DE102015012730A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Positionsermittlung eines Werkstückes - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Positionsermittlung eines Werkstücks (2) mit einem optischen Sensor (1.1) und einem zur Berührung einer Oberfläche des Werkstücks (2) ausgebildetes Tastelement (1.2), wobei das Tastelement (1.2) gegenüber dem optischen Sensor (1.1) axial verschiebbar ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Tastelement (1.2) und der optische Sensor (1.1) in einem eine Druckkammer (1.3.2) aufweisenden Gehäuse (1.3) angeordnet sind, wobei – eine axiale Position des Tastelements (1.2) relativ zum optischen Sensor (1.1) durch eine Druckänderung in der Druckkammer (1.3.2) veränderbar ist und – eine Position des Werkstücks (2) anhand eines Abstands zwischen dem Tastelement (1.2) und dem optischen Sensor (1.1) ermittelbar ist, wenn das Tastelement (1.2) die Oberfläche des Werkstücks (2) berührt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Positionsermittlung eines Werkstücks gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Positionsermittlung eines Werkstücks mit einer solchen Vorrichtung.
  • Aus dem Stand der Technik ist, wie in WO 02/25206 A1 beschrieben, eine Anordnung zum optotaktilen Messen von Strukturen eines Objektes mittels eines Koordinatenmessgerätes bekannt, welche einen Taster mit einer zumindest endseitig biegeelastischen Tasterverlängerung mit von dieser ausgehendem, das Objekt antastenden Tastelement umfasst. Um im erforderlichen Umfang die Struktur eines Objektes mit hoher Genauigkeit messen zu können, ist vorgesehen, dass der optische Sensor und der Taster in einer Einheit integriert sind oder eine solche bilden.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Vorrichtung zur Positionsermittlung eines Werkstücks sowie ein geeignetes Verfahren zur Positionsermittlung eines Werkstücks mit einer solchen Vorrichtung anzugeben.
  • Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß mit den in Anspruch 4 angegebenen Merkmalen gelöst.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Eine Vorrichtung zur Positionsermittlung eines Werkstücks umfasst einen optischen Sensor und ein zur Berührung einer Oberfläche des Werkstücks ausgebildetes Tastelement, wobei das Tastelement gegenüber dem optischen Sensor axial verschiebbar ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Tastelement und der optische Sensor in einem eine Druckkammer aufweisenden Gehäuse angeordnet sind, wobei eine axiale Position des Tastelements relativ zum optischen Sensor durch eine Druckänderung in der Druckkammer veränderbar ist und wobei eine Position des Werkstücks anhand eines Abstands zwischen dem Tastelement und dem optischen Sensor ermittelbar ist, wenn das Tastelement die Oberfläche des Werkstücks berührt.
  • Die Vorrichtung ermöglicht eine zuverlässige Ermittlung einer Position des Werkstücks relativ zur Vorrichtung, da ein Abstand zwischen dem Werkstück und der Vorrichtung anhand eines Abstands zwischen dem optischen Sensor und dem Tastelement ermittelbar ist. Somit kann auch unabhängig von einer Oberflächenbeschaffenheit des Werkstücks und einer Ausrichtung des Werkstücks relativ zur Vorrichtung ein genaues und zuverlässiges Messergebnis erzielt werden. Des Weiteren ermöglicht die Vorrichtung zuverlässige Messergebnisse, auch wenn sich das Werkstück in einem Wirkbereich eines elektromagnetischen Felds befindet. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn zur Bearbeitung von Werkstücken eine induktive Erwärmung vorgenommen wird.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
  • Dabei zeigen:
  • 1 schematisch eine aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtung mit einem optischen Sensor zur Positionsermittlung eines Werkstücks im Wirkbereich eines elektromagnetischen Felds und ein Werkstück mit einem gleichmäßigen Oberflächenverlauf,
  • 2 schematisch die Vorrichtung gemäß 1 und ein Werkstück mit einem ungleichmäßigen Oberflächenverlauf,
  • 3 schematisch die Vorrichtung gemäß 1 und ein Werkstück mit einem gleichmäßigen Oberflächenverlauf, wobei die Oberfläche in einem Winkel von größer als 90 Grad zur Strahlungsrichtung eines Messsignals des optischen Sensors ausgerichtet ist,
  • 4 schematisch ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung mit einem optischen Sensor und einem Tastelement zur Positionsermittlung eines Werkstücks im Wirkbereich eines elektromagnetischen Felds und ein Werkstück mit einem ungleichmäßigen Oberflächenverlauf,
  • 5 schematisch die Vorrichtung und das Werkstück gemäß 4, wobei sich das Tastelement in einer Initialposition befindet,
  • 6 schematisch die Vorrichtung und das Werkstück gemäß 4, wobei sich das Tastelement in einer Messposition befindet, und
  • 7 schematisch die Vorrichtung gemäß 4 und ein Werkstück mit einem gleichmäßigen Oberflächenverlauf, wobei die Oberfläche in einem Winkel von größer als 90 Grad zur Strahlungsrichtung eines Messsignals des optischen Sensors ausgerichtet ist.
  • Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • 1 zeigt eine aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtung 1 zur Positionsermittlung eines Werkstücks 2 relativ zur Vorrichtung 1.
  • Die Vorrichtung 1 umfasst einen optischen Sensor 1.1, welcher im vorliegenden Ausführungsbeispiel als ein faseroptischer Sensor ausgebildet ist, der wenigstens eine lichtleitende Faser 1.1.1 mit einer Lichtaustrittsfläche A, einen optischen Sender 1.1.2 und einen optischen Empfänger 1.1.3 (stark vereinfacht und semitransparent dargestellt) aufweist.
  • Der optische Sender 1.1.2 koppelt ein optisches Signal S in die lichtleitende Faser 1.1.1 ein, welches entlang der lichtleitenden Faser 1.1.1 geführt wird und an der Lichtaustrittsfläche A aus der lichtleitenden Faser 1.1.1 austritt. Das optische Signal S tritt dabei senkrecht zur Lichtaustrittsfläche A in Richtung des Werkstücks 2 aus und wird von einer Oberfläche des Werkstücks 2 reflektiert.
  • Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden optische Signale S senkrecht zur Lichtaustrittsfläche A aus der lichtleitenden Faser 1.1.1 ausgekoppelt und treffen senkrecht auf die Oberfläche des Werkstücks 2 auf. Da das gezeigte Werkstück 2 eine gleichmäßige, glatte Oberfläche aufweist, werden die reflektierten optischen Signale S' gemäß dem Reflexionsgesetz, welches besagt, dass der Reflexionswinkel und der Einfallswinkel gleich groß sind, senkrecht zur Oberfläche des Werkstücks 2 reflektiert.
  • Die reflektierten optischen Signale S' treten senkrecht zur Lichtaustrittsfläche A in die lichtleitende Faser 1.1.1 ein, so dass die Lichtaustrittsfläche A gleichzeitig eine Lichteintrittsfläche für die reflektierten optischen Signale S' bildet.
  • Die in die lichtleitende Faser 1.1.1 eingekoppelten reflektierten optischen Signale S' werden nun in umgekehrter Richtung in der lichtleitenden Faser 1.1.1 zum optischen Empfänger 1.1.3 geführt, welcher die Informationen der reflektierten optischen Signale S' auswertet. Hierbei wird zur Positionsermittlung des Werkstücks 2 eine Dämpfung, Phasenverschiebung oder auch ein Interferenzmuster der reflektierten optischen Signale S' ausgewertet. Alternativ können auch andere optische Wegmessungen, z. B. eine Laufzeitmessung, durchgeführt werden.
  • Das Werkstück 2 ist beispielsweise eine Fahrwerkkomponente, z. B. ein Bremsklotz, welches im Rahmen eines Bearbeitungsprozesses induktiv erwärmt wird oder welches sich in der Nähe anderer Bauteile befindet, die induktiv erwärmt werden. Hierbei entstehen elektromagnetische Felder F, deren Wirkbereich eine Auswerteelektronik der Vorrichtung 1 stören kann, so dass Messergebnisse verfälscht sind.
  • Weitere Probleme, welche zu einem verfälschten und/oder ungenauen Messergebnis führen können, betreffen eine Oberflächenbeschaffenheit des Werkstücks 2 und eine Ausrichtung des Werkstücks 2 relativ zur Lichtaustrittsfläche A der lichtleitenden Faser 1.1.1, wie es in den 2 und 3 gezeigt und beschrieben wird.
  • 2 zeigt dazu die Vorrichtung 1 gemäß der Beschreibung aus 1 und ein Werkstück 2 mit einem ungleichmäßigen, insbesondere rauen Oberflächenverlauf.
