DE10042723A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung eines Volumens, insbesondere des Brennraumvolumens von Zylinderköpfen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung eines Volumens, welches von außen optisch erfaßbar ist, insbesondere des Brennraumvolumens von Zylinderköpfen. DOLLAR A Die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu entwickeln, mit denen die Nachteile des Standes der Technik vermieden werden und mit denen eine schnelle und fertigungsintegrierbare sehr genaue, reproduzierbare und zuverlässige Messung des Brennraumvolumens unmittelbar in der Fertigungslinie der Motorenfertigung direkt im Anschluß der mechanischen Bearbeitung des Zylinderkopfes wahlweise auch ohne eingesetzte Ventile/Zündkerze gewährleistet ist, wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung gelöst, bei denen mittels der adaptiven digitalen Streifenprojektionstechnik wie Graycode-Technik, Phasecode-Technik durch einen speziellen Projektor eine Vielzahl von Streifenmustern in an sich bekannter Weise senkrecht auf der Oberfläche des Meßobjektes abgebildet und mit mindestens zwei Aufnahmekameras wie CCD-Kameras unter einem definierten Winkel erfaßt und in einem Computer decodiert und analysiert werden, wobei die Tiefeninformation aus dem Verlauf der projizierten Muster ermittelt wird und wobei wahlweise eine virtuelle Deckelung von Öffnungen des Meßobjektes wie der Ventilsitze und der Zündkerzenabdeckung oder ein Verschluß durch Verschlüsse wie Masterventile/Masterzündkerzen bzw. zugehörige Ventile/Zündkerzen vorgenommen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung eines Volumens, welches von außen optisch erfaßbar ist, insbesondere des Brennraumvolumens von Zylinderköpfen, gemäß den Ansprüchen 1 und 8.

Im Automobilbau ist die Messung des Brennraumvolumens von Zylinderköpfen eine wichtige Aufgabe im Rahmen der betrieblichen Qualitätssicherung und Fertigungskon­ trolle und bestimmt maßgeblich die Qualität der Motoren.

Nach dem bekannten Stand der Technik erfolgt die Erfassung des Brennraumvolumens durch "Auslitern" mit einer speziellen Flüssigkeit in Form einer Titration. Dazu muß der Brennraum zuverlässig abgedichtet werden, d. h., die für den Zündkerzeneinsatz und die Ventile vorgesehenen Öffnungen müssen verschlossen sein.

Weiterhin bekannt ist die Volumenmessung mit einem Gas wie Luft, bei der mit einem Vergleichsvolumen gearbeitet wird. Dieses Verfahren ist insbesondere wegen der Abdichtungsprobleme und der Leckanfälligkeit sehr ungenau (DE 197 06 385 A1).

Diese Verfahren reichen nicht mehr aus, um den Zielstellungen einer modernen und leistungsfähigen Motorenfertigung gerecht zu werden. Die Verfahren sind zu zeitaufwendig und zu ungenau, sie unterliegen sehr vielen subjektiven Einflüssen.

Es sind weiterhin punkt- oder linienförmig arbeitende Meßmethoden bekannt, bei denen punkt- oder linien­ förmige Lichtstrukturen mittels eines Lasers erzeugt werden.

Mit dem bekannten "Laserscanner"-Verfahren wird linien­ weise abgetastet. Dieses Verfahren erfordert bewegliche mechanische Teile, es muß der Meßkopf oder das Meßobjekt bewegt werden können. Das Verfahren ist als Linienangulations-Verfahren langsam, kann nur fehlerbe­ haftet reproduziert werden und erfordert einen geschlossenen Brennraum (DE 40 00 201 A1).

In der DE 44 18 264 A1 wird eine optische 3D-Meßvor­ richtung zum Messen des Kammervolumens eines Zylinder­ kopfes beschrieben, bei der unter Anwendung einer optischen Meßtechnik ein Haupttaktsignal zur Bewegung eines Schlitzstrahles und zur Durchführung eines Meßvorganges unter Verwendung des Schlitzstrahles benutzt wird. Ein optischer Sensor mit einer Schlitz­ strahlquelle zur Projektion des Strahles auf die Fläche, eine Videokamera zur Aufnahme der optischen Schnittlinien dienen dazu, den zu vermessenden Gegen­ stand mit dem Schlitzstrahl synchron zu den Haupttaktimpulsen abzutasten und daraus Informationen zur Kammervolumenberechnung zu gewinnen.

