DE102005030210A1

DE102005030210A1 - Vorrichtung zur (berührungslosen) optischen Vermessung der Parallelität und/oder Form von Flächen, insbesondere Nutflächen

Info

Publication number: DE102005030210A1
Application number: DE200510030210
Authority: DE
Inventors: Jochen STRÄHLE; Rainer Schnatterer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-06-29
Filing date: 2005-06-29
Publication date: 2007-01-25

Abstract

Eine Vorrichtung zur (berührungslosen) optischen Vermessung der Parallelität und/oder Form von Flächen, insbesondere Nutflächen, weist einen relativ zu der zu vermessenden Fläche bewegbaren optischen Taster mit einer Sondenanordnung (Messsonde) auf, die Licht auf die zu vermessende Fläche lenkt und aus dem zeitlichen Versatz der reflektierten Lichtpakete auf die Beschaffenheit der zu vermessenden Fläche schließt. DOLLAR A Eine wesentliche Besonderheit wird darin gesehen, dass die Messsonde (19) - je Anzahl und Zuordnung der zu vermessenden Flächen (13, 14, 17) - mindestens einen Strahlteiler (25) aufweist, derart, dass der in die Messsonde (19) eingeleitete Lichtstrahl (24, 33) in Teilstrahlen (26, 27, 28; 26a, 27a, 28a) aufgeteilt wird, von denen je einer jeder der zu vermessenden Flächen zugeordnet ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei präzise gefertigten Nuten, z. B. Ringnuten in Ventilkolben von Brennkraftmaschinen, sind Parallelität und Form der Nut-Innenflächen für die Funktionsfähigkeit entscheidend. Mit herkömmlichen Messverfahren ist eine Nutvermessung in der erforderlichen Genauigkeit nicht bzw. nur unbefriedigend möglich. Denn die bisherigen Messmethoden unter Verwendung von Messvorrichtungen der eingangs bezeichneten Art sind darauf beschränkt, jede Nutfläche für sich neu, z. B. taktil, zu erfassen. Dabei muss die Messsonde jedes Mal neu positioniert werden.

Die mit bekannten Messgeräten der eingangs bezeichneten Gattung realisierbaren Nutvermessungen sind also nicht nur fehleranfällig, sondern gestalten sich auch recht zeitaufwendig.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Messvorrichtung zu schaffen, die unter nur vergleichsweise geringem Zeitaufwand eine den gestellten Genauigkeitsanforderungen genügende Vermessung von Präzisionsflächen, insbesondere Nuten, ermöglicht.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung löst die Aufgabe bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1. Sie ermöglicht es nämlich, die beiden parallelen Seitenflächen einer Nut und – wenn gewünscht – darüber hinaus auch noch den Nutgrund „auf einmal" optisch zu vermessen, d.h. ohne dass es für jede einzelne Nutfläche immer wieder einer Neupositionierung des Tasters bedarf.

Vorteilhafterweise beschränkt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung keineswegs auf die Vermessung von Nutflächen. Sie ist vielmehr hervorragend auch zur Vermessung nahezu beliebiger anderweitiger Präzisionsflächen geeignet.

Die Vorteile der Erfindung lassen sich wie folgt zusammenfassen:

– Die Innenflächen einer Nut können in einem Arbeitsgang vermessen werden.
– Die Bodenfläche der betreffenden Nut kann in demselben Arbeitsgang mit vermessen oder auch in einem separaten Arbeitsgang erfasst werden.
– Die erfindungsgemäße Messsonde muss nur einmal eingestellt werden, um alle Flächen zu erfassen.
– Eine Anwendung der Erfindung auf herkömmliche optische Messvorrichtungen, z. B. das bekannte Heterodyn-Interferometer, ist möglich.
– Die erfindungsgemäße Messvorrichtung ist einfach zu handhaben.
– Ihre Sensoranordnung kann für andere Messungen verwendet werden, nicht nur für Nuten.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Grundgedankens der Erfindung enthalten die Patentansprüche 2 bis 10.

Zeichnung

In der Zeichnung ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels veranschaulicht, welches im Folgenden detailliert beschrieben wird. Im einzelnen zeigt (jeweils schematisiert):

1 im Längsschnitt bzw. in Seitenansicht – einen kreiszylindrischen Körper, bei dem es sich z. B. um einen Ventilkolben handeln kann, der zwei zu vermessende Ringnuten besitzt, und eine Ausführungsform einer Messsonde,

2 in Ansicht entsprechend 1 – eine Ausführungsform einer Messsonde, mit der sich alle drei Flächen einer Nut gleichzeitig messtechnisch erfassen lassen, und

