DE102009020456A1

DE102009020456A1 - Verfahren zum Messen des Lochdurchmessers einer Bohrung

Info

Publication number: DE102009020456A1
Application number: DE102009020456A
Authority: DE
Inventors: Gunter Ritter
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-05-08
Filing date: 2009-05-08
Publication date: 2010-12-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen des Lochdurchmessers (D) einer Bohrung durch Bildverarbeitung, mit einer oder mehreren Digitalkameras, mit welchen zwei oder mehr Bilder des den Lochrand bildenden Lochkreises oder von Abschnitten desselben aus verschiedenen Abbildungspositionen erzeugt werden, wonach die jeweilige Abbildungsposition bestimmt und der Lochdurchmesser aus den Abbildungsdaten und den Positionsdaten ermittelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen des Lochdurchmessers einer Bohrung nach Anspruch 1.
Optische Messverfahren zur Bestimmung des Durchmessers von runden oder fast runden Löchern bzw. Bohrungen in mechanischen Bauteilen wie beispielsweise Teilen aus Gusseisen oder Aluminium sind bekannt. Ort und Durchmesser der Bohrungen unterliegen dabei häufig engen Toleranzen, z. B. bei Bohrungen für Passstifte oder Schraubverbindungen oder Lagerhalterungen. Für die Serienfertigung derartiger Teile ist wichtig, dass das Messen bzw. Prüfen der Maßhaltigkeit des Bohrungsdurchmessers möglichst wenig Zeit in Anspruch nimmt, so dass im Interesse der Qualitätssicherung die Durchmesser aller und nicht nur stichprobenhaft ausgewählter Bohrungen geprüft und vermessen werden können.
Bei einem aus der Japanischen Offenlegungsschrift 60018705A bekannten Verfahren wird ein fotoelektrischer Wandler eingesetzt, der mit einer Digitalkamera ausgestattet ist. Die Kamera fotografiert das zu vermessende Bohrloch zentral, wenn Licht von einer Lichtquelle auf der Rückseite der Bohrung durch die Bohrung hindurch auf den fotoelektrischen Wandler strahlt. Zum Vermessen des Ortes der Bohrung und des Bohrungsdurchmessers wird das die Bohrung enthaltende Element auf einen bewegba ren Rahmen montiert, dessen Bewegung über ein Detektorelement ausgewertet und mit dem Lichtdurchtritt durch die Bohrung in Abhängigkeit von der Bewegungsbahn verglichen wird. Das Messergebnis wird dabei automatisch aufgezeichnet.
Neben dieser bekannten Methode der Messung der Strahlungsmenge von Licht mit Hilfe eines Scanners ist die fotografische Erfassung des beleuchteten Lochrandes mit einer Digitalkamera zur Bestimmung der geometrischen Daten aus dem Grauwertbild bekannt. Dabei wird aus dem den Lochrand der Bohrung bildenden Lochkreis mit Methoden der Bildverarbeitung der Durchmesser bestimmt.
Es kommen Digitalkameras mit Normalobjektiven zum Einsatz. Auch die Verwendung von telezentrischen Kameraobjektiven ist möglich, hat aber die Nachteile, dass das Objektiv größer als das zu vermessende Loch sein muss, dass die Bilder unscharf werden, wenn die Objektebene außerhalb der idealen Ebene liegt und dass die sphärische Aberration des Objektivs großen Einfluss auf das Messergebnis hat.
Dem gegenüber besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein zeitsparendes, dennoch genaues und robustes Messverfahren zu schaffen, welches mit einer einfachen Apparatur auskommt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß nach Anspruch 1 gelöst.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird der Lochdurchmesser zunächst in Bild-Pixeln bestimmt. Die Umrechnung in das metrische System geschieht vorteilhaft nach einem an sich bekannten linearen Regressionsverfahren unter Verwendung von hinreichend genau vermessenen Bohrungen ungefährer Soll-Größe.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kommt es nicht auf Einhaltung einer genauen Entfernung zwischen dem Lochrand und dem Kameraobjektiv an.
Eine vorteilhafte Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass man eine gerade Anzahl von n Bildern mit Fokus auf n äquidistante Bildpunkte auf dem Lochkreis macht. Dann werden jeweils zwei Bilder gegenüber liegender Bildpunkte ausgewertet. Der Lochdurchmesser ergibt sich hierbei als Mittelwert aus der Anzahl n/2 erhaltener Ergebnisse. Dem entsprechend ergibt sich die Unrundheit des Lochs aus der Verschiedenheit der n/2 Messergebnisse. Das bedeutet, dass das erfindungsgemäße Verfahren auch zur Ermittlung der Unrundheit anwendbar ist.
Bei großen Löchern werden die Form des Lochs und weitere Durchmesser zweckmäßig durch mehr als zwei Bilder bestimmt. Die Elliptizität kleinerer Löcher kann mit einer zentralen Aufnahme und einer Ellipsenpassung bestimmt werden. Auf diese Weise kann auch vermieden werden, dass man bei nur zwei Aufnahmen gerade den größten oder den kleinsten Lochdurchmesser misst.
