the arrangement of the workpiece 4 on the jig 5, for example by attaching an inner cylinder 7 to a fit 6 or two unillustrated additional eccentric inner cylinder on the workpiece 4 on the alignment elements.
  • step b) the rotational position of the workpiece is set unambiguously and repeatable for later measurements of the same or the same parts.
  • a marker 11 located on the workpiece 4 is detected by the further sensor, or a lateral flattening on the component by the computer tomography sensor or the workpiece attached to the alignment elements 9 and brought the mechanical axis of rotation in the corresponding predefined rotational position.
  • Step c) comprises the computertomo graphic measurement and determination of the plurality of surface measurement points.
  • step d the coarse selection of measuring points takes place, which are to be used in step e) for the calculation of a geometric compensation element.
  • step d) is divided into the following sub-steps dl) to d6).
  • the step d1) represents one of three alternative possibilities for generating a so-called CAD element (sub-step d5)), which is used in step d6) for the actual coarse selection of measuring points.
  • so-called hand elements are generated for this purpose. These are geometric basic elements such as circle, cylinder, plane or cone or parts of these. They are generated manually from existing parameters, for example from a 2D drawing or a table with dimensions of the workpiece and their position, and have a limited extension to the desired geometry size of the workpiece.
  • the parameters include the exact spray hole geometries or the position of one or more spray holes of three spatial coordinates (x, y, z) and at least one angular position (phi, theta) or axial position (dx, dy, dz) or a plane (x, y, z as point information and dx, dy, dz as a plane normal vector) and possibly from others defined in space and preferably in their extension limited geometric elements.
  • the hand elements are generated.
  • such a hand element is a spatially limited cylinder and represents the desired geometry of a single injection hole of an injection nozzle.
  • a compensation element is calculated from these measurement points in sub-step d4) by means of computer-aided compensation calculation.
  • the operator manually selects the individual measuring points by selecting areas on the workpiece which certainly only belong to the relevant geometric element or feature.
  • measuring points of adjacent areas are measured and determined from these geometric compensation elements.
  • a cylinder may be limited by the limiting planes in the case of a through-hole such as a pinhole of an injection nozzle.
  • the formation of intersections of geometric elements may also make sense.
  • a cylinder element can be limited in length to a cylinder section by forming an intersection with a cone element.
  • the second alternative comprises the measurement of individual points with the further sensor (sub-step d3)), which belong only to the relevant geometric element or feature. Subsequently, in turn, in step d4) a compensation element is calculated and possibly limited.
  • the CAD element calculated in all three alternatives (sub-step d5)) is used for the actual coarse selection, a preliminary selection, of measuring points (sub-step d6)). As a result, initially only an incomplete set of the measurement points associated with the feature is available.
  • the step e) to be carried out subsequently comprises the calculation of a geometric compensation element from the provisionally selected points.
  • the nature of the geometric Compensation element preferably corresponds to that of the manually determined geometric element in step dl) or d4). This makes it possible to adapt the calculated CAD element (sub-step d5)) in its dimensions, position and orientation to the geometric compensation element calculated in step e), whereby the previously described limitation is maintained, and in step f) for fine selection of measuring points too used.
  • step g) the final compensation element and therefrom the relevant dimension of the feature, such as the diameter of a cylinder, are calculated.
  • the steps a) to g) are first performed once for teaching a measurement program by the operator. Further measurements of the same workpieces, for example in a series measurement, then use the created measuring program, whereby an operator intervention, except for the clamping and starting of the measuring program, is eliminated.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung der Geometrie einer Struktur an einem Objekt zumindest unter Verwendung einer Computertomografiesensorik bestehend aus zumindest Strahlenquelle, mechanischer Drehachse und Detektor, vorzugsweise Flächendetektor, wobei durch die Computertomografiesensorik, z. B. im Bereich von Materialübergängen Oberflächenmesspunkte generiert werden. Um unter Verwendung einer beliebigen Sollgeometrie, insbesondere ohne die Notwendigkeit des Vorhandenseins eines CAD- Modells, die zur Bestimmung eines Geometriemerkmals zu verwendenden Oberflächenmesspunkte auszuwählen, wird vorgeschlagen, dass zur Bestimmung der Geometriemerkmale Oberflächenmesspunkte verwendet werden, die aufgrund vorgebbarer Regeln, den zu bestimmenden Geometriemerkmalen zugeordnet werden, und aus den zugeordneten Oberflächenmesspunkten die Geometriemerkmale bestimmt werden.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Geometrie von Strukturen mittels Computertomo grafie
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und auf eine Vorrichtung zur Bestimmung der Geometrie von Strukturen an Objekten wie Werkstücken oder Werkzeugen mittels Computertomografie.
In der Koordinatenmesstechnik versteht man unter Computertomografie die dreidimensionale Untersuchung eines Werkstücks mit dem Ziel, Positionen von Messpunkte an Grenzflächen zwischen zwei Materialen, beispielsweise an der Oberfläche, also dem Übergang zwischen Werkstück und Luft, zu bestimmen. Hierzu wird das zu messende Werkstück von der Mess Strahlung durchdrungen, wobei eine Schwächung der Messstrahlung, abhängig von durchstrahlter Länge und durchstrahltem Material auftritt. Die hinter dem Werkstück austretende Strahlung wird von einem Strahlendetektor erfasst. Dieser ist zumeist flächig ausgeführt, um einen möglichst großen Bereich des Werkstücks gleichzeitig zu erfassen. Aus den in mehreren hundert oder tausend Drehstellungen des auf einem Drehtisch (mechanische Drehachse) angeordneten Werkstücks aufgenommenen Durchstrahlungsbildern werden mittels mathematischer Rekonstruktionsverfahren zunächst Volumeninformationen gewonnen, die die lokalen Schwächungsinformationen des Werkstücks enthalten. Aus diesen Informationen werden anschließend die Messpunkte meist mittels eines Schwellwertprozesses errechnet.
Zur Einstellung der Drehstellungen des Drehtisches, der auch als mechanische Drehachse bezeichnet wird, besteht dieser aus einem feststehenden und einem drehbaren Teil. Insofern auf die Drehung oder Drehstellung der mechanische Drehachse Bezug genommen wird, ist folgend immer der drehbare Teil gemeint. Der drehbare Teil wird dabei um eine mathematische Achse, die folgend vereinfacht„Drehachse" genannt wird, gedreht. Die Orientierung, also Richtung, und Lage, also beispielsweise eines Punktes, dieser Drehachse im Raum, wird auch als Lage der Drehachse bezeichnet. Insofern von der Richtung der mechanischen Drehachse gesprochen wird, ist also auch damit die Richtung der (mathematischen) Drehachse gemeint. Als Position der mechanischen Drehachse wird dagegen die Position im Raum bezeichnet, an der die gesamte mechanische Drehachse, also feststehender und drehbarer Teil, angeordnet ist. Wird die Position der mechanischen Drehachse verändert, beispielsweise in einer der drei lateralen, beispielsweise rechtwinklig zueinander stehenden Richtungen x, y und z, so ändert sich zwangsläufig auch die Lage der (mathematischen) Drehachse, allerdings nur derart, dass sie parallel verschoben wird, sich also ihre Orientierung nicht ändert.
Aufgrund der leichten Durchstrahlbarkeit und den eher geringen Genauigkeitsanforderungen werden mit Computertomografie zumeist Kunststoffteile oder Leichtmetallteile gemessen. Sollen jedoch beispielsweise Stahlteile, wie Einspritzdüsen von Diesel- oder Benzin-Motoren, gemessen werden, treten aufgrund der im Stahl stärker auftretenden Streustrahlungsentwicklung und anderer Effekte zunehmend Artefakte und damit Messfehler auf. Zudem besitzen die Merkmale an solchen Teilen, wie beispielsweise die Einspritzlöcher, zumeist sehr geringe Toleranzen im einstelligen Mikrometerbereich. Es müssen daher besondere Maßnahmen ergriffen werden, um hohe Genauigkeiten zu erreichen. Oftmals werden hierzu zusätzlich die Sollmaße bzw. die Sollgeometrie dieser Merkmale durch Messung eines Meisterteils festgelegt bzw. kalibriert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden, insbesondere hohe Genauigkeiten bei der Messung schwer durchstrahlbarer Werkstücke zu erzielen. Eine weitere Aufgabe ist es, eine schnelle und genaue Serienmessung zu gewährleisten.
Da mit Computertomografie eine große Anzahl von Oberflächenpunkten erzeugt wird, die zumeist über große Bereiche des Werkstücks verteilt liegen und somit mehrere Merkmale bzw. die Bereiche zwischen unterschiedlichen Merkmalen überdecken, ist es besonders wichtig, jeweils die Messpunkte zu erfassen, die dem Merkmal zugeordnet sind. Werden benachbarte Punkte, die nicht zum Merkmal gehören, zur Ermittlung eines Geometrieelementes mit berücksichtigt, ergeben sich ansonsten Messabweichungen. Eine ansatzweise und sehr spezielle Lösung für diese Aufgabe bietet das in der WO 2008/128978 A2 beschriebene Verfahren unter dem Stichwort CAD-Patches. Hier werden die Messpunkte zur Bestimmung von Merkmalen ausgewählt, die einem CAD- Element des Werkstücks zugeordnet werden können. Hierfür ist jedoch zunächst eine Einpassung in ein CAD-Modell notwendig. Zudem liegen entsprechende 3D-Modelle für viele Werkstücke nicht immer vor, beispielsweise für Einspritzdüsen. Für diese liegen meist nur 2D-Zeichnungen vor oder Tabellen, aus denen erfindungs gemäß sogenannte Parametersätze bzw. Parameterdateien abgeleitet werden, mit beispielweise den Winkellagen und Durchmesserverläufen der Spritzlöcher, also nur für Details des Werkstücks.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb auch, unter Verwendung einer beliebigen Sollgeometrie, insbesondere ohne die Notwendigkeit des Vorhandenseins eines CAD-Modells, die zur Bestimmung eines Geometriemerkmals zu verwendenden Oberflächenmesspunkte auszuwählen.
