DE102008009975B4

DE102008009975B4 - Vorrichtung zur Abbildung der Innenfläche einer Bohrung in einem Werkstück

Info

Publication number: DE102008009975B4
Application number: DE102008009975.9A
Authority: DE
Inventors: Hubert Keller
Original assignee: Jenoptik Industrial Metrology Germany GmbH
Current assignee: Jenoptik Industrial Metrology Germany GmbH
Priority date: 2008-02-19
Filing date: 2008-02-19
Publication date: 2015-10-22
Anticipated expiration: 2028-02-20
Also published as: DE102008009975A1

Abstract

Als Endoskop ausgebildete Vorrichtung (2) zur Abbildung der Innenfläche einer Bohrung in einem Werkstück, mit einer Optik (6) mit Rundumblick, die mit einem Bildaufnehmer und einer nachgeordneten Auswertungseinrichtung in Bildübertragungsverbindung steht, und mit einer Lichtquelle (8) zum Beleuchten eines von der Optik (6) erfaßten Abbildungsbereiches der Innenfläche, wobei die Lichtquelle (8) als Gegenlichtquelle zu der Optik (6) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Lichtquelle (8) zu der Optik (6) in Axialrichtung der Bohrung derart eingestellt wird, dass ein Wechsel zwischen einer Hellfeldbeleuchtung und einer Dunkelfeldbeleuchtung ausgeführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art zur Abbildung der Innenfläche einer Bohrung in einem Werkstück.
Eine derartige Vorrichtung ist durch DE 198 06 261 B4 bekannt. Dabei hat die Optik die Form eines Endoskopes, das linear bewegt wird, wodurch Einzelbilder als Primärbilder zur Verfügung stehen. Diese werden durch eine digitale Kamera aufgenommen und in digitaler Form zunächst gespeichert und dann durch eine Polarkoordinaten-Transformation zu einem rechteckigen Bild umgeformt, in dem die Primärbilder zu einem Gesamtbild der Innenfläche des Hohlraums zusammengefügt werden. Der Verarbeitung und Transformation der Primärbilder liegt jeweils deren gesamter Informationsinhalt zugrunde, was zur Folge hat, daß die Zeit für die Verarbeitung der Signale verhältnismäßig groß ist.
Es ist eine Vorrichtung der betreffenden Art zur Abbildung der Innenfläche einer Bohrung in einem Werkstück bekannt, die eine Optik mit Rundumblick aufweist, die mit einem Bildaufnehmer und einer nachgeordneten Auswertungseinrichtung in Bildübertragungsverbindung steht. Die bekannte Vorrichtung weist ferner eine Lichtquelle zum Beleuchten eines von der Optik erfaßten Abbildungsbereiches der Innenfläche auf. Bei der bekannten Vorrichtung ist die Optik an einem axialen Ende eines Stabes angeordnet, wobei die Lichtquelle in der Nähe der Optik mit geringem Abstand zu dem axialen Ende des Stabes angeordnet ist.
Die bekannte Vorrichtung hat den Nachteil, daß sie zur Durchführung von Untersuchungen in engen Hohlräumen, beispielsweise Bohrungen, weniger geeignet ist, da in diesen Fällen eine ausreichende Beleuchtung der abzubildenden Innenfläche des Hohlraumes unter Umständen nicht gewährleistet ist.
Durch US 5,543,972 A ist eine Vorrichtung zur Abbildung der Innenfläche eines Bohrloches bekannt, die eine Optik mit Rundumblick aufweist, die mit einem Bildaufnehmer und einer nachgeordneten Auswertungseinrichtung in Bildauswertungsverbindung steht. Die bekannte Vorrichtung weist ferner eine Lichtquelle zum Beleuchten eines von der Optik erfassten Abbildungsbereiches der Innenfläche des Bohrloches auf.
Durch US 4,899,277 A ist ein Scanner zum Scannen von Bohrlöchern bekannt, der eine Positionsdetektionsvorrichtung und eine Beleuchtungsvorrichtung aufweist.
Durch US 2006/0217593 A1 ist eine als verschluckbare Kapsel ausgebildete Vorrichtung für in-vivo-Untersuchung bekannt, die eine Panorama-Optik aufweist.
