DE102011101509C5

DE102011101509C5 - Method for the optical measurement of a wave

Info

Publication number: DE102011101509C5
Application number: DE102011101509.8A
Authority: DE
Inventors: Ottmar Zimmermann
Original assignee: Dr Heinrich Schneider Messtechnik GmbH
Current assignee: Dr Heinrich Schneider Messtechnik GmbH
Priority date: 2011-05-13
Filing date: 2011-05-13
Publication date: 2016-08-25
Anticipated expiration: 2031-05-14
Also published as: DE102011101509B3

Abstract

Verfahren zur optischen Vermessung einer Welle (10), umfassend die Schritte: – Anordnen der Welle (10) auf einer Drehpositioniervorrichtung, – Bestimmen der räumlichen Lage der Drehachse (12), – Aufnehmen, mittels einer Bildaufnahmevorrichtung, einer Mehrzahl von Bildern (25) der Welle (10) auf Höhe eines interessierenden Wellenkonturmerkmals (20) unter je einer anderen Aufnahme-Drehwinkelstellung der Drehpositioniervorrichtung, wobei jedem Bild (25) der Winkel seiner jeweilige Aufnahme-Drehwinkelstellung zugeordnet wird, – Berechnen einer Wellengeometriegröße mittels Bildverarbeitungsroutinen unter Verwendung der aufgenommenen Bilder (25) des interessierenden Wellenkonturmerkmals (20), wobei die Relativlage der Wellenachse (14) zur Drehachse (12) ermittelt und daraus die räumliche Lage der Wellenachse (14) für jede Aufnahme-Drehwinkelstellung berechnet wird und dass während der Aufnahme der Mehrzahl von Bildern (25) die Bildaufnahmevorrichtung (16) entlang ihrer optischen Achse (18) so nachgeführt wird, dass bei Aufnahme jedes einzelnen Bildes (25) ein auf Höhe des interessierenden Wellenkonturmerkmals (20) liegender Referenzpunkt (22) der Wellenachse (14) in der Fokalebene der Bildaufnahmevorrichtung (16) liegt, dadurch gekennzeichnet, dass das Ermitteln der Relativlage der Wellenachse (14) zur Drehachse (12) folgende Schritte umfasst: – Aufnehmen, unter unterschiedlichen Aufnahme-Drehwinkelstellungen, einer Mehrzahl von Bildern (25), die die volle Breite der Welle (10) abbilden, – Ermitteln, für jedes Bild (25), des Mittelpunktes (24) zwischen dem Abbildungsort eines ersten rotationssymmetrischen Wellenkonturmerkmals einerseits der Wellenabbildung (23) und dem Abbildungsort desselben Wellenkonturmerkmals andererseits der Wellenabbildung (23), – Ermitteln, für jedes Bild (25), des Mittelpunktes (24) zwischen dem Abbildungsort eines zweiten rotationssymmetrischen Wellenkonturmerkmals einerseits der Wellenabbildung (23) und dem Abbildungsort desselben Wellenkonturmerkmals andererseits der Wellenabbildung (23), – Definieren, für jedes Bild (25), der die ermittelten Mittelpunkte (24) verbindenden Geraden als Projektion (14') der Wellenachse (14) für die dem jeweiligen Bild (25) zugeordneten Aufnahme-Drehwinkelstellung und ...Method for optically measuring a shaft (10), comprising the steps of: - arranging the shaft (10) on a rotary positioning device, - determining the spatial position of the axis of rotation (12), - capturing by means of an image recording device, a plurality of images (25) the wave (10) at the level of a wave contour feature of interest (20) under a different recording angular position of the rotary positioning device, wherein each angle (25) is assigned to its respective recording rotational position, - calculating a wave geometry size using image processing routines using the captured images (25) of the wave contour feature of interest (20), wherein the relative position of the shaft axis (14) to the rotational axis (12) determined and from the spatial position of the shaft axis (14) for each recording rotational angular position is calculated and that during the recording of the plurality of images (25) the image pickup device (16) along its optical is tracked so that when each image (25) is located at the level of the wave contour feature of interest (20) lying reference point (22) of the shaft axis (14) in the focal plane of the image pickup device (16), characterized in that the determination of the relative position of the shaft axis (14) relative to the rotation axis (12) comprises the following steps: - recording, taking different recording rotational position, a plurality of images (25), which map the full width of the shaft (10), for each image (25), the midpoint (24) between the imaging location of a first rotationally symmetric wave contour feature on the one hand of the wave image (23) and the imaging location of the same wave contour feature on the other hand of the wave mapping (23), - for each image (25), of the midpoint ( 24) between the imaging location of a second rotationally symmetrical wave contour feature on the one hand of the wave map (23) and the imaging location the same wave contour feature on the other hand of the wave map (23), defining, for each image (25), the straight line connecting the detected midpoints (24) as a projection (14 ') of the wave axis (14) for the recording image associated with the respective image (25). Angular position and ...

Description

Gebiet der ErfindungField of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optischen Vermessung einer Welle, umfassend die Schritte:

– Anordnen der Welle auf einer Drehpositioniervorrichtung,
– Bestimmen der räumlichen Lage der Drehachse,
– Aufnehmen, mittels einer Bildaufnahmevorrichtung, einer Mehrzahl von Bildern der Welle auf Höhe eines wobei jedem Bild der Winkel seiner jeweilige Aufnahme-Drehwinkelstellung zugeordnet wird,
– Berechnen einer Wellengeometriegröße mittels Bildverarbeitungsroutinen unter Verwendung der aufgenommenen Bilder des interessierenden Wellenkonturmerkmals.

The invention relates to a method for optical measurement of a shaft, comprising the steps:

Arranging the shaft on a rotary positioning device,
Determining the spatial position of the axis of rotation,
Picking up, by means of an image pickup device, a plurality of images of the wave at the level of one, wherein each image is assigned the angle of its respective pickup angular position,
Calculating a wave geometry size using image processing routines using the captured images of the wave contour feature of interest.

Stand der TechnikState of the art

Der Begriff der Welle ist im vorliegenden Zusammenhang weit zu verstehen und umfasst neben eigentlichen Wellen, die sowohl rotationssymmetrisch, wie beispielsweise Kardanwellen, oder nicht-rotationssymmetrisch, wie beispielsweise Kurbelwellen, sein können, auch andere langerstreckte Objekte, wie beispielsweise Werkzeuge, wie Bohrer, Fräser etc.The term of the wave is to be understood in the present context and includes besides actual waves, which may be both rotationally symmetric, such as propeller shafts, or non-rotationally symmetric, such as crankshafts, other long-elongated objects, such as tools, such as drills, cutters Etc.