Dies löst ein Aspekt der Erfindung, indem die Oberflächenpunkte ausgewählt werden, die aufgrund vorgebbarer Regeln den zu bestimmenden Geometriemerkmalen zugeordnet werden, insbesondere innerhalb eines maximal vorgebbaren Abstandes zu einer Sollgeometrie liegen, wobei vorzugsweise anhand der Richtungsinformation der Sollgeometrie, also des Oberflächen vektors, die Innen- bzw. Außenseite festgelegt ist und dies zur Auswahl der Oberflächenpunkte genutzt wird.
Die vorgebbaren Regeln werden dabei vom Bediener definiert. Der Bediener trifft dabei beispielsweise die Auswahl, welche Art geometrisches Element, also beispielsweise Zylinder oder Ebene oder Kugel usw., verwendet werden soll, um eine Sollgeometrie des zu bestimmenden Geometriemerkmals festzulegen.
Ebenso legt der Bediener die Lage und Orientierung der Sollgeometrie im Raum fest, entweder durch Eingabe der entsprechenden Parameter für das Geometrieelement, oder gegebenenfalls mit Hilfe eines Computerprogramms. Erfindungsgemäß wird die Sollgeometrie dann verwendet, um den Abstand zu den Oberflächenpunkten zu bestimmen. Hierbei wird für jeden Oberflächenpunkt beispielsweise der minimale senkrechte Abstand zur Sollgeometrie bestimmt. Unter Berücksichtigung des durch den Bediener vorgegebenem Maximalwertes für diesen Abstand, der beispielsweise 100 μιη, bevorzugt 50 μιη beträgt, werden sodann nur die Oberflächenpunkte für die Bestimmung des Geometriemerkmals selektiert, deren Abstand geringer ist, als der Maximalwert. Der Maximalwert wird vom Bediener als Erfahrungswert in Bezug auf die Zeichnungstoleranz der zu messenden Merkmale festgelegt.
Gelöst wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe im Wesentlichen also durch ein Verfahren zur Bestimmung der Geometrie einer Struktur an einem Objekt wie Werkstück oder Werkzeug zumindest unter Verwendung einer Computertomografiesensorik bestehend aus zumindest Strahlenquelle, mechanischer Drehachse und Detektor, vorzugsweise Flächendetektor, wobei durch die Computertomografiesensorik, vorzugsweise im Bereich von Materialübergängen, Oberflächenmesspunkte generiert werden, indem zur Bestimmung der Geometriemerkmale Oberflächenmesspunkte verwendet werden, die aufgrund vorgebbarer Regeln den zu bestimmenden Geometriemerkmalen zugeordnet werden.
Von besonderer Bedeutung ist die Messung von Einspritzdüsen, da für diese oftmals kein CAD-Modell vorliegt und zudem eine Einpassung in die meist teilweise rotationssymmetrische Gestalt nicht eindeutig möglich ist. Eine unabhängige Aufgabe der Erfindung ist demnach die Messung von Einspritzdüsen, insbesondere deren Spitzlöcher. Hierbei werden beispielsweise Höhenwinkel, Seitenwinkel bzw. Lage im Raum, Durchmesser, Durchmesserverlauf oder Rauheit der einzelnen Spritzlöcher bestimmt. Erfindungsgemäß können die Messergebnisse an diesen Werkstücken auch mit weiteren Sensoren ermittelt werden, wie beispielsweise optischen, taktilen oder taktil-optischen Sensoren, wie sie auf dem Gebiet der Koordinatenmesstechnik bekannt sind. Die Messergebnisse der verschiedenen Sensoren werden auch kombiniert. In einem eigenerfinderischen Gedanken erfolgt daher die Bestimmung der Geometrie einer Struktur an einem Objekt wie Werkstück oder Werkzeug zumindest unter Verwendung einer Computertomografiesensorik bestehend aus zumindest Strahlenquelle, mechanischer Drehachse und Detektor, vorzugsweise Flächendetektor, wobei durch die Computertomografiesensorik, vorzugsweise im Bereich von Materialübergängen, Oberflächenmesspunkte generiert werden, indem eine oder mehrere zueinander schräg im Raum liegende Merkmale wie Bohrungen gemessen werden, vorzugsweise auf die Symmetrieachse des Objektes bezogen.
Schräg im Raum bedeutet dabei, dass die Orientierung der Merkmale, beispielsweise die Zylinderachse eines Zylinders, also eine dem Merkmal zuordenbare Richtung im Raum, unterschiedlich ist. Dies ist beispielsweise bei zylinderförmigen oder nahezu zylinderförmigen Spritzlöchern von Einspritzdüsen der Fall.
Um eine Sollgeometrie darzustellen, muss diese aus geometrischen Grundelementen bestehen bzw. zusammengesetzt werden. Dies sind beispielsweise Gerade, Geradenabschnitt, Kreis, Kreisabschnitt, Kugel, Kugelabschnitt, Zylinder, Zylinderabschnitt, Kegel, Kegelabschnitt, Toms, Torusabschnitt. Aus diesen Grundelementen bzw. zusammengesetzten Grundelementen lässt sich nachträglich eines oder mehrere sogenannte CAD-Elemente erzeugen, die das gleiche Datenformat wie ein CAD-Modell besitzen, wodurch bestehende Messprogramme, die auf CAD-Daten basieren, verwendet werden können. Es handelt sich bei diesen CAD-Elementen aber nicht um vorab bekannte CAD-Modelle, wie diese beispielsweise aus einem 3D-Modell des Werkstücks abgeleitet werden. Die hier gemeinten CAD-Elemente werden aus real gemessenen Messpunkten, z. B. durch Bestfiteinpassung bzw. Berechnung eines geometrischen Ausgleichselementes, oder durch Eingabe derer Parameter, beispielsweise durch einen Bediener durch Ablesen aus einer 2D-Zeichnung oder einer Tabelle, sogenannten Parametersätzen. Diese Parameters ätze bestehen beispielsweise zur Definition von Spritzlochgeometrien bzw. der Lage eines oder mehrerer Spritzlöcher aus drei Raumkoordinaten (x, y, z) und zumindest einer Winkellage (phi, theta) bzw. Achslage (dx, dy, dz) oder aus einer Ebene (x, y, z als Punktinformation und dx, dy, dz als Ebenen-Normalenvektor) und gegebenenfalls aus weiteren im Raum definierten und vorzugsweise in ihrer Ausdehnung begrenzten geometrischen Elementen. Mit diesen Solldaten wie Winkellagen, Positionen und Durchmessern bzw. Duchmesserverläufen, werden dann auch sogenannte Handelemente erzeugt.
Die CAD-Elemente bzw. Handelemente definieren die Sollgeometrie, oder einen Teil dieser. Nicht auf ein herkömmliches CAD-Modell angewiesen zu sein, ist ein hervorzuhebendes Merkmal der Erfindung im Gegensatz zum Stand der Technik.
Ein weiterer wichtiger Aspekt der Sollgeometrie ist die Unterscheidung zwischen Innen- und Außenseite. Dies ist erforderlich, weil die geometrischen Grundelemente nur die Hülle eines räumlich definierten Bereiches festlegen. So kann beispielsweise ein Zylinderelement einen massiven Zylinder, aber auch eine Bohrung darstellen. Erst durch Hinzufügen eines Richtung svektors wie Oberflächenvektors ist die Sollgeometrie also vollständig definiert. Es wird somit ermöglicht, innen und außen zu unterscheiden und dementsprechend Oberflächenpunkte der Sollgeometrie zuzuordnen.
Auch lässt sich ein iteratives Vorgehen zur Ermittlung der zu einem Merkmal zugehörigen Messpunkte der gesamt vorliegenden Messpunkte umsetzen. Hierbei wird die Sollgeometrie zunächst grob definiert. Dies bedeutet, dass der Bediener aufgrund seines Vorwissens über das vorliegende Merkmal, also dass dieses beispielsweise eine Zylinderform, Kegelform oder ebene Form besitzt, eine Geometrieelementeart und etwa vorliegende Orientierung und Größe, beispielsweise den Durchmesser eines Zylinders festlegt. Hierbei stehen dem Bediener typischerweise Hilfsmittel zur Verfügung. Beispielweise können durch den Bediener einzelne Punkte, die mit Sicherheit dem betreffenden Merkmal zugeordnet werden können, ausgewählt werden, um mittels Unterstützung eines Computerprogramms ein Ausgleichselement zu berechnen. Dieses kann dann als grob definierte Sollgeometrie verwendet werden. Auch kann der Bediener bei bekannter, z. B. eingemessener Lage des Werkstücks, die Solldaten aus 2D- Zeichnungen oder tabellenartig vorliegenden Informationen über das Werkstück nutzen, um Sollgeometrieelemente manuell zu erzeugen. Das Einmessen umfasst dabei die Ermittlung der Lage des Werkstücks bezüglich des Sensors, beispielsweise in einem Koordinatenmessgerät. Zumeist enthält das Werkstück hierzu eindeutig zuordenbare Geometriemerkmale. Im Falle von zumindest teilweise rotations symmetrischen Einspritzdüsen sind Markierungen, beispielsweise Lasermarkierungs striche oder ähnliches, oder Nuten, meist außen, oder exzentrische Bohrungen angebracht, um die Orientierung bzw. Drehlage in einer Aufspannung feststellen zu können. Der Bediener orientiert sich zudem an benachbarten Merkmalen, beispielsweise den einen Zylinder begrenzenden Ebenen bei einer Durchgangsbohrung.