  • Hierbei werden die an der Oberfläche des Werkstücks 2 auftreffenden optischen Signale S diffus reflektiert, so dass ein Großteil der reflektierten optischen Signale S' nicht in die lichtleitende Faser 1.1.1 eingekoppelt werden und somit nicht mittels des optischen Empfängers 1.1.3 auswertbar sind. Dies kann zu Unsicherheiten bei der Positionsermittlung des Werkstücks 2 führen.
  • 3 zeigt die Vorrichtung 1 gemäß der Beschreibung aus 1 und ein Werkstück 2 mit einem gleichmäßigen Oberflächenverlauf, wobei die Oberfläche in einem Winkel von größer als 90 Grad zur Strahlungsrichtung der optischen Signale S ausgerichtet ist.
  • Hierbei tritt zwar keine diffuse Reflexion an der Oberfläche des Werkstücks 2 auf, allerdings werden die optischen Signale S derart reflektiert, dass die reflektieren optischen Signale S' nicht oder nur vereinzelt in die lichtleitende Faser 1.1.1 eingekoppelt werden.
  • Zur Lösung der aus dem Stand der Technik beschriebenen Probleme ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 vorgesehen, mittels welcher eine Position des Werkstücks 2 auch unter Wirkeinfluss eines elektromagnetischen Felds F sowie unabhängig von einer Oberflächenbeschaffenheit des Werkstücks 2 und einer Ausrichtung des Werkstücks 2 relativ zur Lichtaustrittsfläche A zuverlässig ermittelbar ist.
  • 4 zeigt ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer solchen Vorrichtung 1.
  • Die Vorrichtung 1 umfasst analog zum Stand der Technik die lichtleitende Faser 1.1.1, den optischen Sender 1.1.2 und den optischen Empfänger 1.1.3.
  • Zusätzlich zu den bereits aus dem Stand der Technik bekannten Komponenten umfasst die Vorrichtung 1 ein Tastelement 1.2, welches gemeinsam mit dem optischen Sensor 1.1 in einem Gehäuse 1.3 angeordnet und hierbei relativ zum optischen Sensor 1.1 axial bewegbar ist.
  • Das Tastelement 1.2 weist einen länglichen, im Wesentlichen stabförmigen Körper 1.2.1 auf, dessen stirnseitiges Ende 1.2.2, welches der Oberfläche des Werkstücks 2 abgewandt ist, im Querschnitt vergrößert ist. Weiterhin ist das Tastelement 1.2 aus einem nicht elektrisch leitfähigen Material, z. B. aus Keramik, gebildet, so dass ein gegebenenfalls vorhandenes elektromagnetisches Feld F, wie es beispielhaft in 4 dargestellt ist, keinen Einfluss auf eine Bewegung des Tastelements 1.2 ausübt.
  • Das Tastelement 1.2 ist weiterhin in einer in das Gehäuse 1.3 eingebrachten Führungsöffnung 1.3.1 bewegbar und dichtend angeordnet, wobei die Führungsöffnung 1.3.1 zwei Abschnitte 1.3.1.1, 1.3.1.2 aufweist, die im Durchmesser verschieden ausgebildet sind. Der Durchmesser des ersten Abschnitts 1.3.1.1 korrespondiert mit einem Durchmesser des verbreiterten stirnseitigen Endes 1.2.2 und der Durchmesser des zweiten Abschnitts 1.3.1.2 korrespondiert mit einem Durchmesser des stabförmigen Körpers 1.2.1. Dadurch ist innerhalb der Führungsöffnung 1.3.1 ein Hinterschnitt gebildet, welcher einen Anschlag für das Tastelement 1.2 bildet, so dass dieser verliersicher im Gehäuse 1.3 angeordnet ist.
  • Das Tastelement 1.2 ist weiterhin mit einem Federelement 1.4 gekoppelt, welches im vorliegenden Ausführungsbeispiel als eine Spiralfeder mit einer Mehrzahl von Wicklungen ausgebildet ist, wobei das Federelement 1.4 um den stabförmigen Körper 1.2.1 herum angeordnet ist. Dabei ist ein Ende des Federelements 1.4 mit dem Anschlag verbunden und das andere Ende des Federelements 1.4 ist mit dem stirnseitigen Ende 1.2.2 verbunden. Das Federelement 1.4 dient insbesondere einer Vorspannung des Tastelements 1.2 gegen den Anschlag in der Führungsöffnung 1.3.1, worauf im Folgenden näher eingegangen wird.
