DE10048925C2

DE10048925C2 - Method and device for opto-electronic detection of the geometry of small bores

Info

Publication number: DE10048925C2
Application number: DE2000148925
Authority: DE
Inventors: Ulrich Lessing; Johannes Wais
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-10-04
Filing date: 2000-10-04
Publication date: 2002-09-19
Anticipated expiration: 2020-10-05
Also published as: DE10048925A1

Description

State of the art

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren sowie von einer Vorrichtung zur opto-elektronischen Erfassung der Geometrie kleiner Bohrungen, insbesondere von Einspritzbohrungen in Kraftstoffeinspritzventilen für Verbrennungskraftmaschinen, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 9.The invention is based on a method and one Device for opto-electronic detection of the geometry small holes, especially injection holes in Fuel injection valves for internal combustion engines, according to the preamble of claim 1 and claim 9.

Bei einem bekannten Verfahren und einer bekannten Vorrichtung dieser Art (DE 196 11 613 C2) wird die nur von einer Seite zugängliche Bohrung von innen beleuchtet und die Geometrie der Bohrung mit einer Kamera von außen erfaßt. Die Beleuchtung erfolgt dabei breitbandig im sichtbaren Licht. Die Auflösungsgrenze liegt im Bereich von 0,5 µm und kann durch eine entsprechende Bildverarbeitung noch etwa um die Hälfte erhöht werden. Aufgrund der erreichbaren Auflösungsgrenze können bei einer Bohrungstiefe von ca. 1 mm nur Bohrungsdurchmesser größer als 100 µm vermessen werden. In a known method and a known device This type (DE 196 11 613 C2) is only from one side accessible bore illuminated from the inside and the geometry the bore with a camera from the outside. The Illumination is broadband in visible light. The resolution limit is in the range of 0.5 µm and can through an appropriate image processing still around Be increased by half. Because of the achievable The resolution limit can be at a drilling depth of approx. 1 mm only bore diameters larger than 100 µm can be measured.

Aus dem Fachbuch "Optik" (Eugene Hecht: "Optik"; Addison-Wesley; Bonn, München (1989)), insbesondere Seite 447, ist bekannt, für eine hohe optische Auflösung Licht möglichst kleiner Wellenlängen zu verwenden, beispielsweise ultraviolettes Licht. Es wird jedoch nicht erwähnt, daß die Bandbreite dabei auf einen kleinen Bereich einge schränkt werden soll.From the specialist book "Optics" (Eugene Hecht: "Optics";Addison-Wesley; Bonn, Munich ( 1989 )), in particular page 447, it is known to use light of the smallest possible wavelengths for high optical resolution, for example ultraviolet light. However, it is not mentioned that the bandwidth should be limited to a small area.

Aus der Schrift US 4 656 358 ist darüber hinaus bekannt, einen Laser im ultravioletten Bereich zur Beleuchtung eines Objekts zu benutzen, um so die Auflösung der Kamera zu verbessern. Die schmalbandige Laser-Abtastung mit UV-Licht wird hier jedoch nicht in einem Kamera strahlengang eingesetzt und zielt auf die Nutzung von Fluoreszenz eigenschaften des Meßobjekts ab. A laser is also known from US Pat. No. 4,656,358 to use in the ultraviolet range to illuminate an object, to improve the resolution of the camera. The narrow band However, laser scanning with UV light is not used in a camera here beam path used and aims at the use of fluorescence properties of the measurement object.