Aus der DE 10 2007 053 993 B4 ist ein Verfahren zur Vermessung von Schneidkanten eines Werkzeuges mit mindestens einer Umfangschneide bekannt. Derartige Werkzeuge fallen im vorliegenden Zusammenhang unter den hier verwendeten Begriff der Welle. Bei dem bekannten Verfahren wird der Prüfling zunächst auf einer Drehpositioniervorrichtung eingespannt, sodass er winkelgenau um seine Längsachse rotiert werden kann. In einem nächsten Schritt, dem sogenannten Einmessen, wird die räumliche Lage der Drehachse insbesondere in Bezug zu einer bildgebenden Detektoreinheit bestimmt. Das Einmessen ist ein Routinevorgang der Messtechnik, der dem Fachmann für die jeweilige Messvorrichtung bekannt und Gegenstand etlicher Publikationen und Richtlinien ist, sodass das Einmessen hier nicht weiter im Detail beschrieben werden soll. Die eigentliche Vermessung des Prüflings erfolgt bei der bekannten Vorrichtung optisch, insbesondere bildgebend, mittels einer Bildaufnahmevorrichtung. Hierzu kann beispielsweise eine CCD-Kamera oder eine ähnliche Bildaufnahmevorrichtung verwendet werden. Die Vermessung erfolgt, indem während der Rotation des Prüflings um die Drehachse eine Mehrzahl von Bildern der Welle aufgenommen werden. Hierzu wird die Bildaufnahmevorrichtung entlang der Drehachse auf eine Position verfahren, in der ihre optische Achse in etwa auf der Höhe eines interessierenden Wellenkonturmerkmals liegt, sodass dieses Wellenkonturmerkmal von der Bildaufnahmevorrichtung abgebildet werden kann. Als Wellenkonturmerkmal kann beispielsweise eine Kante, eine Kerbe, eine Anfasung etc. dienen. Jedem aufgenommenen Bild wird der Winkel seiner jeweiligen Aufnahme-Drehwinkelstellung, d. h. derjenigen Stellung der Drehpositioniervorrichtung, bei der das jeweilige Bild aufgenommen wurde, zugeordnet. Durch Vergleich der solchermaßen aufgenommenen Bilder können interessierende Wellengeometriegrößen berechnet werden. Als interessierende Wellengeometriegrößen kommen beispielsweise der Wellendurchmesser, der Rundlauf, die Tiefe von Absätzen, Längsabstände etc. in Frage. Die entsprechenden Bildverarbeitungsroutinen und Berechnungsmethoden zur Ermittlung der interessierenden Wellengeometriegrößen aus den aufgenommenen Bildern unter Berücksichtigung deren zugeordneter Winkel sind dem Fachmann bekannt.From the DE 10 2007 053 993 B4 is a method for measuring cutting edges of a tool with at least one peripheral cutting known. Such tools fall in the present context under the term of the wave used here. In the known method, the test object is first clamped on a rotary positioning device, so that it can be rotated angularly about its longitudinal axis. In a next step, the so-called calibration, the spatial position of the axis of rotation is determined in particular in relation to an imaging detector unit. Calibrating is a routine process of the measuring technique, which is known to the person skilled in the art for the respective measuring device and is the subject of numerous publications and guidelines, so that the calibration is not to be described in detail here. The actual measurement of the test object takes place in the known device optically, in particular by imaging, by means of an image recording device. For this purpose, for example, a CCD camera or a similar image recording device can be used. The measurement is carried out by a plurality of images of the shaft are recorded during rotation of the specimen about the axis of rotation. For this purpose, the image recording device is moved along the axis of rotation to a position in which its optical axis is approximately at the level of a wave contour feature of interest, so that this wave contour feature can be imaged by the image recording device. As a wave contour feature, for example, an edge, a notch, a chamfer etc. serve. Each captured image is the angle of its respective recording rotational position, ie the position of the rotary positioning, in which the respective image was taken associated. By comparing the images thus acquired, wave geometry quantities of interest can be calculated. Examples of shaft geometry quantities of interest include the shaft diameter, the concentricity, the depth of shoulders, longitudinal distances, etc. The corresponding image processing routines and calculation methods for determining the wave geometry quantities of interest from the recorded images taking into account their associated angles are known to the person skilled in the art.

Ein entscheidendes Kriterium für die Genauigkeit der Messung ist bei dem bekannten Verfahren die Präzision der Ausrichtung des Prüflings. Insbesondere wird grundsätzlich davon ausgegangen, dass die Wellenachse, d. h. die tatsächliche Längsachse des Prüflings, mit der Drehachse übereinstimmt. Um dies zu erreichen, wird je nach erforderlicher Messgenauigkeit ein erheblicher Aufwand getrieben. Dies erfordert hohe handwerkliche Fertigkeit, wodurch die Reproduzierbarkeit der Messung leiden kann. Zudem ist ein hoher zeitlicher Aufwand erforderlich, was nachteilig im Hinblick auf die Kosten der Messung ist. Mangelhafte Ausrichtung, d. h. eine Anordnung der Wellenachse exzentrisch und/oder schräg zur Drehachse führt zu einer Taumelbewegung des Prüflings um die Drehachse, der für eine präzise Messung der Kompensation bedarf. Bei dem bekannten Verfahren erfolgt eine in der genannten Druckschrift nicht näher beschriebene rechnerische Taumelkompensation, die sich jedoch nur auf die Taumelbewegung entlang einer Achse senkrecht zur optischen Achse und senkrecht zur Drehachse beschränkt. Die Fokalebene der Bildaufnahmevorrichtung ist bei dem bekannten Verfahren in der Ebene der Drehachse fixiert. Bei korrekter Justage, d. h. wenn die hier als Wellenachse bezeichnete Längsachse des Prüflings identisch mit der Drehachse zusammenfällt, ist durch diese Maßnahme sichergestellt, dass die im Durchlicht sichtbaren Außenkonturen des Prüflings ebenfalls in der Fokalebene liegen und somit scharf abgebildet werden. Bei einer Taumelbewegung des Prüflings wandern die Außenkonturen mit der Drehung vor bzw. hinter die Fokalebene und werden somit defokussiert. Die resultierende Unschärfe im Bild führt zu entsprechenden Messungenauigkeiten.A decisive criterion for the accuracy of the measurement in the known method is the precision of the alignment of the test object. In particular, it is generally assumed that the shaft axis, i. H. the actual longitudinal axis of the test object coincides with the axis of rotation. To achieve this, a considerable effort is required, depending on the required measuring accuracy. This requires a high level of craftsmanship, which can affect the reproducibility of the measurement. In addition, a large amount of time is required, which is disadvantageous in terms of the cost of the measurement. Poor alignment, d. H. an arrangement of the shaft axis eccentrically and / or obliquely to the axis of rotation leads to a tumbling motion of the test specimen about the axis of rotation, which requires a precise measurement of the compensation. In the known method, an arithmetic wobble compensation, which is not described in any more detail in the cited publication, is carried out, which, however, is limited only to the tumbling movement along an axis perpendicular to the optical axis and perpendicular to the axis of rotation. The focal plane of the image pickup device is fixed in the plane of the rotation axis in the known method. With correct adjustment, d. H. If the longitudinal axis of the test object referred to here as the shaft axis coincides identically with the axis of rotation, this measure ensures that the external contours of the test object visible in the transmitted light also lie in the focal plane and thus are sharply imaged. During a tumbling movement of the test object, the outer contours move with the rotation in front of or behind the focal plane and are thus defocused. The resulting blur in the image leads to corresponding measurement inaccuracies.

Auch die DE 10 2005 034 107 A1 und die DE 2004 002 103 A1 betreffen Taumelkompensationen. Dabei wird der Winkel zwischen Messobjektachse und Drehachse des Messobjektes bestimmt. Dieses Ergebnis wird ausschließlich rechnerisch in die Auswertung einbezogen. Es resultieren die oben bereits geschilderten Nachteile.Also the DE 10 2005 034 107 A1 and the DE 2004 002 103 A1 affect wobble compensations. The angle between Target object axis and rotation axis of the measurement object determined. This result is included only mathematically in the evaluation. This results in the disadvantages already described above.