Für die praktische Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es zweckmäßig, dass im Falle von zwei Bildern die Distanz (d) kleiner gewählt wird als dem doppelten Durchmesser der Bohrung entspricht, z. B. indem die Distanz (d) das 0,9 bis 1,1-fache des Durchmessers der Bohrung beträgt bzw. konkret etwa dem Durchmesser der Bohrung entspricht.
Vorteilhaft geht man so vor, dass die Bilder paarweise jeweils mit Fokus auf zwei gegenüberliegende Bildpunkte des Lochkreises erzeugt werden, wobei jeweils ein Bildabschnitt des Lochkreises ausreichend ist.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, eine kleine Größe, welche jedoch die volle Information über die Ist-Größe enthält, nämlich vorliegend den Abstand zwischen zwei Bildern des Lochkreises, mit einer oder mehreren Kameras abzubilden. Dadurch verringert sich deutlich die Empfindlichkeit des Messverfahrens gegenüber der Entfernung des Kameraobjektivs zum Objekt.
Das erfindungsgemäße Messverfahren verlagert die Messung des Durchmessers z. T. auf die Messung der Distanz. Es hat entfernte Ähnlichkeit mit einem taktilen Messverfahren, nur wird der Lochrand nicht mit einem Taster sondern mit einer Kamera ”abgetastet”.
Der Mittelpunkt des Loches kann elementar berechnet werden. Er ist x + y2 – d2 v,wobei v die Verschiebungsrichtung ist, ∥v∥ = 1. Die Punkte x und y berechnet man aus den beiden Bildern. Bei kleineren Löchern kann der Mittelpunkt mit einer einzigen zentralen Aufnahme geschätzt werden.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Bilder mittels zweier oder mehrerer örtlich versetzt angeordneter Kameras erzeugt werden, wobei deren Bilder auch im wesentlichen gleichzeitig erzeugt werden können. Die Abbildungspositionen der versetzt angeordneten Kameras können entweder bei jeder Aufnahme abgelesen werden oder sie können bekannt sein. Statt die Kameras zu versetzen besteht umgekehrt auch die Möglichkeit der Objektverschiebung bei jeweils feststehender Kamera.
Bei zwei Bildern wird der Lochdurchmesser (D) aus Abbildungspositionen die voneinander um eine Distanz (d) entfernt sind als Differenz aus der Distanz (d) und dem Bildabstand (d_rp) zwischen den Lochkreisen des Überlagerungsbildes ermittelt. Dabei wird jeweils die aktuelle Kameraposition bestimmt, so dass die Distanz (d) bekannt ist.
1 zeigt das überlagerte Bild mit den Schnittpunkten x, y, nämlich der virtuellen Anordnung, die dem überlagerten Bild b von zwei Aufnahmen entspricht. Dieses muss nicht tatsächlich erzeugt werden. Es müssen vielmehr nur Werte aus beiden Bildern für die Berechnungen zusammengeführt werden, z. B. die beiden Mittelpunkte M₁, M₂ der beiden Lochkreise L1, L2. Gemäß 1 entspricht die Distanz d der Verschiebung M₂ – M₁; der Bildabstand d_rp = ∥y – x∥; überschneiden sich die beiden Bilder, so ist dieser Abstand negativ.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich je nach geräteseitigem Aufwand vorzugsweise zur Durchmesserbestimmung von runden oder schwach elliptischen Bohrungen mittlerer Größe, typischerweise mit Durchmessern von 3–200 mm.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit verhältnismäßig geringem apparativen Aufwand durchgeführt werden. Neben einer Digitalkamera wird eine Vorrichtung zum Bestimmen der jeweiligen Kameraposition benötigt; außerdem ist eine Beleuchtungseinrichtung zweckmäßig, um den Bohrungsrand zu beleuchten, so dass die Bohrung selbst als dunkle Kreisfläche mit hellem Lochrand erscheint. Es genügt eine übliche Digitalkamera mit entozentrischem Normalobjektiv. Auch zum Messen von Lochabständen sind bereits alle hierfür benötigten Vorrichtungsteile vorhanden, d. h. es entfällt ein zusätzlicher Geräteaufwand.
Die Bilder werden von der Kamera auf einen Rechner übertragen, wobei sich die damit verbundene Zeit im wesentlichen auf den Ablauf der Kamerabewegung und die Übertragung der Bilder in den Rechner beschränkt. Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich also mit geringem Zeitaufwand durchführen, so dass die Möglichkeit besteht, alle Bohrungen eines Objektes zügig mit der Objektbearbeitung auf Einhaltung der Durchmessertoleranz zu überprüfen. Eine Reduzierung des Prüfungsaufwands auf Stichproben ist daher nicht erforderlich.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich nicht nur zum Messen des Lochdurchmessers von Bohrungen, sondern generell von Längen eines Elements, wobei das Element mit der zu messenden Länge abgebildet wird, d. h. das Bild der Länge z. B. einer Rippe auf der Oberfläche einer Platte tritt an die Stelle des den Lochrand bildenden Lochkreises bzw. des Durchmessers der Bohrung. An die Stelle der Bildpunkte des Lochkreises treten die Länge definierende Endpunkte.
Ferner eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren auch für Strahlenarten außerhalb des sichtbaren Lichts, z. B. ultraviolette Strahlen oder Infrarotstrahlen, wobei daran angepasste Bildaufnahmegeräte einzusetzen sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 60018705 A [0003]

