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Die Erfindung betrifft einen Kalibrierkörper der Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art zur Kalibrierung eines nach dem Schattenprojektionsverfahrens arbeitenden und wenigstens drei Kameras aufweisenden Messgerätes hinsichtlich der Position der Kameras relativ zueinander.
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Zur berührungslosen Vermessung von Wellen sind optische Wellenmessgeräte bekannt, die nach dem Schattenprojektionsverfahren arbeiten. Bei diesen Verfahren wird eine zu vermessende Welle mit einem Lichtstrahlenbündel aus einer Lichtquelle bestrahlt und die daraus resultierende Schattenprojektion der Welle mittels wenigstens einer Kamera erfasst. Das erfasste Schattenprojektionsbild wird mit Verfahren der Bildverarbeitung in die Geometrie der Welle kennzeichnende Messwerte umgesetzt. Bei Wellen geringen Durchmessers kann es hierbei ausreichend sein, ein einzelne Kamera zu verwenden. Demgegenüber ist es bei Wellen größeren Durchmessers erforderlich, mehrere Kameras zu verwenden, die parallel zur Radialrichtung der Welle zueinander beabstandet sind. Bei der Verwendung von zwei oder mehreren Kameras ist es naturgemäß nicht möglich, die Detektorflächen der Kameras parallel zur Radialrichtung der Welle lückenlos aneinander anschließen zu lassen. Um die Welle gleichwohl lückenlos vermessen zu können, kann beispielsweise eine Anordnung aus drei Kameras verwendet werden, von denen zwei im Abstand zueinander angeordnet sind und die dritte versetzt angeordnet ist, so dass sich die Detektorflächen der Kameras überlappen und so eine parallel zur Radialrichtung lückenlose Vermessung der Welle ermöglicht ist.
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Aufgrund von thermischen Einflüssen und anderen Effekten kommt es bei einer derartigen Anordnung ständig zu geringfügigen relativen Verschiebungen der Kameras zueinander. Um eine hierdurch hervorgerufene Verfälschung der Messwerte zu vermeiden, ist es erforderlich, das Wellengerät hinsichtlich der tatsächlichen Position der Kameras relativ zueinander zu kalibrieren. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, die Kalibrierung mittels eines in dem Wellenmessgerät fest installierten Kalibrierkörpers vor jeder Messung durchzuführen.
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Es ist ein Kalibrierkörper zur Kalibrierung eines nach dem Schattenprojektionsverfahrens arbeitenden und wenigstens drei Kameras umfassenden Wellenmessgerätes hinsichtlich der Position der Kameras relativ zueinander bekannt, der einen scheibenförmigen Grundkörper aufweist, der eine Achse definiert, die in Montageposition des Kallibrierkörpers mit der Rotationssymmetrieachse einer zu vermessenden Welle zusammenfällt. Hierbei weist der Kalibrierkörper beispielsweise und insbesondere eine im Wesentlichen rotationssymetrische Grundform auf, wobei der Grundkörper in Radialrichtung gestuft ausgebildet ist zur Bildung wenigstens einer radialen Antastkante. Die so gebildete radiale Antastkante bzw. radialen Antastkanten können während des Kalibriervorgangs mit den Kameras angetastet werden. Da die Form des Kalibrierkörpers bekannt ist, kann durch Auswertung der während des Kalibriervorgangs gewonnenen Messwerte festgestellt werden, ob und in welchem Maße sich die drei Kameras relativ zueinander bewegt haben. Anhand der so gewonnenen Kalibrierungsdaten können dann die den Kameras zugrundeliegenden Koordinatensysteme so einander nachgeführt werden, dass Messfehler zuverlässig vermieden sind. Da eine Bewegung der Kameras sowohl in z-Richtung, also in Axialrichtung der Welle bzw. des Kalibrierkörpers, als auch in x-Richtung parallel zur Radialrichtung auftreten können, ist eine Kalibrierung in beiden Richtungen erforderlich. Hierbei erfolgt die Kalibrierung paralel zur Radialrichtung durch optische Antastung der radialen Antastkante bzw. Antastkanten. Die Kalibrierung in Axialrichtung, also in z-Richtung erfolgt, an den Flanken des Grundkörpers.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kalibrierkörper der im Oberbegriff des Anspruch 1 genannten Art anzugeben, der eine Kalibrierung mit höherer Genauigkeit ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.
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Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass eine Antastung an den Flanken des Kalibrierkörpers, also an dessen axial ausgerichteten Flächen, nur mit geringer Sehnenlänge möglich ist, also nur auf einem kurzen Abschnitt mit wenigen Antastpunkten. Gleichzeitig ist diese Fläche verschmutzungsgefährdet, so dass insgesamt eine relativ große Antastunsicherheit entsteht.