Advantages of the invention

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung haben den Vorteil, daß durch die Zulassung nur einer kleinen Bandbreite im Bereich kleiner Wellenlängen des Lichts, vorzugsweise durch die Verwendung von monochromatischem Licht kurzer Wellenlänge, die Auflösung bei der optischen Vermessung der Bohrung wesentlich verbessert wird, so daß Bohrungsdurchmesser kleiner 100 µm zerstörungsfrei vermessen werden können. Wesentlicher Vorteil dabei ist, daß außen durch die Bohrung hindurch die Geometrie der Innenkante vermessen werden kann. Das Auflösungsvermögen nimmt mit Reduzierung der Wellenlänge des Lichtes noch zu. Je schmaler das Wellenlängenband gewählt wird, desto schärfer können Ein- und Austrittskanten der Bohrung optisch abgebildet werden, bis schließlich mit monochromatischem Licht das Maximum erreicht wird. Dabei ist es gleich vorteilhaft, den schmalbandigen Bereich im Beleuchtungslicht oder in dem von den beleuchteten Ein- und Austrittskanten der Bohrung rückgestreuten Licht, das zwecks Abbildung dieser Kanten mittels einer opto-elektronischen Meßvorrichtung erfaßt wird, zu definieren.The inventive method and the inventive Device have the advantage that the approval only a small bandwidth in the range of small wavelengths Light, preferably through the use of monochromatic light of short wavelength, the resolution at the optical measurement of the hole significantly improved is so that bore diameter less than 100 microns can be measured non-destructively. Significant advantage is that the outside through the hole through the geometry the inside edge can be measured. The resolving power increases with a reduction in the wavelength of light. ever the narrower the wavelength band is chosen, the sharper can optically lead and exit edges of the hole be mapped until finally with monochromatic Light the maximum is reached. It is the same advantageous, the narrow-band area in the illuminating light or in that of the illuminated leading and trailing edges of the Hole backscattered light that is used to illustrate this Edges using an opto-electronic measuring device is defined to define.

Das erfindungsgemäße Verfahren erfordert lediglich eine Umrüstung der bisher zur Bohrungsvermessung angewandten Meßtechnik im Beleuchtungsbereich und eine Anpassung der opto-elektronischen Meßvorrichtung, die vorzugsweise eine Kamera ist, an den zugelassenen Wellenlängenbereich des Lichtes. Die bekannten Arbeitsabläufe beim Meßverfahren bleiben erhalten, und auch die zur Meßauswertung erforderliche Software muß nicht angepaßt werden. The method according to the invention only requires one Retrofitting of the previously used for bore measurement Measurement technology in the lighting area and an adaptation of the opto-electronic measuring device, preferably a Is at the approved wavelength range of the camera Light. The known workflows in the measuring process remain, and also those for measurement evaluation necessary software does not have to be adapted.

Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Verfahrens und der im Anspruch 9 angegeben Vorrichtung möglich.By the measures listed in the other claims are advantageous further developments and improvements in Claim 1 specified method and in claim 9 specified device possible.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Beleuchtung mit diffusem Licht durchgeführt. Dadurch wird die für die optische Erfassung und Vermessung der Ein- und Austrittskanten der Bohrung zur Verfügung stehende Lichtintensität erhöht. Bei einer Vorrichtung zur opto elektronischen Erfassung der Bohrungsgeometrie wird eine weitere Steigerung der Lichtintensität dadurch erreicht, daß die Bohrung über einen an einem Bohrungsende mündenden Lichtleiter beleuchtet wird und die Lichtaustrittsfläche des Lichtleiters mit einer lichtstreuenden Oberfläche, z. B. einer Mikrostruktur oder einer michglasartigen oder anderweitig geeignete Materialbeschaffenheit, versehen ist.According to an advantageous embodiment of the invention the lighting is carried out with diffuse light. This will those for the optical detection and measurement of the input and Trailing edges of the hole are available Light intensity increased. In a device for opto Electronic recording of the bore geometry becomes one further increase in light intensity achieved in that the bore via an opening at one end of the bore The light guide is illuminated and the light exit surface of the Light guide with a light-scattering surface, e.g. B. one Microstructure or a glass-like or otherwise suitable material properties.

drawing

Die Erfindung ist anhand eines in Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung:The invention is illustrated in the drawing Exemplary embodiment in the following description explained. In a schematic representation:

Fig. 1 eine Vorrichtung zur opto-elektronischen Erfassung der Geometrie kleiner Bohrungen, Fig. 1 is a device for opto-electronic detection of the geometry of small holes,

Fig. 2 eine Beleuchtungsoptik in der Vorrichtung gemäß Fig. 1, Fig. 2 is an illumination optical system in the apparatus according to Fig. 1,

Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung des Ausschnitts III in Fig. 2. Fig. 3 is an enlarged view of detail III in Fig. 2.