Durch DD 33 602 A1 ist ein Verfahren zur Untersuchung der Innenwandung von Hohlkörpern, insbesondere Rohren mittels Fernsehübertragung bekannt, bei dem das Objektiv einer Fernsehkamera nach Art eines Endoskopes in den zu untersuchenden Hohlkörper eingebracht wird. Bei dem bekannten Verfahren wird ein Konusspiegel verwendet und die auf diesen Spiegel abgebildete Hohlkörperwandung mittels einer Spiralabtastung der Aufnahmeröhre aufgenommen und mittels eines Bildwiedergabegerätes mit normaler linearer Bildablenkung wiedergegeben. Dadurch entsteht auf dem Bildwiedergabegerät eine Abwicklung der Hohlkörperwandung. Bei dem bekannten Verfahren wird eine Lichtquelle verwendet, die als Gegenlichtquelle zu dem Objektiv der Fernsehkamera angeordnet ist.
Durch die Literaturstellen ”Neue Entwicklungen für die automatische Sichtprüfung von Innenflächen”, Klaus Spinnler et al., DGZfP-Jahrestagung 2007 – Vortrag 73, Seite 1–10, und ”Handbuch zur industriellen Bildverarbeitung-Qualitätssicherung in der Praxis”, Norbert Bauer (Hrsg.), 1. Auflage, Stuttgart, Frauenhofer-IRB-Verlag 2007, Seite 124–131 ist jeweils eine als Endoskop ausgebildete Vorrichtung der betreffenden Art zur Abbildung der Innenfläche einer Bohrung in einem Werkstück bekannt. Die aus diesen Literaturstellen bekannte Vorrichtung weist eine Optik mit Rundumblick auf, die mit einem Bildaufnehmer und einer nachgeordneten Auswertungseinrichtung in Bildübertragungsverbindung steht. Ferner ist eine Lichtquelle zum Beleuchten eines von der Optik erfassten Abbildungsbereiches der Innenfläche vorgesehen, wobei die Lichtquelle als Gegenlichtquelle zu der Optik angeordnet ist.
Eine entsprechende Vorrichtung ist auch durch die nachveröffentlichte Patentanmeldung DE 10 2007 015 492 A1 bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art anzugeben, bei der die Möglichkeiten zur Untersuchung einer Bohrung in einem Werkstück durch Abbildung der Innenfläche der Bohrung erweitert sind.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Lehre gelöst.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1 weist eine Lichtquelle in Gegenlichtanordnung zu der Optik auf. Wird die Optik beispielsweise von einer Einführseite her in eine Bohrung eingeführt, so ist die Lichtquelle erfindungsgemäß auf der der Einführseite abgewandten Seite der Optik angeordnet, so daß sie die abzubildende Oberfläche von dieser Seite her bestrahlt und damit bezogen auf die Optik als Gegenlichtquelle wirkt. Dadurch schattet die Optik anders als bei der bekannten Vorrichtung den Strahlengang der Lichtquelle nicht ab, so daß auch enge Hohlräume, beispielweise Bohrungen untersucht werden können, wobei eine ausreichende Beleuchtung der abzubildenden Innenfläche durch die Lichtquelle sichergestellt ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist relativ einfach und damit kostengünstig im Aufbau. Sie ist zur Abbildung der Innenfläche beliebiger Hohlräume geeignet. Besonders gut ist die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Abbilden der Innenfläche von Bohrungen, insbesondere Durchgangsbohrungen, geeignet.
Erfindungsgemäß kann die Lichtquelle, beispielsweise eine LED-Lichtquelle, unmittelbar in dem zu untersuchenden Hohlraum angeordnet sein. Es ist erfindungsgemäß jedoch auch möglich, die eigentliche Lichtquelle außerhalb des Hohlraumes anzuordnen und die Beleuchtung beispielsweise über eine Faseroptik auszuführen, deren Lichtaustrittsfläche innerhalb des zu untersuchenden Hohlraumes und erfindungsgemäß in Gegenlichtanordnung zu der Optik vorgesehen ist. In diesen Fällen wird erfindungsgemäß unter der Lichtquelle die Lichtaustrittsfläche der eigentlichen Lichtquelle verstanden.