  • Zur axialen Bewegung des Tastelements 1.2 relativ zum optischen Sensor 1.1 weist das Gehäuse 1.3 eine Druckkammer 1.3.2 auf, die mit einer Öffnung 1.3.3 zur Zu- und Abführung von Druckluft versehen ist. In der Druckkammer 1.3.2 befindet sich außerdem die Lichtaustrittsfläche A der lichtleitenden Faser 1.1.1, welche senkrecht zum Tastelement 1.2 ausgerichtet ist. Die Führungsöffnung 1.3.1 ist mit der Druckkammer 1.3.2 verbunden, so dass beim Zuführen von Druckluft ein Druck in der Druckkammer 1.3.2 erhöht wird und das Tastelement 1.2 in Richtung des Werkstücks 2 bewegt wird bis dieses die Oberfläche des Werkstücks 2 berührt. Das Gehäuse 1.3 ist dazu vorzugsweise mediendicht, insbesondere gasdicht ausgeführt.
  • Bewegt sich das Tastelement 1.2 wie zuvor beschrieben auf die Oberfläche des Werkstücks 2 zu, wird das Federelement 1.4 gespannt. Das Tastelement 1.2 bewegt sich dann zurück in Richtung der Druckkammer 1.3.2, wenn die Federkraft des Federelements 1.4 die auf das Tastelement 1.2 wirkende Druckkraft überwindet. Dazu wird Druckluft aus der Druckkammer 1.3.2 abgeführt, wobei dies vorzugsweise automatisch mittels vorgegebener Regelung, z. B. mit einem nicht dargestellten Ventil, erfolgt.
  • Zur Positionsermittlung gemäß der Beschreibung aus 1 werden hierbei die optischen Signale S nicht auf die Oberfläche des Werkstücks 2 gesendet, sondern auf das stirnseitige Ende 1.2.2 des Tastelements 1.2. Da das Tastelement 1.2 seine axiale Position relativ zum optischen Sensor 1.1 in Abhängigkeit eines Abstands d des Werkstücks 2 zur Vorrichtung 1 ändert, kann anhand der Laufzeit der vom stirnseitigen Ende 1.2.2 reflektierten optischen Signale S' der Abstand d des Werkstücks 2 zur Vorrichtung 1 ermittelt werden.
  • Zur Kalibrierung der Vorrichtung 1 wird beispielsweise ein ideales Werkstück 2 hergestellt, welches einen gleichmäßigen Oberflächenverlauf sowie eine senkrechte Ausrichtung zur Strahlungsrichtung der optischen Signale S aufweist. Anschließend wird ein Abstand d des idealen Werkstücks 2 zur Vorrichtung 1 in der zuvor beschriebenen Art und Weise ermittelt.
  • Ist die Kalibrierung abgeschlossen, kann mittels der Vorrichtung 1 auch eine Positionsermittlung eines Werkstücks 2 mit einem ungleichmäßigen Oberflächenverlauf erfolgen, wie es beispielhaft in den nachfolgenden 5 und 6 beschrieben ist.
  • Die 5 und 6 zeigen dabei jeweils die Vorrichtung 1 gemäß 4 mit einem Werkstück 2 mit einem ungleichmäßigen Oberflächenverlauf, wobei das Tastelement 1.2 in 5 in einer Initialposition P1 und in 6 in einer Messposition P2 angeordnet ist.
  • In der in 5 gezeigten Initialposition P1 ist das Tastelement 1.2 beabstandet zur Oberfläche des Werkstücks 2 angeordnet und das stirnseitige Ende 1.2.2 schließt im Wesentlichen randseitig mit einem der Druckkammer 1.3.2 zugewandten Ende des ersten Abschnitts 1.3.1.1 ab. Das Federelement 1.4 ist entspannt.
  • In der in 6 gezeigten Messposition P2 berührt das Tastelement 1.2 die Oberfläche des Werkstücks 2 und das Federelement 1.4 ist entsprechend einer auf das Tastelement 1.2 wirkenden Druckkraft gespannt.
  • Die Druckkraft wird durch Erhöhung eines Drucks in der Druckkammer 1.3.2 auf das Tastelement 1.2 ausgeübt. Die Erhöhung des Drucks in der Druckkammer 1.3.2 wird durch Zuführung von Druckluft in die Druckkammer 1.3.2 über die Öffnung 1.3.3 erreicht, was im vorliegenden Ausführungsbeispiel mittels eines horizontalen Pfeils gekennzeichnet ist. Die axiale Bewegung des Tastelements 1.2 wird durch einen einseitigen vertikalen Pfeil veranschaulicht.
