CZ33321U1

CZ33321U1 - Contactless measuring device for scanning profiles of rotating objects and evaluating their external dimensions

Info

Publication number: CZ33321U1
Application number: CZ2019-36572U
Authority: CZ
Inventors: David FOJTÍK; Milan MIHOLA; Jiří Czebe; Petr Podešva; Jan Gebauer
Original assignee: Vysoká Škola Báňská - Technická Univerzita Ostrava
Priority date: 2019-08-30
Filing date: 2019-08-30
Publication date: 2019-10-25

Description

Oblast technikyTechnical field

Předkládané technické řešení se týká měřicího zařízení pro bezkontaktní měření a kontroly rozměrů a profilů rotačních objektů, například těch vyráběných na programově řízených obráběcích strojích, zejména na CNC soustruzích.The present technical solution relates to a measuring device for contactless measurement and control of dimensions and profiles of rotary objects, for example those produced on software-controlled machine tools, especially on CNC lathes.

Dosavadní stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION

Moderní sériová výroba rotačních objektů (hřídelí, válců, rotorů, poloos, čepů, pouzder, ložisek atd.) je výhradně realizována na programově řízených obráběcích strojích, zejména CNC soustruzích. Přes vynikající vlastnosti těchto špičkových obráběcích strojů se výroba neobejde bez následné kontroly výrobků. Důvodů je mnoho, např. opotřebení nástrojů, nekonzistentnost obráběných materiálů, vliv teploty, běžné opotřebení stroje, únava materiálu a další.Modern series production of rotary objects (shafts, cylinders, rotors, half-axles, pins, bushings, bearings, etc.) is exclusively realized on program-controlled machine tools, especially CNC lathes. Despite the excellent features of these cutting-edge machine tools, production cannot be accomplished without subsequent product inspection. There are many reasons, such as tool wear, material inconsistency, temperature effects, normal machine wear, material fatigue, and more.

Právě kontrola výrobků je jedna ze zásadních překážek automatizace strojírenské výroby. Náhrada lidských očí a rukou s jemnou motorikou se schopností bezbřehé adaptability patří dosud k nepřekonatelným výzvám. Na druhou stranu, jednotvárnost u sériové výroby u člověka způsobuje, stav snížené aktivace, jenž se projevuje ospalostí, unavitelností, snížením a kolísáním výkonnosti, zhoršením adaptability a reaktivity, což vede k chybám. Jakákoliv automatizace, která snižuje chybovost a zároveň zvyšuje přesnost, rychlost a spolehlivost procesuje vítána.Product control is one of the major obstacles to the automation of engineering production. The replacement of human eyes and hands with fine motor skills and capability of boundless adaptability is still an insurmountable challenge. On the other hand, the monotony of mass production in humans causes a state of reduced activation, which is manifested by drowsiness, fatigue, reduced and varied performance, impaired adaptability and reactivity, leading to errors. Any automation that reduces error rates while increasing accuracy, speed and reliability processes is welcome.

V případě výroby na běžném soustruhu provádí kontrolu rozměrů obsluha soustruhu (soustružník/ice) průběžně nejčastěji mechanickými nebo ručními kontaktními měřidly. Při výrobě na CNC soustruzích se kontrola rozměrů obvykle provádí až po dokončení soustružení. U hromadné výroby se často kontrola rozměru provádí na vybraných vzorcích speciálními automatizovanými, kontaktními nebo bezkontaktními, měřicími přístroji.In the case of production on a standard lathe, the dimensional inspection is performed by the lathe operator (lathe / ice) continuously, mostly by mechanical or manual contact gauges. In CNC lathes, dimensional inspection is usually performed after turning is completed. In mass production, dimensional inspection is often carried out on selected samples by special automated, contact or contactless measuring instruments.

Mezi ruční kontaktní měřidla pro měření průměru patří např. posuvné měřítko a třmenový mikrometr. Mezi ruční kontaktní měření rovněž patří nepřímá měřidla, která slouží k ověření, zda průměr jev požadované výrobní toleranci nebo profil odpovídá šabloně. Pro měření vnějších průměrů se používají třmenové mezní kalibry. Pro ověřování tvarů se používají speciálně vytvořené tvarové kalibry, které se přikládají k profilu, a operátor vizuálně kontroluje odchylky nejčastěji mírou průsvitu světla. Ruční měření je doménou kusové nebo malosériové výroby. Předností je nízká cena a vysoká flexibilita. Nevýhodou je velký vliv lidského faktoru a nízká rychlost měření. Přesnost měření závisí na zkušenostech a přístupu operátora.Hand-held contact gauges for measuring diameters include, for example, calipers and calipers. Manual contact measurements also include indirect gauges that are used to verify that the diameter phenomenon of the desired manufacturing tolerance or profile matches the template. Caliper limit gauges are used to measure outside diameters. Specially designed shape gauges that are attached to the profile are used to verify the shapes, and the operator visually checks for deviations most often by the degree of light transmission. Manual measurement is the domain of piece or small series production. The advantage is low price and high flexibility. The disadvantage is the large influence of human factor and low measurement speed. Measurement accuracy depends on operator experience and attitude.

U sériové výroby nebo při požadavku na velkou přesnost měření se používají měřicí stroje s automatizovaným nebo plně automatickým způsobem měření. U velkých výrobních sérií jsou tyto stroje jednoúčelové, optimalizovány pro konkrétní typ výrobku a obvykle měří zcela automaticky. Výhodou je rychlé měření všech kontrolovaných rozměrů. Nevýhodou je nízká flexibilita. Oproti tomu, vysokou flexibilitu nabízejí univerzální měřicí stroje, které jsou ale pomalejší a vyžadují odbornou obsluhu. Mezi ně například patří 3D souřadnicové měřicí stroje. Výhodou měřicích strojů je ve velké přesnosti a spolehlivosti měření. Hlavní nevýhody jsou vysoká cena a potřeba manipulace s výrobkem pro jeho uchycení ve stroji.For series production or when high accuracy is required, measuring machines with automated or fully automatic measuring methods are used. For large-scale production series, these machines are dedicated, optimized for a specific product type, and usually measure completely automatically. The advantage is fast measurement of all controlled dimensions. The disadvantage is low flexibility. On the other hand, versatile measuring machines offer a high degree of flexibility, but they are slower and require specialist operation. These include 3D coordinate measuring machines. The advantage of measuring machines is the high accuracy and reliability of measurement. The main disadvantages are the high cost and the need to handle the product for its attachment to the machine.

Při strojovém měření průměrů rotačních součástí jako jsou hřídele, čepy, válce apod., se s výhodou používají optické mikrometry na principu „thru-beam“, tj. např. na principu jednocestné optické závory. Ty vyhodnocují průměr měřené součástí na základě míry zastínění plochého kolimovaného svazku paprsků dopadajícího přímo nebo nepřímo na řádkový CCD nebo CMOSFor machine measurements of the diameters of rotating parts such as shafts, pins, cylinders and the like, optical micrometers based on the principle of "thru-beam" are used, eg on the principle of a one-way optical barrier. They evaluate the diameter of the measured component based on the degree of shading of the flat collimated beam incident directly or indirectly on the line CCD or CMOS

- 1 CZ 33321 U1 snímač. Mezi zdroj ko limo váného svazku paprsků a řádkový snímač je vložena měřená rotační součást osou rotace kolmo na světelný svazek.- 1 GB 33321 U1 sensor. A measured rotational component is inserted between the source of the limited beam and the line sensor by the axis of rotation perpendicular to the light beam.

U měřených průměrů, které jsou menší, než je měřicí rozsah optického mikrometru, je měřený objekt vložen do svazku paprsků celý tak, aby z obou stran měřeného průměru svazek paprsků osvětloval CCD nebo CMOS snímač. Polovodičové snímače typu CCD fungují na principu nábojově vázaných prvků, zatímco snímače typu CMOS fungují na principu unipolámích tranzistorů. Velikost vrženého ohraničeného stínu pak odpovídá měřenému průměru. V současnosti lze najít na trhu optické mikrometry typu „thru-beam“ společnosti Keyence (https://www.keyence.com/ss/products/measure/measurement_library/type/optical/) nebo Microepsilon (https://www.micro-epsilon.com/2D_3D/optical-micrometer/micrometer/).For measured diameters that are smaller than the measuring range of the optical micrometer, the object to be measured is inserted into the beam so that the beam of light illuminates the CCD or CMOS sensor from both sides of the measured diameter. CCD semiconductor sensors operate on the principle of charge coupled elements, while CMOS sensors operate on the principle of unipolar transistors. The size of the projected bounded shadow then corresponds to the measured diameter. Currently, thence-beam optical micrometers from Keyence (https://www.keyence.com/ss/products/measure/measurement_library/type/optical/) or Microepsilon (https: //www.micro) can be found on the market -epsilon.com/2D_3D/optical-micrometer/micrometer/).

Pro měření větších průměrů se používá dvojice proti sobě orientovaných optických mikrometrů, jejichž řádkové snímače a ploché kolimované svazky paprsků se nacházejí v jedné rovině a jsou od sebe rovnoběžně vzdáleny o přesně známou vzdálenost od sebe. Měřený objekt je vložen uprostřed mezi snímače osou rotace kolmo k rovině světelných svazků tak, aby z části vrhal stín u obou snímačů. Výsledný průměr je dán součtem známé vzdálenosti mezi snímači s velikostmi vržených stínů obou mikrometrů. Tento princip měření je využit v optickém mikrometru společnosti Keyence (https://www.keyence.eu/landing/inner_outer_diameter.jsp).To measure larger diameters, a pair of opposed optical micrometers are used, whose line sensors and flat collimated beams are aligned and spaced parallel to each other by a precisely known distance from each other. The measured object is inserted in the middle between the sensors by the axis of rotation perpendicular to the plane of the light beams, so that it partially casts a shadow at both sensors. The resulting diameter is given by the sum of the known distance between the sensors with the drop shadow sizes of both micrometers. This measurement principle is used in the Keyence optical micrometer (https://www.keyence.eu/landing/inner_outer_diameter.jsp).

Pro měření ovality se používají nejméně dva s výhodou více párů snímačů, jejichž kolimované svazky paprsků jsou kolem osy rotace měřeného objektu pootočeny o známý úhel tak aby symetricky měřili průměr objektu ve více osách.For measuring ovality, at least two preferably more pairs of sensors are used whose collimated beams are rotated about a known object angle about the axis of rotation of the measured object so as to symmetrically measure the diameter of the object in several axes.

Pro proměření objektu ve více místech se s výhodou používá posouvání optických snímačů nebo měřeného objektu podél osy rotace objektu o známé vzdálenosti. Získá se sada změřených průměrů v různých místech podél měřeného objektu.Advantageously, displacement of the optical sensors or the measured object along the axis of rotation of the object by a known distance is used to measure the object at multiple locations. A set of measured diameters is obtained at various locations along the measured object.

Je-li krok posuvu dostatečně přesný a jemný může být profil měřeného objektu částečně nasnímán. Takto lze nasnímat válcové a částečně kuželové plochy měřené součásti. Přesnost nasnímání závisí na přesnosti měření posunu a u kuželových ploch na úhlu kuželové plochy vůči kolimovanému svazku paprsků (cca od 90 do 45°). Jedná se například o zařízení společnosti Riftek (https://riftek.com/eng/products/~show/instruments/special_devices/Automated-systemfor-motor-shafts-measurement) nebo Vicivision (https://www.vicivision.com/optical-measuringmachines-for-turned-parts/).If the feed step is sufficiently precise and fine, the profile of the measured object can be partially captured. In this way, cylindrical and partially conical surfaces of the measured component can be sensed. The sensing accuracy depends on the accuracy of the displacement measurement and, for conical surfaces, on the conical surface angle to the collimated beam (approx. 90 to 45 °). For example, Riftek (https://riftek.com/eng/products/~show/instruments/special_devices/Automated-systemfor-motor-shafts-measurement) or Vicivision (https://www.vicivision.com/ optical-measuringmachines-for-turned-parts /).