Erfindungsgemäß ist der Abstand der Lichtquelle zu der Optik in Axialrichtung des Hohlraumes einstellbar. Auf diese Weise ist es insbesondere möglich, durch entsprechende Einstellung des Abstandes der Lichtquelle zu der Optik entweder eine Hellfeldbeleuchtung, bei der das von der abzubildenden Innenfläche reflektierte Licht zur Abbildung genutzt wird, oder eine Dunkelfeldbeleuchtung auszuführen, bei der der Strahlengang so geführt ist, daß zur Abbildung vor allem an der abzubildenden Innenfläche gestreute Strahlen herangezogen werden. Erfindungsgemäß ist es auch möglich, mit einer Beleuchtung zu arbeiten, die zwischen einer Hellfeld- und einer Dunkelfeldbeleuchtung liegt.
Eine Veränderung des Abstandes zwischen der Lichtquelle und der Optik und damit ein Wechsel zwischen einer Hellfeld- und einer Dunkelfeldbeleuchtung kann erfindungsgemäß entsprechend den jeweiligen Anforderungen für ein und denselben Prüfling erfolgen. Es ist erfindungsgemäß jedoch auch möglich, bei der Untersuchung unterschiedlicher Prüflinge unterschiedliche Abstände zwischen der Optik und der Lichtquelle einzustellen, um die Abbildungsverhältnisse an die Gegebenheiten des jeweiligen Prüflings anzupassen.
Erfindungsgemäß kann die Lichtquelle grundsätzlich mechanisch unabhängig von der Optik angeordnet sein. Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lehre sieht jedoch vor, daß die Lichtquelle über eine Halterung mechanisch mit der Optik verbunden ist. Bei dieser Ausführung bilden die Lichtquelle und die Optik eine gemeinsam handhabbare Baueinheit, so daß die Handhabung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vereinfacht ist. Hierbei kann die Halterung eine Mechanik aufweisen, über die der Abstand zwischen der Lichtquelle und der Optik einstellbar ist.
Insbesondere bei der Untersuchung von Durchgangsbohrungen, die in Radialrichtung offen sind, sieht eine andere vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lehre vor, daß die Halterung nach Art eines Bügels ausgebildet und außerhalb des Strahlenganges der Lichtquelle angeordnet ist. Bei dieser Ausführungsform steht der Bügel in Radialrichtung der Bohrung aus dieser hervor.
Erfindungsgemäß kann eine beliebige geeignete Lichtquelle verwendet werden. Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lehre sieht vor, daß die Lichtquelle wenigstens eine Leuchtdiode oder wenigstens eine Glühlampe aufweist.
Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lehre sieht vor, daß die Lichtquelle wenigstens eine Faseroptik aufweist. Bei dieser Ausführungsform ist es insbesondere möglich, die eigentliche Lichtquelle außerhalb des zu untersuchenden Hohlraumes anzuordnen, so daß lediglich die an dem freien Ende der Faseroptik angeordnete Lichtaustrittsfläche der Lichtquelle innerhalb des zu untersuchenden Hohlraumes angeordnet ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten, stark schematisierten Zeichnung an Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigt:
1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispieles einer erfindungsgemäßen Vorrichtung währen der Abbildung der Innenfläche einer Bohrung,
2 in ähnlicher Darstellung wie 1 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
3 eine Ansicht von oben auf die Vorrichtung gemäß 2,
4 eine Seitenansicht eines dritten Ausführungsbeispieles einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und
5 in ähnlicher Darstellung wie 1 ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
In den Figuren der Zeichnung sind gleiche bzw. sich entsprechende Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 2 zur Abbildung der Innenfläche einer Bohrung 4 dargestellt, wobei die Bohrung 4 bei diesem Ausführungsbeispiel als Durchgangsbohrung ausgeführt ist.