Diese können, auch wenn nicht mit allen zum benachbarten Merkmal gehörigen Messpunkte berechnet, genau genug berechnet werden, um Begrenzungen des eigentlich zu messenden Merkmals festzulegen. Dieses wird damit beispielsweise beschnitten. Auch die Bildung von Schnittmengen von Geometrieelementen ist unter Umständen sinnvoll, um die grob bestimmte Sollgeometrie bzw. das grob bestimmte Geometrieelement festzulegen. So lässt sich beispielsweise ein Zylinderelement durch Schnittmengenbildung mit einem Kegelelement in seiner Länge auf einen Zylinderabschnitt begrenzen. Im nächsten Schritt werden mittels des grob bestimmten Geometrieelementes vorläufige Oberflächenpunkte aus den Messdaten selektiert und aus diesen ein geometrisches Ausgleichselement, meist vom gleichen Typ, wie das grob bestimmt Geometrieelement, berechnet. Dieses ist noch ungenau, da nicht alle und auch nicht ausschließlich nur die Messpunkte, die dem Merkmal zugeordnet sind, selektiert wurden. Die Position, Orientierung und Größe dieses Ausgleichselementes ist nun aber genauer als das vorab grob bestimmt Geometrieelement. Diese Parameter werden nun zur erneuten Selektion der Oberflächenpunkte verwendet. Praktisch wird das vorab grob bestimmt Geometrieelement dazu an das Ausgleichselement angepasst, also beispielsweise an dessen Position verschoben, und Orientierung und Größe, beispielsweise Durchmesser eines Zylinders, entsprechend verändert. Dies ist sinnvoll, da das manuell grob bestimmte Geometrieelement, wie bereits erwähnt, schon modifiziert sein kann, beispielsweise beschnitten. Aus den durch die erneute Selektion ausgewählten Oberflächenpunkten wird das genaue Messergebnis, beispielsweise der Durchmesser oder die Formabweichung eines Ersatzgeometrieelementes bzw. Ausgleichselementes, berechnet. Dieser Prozess kann auch mehrfach wiederholt werden, das genauer bestimmte Geometrieelement also erneut zur Selektion verwendet werden, usw. Eine weitere Möglichkeit der Definition der zur Messpunkteauswahl notwendigen Sollgeometrie besteht in der Nutzung weiterer Sensoren. Deren Messpunkte, beispielsweise einige wenige innerhalb eines Zylinders gemessene Punkte, können zur Bestimmung eines Ausgleichselementes verwendet werden, das die Sollgeometrie definiert. Auch die zur Beschneidung und Schnittbildung verwendeten Merkmale können mit einem weiteren Sensor gemessen werden. Grundvoraussetzung ist, dass die verwendeten Sensoren im gleichen Koordinatensystem messen. Dies wird typischerweise durch Einmessen der Sensoren erreicht. Im Gegensatz zum Einmessen der Werkstücklage dient dieser Prozess der Ermittlung der Positionen der von mehreren Sensoren erzeugten Messpunkte zueinander, insbesondere durch Ermittlung des Versatzes und der Orientierung der Sensoren zueinander unter Berücksichtigung ihres jeweiligen Arbeitsabstandes. Alternativ können die Messpunkte beider Sensoren auch durch nachträgliche Manipulation durch Einpassung ineinander in das gleiche Koordinatensystem überführt werden. Dies ist jedoch nur bei Vorliegen geeigneter Geometrien am Werkstück möglich.
Die weiteren Sensoren sind typischerweise gemeinsam mit dem Computertomgrafiesensor in einem Koordinatenmessgerät angeordnet bzw. bilden dieses.
Hierdurch ergibt sich auch die Möglichkeit, für die Messungen mit beiden Sensoren die gleiche Messstrategie anzuwenden, beispielsweise indem Messpunkte aus exakt dem gleichen Bereich zur Bestimmung eines Merkmals verwendet werden. Hierbei können die Messpunkte des weiteren Sensors zur Definition der Sollgeometrie genutzt werden, wie bereits beschrieben. Die Sollgeometrie wird dann auf die Bereiche eingeschränkt, in denen Messpunkte mit dem weiteren Sensor ermittelt wurden. Beispielhaft werden mit einem taktilen oder taktil-optischen Sensor lediglich Punkte auf vier Mantellinien eines Zylinders gemessen, zum Beispiel durch Scanning. Aus den jeweils gegenüberliegenden Mantellinien werden Ausgleichsebenen berechnet, die als Sollgeometrie dienen. Wird nun die Menge der mit dem Computertomografiesensor gemessenen Oberflächenpunkte mit diesen Ebenen geschnitten, werden die Punkte selektiert, die zur Auswertung verwendet werden, also zur Messung des Zylinders.
Die so selektierten Punkte liegen also im gleichen Bereich vor. Diese gleichartige Punktestruktur ermöglicht eine weitere Möglichkeit, nämlich die Nutzung der Messergebnisse eines genaueren weiteren Sensors zu Korrektur der Computertomografiemessergebnisse. Hierbei werden beispielsweise nur die Messpunkte korrigiert, die im gleichen Bereich mit den beiden oder mehreren Sensoren gemessen worden, also räumlich einander zugeordnet sind. Es können aber auch Messpunkte korrigiert werden, die in einer vorgebbaren Umgebung der mit dem weiteren Sensor erzeugten Korrekturmesspunkte liegen. Die Korrektur erfolgt dann entsprechend der in der WO 2008128978 A2 beschriebenen Verfahren. Hierdurch lässt sich die Genauigkeit der Messergebnisse verbessern. Insbesondere bei Serienmessung gleicher Teile müssen die Korrekturpunkte mit dem oder den weiteren Sensoren nur einmalig an einem Meisterteil bestimmt werden und können dann für die Korrektur der Messergebnissen der weiteren Teile der Serie, die nur schnell mit dem Computertomografiesensor gemessen werden brauchen, verwendet werden.
Weitere Voraussetzung für hohe Genauigkeiten ist, dass das Merkmal in einer günstigen Position im Messstrahl des Computertomografiesensors angeordnet und ausgerichtet ist. Hierzu ist zumeist der größtmögliche Abbildungsmaßstab einzustellen. Dies ist dann der Fall, wenn das Merkmal, wie beispielsweise das Spritzloch einer Einspritzdüse möglichst nahe an der Strahlenquelle angeordnet ist, wobei es trotzdem noch in allen Drehstellungen vollständig auf den Detektor abgebildet wird.
Neben der Position spielt auch die Drehlage eine wichtige Rolle, insbesondere, wenn in dieser Lage mehrere gleiche Werkstücke nacheinander oder das Werkstück mit dem weiteren Sensor gemessen wird. Die Drehlage dient damit als Basis für die Ausrichtung der vorliegenden Koordinatensysteme und muss auch bei Serienmessung reproduzierbar eingestellt werden. Hierbei wird also der zu messende Bereich des Werkstücks, beispielsweise das Spritzloch einer Einspritzdüse, in eine definierte Lage gebracht. Dies erfolgt beispielsweise durch Aufbringen des Werkstücks in einer Aufspannvorrichtung am drehbaren Teil der mechanischen Drehachse, die beispielsweise eine Passung enthält, um das Werkstück reproduzierbar an der gleichen Position und Lage anzuordnen. Erfindung s gemäß ist zusätzlich am drehbaren Teil der mechanischen Drehachse ein Ausrichtelement angebracht. Diese besteht beispielhaft aus einem oder zwei Zylinderstiften, die parallel zur Richtung der Drehachse verlaufen. Die senkrechte Verbindungslinie zwischen beispielsweise den zwei Zylinderachsen der Stifte bildet beispielhaft eine Richtung, die auf eine vordefinierte Achsrichtung, zum Beispiel der y- Achse des Koordinatenmessgerätes, eingedreht werden kann. Aber auch mit einem einzelnen Zylinderstift kann eine Ausrichtung erfolgen. Hierzu wird beispielsweise die senkrechte Verbindungslinie zwischen den Zylinderachsen des einen Zylinderstiftes und einem weiteren zylindrischen Element zur Befestigung des Werkstücks, beispielsweise einem zylindrischen Passstifte oder einer zylindrischen Öffnung zur Werkstückaufnahme, welches ebenso parallel zur Richtung der Drehachse bzw. in diesem Fall möglichst deckungsgleich mit dieser verläuft, bestimmt. Das Eindrehen dieser Verbindungslinie kann wiederum auf die y-Achse, aber auch auf eine zur y- Achse und der Richtung der Drehachse, die beispielhaft in x-Richtung verläuft, senkrecht verlaufenden Achse, also die z- Achse, erfolgen.
Das Ausrichtelement kann zudem zur Definition bzw. zum Abgleich der Koordinatensysteme auch mit den weiteren Sensoren gemessen werden. Um eine reproduzierbar gleiche Aufspannung zumindest teilweise rotationssymmetrischer Werkstücke wie Einspritzdüsen zu ermöglichen bzw. die Drehlage eindeutig zu erkennen, enthalten solche Werkstücke zumeist eindeutig zuordenbare Geometriemerkmale wie Markierungen, beispielsweise Lasermarkierungsstriche oder ähnliches, oder Nuten, meist im Außenbereich oder exzentrische Bohrungen. Hierdurch wird die Orientierung bzw. Drehlage in der Aufspannung festgestellt und kann in Bezug zu der durch die Ausrichtelemente definierten Achse gesetzt werden. Hierdurch kann also das Werkstück entsprechend seiner Markierung immer in die gleiche Drehlage eingedreht werden bzw. wird der Winkelversatz zur Koordinatentransformation in ein einheitliches Koordinatensystem verwendet. Die Drehlage kann vor dem Start der Computertomografiemessung einheitlich eingestellt werden, indem immer die Ausrichtelemente oder die Markierungen am Werkstück in die gleiche Drehlage, die sogenannte Startdrehlage gebracht werden. Hierzu sind vorab Messungen mit dem Computertomografiesensor und/oder weiteren Sensoren möglich, auch Vorlaufmessungen genannt. Das Anordnen in der richtigen Position und Drehlage bzw. die Berücksichtigung der Drehlage für die Anpassung der Koordinatensysteme kann, beispielsweise bei Serienmessungen, automatisch, zum Beispiel innerhalb eines CNC- Laufes, erfolgen. Sind am Werkstück keine mit der Computertomografie erfassbaren Markierungen wie Abflachungen vorhanden oder keine Lasermarkierungen bzw. kein weiterer Sensor zur Erfassung der Lasermarkierungen, so sind zumeist zwei zusätzliche außermittige Innenbohrungen am Werkstück angebracht, wie beispielsweise bei Einspritzdüsen. In diesem Fall werden die Ausrichtelemente als Befestigungsmittel für das Werkstück verwendet. Diese liegen außermittig zur Drehachse derart, dass das zylindrische Werkstück in der Drehachsmitte angeordnet wird. Dadurch ist die Drehlage des Werkstücks reproduzierbar gleich einstellbar und das Werkstückkoordinatensystem bekannt.
Eine weitere Voraussetzung für genaues Messen ist die genaue Kenntnis des Abbildungsmaßstabes an exakt der Position, in der der zu messende Bereich angeordnet ist. Hierzu wird erfindungsgemäß der zur Ermittlung des Abbildungsmaßstabes verwendete Einmesskörper, beispielsweise eine kalibrierte Kugel, an genau dieser Stelle angeordnet und der Abbildungsmaßstab ermittelt, vorzugsweise durch Vergleich des kalibrierten Durchmessers mit dem mit dem Computertomografiesensor bestimmten Durchmesser.