Nevýhodou výše uvedených systémů je skutečnost, že se nabízejí jako samostatné měřicí stroje, nejsou přídavnou nebo integrální součástí programově řízených obráběcích strojů, zejména CNC soustruhů, a použité principy tuto možnost značně komplikují nebo zcela vylučují (např. pevně umístěný optický systém by se poškodil během obrábění).The disadvantage of the above systems is that they are offered as stand-alone measuring machines, they are not an additional or integral part of program-controlled machine tools, especially CNC lathes, and the principles used complicate or completely eliminate this possibility (eg a fixed optical system would Machining).

Další nevýhoda výše uvedených systémů spočívá také v tom, že mezi obráběním a snímáním profilu výrobku je nutné s výrobkem manipulovat a přizpůsobovat jeho polohu měřicímu stroji. Je-li po proměření vyžadováno další obrábění, následuje stejně obtížná manipulace zpět na obráběcí stroj.A further disadvantage of the above-mentioned systems is also that between machining and sensing the product profile it is necessary to handle the product and adjust its position to the measuring machine. If further machining is required after measurement, it is equally difficult to return to the machine tool.

Nízká flexibilita těchto systémů se promítne i při výměně výrobních sérií a změnách způsobů obrábění výrobků.The low flexibility of these systems will also be reflected in the replacement of batches and changes in the way of machining products.

Navíc, uvedené systémy nejsou uzpůsobeny na snímání každého výrobního kusu bez výrazného navýšení výrobních nákladů, jako to je u univerzálních měřicích systémů.In addition, the systems are not adapted to scan each piece without significantly increasing production costs, as is the case with universal measurement systems.

-2CZ 33321 U1-2GB 33321 U1

Podstata technického řešeníThe essence of the technical solution

Cílem tohoto technického řešení je poskytnout měřicí zařízení pro automatické nasnímání a vyhodnocování profilů rotačních objektů včetně měření průměrů a odchylek objektů od zadaného výkresu, a to přímo na programově řízeném obráběcím stroji, zejména na CNC soustruhu, a bez nutnosti manipulace se samotným výrobkem mezi kroky obrábění a nasnímání, nebo případně na samostatném měřicím zařízení.The aim of this technical solution is to provide measuring equipment for automatic sensing and evaluation of rotary object profiles, including measurement of diameters and deviations of objects from the specified drawing, directly on a programmically controlled machine tool, especially on a CNC lathe, without the need to manipulate the product itself and scanning, or optionally on a separate measuring device.

Výše uvedené nedostatky do jisté míry odstraňuje měřicí zařízení pro bezkontaktní nasnímání profilů rotačních objektů a vyhodnocení jejich vnějších rozměrů, přičemž rotační objekt definovaný svým povrchem a rotační osou je upevněn kolem rotační osy. Na nosném rámu měřicího zařízení je upevněna polohovatelná optická hlava mající alespoň jeden optický mikrometr typu „thru-beam“, který zahrnuje vysílač a přijímač alespoň jednoho kolimovaného svazku paprsků, který spolu s řadou fotocitlivých buněk CCD/CMOS snímače v přijímači tvoří měřicí rovinu. Účelem je snímání povrchu rotačního objektu v alespoň jedné měřicí rovině pod úhlem 90° ±45° vzhledem k povrchu rotačního objektu. Přijímač je pro snímání alespoň jedné hrany přechodu stínu a dopadajícího kolimovaného svazku paprsků na své ploše opatřen řádkovým CCD/CMOS snímačem nebo maticovým CCD/CMOS snímačem, přičemž každá hrana je v měřicí rovině projekcí bodu nebo bodů na povrchu rotačního objektu. Měřicí zařízení dále zahrnuje vyhodnocovací jednotku, snímače podélného posuvu a snímače příčného posuvu nosného rámu.To some extent, the aforementioned drawbacks are eliminated by a measuring device for contactless scanning of the profiles of the rotary objects and evaluation of their external dimensions, the rotary object defined by its surface and the rotary axis being fixed around the rotary axis. A positionable optical head having at least one thru-beam optical micrometer is mounted on the support frame of the measuring device, comprising a transmitter and a receiver of at least one collimated beam, which together with a series of photosensitive CCD / CMOS sensors in the receiver form a measuring plane. The purpose is to sense the surface of the rotating object in at least one measuring plane at an angle of 90 ° ± 45 ° relative to the surface of the rotating object. The receiver is provided with a line CCD / CMOS sensor or a matrix CCD / CMOS sensor for sensing at least one edge of the shadow transition and the incident collimated beam on its surface, each edge being a projection of a point or points on the surface of the rotating object in the measuring plane. The measuring device further comprises an evaluation unit, longitudinal displacement sensors and a transverse displacement sensor of the support frame.

Funkce měřicího zařízení je popsána v sedmi základních krocích a dalších s výhodou volitelných aspektů.The function of the measuring device is described in seven basic steps and other preferably optional aspects.

V prvním kroku je zařízení s upevněným rotačním objektem opatřeno polohovatelnou optickou hlavou mající alespoň jeden optický mikrometr typu „thru-beam“, který zahrnuje vysílač (zdroj světla, zářič) a přijímač alespoň jednoho kolimovaného svazku paprsků. Optická hlava je polohovatelná ve skenovací rovině v příčném a/nebo podélném směru, přičemž skenovací rovina zahrnuje rotační osu. Pokud je zařízením programově řízený obráběcí stroj, je optická hlava zapojena a upevněna manuálně nebo prostřednictvím automatického procesu výměny nástroje.In a first step, the rotating object fixture is provided with a positionable optical head having at least one thru-beam optical micrometer comprising a transmitter (light source, emitter) and a receiver of at least one collimated beam. The optical head is positionable in the transverse and / or longitudinal direction of the scanning plane, the scanning plane including a rotational axis. If the device is a program-controlled machine tool, the optical head is connected and fixed manually or through an automatic tool change process.

V druhém kroku je vybrán počáteční bod snímání nacházející se na rotační ose a stanovena jeho poloha vůči optické hlavě. Tento bod definuje vztažný bod při vyhodnocení tvaru profilu rotačního objektu.In the second step, the starting point of scanning located on the rotary axis is selected and its position relative to the optical head is determined. This point defines the reference point when evaluating the profile shape of a rotating object.

Ve třetím kroku je stanovena alespoň jedna měřicí rovina alespoň jednoho optického mikrometru, a tato rovina je tvořena kolimovaným svazkem paprsků a alespoň jednou řadou fotocitlivých buněk CCD/CMOS snímače v přijímači pod úhlem 90° ±45° vzhledem k povrchu rotačního objektu. Dále je vyhodnocen úhel měřicí roviny vzhledem k rotační ose.In a third step, at least one measurement plane of the at least one optical micrometer is determined, and this plane is comprised of a collimated beam and at least one row of photosensitive CCD / CMOS sensor cells at a 90 ° ± 45 ° angle to the surface of the rotating object. Furthermore, the angle of the measuring plane relative to the rotary axis is evaluated.

Ve čtvrtém kroku je alespoň jeden bod na povrchu rotačního objektu v měřicí rovině snímán alespoň jedním kolimovaným svazkem paprsků optického mikrometru tak, aby byl přijímač rotačním objektem během snímání částečně zastíněn. Uvedený bod nebo body se promítnou tak do alespoň jedné hrany přechodu stínu a dopadajícího kolimovaného svazku paprsků na přijímači. Každý bod v měřicí rovině je na přijímači reprezentován hranou ve skenovací rovině kolmé na měřicí rovinu. Skenovací rovina je tedy tvořena rovinou přijímače, zatímco měřicí rovina je tvořena kolimovaným svazkem paprsků a řadou fotocitlivých buněk CCD/CMOS snímače v přijímači.In a fourth step, at least one point on the surface of the rotating object in the measuring plane is sensed by at least one collimated beam of optical micrometer so that the receiver is partially obscured by the rotating object during scanning. Said point or points are thus projected into at least one edge of the transition of the shadow and the incident collimated beam on the receiver. Each point in the measurement plane on the receiver is represented by an edge in the scanning plane perpendicular to the measurement plane. Thus, the scanning plane is formed by the plane of the receiver, while the measuring plane is formed by the collimated beam and a series of photosensitive cells of the CCD / CMOS sensor in the receiver.

V pátém kroku je jednak vzdálenost R bodu nebo bodů na povrchu rotačního objektu od rotační osy, a jednak poloha bodu nebo bodů na povrchu rotačního objektu vzhledem k počátečnímu bodu snímání na rotační ose vyhodnocena pomocí vyhodnocovací jednotky. Vzdálenost R i poloha bodu nebo bodů na povrchu rotačního objektu vzhledem k počátečnímu bodu snímání je vyhodnocena na základě vzdálenosti hrany na přijímači a relativní polohy počátečního boduIn the fifth step, on the one hand, the distance of the R point or points on the surface of the rotary object from the rotary axis and, on the other hand, the position of the point or points on the surface of the rotary object with The distance R and the position of the point or points on the surface of the rotating object relative to the start point of the sensing is evaluated based on the edge distance at the receiver and the relative position of the start point

-3 CZ 33321 U1 přijímače vzhledem k počátečnímu bodu snímání na rotační ose, a navíc na základě údajů o poloze optické hlavy vzhledem k rotační ose, kde tyto údaje zahrnují údaje ze snímače podélného posuvu a snímače příčného posuvu nosného rámu a údaje o úhlu natočení měřicí roviny podle třetího kroku. Optický mikrometr se tedy používá jako dálkoměr a vzdálenost R kolmo k rotační ose představuje poloměr měřeného rotačního objektu. Vyhodnocovací jednotka může zahrnovat různé moduly a obvody pro sledování v reálném čase.Of the receiver relative to the starting point of rotation on the rotary axis, and additionally based on the position of the optical head relative to the rotary axis, which includes data from the longitudinal displacement sensor and the transverse displacement sensor of the support frame, and plane according to the third step. The optical micrometer is therefore used as a rangefinder and the distance R perpendicular to the axis of rotation represents the radius of the object to be measured. The evaluation unit may include various real-time monitoring modules and circuits.

V šestém kroku je optická hlava přesunuta v podélném a/nebo příčném směru vzhledem k povrchu rotačního objektu, je stanovena její poloha vůči počátečnímu bodu snímání a jsou zopakovány třetí, čtvrtý a pátý krok. Optická hlava je polohována v podélném a/nebo příčném směru pomocí podélného posuvu a příčného posuvu nosného rámu, na kterém je optická hlava upevněna. Přesnost měření závisí nejen na přesnosti samotných optických mikrometrů, ale rovněž na přesnosti znalosti polohy a orientace jednotlivých optických mikrometrů, které se můžou po každém uchycení soustavy mírně lišit.In a sixth step, the optical head is moved in the longitudinal and / or transverse direction with respect to the surface of the rotating object, its position relative to the initial scanning point is determined, and the third, fourth and fifth steps are repeated. The optical head is positioned in the longitudinal and / or transverse direction by longitudinal displacement and transverse displacement of the support frame on which the optical head is mounted. The accuracy of measurement depends not only on the accuracy of the optical micrometers themselves, but also on the accuracy of the position and orientation of the individual optical micrometers, which may vary slightly after each mounting of the system.