3 ein Beispiel für die Auswertung eines der von der Messsonde nach 2 erfassten optischen Messsignale.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Gemäß 1 bezeichnet 10 ein zwei in Axialrichtung beabstandete Ringnuten 11, 12 aufweisendes zylindrisches Werkstück, z. B einen Ventilkolben einer Brennkraftmaschine. Die beiden Ringnuten 11,12 besitzen jeweils zwei zueinander parallele Seitenwände 13, 14 bzw. 15, 16 und einen Nutgrund 17 bzw. 18.
Die in 1 obere Ringnut 11 wird mit Hilfe einer Messvorrichtung optisch vermessen, von der eine insgesamt mit 19 bezifferte Messsonde gezeigt ist. Die Messsonde besteht aus einem zur Aufnahme optischer Komponenten, z. B. einer lichtleitenden Glasfaser 20 (2) dienenden Hülse 21 und einem sich rechtwinklig daran anschließenden Endstück 22. 2 lässt erkennen, dass am Übergang der Hülse 21 in das Endstück 22 ein Spiegel 23 zur rechtwinkligen Umlenkung eines am oberen Ende in die Hülse 20 eingeleiteten Lichtstrahls 24 (1) angeordnet ist. Mittels des Umlenkspiegels 23 gelangt der Lichtstrahl 24 achsmittig in das Endstück 22, welches – wie 1 zeigt – in die zu vermessende Ringnut 11 eingeführt ist.
Wie aus 2 hervorgeht, besteht eine wesentliche Besonderheit darin, dass in dem Endstück 22 ein insgesamt mit 25 bezeichneter Strahlteiler angeordnet ist, der z. B., wie in der in 2 gezeigten Ausführungsform, als Prisma ausgebildet sein kann, welches das vom Umlenkspiegel 23 kommende Licht teilweise reflektiert und teilweise durchlässt, so dass eine Aufteilung des Lichtstrahls 24 in drei Teil-Lichtstrahlen 26, 27, 28 erfolgt (s. 1). Hierbei entsteht der Teilstrahl 26 durch (Teil-)Reflexion an einer (äußeren) ersten Schrägfläche 29 und der Teilstrahl 27 durch (Teil-)Reflexion an einer (inneren) zweiten Schrägfläche 30 des Strahlteilers 25. Der vom Strahlteiler 25 unreflektiert hindurchgelassene „Rest" des Lichtstrahls 24 schließlich bildet den Teilstrahl 28.
Die Messsonde 19, insbesondere ihr Endstück 22 mit Umlenkspiegel 23 und Strahlteiler 25, muss so gestaltet und der Geometrie der zu vermessenden Nut 11 zugeordnet sein, dass jeder Teilstrahl 26 bzw. 27 bzw. 28 möglichst senkrecht auf die optisch abzutastende Nutfläche 13 bzw. 14, bzw. 17 gerichtet ist.
Des Weiteren ist es wichtig, darauf hinzuweisen, dass es sich vorliegend um ein punktmessendes Verfahren handelt. D. h. durch die Messsondenanordnung 19 werden mehrere Lichtpunkte erzeugt. (Die erfindungsgemäße Messsonde lässt sich vorteilhafterweise aber auch für flächenhaft oder auch kombiniert punktförmig/flächenhaft messende Systeme verwenden.) Die Durchführung der Messung erfolgt so, dass die Messsonde 19 zur Nut bewegt wird. Konzentrisch umlaufende Nuten, z. B. Ventilkolbennuten (11, 12), wie bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel, können mit Hilfe einer geeigneten Drehvorrichtung (nicht dargestellt) relativ zur Messsonde 19 bewegt werden. Wird jetzt noch die Messsonde 19 entlang der Nutinnenfläche bewegt, z. B. radial von außen nach innen, d. h. in Richtung Nutgrund 17 (bzw. 18), so können während der Drehung die Nutinnenflächen 13, 14 (bzw. 15, 16) praktisch spiralförmig abgescannt werden. Soll noch der Nutgrund 17 quasi flächenhaft erfasst werden, so ist eine Querbewegung notwendig.
Zur Unterscheidung, welcher Strahlenausgang der Messsonde 19 – Teilstrahl 26 oder 27 oder 28 – gerade ein Messsignal liefern muss, muss die gesamte Messvorrichtung außer der Messsonde 19 noch eine Referenzsonde (nicht dargestellt) (es wäre alternativ auch ein Referenzspiegel möglich) enthalten, deren Weglänge jeweils dem Strahlengang in der Messsonde 19 angepasst ist und die auf diese Weise in der Lage ist, ein Interferenzsignal zu liefern. (Hierbei handelt es sich um bekannten Stand der Technik.)
Die von der Messsonde 19 gelieferten Messdaten liegen also in einer „Punktwolke" vor, wobei die Punkte im Idealfall insgesamt eine ebene Fläche beschreiben. Der Winkel der Flächen zueinander kann dann zur Auswertung verschiedener Formparameter verwendet werden.
Die Signalauswertung ist in 3 beispielhaft veranschaulicht. Ausgewertet werden soll ein wellenförmiges Signal 31, das Bestandteil eines reflektierten Gesamt-„Lichtpaketes" 32 ist. Vergleiche auch 2, wo das zugrunde liegende einfallende Licht- bzw. Wellenpaket ersichtlich und mit 33 beziffert ist. Da das einfallende Wellenpaket 33, wie oben geschildert, in drei Teilstrahlen bzw. Teil-Wellenpakete (26, 27, 28, s. 1) aufgeteilt wird – in 2 sind hierfür Wellensymbole 26a, 27a, 28a eingezeichnet –, die unterschiedlich lange Wegstrecken zurückzulegen haben, fallen die reflektierten (Teil-)Licht- bzw. -Wellenpakete – in 2 und 3 mit 31, 34, 35 bezeichnet – in entsprechenden zeitlichen Abständen an.
Ein dem auszuwertenden Signal 31 zugeordnetes, von der Referenzsonde (oder -spiegel) erzeugtes Referenzsignal ist aus 3 ersichtlich und mit 36 beziffert. Signal(-Paket) 31 und Referenzsignal(-Paket) 36 erzeugen – nach vorheriger zeitlicher Anpassung aneinander – durch Strahlenzusammenfügung 37 eine Interferenz 38, aus der sich der gesuchte Messwert 39 ergibt.
Eventuelle Herstellungsfehler der Messsonde 19 können bzw. müssen durch ein entsprechendes Kalibrierverfahren, z. B. eine hochpräzise hergestellte Nut oder zwei gegeneinander gestellte Glasplatten, korrigiert werden. Das kann in Form eines Korrekturwinkels erfolgen.