Description of the embodiment

Bei der in Fig. 1 schematisch skizzierten Vorrichtung zur opto-elektronischen Erfassung der Geometrie von Einspritzbohrungen in Kraftstoffeinspritzventilen für Verbrennungskraftmaschinen als Ausführungsbeispiel für allgemeine kleine Bohrungen in einem Objekt ist ein Ventilkörper 10 eines Kraftstoffeinspritzventils über einen Aufnahmedorn 11 in ein Spannfutter 12 eingespannt, das seinerseits an einem nicht gezeigten Meßtisch angeordnet ist und eine freie Verstellung des Ventilkörpers 10 in drei Ebenen ermöglicht. Der Ventilkörper 10 der "Lochdüsenbauart" ist dabei in bekannter Weise als rotationssymmetrischer Körper ausgebildet, in den eine axiale Sackbohrung 13 eingebracht ist, in der im montierten und eingebauten Zustand des Ventils ein Ventilglied axial verschiebbar geführt ist. Im Grunde der Sackbohrung 13 ist ein Raum gebildet, von dem zwei Einspritzbohrungen 14 etwa radial von der Sackbohrung 13 abführen. Während der Vermessung der Einspritzbohrungen 14 ist anstelle des Ventilglieds der zylindrische Aufnahmedorn 11 in die Sackbohrung 13 eingesetzt, der bis an einen definierten, nicht näher gezeigten Anschlag in die Sackbohrung 13 eingeführt ist und dabei den Raum im Sackbohrungsgrund mit einer konischen Stirnfläche axial begrenzt.In the schematically sketched in FIG. 1 A device for opto-electronic detection of the geometry of the injection holes in the fuel injection valves for internal combustion engines as an exemplary embodiment for general small holes in an object is a valve body 10 clamped in a fuel injection valve via an arbor 11 in a chuck 12, which in turn at a measuring table, not shown, is arranged and enables free adjustment of the valve body 10 in three planes. The valve body 10 of the "perforated nozzle type" is designed in a known manner as a rotationally symmetrical body into which an axial blind bore 13 is made, in which a valve member is axially displaceably guided in the assembled and installed state of the valve. A space is formed at the bottom of the blind bore 13 , from which two injection bores 14 lead approximately radially from the blind bore 13 . During the measurement of the injection holes 14 is inserted into the blind bore 13 instead of the valve member, the cylindrical holding mandrel 11 which is inserted up to a defined, not shown in detail stop in the blind bore 13, while the space in the blind hole base with a conical end face axially limited.

Zur Vermessung der Einspritzbohrungen 14 wird der Ventilkörper 10 so positioniert, daß die Bohrungsachse einer Einspritzbohrung 14 zentriert zur optischen Achse einer als opto-elektronische Meßvorrichtung verwendeten Kamera 15 liegt. Dabei werden die Eintritts- und Austrittskanten der Einspritzbohrung 14 durch entsprechendes Fokussieren der Kamera 15 nacheinander vermessen, und die ermittelten Meßergebnisse werden in Abhängigkeit von den vorher aufgenommenen Daten zur Lage des Ventilkörpers 10 in einer angeschlossenen Auswerteeinheit 16 mittels einer entsprechenden Software in Meßergebnisse zur Bohrungsachse, Höhenwinkel, Seitenwinkel, räumlichen Lage der Einspritzbohrung 14 und zu Angaben zur Bohrungsgeometrie umgewandelt und angezeigt. Zwecks Erfassung der Eintritts- und Austrittskanten der Einspritzbohrungen 14 durch die Kamera 15 von außen her, werden die Einspritzbohrungen 14 von innen beleuchtet, wozu in den Aufnahmedorn 11 ein Lichtleiter 17 koaxial eingeführt ist, der in dem von dem Aufnahmedorn 11 im Grunde der Sackbohrung begrenzten Raum mündet. Der Lichtleiter 17 ist an seinem vom Sackgrund abgekehrten freien Ende an einer Beleuchtungsoptik 18 angeschlossen, deren Licht über den Lichtleiter 17 die Einspritzbohrungen 14 ausleuchtet.To measure the injection bores 14 , the valve body 10 is positioned such that the bore axis of an injection bore 14 is centered on the optical axis of a camera 15 used as an opto-electronic measuring device. The leading and trailing edges of the injection bore 14 are measured one after the other by appropriately focusing the camera 15 , and the determined measurement results are, depending on the previously recorded data on the position of the valve body 10 in a connected evaluation unit 16, using appropriate software in measurement results for the bore axis, Elevation angle, side angle, spatial position of the injection bore 14 and converted to information on the bore geometry and displayed. For the purpose of detecting the leading and trailing edges of the injection holes 14 by the camera 15 from the outside, the injection holes 14 are illuminated from the inside, to which an optical fiber 17 is inserted coaxially in the arbor 11, limited in that of the arbor 11 in the bottom of the blind bore Room opens. The light guide 17 is connected at its free end facing away from the bottom of the bag to an illumination optics 18 , the light of which illuminates the injection bores 14 via the light guide 17 .