V sedmém kroku je získána množina bodů na povrchu rotačního objektu a následně je vyhodnocen tvar profilu rotačního objektu.In the seventh step, a set of points is obtained on the surface of the rotating object and the profile shape of the rotating object is then evaluated.

Hrana přechodu stínu a dopadajícího kolimovaného svazku paprsků je s výhodou snímána pomocí fotocitlivých buněk na ploše přijímače tvořeného řádkovým CCD/CMOS snímačem nebo maticovým CCD/CMOS snímačem. Pod pojmem CCD/CMOS snímač se rozumí snímač na principu zařízení s vázanými náboji (CCD) nebo komplementární snímač na principu vrstev kovu, oxidu a polovodiče (CMOS) nebo jejich kombinace. Vzdálenost R bodu na povrchu rotačního objektu od rotační osy může přitom být vyhodnocena na základě té hrany na přijímači, která je nejblíže k rotační ose. V případě použití řádkového CCD/CMOS snímače se jedná o jednorozměrný optický mikrometr s jednou měřicí rovinou, zatímco u maticového CCD/CMOS snímače je řeč o vícerozměrném optickém mikrometru s více měřicími rovinami. Maticový CCD/CMOS snímač s více měřicími rovinami tedy funguje jako sestava více řádkových CCD/CMOS snímačů, ovšem s nižšími nároky na materiál a součástky.The edge transition of the shadow and the incident collimated beam is preferably sensed by means of photosensitive cells on the receiver surface formed by a row CCD / CMOS sensor or a matrix CCD / CMOS sensor. The term CCD / CMOS sensor means a sensor based on coupled charge device (CCD) or a complementary sensor based on metal, oxide and semiconductor (CMOS) layers or a combination thereof. The distance of the R point on the surface of the rotary object from the rotary axis can be evaluated on the basis of the edge on the receiver closest to the rotary axis. When using a line CCD / CMOS sensor, it is a one-dimensional optical micrometer with a single measuring plane, while a matrix CCD / CMOS sensor is a multi-dimensional optical micrometer with multiple measuring planes. Thus, a matrix CCD / CMOS sensor with multiple measuring planes functions as an assembly of multiple-line CCD / CMOS sensors, but with less material and component requirements.

úhel měřicí roviny optického mikrometru je vzhledem k povrchu rotačního objektu během snímání s výhodou měněn po krocích nebo plynule, nebo může úhel zůstat neměnný. Důležitým aspektem tohoto technického řešení je, že měřicí rovina se natáčí tak, aby svírala úhel co nejblíže kolmici s povrchem rotačního objektu. Osa natáčení optického mikrometru je rovnoběžná s kolimovaným svazkem paprsků a nachází se s výhodou v polovině měřicího rozsahu L/2 optického mikrometru.the angle of the measuring plane of the optical micrometer relative to the surface of the rotating object during scanning is preferably varied in steps or continuously, or the angle may remain constant. An important aspect of this technical solution is that the measuring plane is rotated so as to form an angle as perpendicular to the surface of the rotating object as possible. The axis of rotation of the optical micrometer is parallel to the collimated beam and is preferably located halfway through the measuring range L / 2 of the optical micrometer.

Plynulé natáčení optického mikrometru může probíhat mezi dvěma definovanými úhly nebo s trvale konstantními otáčkami. Během každé otáčky se provede opakované měření, čímž se získá sada bodů ovlivněná aktuální polohou optické hlavy a úhlu natočení optického mikrometru. Body získané během otáčení jednorozměrného optického mikrometru se mohou filtrovat na základě vzdálenosti hrany přechodu stínu a dopadajícího kolimovaného svazku paprsků na CCD/CMOS snímač od osy natáčení.The continuous rotation of the optical micrometer can take place between two defined angles or at a constant constant speed. During each revolution, a repeated measurement is made to obtain a set of points affected by the current position of the optical head and the angle of rotation of the optical micrometer. The points obtained during rotation of the one-dimensional optical micrometer can be filtered based on the distance between the edge of the shadow transition and the incident collimated beam on the CCD / CMOS sensor from the axis of rotation.

V případě měření délek stupňovitých válcových ploch nebo šířek drážek se může optický mikrometr natočit až rovnoběžně, tj. v úhlu 0° s rotační osou rotačního objektu. Při měření šířky drážek je nutné změnit způsob umístění optického mikrometru a vyhodnocování hran vrženého stínu detekovaných na řádkovém CCD/CMOS snímači tak, aby kolimovaný svazek paprsků byl zastíněn z obou stran a střed drážky byl uprostřed měřicího rozsahu L. Přitom se vyhodnocuje délka osvětlené části uprostřed měřicího rozsahu L, která reprezentuje šířku drážky.In the case of measuring the lengths of stepped cylindrical surfaces or groove widths, the optical micrometer can be rotated up to parallel, i.e. at an angle of 0 ° to the rotational axis of the rotating object. When measuring the width of the grooves, it is necessary to change the positioning of the optical micrometer and the evaluation of the drop shadows detected on the line CCD / CMOS sensor so that the collimated beam is shaded from both sides and the center of the groove is in the middle of the measuring range L. measuring range L, which represents the width of the groove.

V případě proměnlivého úhlu měřicí roviny může být přijímač s výhodou natáčen kolem osy natáčení optického mikrometru, rovnoběžné s měřicí rovinou, pomocí přesného pohonu se zpětnou vazbou. Navíc, vysílač kolimovaného svazku paprsků může být natáčen kolem osy natáčení optického mikrometru, rovnoběžné s měřicí rovinou, pomocí uvedeného přesnéhoIn the case of a variable angle of the measuring plane, the receiver can advantageously be rotated about the axis of rotation of the optical micrometer parallel to the measuring plane by means of a precision feedback drive. In addition, the collimated beam emitter may be rotated about an axis of rotation of the optical micrometer parallel to the measuring plane by means of said precision

-4CZ 33321 U1 pohonu nebo pomocí dalšího, nezávislého pohonu. Oba pohony můžou být mechanicky propojeny (tj. na sobě závislé) nebo můžou být na sobě nezávislé. I v případě mechanicky nezávislých pohonů je s výhodou žádoucí jejich synchronizace. Vyhodnocovací jednotka je kvůli pohonům rozšířena o řídicí modul, který na základě polohy nosného rámu, případně znalosti profilu rotačního objektu, natáčí optický mikrometr tak, aby měřicí rovina reprezentovaná kolimovaným svazkem paprsků a řádkovým CCD/CMOS snímačem svírala úhel blízký kolmici ke snímanému povrchu rotačního objektu. Uhel natočení optického mikrometru musí být zpětnovazebně měřen nebo musí být zajištěny spolehlivé fixní polohy přijímače několika variant úhlu natočení.-4GB 33321 U1 or with an additional, independent drive. Both drives can be mechanically interconnected (ie interdependent) or can be independent of each other. Even in the case of mechanically independent drives, it is advantageous to synchronize them. The evaluation unit is extended for the drives by a control module which, based on the position of the supporting frame or knowledge of the profile of the rotating object, rotates the optical micrometer so that the measuring plane represented by the collimated beam and CCD / CMOS sensor form an angle close to perpendicular to the sensed surface . The angle of rotation of the optical micrometer must be measured in feedback, or reliable fixed positions of the receiver must be provided for several variants of the angle of rotation.

Kolimovaným svazkem paprsků je s výhodou plošný kolimovaný svazek paprsků dopadající na maticový CCD/CMOS snímač.The collimated beam is preferably a flat collimated beam incident on a matrix CCD / CMOS sensor.

Natáčení jednorozměrného optického mikrometru může být s výhodou realizováno pouze na úrovni natáčení řádkového CCD/CMOS snímače, je-li vysílač schopen plošným svazkem paprsků osvětlovat současně plochu, která pokrývá všechny polohy natočení přijímače.Advantageously, the rotation of the one-dimensional optical micrometer can only be performed at the level of rotation of the line CCD / CMOS sensor if the transmitter is able to illuminate at the same time the area that covers all the positions of the receiver's rotation.

Během snímání je optická hlava s výhodou přesouvána v prvním podélném směru vzhledem k rotační ose (např. vpravo), přičemž pro přesunutí optické hlavy druhým, opačným podélným směrem (např. vlevo) je snímání přerušeno. Poté je optická hlava přesunuta druhým podélným směrem až za počáteční polohu snímání (např. o násobek předpokládané odchylky) a do počáteční polohy snímání je optická hlava následně přesunuta prvním podélným směrem. Tímto je eliminována necitlivost a nepřesnost polohy nosného rámu způsobená odchylkami podélného a příčného posuvu.During scanning, the optical head is preferably moved in a first longitudinal direction relative to the rotational axis (e.g., right), and the scanning is interrupted to move the optical head in a second, opposite longitudinal direction (e.g., left). Thereafter, the optical head is moved in the second longitudinal direction beyond the initial scanning position (e.g., by a multiple of the predicted deviation), and the optical head is subsequently moved to the initial scanning position in the first longitudinal direction. This eliminates the insensitivity and inaccuracy of the position of the support frame caused by variations in longitudinal and transverse displacement.

Rotační objekt lze s výhodou na zařízení, na kterém je upevněno, např. na programově řízeném obráběcím stroji, během snímání otáčet kolem své rotační osy. U mechanizmu otáčení rotačního objektu je s výhodou implementováno precizní řízení úhlu natočení rotačního objektu s vysokou přesností zpětnovazebního měření.Preferably, the rotary object can be rotated about its rotational axis on a device to which it is attached, e.g., a program-controlled machine tool. In the rotary object rotation mechanism, precise control of the rotational object rotation angle with high feedback measurement accuracy is preferably implemented.

Způsob a rychlost otáčení rotačního objektu a přesouvání optické hlavy je vhodné řídit tak, aby se měřený rotační objekt v požadované vzdálenosti od počáteční polohy měřeného rotačního objektu proměřil pod všemi požadovanými úhly natočení, respektive byl rotační objekt proměřen po obvodu v požadovaných místech. Z množiny naměřených bodů jedné otáčky je možné zjistit řadu vad měřeného objektu jako je házivost, nerovnoměrné opotřebení, ovalita, poškození apod. U opotřebovaných válců je možné zjistit maximální opotřebení a vyhodnotit potřebnou hloubku úběru materiálu pro renovaci profilu válců novým opracováním při dovoleném zmenšení průměrů válců.The method and speed of rotation of the rotary object and the movement of the optical head should be controlled so that the measured rotational object is measured at all desired angles of rotation of the measured rotational object at the desired position or the rotary object is measured circumferentially at the desired locations. From the set of measured points of one revolution it is possible to detect a number of defects of the measured object, such as runout, uneven wear, ovality, damage, etc. For worn cylinders it is possible to determine maximum wear and evaluate the required material removal depth. .

Měřicí rovina optického mikrometru je s výhodou nastavena ve třetím kroku pomocí viditelného laserového paprsku z optického zaměřovacího zařízení upevněného na optické hlavě. Laserový paprsek je orientován rovnoběžně s kolimovaným svazkem paprsků a vizuálně pomáhá operátorovi ručně nastavit počáteční polohu optické hlavy pro proces snímání nebo kalibraci.The measuring plane of the optical micrometer is preferably adjusted in a third step by means of a visible laser beam from an optical sighting device mounted on the optical head. The laser beam is oriented parallel to the collimated beam and visually assists the operator to manually adjust the initial position of the optical head for the scanning or calibration process.