Aus der DE 10 2004 047 928 B4 ist ein optisches 3D-Messverfahren zum Vermessen einer Objektoberfläche mittels eines optischen Bildsensors bekannt. Dabei wird die Bildaufnahmevorrichtung gegenüber der ruhenden, d. h. insbesondere gegenüber der nicht rotierenden Objektoberfläche entlang ihrer z-Achse verfahren, wobei eine Vielzahl von Bildern aufgenommen werden. Durch geeignete Bildverarbeitungsalgorithmen werden in jedem aufgenommenen Bild die dort scharf abgebildeten Bildpunkte bestimmt. Den entsprechenden Objektpunkten wird der entsprechende Verschiebewert auf der optischen Achse zugeordnet. Ist schließlich allen Objektpunkten ein Verschiebewert zugeordnet, kann hieraus ein Profil der Objektoberfläche rekonstruiert werden.From the DE 10 2004 047 928 B4 For example, an optical 3D measuring method for measuring an object surface by means of an optical image sensor is known. In this case, the image recording device is moved relative to the stationary, ie in particular with respect to the non-rotating object surface along its z-axis, wherein a plurality of images are taken. By means of suitable image processing algorithms, the image points in each recorded image are determined there. The corresponding object points are assigned the corresponding displacement value on the optical axis. Finally, if a shift value is assigned to all object points, a profile of the object surface can be reconstructed from this.

Aus der DE 199 41 771 A1 ist es bekannt, die Fokalebene eines Bildaufnehmers während der Messung eines wellenartigen Messobjektes zu verlagern. Dies allerdings nur im Rahmen eines sog. „depth of focus”-Verfahrens ohne Bezug zu einer Taumelkompensation.From the DE 199 41 771 A1 It is known to displace the focal plane of an image sensor during the measurement of a wave-like measurement object. This, however, only in the context of a so-called "depth of focus" method without reference to a wobble compensation.

Aufgabenstellungtask

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein gattungsgemäßes Verfahren derart weiterzubilden, dass die Messgenauigkeit verbessert wird.It is the object of the present invention to develop a generic method such that the measurement accuracy is improved.

Darlegung der ErfindungPresentation of the invention

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst.This object is achieved with the features of claim 1.

Es ist der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung, ein Auswandern von Messbereichen aus dem Fokus der Bildaufnahmevorrichtung dadurch zu verhindern, dass die Aufnahmevorrichtung zur Kompensation der Taumelbewegung entlang ihrer optischen Achse so verfahren wird, dass die im Durchlicht sichtbaren Außenkonturen der Welle stets in der Fokalebene liegen. Mit anderen Worten wird die Bildaufnahmevorrichtung während der Messung in Richtung ihrer optischen Achse mit der Taumelbewegung verfahren. Hierzu wird zunächst die räumliche Lage der Wellenachse relativ zur Drehachse bestimmt. Von den hierfür möglichen Verfahren soll ein besonders vorteilhaftes weiter unten näher angegeben werden. Mit der Kenntnis der Relativlage von Wellen- und Drehachse lässt sich die Wanderung jedes Punktes auf der Wellenachse bei seiner Taumelbewegung um die Drehachse in Abhängigkeit von der Drehwinkelstellung der Drehpositioniervorrichtung exakt vorhersagen. Insbesondere lässt sich für jede Drehwinkeleinstellung die absolute Position eines hier als Referenzpunkt bezeichneten Punktes auf der Wellenachse vorhersagen, der auf gleicher Höhe auf der Welle liegt wie das interessierende Wellenkonturmerkmal. Wird die Bildaufnahmevorrichtung entlang ihrer optischen Achse so verfahren, dass besagter Referenzpunkt bei jeder Bildaufnahme in der Fokalebene der Bildaufnahmevorrichtung liegt, wird damit gleichzeitig sichergestellt, dass auch die interessierenden Wellenkonturmerkmale auf gleicher Höhe wie der Referenzpunkt in der Fokalebene liegen und somit scharf abgebildet werden. Mit anderen Worten schneidet die schräg zur Drehachse stehende Wellenachse bei einer solchen Einstellung die Fokalebene exakt im Referenzpunkt. Bei parallel zu oder identisch mit der Drehachse ausgerichteter Wellenachse ist es nicht zwingend erforderlich, dass der Referenzpunkt und das interessierende Wellenkonturmerkmal auf gleicher Höhe liegen, da in diesem Fall die Erfindung dazu führt, dass die gesamte Wellenachse und somit auch die im Durchlicht sichtbaren Außenkonturen stets in der Fokalebene der Bildaufnahmevorrichtung liegen.It is the basic idea of the present invention to prevent a migration of measuring ranges out of the focus of the image recording device in that the recording device is moved along its optical axis to compensate for the tumbling motion so that the outer contours of the shaft visible in the transmitted light always lie in the focal plane. In other words, the imaging device is moved during the measurement in the direction of its optical axis with the wobbling motion. For this purpose, the spatial position of the shaft axis is first determined relative to the axis of rotation. Of the methods possible for this purpose, a particularly advantageous will be specified below. With the knowledge of the relative position of the shaft and rotation axis, the migration of each point on the shaft axis can be accurately predicted during its tumbling motion about the axis of rotation as a function of the rotational angle position of the rotary positioning device. In particular, the absolute position of a point designated here as a reference point on the shaft axis, which lies at the same height on the shaft as the wave contour feature of interest, can be predicted for each rotational angle adjustment. If the image recording device moves along its optical axis in such a way that said reference point lies in the focal plane of the image recording device at each image acquisition, this simultaneously ensures that the wave contour features of interest lie at the same height as the reference point in the focal plane and are therefore sharply imaged. In other words, the shaft axis which is at an angle to the axis of rotation cuts the focal plane exactly at the reference point in such a setting. When aligned parallel to or identical to the axis of rotation shaft axis, it is not absolutely necessary that the reference point and the interesting wave contour feature are at the same height, since in this case, the invention causes the entire shaft axis and thus also visible in the transmitted light outer contours lie in the focal plane of the image pickup device.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ergibt sich bei ihrer Anwendung auf nicht-rotationssymmetrische Wellen, wie z. B. Kurbel- oder Nockenwellen. Hier sind die Abstände, die exzentrische Bereiche der Welle im Laufe einer Drehung von einer in der Drehachse fixierten Fokalebene einnehmen, in der Regel deutlich größer als die durch die oben geschilderte Taumelbewegung auftretenden Abstände. Umso größer wird das oben erläuterte Defokussierungsproblem. Die prinzipielle Wirkung der Erfindung ist jedoch nicht von der Länge der Verfahrwege abhängig, die die Bildaufnahmevorrichtung entlang ihrer z-Achse zur Kompensation der Exzentrizität durchlaufen muss. Dem Fachmann im Bereich der Messtechnik sind Präzisionsantriebe durchaus geläufig, die sowohl große Verfahrwege im Zentimeterbereich als auch sehr kleine Verfahrwege im Mikrometerbereich präzise ansteuern können. Auf diese Weise werden auch nicht-rotationssymmetrische, insbesondere exzentrische Wellen einer rein optischen, bildgestützten Vermessung zugänglich.Another advantage of the invention results in its application to non-rotationally symmetric waves, such. B. crankshafts or camshafts. Here, the distances that occupy eccentric portions of the shaft in the course of a rotation of a focal plane fixed in the axis of rotation focal plane, as a rule, significantly larger than the distances caused by the above-described tumbling motion. The larger becomes the defocusing problem explained above. However, the principal effect of the invention does not depend on the length of the travel paths that the image pickup device has to travel along its z-axis to compensate for the eccentricity. The specialist in the field of metrology precision drives are well known, which can control both large travels in the centimeter range as well as very small travels in the micrometer range precisely. In this way, non-rotationally symmetrical, in particular eccentric waves of a purely optical, image-based survey are accessible.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.Preferred embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.