Erfindungsgemäß werden weitere Maßnahmen zur Erzielung optimaler Messergebnisse mit dem Computertomografiesensor bei der Messung von Einspritzdüsen ergriffen. Diese sind eine Artefaktkorrektur, insbesondere eine Korrektur der Strahlaufhärtung, die Verwendung von Brennfleckdurchmessern der Strahlungsquelle von kleiner als etwa 10 μιη, die Anordnung eines Strahlfilters, vorzugsweise aus Gold und mit einer Dicke von etwa 0,1 mm, vor der Strahlungsquelle, die Einstellung der Spannung einer Röntgen-Strahlungsquelle auf etwa 190 kV bis 200 kV und die Messung mit dem Computertomografiesensor während der Drehung der mechanischen Drehachse. Erfindungsgemäß wird eine oder mehrere dieser Maßnahmen ergriffen. Zur Lösung des der Erfindung zugrunde liegenden Problems wird zudem im Wesentlichen eine Vorrichtung vorgeschlagen, die zur Bestimmung der Geometrie einer Struktur an einem Werkstück oder Werkzeug zumindest bestehend aus einer Computertomografiesensorik bestehend aus zumindest Strahlenquelle, mechanischer Drehachse und Detektor, vorzugsweise Flächendetektor, wobei durch die Computertomografiesensorik, vorzugsweise im Bereich von Materialübergängen, Oberflächenmesspunkte generierbar sind, dient, wobei am drehbaren Teil der mechanischen Drehachse eine Auf Spannvorrichtung befestigt ist, die Mittel zur Befestigung des Werkstücks wie Einspritzdüse und Mittel zur Befestigung eines Ausrichtelementes enthält, wobei das Ausrichtelement von der Computertomografiesensorik, aber vorzugsweise auch von weiteren Sensoren erfassbar sind.
Zumeist werden Werkstücke auf zylindrische Passstifte aufgesetzt oder in Spannfutter eingespannt, also am Innenbereich oder am Außenbereich aufgenommen. Hierdurch wird eine reproduzierbare Lage und Orientierung und gegebenenfalls Zentrierung erreicht. Im Falle von Einspritzdüsen wird der zentrische Innenzylinder der Düse auf einen zumeist mittig auf der mechanischen Drehachse angeordneten Passstift aufgesetzt. Aber auch das Einsetzen über den Außenzylinders in eine zylindrische Öffnung ist möglich. Zudem enthält das Werkstück zur Identifizierung der Drehlage zumeist eine Markierung wie Lasermarkierungs striche oder Nut, meist im Außenbereich oder exzentrische Bohrungen. Hierdurch kann die Drehlage zumindest grob eingestellt werden. Durch das Einmessen mittels Vorlaufmessung ist eine Feinausrichtung möglich.
Die ebenso auf der mechanischen Drehachse angebrachten Ausrichtelemente sind möglichst aus dem gleichen Material, wie das zu messende Werkstück hergestellt, bzw. aus einem Material annähernd gleicher Dichte, genauer gesagt gleicher Massenzahl. Hierdurch entsteht eine etwa gleiche Schwächung der Messstrahlung und es kann leicht eine Einstellung der Strahlungscharakteristik der Röntgenquelle, also Beschleunigungsspannung, Strom und gegebenenfalls mechanische Vorfilter, gefunden werden, mit der Werkstück und Ausrichtelement kontrastreich bzw. überhaupt durchstrahlt werden können.
Um die Einmessung des Abbildungsmaßstabes an der gleichen Position, an der später das Messobjekt angeordnet wird, vorzunehmen, wird für die Befestigung des Einmesskörpers die gleiche Auf Spannvorrichtung verwendet wie für das später zu messende Werkstück. Hierzu wird die Einmesskugel beispielsweise auf denselben Passstift wie eine Einspritzdüse aufgesetzt, gegebenenfalls indirekt über einen Adapter.
Die Erfindung zeichnet sich aus, durch ein Verfahren zur Bestimmung der Geometrie einer Struktur an einem Objekt wie Werkstück oder Werkzeug zumindest unter Verwendung einer Computertomografiesensorik bestehend aus zumindest Strahlenquelle, mechanischer Drehachse und Detektor, vorzugsweise Flächendetektor, wobei durch die Computertomografiesensorik, vorzugsweise im Bereich von Materialübergängen, Oberflächenmesspunkte generiert werden, wobei zur Bestimmung der Geometriemerkmale Oberflächenmesspunkte verwendet werden, die aufgrund vorgebbarer Regeln den zu bestimmenden Geometriemerkmalen zugeordnet werden.
Insbesondere zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass zur Bestimmung der Geometriemerkmale Oberflächenmesspunkte verwendet werden, die aufgrund vorgebbarer Regeln,
wie vorzugsweise Berücksichtigung der Sollgeometrie, besonders bevorzugt Berücksichtigung des Oberflächenvektors der Sollgeometrie, wobei die Sollgeometrie der Merkmale durch Messung eines Meisterteils und/oder anhand eines oder mehrerer geometrischer Elemente und/oder anhand zumindest eines Parametersatzes und/oder anhand manuell zumindest grob durch den Bediener festgelegter geometrischer Elemente festgelegt wird, wobei die Sollgeometrie vorzugsweise durch Bestfiteinpassung der zur Festlegung herangezogenen Messpunkte bzw. der den Parametersätzen entnommenen Punkten bestimmt wird,
den zu bestimmenden Geometriemerkmalen zugeordnet werden, und aus den zugeordneten Oberflächenmesspunkten, vorzugsweise durch Bestfiteinpassung, die Geometriemerkmale bestimmt werden. Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass Oberflächenmesspunkte verwendet werden, die innerhalb eines maximal vorgebbaren Abstandes A, vorzugsweise A < 100 μιη, insbesondere A < 50 μιη, zu einer Sollgeometrie liegen.
Insbesondere zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass die Auswahl der zur Bestimmung der Geometriemerkmale zu verwendenden Oberflächenmesspunkte unter Berücksichtigung des Oberflächenvektors der Sollgeometrie erfolgt.
Nach einem besonders hervorzuhebenden eigenerfinderischen Vorschlag ist vorgesehen, dass zur Bestimmung der Geometrie einer Struktur an einem Objekt wie Werkstück oder Werkzeug zumindest unter Verwendung einer Computertomografiesensorik bestehend aus zumindest Strahlenquelle, mechanischer Drehachse und Detektor, vorzugsweise Flächendetektor, wobei durch die Computertomografiesensorik, vorzugsweise im Bereich von Materialübergängen, Oberflächenmesspunkte generiert werden, wobei eine oder mehrere zueinander schräg im Raum liegende Merkmale wie Bohrungen gemessen werden, vorzugsweise auf die Symmetrieachse des Objektes bezogen.
Besonders hervorzuheben ist, dass zumindest Höhen- und/oder Seitenwinkel und/oder Lage im Raum und/oder Durchmesser und/oder Durchmesserverlauf und/oder Rauheit bestimmt werden.
Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass mit der Computertomografiesensorik und/oder zumindest einem weiteren Sensor, vorzugsweise taktilen oder optischen oder taktil- optischen Sensor, einer oder mehrere Bereiche, vorzugsweise Spritzlöcher, von Einspritzdüsen gemessen werden.
Die Erfindung zeichnet sich auch dadurch aus, dass Sollmaße und/oder Sollgeometrie der Merkmale durch Messung eines Meisterteils festgelegt bzw. kalibriert werden.
Insbesondere zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass die Sollgeometrie aus einem oder mehreren geometrischen Elementen wie Gerade, Geradenabschnitt, Kreis, Kreisabschnitt, Kugel, Kugelabschnitt, Zylinder, Zylinderabschnitt, Kegel, Kegelabschnitt, Toms, Torusabschnitt besteht, und nicht durch ein vorab vorhandenes CAD-Modell festgelegt wird, vorzugsweise durch die geometrischen Elemente zumindest ein CAD-Element der Sollgeometrie definiert wird.
Hervorzuheben ist des Weiteren, dass die Sollgeometrie durch zumindest einen Parametersatz festgelegt wird, der vorzugsweise besteht aus drei Raumkoordinaten (x, y, z) und/oder zumindest einer Winkellage (phi, theta) bzw. Achslage (dx, dy, dz) und/oder Ebene (x, y, z, dx, dy, dz) und/oder weiteren im Raum definierten und vorzugsweise in ihrer Ausdehnung begrenzten geometrischen Elemente, vorzugsweise durch den Parametersatz geometrische Elemente und/oder CAD-Elemente der Sollgeometrie definiert werden.
Bevorzugterweise sieht die Erfindung vor, dass die für die Festlegung der Sollgeometrie zu verwendenden geometrischen Elemente manuell zumindest grob durch den Bediener definiert werden und vorzugsweise anschließend eine genauere Bestimmung durch ein Computerprogramm mittels folgender Schritte erfolgt:
- Verwendung des grob bestimmten geometrischen Elementes zur vorläufigen Selektion der Oberflächenpunkte
- Berechnung eines geometrischen Ausgleichselementes aus den selektierten Oberflächenpunkten, wobei die Art des Ausgleichselementes dem des manuell bestimmten geometrischen Elementes entspricht
- Anpassung des manuellen geometrischen Elementes an das geometrische Ausgleichelement
- Verwendung des angepassten manuellen geometrischen Elementes zur endgültigen Selektion der Oberflächenpunkte.
Hervorzuheben ist des Weiteren, dass geometrische Elemente aus Messpunkten des weiteren Sensors berechnet werden, dessen Messpunkte durch Ausrichten und/oder durch Einmessen des weiteren Sensors zur Computertomografiesensorik, in einem gemeinsamen Koordinatensystem vorliegen. Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass als weiterer Sensor ein Sensor eingesetzt wird, der zusammen mit der Computertomografiesensorik in einem Koordinatenmessgerät integriert ist.