Před snímáním rotačního objektu je s výhodou provedena kalibrace polohy optické hlavy a je stanoven počáteční bod snímání. Při kalibraci je alespoň jeden optický mikrometr během snímání přesouván podél profilu kalibru o známých rozměrech a tvaru a s rotační osou rovnoběžnou nebo totožnou s rotační osou rotačního objektu tak, aby byl přijímač profilem kalibru během snímání částečně zastíněn, podobně jako při snímání rotačního objektu. Na přijímači se tak snímá alespoň jedna hrana přechodu stínu a dopadajícího kolimovaného svazku paprsků. Z nasnímaného profilu kalibru je vyhodnocen počáteční bod snímání na rotační ose a poloha optického mikrometru vzhledem k němu. Rozměry kalibru jsou přesně známy a ze získaných odchylek nasnímaného profilu vůči reálným rozměrům kalibru se vyhodnotí úhly, měřítka a vzájemné posunutí optických mikrometrů soustavy. Měřicí rovina může být nastavena na počáteční polohu snímání na povrchu kalibru.Preferably, prior to sensing the rotating object, calibrating the position of the optical head is determined and the starting point of sensing is determined. During calibration, the at least one optical micrometer moves during scanning along a gauge profile of known dimensions and shape and with a rotary axis parallel to or identical to the rotary axis of the rotating object such that the receiver is partially obscured by the profile of the caliber during scanning, similar to the rotating object. Thus, at least one edge of the transition of the shadow and the incident collimated beam is scanned at the receiver. From the sensed gauge profile, the initial scanning point on the rotary axis and the position of the optical micrometer relative to it are evaluated. The dimensions of the gauge are accurately known, and the angles, scales and relative displacements of the optical micrometers of the system are evaluated from the obtained deviations of the sensed profile relative to the real dimensions of the gauge. The measuring plane can be set to the initial reading position on the gauge surface.

-5 CZ 33321 U1-5 CZ 33321 U1

S ohledem na přesouvání optické hlavy v podélném směru vzhledem k rotační ose je dále s výhodou provedena i kalibrace přesunu optické hlavy v tomto směru. Optická hlava je během snímání při kalibraci přesouvána pouze jedním směrem, obvykle s měřicí rovinou kolmo vůči rotační ose. Zároveň probíhá snímání vhodné části rotačního objektu nebo kalibru a údaje z posuvu se porovnávají s údaji naměřenými na kalibrovaném optickém mikrometru soustavy. Analogicky je provedena i kalibrace přesunu optické hlavy v příčném směru vzhledem k rotační ose.Further, with respect to the displacement of the optical head in the longitudinal direction with respect to the rotational axis, a calibration of the displacement of the optical head in this direction is also preferably performed. The optical head is only moved in one direction during calibration during scanning, usually with the measuring plane perpendicular to the axis of rotation. At the same time, a suitable part of the rotating object or caliber is sensed and the displacement data are compared with the data measured on the calibrated optical micrometer of the system. Analogously, the movement of the optical head in the transverse direction relative to the rotary axis is also calibrated.

S ohledem na proměnlivý úhel měřicí roviny vzhledem k povrchu rotačního objektu je dále s výhodou provedena kalibrace přesného pohonu natáčení optického mikrometru. Jedná se o opakované snímání vhodně navrženého kalibru o známých rozměrech s různým úhlem natočení optického mikrometru.Further, with respect to the varying angle of the measuring plane relative to the surface of the rotating object, the precision drive of the optical micrometer rotation is preferably calibrated. It is a repeated reading of a suitably designed caliber of known dimensions with different angle of rotation of the optical micrometer.

Rotační objekt je s výhodou snímán dvojicí optických mikrometrů ve dvou měřicích rovinách s dvojicí kolimovaných svazků paprsků. Měřicí roviny dvojice kolimovaných svazků paprsků můžou vytvářet tvar V bez překřížení. Dále, hrany přechodu stínu a dopadajících kolimovaných svazků paprsků jsou snímány pomocí dvojice přijímačů tvořených řádkovými CCD/CMOS snímači. Obě měřicí roviny jsou nastaveny pod úhly ±45° vzhledem k rotační ose a tyto měřicí roviny svírají úhel 90°. V první měřicí rovině může být snímán povrch rotačního objektu v prvním podélném směru a ve druhé měřicí rovině může být snímán povrch rotačního objektu v druhém, opačném podélném směru. Tímto 45° nastavením měřicích rovin lze s výhodou snímat kuželové plochy rotačních objektů.The rotating object is preferably sensed by a pair of optical micrometers in two measurement planes with a pair of collimated beams. The measurement planes of the pair of collimated beams can form a V shape without crossing them. Further, the edges of the shadow transition and the incident collimated beams are sensed by a pair of receivers formed by row CCD / CMOS sensors. Both measuring planes are set at angles of ± 45 ° to the rotary axis and these measuring planes form an angle of 90 °. In the first measuring plane, the surface of the rotating object can be sensed in the first longitudinal direction, and in the second measuring plane the surface of the rotating object can be sensed in the second, opposite longitudinal direction. By means of this 45 ° adjustment of the measuring planes, the conical surfaces of the rotating objects can advantageously be detected.

Rotační objekt je s výhodou snímán alespoň dvěma optickými mikrometry v alespoň dvou překřížených měřicích rovinách, přičemž každá měřicí rovina je tvořena ko limo váným svazkem paprsků a řadou fotocitlivých buněk na ploše přijímače tvořeného jedním maticovým CCD/CMOS snímačem. S výhodou můžou být přítomny dvě nebo čtyři měřicí roviny. Dále, hrany přechodu stínu a dopadajících kolimovaných svazků paprsků jsou snímány pomocí jednotlivých řad fotocitlivých buněk měřicích rovin. S těmito řadami se operuje jako s více nezávislými řádkovými CCD/CMOS senzory.The rotating object is preferably sensed by at least two optical micrometers in at least two crossed measuring planes, each measuring plane being formed by a limited beam and a plurality of photosensitive cells on a receiver surface formed by a single matrix CCD / CMOS sensor. Preferably, two or four measurement planes may be present. Furthermore, the edges of the shadow transition and the incident collimated beams are scanned by individual rows of photosensitive cells of the measurement planes. These series are operated as multiple independent row CCD / CMOS sensors.

V tomto aspektu technického řešení můžou být dvě měřicí roviny nastaveny pod úhlem 45° vzhledem k rotační ose. Tyto měřicí roviny pak můžou svírat úhel 90°. V případě dvojice překřížených měřicích rovin lze snímat povrch rotačního objektu v obou rovinách současně. Tímto 45° nastavením měřicích rovin lze s výhodou snímat kuželové plochy rotačních objektů.In this aspect of the invention, the two measurement planes can be adjusted at an angle of 45 ° to the rotational axis. These measuring planes can then form an angle of 90 °. In the case of a pair of crossed measuring planes, the surface of the rotating object can be sensed simultaneously in both planes. By means of this 45 ° adjustment of the measuring planes, the conical surfaces of the rotating objects can advantageously be detected.

Při snímání úzkých drážek (zápichů) v tomto nastavení může ovšem nastat problém, kdy je díky většímu měřicímu rozsahu snímače kolimovaný svazek paprsků optického mikrometru úplně, nebo částečně zastíněn také z druhé strany sousední válcovou částí rotačního objektu. Problém lze eliminovat analýzou hran vrženého stínu detekovaných na maticovém CCD/CMOS snímači, kdy je akceptována pouze jedna hrana nejbližší k rotační ose rotačního objektu.However, there may be a problem when sensing narrow grooves in this setting where, due to the larger measuring range of the sensor, the collimated beam of the optical micrometer is completely or partially shielded from the other side by the adjacent cylindrical part of the rotating object. The problem can be eliminated by analyzing the drop shadows detected on a matrix CCD / CMOS sensor, where only one edge closest to the rotational axis of the rotating object is accepted.

Alternativně, je v tomto aspektu technického řešení nastavena první měřicí rovina pod úhlem 90° (kolmo) vzhledem k rotační ose, zatímco druhá měřicí rovina je nastavena pod úhlem 0° (rovnoběžně) vzhledem k rotační ose rotačního objektu. Tímto rovnoběžně-kolmým nastavením měřicích rovin lze s výhodou snímat úzké drážky (zápichy) v povrchu rotačního objektu.Alternatively, in this aspect of the invention, the first measuring plane is set at an angle of 90 ° (perpendicular) to the rotation axis, while the second measuring plane is set at an angle of 0 ° (parallel) to the rotation axis of the rotating object. This parallel-perpendicular alignment of the measurement planes can advantageously detect narrow grooves in the surface of the rotating object.

Alternativně, je v tomto aspektu technického řešení rotační objekt snímán čtveřicí optických mikrometrů ve čtyřech překřížených měřicích rovinách tvořených čtveřicí kolimovaných svazků paprsků a k nim příslušných řad fotocitlivých buněk CCD/CMOS snímače. První měřicí rovina je nastavena pod úhlem 90° (kolmo) vzhledem k rotační ose, druhá měřicí rovina je nastavena pod úhlem 0° (rovnoběžně) vzhledem k rotační ose, a třetí a čtvrtá měřicí rovina jsou nastaveny pod úhlem 45° (šikmo) vzhledem k rotační ose rotačního objektu. Sousedící měřicí roviny přitom můžou svírat úhel 45°. Dále, hrany přechodu stínu a dopadajících kolimovaných svazků paprskůAlternatively, in this aspect of the invention, the rotating object is sensed by four optical micrometers in four crossed measurement planes formed by four collimated beams of beams and their respective rows of photosensitive CCD / CMOS sensor cells. The first measuring plane is set at 90 ° (perpendicular) to the rotary axis, the second measuring plane is set at 0 ° (parallel) to the rotary axis, and the third and fourth measuring planes are set at 45 ° (oblique) to to the rotary axis of the rotary object. Adjacent measuring planes can form an angle of 45 °. Further, the edges of the shadow transition and the incident collimated beams

-6CZ 33321 U1 jsou snímány pomocí čtyř řad fotocitlivých buněk na ploše přijímače tvořeného maticovým CCD/CMOS snímačem.-6GB 33321 U1 are sensed using four rows of photosensitive cells on the receiver surface formed by a matrix CCD / CMOS sensor.

Provedení s maticovým CCD/CMOS senzorem jsou prostorově nejméně náročné, přičemž umožňují změřit všechny válcové a kuželové povrch rotačního objektu, včetně hloubek drážek, a rovněž umožňují změřit délky povrchů (šířky drážek). Provedení rovněž umožňují současně snímat ve všech optických rovinách zároveň, přičemž se dráha optické hlavy polohuje a optimalizuje vzhledem ke středu křížení optických rovin.Versions with a matrix CCD / CMOS sensor are least space-intensive, allowing to measure all cylindrical and conical surfaces of a rotating object, including groove depths, and also to measure surface lengths (groove widths). The embodiments also allow simultaneous scanning in all optical planes simultaneously, wherein the path of the optical head is positioned and optimized relative to the center of the intersection of the optical planes.