So ist bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die Bildaufnahmevorrichtung bei der Aufnahme der Mehrzahl von Bildern entlang einer senkrecht zu ihrer optischen Achse stehenden Verschiebeachse so nachgeführt wird, dass der zur Verschiebeachse parallele Abstand der optischen Achse zum Referenzpunkt der Wellenachse bei jeder Aufnahme gleich ist. Mit anderen Worten ist bei dieser Weiterbildung vorgesehen, dass die Bildaufnahmevorrichtung in zwei Achsen nachgeführt wird, um eine Taumelbewegung der Welle mechanisch zu kompensieren. Eine exzentrisch und/oder schräg zur Drehachse stehende Wellenachse führt dazu, dass die Projektion der Wellenkontur auf die Bildebene nicht nur entlang der optischen Achse sondern auch senkrecht dazu um die Drehachse zu schwanken scheint. Diese Schwankung senkrecht zur optischen Achse und senkrecht zur Drehachse wird durch die geschilderte Weiterbildung der Erfindung mechanisch kompensiert. Eine perfekt rotationssymmetrische Welle würde somit unabhängig von ihrer relativen Ausrichtung zur Drehachse bei jeder Drehwinkelstellung der Drehpositioniervorrichtung die gleiche Abbildung liefern. Drehwinkelabhängige Veränderungen der Abbildungen können somit unmittelbar als Rotationssymmetriedefekt identifiziert werden. Es ist nicht mehr erforderlich, aus einer gemessenen Veränderung der Abbildung zunächst den taumelbedingten Anteil herauszurechnen, um rechnerisch den wellengeometriebedingten Anteil, der typischerweise der bei Vermessungen interessierende Anteil ist, zu erhalten.Thus, in an advantageous development of the invention, it is provided that the image recording device is tracked during the recording of the plurality of images along a perpendicular to its optical axis displacement axis so that the displacement axis parallel to the displacement of the optical axis to the reference point of the shaft axis at each recording the same is. In other words, it is provided in this development that the image pickup device is tracked in two axes in order to mechanically compensate for a tumbling motion of the shaft. An eccentric and / or shaft axis oblique to the axis of rotation causes the projection of the wave contour on the image plane not only along the optical axis but also to fluctuate perpendicular to it about the axis of rotation. This variation perpendicular to the optical axis and perpendicular to the axis of rotation is mechanically compensated by the described embodiment of the invention. A perfectly rotationally symmetrical shaft would thus provide the same image regardless of their relative orientation to the axis of rotation at each rotational position of the Drehpositioniervorrichtung. Rotation-dependent changes of the images can thus be identified directly as a rotational symmetry defect. It is no longer necessary to first calculate the tumble-induced fraction from a measured change in the figure, in order to obtain the wave geometry-related fraction, which is typically the fraction of interest in surveying.

Bei einer noch komplexeren Weiterbildung der Erfindung ist bevorzugt vorgesehen, dass die Bildaufnahmevorrichtung während der Aufnahme der Mehrzahl von Bildern entlang zweier senkrecht zu ihrer optischen Achse stehenden Verschiebeachsen so nachgeführt wird, dass die Bildaufnahmevorrichtung bei jeder Aufnahme die selbe Position relativ zu dem Referenzpunkt der Wellenachse einnimmt. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass das oben erläuterte Konzept der Nachführung senkrecht zur optischen Achse auf zwei vorzugsweise senkrecht zueinanderstehende Achsen ausgedehnt wird. Wie oben erwähnt, ist dieses Konzept besonders vorteilhaft im Hinblick auf die senkrecht zur optischen sowie zur Drehachse stehende Achse. Bei der hier beschriebenen Weiterbildung der Erfindung ist zusätzlich auch eine Nachführung etwa entlang der Drehachse vorgesehen. Ein Schwanken der Wellenabbildung in dieser Richtung tritt vorwiegend dann auf, wenn die Drehachse selbst schräg zur Bildaufnahmevorrichtung steht. Die Schwankungen sind üblicherweise sehr gering, weshalb eine entsprechende Nachführung der Bildaufnahmevorrichtung nur bei extremen Präzisionsmessungen einen Vorteil bietet. Bei solchen Präzisionsmessungen führt diese Weiterbildung der Erfindung jedoch durchaus zu einer Verbesserung der Messgenauigkeit.In an even more complex development of the invention, it is preferably provided that during the recording of the plurality of images, the image recording device is tracked along two displacement axes perpendicular to its optical axis such that the image recording device assumes the same position relative to the reference point of the shaft axis for each image , In other words, this means that the above-explained concept of tracking perpendicular to the optical axis is extended to two preferably mutually perpendicular axes. As mentioned above, this concept is particularly advantageous with respect to the axis perpendicular to the optical axis and to the axis of rotation. In the embodiment of the invention described here, a tracking is also provided approximately along the axis of rotation. A fluctuation of the wave pattern in this direction occurs predominantly when the axis of rotation itself is oblique to the image pickup device. The variations are usually very small, which is why a corresponding tracking of the image pickup device only offers an advantage in extreme precision measurements. In such precision measurements, however, this development of the invention definitely leads to an improvement in the measurement accuracy.

Wie erläutert ist der zentrale Ansatzpunkt der Erfindung die Ermittlung der Relativlage der Wellenachse zur Drehachse. Diese Ermittlung kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. Das Verfahren läuft mit den folgenden Schritten ab.

– Aufnehmen, unter unterschiedlichen Aufnahme-Drehwinkelstellungen, einer Mehrzahl von Bildern, die die volle Breite der Welle abbilden,
– Ermitteln, für jedes Bild, des Mittelpunktes zwischen dem Abbildungsort eines ersten rotationssymmetrischen Wellenkonturmerkmals einerseits der Wellenabbildung und dem Abbildungsort desselben Wellenkonturmerkmals andererseits der Wellenabbildung,
– Ermitteln, für jedes Bild, des Mittelpunktes zwischen dem Abbildungsort eines zweiten rotationssymmetrischen Wellenkonturmerkmals einerseits der Wellenabbildung und dem Abbildungsort desselben Wellenkonturmerkmals andererseits der Wellenabbildung,
– Definieren, für jedes Bild, der die ermittelten Mittelpunkte verbindenden Geraden als Projektion der Wellenachse für die dem jeweiligen Bild zugeordneten Aufnahme-Drehwinkelstellung und
– Berechnen der räumlichen Lage der Wellenachse aus den so konstruierten Wellenachsen-Projektionen als Relativlage zur Drehachse.

As explained, the central starting point of the invention is the determination of the relative position of the shaft axis relative to the axis of rotation. This determination can be done in different ways. The procedure proceeds with the following steps.

Recording, under different recording rotational position, a plurality of images that represent the full width of the shaft,
Determining, for each image, the center point between the imaging location of a first rotationally symmetrical wave contour feature on the one hand of the wave image and the imaging location of the same wave contour feature on the other hand of the wave mapping,
Determining, for each image, the center point between the imaging location of a second rotationally symmetric wave contour feature on the one hand of the wave image and the imaging location of the same wave contour feature on the other hand of the wave mapping,
Define, for each image, the straight line connecting the ascertained center points as a projection of the wave axis for the recording rotational angle position assigned to the respective image and
- Calculating the spatial position of the shaft axis from the wave axis projections thus constructed as a relative position to the axis of rotation.