Die Beleuchtungsoptik 18 ist in Fig. 2 im Detail dargestellt. Sie weist eine im UV-Bereich strahlende Lichtquelle 20 auf, deren Licht durch eine Strahlformungsoptik 21, bestehend aus einem Hohlspiegel 22 und zwei optischen Linsen 23, 24, einem Monochromator 25 zugeführt wird. Als Lichtquelle 20 wird beispielsweise eine Quecksilberhochdrucklampe verwendet, die im Bereich von 250 nm ein lokales Intensitätsmaximum besitzt. Eine solche Quecksilberhochdrucklampe wird beispielsweise von der Fa. OSRAM im Handel angeboten. Als Hohlspiegel 22 kann auch ein Parabolspiegel verwendet werden, in dessen Brennpunkt die Lichtquelle 20 anzuordnen ist. Der Monochromator 25, der beispielsweise von der Fa. AMCO, Tornesch, am Markt angeboten wird, separiert bei Verwendung der Quecksilberhochdrucklampe die Frequenzlinie mit der Wellenlänge von ca. 250 nm, die über eine Linse 26 in den Lichtleiter 17 eingeleitet wird.The lighting optics 18 is shown in detail in FIG. 2. It has a light source 20 radiating in the UV range, the light of which is fed to a monochromator 25 through beam shaping optics 21 consisting of a concave mirror 22 and two optical lenses 23 , 24 . A high-pressure mercury lamp, for example, is used as the light source 20 and has a local intensity maximum in the range of 250 nm. Such a high-pressure mercury lamp is commercially available, for example, from OSRAM. A parabolic mirror can also be used as the concave mirror 22 , in the focal point of which the light source 20 is to be arranged. The monochromator 25 , which is available on the market from AMCO, Tornesch, for example, uses the high-pressure mercury lamp to separate the frequency line with the wavelength of approximately 250 nm, which is introduced into the light guide 17 via a lens 26 .

Zur Erhöhung der für die Messung zur Verfügung stehenden Lichtintensität am Grunde der Sackbohrung 13 ist die Lichtaustrittsfläche 171 des Lichtleiters 17, der z. B. aus Quarzglas gefertigt ist, z. B. mit einer Mikrostruktur 27 (Fig. 3) versehen, deren Strukturgröße kleiner ist als die eingesetzte Wellenlänge, im Ausführungsbeispiel also kleiner als 250 nm. Durch diese Mikrostruktur 27 wird das an der Lichtaustrittsfläche 171 austretende Licht gestreut. Alternativ kann der Lichtleiter 17 auch aus einem anderen UV- Licht leitenden Material hergestellt werden. Die Lichtaustrittsfläche 171 des Lichtleiters 17 kann auch mit einer Beschichtung aus lichtstreuendem Material versehen werden. Ein milchglasartiger Überzug ist ebenfalls möglich.To increase the light intensity available for the measurement at the bottom of the blind bore 13 , the light exit surface 171 of the light guide 17 , the z. B. is made of quartz glass, for. B. provided with a microstructure 27 ( FIG. 3), the structure size of which is smaller than the wavelength used, that is to say smaller than 250 nm in the exemplary embodiment. The light emerging at the light exit surface 171 is scattered by this microstructure 27 . Alternatively, the light guide 17 can also be made from another UV light-conducting material. The light exit surface 171 of the light guide 17 can also be provided with a coating of light-scattering material. A frosted glass-like coating is also possible.