Pro vyhodnocení hrany stínu a dopadajícího kolimovaného svazku paprsků můžou být s výhodou použity všechny nebo vybrané řady fotocitlivých buněk na ploše maticového CCD/CMOS snímače, které jsou s výhodou uspořádány pod úhlem 90° a/nebo ±45° a/nebo 0° vzhledem k rotační ose. Tyto řady tedy kopírují uspořádaní měřicích rovin v jedenáctém výhodném aspektu tohoto technického řešení. V případě plošného kolimovaného svazku paprsků lze s výhodou využít všechny řady fotocitlivých buněk, tedy celou plochu maticového CCD/CMOS snímače.All or selected rows of photosensitive cells on the surface of a matrix CCD / CMOS sensor, preferably arranged at an angle of 90 ° and / or ± 45 ° and / or 0 ° relative to the shadow edge and the incident collimated beam, may advantageously be used. rotary axis. These series thus follow the arrangement of the measurement planes in the eleventh preferred aspect of the present invention. In the case of a flat collimated beam, it is advantageous to use all rows of photosensitive cells, ie the entire surface of the matrix CCD / CMOS sensor.

Povrch rotačního objektu je s výhodou postupně snímán nejdříve prvním, následně druhým, případně poté každým dalším ze skupiny optických mikrometrů.The surface of the rotating object is preferably sequentially scanned first by the first, then by the second, or thereafter by each other of the group of optical micrometers.

Například, v případě optické hlavy s dvojicí samostatných optických mikrometrů se s výhodou objekt snímá ve dvou fázích odděleně pro první a druhý optický mikrometr lišících se směrem podélného posuvu soustavy podél rotační osy rotačního objektu. Aktivním je přitom pouze jeden ze snímačů v daném směru a snímá plochy, se kterými měřicí rovina svírá úhel 90° až ±45°. Plochy rovnoběžné s rotační osou jsou nasnímány oběma snímači a body z těchto ploch slouží ke zpřesnění a spojení obrazů levého a pravého optického mikrometru do celého obrazu profilu rotačního objektu.For example, in the case of an optical head with a pair of separate optical micrometers, the object is preferably sensed in two phases separately for the first and second optical micrometers differing in the direction of longitudinal displacement of the assembly along the rotational axis of the rotating object. Only one of the sensors in the given direction is active and senses the surfaces with which the measuring plane makes an angle of 90 ° to ± 45 °. Surfaces parallel to the rotary axis are scanned by both sensors, and points from these surfaces are used to refine and join images of the left and right optical micrometers to the entire profile image of the rotating object.

Alternativně, povrch rotačního objektu je snímán všemi optickými mikrometry současně. Pro vyhodnocení tvaru profilu rotačního objektu jsou v obou případech získané množiny bodů z jednotlivých optických mikrometrů sloučeny.Alternatively, the surface of the rotating object is sensed by all optical micrometers simultaneously. In order to evaluate the profile shape of the rotating object, the sets of points obtained from the individual optical micrometers are combined in both cases.

Dále lze u speciálních ploch, které nemají tvar rotačního tělesa, například váčky, získat v případě přesného rozlišení úhlu natočení kolem rotační osy měřeného objektu množinu dostatečně přesně změřených bodů po obvodu této plochy reprezentující obvodový sken plochy, který je možné rozměrově a tvarově porovnat s požadovanými rozměry a tvarem plochy.Furthermore, for special surfaces that do not have the shape of a rotating body, such as a pouch, a set of sufficiently accurately measured points along the circumference of this surface representing a circumferential scan of the surface can be obtained in case of precise resolution of the angle of rotation around the rotary axis of the measured object. dimensions and shape of the surface.

Optická hlava je s výhodou upevněna na nosném rámu programově řízeného obráběcího stroje, s výhodou zejména CNC soustruhu, a rotační objekt je upevněn na programově řízeném obráběcím stroji pomocí sklíčidla a/nebo koníku. Kalibr je možné s výhodou integrovat do sklíčidla pro upnutí rotačního objektu, do upínacího hrotu nebo do hrotové objímky koníka programově řízeného obráběcího stroje. K otáčení měřeného rotačního objektu může s výhodou být použito vřeteno programově řízeného obráběcího stroje.The optical head is preferably mounted on a support frame of a programmed machine tool, preferably a CNC lathe, and the rotating object is mounted on the program machine tool by means of a chuck and / or tailstock. The caliber can advantageously be integrated into a chuck for clamping a rotating object, a chuck or a tailstock sleeve of a programmed machine tool. A spindle of a programmed machine tool can advantageously be used to rotate the measured rotary object.

Optická hlava může být přitom polohována v příčném a/nebo podélném směru pomocí podélného posuvu a příčného posuvu nosného rámu programově řízeného obráběcího stroje. Optická hlava je na nosném rámu upevněna a její poloha může být vyhodnocena pomocí integrovaných polohových senzorů programově řízeného obráběcího stroje. Samotné poloho vání nosného rámu může být s výhodou provedeno řídicím systémem programově řízeného obráběcího stroje, a tento systém může pomáhat vyhodnocovací jednotce při vyhodnocování polohy optické hlavy. Výhodněji lze optickou hlavu konstruovat jako speciální, automaticky výměnný nástroj programově řízeného obráběcího stroje.The optical head can be positioned in the transverse and / or longitudinal direction by means of the longitudinal displacement and transverse displacement of the support frame of the programmed machine tool. The optical head is fixed to the support frame and its position can be evaluated using the integrated position sensors of the programmed machine tool. The positioning of the support frame itself can advantageously be carried out by a control system of a programmed machine tool, and this system can assist the evaluation unit in evaluating the position of the optical head. More preferably, the optical head can be constructed as a special, automatically replaceable tool of a programmed machine tool.

Optická hlava je s výhodou upevněna na nosném rámu, přičemž tvoří samostatné měřicí zařízení.The optical head is preferably mounted on a support frame, forming a separate measuring device.

-7 CZ 33321 U1-7 GB 33321 U1

Dále, kontrola rozměrů ze získaných skenů profilů rotačního objektu nebo obvodů speciálně tvarovaných ploch, s výhodou prováděna automaticky počítačovým vyhodnocením na základě porovnání získaného skenu profilu objektu s dopředu zadanými parametry rozměrů nebo s výrobním CAD výkresem profilu.Furthermore, the dimensional inspection from the obtained scans of the rotary object profiles or the circumferences of the specially shaped surfaces, preferably is performed automatically by computer evaluation by comparing the obtained object profile scan with predetermined dimensional parameters or with the production CAD drawing of the profile.

Vyhodnocení může provádět přímo vyhodnocovací jednotka nebo ta může být propojena s počítačem, kterému data předá k vyhodnocení. Počítač může být vybaven speciálním softwarem, který vizualizuje průběh procesu snímání a umožňuje prohlížet výsledky měření včetně změřených odchylek. V případě existence několika druhů měřených rotačních objektů speciální software může zároveň sloužit k aktivaci příslušné specifikace pro konkrétní vložený výrobek. Počítač může s výhodou data vizualizovat operátorovi nebo je předat nadřízenému sytému výrobní linky. Počítač může s výhodou výsledky a nasnímané údaje ukládat do databáze k archivaci či následným analýzám. Počítač nebo vyhodnocovací modul může na základě vyhodnocených dat a definovaných pravidel spouštět další procesy např. alarmy.The evaluation can be carried out directly by the evaluation unit or it can be connected to a computer to which it passes the data for evaluation. The computer can be equipped with special software that visualizes the progress of the scanning process and allows you to view the measurement results, including the measured deviations. If there are several types of rotary objects to be measured, the special software can also be used to activate the appropriate specification for the particular embedded product. Advantageously, the computer can visualize the data to the operator or pass it on to the production line master. Advantageously, the computer can store the results and scanned data in a database for archiving or subsequent analysis. Based on the evaluated data and defined rules, the computer or the evaluation module can trigger other processes such as alarms.

Po ukončení snímání povrchu rotačního objektu může být optická hlava odpojena z nosného rámu manuálně nebo prostřednictvím automatického procesu výměny nástroje.After the surface of the rotating object has been sensed, the optical head can be detached from the support frame manually or through an automatic tool change process.

Hlavní výhodou zařízení podle tohoto technického řešení oproti dosavadnímu stavu techniky je schopnost automatického a bezkontaktního nasnímání a proměření vnějších ploch a profilů rotačních objektů, včetně tvarově složitých kuželů nebo speciálně tvarovaných ploch, přímo na výrobním zařízení programově řízeného obráběcího stroje, zejména CNC soustruhu. Optická hlava tedy může být výhodně provedena jako speciální nástroj CNC soustruhu. Alternativně lze zařízení použít i jako samostatné měřicí zařízení, což zvyšuje jeho flexibilitu při různých aplikacích.The main advantage of the device according to this technical solution over the prior art is the ability of automatic and non-contact sensing and measuring of external surfaces and profiles of rotating objects, including conically complex cones or specially shaped surfaces, directly on the production equipment of programmically controlled machine tool, especially CNC lathe. Thus, the optical head can advantageously be designed as a special CNC lathe tool. Alternatively, the device can also be used as a standalone measuring device, which increases its flexibility in various applications.

Další výhodou je, že snímání může být prováděno průběžně i mezi fázemi výroby bez potřeby manipulace s výrobkem.Another advantage is that the scanning can be performed continuously even between the production stages without the need for product handling.

Mezi další výhody patří to, že snímání může probíhat zcela automaticky nebo poloautomaticky, kdy operátor zprovozní optické měřicí zařízení a spouští jednotlivé na sebe navazující automatické procesy snímání.Other advantages include that the sensing can take place completely automatically or semi-automatically, when the operator puts the optical measuring device into operation and triggers individual successive automatic sensing processes.

Výhodou je rovněž to, že snímání probíhá bezkontaktním způsobem, který je nezávislý na povrchu měřeného materiálu rotačního objektu.An advantage is also that the sensing takes place in a contactless manner, which is independent of the surface of the material to be measured of the rotating object.

Další výhodou je, že nasnímání a proměření probíhá rychle a zároveň s vysokou přesností a rozlišením, díky čemuž je možné vyhodnotit rozměry s přesností převyšující ±0,01 mm.Another advantage is that the sensing and measurement takes place quickly and at the same time with high accuracy and resolution, making it possible to measure dimensions with an accuracy of more than ± 0.01 mm.

Mezi další výhody se řadí příprava způsobu nasnímání pro nový typ rotačního objektu, spočívající ve vložení nového výkresu, včetně zadání požadovaných tolerancí a naprogramování dráhy posuvu programově řízeného obráběcího stroje, který je z principu pouze kompilací programu potřebného pro výrobu samotného rotačního objektu.Other advantages include the preparation of a scanning method for a new type of rotary object, consisting of inserting a new drawing, including entering the required tolerances and programming the feed path of a programmed machine tool, which in principle is only a compilation of the program needed to produce the rotary object itself.

Další výhodou je, že z nasnímaných dat lze vytvořit počítačový model rotačního objektu, který lze následně vizualizovat, analyzovat či jinak zpracovávat. Veškeré výsledky můžou být automaticky ukládány do databáze, což umožňuje kdykoliv provádět analýzy nebo kontrolovat výsledky či je exportovat do jiných programů bez vlivu na způsob nasnímání.Another advantage is that the scanned data can be used to create a computer model of a rotating object, which can then be visualized, analyzed or otherwise processed. All results can be automatically stored in the database, which allows you to analyze or check the results at any time or export them to other programs without affecting the way you capture them.