Die Vorrichtung 2 weist eine Optik 6 mit Rundumblick auf, die bei diesem Ausführungsbeispiel einen Bildwinkel von 360° erfaßt. Derartige Optiken, die beispielsweise als Fisheye-Optiken ausgeführt sein können, sind dem Fachmann allgemein bekannt, beispielsweise durch US 3 552 820 A , US 4 566 763 A und WO 95/02841 A1 , und werden daher hier nicht näher erläutert.
Die Optik 6 steht mit einem Bildaufnehmer und einer nachgeordneten Auswertungseinrichtung in Bildübertragungsverbindung, die in der Zeichnung nicht dargestellt sind.
Bei dem Bildaufnehmer handelt es sich bei diesem Ausführungsbeispiel um einen digitalen Bildaufnehmer, der das von der Optik 6 aufgenommene Rundumbild aufnimmt. Hierbei erzeugt der Bildaufnehmer nur Ausgangssignale entsprechend einer ringförmigen Linie auf der Innenfläche der Bohrung 4, derart, daß das Ausgangssignal nur Information über diese ringförmige Linie enthält. Dadurch ergibt sich eine beträchtliche Reduktion des Informationsinhaltes. Diese reduzierten Ausgangssignale bilden dann den Bildinhalt der Zeilen eines kartesischen Bildes, das im Ergebnis von der Auswertungseinrichtung erzeugt wird.
Durch einen schrittweisen Vorschub der Optik 6 in Axialrichtung der Bohrung 4 werden jeweils neue Zeilen aneinandergereiht, so daß ein Gesamtbild entsteht. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist der digitale Bildaufnehmer eine matrixförmige Bildpunktanordnung auf, wobei ein digitales Auslesefenster so programmiert ist, daß nur Ausgangssignale entsprechend einem ringförmigen Band auf der Innenfläche der Bohrung 4 im Wesentlichen quer zur Richtung des schrittweisen Vorschubs der Optik 6 erzeugt werden.
Die Vorrichtung 2 weist ferner eine Lichtquelle 8 zum Beleuchten eines von der Optik 6 erfaßten ringförmigen Abbildungsbereiches der Innenfläche der Bohrung 4 auf, die bei diesem Ausführungsbeispiel als LED-Lichtquelle ausgebildet ist.
Die Lichtquelle 8 ist als Gegenlichtquelle zu der Optik 6 angeordnet, wie dies aus 1 ersichtlich ist. Mit anderen Worten ist die Lichtquelle 8 bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel auf der einem Einführende, an dem die Optik 6 in die Bohrung 4 eingeführt wird, abgewandten Seite der Optik 6 angeordnet. Auf diese Weise wird der Strahlengang der Lichtquelle 8 nicht durch die Optik 6 abgeschattet.
Erfindungsgemäß ist der axiale Abstand A zwischen der Optik 6 und der Lichtquelle 8 einstellbar. Da 1 lediglich zur Verdeutlichung des Grundprinzips der erfindungsgemäßen Lehre dient, ist eine Einstellmechanik zur Einstellung des Abstandes A zwischen der Optik 6 und der Lichtquelle 8 in 1 nicht dargestellt. Durch entsprechende Einstellung des Abstandes A kann, wie in 1 dargestellt, in Hellfeldbeleuchtung abgebildet werden, wobei das an der Innenfläche der Bohrung 4 reflektierte Licht in die Blickrichtung der Optik 6 gespiegelt wird. Die Blickrichtung der Optik ist zwischen der Flächennormalen auf die Innenfläche der Bohrung 4 vorzugsweise zwischen +8° und –30° geneigt. Durch entsprechende Einstellung des Abstandes A kann jedoch erfindungsgemäß auch in Dunkelfeldbeleuchtung abgebildet werden, wobei das an der Innenfläche der Bohrung 4 reflektierte Licht nicht in die Blickrichtung der Optik 6 gespiegelt wird.