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Zur Verbesserung der Antastsicherheit sieht die Erfindung vor, dass der gestufte Grundkörper zur Bildung wenigstens einer axialen Antastkante mit wenigstens einem axialen Antastvorsprung versehen ist. Beispielsweise und insbesondere kann der axiale Antastvorsprung oder können die axialen Antastvorsprünge stegartig ausgebildet sein und sich in Radialrichtung des vorzugsweise eine im Wesentlichen rotationssymmetrische Grundform aufweisenden Grundkörpers erstrecken, wobei die Ausdehnung des jeweiligen Antastvorsprungs quer zu seiner Längsrichtung gering ist. Auf diese Weise ist eine klar definierte axiale Antastkante geschaffen, die mit großer Antastsicherheit von den Kameras optisch angetastet werden kann, und zwar innerhalb der Schärfentiefe des Kameraobjektivs.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass eine Antastkante, die also quer zur Längsausdehnung des Antastvorsprungs nur eine geringe Ausdehnung aufweist, wesentlich verschmutzungsunanfälliger ist als die bei einem Kalibrierkörper gemäß dem Stand der Technik verwendete axial gerichtete Fläche. Dieser Vorteil ist umso wesentlicher, als der Kalibrierkörper in der Regel im unteren Bereich des Wellenmessgerätes angeordnet ist und die zur Antastung während der Kalibrierung verwendeten Flächen somit nach oben weisen, so dass sie besonders verschmutzungsanfällig sind.
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Die Erfindung verbessert im Ergebnis die Kalibriergenauigkeit bei Verwendung des erfindungsgemäßen Kalibrierkörpers, so dass durch Kalibrierungenauigkeiten hervorgerufene Messfehler zuverlässig vermieden sind und damit im Ergebnis die Messgenauigkeit erhöht ist.
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Ein erfindungsgemäßes Wellenmessgerät, das einen erfindungsgemäß ausgebildeten Kalibrierkörper aufweist, ist im Anspruch 2 angegeben.
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Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kalibrierkörpers bzw. des erfindungsgemäßen Wellenmessgerätes sind in Unteransprüchen 3 bis 11 angegeben.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der oder jede Antastvorsprung in Umfangsrichtung des Grundkörpers schmal ausgebildet ist. Auf diese Weise ist die Gefahr verringert, dass sich an dem Antastvorsprung Verschmutzungen ansammeln. Diese Gefahr ist umso geringer, je schmaler der Antastvorsprung und damit die durch denselben gebildete Antastkante in Umfangrichtung des Grundkörpers ist.
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Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfidung sieht vor, dass die Längsausdehnung des oder jedes Antastvorsprungs in Radialrichtung des Grundkörpers verläuft. Bei dieser Ausführungsform verläuft der oder jeder Antastvorsprung, eine entsprechende Ausrichtung des Kalibrierkörpers zu den Kameras während der Kalibrierung vorausgesetzt, die jedoch ohne weiteres gewährleistet werden kann, parallel zur Schärfenebene der Kameras.
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Form, Größe und Ausgestaltung des oder jedes Antastvorsprungs sind innerhalb weiter Grenzen wählbar. Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der oder jeder Antastvorsprung stegartig oder messerartig ausgebildet ist. Eine messerartige Ausbildung des Antastvorsprunges hat den Vorteil, dass eine Ansammlung von Verschmutzungen an dem Antastvorsprung nahezu ausgeschlossen ist, während eine stegartige Ausbildung den Vorteil hat, dass sie bei der Fertigung des Kalibrierkörpers fertigungstechnisch einfacher umsetzbar ist.
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Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Grundkörper eine radial innere erste und eine radial äußere zweite Stufe aufweist. Bei dieser Ausführungsform liegt die radial innere erste Stufe somit näher an der Achse des Grundkörpers, die in Montageposition des Kallibrierkörpers mit der Rotationssymmetrieachse einer zu vermessenden Welle zusammenfällt, während die radial äußere zweite Stufe bezogen auf die Achse weiter außen liegt. Hat der Grundkörper eine im Wesentlichen rotationssymmetrische Grundform, so kann bei einer aus drei Kameras bestehenden Anordnung die durch die erste Stufe gebildete radiale Antastkante von der mittleren der drei Kameras angetastet werden, während die durch die zweite Stufe gebildete radiale Antastkante beiderseits der Achse von den beiden äußeren Kameras angetastet wird. Durch Antastung der Stufen ist eine Kalibrierung in Bezug auf die relative Position der Kameras parallel zur Radialrichtung ermöglicht.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der vorhergehenden Ausführungsform sieht vor, dass auf der ersten Stufe wenigstens ein erster axialer Antastvorsprung gebildet ist. Dieser erste axiale Antastvorsprung kann bei der zuvor geschilderten Konstellation mittels der mittleren von drei Kameras angetastet werden.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der vorgenannten Ausführungsform sieht vor, dass auf beiden Seiten der Achse jeweils ein erster axialer Antastvorsprung gebildet ist.