Nachteilig ist bei diesen Verfahren infolge der punkt- oder linienförmigen Abtastung insbesondere die aufzuwendende Meßzeit.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu entwickeln, mit denen die Nachteile des Standes der Technik vermieden werden und mit denen eine schnelle und fertigungsintegrierbare sehr genaue, reproduzierbare und zuverlässige Messung des Brennraumvolumens unmittelbar in der Fertigungs­ linie der Motorenfertigung direkt im Anschluß der mechanischen Bearbeitung des Zylinderkopfes wahlweise auch ohne eingesetzte Ventile/Zündkerze gewährleistet ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 8 gelöst. Nach dem Verfahren zur Messung eines Volumens, welches von außen optisch erfaßbar ist, insbesondere des Brennraumvolumens von Zylinderköpfen, werden mittels der adaptiven digitalen Streifenprojektionstechnik wie Graycode-Technik, Phase­ code-Technik durch einen speziellen Projektor eine Vielzahl von Streifenmustern in an sich bekannter Weise senkrecht auf der Oberfläche des Meßobjektes abgebildet und mit mindestens zwei Aufnahmekameras wie CCD-Kameras in einem definierten Winkel erfaßt und in einem Computer decodiert und analysiert, wobei die Tiefeninformation aus dem Verlauf der projizierten Muster ermittelt wird und wobei wahlweise eine virtuelle Deckelung von Öffnungen des Meßobjektes wie der Ventilsitze und der Zündkerzenabdeckung oder ein Verschluß durch Verschlüsse wie Masterventile/Master­ zündkerzen bzw. zugehörige Ventile/Zündkerzen vorge­ nommen wird.

Das Verfahren nach der Erfindung ist ein absolut messendes optisches 3D-Koordinatenmeßsystem. Die ermittelten 3D-Koordinaten bilden die Grundlage für die Volumenbestimmung an Brennkammern von Zylinderköpfen von Verbrennungsmotoren.

Es ist ein Messen ohne Einsetzen von Ventilen, Zünd­ kerzen und Abdichtungen ebenso wie ein Messen mit ein­ gesetzten Ventilen möglich.

Der Zeitbedarf für die Volumenbestimmung ist bei gleichzeitig höherer Genauigkeit infolge der flächen­ haften Antastung der 3D-Oberfläche der Brennkammer in Kombination mit einer flächenhaften Triangulation und kombiniert mit phasenmessenden Methoden wesentlich geringer gegenüber den bisher angewendeten Verfahren.

Es ist eine Kaskadierung von mehreren Stationen für den Einsatz direkt in der Fertigungslinie möglich. Dadurch wird die hundertprozentige Prüfung innerhalb der Fertigungslinie möglich.

Die Vorrichtung zur Messung eines von außen optisch erfaßbaren Volumens, insbesondere des Brennraumvolu­ mens von Zylinderköpfen, besteht aus einem schwingungs­ gedämpften Grundgestell mit einer massiven Auflage wie massive Hartgesteinplatte, mit Führungsschienen für einen Transportschlitten mit einer Aufnahmevorrichtung für ein Meßobjekt wie Zylinderkopf und mit einem Einstellmeister, wobei unter einer Öffnung der massiven Auflage ein Meßkopf wie eine Sensorzelle so angeordnet ist, daß eine senkrechte Projektion von Strahlen auf das Meßobjekt und eine seitliche Beobachtung der auf das Meßobjekt auftreffenden Strahlen aus mindestens zwei Positionen gewährleistet sind.

Das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung geben die Möglichkeit der Optimierung des Brennraum­ volumens und der Klassifizierung von Zylinderköpfen in Gut- und Ausschußteile vor der Endmontage.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungs­ beispiel zur Bestimmung des Brennraumvolumens eines Zylinderkopfes näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 die schematische Seitenansicht einer Meßvorrichtung und

Fig. 2 die schematische Darstellung der Komponenten des Meßkopfes.