Mit anderen Worten wird für unterschiedliche Drehwinkelstellungen jeweils die Mitte der Wellenprojektion in die Bildebene ermittelt. Bei den hierzu erforderlichen Aufnahmen wird zunächst die Fokalebene der Bildaufnahmevorrichtung auf die bekannte Drehachse eingestellt. Eine solche Einstellung kann bei vorhandener Taumelbewegung an den Wellenkonturen zu Unschärfen führen, deren Vermeidung ja eigentlich primäres Ziel der Erfindung ist. Für die hier beschriebene Ermittlung der Lage der Wellenachse stellt eine solche Einstellung höchstens eine Kompromisseinstellung dar. Erfindungsgemäß wird die Ermittlung der Lage der Wellenachse iterativ erfolgen, wobei zunächst eine vorläufige Wellenachsenlagen-Ermittlung mit der o. g. Kompromisseinstellung der Fokalebene und im Anschluss eine oder mehrere weitere (vorläufige) Wellenachsenlagen-Ermittlungen unter Anwendung der erfindungsgemäßen Nachführung auf Basis der jeweils vorangegangenen vorläufigen Wellenachsenlagen-Ermittlung vollzogen werden.In other words, in each case the center of the wave projection in the image plane is determined for different rotational angle positions. In the images required for this purpose, the focal plane of the image pickup device is first set to the known axis of rotation. Such an adjustment can lead to blurring at existing wobbling on the wave contours, whose prevention is actually primary objective of the invention. For the determination of the position of the shaft axis described here, such an adjustment represents at most a compromise setting. According to the invention, the determination of the position of the shaft axis is carried out iteratively, wherein initially a provisional shaft axis position determination with the above-mentioned g. Compromise adjustment of the focal plane and subsequently one or more further (provisional) shaft axis position investigations using the tracking according to the invention are carried out on the basis of the respective previous preliminary wave axis position determination.

Die Ermittlung der Projektionsmitten auf zwei Höhen der Welle, d. h. an zwei Orten, die entlang der Wellenachse voneinander beabstandet sind, erlaubt die Festlegung der Projektion der Wellenachse in die Bildebene unter der jeweiligen Drehwinkeleinstellung. Die tatsächliche Raumlage der Wellenachse, insbesondere in Relation zu der Drehachse lässt sich aus der so ermittelten Schar von Wellenachsprojektionen leicht zurückrechnen.The determination of the projection centers on two heights of the wave, d. H. at two locations spaced apart along the shaft axis, allows the projection of the wave axis into the image plane under the respective rotational angle setting. The actual spatial position of the wave axis, in particular in relation to the rotation axis, can easily be calculated back from the set of wave axis projections thus determined.

Diese spezielle Art der Ermittlung der Wellenachsenlage setzt die Aufnahme 2-dimensionaler Bilder mit einer entsprechenden, 2-dimensionalen Bildaufnahmevorrichtung, wie z. B. einer CCD-Kamera voraus. Die Erfindung ist jedoch grundsätzlich nicht auf 2-dimensionale Bilder beschränkt. Vielmehr kann das erfindungsgemäße Verfahren auch bei Anlagen mit 1-dimensionalen Bildaufnahmevorrichtungen, wie z. B. Zeilenkameras, die 1-dimensionale Bilder aufnehmen, durchgeführt werden. Die Ermittlung der Wellenachsenlage muss dann natürlich auf andere Weise als die oben im Detail beschriebene erfolgen.This special way of determining the wave axis position sets the recording of 2-dimensional images with a corresponding, 2-dimensional image pickup device, such. B. a CCD camera ahead. However, the invention is basically not limited to 2-dimensional images. Rather, the inventive method can also be applied to systems with 1-dimensional image recording devices, such. B. line scan cameras that record 1-dimensional images are performed. The determination of The shaft axis position must of course be done in a different way than the one described in detail above.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.Further features and advantages of the invention will become apparent from the following specific description and the drawings.

Kurzbeschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Es zeigen:Show it:

1: eine schematische Darstellung eines Messaufbaus zur Vermessung einer Welle mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens in Schnittansicht, 1 : a schematic representation of a measurement setup for measuring a shaft by means of the method according to the invention in sectional view,

2: der Aufbau von 1 in Draufsicht, 2 : the construction of 1 in plan view,

3: eine schematische Darstellung eines Messaufbaus zur Vermessung einer Welle mittels einer ersten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens, 3 : a schematic representation of a measurement setup for measuring a shaft by means of a first development of the method according to the invention,

4: eine schematische Darstellung eines Messaufbaus zur Vermessung einer Welle mittels einer zweiten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens, 4 : a schematic representation of a measurement setup for measuring a shaft by means of a second development of the method according to the invention,

5: eine schematische Darstellung eines Messaufbaus gemäß den 1 bis 4 während der Ermittlung der Raumlage der Wellenachse, 5 : a schematic representation of a measurement setup according to the 1 to 4 during the determination of the spatial position of the shaft axis,

6: eine schematische Wiedergabe zweier mit dem Aufbau von 5 aufgenommener Bilder, 6 : a schematic representation of two with the structure of 5 taken pictures,

7: eine Darstellung der Wellenachsenlagen im Vergleich zur Drehachse in unterschiedlichen Drehwinkeleinstellungen. 7 : A representation of the shaft axis positions compared to the axis of rotation in different rotational angle settings.

Ausführliche BeschreibungDetailed description

Die 1 bis 5 zeigen in stark schematisierter Darstellung einen Messaufbau zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und seiner bevorzugten Weiterbildungen. In allen Figuren weisen gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder analoge Elemente hin. Zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Prinzips sind die Dimensionen, insbesondere Winkel, in den Figuren stark übertrieben dargestellt.The 1 to 5 show in a highly schematic representation of a test setup for carrying out the method according to the invention and its preferred developments. In all figures, like reference numerals indicate like or analogous elements. To clarify the principle according to the invention, the dimensions, in particular angles, are greatly exaggerated in the figures.

Der Messaufbau der 1 umfasst eine nicht näher dargestellte Drehpositioniereinrichtung, auf welcher eine Welle 10, die in 1 in zwei um 180° gegeneinander verdrehten Drehwinkelstellungen dargestellt ist, um eine Drehachse 12 drehbar festgelegt wird. Üblicherweise ist man bei der Einrichtung der Messvorrichtung bemüht, die Längsachse 14 der Welle 10, die Fall rotationssymmetrischer Wellen der Symmetrieachse entspricht und in den Figuren jeweils gestrichelt dargestellt ist, möglichst exakt mit der in den Figuren strichpunktiert dargestellten Drehachse 12 auszurichten, sodass beide Achsen möglichst genau zusammenfallen. Dies in der Praxis jedoch nie zur Gänze möglich; die Erreichung hoher Ausrichtungsgenauigkeit ist mit sehr hohem fachlichen und zeitlichen Aufwand verbunden. In der Regel ist eine Fehlpositionierung, die sich in einer exzentrischen Anordnung der Wellenachse 14 zur Drehachse 12 und/oder einer von Null verschiedenen Winkellage beider Wellen 12, 14 zueinander manifestiert. Der Einfachheit halber ist in den Figuren eine stark übertrieben dargestellte Exzentrizität und eine stark übertrieben dargestellte Winkellage der Achsen 12, 14 dargestellt, wobei Exzentrizität und Schieflage in der gleichen Ebene liegen. In der Praxis wird häufig eine „windschiefe” Lage der Achsen 12, 14 zueinander realisiert sein. Die hiesige Beschreibung hat auch für diesen allgemeinen Fall volle Gültigkeit. Auch die Form der Welle 10 kann in der Praxis deutlich komplexer als die aus Demonstrationsgründen besonders einfach gewählte Wellengeometrie der Figuren sein. Die hier gewählte Wellengeometrie zeigt einen zylindrischen Schaft 101 mit kleinerem Durchmesser r, der einen ebenfalls zylindrischen Verdickungsbereich 102 mit größerem Radius R trägt. Wellengeometriegrößen, die Gegenstand einer typischen Wellenvermessung sein können, sind beispielsweise die Länge L des Verdickungsbereiches 102, die Radien r, R, der Rundlauf des Schaftes 101 sowie des Verdickungsbereichs 102 etc.The measurement setup of 1 comprises a Drehpositioniereinrichtung, not shown, on which a shaft 10 , in the 1 is shown in two rotated by 180 ° to each other rotated angular positions about an axis of rotation 12 is set rotatable. Usually, one strives in the device of the measuring device, the longitudinal axis 14 the wave 10 , which corresponds to the case of rotationally symmetrical waves of the axis of symmetry and is shown in dashed lines in the figures, as accurately as possible with the dash-dotted lines in the figures shown axis of rotation 12 align so that both axes coincide as accurately as possible. However, this is never completely possible in practice; Achieving high alignment accuracy is associated with a very high technical and temporal effort. As a rule, a mispositioning, resulting in an eccentric arrangement of the shaft axis 14 to the axis of rotation 12 and / or a non-zero angular position of both waves 12 . 14 manifested to each other. For the sake of simplicity, the figures show a greatly exaggerated eccentricity and a greatly exaggerated angular position of the axes 12 . 14 represented, wherein eccentricity and imbalance lie in the same plane. In practice, often a "skewed" position of the axes 12 . 14 be realized to each other. The description here is also valid for this general case. Also the shape of the wave 10 can be significantly more complex in practice than the particularly simple selected wave geometry of the figures for demonstration reasons. The shaft geometry selected here shows a cylindrical shaft 101 with a smaller diameter r, which also has a cylindrical thickening area 102 with larger radius R carries. Wave geometry sizes that may be the subject of a typical wave measurement are, for example, the length L of the thickening region 102 , the radii r, R, the concentricity of the shaft 101 and the thickening area 102 Etc.