Objasnění výkresůClarification of drawings

Podstata technického řešení je dále objasněna na příkladech jeho uskutečnění, které jsou popsány s využitím připojených výkresů, kde:The essence of the technical solution is further elucidated on the examples of its implementation, which are described using the attached drawings, where:

-8CZ 33321 U1-8GB 33321 U1

Obr. 1 znázorňuje perspektivní pohled (1A) na optické měřicí zařízení pro nasnímání profilů rotačních objektů na CNC soustruhu, s detailním zobrazením (1B) optické hlavy v prvním provedení s jedním jednorozměrným optickým mikrometrem;Giant. 1 is a perspective view (1A) of an optical measuring device for sensing rotary object profiles on a CNC lathe, with a detailed view (1B) of an optical head in a first embodiment with one one-dimensional optical micrometer;

Obr. 2 znázorňuje perspektivní pohled na optickou hlavu v druhém provedení se dvěma jednorozměrnými optickými mikrometry;Giant. 2 is a perspective view of an optical head in a second embodiment with two one-dimensional optical micrometers;

Obr. 3 znázorňuje vrchní pohled na optickou hlavu v druhém provedení;Giant. 3 shows a top view of an optical head in a second embodiment;

Obr. 4 je schematický vrchní pohled znázorňující způsob nasnímání profilu rotačního objektu optickou hlavou v druhém provedení;Giant. 4 is a schematic top view showing a method of sensing a profile of a rotating object with an optical head in a second embodiment;

Obr. 5 znázorňuje perspektivní pohled na optickou hlavu ve třetím, čtvrtém, resp. pátém provedení sjedním plynule otočným, resp. po krocích otočným, resp. trvale rotujícím, jednorozměrným optickým mikrometrem;Giant. 5 is a perspective view of the optical head in the third, fourth, and fourth views respectively; in the fifth embodiment, I can continuously rotate, respectively. step by step, respectively. a continuously rotating, one-dimensional optical micrometer;

Obr. 6 je schematický vrchní pohled znázorňující způsob nasnímání profilu rotačního objektu optickou hlavou s plynule otočným optickým mikrometrem ve třetím provedení;Giant. 6 is a schematic top view showing a method of sensing a profile of a rotating object with an optical head with a continuously rotating optical micrometer in a third embodiment;

Obr. 7 je schematický vrchní pohled znázorňující způsob nasnímání profilu rotačního objektu optickou hlavou s po krocích otočným optickým mikrometrem ve třetím provedení;Giant. 7 is a schematic top view showing a method of sensing a profile of a rotating object with an optical head with a stepwise rotating optical micrometer in a third embodiment;

Obr. 8 je schematický vrchní pohled (8A) znázorňující způsob nasnímání profilu rotačního objektu optickou hlavou s trvale rotujícím optickým mikrometrem v pátém provedení, s detailním zobrazením (8B);Giant. 8 is a schematic top view (8A) showing a method of sensing a profile of a rotating object with an optical head with a continuously rotating optical micrometer in a fifth embodiment, with a detailed view (8B);

Obr. 9 je předozadní pohled v řezu (9A), vrchní pohled (9B) s detailním zobrazením (9C) a perspektivní pohled (9D) s detailním zobrazením (9E) znázorňující optickou hlavu v šestém provedení s jedním optickým mikrometrem se dvěma překříženými měřicími rovinami;Giant. 9 is a front-sectional view (9A), a top view (9B) with a detailed view (9C) and a perspective view (9D) with a close-up view (9E) showing an optical head in a sixth embodiment with one optical micrometer with two crossed measurement planes;

Obr. 10 je předozadní pohled v řezu (10A), vrchní pohled (10B) s detailním zobrazením (10C) a perspektivní pohled (1 OD) s detailním zobrazením (10E) znázorňující optickou hlavu v sedmém provedení s jedním optickým mikrometrem se čtyřmi překříženými měřicími rovinami; aGiant. 10 is a front-sectional view (10A), a top view (10B) with a detailed view (10C), and a perspective view (10D) with a close-up view (10E) showing an optical head in a seventh embodiment with one optical micrometer with four crossed measurement planes; and

Obr. lije předozadní pohled v řezu (11A), vrchní pohled (11B) s detailním zobrazením (11C) a perspektivní pohled (11D) s detailním zobrazením (11E) znázorňující optickou hlavu v osmém provedení s jedním optickým mikrometrem s plošným vyhodnocováním.Giant. 11a is an anterior-posterior sectional view (11A), a top view (11B) with a detailed view (11C), and a perspective view (11D) with a detailed view (11E) showing an optical head in an eighth embodiment with one optical micrometer with surface evaluation.

Příklady uskutečnění technického řešeníExamples of technical solutions

Technické řešení bude dále objasněno na příkladech uskutečnění s odkazem na příslušné výkresy. Uvedená uskutečnění znázorňují příkladné varianty provedení technického řešení, která však nemají z hlediska rozsahu ochrany žádný omezující vliv.The technical solution will be further elucidated by way of example embodiments with reference to the respective drawings. These embodiments illustrate exemplary embodiments of the invention, but which have no limiting effect on the scope of protection.

Příklad 1Example 1

V prvním provedení tohoto technického řešení dle Obr. 1 je znázorněno optické měřicí zařízení pro bezkontaktní nasnímání profilů rotačních objektů 1 na programově řízeném obráběcím stroji 2, v tomto případě CNC soustruhu. Toto zařízení tvořeno optickou hlavou 3 upevněnou na nosném rámu 4 CNC soustruhu a vyhodnocovací jednotkou 5, která napájí a komunikuje s optickou hlavou 3 a čte snímače 6 polohy podélného posuvu a snímače 7 polohy příčného posuvu nosného rámu 4. Dále je vyhodnocovací jednotka 5 propojena s počítačem 8 se softwarem pro vizualizaci naměřených dat a pro nastavení aktuální specifikace měřeného objektu. V CNC soustruhuje upevněný měřený rotační objekt 1 z jedné strany uchycen ve sklíčidle 9 a z druhéIn the first embodiment of the present invention according to FIG. 1 shows an optical measuring device for contactless scanning of the profiles of rotating objects 1 on a programmed machine tool 2, in this case a CNC lathe. This device consists of an optical head 3 mounted on the support frame 4 of the CNC lathe and an evaluation unit 5, which supplies and communicates with the optical head 3 and reads the longitudinal displacement position sensor 6 and the transverse displacement position sensor 7. computer 8 with software for visualizing the measured data and for setting the current measurement object specification. In the CNC lathe, the fixed measured rotary object 1 is fixed on one side in the chuck 9 and on the other side

-9CZ 33321 U1 strany podepřen koníkem 10. Na koníku CNC soustruhu se nachází kalibr 11 pro kalibraci optické hlavy 3.-9GB 33321 U1 side supported by tailstock 10. The tailstock of the CNC lathe is 11 for calibrating the optical head 3.

Optická hlava 3 v prvním provedení zahrnuje jeden jednorozměrný optický mikrometr 12, který je tvořen vysílačem 13 (zdrojem světla) kolimovaného svazku 14 paprsků osvětlujícího přijímač 15 nejčastěji tvořený CCD nebo CMOS řádkovým snímačem 16. Soustava alespoň jednoho optického mikrometru 12 s komunikačním a napájecím rozhraním, ochranným pouzdrem a úchytem tvoří optickou hlavu 3. Optický mikrometr 12 je orientován svisle tak, aby úhel měřicí roviny tvořené plochým, orientovaným, kolimovaným svazkem 14 paprsků se snímačem 16 byl co nejblíže úhlu 90° vzhledem k měřenému povrchu rotačního objektu 1. Během snímání je svazek 14 paprsků vysílače 13 částečně, ze strany rotační osy 19, zastíněn rotačním objektem 1, přičemž se vyhodnocuje hrana 17 přechodu dopadajícího světla a stínu identifikovaného na snímači 16. Tato hrana 17 reprezentuje vzdálenost bodu 18 na povrchu měřeného rotačního objektu 1 od relativního počátku snímače 16. Vzdálenost se přepočte pomocí údajů ze snímačů 6, 7 polohy podélného a příčného posuvu nosného rámu 4 a z předem provedené kalibrace na absolutní polohu bodu 18 vůči počátečnímu bodu 20 snímání. Vzdálenost bodu 18 od rotační osy 19 reprezentuje poloměr R měřeného objektu v daném bodě 18.The optical head 3 in the first embodiment comprises one one-dimensional optical micrometer 12, which consists of a transmitter 13 (light source) of the collimated beam 14 of the light illuminating the receiver 15 most often constituted by a CCD or CMOS line sensor 16. At least one optical micrometer 12 with communication and power interface. The optical micrometer 12 is oriented vertically so that the angle of the measuring plane formed by the flat, oriented, collimated beam 14 with the sensor 16 is as close as possible to an angle of 90 ° to the measured surface of the rotating object 1. the beam 14 of the transmitter 13 is partially obscured by the rotating object 1 from the side of the rotary axis 19, whereby the edge 17 of the incident light and shadow transition identified on the sensor 16 is evaluated. This edge 17 represents the distance The distance is recalculated using the data from the longitudinal and transverse displacement sensors of the support frame 4 and from the pre-calibration to the absolute position of point 18 relative to the start point 20 of the sensing. The distance of point 18 from the rotary axis 19 represents the radius R of the measured object at that point 18.

Opakovaným snímáním během polohování optické hlavy 3 podél povrchu rotačního objektu 1 tak, aby kolimovaný svazek 14 paprsků měřicího rozsahu L optického mikrometru 12 byl vždy z části zastíněn rotačním objektem 1 ze strany rotační osy 19, vzniká množina 21 bodů 18 - sken reprezentující profil 22 měřeného objektu 1.By repeated scanning during the positioning of the optical head 3 along the surface of the rotating object 1 so that the collimated beam 14 of the measuring range L of the optical micrometer 12 is always partially obscured by the rotating object 1 from the side of the rotary axis 19. object 1.

Software počítače 8 je prostřednictvím počítačové sítě 23 připojen k databázovému SQL serveru 24, ze kterého čte specifikaci požadovaných rozměrů rotačního objektu 1 a ukládá do něj naměřená data. K SQL serveru 24 jsou rovněž prostřednictvím počítačové sítě 23 připojeny síťové počítače 25 se softwarem pro zadávání požadovaných rozměrů a výkresu profilu objektu 1 a zároveň slouží k analýze nasnímaných dat a změřených výsledků.The software of the computer 8 is connected via a computer network 23 to a database SQL server 24 from which it reads the specification of the required dimensions of the rotary object 1 and stores the measured data therein. Network computers 25 with software for entering the required dimensions and profile drawing of the object 1 are also connected to the SQL server 24 via the computer network 23 and at the same time serve to analyze the scanned data and the measured results.

Příklad 2Example 2

Ve druhém provedení tohoto technického řešení dle Obr. 2 je znázorněna optická hlava 3 se dvěma jednorozměrnými optickými mikrometry 12, která je vhodná pro měření velkých válců 26, které představují měřený rotační objekt L Levý optický mikrometr 27 má vůči rotační ose 19 měřicí rovinu natočenou o 45° a pravý optický mikrometr 28 o -45°. Optická hlava 3 je vybavena optickým zaměřovacím zařízením 29 tvořeným viditelným laserovým paprskem 30. Ten se využívá u automatizovaného procesu snímání a kalibrace, kdy obsluha programově řízeného obráběcího stroje 2, např. CNC soustruhu nejprve přesune posuv do počáteční polohy tak, aby laser osvětloval počáteční značku nebo předepsanou hranu měřeného rotačního objektu 1 nebo kalibru 11.In the second embodiment of the present invention according to FIG. 2 shows an optical head 3 with two one-dimensional optical micrometers 12, which is suitable for measuring large cylinders 26 which represent the rotating object to be measured. The left optical micrometer 27 has a measuring plane rotated by 45 ° relative to the rotational axis 19 and the right optical micrometer 28 o. 45 °. The optical head 3 is equipped with an optical sighting device 29 formed by a visible laser beam 30. This is used in an automated sensing and calibration process whereby the operator of a programmed machine tool 2, eg a CNC lathe, first moves the feed to the starting position so that the laser illuminates the start mark. or the prescribed edge of the measured rotary object 1 or caliber 11.