Die Erfindung zeichnet sich auch dadurch aus, dass Geometriemerkmale mit der Computertomografiesensorik und einem weiteren Sensor mit gleicher Messstrategie gemessen werden, wobei vorzugsweise für den weiteren Sensor die Messpunkte zur Auswertung verwendet werden, die zur Berechnung des geometrischen Elementes zur Festlegung der Sollgeometrie verwendet worden.
Insbesondere zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass die Messpunkte des weiteren Sensors zur Korrektur jeweils der Messpunkte der Computertomografiesensorik verwendet werden, die den Messpunkten des weiteren Sensors räumlich zugeordnet sind, vorzugsweise in einem vorgebbaren Maximalabstand zu den Messpunkten des weiteren Sensors liegen, wobei vorzugsweise die Messpunkte der Computertomografiesensorik korrigiert werden, die mit Hilfe der Sollgeometrie ausgewählt wurden, die aus den geometrischen Elementen gebildet wurde, welche aus den Messpunkten des weiteren Sensors berechnet worden und zur Korrektur diese Messpunkte des weiteren Sensors verwendet werden.
Nach einem besonders hervorzuhebenden Vorschlag ist vorgesehen, dass der am Objekt zu messende Bereich, vorzugsweise Spritzloch einer Einspritzdüse, vorzugsweise automatisch, in der geeignete Stellung zwischen Strahlenquelle und Detektor, vorzugsweise möglichst nahe der Strahlenquelle, angeordnet wird, so dass der zu messende Bereich in allen Drehstellungen vollständig auf dem Detektor abgebildet wird.
Besonders hervorzuheben ist, dass vor der Messung mit der Computertomografiesensorik die Drehstellung der mechanischen Drehachse, vorzugsweise automatisch, so eingestellt wird, dass der am Werkstück zu messende Bereich, vorzugsweise Spritzloch einer Einspritzdüse, in einer vorab definierten Lage angeordnet ist, vorzugsweise indem ein auf der mechanischen Drehachse angeordnetes Ausrichtelement, wie parallel zur Drehachse verlaufende Zylinderstifte, und/oder eine Markierung am Werkstück mit dem Computertomografiesensor und/oder einem weiteren Sensor erfasst wird.
Des Weiteren zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass der Abbildungsmaßstab der Computertomografiesensorik mit einem Einmesskörper, vorzugsweise kalibrierter Kugel, bestimmt wird, der an der gleichen Stelle angeordnet wird, wie der später zu messende Bereich des Werkstücks.
Insbesondere zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass Abweichungen in der Relativposition der mechanischen Drehachse zur restlichen Computertomografiesensorik erkannt werden, indem die Lage eines Driftkörpers wie Driftkugel bestimmt wird, und die Abweichungen korrigiert werden, vorzugsweise durch Positionierung der mechanischen Drehachse und/oder der Strahlenquelle und/oder des Detektors mittels mechanischer Bewegungsachsen und/oder durch Verschiebung der aufgenommenen Durchstrahlungsbilder.
Besonders hervorzuheben ist des Weiteren, dass die Lage des Driftkörpers mittels eines der weiteren Sensoren, vorzugsweise optischen Sensors, besonders bevorzugt Bildverarbeitungssensors, und/oder an mit dem Computertomografiesensor aufgenommenem Durchstrahlungsbild bestimmt wird, wobei die Messung in einer oder mehreren festgelegten Drehstellungen der mechanischen Drehachse, vorzugsweise Startdrehstellung, oder mittels Umschlagmethode in jeweils zwei 180° versetzten Drehstellungen erfolgt
Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass für die Messergebnisse des Computer- tomografiesensors und vorzugsweise weiterer Sensoren ein Koordinatensystem, vorzugsweise gemeinsames Koordinatensystem festgelegt wird, indem zumindest eine senkrecht zur Drehachse verlaufende Achse durch ein auf der mechanischen Drehachse angeordnetes Ausrichtelement, wie parallel zur Drehachse verlaufende Zylinderstifte, definiert wird, indem das Ausrichtelement mit dem Computertomografiesensor und/oder den weiteren Sensoren erfasst wird.
Insbesondere zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass für die Messergebnisse des Computertomografiesensors und vorzugsweise weiterer Sensoren ein Koordinatensystem, vorzugsweise gemeinsames Koordinatensystem festgelegt wird, indem eine Markierung am Objekt mit dem Computertomografiesensor und/oder den weiteren Sensoren erfasst wird.
Besonders hervorzuheben ist des Weiteren, dass nacheinander mehrere gleiche Objekte bzw. Bereiche an den Objekten, vorzugsweise Einspritzdüsen, gemessen werden, vorzugsweise durch Anordnung in gleicher Orientierung und Lage in einer Aufspannvorrichtung.
Bevorzugterweise sieht die Erfindung vor, dass bei der Messung einer Einspritzdüse:
- eine manuelle oder automatische Artefaktkorrektur, insbesondere Strahlaufhärtungskorrektur, für den Computertomografiesensor erfolgt und/oder
- der Brennfleck der Strahlungsquelle auf einen Durchmesser kleiner als etwa 10 μιη eingestellt wird und/oder
- vor der Strahlungsquelle ein Strahlfilter, vorzugsweise aus Gold und mit einer Dicke von etwa 0,1 mm, eingesetzt wird und/oder
- die Spannung einer Röntgen-Strahlungsquelle auf etwa 190 kV bis 200 kV eingestellt wird und/oder
- die Messung mit dem Computertomografiesensor während der Drehung der mechanischen Drehachse erfolgt.
Der Vollständigkeit halber ist anzumerken, dass Beispiele für Ausgleichselemente - wie ein Fachmann weiß - geometrische Elemente wie Gerade, Geradenabschnitt, Kreis, Kreisabschnitt, Kugel, Kugelabschnitt, Zylinder, Zylinderabschnitt, Kegel, Kegelabschnitt, Toms, Torasabschnitt sind. Bei der Einpassung auf ein Ausgleichselement werden, wie ebenfalls dem Fachmann bekannt, die Abweichungen zwischen den Messpunkten und einem Ausgleichselement minimiert und das sich ergebende Ausgleichselement und dessen Lage zu den Messpunkten verarbeitet. Weiterhin werden die Abstände zwischen diesem Ausgleichselement und den Messpunkten ausgewertet und beispielsweise nur die Messpunkte weiterverarbeitet, die einen vorgegebenen Abstand zum Ausgleichselement unterschreiten.
Die Erfindung zeichnet sich auch aus durch eine Vorrichtung zur Bestimmung der Geometrie einer Struktur an einem Objekt wie Werkstück oder Werkzeug zumindest bestehend aus einer Computertomografiesensorik bestehend aus zumindest Strahlenquelle, mechanischer Drehachse und Detektor, vorzugsweise Flächendetektor, wobei durch die Computertomografiesensorik, vorzugsweise im Bereich von Materialübergängen, Oberflächenmesspunkte generierbar sind, wobei am drehbaren Teil der mechanischen Drehachse eine Aufspannvorrichtung befestigt ist, die Mittel zur Befestigung des Objektes und Mittel zur Befestigung eines Ausrichtelementes und/oder Driftkörpers enthält, wobei das Ausrichtelement und/oder der Driftkörper von der Computertomografiesensorik und/oder einem weiteren Sensor erfassbar ist.
Insbesondere zeichnet sich die Vorrichtung dadurch aus, dass am drehbaren Teil der mechanischen Drehachse eine Auf Spannvorrichtung befestigt ist, die Mittel zur Befestigung des Objektes und Mittel zur Befestigung eines zumindest eine Achsrichtung eines Koordinatensystems und/oder Drehstellung der mechanischen Drehachse vordefinierenden Ausrichtelementes und/oder eines zur Ermittlung der Abweichungen in der Relativposition der mechanischen Drehachse zur restlichen Computertomografiesensorik, insbesondere der Verlagerungen zwischen der mechanischen Drehachse zum Detektor bzw. der Röntgenquelle (1) geeigneten Driftkörpers enthält, wobei das Ausrichtelement und/oder der Driftkörper von der Computertomografiesensorik und/oder einem weiteren Sensor erfassbar ist.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich auch dadurch aus, dass das Mittel zur Befestigung des Objektes zylinderförmig ausgeprägt ist und vorzugsweise eine Passung und/oder Zentrierung enthält, vorzugsweise zur Befestigung einer Einspritzdüse am Innenzylinder oder am Außenzylinder.
Insbesondere sieht die Erfindung vor, dass das Ausrichtelement aus einem oder zwei zylindrischen Stiften besteht, die vorzugsweise parallel zur Drehachse ausgerichtet sind, wobei die Ausrichtelemente vorzugsweise als die Mittel zur Befestigung des Objektes dienen.
Die Erfindung ist zudem dadurch gekennzeichnet, dass das Ausrichtelement aus einem Material gleicher Dichte oder annähernd gleicher Dichte besteht, wie das Objekt, vorzugsweise aus Stahl.
Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass die Mittel zur Befestigung des Objekts ausgebildet sind, um einen Einmesskörper aufzunehmen.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich auch dadurch aus, dass die Befestigung des Driftkörpers durch Anordnen in einem Material, vorzugsweise Schaum, erfolgt, das die Messstrahlung des Computertomografiesensors im Vergleich zum Driftkörper weniger schwächt, bevorzugt maximal 50 % der Schwächung des Driftkörpers resultiert.
Insbesondere sieht die Erfindung vor, dass die Befestigung des Driftkörpers durch Anordnen in einer Öffnung derart erfolgt, dass in zumindest einer Drehstellung der mechanischen Drehachse der Driftkörper durch den weiteren Sensor, vorzugsweise einen taktilen Sensor oder einen Bildverarbeitungssensor im Auflicht oder Durchlicht, erfassbar ist.
Insbesondere ist vorgesehen, dass die Computertomografiesensorik und vorzugsweise zumindest ein weiterer Sensor in einem Koordinatenmessgerät integriert sind.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmale - für sich und/oder in Kombination - sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines den Zeichnungen zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispiels.
Es zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Anordnung aus Computertomografiesensor, weiterem Sensor und dem zu messenden Werkstück sowie Zubehör der
Aufspannvorrichtung,
Fig. 2 eine besondere Ausgestaltung eines Ausschnittes der erfindungsgemäße
Anordnung und
Fig. 3 ein Flussdiagramm zur Verdeutlichung der Schritte bei der Auswertung von Merkmalen.