Weiter umfasst die Messanordnung eine Bildaufnahmevorrichtung, insbesondere eine CCD-Kamera 16, die mit ihrer optischen Achse 18 etwa auf Höhe eines für die Messung benötigten Wellenkonturmerkmals 20 gerichtet ist. Im dargestellten Beispiel diene als Wellenkonturmerkmal 20 die insbesondere in den 2 und 3 mit einem Stern gekennzeichneten Oberkanten des Verdickungsbereichs 102. Mit der Kamera 16 können Bilder der Welle 10 aufgenommen werden. Dies erfolgt typischerweise in einer Durchlichtanordnung, bei der die Welle 10 mittels einer auf der der Kamera 16 gegenüberliegenden Seite angeordneten diffusen Beleuchtung angestrahlt wird, sodass mittels der Kamera 16 Schattenrissbilder aufgenommen werden können. Die Schärfe eines solchen Schattenrissbildes hängt von der Lage der Fokalebene der Kamera 16. Obgleich die zur Vermeidung von Verzerrungen in der Regel verwendeten telezentrischen Objektive eine relativ große Tiefenschärfe aufweisen, muss zur scharfen Abbildung der Wellenkontur die Fokalebene durch diejenigen Punkte der Wellenkontur laufen, die auf den Rand des Schattenrisses abgebildet werden. Mit anderen Worten muss die Fokalebene auf Höhe des interessierenden Wellenkonturmerkmals 20 durch die „breiteste Stelle” der Welle 10 laufen. Liegt sie vor oder hinter dieser Idealposition, wird ein Bereich der Welle 10 scharf abgebildet, der im Inneren des Schattenrisses liegt, während der allein interessierende Rand des Schattenrisses unscharf bleibt. Bei perfekter Einrichtung der Messanordnung, d. h. wenn die Wellenachse 14 mit der Drehachse 12 identische zusammenfällt, genügt es, die Kamera 16 so einzustellen, dass die Drehachse 12/Wellenachse 14 in der Fokalebene liegt. Eine Nachführung der Kamera 16 ist in diesem Fall nicht erforderlich. In der Praxis, insbesondere, wenn die Einrichtung in möglichst kurzer Zeit erfolgen soll, fallen Wellenachse 14 und Drehachse 12 wie in 1 gezeigt jedoch auseinander. Die für eine genaue Messung scharf abzubildende „breiteste Stelle” der Welle 10 wandert somit aufgrund der Taumelbewegung sowohl nach vorne als auch nach hinten aus der auf die Drehachse 12 eingestellten Fokalebene der Kamera 16 aus. Die Größe des Maximalabstandes zur Fokalebene hängt dabei sowohl von der Exzentrizität/Schrägstellung der Wellenachse 14 relativ zur Drehachse 12 als auch von der Höhe des interessierenden Wellenkonturmerkmals 20, d. h. von seiner Position entlang der Wellenachse 14 ab. Durch die Kenntnis der Relativlage der Wellenachse 14 zur Drehachse 12 kann nun für jede Drehwinkeleinstellung der Abstand der Wellenachse 14 auf Höhe des jeweils interessierenden Wellenkonturmerkmals 20 von der Referenz-Fokalebene, in der die Drehachse 12 liegt, bestimmt werden. Durch entsprechendes Verfahren der Kamera 16 entlang ihrer optischen Achse (z-Achse) wird die tatsächliche Fokalebene so gelegt, dass sie die Wellenachse 14 auf Höhe des interessierenden Wellenkonturmerkmals 20 schneidet. Dies ist in unterschiedlichen Ansichten in den 1 und 2 erläutert, wobei der (gleichbleibende) Abstand zwischen Kamera 16 und ihrer Fokalebene 14 mit F bezeichnet ist und wobei das Wellenkonturmerkmal 20 mit einem Stern und der Schnittpunkt der tatsächlichen Fokalebene mit der Wellenachse 14, der hier als Referenzpunkt 22 bezeichnet wird, durch einen Kreis gekennzeichnet ist.Furthermore, the measuring arrangement comprises an image recording device, in particular a CCD camera 16 with their optical axis 18 approximately at the level of a wave contour feature required for the measurement 20 is directed. In the example shown, serve as a wave contour feature 20 especially in the 2 and 3 with a star marked upper edge of the thickening area 102 , With the camera 16 can pictures of the wave 10 be recorded. This is typically done in a transmitted light arrangement in which the shaft 10 by means of a on the camera 16 opposite side arranged diffuse illumination is illuminated so that by means of the camera 16 Silhouette images can be recorded. The sharpness of such a silhouette image depends on the position of the focal plane of the camera 16 , Although the telecentric lenses used to avoid distortion usually have a relatively large depth of field, the focal plane must pass through those points of the wave contour, which are imaged on the edge of the shadow outline for sharp imaging of the wave contour. In other words, the focal plane must be at the level of the wave contour feature of interest 20 through the "widest part" of the wave 10 to run. If it is in front of or behind this ideal position, it becomes an area of the wave 10 sharply imaged that lies inside the silhouette, while the edge of interest alone the silhouette remains out of focus. With perfect setup of the measuring arrangement, ie when the shaft axis 14 with the rotation axis 12 identical coincides, it is enough, the camera 16 to adjust so that the rotation axis 12 / Shaft axis 14 lies in the focal plane. A tracking of the camera 16 is not required in this case. In practice, especially when the device is to take place in the shortest possible time fall wave axis 14 and rotation axis 12 as in 1 but shown apart. The "widest point" of the wave to be sharply imaged for accurate measurement 10 thus migrates due to the wobbling movement both forward and backward from the on the axis of rotation 12 set focal plane of the camera 16 out. The size of the maximum distance to the focal plane depends both on the eccentricity / inclination of the shaft axis 14 relative to the axis of rotation 12 as well as the height of the wave contour feature of interest 20 ie from its position along the shaft axis 14 from. By knowing the relative position of the shaft axis 14 to the axis of rotation 12 Now, for each angle setting, the distance between the shaft axis 14 at the level of the wave contour feature of interest 20 from the reference focal plane, in which the axis of rotation 12 is to be determined. By appropriate procedure of the camera 16 along its optical axis (z-axis) the actual focal plane is placed so that it is the shaft axis 14 at the level of the wave contour feature of interest 20 cuts. This is in different views in the 1 and 2 explains the (constant) distance between camera 16 and their focal plane 14 is denoted by F and wherein the wave contour feature 20 with a star and the intersection of the actual focal plane with the shaft axis 14 , the reference point here 22 is designated by a circle.