Die Funktionsweise der Vorrichtung 2 ist wie folgt:
Zur Abbildung der Innenfläche der Bohrung 4 werden die Optik 6 und die Lichtquelle 8 koaxial in die Bohrung 4 eingeführt, wobei der Abstand zwischen der Optik 6 und der Lichtquelle 8 entsprechend dem jeweiligen Beleuchtungsfall, bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel Hellfeldbeleuchtung, eingestellt ist. Die Lichtquelle 8 beleuchtet, wie in 1 dargestellt, die Innenwandung der Bohrungen 4 in einem ringförmigen Aufnahmebereich, der von der Optik 6 erfaßt wird. Das so erzeugte ringförmige Bild wird von dem digitialen Bildaufnehmer aufgenommen. Wie oben beschrieben, weist der Bildaufnehmer bei diesem Ausführungsbeispiel eine matrixförmige Bildpunktanordnung auf, wobei ein digitales Auslesefenster so programmiert ist, daß nur Ausgangssignale entsprechend einem ringförmigen Band auf den Innenfläche der Bohrung 4 erzeugt werden. Diese Ausgangssignale bilden den Bildinhalt der Zeilen eines kartesischen Bildes, das in der Auswertungseinrichtung erzeugt wird.
Um die Innenfläche der Bohrung 4 in Axialrichtung in einem gewünschten axialen Bereich oder vollständig abzubilden, wird über eine nicht dargestellte Mechanik ein schrittweiser Vorschub der Optik 6 in Axialrichtung der Bohrung 4 erzeugt, wie in 1 durch einen Pfeil 11 symbolisiert, wobei der Abstand zwischen der Optik 6 und der Lichtquelle konstant bleibt. Während des Vorschubes der Optik 6 ist stets eine ausreichende Beleuchtung der Innenfläche der Bohrung 4 durch die Lichtquelle 8 gewährleistet.
Die Vorrichtung 2 ermöglicht somit auf einfache und schnelle Weise eine Abbildung der Innenfläche der Bohrung 4 und eine Auswertung der so gewonnenen Bilder.
In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 2 dargestellt, das sich von dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 dadurch unterscheidet, daß die Lichtquelle 8 mit der Optik 6 mechanisch über eine bei diesem Ausführungsbeispiel nach Art eines Bügels 12 ausgebildete Halterung verbunden ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel dient die Vorrichtung 2 zum Abbilden der Innenfläche einer in Radialrichtung offenen Bohrung 4, wobei sich der Bügel 12 außerhalb der Bohrung 4 befindet, wie dies aus 3 ersichtlich ist, die eine Ansicht von oben auf 2 zeigt.
4 stellt ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 2 dar, bei der die Lichtquelle 8 ebenfalls mechanisch mit der Optik 6 verbunden sind und elektrische Zuleitungen 14 außerhalb des Strahlenganges der Lichtquelle 8 von der Lichtquelle 8 zu einer Halterung 16 der Optik 6 geführt wird.
In 5 ist ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 2 dargestellt, bei der die Optik 6 und die Lichtquelle 8 nicht mechanisch miteinander verbunden sind. Um einen vorbestimmten axialen Abstand der Optik 6 zu der Lichtquelle 8 einzuhalten, wird bei einem schrittweisen Vorschub der Optik 6 die Lichtquelle 8 synchron mitbewegt, wie durch Pfeile 18, 18' symbolisiert.

Claims

Als Endoskop ausgebildete Vorrichtung (2) zur Abbildung der Innenfläche einer Bohrung in einem Werkstück, mit einer Optik (6) mit Rundumblick, die mit einem Bildaufnehmer und einer nachgeordneten Auswertungseinrichtung in Bildübertragungsverbindung steht, und mit einer Lichtquelle (8) zum Beleuchten eines von der Optik (6) erfaßten Abbildungsbereiches der Innenfläche, wobei die Lichtquelle (8) als Gegenlichtquelle zu der Optik (6) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Lichtquelle (8) zu der Optik (6) in Axialrichtung der Bohrung derart eingestellt wird, dass ein Wechsel zwischen einer Hellfeldbeleuchtung und einer Dunkelfeldbeleuchtung ausgeführt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (8) über eine Halterung mechanisch mit der Optik (6) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung nach Art eines Bügels (12) ausgebildet und außerhalb des Strahlenganges der Lichtquelle (8) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (8) wenigstens eine Leuchtdiode oder wenigstens eine Glühlampe aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (8) wenigstens eine Faseroptik aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Optik (6) einen Rundumblick von 360° hat.