Die Figur 1 zeigt einen Computertomografiesensor bestehend aus der Strahlenquelle 1, hier einer Röntgenstrahlenquelle, einen Strahlendetektor 2 und eine mechanischen Drehachse 30, deren drehbarer Teil 32 in Richtung eines mit 3 bezeichneten Pfeiles, also um eine zur x-Achse, dargestellt durch den mit x bezeichneten Pfeil, parallele Achse drehbar ist.
Die mechanische Drehachse 30 kann zudem entlang der Pfeile x, y und z in allen mechanischen Bewegungsachsen bewegt werden, um ein auf der mechanischen Drehachse 30 befindliches Werkstück 4 relativ zur restlichen Computertomografiesensorik in die gewünschte Lage zu bringen. Die Bewegungsachsen sind hierzu durch ein CNC-Steuerprogramm positionierbar. X, Y, Z sind die Achsen eines Koordinatensystems, insbesondere kartesischen Koordinatensystems.
Weiterhin dargestellt ist eine auf der mechanischen Drehachse 30, d.h. deren drehbarem Teil 32 befindliche Auf Spannvorrichtung 5, beispielsweise ein Spannfutter, die das Werkstück 4 trägt. Das Werkstück 4 ist dabei am Innenzylinder 7, welcher in der Figur gestrichelt angedeutet dargestellt ist, passgenau auf Befestigungsmittel 6, beispielsweise einen zentriert in das Spannfutter einbrachten Zylinderstift, aufgesteckt. Hierdurch wird die Lage des Werkstücks reproduzierbar definiert. Um auch die Drehlage des Werkstücks 4 zu erkennen und einzustellen, ist zumeist am Außenzylinder des Werkstücks 4 eine Markierung 11, z. B. eine Lasermarkierung vorgesehen. Diese ist beispielsweise eine kurze in Richtung des Pfeiles x verlaufende Linie, die zur Grobausrichtung durch den Bediener erkannt werden kann. Zur Feinausrichtung wird die Lasermarkierung mit einem optischen Sensor erfasst und durch Drehen der mechanischen Drehachse 30 in eine vorgegebene Solllage gebracht. Es existieren jedoch auch Werkstücke wie Benzineinspritzdüsen, bei denen der zylindrische Umfang auf einer definierten Seite abgeflacht ist. Die Bestimmung der Drehlage des Werkstücks erfolgt dann anhand der mit dem Computertomografiesensor bestimmten Messpunkte an der Abflachung, beispielsweise durch Einpassen einer Ebene in die Messpunkte der Abflachung. In einer dritten Ausprägung werden Werkstücke wie Einspritzdüsen 4 mit zwei außermittigen Innenbohrungen 7 gefertigt. Dies zeigt Figur 2, insbesondere Bezugszeichen 7, welche einen Ausschnitt von Figur 1, jedoch in dieser besonderen Ausprägung darstellt. Für diesen Fall werden Ausrichtelemente 9, beispielsweise zwei Zylinderstifte, als Befestigungsmittel für das Werkstück verwendet. Diese liegen außermittig zur Drehachse derart, dass das zylindrische Werkstück in der Drehachsmitte angeordnet wird.
Ein nicht dargestellter Einmesskörper kann ebenso an dem Befestigungsmittel 6 befestigt werden, beispielsweise indem er ebenso eine zum Zylinderstift passende Passung enthält. Hierdurch kann der Abbildungsmaßstab an genau der Position bestimmt werden, in der sich bei der eigentlichen Messung das Werkstück 4 befindet.
Auf der mechanischen Drehachse 30, vorzugsweise auf deren drehbaren Teil 32, dargestellt befinden sich zudem Ausrichtelemente 9, exzentrisch zur Mitte der Aufspannvorrichtung 5, hier beispielhaft direkt auf der Auf Spannvorrichtung 5 befestigt. Eine Anordnung direkt auf dem drehbaren Teil 32 der mechanischen Drehachse 30 ist ebenso möglich. Beispielhaft sind zwei Ausrichtelemente 9 in y-Richtung, also entlang des Pfeiles y, versetzt angeordnet. Sie besitzen beide eine zylindrische Form, wobei sich die Zylinderachse parallel zum Pfeil x, also parallel zur Richtung, um die sich der drehbare Teil 32 der mechanischen Drehachse 30 dreht, also um die Drehachse, erstreckt. Durch Drehen der mechanischen Drehachse 30 können die Ausrichtelemente 9 genau in y-Richtung versetzt eingedreht werden und definieren die y-Achse der Vorrichtung. Die Erfassung der Lage der Ausrichtelemente erfolgt hierzu mit dem Computertomografiesensor oder, sofern vorhanden, mit dem weiteren Sensor 10. Werden die Ausrichtelemente 9 anschließend auch zur Befestigung des Werkstücks 4 verwendet, ist die Drehlage des Werkstücks 4 somit reproduzierbar gleich einstellbar und das Werkstückkoordinatensystem bekannt.
In die Auf Spannvorrichtung 5 integriert dargestellt ist zudem ein Driftkörper 12, hier beispielhaft in Form einer Kugel. Diese ist in eine Öffnung 13 der Auf Spannvorrichtung 5 angeordnet und damit durch einen weiteren Sensor 10 in einer oder zwei Drehstellungen der mechanischen Drehachse 30 messbar. Im Detail wird die Befestigung so ausgeführt, dass die Kugel nur an drei bis vier Stellen am Umfang befestigt ist, so dass die Messung am freien Umfang erfolgen kann. Hierdurch ist auch eine Messung mit einem Bildverarbeitungssensor im Auflicht oder Durchlicht möglich. Eine entsprechende, hier nicht dargestellte Durchlichteinrichtung wird erfindungsgemäß zusätzlich an der mechanischen Drehachse 30 befestigt. Alternativ oder zusätzlich wird der Driftkörper 12 mit dem Computertomografiesensor gemessen. Hierzu ist der Driftkörper 12 in einem Material wie Schaum angeordnet, das die Messstrahlung deutlich geringer absorbiert als der Driftkörper 12 selbst. Der Schaum ist beispielsweise in der Öffnung 13 angeordnet. In beiden Fällen wird die Position des Driftkörpers 12, beispielsweise die Lage des Mittelpunktes der Driftkugel ermittelt. Mittels des Computertomografiesensors erfolgt diese Messung an einem Durchstrahlungsbild, bzw. mittels Umschlagsmessung an zwei 180° versetzten Durchstrahlungsbildern, ohne dass eine Rekonstruktion erforderlich ist, wobei bevorzugt Bildverarbeitungsmethoden eingesetzt werden.
Die Position des Driftkörpers 12 wird mehrfach zwischen den verschiedenen Messungen bestimmt, wodurch Verlagerungen zwischen der mechanischen Drehachse 3 und damit des Werkstücks 4 bzw. der weiteren auf der mechanischen Drehachse 3 angeordneten Elemente 5, 6, 9, 11 zum Detektor 2 bzw. der Röntgenquelle 1 erkannt und korrigiert werden.
Beispielhaft ist der weitere Sensor 10 eingezeichnet, der im Ausführungsbeispiel ein taktiler Sensor ist. Der Computertomografiesensor bzw. dessen Bestandteile sowie der weitere Sensor 10 sind entsprechend der eingezeichneten Pfeile positionierbar. Das Vorhandensein von Bewegungsachsen ist gemeinsam mit der Fähigkeit, Positionen für Messpunkte zu ermitteln, Kennzeichen für das Vorliegen eines Koordinatenmessgerätes.
Der zu messende Bereich des Werkstücks 4, hier eine Einspritzdüse, ist mit 8 bezeichnet und umfasst beispielhaft Einspritzlöcher, welche in der Figur nicht dargestellt sind. Der Bereich 8 wird hierzu möglichst nahe, in Richtung des Pfeiles z, an die Strahlenquelle 1 positioniert, um eine möglichst hoch vergrößerte Abbildung auf dem Detektor 2 und damit hohe Auflösung und Genauigkeit zu erreichen. Es darf beim Drehen des Werkstücks 4 jedoch nicht zu Kollisionen mit beispielsweise der Strahlenquelle 1 kommen und der Bereich 8 muss stets vollständig auf den Detektor 2 abgebildet werden. Hierbei kann der Bereich 8 auch in Teilbereiche zerlegt werden, die nacheinander gemessen werden. Die Teilmessergebnisse werden anschließend zusammengesetzt. Entsprechende Verfahren sind unter dem Begriff Rastertomografie oder Tomografie„Am-Bild" bekannt.
Soll auch die Lage der Ausrichtelemente 9 Berücksichtigung finden, müssen diese mit zumindest einem Sensor messbar sein. Liegt kein weiterer Sensor 10 vor, werden die Ausrichtelemente erfindungsgemäß durch den Computertomografiesensor erfasst, wodurch die Position des Werkstücks entsprechend etwas weiter entfernt von der Strahlenquelle eingestellt werden muss, damit auch die Ausrichtelemente 9 in allen Drehlagen auf den Detektor 2 abgebildet werden. Alternativ kann für die Bestimmung der Position der Ausrichtelemente 9 eine gesonderte Messung durchgeführt werden. Zudem sollten die Ausrichtelemente 9 aus dem gleichen Material, wie der zu messende Bereich 8 hergestellt sein, um erwähntermaßen eine kontrastreiche Durchstrahlbarkeit zu gewährleisten. Sollen Messdaten, aufgenommen mit dem Computertomografiesensor und aufgenommen mit dem weiteren Sensor 10 kombiniert werden, wird der zu messende Bereich 8 und gegebenenfalls die Ausrichtelemente 9 mit beiden Sensoren nacheinander erfasst. Hierdurch besteht die Möglichkeit, Messdaten im gleichen Koordinatensystem zu erzeugen. Die Drehlage des Werkstücks 4 wird durch Messung der Markierung 11 mit dem weiteren Sensor 10 genau ermittelt, da Lasermarkierungen unter Umständen mit dem Computertomografiesensor nicht genau genug gemessen werden können, oder ist durch das Befestigen des Werkstücks 4 an den Ausrichtelementen 9 definiert.