Zur Detektion der Eintritts- und Austrittskante der Einspritzbohrungen 14 muß die Kamera 15 an das von der Beleuchtungsoptik 18 zur Verfügung gestellte Licht angepaßt werden. Daher wird als Kamera 14 eine UV-Lichtempfindliche CCD-Kamera verwendet, die ein UV-taugliches Objektiv mit einer möglichst großen numerischen Apertur besitzt. Eine solche CCD-Kamera kann beispielsweise von der Fa. Coherent, Auburn, Cal., USA, bezogen werden. In order to detect the entry and exit edges of the injection bores 14 , the camera 15 must be adapted to the light provided by the illumination optics 18 . Therefore, a UV light-sensitive CCD camera is used as the camera 14 , which has a UV-compatible lens with the largest possible numerical aperture. Such a CCD camera can be obtained, for example, from Coherent, Auburn, Cal., USA.

Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Soll eine noch größere Auflösung gewünscht werden, so ist die Wellenlänge des von der Beleuchtungsoptik 18 abgestrahlten Lichtes weiter zu verkleinern. Anstelle einer Quecksilberhochdrucklampe wird dann ein ArF (Argon/Fluor)-Excimer-Laser verwendet. Um dessen Kohärenzlänge zu verringern, wird eine Ulbrichtkugel oder eine Gradientenindexfaser verwendet. Beide Bauelemente erzeugen aus dem kohärenten Laserstrahl ein inkohärentes Laserlicht.The invention is not limited to the exemplary embodiment described. If an even greater resolution is desired, the wavelength of the light emitted by the illumination optics 18 must be reduced further. Instead of a high-pressure mercury lamp, an ArF (argon / fluorine) excimer laser is then used. To reduce its coherence length, an integrating sphere or a gradient index fiber is used. Both components generate an incoherent laser light from the coherent laser beam.

Des weiteren ist es möglich, auf den Monochromator 25 in der Beleuchtungsoptik 18 zu verzichten und das monochromatische Licht aus dem von der beleuchteten Bohrung 14 rückgestreuten Licht mittels eines Monochromatfilters 28 zu gewinnen, das in Fig. 1 strichliniert angedeutet ist. Das Monochromatfilter 28 kann im Strahlengang der Kamera 15 an jeder beliebigen Stelle vor der Abbildungsebene der Kamera angeordnet werden.Furthermore, it is possible to dispense with the monochromator 25 in the illumination optics 18 and to obtain the monochromatic light from the light backscattered by the illuminated bore 14 by means of a monochromatic filter 28 , which is indicated by the broken line in FIG. 1. The monochromate filter 28 can be arranged anywhere in the beam path of the camera 15 in front of the imaging plane of the camera.

Des weiteren ist es möglich, die Ein- und Austrittskanten der Bohrung 14 nicht direkt mit der Kamera 15 zu erfassen, sondern auf einem fluoreszierenden Schirm als Zwischenbild darzustellen, das dann von der optischen Kamera 15 erfaßt wird.Furthermore, it is possible not to record the entry and exit edges of the bore 14 directly with the camera 15 , but rather to display them on an fluorescent screen as an intermediate image, which is then recorded by the optical camera 15 .