Claims

Verfahren zum Messen des Lochdurchmessers (D) einer Bohrung durch Bildverarbeitung, mit einer oder mehreren Digitalkameras, mit welchen zwei oder mehrere Bilder des den Lochrand bildenden Lochkreises oder von Abschnitten desselben aus verschiedenen Abbildungspositionen erzeugt werden, wonach die jeweilige Abbildungsposition bestimmt und der Lochdurchmesser aus den Abbildungsdaten und den Positionsdaten ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bilder mittels zweier oder mehrerer örtlich versetzt angeordneter Kameras erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbildungspositionen der Kameras fest vorgegeben sind.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bilder mehrerer Kameras im wesentlichen gleichzeitig erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bilder paarweise jeweils mit Focus auf zwei gegenüberliegende Bildpunkte (x, y) des Lochkreises erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichent, dass genau zwei Bilder aus Abbildungspositionen, die voneinander um eine Distanz (d) entfernt sind, erzeugt werden und dass der Lochdurchmesser (D) als Differenz aus der Distanz (d) und dem Bildabstand (d_rp) zwischen den Lochkreisen des Überlagerungsbildes ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanz (d) kleiner gewählt wird als dem doppelten Durchmesser der Bohrung entspricht.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanz (d) das 0,9 bis 1,1-fache des Durchmessers der Bohrung beträgt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanz (d) etwa dem Durchmesser der Bohrung entspricht.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1–9 mit einer Digitalkamera, welche gekoppelt ist mit einer Messeinrichtung zur Bestimmung der Kameraposition und dass ein Objektträger wiederum mit der Messeinrichtung gekoppelt ist.