Die Kombination der Messdaten, erfolgt wie bereits beschrieben, auf mehreren Wegen. Zum einen können die Messdaten des weiteren Sensors verwendet werden, um eine Korrektur der Computertomografieergebnisse vorzunehmen, es können aber auch Merkmale nur mit jeweils einem Sensor gemessen und die Ergebnisse beispielsweise zu Abständen oder Winkeln verknüpft werden. Erfindung s gemäß sind die Messdaten des weiteren Sensors 10 auch verwendbar, um die Sollgeometrie zur Auswahl der zur Auswertung zu verwendenden Messpunkte des Computertomografiesensors festzulegen.
Das erfindungsgemäße Vorgehen bei der Auswertung von Merkmalen ist in Figur 3 dargestellt. Es gliedert sich in die folgenden Schritte: a) Aufspannung des Werkstücks 4 in der Aufspannvorrichtung 5
b) Ausrichten der Drehlage des Werkstücks
c) Computertomografische Messung
d) Grobselektion von Messpunkten (Teilschritte dl bis d6)
e) Berechnung eines geometrischen Ausgleichselementes
f) Feinselektion von Messpunkten
g) Berechnung des endgültigen Ausgleichselementes und der Maße des Merkmals Die Schritte werden im Folgenden näher erläutert. Schritt a) umfasst die Anordnung des Werkstücks 4 auf der Aufspannvorrichtung 5, beispielsweise durch Aufstecken eines Innenzylinders 7 auf eine Passung 6 oder zweier nicht dargestellter zusätzlicher außermittiger Innenzylinder am Werkstück 4 auf die Ausrichtelemente 9.
Im Schritt b) wird die Drehlage des Werkstücks eindeutig und für spätere Messungen desselben oder gleicher Teile wiederholbar eingestellt. Hierzu wird entweder eine am Werkstück 4 befindliche Markierung 11 durch den weiteren Sensor erfasst, oder eine seitliche Abflachung am Bauteil durch den Computertomografiesensor oder das Werkstück an den Ausrichtelementen 9 befestigt und die mechanische Drehachse in die entsprechend vordefinierte Drehstellung gebracht.
Der Schritt c) umfasst die computertomo grafische Messung und Ermittlung der Vielzahl von Oberflächenmesspunkten.
Im Schritt d) erfolgt die Grobselektion von Messpunkten, die im Schritt e) für die Berechnung eines geometrischen Ausgleichselementes verwendet werden sollen. Der Schritt d) gliedert sich dabei in die folgenden Teilschritte dl) bis d6).
Der Schritt dl) stellt eine von drei alternativen Möglichkeiten dar, um ein sogenanntes CAD-Element (Teilschritt d5)) zu erzeugen, dass im Schritt d6) zur eigentlichen Grobselektion von Messpunkten verwendet wird. Im Schritt dl) werden dazu sogenannte Handelemente erzeugt. Diese sind geometrische Grundelemente wie beispielsweise Kreis, Zylinder, Ebene oder Kegel bzw. Teile dieser. Sie werden aus vorhandenen Parametern, beispielsweise aus einer 2D-Zeichnung oder einer Tabelle mit Maßen des Werkstücks und deren Lage, durch den Bediener manuell erzeugt und besitzen eine begrenzte Ausdehnung auf die Sollgeometriegröße des Werkstücks. Die Parameter enthalten beispielsweise im Fall einer Einspritzdüse die genauen Spritzlochgeometrien bzw. die Lage eines oder mehrerer Spritzlöcher aus drei Raumkoordinaten (x, y, z) und zumindest einer Winkellage (phi, theta) bzw. Achslage (dx, dy, dz) oder aus einer Ebene (x, y, z als Punktinformation und dx, dy, dz als Ebenen-Normalenvektor) und gegebenenfalls aus weiteren im Raum definierten und vorzugsweise in ihrer Ausdehnung begrenzten geometrischen Elemente. Mit diesen Solldaten wie Winkellagen, Positionen und Durchmessern bzw. Durchmesserverläufen, werden die Handelemente erzeugt. Beispielsweise ist ein solches Handelement ein räumlich begrenzter Zylinder und stellt die Sollgeometrie eines einzelnen Spritzlochs einer Einspritzdüse dar.
In dem ersten alternativen Vorgehen zu dl), werden im Teilschritt d2) einzelne Messpunkte selektiert und im Teilschritt d4) mittels computerunterstützter Ausgleichrechnung ein Ausgleichselement aus diesen Messpunkten berechnet. Die Selektion der einzelnen Messpunkte erfolgt durch den Bediener manuell, indem er Bereiche am Werkstück auswählt, die mit Sicherheit nur zu dem betreffenden geometrischen Element bzw. Merkmal gehören. Um wiederum eine räumliche Begrenzung zu erreichen, werden beispielsweise Messpunkte benachbarter Bereiche gemessen und aus diesen geometrische Ausgleichselemente bestimmt. Beispielsweise kann ein Zylinder durch die begrenzenden Ebenen im Fall einer Durchgangsbohrung wie Spitzloch einer Einspritzdüse, begrenzt werden. Auch die Bildung von Schnittmengen von Geometrieelementen ist unter Umständen sinnvoll. So lässt sich beispielsweise ein Zylinderelement durch Schnittmengenbildung mit einem Kegelelement in seiner Länge auf einen Zylinderabschnitt begrenzen.
Die zweite Alternative umfasst die Messung einzelner Punkte mit dem weiteren Sensor (Teilschritt d3)), die nur zu dem betreffenden geometrischen Element bzw. Merkmal gehören. Anschließend wird wiederum im Schritt d4) ein Ausgleichselement berechnet und gegebenenfalls begrenzt.
Das in allen drei Alternativen berechnete CAD-Element (Teilschritt d5)) wird zur eigentlichen Grobselektion, einer vorläufigen Selektion, von Messpunkten verwendet (Teilschritt d6)). Hierdurch steht zunächst nur eine noch nicht vollständige Menge der zum Merkmal zugehörigen Messpunkten zur Verfügung.
Der danach durchzuführende Schritt e) umfasst die Berechnung eines geometrischen Ausgleichselementes aus den vorläufig selektierten Punkten. Die Art des geometrischen Ausgleichselementes entspricht vorzugsweise dem des manuell bestimmten geometrischen Elementes im Schritt dl) bzw. d4). Hierdurch ist es möglich, das berechnete CAD-Element (Teilschritt d5)) in seinen Abmessungen, Lage und Orientierung an das im Schritt e) berechnete geometrische Ausgleichselement anzupassen, wodurch die zuvor beschriebene Begrenzung erhalten bleibt, und im Schritt f) zur Feinselektion von Messpunkten zu verwendet.
Aus den fein selektierten Messpunkten wird im Schritt g) das endgültige Ausgleichselement und daraus das betreffende Maß des Merkmals wie beispielsweise Durchmesser eines Zylinders berechnet.
Die Schritte a) bis g) werden zunächst einmal zum Einlernen eines Messprogramms durch den Bediener geführt durchgeführt. Weitere Messungen gleicher Werkstücke, beispielsweise bei einer Serienmessung, verwenden dann das erstellte Messprogramm, wodurch ein Bedienereingriff, bis auf das Aufspannen und Starten des Messprogramms, entfällt.

Claims

Patentansprüche Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Geometrie von Strukturen mittels Computertomo grafie
1. Verfahren zur Bestimmung der Geometrie einer Struktur an einem Objekt wie Werkstück oder Werkzeug zumindest unter Verwendung einer Computertomografiesensorik bestehend aus zumindest Strahlenquelle, mechanischer Drehachse und Detektor, vorzugsweise Flächendetektor, wobei durch die Computertomografiesensorik, vorzugsweise im Bereich von Materialübergängen, Oberflächenmesspunkte generiert werden,
dadurch gekennzeichnet,
dass zur Bestimmung der Geometriemerkmale Oberflächenmesspunkte verwendet werden, die aufgrund vorgebbarer Regeln,
wie vorzugsweise Berücksichtigung der Sollgeometrie, besonders bevorzugt Berücksichtigung des Oberflächenvektors der Sollgeometrie, wobei die Sollgeometrie der Merkmale durch Messung eines Meisterteils und/oder anhand eines oder mehrerer geometrischer Elemente und/oder anhand zumindest eines Parametersatzes und/oder anhand manuell zumindest grob durch den Bediener festgelegter geometrischer Elemente festgelegt wird, wobei die Sollgeometrie vorzugsweise durch Bestfiteinpassung der zur Festlegung herangezogenen Messpunkte bzw. der den Parametersätzen entnommenen Punkten bestimmt wird, den zu bestimmenden Geometriemerkmalen zugeordnet werden, und aus den zugeordneten Oberflächenmesspunkten, vorzugsweise durch Bestfiteinpassung, die Geometriemerkmale bestimmt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass Oberflächenmesspunkte verwendet werden, die innerhalb eines maximal vorgebbaren Abstandes A, vorzugsweise A < 100 μιη, insbesondere A < 50 μιη, zu einer Sollgeometrie liegen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Auswahl der zur Bestimmung der Geometriemerkmale zu verwendenden Oberflächenmesspunkte unter Berücksichtigung des Oberflächenvektors der Sollgeometrie erfolgt.
4. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine oder mehrere zueinander schräg im Raum liegende Merkmale wie Bohrungen gemessen werden, vorzugsweise auf die Symmetrieachse des Objektes bezogen.
5. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest Höhen- und/oder Seiten winkel und/oder Lage im Raum und/oder Durchmesser und/oder Durchmesserverlauf und/oder Rauheit bestimmt werden.
6. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass mit der Computertomografiesensorik und/oder zumindest einem weiteren Sensor, vorzugsweise taktilen oder optischen oder taktil-optischen Sensor, einer oder mehrere Bereiche, vorzugsweise Spritzlöcher, von Einspritzdüsen gemessen werden.
7. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass Sollmaße und/oder Sollgeometrie der Merkmale durch Messung eines Meisterteils festgelegt bzw. kalibriert werden.
8. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Sollgeometrie aus einem oder mehreren geometrischen Elementen wie Gerade, Geradenabschnitt, Kreis, Kreisabschnitt, Kugel, Kugelabschnitt, Zylinder, Zylinderabschnitt, Kegel, Kegelabschnitt, Toms, Tomsabschnitt besteht, und nicht durch ein vorab vorhandenes CAD-Modell festgelegt wird, vorzugsweise durch die geometrischen Elemente zumindest ein CAD-Element der Sollgeometrie definiert wird.
9. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Sollgeometrie durch zumindest einen Parametersatz festgelegt wird, der vorzugsweise besteht aus drei Raumkoordinaten (x, y, z) und/oder zumindest einer Winkellage (phi, theta) bzw. Achslage (dx, dy, dz) und/oder Ebene (x, y, z, dx, dy, dz) und/oder weiteren im Raum definierten und vorzugsweise in ihrer Ausdehnung begrenzten geometrischen Elemente, vorzugsweise durch den Parametersatz geometrische Elemente und/oder CAD-Elemente der Sollgeometrie definiert werden.
10. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die für die Festlegung der Sollgeometrie zu verwendenden geometrischen Elemente manuell zumindest grob durch den Bediener definiert werden und vorzugsweise anschließend eine genauere Bestimmung durch ein Computerprogramm mittels folgender Schritte erfolgt:
- Verwendung des grob bestimmten geometrischen Elementes zur vorläufigen Selektion der Oberflächenpunkte
- Berechnung eines geometrischen Ausgleichselementes aus den selektierten Oberflächenpunkten, wobei die Art des Ausgleichselementes dem des manuell bestimmten geometrischen Elementes entspricht
- Anpassung des manuellen geometrischen Elementes an das geometrische Ausgleichelement
- Verwendung des angepassten manuellen geometrischen Elementes zur endgültigen Selektion der Oberflächenpunkte.
11. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass geometrische Elemente aus Messpunkten des weiteren Sensors berechnet werden, dessen Messpunkte durch Ausrichten und/oder durch Einmessen des weiteren Sensors zur Computertomografiesensorik in einem gemeinsamen Koordinatensystem vorliegen.
12. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass als weiterer Sensor ein Sensor eingesetzt wird, der zusammen mit der Computertomografiesensorik in einem Koordinatenmessgerät integriert ist.
13. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass Geometriemerkmale mit der Computertomografiesensorik und einem weiteren Sensor mit gleicher Messstrategie gemessen werden, wobei vorzugsweise für den weiteren Sensor die Messpunkte zur Auswertung verwendet werden, die zur Berechnung des geometrischen Elementes zur Festlegung der Sollgeometrie verwendet worden.
14. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Messpunkte des weiteren Sensors zur Korrektur jeweils der Messpunkte der Computertomografiesensorik verwendet werden, die den Messpunkten des weiteren Sensors räumlich zugeordnet sind, vorzugsweise in einem vorgebbaren Maximalabstand zu den Messpunkten des weiteren Sensors liegen, wobei vorzugsweise die Messpunkte der Computertomografiesensorik korrigiert werden, die mit Hilfe der Sollgeometrie ausgewählt wurden, die aus den geometrischen Elementen gebildet wurde, welche aus den Messpunkten des weiteren Sensors berechnet worden und zur Korrektur diese Messpunkte des weiteren Sensors verwendet werden.
15. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass der am Objekt zu messende Bereich, vorzugsweise Spritzloch einer Einspritzdüse, vorzugsweise automatisch, in der geeignete Stellung zwischen Strahlenquelle und Detektor, vorzugsweise möglichst nahe der Strahlenquelle, angeordnet wird, so dass der zu messende Bereich in allen Drehstellungen vollständig auf dem Detektor abgebildet wird.
16. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass vor der Messung mit der Computertomografiesensorik die Drehstellung der mechanischen Drehachse, vorzugsweise automatisch, so eingestellt wird, dass der am Werkstück zu messende Bereich, vorzugsweise Spritzloch einer Einspritzdüse, in einer vorab definierten Lage angeordnet ist, vorzugsweise indem ein auf der mechanischen Drehachse angeordnetes Ausrichtelement, wie parallel zur Drehachse verlaufende Zylinderstifte, und/oder eine Markierung am Werkstück mit dem Computertomografiesensor und/oder einem weiteren Sensor erfasst wird.
17. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Abbildungsmaßstab der Computertomografiesensorik mit einem Einmesskörper, vorzugsweise kalibrierter Kugel, bestimmt wird, der an der gleichen Stelle angeordnet wird, wie der später zu messende Bereich des Werkstücks.
18. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass Abweichungen in der Relativposition der mechanischen Drehachse zur restlichen Computertomografiesensorik erkannt werden, indem die Lage eines Driftkörpers wie Driftkugel bestimmt wird, und die Abweichungen korrigiert werden, vorzugsweise durch Positionierung der mechanischen Drehachse und/oder des Detektors und/oder der Strahlenquelle mittels mechanischer Bewegungsachsen und/oder durch Verschiebung der aufgenommenen Durchstrahlungsbilder.
19. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Lage des Driftkörper mittels eines der weiteren Sensoren, vorzugsweise optischen Sensors, besonders bevorzugt Bildverarbeitungssensors, und/oder an mit dem Computertomografiesensor aufgenommenem Durchstrahlungsbild bestimmt wird, wobei die Messung in einer oder mehreren festgelegten Drehstellungen der mechanischen Drehachse, vorzugsweise Startdrehstellung, oder mittels Umschlagmethode in jeweils zwei 180° versetzten Drehstellungen erfolgt.
20. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass für die Messergebnisse des Computertomografiesensors und vorzugsweise weiterer Sensoren ein Koordinatensystem, vorzugsweise gemeinsames Koordinatensystem festgelegt wird, indem zumindest eine senkrecht zur Drehachse verlaufende Achse durch ein auf der mechanischen Drehachse angeordnetes Ausrichtelement, wie parallel zur Drehachse verlaufende Zylinderstifte, definiert wird, indem das Ausrichtelement mit dem Computertomografiesensor und/oder den weiteren Sensoren erfasst wird.
21. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass für die Messergebnisse des Computertomografiesensors und vorzugsweise weiterer Sensoren ein Koordinatensystem, vorzugsweise gemeinsames Koordinatensystem festgelegt wird, indem eine Markierung am Objekt mit dem Computertomografiesensor und/oder den weiteren Sensoren erfasst wird.
22. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass nacheinander mehrere gleiche Objekte bzw. Bereiche an den Objekten, vorzugsweise Einspritzdüsen, gemessen werden, vorzugsweise durch Anordnung in gleicher Orientierung und Lage in einer Aufspannvorrichtung.
23. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass bei der Messung einer Einspritzdüse:
- eine manuelle oder automatische Artefaktkorrektur, insbesondere Strahlaufhärtungskorrektur, für den Computertomografiesensor erfolgt und/oder
- der Brennfleck der Strahlungsquelle auf einen Durchmesser kleiner als etwa 10 μιη eingestellt wird und/oder
- vor der Strahlungsquelle ein Strahlfilter, vorzugsweise aus Gold und mit einer Dicke von etwa 0,1 mm, eingesetzt wird und/oder
- die Spannung einer Röntgen-Strahlungsquelle auf etwa 190 kV bis 200 kV eingestellt wird und/oder
- die Messung mit dem Computertomografiesensor während der Drehung der mechanischen Drehachse erfolgt.
24. Vorrichtung zur Bestimmung der Geometrie einer Struktur an einem Objekt wie Werkstück oder Werkzeug (4) zumindest bestehend aus einer Computertomografiesensorik bestehend aus zumindest Strahlenquelle (1), mechanischer Drehachse (3) und Detektor (2), vorzugsweise Flächendetektor, wobei durch die Computertomografiesensorik, vorzugsweise im Bereich von Materialübergängen, Oberflächenmesspunkte generierbar sind,
dadurch gekennzeichnet,
dass am drehbaren Teil (32) der mechanischen Drehachse (3) eine Aufspannvorrichtung (5) befestigt ist, die Mittel (6, 9) zur Befestigung des Objektes und Mittel zur Befestigung eines zumindest eine Achsrichtung eines Koordinatensystems und/oder Drehstellung der mechanischen Drehachse vordefinierenden Ausrichtelementes (9) und/oder eines zur Ermittlung der Abweichungen in der Relativposition der mechanischen Drehachse (3) zur restlichen Computertomografiesensorik (1, 2), insbesondere der Verlagerungen zwischen der mechanischen Drehachse (3) zum Detektor (2) bzw. der Röntgenquelle (1) geeigneten Driftkörpers (12) enthält, wobei das Ausrichtelement (9) und/oder der Driftkörper (12) von der Computertomografiesensorik und/oder einem weiteren Sensor (10) erfassbar ist.
25. Vorrichtung nach Anspruch 24,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Mittel (6, 9) zur Befestigung des Objektes zylinderförmig ausgeprägt ist und vorzugsweise eine Passung und/oder Zentrierung enthält, vorzugsweise zur Befestigung einer Einspritzdüse (4) am Innenzylinder oder am Außenzylinder.
26. Vorrichtung nach Anspruch 24 oder 25,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Ausrichtelement (9) aus einem oder zwei zylindrischen Stiften besteht, die vorzugsweise parallel zur Drehachse ausgerichtet sind, wobei die Ausrichtelemente (9) vorzugsweise als die Mittel (6, 9) zur Befestigung des Objektes dienen.
27. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 24 bis 26,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Ausrichtelement (9) aus einem Material gleicher Dichte oder annährend gleicher Dichte besteht wie das Objekt (4), vorzugsweise aus Stahl.
28. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 24 bis 27,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Mittel (6) zur Befestigung des Objektes (4) ausgebildet sind, um einen Einmesskörper aufzunehmen.
29. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 24 bis 28,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Befestigung des Driftkörpers (12) durch Anordnen in einem Material, vorzugsweise Schaum, erfolgt, das die Messstrahlung des Computertomografiesensors im Vergleich zum Driftkörper weniger schwächt, bevorzugt maximal 50% der Schwächung des Driftkörpers resultiert.
30. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 24 bis 29,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Befestigung des Driftkörpers (12) durch Anordnen in einer Öffnung (13) derart erfolgt, dass in zumindest einer Drehstellung der mechanischen Drehachse (3) der Driftkörper (12) durch den weiteren Sensor (10), vorzugsweise einen taktilen Sensor oder einen Bildverarbeitungssensor im Auflicht oder Durchlicht, erfassbar ist.
31. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 24 bis 30,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Computertomografiesensorik und vorzugsweise zumindest ein weiterer Sensor (10) in einem Koordinatenmessgerät integriert sind.
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