Es ist nicht unbedingt notwendig, ein rein monochromatisches Licht zu erzeugen. Vielmehr kann ein schmaler Wellenlängenbereich zugelassen werden, ohne die Effektivität des Verfahrens nennenswert zu beeinträchtigen. Je größer der zugelassene Wellenbereich aber gewählt wird, desto mehr setzt eine Ergebnisverschlechterung ein. In diesem Fall muß dann der Monochromator 25 und das Monochromatfilter 28 durch ein entsprechendes Lichtfilter ersetzt werden, das den entsprechenden Wellenlängenbereich je nach Aufbau transmittiert oder reflektiert. Vorzugsweise wird die Breite des Wellenlängenbereiches symmetrisch zu einer solchen Wellenlänge gewählt, bei der die Strahlquelle ein ausgeprägtes Intensitätsmaximum besitzt.It is not absolutely necessary to generate a purely monochromatic light. Rather, a narrow wavelength range can be permitted without appreciably affecting the effectiveness of the method. However, the larger the permitted waveband is selected, the more a deterioration in results sets in. In this case, the monochromator 25 and the monochromatic filter 28 must then be replaced by a corresponding light filter, which transmits or reflects the corresponding wavelength range depending on the structure. The width of the wavelength range is preferably selected symmetrically to such a wavelength at which the beam source has a pronounced intensity maximum.

Claims

1. A method for opto-electronic detection of the geometry of small bores, in particular of injection bores ( 14 ) in fuel injection valves for internal combustion engines, in which the bore ( 14 ) is illuminated and the illuminated entry and exit edges of the bore ( 14 ) are optically measured , characterized in that only a narrow band in the range of small wavelength of the light is permitted for lighting and / or measurement.

2. The method according to claim 1, characterized in that the Diffuse lighting is performed.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the approved, narrow wavelength band at a Wel lenlength has an intensity maximum, which is preferably is in the middle of the wavelength band.

4. The method according to claim 3, characterized in that the approved wavelength band substantially reduced to the wavelengths with maximum intensity and for this purpose the light used for illumination is passed through a monochromator tuned to these wavelengths ( 25 ).

5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the illumination is carried out by means of a light source radiating in the UV region ( 20 ).

6. The method according to claim 5, characterized in that a high-pressure mercury lamp is used as the light source ( 20 ).

7. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that an ArF excimer laser with a downstream integrating sphere or gradient index fiber is used as light source ( 20 ).

8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the back-scattered illumination light from the illuminated entry and exit edges of the bore ( 14 ) only in a wavelength range defined by the approved, narrow wavelength band by means of an optoelectronic measuring device, for , B. camera is detected.

9. Device for opto-electronic detection of the geometry of small bores, in particular injection bores ( 14 ) in fuel injection valves for internal combustion engines, with a camera ( 15 ) for imaging the leading and trailing edges of the bore ( 14 ) and with a light source ( 20 ), which illuminates the bore ( 14 ) via a light guide ( 17 ) opening at one end of the bore, characterized in that the light source ( 20 ) emits in the UV range and that only for a narrow band in the range of small wavelengths of UV -Light permeable light filter ( 25 , 28 ) in the beam path of the light source ( 20 ) or the Ka mera ( 25 ) is arranged upstream.

10. The device according to claim 9, characterized in that the light filter is a monochromatic filter ( 25 , 28 ) which is tuned to the wavelength of the light source ( 20 ) with the greatest intensity.

11. The device according to claim 9 or 10, characterized in that the light source ( 20 ) is a high pressure mercury lamp.

12. The apparatus of claim 9 or 10, characterized in that the light source ( 20 ) is an ArF excimer laser, the laser light is guided via an integrating sphere or a gradient dex fiber.

13. Device according to one of claims 9 to 12, characterized in that the light guide ( 17 ) is made of quartz glass, calcium fluoride or another UV light-conducting material.

14. Device according to one of claims 9 to 13, characterized in that the light exit surface ( 171 ) of the light guide ( 17 ) with a light-scattering surface, for. B. egg ner microstructure ( 27 ), the structure size is smaller than the smallest wavelength in the selected wavelength band, or a material coating is provided.

15. Device according to one of claims 9 to 14, characterized in that the camera ( 15 ) is a UV light-sensitive CCD camera, the lens preferably has a large numerical aperture.

16. The device according to one of claims 9 to 14, characterized in that the leading and trailing edges of the bores ( 14 ) are imaged directly or indirectly in the camera ( 15 ).