Entsprechend der Darstellung in der Fig. 1 besteht die Meßvorrichtung im wesentlichen aus einem schwingungs­ gedämpften Grundgestell 1, einer massiven Hartgestein­ platte 2, Führungsschienen 3, die je nach Ausfertigung manuell oder elektrisch angetrieben sind, einem Trans­ portschlitten 4 mit einer Aufnahmevorrichtung für einen Zylinderkopf und Einstellmeister, einer Sensorzelle (Meßkopf) 5 und einem Steuer- und Auswerterechner 6.

Der Einstellmeister dient als ein Referenzteil für das optische Meßsystem, um die optimale Einstellung bzw. den Kalibrierzustand des Meßsystems zu überprüfen und gegebenenfalls automatisch (selbstkalibrierend) anzu­ passen, wenn es im Betrieb der Meßanlage zu Verände­ rungen im Meßsystem gekommen ist. Weiterhin dient der Einstellmeister dazu, die mit einer Meßanlage zu erzielenden geometrische Größen auf eine zertifizierte Meßanlage zu beziehen. Dazu wird der Einstellmeister auf einer Koordinatenmeßmaschine vermessen, und die erzielten geometrischen Größen (Abstandswerte) dienen als Referenz für das optische Meßsystem.

Der Meßkopf (Sensorzelle) 5 besteht entsprechend der Darstellung in der Fig. 2 im wesentlichen aus einem Rahmengestell 11 mit einer Trägerplatte 10, auf der ein DMD-Projektor 7, eine erste und eine zweite CCD-Kamera 8, 9 mit jeweils einer seriellen Gain-Control-Schnitt­ stelle zur rechnergesteuerten Bildverstärkung so ange­ ordnet sind, daß eine senkrechte Projektion und eine Beobachtung von der Seite gewährleistet sind.

Der in der Fig. 2 dargestellte Meßkopf 5 ist gegenüber der Darstellung in Fig. 1 um 90° gedreht.

Zur Brennraumvolumenbestimmung von Zylinderköpfen wird erfindungsgemäß ein an sich bekanntes Meßverfahren zur optischen Oberflächenmessung mit Hilfe der Gray-Code- Technik bzw. Phasecode-Technik eingesetzt.

Bei dieser Art der Streifenprojektion werden auf das Meßobjekt, hier Zylinderkopf, durch einen speziellen Projektor eine Vielzahl von Streifenmustern (raum­ zeitcodierte Linienstrukturen) unter einem bestimmten Winkel, hier im Beispiel beträgt der Winkel 90°, aufprojiziert. Die auf der Objektoberfläche des Meßobjekts abgebildeten Streifenmuster werden mit einer CCD-Kamera, hier mit den schräg gestellten zwei CCD- Kameras 8, 9 gemäß Fig. 2, erfaßt. Dieses n-codierte Sequenzmuster der Oberfläche wird in einem Computer decodiert und analysiert. Durch den Verlauf der Linien der projizierten Muster (Auslenkungen aufgrund der Oberflächenform) kann die Tiefeninformation gewonnen werden. Durch die Projektion von Sequenzen der Linienstrukturen und der damit verbundenen Codierung der Oberfläche ist bei der automatischen Auswertung eine eindeutige Zuordnung der Tiefeninformation zum Streifenmuster gegeben.

Die Ventil- und Kerzenbohrungen sind beispielsweise offen und werden im Meßbetrieb durch einen Software- Deckel oder auch durch Masterventile oder Masterkerzen geschlossen. Durch die Möglichkeit einer adaptiven Projektion lassen sich störende Intensitätsunterschiede auf dem Meßobjekt, wie sie durch Lichtreflexe oder Unterschiede im Reflexionsverhalten auftreten können, eliminieren.

Die Erzeugung räumlich codierter Muster, insbesondere Streifenmuster, kann sowohl mittels digitaler Licht­ projektion mittels Mikrospiegelprojektoren als auch mit anderen geeigneten Projektionssystemen wie LCD-Pro­ jektoren erfolgen, die in Reflexion oder Durchstrahlung arbeiten, mittels Laserprojektionssystemen und dgl.