Nasnímání profilu se provádí ve dvou etapách (viz Obr. 3 a Obr. 4), přičemž se zvlášť snímají dílčí plochy 31, resp. 32 profilu levým 27, resp. pravým optickým mikrometrem 28 podle toho, jaký úhel svírá měřicí rovina optického mikrometru 27, 28 s měřeným povrchem, přičemž úhel nesmí přesáhnout interval ±45° od kolmice. Tomuto způsobu je také upravena dráha posuvu, která je při dráze 33 posuvu doleva orientovaná na levý optický mikrometr 27 a při dráze 34 posuvu doprava na pravý optický mikrometr 28. Oba posuvy 33, 34 odpovídají posunutým křivkám profilu měřených dílčích ploch 31, 32, které odpovídají vzdálenosti 35 vzájemného posunutí středů rozsahů obou přijímačů. Během snímání je z důvodu minimalizace vlivu necitlivosti pojezdu objektu optická hlava 3 posouvaná pouze v jednom směru 33 nebo 34 podle toho, zda snímá levý 27 nebo pravý optický mikrometr 28. Získané části obrazů profilu se na základě údajů z kalibrace spojí v počítači 8 speciálně navrženým programem.The profile sensing is carried out in two stages (see Fig. 3 and Fig. 4), the partial surfaces 31 and 31 being detached separately. 32 profile left 27, resp. the right optical micrometer 28, depending on the angle formed by the measuring plane of the optical micrometer 27, 28 with the surface to be measured, the angle not exceeding ± 45 ° from the perpendicular. This method also provides a displacement path which is oriented to the left optical micrometer 27 for the left displacement path 33 and to the right optical micrometer 28 for the right displacement path 28. Both displacements 33, 34 correspond to the displaced profile curves of the measured partial surfaces 31, 32 which they correspond to the distances 35 of the mutual displacement of the centers of the ranges of the two receivers. During scanning, the optical head 3 is moved in only one direction 33 or 34 to minimize the effect of travel insensitivity, depending on whether it senses the left 27 or right optical micrometer 28. The obtained image profile sections are combined on a computer 8 specially designed based on calibration data program.

Příklad 3Example 3

- 10CZ 33321 U1- 10GB 33321 U1

Ve třetím provedení tohoto technického řešení dle Obr. 5 je znázorněna optická hlava 3 s jedním, plynule otočným optickým mikrometrem 36, která je vhodná pro měření větších hřídelí 37 nebo objektů tvaru rotačního tělesa 1_. Jak je znázorněno na Obr. 6, optický mikrometr 36, resp. měřicí rovina mikrometru se prostřednictvím přesného pohonu 39 se zpětnou vazbou natáčí kolem osy 40 procházející středem měřicího rozsahu L/2 rovnoběžně s kolimovaným svazkem 14 paprsků v úhlu 0° až 180° vůči rotační ose 19. Vysílač 13 kolimovaného svazku 14 paprsků se natáčí synchronně s přijímačem 15, nebo je zdrojem plošného světla, které tvoří kolimovaný svazek 14 paprsků s mnohoúhelníkovým, kruhovým nebo oválným průřezem (tzv. plošný svazek paprsků), který osvětluje snímač 16 ve všech úhlech natočení. Na základě znalosti ideálního profilu 22 měřeného rotačního objektu 1, např. většího hřídele 37, a aktuální poloze nosného rámu 4, řídicí modul 38 prostřednictvím přesného pohonu 39 optický mikrometr 36 prediktivně natáčí tak, aby měřicí rovina byla orientovaná kolmo ke snímanému profilu 22 povrchu. CNC program polohuje optickou hlavu 3 po křivce tak, aby v aktuálním úhlu natočení hrana 17 vrženého stínu měřené plochy dopadala na přijímač 16 co nejblíže poloviny měřicího rozsahu L/2 optického mikrometru 36.In the third embodiment of the present invention according to FIG. 5 shows an optical head 3 with one, continuously rotating optical micrometer 36, which is suitable for measuring larger shafts 37 or rotary body-shaped objects 7. As shown in FIG. 6, an optical micrometer 36, respectively. the measuring plane of the micrometer is rotated by means of a precision feedback drive 39 about an axis 40 passing through the center of the measuring range L / 2 parallel to the collimated beam 14 at an angle of 0 ° to 180 ° relative to the rotational axis 19. or a surface light source which forms a collimated beam 14 of polygonal, circular or oval cross-section (the so-called area beam) that illuminates the sensor 16 at all angles of rotation. Based on the knowledge of the ideal profile 22 of the measured rotary object 1, e.g., the larger shaft 37, and the current position of the support frame 4, the control module 38 predictively rotates the optical micrometer 36 by means of precision drive 39 so that the measuring plane is oriented perpendicular to the sensed surface profile 22. The CNC program positions the optical head 3 along a curve so that, at the current angle of rotation, the edge 17 of the projected surface of the measurement surface impinges on the receiver 16 as close as half of the measuring range L / 2 of the optical micrometer 36.

Příklad 4Example 4

Ve čtvrtém provedení tohoto technického řešení dle Obr. 5 je znázorněna optická hlava 3 s jedním, po krocích otočným optickým mikrometrem 36, který se vůči rotační ose 19 natáčí prostřednictvím přesného pohonu 39 se zpětnou vazbou v předepsaných úhlech 0°, ±30°, ±60°, ±90°, jak je znázorněno na Obr. 7. Řídicí systém polohování nosného rámu 4 programově řízeného obráběcího stroje 2, např. CNC soustruhu nepřímo řídí úhel natočení optického mikrometru 36 změnami směru posuvu nosného rámu 4. Snímání probíhá pouze v jednom směru podél rotační osy 19 a je-li směr posuvu změněn, řídicí modul 38 optické hlavy 3 na to reaguje natočením optického mikrometru 36 do nové polohy. Velikost nového úhlu natočení snímače 16 nosný rám 4 sděluje poměrem drah podélného a příčného posuvu. Pro eliminaci necitlivosti se při změně směru dráha vždy mírně přetáhne o pevnou vzdálenost a rovněž záznam měření se aktivuje až poté, co je posun o tuto hodnotu vrácen zpět.In the fourth embodiment of the present invention according to FIG. 5 shows an optical head 3 with one stepwise rotatable optical micrometer 36 that is rotated relative to the rotational axis 19 by a precision feedback drive 39 at prescribed angles of 0 °, ± 30 °, ± 60 °, ± 90 ° as shown in FIG. 7. A control system for positioning the support frame 4 of a programmed machine tool 2, eg a CNC lathe, indirectly controls the angle of rotation of the optical micrometer 36 by varying the direction of travel of the support frame 4. The scanning takes place only in one direction along the rotary axis 19. the control module 38 of the optical head 3 responds by rotating the optical micrometer 36 to a new position. The size of the new angle of rotation of the sensor 16 is communicated by the support frame 4 by the ratio of the longitudinal and transverse displacement paths. To eliminate insensitivity, when the direction is changed, the track is always slightly extended by a fixed distance, and the measurement record is only activated after the offset has been rolled back.

Příklad 5Example 5

V pátém provedení tohoto technického řešení dle Obr. 5 je znázorněna optická hlava 3 s jedním, trvale rotujícím optickým mikrometrem 36, který se prostřednictvím přesného pohonu 39 se zpětnou vazbou trvale otáčí kolem osy 40 procházející středem měřicího rozsahu L/2 rovnoběžně s kolimovaným svazkem 14 paprsků. Během jedné otáčky, při přesné synchronizaci úhlu natočení se provede řada opakovaných měření. Z těchto bodů se vyfiltrují pouze body, které jsou nejblíže ose 40 natáčení ve výseči maximálně 10°, jak je znázorněno na Obr. 8. CNC program polohuje nosný rám 4 s optickou hlavu 3 tak, aby osa 40 natáčení optického mikrometru 36 opisovala křivku ideálního profilu 22 rotačního objektu 1, např. většího hřídele 37. Se znalostí polohy osy 40 natáčení a úhlu natočení snímače 16 se vyfiltrované body 41 přepočtou do společného souřadnicového systému, kde pak reprezentují část skenu profilu 22. Ze sady těchto částí se sestaví celý profil 22 rotačního objektu 1. Otáčení optického mikrometru 36 může být nahrazeno oscilací ±180°.In the fifth embodiment of the present invention according to FIG. 5 shows an optical head 3 with one, continuously rotating optical micrometer 36, which is rotated continuously by means of a precision feedback drive 39 about an axis 40 passing through the center of the measuring range L / 2 parallel to the collimated beam 14. A series of repeated measurements are made during one revolution, with precise angle synchronization. From these points, only the points closest to the pivot axis 40 in the sector of maximum 10 ° are filtered, as shown in FIG. 8. The CNC program positions the support frame 4 with the optical head 3 so that the rotational axis 40 of the optical micrometer 36 describes the curve of the ideal profile 22 of the rotating object 1, eg a larger shaft 37. With knowledge of the rotational axis position 40 and the angle of rotation of the sensor 16, 41 are converted into a common coordinate system, where they then represent part of the scan of the profile 22. The entire profile 22 of the rotating object 1 is assembled from a set of these parts. The rotation of the optical micrometer 36 can be replaced by ± 180 ° oscillation.

Příklad 6Example 6

V šestém provedení tohoto technického řešení dle Obr. 9 je znázorněna optická hlava 3 s jedním optickým mikrometrem 12 se dvěma překříženými měřicími rovinami, která je vhodná pro měření profilu hřídelí 37 nebo jiných rotačních objektů 1 menších rozměrů. Jedna měřicí rovina je kolmá a druhá rovnoběžná s rotační osou 19 měřeného rotačního objektu L V této variantě je přijímačem 15 maticový CCD/CMOS snímač 42, ze kterého se primárně využívají dvě řady 43, 44 CCD/CMOS fotocitlivých buněk křížících se ve středu 45 snímače. Každá z těchto řad se vyhodnocuje samostatně jako dva řádkové CCD/CMOS snímače 16. Obě řady jsou zároveň osvětleny plošným kolimovaným svazkem 46 paprsků jednoho vysílače 13 ve formě plošnéhoIn the sixth embodiment of the present invention according to FIG. 9 shows an optical head 3 with one optical micrometer 12 with two crossed measuring planes suitable for measuring the profile of shafts 37 or other rotary objects 1 of smaller dimensions. One measurement plane is perpendicular and the other parallel to the rotational axis 19 of the rotating object to be measured. In this variant, the receiver 15 is a matrix CCD / CMOS sensor 42 from which two rows of 43, 44 CCD / CMOS photosensitive cells intersecting in the center 45 of the sensor are primarily used. Each of these rows is evaluated separately as two line CCD / CMOS sensors 16. Both rows are simultaneously illuminated by a collimated beam of 46 beams of one transmitter 13 in the form of

- 11 CZ 33321 U1 zdroje světla 47. CNC program polohuje nosný rám 4 s upevněnou optickou hlavu 3 tak, aby osa rovnoběžná s plošným kolimovaným svazkem 46 paprsků, procházející středem 45 obou řad 43, 44 maticového CCD/CMOS snímače 42, opisovala křivku ideálního profilu 22 měřeného rotačního objektu 1. Ze znalosti ideálního profilu 22, se čte údaj z kolmé řady 43, nebo rovnoběžné řady 44 podle toho, která řada je blíže ke kolmici ke snímanému profilu 22. Optický mikrometr 12 se může rovněž používat jako dva nezávislé optické mikrometry 12, kdy např. jeden měří šířku w a druhý hloubku d drážky.The CNC program positions the support frame 4 with the optical head 3 fixed so that the axis parallel to the flat collimated beam 46, passing through the center 45 of both rows 43, 44 of the matrix CCD / CMOS sensor 42, describes an ideal curve. From the knowledge of the ideal profile 22, reading from a perpendicular row 43 or a parallel row 44 is read, whichever is closer to the perpendicular to the sensed profile 22. The optical micrometer 12 can also be used as two independent optical micrometers 12, for example one measuring width w and the other depth d of the groove.