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Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist wenigstens ein zweiter axialer Antastvorsprung vorgesehen, der sich beabstandet zu der radial äußeren zweiten Stufe in Richtung auf den freien Rand des Grundkörpers erstreckt. Ist beiderseits der Drehachse ein zweiter axialer Antastvorsprung vorgesehen, so können die beiderseits der Drehachse liegenden Antastvorsprünge mittels der beiden äußeren Kameras in einer aus drei Kameras bestehenden Anordnung angetastet werden. Aufgrund des Abstandes des jeweiligen zweiten axialen Antastvorsprunges zu der radial äußeren Stufe kann letztere klar definiert angetastet werden, so dass im Ergebnis eine Kalibrierung hinsichtlich der relativen Position der drei Kameras zueinander mit besonders hoher Genauigkeit ausgeführt werden kann.
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Erfindungsgemäß kann der oder jeder Antastvorsprung grundsätzlich durch ein separates, mit dem gestuften Grundkörper verbundenes Bauteil gebildeten sein. Um die Fertigung des Kalibrierkörpers zu erleichtern, sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vor, dass der oder jeder Antastkörper einstückig mit dem Grundkörper ausgebildet ist.
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Grundsätzlich kann der scheibenförmige Grundkörper eine beliebig geeignete Grundform aufweisen, beispielsweise eine quadratisch oder rechteckig begrenzte Grundform. Zweckmäßigerweise weist der Grundkörper jedoch eine zu der Achse im Wesentlichen rotationssymmetrische Grundform auf. Auf diese Weise ist einerseits die Herstellung des Kalibrierkörpers vereinfacht. Zum anderen trägt eine rotationssymmetrische Grundform der Tatsache Rechnung, dass der Kalibrierkörper in der Regel drehfest mit der Drehachse, der um die zu vermessende Welle während des Messvorganges gedreht wird, verbunden ist. Eine im Sinne der Erfindung im Wesentlichen rotationssymmetrische Grundform hat auch ein Grundkörper, dessen Fein- oder Grobform abschnittweise von der Rotationssymmetrie abweicht, beispielsweise ein Grundkörper, der Durchbrüche, Bohrungen, radiale Abflachungen oder dergleichen aufweist.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Kalibrierung eines Wellenmessgerätes ist im Anspruch 12 angegeben und dadurch gekennzeichnet, dass ein Kalibrierkörper gemäß einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 11 verwendet wird.
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Eine erfindungsgemäße Verwendung ist im Anspruch 13 angegeben.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte, schematisierte Zeichnung näher erläutert, in der ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kallibrierkörpers dargestellt ist. Dabei bilden alle beschriebenen, in der Zeichnung dargestellten und in den Patentansprüchen beanspruchten Merkmale für sich genommen sowie in beliebiger geeigneter Kombination miteinander den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung und in den Patentansprüchen deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Beschreibung bzw. Darstellung in der Zeichnung. Zum Offenbarungsgehalt der Anmeldung gehören auch Unterkombinationen der unabhängigen Ansprüche, bei denen einzelne Merkmale des jeweiligen Anspruchs weggelassen oder durch andere Merkmale ersetzt sind.
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Es zeigt:
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1 eine schematische Darstellung eines nach dem Schattenprojektionsverfahren arbeitenden Wellenmessgerätes,
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2 eine Perspektivansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kallibrierkörpers, und
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3 eine Radialansicht des Kallibrierkörpers gemäß 2
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In 1 ist stark schematisiert der Aufbau eines nach dem Schattenprojektionsverfahren arbeitenden Wellenmessgerätes dargestellt. Das Wellenmessgerät weist einen Grundkörper 4 auf, an dem zur drehbaren Einspannung und Lagerung einer zu vermessenden Welle 6 ein Spindelstock und ein Reitstock angeordnet sind. Zur Vermessung wird die Welle eingespannt und während des Messvorganges um ihre Rotationssymmetrieachse, die in der Zeichnung der z-Achse entspricht, gedreht.