  • Des Weiteren kann mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 auch eine zuverlässige Positionsermittlung erfolgen, wenn das Werkstück 2 zwar einen gleichmäßigen Oberflächenverlauf aufweist, allerdings die Oberfläche in einem Winkel von größer als 90 Grad zur Strahlungsrichtung der optischen Signale S ausgerichtet ist, wie es beispielhaft in 7 gezeigt ist.
  • Dadurch, dass das Tastelement 1.2 nur axial bewegbar ist, bleibt eine Reflexionsfläche immer senkrecht zur Strahlungsrichtung der optischen Signale S ausgerichtet, so dass die Positionsermittlung unabhängig von einer Oberflächenbeschaffenheit des Werkstücks 2 und unabhängig von einer Ausrichtung des Werkstücks 2 zur Vorrichtung 1 durchführbar ist.
  • Darüber hinaus ist mittels der Vorrichtung 1 eine zuverlässige Positionsermittlung des Werkstücks 2 auch unter Wirkeinfluss elektromagnetischer Felder F durchführbar. Dies ist insbesondere dadurch möglich, dass die lichtleitende Faser 1.1.1 die optischen Signale S der Messstelle aus einem elektromagnetisch beeinflussten Bereich weit genug herausführt, wobei die lichtleitende Faser 1.1.1 nahezu unendlich lang sein kann. Die lichtleitende Faser 1.1.1 selbst wird vom elektromagnetischen Feld F nicht beeinflusst, so dass ein Schutzgehäuse für eine Auswerteelektronik nicht erforderlich ist.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 02/25206 A1 [0002]

Claims (5)

  1. Vorrichtung (1) zur Positionsermittlung eines Werkstücks (2) mit einem optischen Sensor (1.1) und einem zur Berührung einer Oberfläche des Werkstücks (2) ausgebildeten Tastelement (1.2), wobei das Tastelement (1.2) gegenüber dem optischen Sensor (1.1) axial verschiebbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Tastelement (1.2) und der optische Sensor (1.1) in einem eine Druckkammer (1.3.2) aufweisenden Gehäuse (1.3) angeordnet sind, wobei – eine axiale Position des Tastelements (1.2) relativ zum optischen Sensor (1.1) durch eine Druckänderung in der Druckkammer (1.3.2) veränderbar ist und – eine Position des Werkstücks (2) anhand eines Abstands zwischen dem Tastelement (1.2) und dem optischen Sensor (1.1) ermittelbar ist, wenn das Tastelement (1.2) die Oberfläche des Werkstücks (2) berührt.
  2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Tastelement (1.2) mit einem Federelement (1.4) gekoppelt ist, welches das Tastelement (1.2) in eine dem Werkstück (2) zugewandte Richtung vorspannt, wenn eine Bewegung des Tastelements (1.2) in Richtung des Werkstücks (2) erfolgt.
  3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Sensor (1.1) wenigstens eine lichtleitende Faser (1.1.1) mit einer Lichtaustrittsfläche (A), einen optischen Sender (1.1.2) zur Einkopplung optischer Signale (S) und einen optischen Empfänger (1.1.3) zum Empfang reflektierter optischer Signale (S') umfasst.
  4. Verfahren zur Positionsermittlung eines Werkstücks (2) mit einer Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei – die Vorrichtung (1) relativ zum Werkstück (2) positioniert wird, – ein Druck in der Druckkammer (1.3.2) durch Zuführung von Druckluft erhöht wird und daraus resultierend das Tastelement (1.2) axial in Richtung des Werkstücks (2) bewegt wird, bis dieses die Oberfläche des Werkstücks (2) berührt, – der optische Sensor (1.1) ein optisches Signal (S) in Richtung des Tastelements (1.2) aussendet, und – ein am Tastelement (1.2) reflektiertes optisches Signal (S') vom optischen Sensor (1.1) empfangen und ausgewertet wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Laufzeit des reflektierten optischen Signals (S') ermittelt wird, wobei anhand der Laufzeit eine Position des Werkstücks (2) relativ zur Vorrichtung (1) ermittelt wird.
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2002025206A1 (de) 2000-09-20 2002-03-28 Werth Messtechnik Gmbh Anordnung und verfahren zum opto-taktilen messen von strukturen

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