Der Fachmann wird verstehen, dass im Fall einer exzentrischen aber nicht schrägen, d. h. parallelen Ausrichtung der Wellenachse 14 zur Drehachse 12 kein Schnittpunkt zwischen Fokalebene und Wellenachse 14 vorliegt, sondern dass in diesem Fall die Wellenachse 14 vollständig in der Fokalebene liegt.The skilled person will understand that in the case of an eccentric but not oblique, ie parallel alignment of the shaft axis 14 to the axis of rotation 12 no intersection between the focal plane and the shaft axis 14 but in this case the shaft axis 14 completely in the focal plane.

Wie in 3 verdeutlicht, führt die Taumelbewegung der Wellenachse 14 auch zu einer Wanderung des interessierenden Wellenkonturmerkmals 20 entlang einer zur z-Achse senkrechten Achse, die hier als y-Achse bezeichnet wird. Diese Bewegung in y-Richtung führt nicht zu einem Auswandern aus der Fokalebene. Sie führt vielmehr zu einer Wanderung des scharf abgebildeten Schattenrisses der Welle 10 über die Breite der aufgenommenen Bilder in Abhängigkeit von der jeweiligen Aufnahme-Drehwinkelstellung. Bei der in 3 gezeigten Weiterbildung der Erfindung ist daher eine Nachführen der Kamera 16 in y-Richtung vorgesehen. Als Referenz für die Nachführung dient auch hier vorzugsweise der Referenzpunkt 22, insbesondere der Schnittpunkt zwischen der erfindungsgemäß eingestellten Fokalebene und der Wellenachse 14. Dies entspricht einer mechanischen Kompensation der Taumelbewegung in y-Richtung, sodass der scharf abgebildete Schattenriss der Welle 10 auf den aufgenommenen Bildern unabhängig von der Aufnahme-Drehwinkelstellung stets nominell dieselbe Position einnimmt. Positionsänderungen zwischen den Abbildungen können dann unmittelbar auf Symmetriedefekte der Welle 10 zurückgeführt werden, ohne dass eine durch die Taumelbewegung bedingte Positionsänderung nachträglich herausgerechnet werden müsste.As in 3 clarifies, leads the wobbling motion of the shaft axis 14 also to a migration of the wave contour feature of interest 20 along an axis perpendicular to the z axis, referred to herein as the y axis. This movement in the y-direction does not lead to an emigration from the focal plane. Rather, it leads to a migration of the sharp shadow outline of the wave 10 across the width of the recorded images as a function of the respective recording rotational angle position. At the in 3 shown embodiment of the invention is therefore a tracking of the camera 16 provided in the y direction. As a reference for tracking also serves here preferably the reference point 22 , in particular the point of intersection between the focal plane set according to the invention and the shaft axis 14 , This corresponds to a mechanical compensation of the wobble movement in the y-direction, so that the sharp shadow outline of the shaft 10 always takes nominally the same position on the recorded images regardless of the recording rotational position. Position changes between the images can then be directly related to symmetry defects of the shaft 10 be returned, without a conditional by the wobbling position change would have to be deducted later.

Insbesondere in dem in 4 schematisch dargestellten Fall, dass die Fokalebene der Kamera 16 nicht parallel zur Drehachse 12 verläuft, führt die Taumelbewegung zusätzlich zu einem „Höhenschlag”., d. h. zu einer Wanderung des interessierenden Wellenkonturmerkmals 22 entlang der zur z- und y-Achse senkrechten x-Achse. Dies führt zu einer Wanderung des scharf abgebildeten Schattenrisses der Welle 10 über die Höhe des aufgenommenen Bildes in Abhängigkeit von der jeweiligen Aufnahme-Drehwinkelstellung. Bei der in 4 gezeigten bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist daher auch entlang der x-Achse eine Nachführung der Kamera 16 vorgesehen, wobei als Referenzpunkt 22 wiederum der Schnittpunkt zwischen der Wellenachse 14 und der erfindungsgemäß eingestellten Fokalebene dient. Der Höhenschlag ist in der Regel deutlich kleiner als die Effekte der Taumelbewegung in y- und z-Richtung. Gleichwohl wird die Kamera 16 bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in allen drei Achsen nachgeführt.Especially in the in 4 schematically illustrated case that the focal plane of the camera 16 not parallel to the axis of rotation 12 runs, the tumbling motion in addition to a "rash"., ie to a migration of the wave contour feature of interest 22 along the x axis perpendicular to the z and y axes. This leads to a migration of the sharp shadow outline of the wave 10 about the height of the recorded image as a function of the respective recording rotational position. At the in 4 shown preferred embodiment of the invention is therefore also along the x-axis tracking the camera 16 provided as a reference point 22 again the intersection between the shaft axis 14 and the focal plane set according to the invention is used. The rash is usually much smaller than the effects of wobbling in the y and z directions. Nevertheless, the camera will 16 tracked in all three axes in the preferred embodiment of the invention.

Wesentlicher Bestandteil der Erfindung ist die Kenntnis der Relativlage der Wellenachse 14 zur Drehachse 12. Zur Gewinnung dieser Kenntnis sind unterschiedliche Wege und Verfahren möglich. In den 5 bis 7 ist ein besonders bevorzugtes Beispiel eines Verfahrens zur Ermittlung der Relativlage in zwei rechnerischen Varianten dargestellt. Wie in 5 gezeigt, wird hierzu die Kamera 16 so eingestellt, dass die Drehachse 12 in der Fokalebene liegt. Ungenauigkeiten, die durch das Auswandern aus der Fokalebene durch die Taumelbewegung und die entsprechende Defokussierung resultieren, werden in diesen ersten Schritt vernachlässigt. 6 zeigt schematisch die resultierenden Schattenrissbilder, die die Kamera 16 von der Welle 10 in den in 5 gezeigten Aufnahme-Drehwinkelstellungen aufnehmen würde. In jedem Bild 25 wird nun die Breite der Wellenabbildung 23 auf zwei Höhen der Wellen, d. h. an zwei entlang der Wellenachse 14 voneinander beanstandeten Punkten gemessen. Je nach Genauigkeitsanforderungen kann diese Breitenmessung auf unterschiedliche Weise erfolgen. Im linken Teilbild der 6 ist eine exakte Messung dargestellt, die die Breite senkrecht zur abgebildeten Wellenachse 14 misst. Hierzu ist es jedoch erforderlich, dass ein Wellenkonturmerkmal identifiziert wird, welches sich eindeutig einer Höhe auf der Welle zuordnen lässt. Dies kann manuell oder automatisiert, beispielsweise mithilfe von Kanten-Suchalgorithmen im Bild erfolgen.An essential part of the invention is the knowledge of the relative position of the shaft axis 14 to the axis of rotation 12 , To gain this knowledge, different ways and methods are possible. In the 5 to 7 shows a particularly preferred example of a method for determining the relative position in two arithmetic variants. As in 5 shown, this is the camera 16 adjusted so that the rotation axis 12 lies in the focal plane. Inaccuracies resulting from the migration out of the focal plane due to the tumbling motion and the corresponding defocusing are neglected in this first step. 6 schematically shows the resulting silhouette images that the camera 16 from the wave 10 in the in 5 record recording angular positions would record. In every picture 25 now becomes the width of the wave map 23 at two heights of the waves, ie at two along the shaft axis 14 measured from each other scored points. Depending on the accuracy requirements, this width measurement can be done in different ways. In the left part of the picture 6 an exact measurement is shown showing the width perpendicular to the depicted shaft axis 14 measures. For this, however, it is necessary that a wave contour feature is identified, which can be clearly assigned to a height on the shaft. This can be done manually or automatically, for example using edge search algorithms in the image.