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Zur berührungslosen optischen Vermessung der Welle 6 nach dem Schattenprojektionsverfahren ist eine Lichtquelle 8 vorgesehen, die die zu vermessende Welle 6 mit einem Lichtstrahlenbündel 10 bestrahlt. Die dabei entstehende Schattenprojektion der jeweiligen axialen Stelle der Welle 6 wird mittels einer Kameraanordnung aufgenommen, die in 1 lediglich schematisch angedeutet ist. Entsprechende Schattenprojektionsverfahren sind dem Fachmann allgemein bekannt und werden daher hier nicht näher erläutert.
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Die von der Kamera aufgenommenen Daten bilden die Form der Welle 6 in deren Radialrichtung ab, die in 1 der x-Richtung entspricht. Um die Welle in Umfangsrichtung abzutasten, wird diese um die Drehachse, also die Rotationssymmetrieachse, gedreht und die dabei von der Kameraanordnung 12 aufgenommenen Bilder in einem Speicher gespeichert, so dass nach einer Drehung von 360 Grad die Kontur der Welle rekonstruiert werden kann. Um die Welle 6 entlang ihrer Axialrichtung, also in z-Richtung abzutasten, sind die Lichtquelle 8 und die Kameraanordnung 12 relativ zu der Welle 6 verfahrbar.
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Um auch Wellen größeren Durchmessers vermessen zu können, weist die Kameraanordnung 12 wenigstens drei Kameras auf, die in x-Richtung, also parallel zur Radialrrichtung der Welle 6, aufeinanderfolgend angeordnet sind. Da die Detektionsflächen der Kameras naturgemäß nicht lückenlos aneinander anschließen können, kann beispielsweise eine Anordnung verwendet werden, bei der die bezogen auf die Drehachse äußeren radialen Bereiche der Welle mit zwei äußeren Kameras erfasst werden, die in x-Richtung zueinander beabstandet angeordnet sind, während der radiale Bereich der Drehachse durch eine dritte Kamera erfasst wird, wie dies weiter unten anhand von 3 näher erläutert wird.
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Anhand der 2 und 3 wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kallibrierkörpers näher erläutert.
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Die 2 und 3 zeigen ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kalibrierkörpers 14 zur Kalibrierung eines nach dem Schattenprojektionsverfahrens arbeitenden und wenigstens drei Kameras aufweisenden Wellenmessgerätes hinsichtlich der Positionen der Kameras relativ zueinander. Der Kalibrierkörper 14 weist einen scheibenförmigen Grundkörper 16 auf, der eine in Figur durch ein strichpunktierte Linie symbolisierte Achse 18 definiert, die in Montageposition des Kalibrierkörpers 14 in dem Wellenmessgerät 2 mit einer Rotationssymmetrieachse einer zuvermessenden Welle zusammenfällt. Die im Kontext der Erfindung verwendeten Begriffe "Axialrichtung", "Radialrichtung" und "Umfangsrichtung" beziehen sich auf die Achse 18.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Grundkörper 16 eine zu der Achse 18 im Wesentlichen rotationssymmetrische Grundform auf und ist entsprechend der gewünschten Kalibriergenauigkeit hochpräzise aus Metall gefertigt und feinbearbeitet. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, ist der Grundkörper 16 in Radialrichtung gestuft ausgebildet zur Bildung wenigstens einer radialen Antastkante.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Grundkörper eine radial innere erste Stufe 20 und eine radial äußere zweite Stufe 22 auf.
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In 3 ist die Kameraanordnung 12 schematisch angedeutet. Durch drei mit strichpunktierten Linien ausgeführte Rechtecke ist symbolisiert, dass die Kameraanordnung 12 zwei äußere Kameras 24, 26 und eine innere Kamera 28 aufweist, wobei zur in Radialrichtung vollständigen und lückenlosen Vermessung der Welle 6 sich die Detektorflächen der Kameras 24–28 in x-Richtung bzw. Radialrichtung überlappen, wie in 3 angedeutet.
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Wie aus 3 ersichtlich, erfasst in Radialrichtung gesehen die innere Kamera 28 den radial inneren Bereich des Kalibrierkörpers 14 im Bereich der Achse 18, während die äußeren Kameras 24, 26 die radial äußeren Bereiche des Kalibrierkörpers 14 erfassen. Die erste Stufe 20 bildet radiale Antastkanten 30, 30´, die während des Kalibriervorganges von der Kamera 28 angetastet werden können. In hierzu entsprechender Weise bildet die zweite Stufe 22 radiale Antastkanten 32, 32´, die mittels der Kameras 24 bzw. 26 angetastet werden können.