Claims

Vorrichtung zur (berührungslosen) optischen Vermessung der Parallelität und/oder Form von Flächen, insbesondere Nutflächen, mit einem relativ zu der zu vermessenden Fläche bewegbaren optischen Taster, bestehend aus einer Sondenanordnung (Messsonde), die Licht auf die zu vermessende Fläche lenkt und aus dem zeitlichen Versatz der reflektierten Lichtpakete auf die Beschaffenheit der zu vermessenden Fläche schließt, dadurch gekennzeichnet, dass die Messsonde (19) – je nach Anzahl und Zuordnung der zu vermessenden Flächen (13, 14, 17) – mindestens einen Strahlteiler (25) aufweist, derart, dass der in die Messsonde (19) eingeleitete Lichtstrahl (24, 33) in Teilstrahlen (26, 27, 28; 26a, 27a, 28a) aufgeteilt wird, von denen je einer jeder der zu vermessenden Flächen zugeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine derartige Anordnung und Ausbildung des Strahlteilers (25), dass die Teilstrahlen (26, 27, 28; 26a, 27a, 28a) jeweils senkrecht auf die zu vermessenden Flächen (13, 14, 17) auftreffen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Strahlteiler ein den zugeführten Lichtstrahl (24, 33) teilweise durchlassendes, teilweise reflektierendes Prisma (25) dient.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3 zur Vermessung von parallele Seitenwände besitzenden Nuten, dadurch gekennzeichnet, dass die Messsonde (19) eine zur Aufnahme von Lichtleitkomponenten (20) dienende Hülse (21) aufweist, an die sich ein in die zu vermessende Nut (11) einführbares, den Strahlteiler (25) aufweisendes, nach außen lichtdurchlässiges Endstück (22) anschließt.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich das lichtdurchlässige Endstück (22) unter einem Winkel an die Hülse (21) anschließt.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel zwischen Hülse (21) und Endstück (22) ein rechter Winkel ist (1 und 2).
Vorrichtung nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Hülse (21) – als Lichtleitkomponente – eine Glasfaser (20) angeordnet ist (2).
Vorrichtung nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass am Übergang der Hülse (21) in das sich winklig anschließende Endstück (22) ein Umlenkspiegel (23) angeordnet ist (2).
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, zur Vermessung von Ringnuten, dadurch gekennzeichnet, dass – zur Erzeugung einer Relativbewegung der Messsonde (19) entlang der Ringnut (11) – das die Ringnut (11) enthaltende Werkstück (10) um die Mittelachse der Ringnut (11) drehbar ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, zur Vermessung von Nuten, insbesondere Ringnuten, dadurch gekennzeichnet, dass die Messsonde (19) während des Messvorgangs vertikal in Richtung Nutgrund (17) relativ zu der zu vermessenden Nut (11) beweglich ist.