Bildverarbeitungstechnisch einfacher ist die im rechten Teilbild von 6 gezeigte Methode, wonach anstelle der tatsächlichen Wellenbreite die Breite der Wellenabbildung 23 in y-Richtung im Bild 25 gemessen wird. Dabei ist die Identifikation spezieller Wellenkonturmerkmale nicht erforderlich. Es muss lediglich sichergestellt sein, dass die Messung nicht über eine Kante im Wellenprofil verläuft. Im Hinblick auf die Tatsache, dass die in der Praxis realisierten Schrägstellungen der Welle 10 sehr gering und keinesfalls mit den übertriebenen Darstellungen der 6 vergleichbar sind kann die Ungenauigkeit, die durch diese Art der Breitenmessung im Vergleich zu der zuvor geschilderten eingeführt wird, vernachlässigt werden.Image processing technology is simpler in the right part of 6 shown method, which instead of the actual wave width, the width of the wave map 23 in y-direction in the picture 25 is measured. The identification of special wave contour features is not required. It only has to be ensured that the measurement does not run over an edge in the wave profile. In view of the fact that the realized in practice inclinations of the shaft 10 very low and by no means with the exaggerated representations of 6 can be neglected, the inaccuracy introduced by this type of width measurement compared to the previously described, are neglected.

Unabhängig von der speziellen Methode der Breitenmessung wird, wie erwähnt, die Breite der Welle 10 in zwei unterschiedlichen Höhen gemessen. Hieraus lässt sich jeweils der Mittelpunkt 24 auf der entsprechenden Höhe der Welle ableiten. Diejenige Gerade, die in jedem Bild 25 die, Mittelpunkte 24 verbindet, stellt die Projektion 14' der Wellenachse 14 unter der jeweiligen Drehwinkelstellung auf die Bildebene dar. Die Projektion der Drehachse ist mit dem Bezugszeichen 12' gekennzeichnet.Regardless of the specific method of width measurement, as mentioned, the width of the shaft 10 measured in two different heights. This can be the center of each 24 derive at the appropriate height of the shaft. The one straight line in every picture 25 the, midpoints 24 connects, represents the projection 14 ' the shaft axis 14 below the respective angular position on the image plane. The projection of the axis of rotation is denoted by the reference numeral 12 ' characterized.

Die Anwendung dieses Verfahrens für eine Mehrzahl von Drehwinkelstellungen führt zu einer in 7 beispielhaft dargestellten Schar von Wellenachsen-Projektionen 14', aus den mit einfachen geometrischen Überlegungen die tatsächliche Relativlage der Wellenachse 14 zur Drehachse 12 ermittelt werden kann.The application of this method for a plurality of angular positions leads to an in 7 exemplified family of wave axis projections 14 ' , from which, with simple geometrical considerations, the actual relative position of the shaft axis 14 to the axis of rotation 12 can be determined.

Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum an Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben. Insbesondere können andere Verfahren zur Ermittlung der Relativlage von Wellen- und Drehachse 14, 12 angewendet werden. Auch die Anzahl und Relativlage der Achsen, in denen eine Nachführung der Kamera erfolgt, kann vom Fachmann an die Erfordernisse des Einzelfalls angepasst werden. Selbstverständlich sind hier verwendeten Begriffe wie „Breite”, „Höhe”, „Vor”, „Hinter” etc. jeweils nur im Bezug auf die abgebildeten Ausführungsformen und nicht einschränkend zu verstehen. Der Fachmann wird ohne weiteres diese Begriffe mutatis mutandum auf andere Orientierungen und Konfigurationen übertragen können.Of course, the embodiments discussed in the specific description and shown in the figures represent only illustrative embodiments of the present invention. In the light of the disclosure herein, those skilled in the art will be offered a wide range of possible variations. In particular, other methods for determining the relative position of shaft and rotation axis 14 . 12 be applied. Also, the number and relative position of the axes, in which a tracking of the camera takes place, can be adapted by the skilled person to the requirements of the individual case. Of course, as used herein, terms such as "width,""height,""forward,""rear," etc. are to be understood only with respect to the illustrated embodiments and not by way of limitation. One skilled in the art will readily be able to apply these terms mutatis mutandis to other orientations and configurations.

Claims

Method for the optical measurement of a wave ( 10 ), comprising the steps of: - arranging the shaft ( 10 ) on a rotary positioning device, - determining the spatial position of the axis of rotation ( 12 ), - taking, by means of an image pickup device, a plurality of images ( 25 ) the wave ( 10 ) at the level of a wave contour feature of interest ( 20 ) under a different recording angular position of the Drehpositioniervorrichtung, each image ( 25 ) the angle is assigned to its respective recording rotational position, - calculating a wave geometry size by means of image processing routines using the recorded images ( 25 ) of the wave contour feature of interest ( 20 ), wherein the relative position of the shaft axis ( 14 ) to the axis of rotation ( 12 ) and from this the spatial position of the shaft axis ( 14 ) is calculated for each recording angular position and that during the recording of the plurality of images ( 25 ) the image capture device ( 16 ) along its optical axis ( 18 ) is tracked so that when taking each individual image ( 25 ) at the level of the wave contour feature of interest ( 20 ) reference point ( 22 ) of the shaft axis ( 14 ) in the focal plane of the image pickup device ( 16 ), characterized in that the determination of the relative position of the shaft axis ( 14 ) to the axis of rotation ( 12 ) comprises the following steps: - taking, under different recording rotational position, a plurality of images ( 25 ), which is the full width of the shaft ( 10 ), - determining, for each image ( 25 ), the center ( 24 ) between the imaging location of a first rotationally symmetrical wave contour feature on the one hand of the wave mapping ( 23 ) and the imaging location of the same wave contour feature on the other hand the wave map ( 23 ), - determining, for each image ( 25 ), the center ( 24 ) between the imaging location of a second rotationally symmetrical wave contour feature on the one hand of the wave map ( 23 ) and the imaging location of the same wave contour feature on the other hand the wave map ( 23 ), - define, for each image ( 25 ), which determines the established centers ( 24 ) connecting lines as a projection ( 14 ' ) of the shaft axis ( 14 ) for the respective picture ( 25 ) associated recording angular position and - calculating the spatial position of the shaft axis ( 14 ) from the wave axis projections thus constructed ( 14 ' ) as a relative position to the axis of rotation ( 12 ), wherein first a provisional Wellenachsenlagen determination takes place, in which the focal plane of the image pickup device when recording the plurality of images is set to the rotation axis and wherein followed by one or more further Wellenachsenlagen determinations using the aforementioned tracking of the image pickup device along its optical axis on the basis of the previous preliminary wave-axis position determination.

Method according to claim 1, characterized in that the image recording device ( 16 ) during the recording of the plurality of images ( 25 ) along a plane perpendicular to its optical axis ( 18 ) is tracked so that the displacement axis parallel to the displacement of the optical axis ( 18 ) to the reference point ( 22 ) of the shaft axis ( 14 ) is the same size for each shot.

Method according to claim 1, characterized in that the image recording device ( 16 ) while capturing the plurality of images ( 25 ) along two perpendicular to its optical axis ( 18 ) is tracked so that the image pickup device ( 16 ) with each shot the same position relative to the reference point ( 22 ) of the shaft axis ( 14 ) occupies.