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Während des Kalibriervorganges werden die radialen Antastkanten 30, 30' bzw 32, 32' von den Kameras 28 bzw. 24, 26 angetastet und entsprechende Bilder aufgenommen. Da die Form des Kalibrierkörpers 14 und damit die radiale Position der Antastkanten 30, 30' relativ zu den Antastkanten 32, 32' genau bekannt ist, kann auf diese Weise die exakte Position der Kameras 24 bis 28 relativ zueinander in x-Richtung exakt ermittelt werden, so dass das Wellenmessgerät 2 auf diese Weise hinsichtlich der tatsächlichen Position der Kameras 24 bis 28 in x-Richtung kalibriert werden kann.
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Erfindungsgemäß ist der gestufte Grundkörper 16 zur Bildung wenigstens einer axialen Antastkante mit wenigstens einem axialen Antastvorsprung versehen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist auf der ersten Stufe beiderseits der Achse 18 jeweils ein erster axialer Antastvorsprung 34, 34' gebildet. Die dadurch gebildeten axialen Antastkanten sind mit den Bezugszeichen 35, 35´ versehen. Ferner ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel beiderseits der Achse jeweils ein zweiter axialer Antastvorsprung 36, 36' vorgesehen, der sich beabstandet zu der radial äußeren Stufe 22 in Richtung auf den freien Rand 38 des Grundkörpers 16 erstreckt. Die hierdurch gebildeten axialen Antastvorsprünge (40, 40´) sind (vgl. 2) in Umfangsrichtung des Grundkörpers 16 schmal ausgebildet. Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, ist ihre Ausdehnung quer zu ihrer Längsrichtung wesentlich geringer als die Ausdehnung in Längsrichtung, so dass jeweils eine schmale und damit klar definierte Antastkante gebildet ist. Wie ferner insbesondere aus 2 ersichtlich ist, verlaufen die axialen Antastvorsprünge 34, 34' und 36, 36' bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel in Radialrichtung des Grundkörpers 16 und sind stegartig ausgebildet.
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Während des Kalibriervorganges werden die durch die axialen Antastvorsprünge 36, 36' gebildeten axialen Antastkanten 40, 40´ von den Kameras 24 und 26 und die durch die axialen Antastvorsprünge 34, 34' gebildeten axialen Antastkanten 35, 35´ durch die Kamera 28 angetastet. Da die Lage der axialen Antastkanten 35, 35´, 40, 40´ in Axialrichtung (z-Richtung) aus der Form des Kalibrierkörpers 14 bekannt ist, kann aus den auf diese Weise während des Kalibriervorganges gewonnenen Daten die Position der Kameras 24 bis 28 relativ zueinander in Axialrichtung (z-Richtung) exakt ermittelt werden, so dass das Wellenmessgerät 2 entsprechend kalibriert werden kann.
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Aufgrund der in Umfangsrichtung geringen axialen Ausdehnung der axialen Antastvorsprünge 34, 34' und 36, 36' ist die Gefahr, dass sich an denselben Verschmutzungen anlagern, relativ gering. Die Kalibriergenauigkeit in z-Richtung ist damit deutlich erhöht. Im Ergebnis ist aufgrund der erhöhten Kalibriergenauigkeit auch die Messgenauigkeit erhöht, selbst wenn es aufgrund von thermischen oder anderen Einflüssen zu einer Verschiebung der Kameras 24–28 relativ zueinander kommt.
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Der Kalibrierkörper 14 kann fest in das Wellenmessgerät 2 integriert sein. Er kann jedoch auch austauschbar ausgebildet sein. Beispielsweise und insbesondere kann bei einem fest integrierten Kalibrierkörper 14 die Kalibrierung vor jedem Messvorgang ausgeführt werden, so dass eine besonders hohe Messgenauigkeit gewährleistet ist.
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Falls zur Vermessung Wellen größeren Durchmessers mehr als drei Kameras verwendet werden und dementsprechend die zusätzlichen Kameras in die Kalibrierung einzubeziehen sind, können zwei oder mehrere erfindungsgemäße Kalibrierkörper kaskadiert und in Axialrichtung hintereinander angeordnet werden, um zusätzliche radiale und axiale Antastkanten zu bilden, mittels derer die zusätzlichen Kameras in der zuvor beschriebenen Weise in die Kalibrierung hinsichtlich Ihrer Relativposition einbezogen werden. Alternativ kann auch ein einzelner Kalibrierkörper verwendet werden, an dem erfindungsgemäß soviele axiale und radiale Antastkanten vorgesehen sind, wie zur Einbeziehung sämtlicher Kameras in die Kalibrierung erforderlich sind.