Als Projektionssystem wird hier der digitale DMD- Lichtprojektor 7 (Fig. 2) auf der Basis von digitalen Mikrospiegel-Projektionseinheiten (Digital Micro-mirror Devices: DMD) verwendet. Die projizierten Muster werden mit den zwei hochauflösenden CCD-Kameras 8, 9 aufgenom­ men und mittels einer Meß- und Auswerte-Software aus­ gewertet, die zwei Optionen beinhaltet, Ermittlung des Brennraumvolumens mit eingesetzten Ventilen oder mit Software-Deckel für Zündkerzen und Ventilbohrungen, so daß auf einem Monitor ein 3D-Höhenbild zur Weiterver­ arbeitung zur Verfügung steht.

Bezugszeichenaufstellung

1

Grundgestell

2

Hartgesteinplatte

3

Führungsschiene

4

Transportschlitten

5

Sensorzelle

6

Steuer- und Auswerte-PC

7

DMD-Projektor

8

CCD-Kamera

9

CCD-Kamera

10

Trägerplatte

11

Rahmengestell

Claims (11)

1. Verfahren zur Messung eines Volumens, welches von außen optisch erfaßbar ist, insbesondere des Brennraumvolumens von Zylinderköpfen, wobei mittels der adaptiven digitalen Streifenprojek­ tionstechnik wie Graycode-Technik, Phasecode- Technik durch einen speziellen Projektor eine Vielzahl von Streifenmustern in an sich bekannter Weise senkrecht auf der Oberfläche des Meßobjektes abgebildet und mit mindestens zwei Aufnahmekameras wie CCD-Kameras unter einem definierten Winkel erfaßt und in einem Computer decodiert und analysiert werden, wobei die Tiefeninformation aus dem Verlauf der proji­ zierten Muster ermittelt wird und wobei wahlweise eine virtuelle Deckelung von Öffnungen des Meßobjektes wie der Ventilsitze und der Zündkerzenabdeckung oder ein Verschluß durch Verschlüsse wie Masterventile/Masterzündkerzen bzw. zugehörige Ventile/Zündkerzen vorgenommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß räumlich codierte Muster wie Streifenmuster durch einen DMD-Projektor oder LCD-Projektor erzeugt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß unterschiedliche Meßobjekte wie Zylinderköpfe ohne Umrüstung vollautomatisch oder manuell vermessen werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die virtuelle Abdeckung von Öffnungen des Meßobjektes an der Stelle vorgenommen wird, die in der zugehörigen technischen Zeichnung entsprechend bemaßt ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die virtuelle Abdeckung innerhalb des ermittelten Höhenbildes am Auflageort der Ventile entsprechend der technischen Zeichnung des Zylinderkopfes un der gemessenen Ist-Werte vorgenommen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die virtuelle Abdeckung innerhalb des ermittelten Höhenbildes an der Öffnung für die Zündkerze und weitere Öffnungen entsprechend der technischen Zeichnung des Zylinderkopfes vorgenommen wird.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Prozeßkontrolle Software- Schnittstellen zu üblichen Statistik-Programmen vorgesehen sind.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Meßobjekt wie Zylinderkopf manuell oder automatisch zugeführt wird.

9. Vorrichtung zur Messung eines von außen optisch erfaßbaren Volumens, insbesondere des Brennraum­ volumens von Zylinderköpfen, wobei ein schwingungsgedämpftes Grundgestell (1) mit einer massiven Auflage (2) wie massive Hartgestein­ platte Führungsschienen (3) für einen Transportschlitten (4) mit einer Aufnahmevorrichtung für ein Meßobjekt wie Zylinderkopf und einen Einstellmeister aufweist, wobei unter einer Öffnung der massiven Auflage (2) ein Meßkopf (5) wie eine Sensorzelle so angeordnet ist, daß eine senkrechte Projektion von Strahlen auf das Meßobjekt und eine seitliche Beobachtung der auf das Meßobjekt auftreffenden Strahlen aus mindestens zwei Positionen gewährleistet sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Meßkopf (5) aus einem Rahmengestell (11) mit einer Trägerplatte (10) gebildet ist, auf welcher ein Projektor (7) und mindestens zwei CCD-Kameras (9, 10) mit jeweils einer seriellen Schnittstelle wie Gain- Control-Schnittstelle zur rechnergesteuerten Bildverstärkung angeordnet sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Projektor (7) ein DMD-Projektor oder ein LCD-Projektor ist.