Příklad 7Example 7

V sedmém provedení tohoto technického řešení dle Obr. 10 je znázorněna optická hlava 3 s jedním optickým mikrometrem 12 se čtyřmi překříženými měřicími rovinami, která je vhodná pro měření profilu hřídelí 37 nebo jiných rotačních objektů 1 menších rozměrů. Jedna měřicí rovina je kolmá a druhá rovnoběžná s rotační osou 19 měřeného rotačního objektu L Další dvě jsou úhlopříčně pod úhly ±45°. Toto provedení má jeden přijímač 15 tvořený maticovým CCD/CMOS snímačem 42, ze kterého se primárně využívají dvě přímé řady 43, 44 CCD/CMOS fotocitlivých buněk a dvě úhlopříčně řady 51, 52 CCD/CMOS fotocitlivých buněk křížících se ve středu 45 snímače. Všechny řady jsou zároveň osvětleny kolimovaným svazkem 14 paprsků s mnohoúhelníkovým, kruhovým nebo oválným průřezem (tzv. plošným svazkem paprsků) jednoho vysílače 13 ve formě plošného zdroje světla 47. Každá z těchto řad se vyhodnocuje samostatně jako řádkový CCD/CMOS snímač 16. CNC program polohuje nosný rám 4 s upevněnou optickou hlavu 3 tak, aby osa rovnoběžná s kolimovaným svazkem 14 paprsků, procházející středem 45 řad 43, 44, 51, 52 maticového CCD/CMOS snímače 42, opisovala křivku ideálního profilu 22 měřeného objektu 1, např. většího hřídele 37. Na základě znalosti ideálního profilu 22, se vyhodnocuje údaj z řady 43, 44, 51, 52 podle toho, která řada, resp. její měřicí rovina, je orientovaná blíže ke kolmici ke snímanému povrchu 22. Na základě předem provedené kalibrace a se znalosti polohy nosného rámu 4 se údaje z vybraných řad 43, 44, 51, 52 přepočtou na množinu 21 bodů 18 nacházejících se na profilu 22 rotačního objektu 1. Ze sady těchto bodů 18 se sestaví celý profil 22. Každá z řad se může rovněž používat jako nezávislý optický mikrometr 12, kdy s rotační osou 19 rovnoběžná řada 44 vyhodnocuje šířku w a kolmá řada 43 hloubku d drážky.In the seventh embodiment of the present invention according to FIG. 10 shows an optical head 3 with one optical micrometer 12 with four crossed measuring planes suitable for measuring the profile of shafts 37 or other rotary objects 1 of smaller dimensions. One measuring plane is perpendicular and the other parallel to the rotational axis 19 of the object to be measured L The other two are diagonally at angles of ± 45 °. This embodiment has one receiver 15 consisting of a matrix CCD / CMOS sensor 42, from which two straight rows of 43, 44 CCD / CMOS photosensitive cells and two diagonal rows of 51, 52 CCD / CMOS photosensitive cells intersecting at the center 45 of the sensor are primarily used. All rows are simultaneously illuminated by a collimated beam 14 of polygonal, circular or oval cross-section (so-called area beam) of one emitter 13 in the form of a surface light source 47. Each of these series is evaluated separately as a row CCD / CMOS sensor 16. CNC program position the support frame 4 with the optical head 3 fixed so that the axis parallel to the collimated beam 14 passing through the center 45 of the rows 43, 44, 51, 52 of the matrix CCD / CMOS sensor 42 describes the ideal profile curve 22 of the measured object 1, e.g. Based on the knowledge of the ideal profile 22, the data from the series 43, 44, 51, 52 is evaluated according to which series or shafts. its measuring plane is oriented closer to the perpendicular to the sensing surface 22. Based on the pre-calibration and knowing the position of the support frame 4, the data from the selected rows 43, 44, 51, 52 are converted to a set of 21 points 18 located on the rotary profile 22 Each of the rows can also be used as an independent optical micrometer 12, wherein with the rotary axis 19 the parallel row 44 evaluates the width w and the perpendicular row 43 the groove depth d.

Příklad 8Example 8

V osmém provedení tohoto technického řešení dle Obr. 11 je znázorněna optická hlava 3 s jedním optickým mikrometrem 12 s plošným vyhodnocováním, kde se oproti šestému nebo sedmému provedení se překříženými měřicími rovinami na maticovém CCD/CMOS snímači 42 využívají všechny nebo vybrané řady 48 v podélném nebo příčném nebo v obou směrech celé matice CCD/CMOS fotocitlivých buněk. Optický mikrometr 12 zahrnuje vysílač 13 ve formě plošného zdroje světla 47. Každá řada 48 je vyhodnocována samostatně jako jeden řádkový CCD/CMOS snímač 16. Z jednotlivých hran 49 vrženého stínu na jednotlivé řady se vyhodnotí množina 50 bodů reprezentující část profilu, a z množiny 50 těchto částí se sestaví celý profil 22 měřeného rotačního objektu 1. CNC program polohuje nosný rám 4 s upevněnou optickou hlavu 3 tak, aby střed 45 plochy maticového CCD/CMOS snímače 42 opisoval křivku ideálního profilu 22 měřeného rotačního objektu 1.In the eighth embodiment of the present invention according to FIG. 11 shows an optical head 3 with one optical micrometer 12 with surface evaluation, where all or selected rows 48 are used in the longitudinal or transverse or both directions of the entire CCD matrix as compared to the sixth or seventh embodiment with crossed measurement planes on the matrix CCD / CMOS sensor 42 / CMOS of photosensitive cells. The optical micrometer 12 comprises a transmitter 13 in the form of a surface light source 47. Each row 48 is evaluated separately as one row CCD / CMOS sensor 16. From each edge 49 of the drop shadow to each row, a set of 50 points representing part of the profile is evaluated and 50 The CNC program positions the support frame 4 with the optical head 3 fixed so that the center 45 of the surface of the matrix CCD / CMOS sensor 42 follows the curve of the ideal profile 22 of the measured rotary object 1.

Průmyslová využitelnostIndustrial applicability

Výše popsané měřicí zařízení pro bezkontaktní nasnímání profilů rotačních objektů a vyhodnocení jejich vnějších rozměrů je možné využít při automatizaci strojírenské výroby na programově řízených obráběcích strojích, zejména CNC soustruzích. Uvedené měřicí zařízení je využitelné u výrobců strojních rotačních součástek s vysokým podílem automatizace výroby, např. hřídelí, rotorů, poloos, pouzder, čepů, automobilových dílů, pohonů, strojních součástíThe above-described measuring equipment for contactless scanning of profiles of rotating objects and evaluation of their external dimensions can be used in the automation of engineering production on program-controlled machine tools, especially CNC lathes. Said measuring device can be used by manufacturers of machine rotating components with a high proportion of production automation, eg shafts, rotors, half-axles, bushings, pins, automotive parts, drives, machine parts

- 12CZ 33321 U1 apod. Uvedené měřicí zařízení je využitelné u výrobců a při údržbě strojních rotačních součástek velkých rozměrů, zejména hřídelí a válců.- 12GB 33321 U1, etc. The measuring equipment is applicable to manufacturers and to the maintenance of large-scale machine rotary components, especially shafts and cylinders.

NÁROKY NA OCHRANUPROTECTION REQUIREMENTS

Claims

A measuring device for contactlessly sensing profiles of rotary objects (1,26, 37) and evaluating their outer dimensions, wherein the rotary object (1,26, 37) defined by its surface and the rotary axis (19) is mounted rotatably about the rotary axis (19). ), characterized in that a positioning optical head (3) having at least one thru-beam optical micrometer (12, 36) comprising a transmitter (13) and a receiver (15) is mounted on the support frame (4) of the measuring device. ) of at least one collimated beam (14) forming together with a series (43, 44, 48, 51, 52) of the photosensitive CCD / CMOS sensor cells (16, 42) in the receiver (15) a measuring plane for sensing the surface of the rotating object (1); 26, 37) in at least one measuring plane at an angle of 90 ° ± 45 ° relative to the surface of the rotating object (1, 26, 37), the receiver (15) being for detecting at least one edge (17, 49) of shadow and incident collimatedthe beam (14) on its surface is provided with a row CCD / CMOS sensor (16) or a matrix CCD / CMOS sensor (42), each edge (17, 49) being a projection of point (18) or points (18, 50) in the measuring plane ) on the surface of the rotary object (1, 26, 37), the measuring device further comprising an evaluation unit (5) of the longitudinal displacement sensor (6) and the transverse displacement sensor (7) of the support frame (4).

10 drawings

- 13 GB 33321 U1

List of reference marks

1 Rotating object

2 Program controlled machine tool

3 Optical head

4 Supporting frame

5 Evaluation unit

6 Support frame longitudinal displacement sensor

7 Support frame transverse displacement sensor

8 Computer

9 Chuck

10 Tailstock

11 Cal

12 Optical micrometer

13 Transmitter

14 Limited beam

15 Receiver

16 Line CCD / CMOS sensor

17 Edge of shadow transition and incident collimated beam

18 Point on the surface of a rotating object

19 Rotary axis

20 Start point

21 Set of points on the surface of a rotating object

22 Rotary Object Profile

23 Computer network

24 SQL Server

25 Network computer

26 Cylinder

27 Left optical micrometer

28 Right optical micrometer

29 Optical sighting equipment

30 Visible laser beam

31 Sectional area of the profile scanned by the left optical micrometer

32 Sectional area of the profile scanned by the right optical micrometer

33 Optical micrometer travel to the left

34 Optical micrometer travel to the right

35 Distance between centers of range of both receivers

36 Rotating optical micrometer

37 Shaft

38 Optical micrometer rotation control module

39 Precision optical micrometer drive

40 Optical micrometer rotation axis

41 Filtered points

42 Matrix CCD / CMOS sensor

43 A straight line of photosensitive cells of the matrix CCD / CMOS sensor perpendicular to the rotary axis

44 A straight line of photosensitive cells of the matrix CCD / CMOS sensor parallel to the rotary axis

45 Center of Matrix CCD / CMOS Sensor

46 Flat collimated beam

47 Surface light source

48 All or selected rows of photosensitive cells of the matrix CCD / CMOS sensor

49 Edges of the shadow transition and the incident area collimated beam

50 The set of points on the surface of a rotating object is evaluated from the edges of a flat collimated beam

- 14GB 33321 U1

51 Angle -45 ° Angle CCD / CMOS Sensor Series with Rotary Axis

52 Angle CCD / CMOS matrix sensor with angle of + 45 ° with rotary axis

L measuring range of the optical micrometer

R distance of a point on the surface of a rotary axis