DE10329538A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung geometrischer Größen an im wesentlichen kreiszylinder- oder kreiskegelförmigen Objekten oder Objektteilen - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Erfassung der Geometrie eines rotationssymmetrischen Objekts (1) vorgestellt, bei dem eine Tasteinheit (3) auf zumindest einem Teil einer Kreisbahn geführt wird, während gleichzeitig ein Oberflächenbereich des Objekts abgetastet wird. Aus dem Wegverlauf eines von der Tasteinheit (3) auf der Objektoberfläche erzeugten Tastpunktes (7) sowie aus dem Radius der Kreisbahn der Tasteinheit (3) kann z. B. der Radius des Objekts (1) bestimmt werden.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung geometrischer Größen an im Wesentlichen kreiszylinder- oder kreiskegelförmigen Objekten oder Objektteilen sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, umfassend eine Tasteinheit und Mittel zur Erfassung des Wegverlaufs mindestens eines von der Tasteinheit auf der Objektoberfläche erzeugten Tastpunktes.
• Vorrichtungen der vorgenannten Art sind z.B. aus der Veröffentlichung von D. Morgenstern mit dem Titel „Sensoren ersetzen das Auge – optisch-physikalische Grenzen" Industneanzeiger 49/50, 1989, Seiten 22-24 bekannt. Darin ist z.B. offenbart, die Oberfläche von Objekten mit Hilfe optisch arbeitender Tasteinheiten abzutasten und über das Prinzip der Triangulation Informationen über Abstände oder die Geometrie der Objektoberfläche zu gewinnen. Bei derartigen Messungen ist es in der Regel erforderlich, die Position der Tasteinheit relativ zum Objekt genau zu bestimmen oder vorzugeben, um die gewünschten Messgenauigkeiten erreichen zu können. Des Weiteren sind für die Erfassung von Geometrien, z.B. eines Radius eines kreiszylinderförmigen Körpers, mehrere Messpunkte notwendig. Dies kann durch einen kostenträchtigen gleichzeitigen Einsatz mehrerer Sensoren oder durch eine geradlinige Bewegung der Tasteinheit relativ zur Objektoberfläche erreicht werden. Die präzise Erfassung von Stützstellen einer Messung auf einem rotationssymmetrischen Körper kann bei einer geradlinigen Bewegung der Messeinheit durch eine ungewollte Verkippung der Tasteinheit relativ zum Messobjekt erschwert werden. Zudem kann die gekrümmte Form der Objektoberfläche dazu führen, dass der Tastpunkt bei einer geradlinigen Bewegung der Tasteinheit aus dem Messbereich der Tasteinheit hinausgeführt wird. Hierdurch würde der geradlinige Erfassungsbereich auf der Messobjektoberfläche und damit die Anzahl der Messpunkte begrenzt. Dies ist nachteilig, da die Anzahl und die Genauigkeit der erfassten Stützstellen die erreichbare Genauigkeit der Radiusermittlung bestimmt.
• Es ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, mit der die Geometriefassung auf einfache und sehr zuverlässige Art und Weise durchgeführt werden kann.
• Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei dem mindestens eine Tasteinheit in mindestens einem Oberflächenbereich die Objektoberfläche abtastend auf zumindest einem Teil einer Kreisbahn geführt wird, der Wegverlauf mindestens eines von der Tasteinheit auf der Objektoberfläche erzeugten Tastpunktes in Abhängigkeit von der Position der Tasteinheit auf der Kreisbahn ermittelt wird und der von der Tasteinheit auf der Kreisbahn zurückgelegte Weg, der Wegverlauf des Tastpunktes sowie die Kreiszylinder- oder Kreiskegelform des Objekts oder Objektteils in die Berechnung der gesuchten geometrischen Größe(n) des Objekts oder Objektteils einbezogen wird.
• Im Falle einer Kreiszylinderform genügt es, zur Bestimmung des Radius an einer einzigen Messstelle eine Messung über eine Vielzahl von Messstützstellen entlang des Wegverlaufs des Tastpunktes durchzuführen, da der Wegverlauf für einen bestimmten Radius eindeutig ist. Im Falle einer Kreiskegelform sind hingegen zwei Messstellen notwendig, um den Radius in Abhängigkeit von der Kegelhöhe zu bestimmen. Die Messstelle darf dabei jeweils nur in einem im Wesentlichen allein kreiszylinderförmigen oder allein kreiskegelförmigen Bereich stattfinden. Bei komplexeren rotationssymmetrischen Objekten, die aus kreiszylinder- und kreiskegelförmigen Objektteilen zusammengesetzt sind, sind entsprechend der Anzahl der Objektteile mehrere Messstellen notwendig, um die Geometrie des kompletten Objekts zu ermitteln.
• Die Führung der Tasteinheit auf einer Kreisbahn hat den Vorteil, dass lediglich eine einzige Bewegungsachse, nämlich eine Drehachse, für die Tasteinheit benötigt wird. Die Kreisbewegung der Tasteinheit ermöglicht zudem eine hohe Zahl von präzise und schnell messbaren Messstützstellen entlang des Wegverlaufs des Tastpunktes. Gleichzeitig ist die Ausdehnung der Messstelle und mithin die Abstandsänderung zwischen Tasteinheit und Objektoberfläche während der Kreisbewegung klein. Auf Grund dessen wird der Tastpunkt während der Kreisbewegung im Messbereich der Tasteinheit gehalten, so dass bei optimaler Nutzung des Messbereichs der Tasteinheit eine große Messstützstellenanzahl bei gleichzeitig geringer Messunsicherheit ermöglicht wird. Geht man von einer kreiszylinderförmigen Objektoberfläche aus, genügt eine Messung entlang einer Kreisbahn oder auch nur eines Teils einer Kreisbahn, um den Radius des kreiszylinderförmigen Objekts zu bestimmen.
• Es ist nicht erforderlich, die Tasteinheit in einem bestimmten Abstand zum Objekt oder die Drehachse in einem ganz bestimmten Winkel z.B. zur Mittellängsachse des Objekts zu positionieren. Bei fester Beziehung der Ausrichtung der Drehachse der Tasteinheit zur Messrichtung der Tasteinheit, bevorzugt ist hier Parallelität, genügt es für die Messung an einer Messstelle, die relative Lage der Stützstellen zueinander zu bestimmen. Ein für die Messung verwendeter Algorithmus nutzt ein auf die Messvorrichtung bezogenes Koordinatensystem, womit die Messvorrichtung unempfindlich gegen Verkippung ist und eine flexible Messung eines breiten Spektrums von rotationssymmetrischen Körpern ermöglicht. Der zur Berechnung des Objektradius erforderliche Algorithmus zur Bestimmung des Radius eines kreiszylinderförmigen Körpers ergibt sich ohne weiteres u. a. aus dem bekannten fgcylinder-Algorithmus des National Physics Laboratory (NPL), Teddington, England.
• Aus diesem sowie auch aus weiteren Algorithmen des NPL lassen sich auch Algorithmen für komplexere Aufgabenstellungen modular zusammensetzen und an die jeweilige Problematik anpassen.
• Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch so ausgeführt werden, dass als Tasteinheit ein optischer Taster verwendet wird. Optische Taster bieten sich in besonderer Weise an, da hierdurch die Objektoberfläche nicht mechanisch belastet wird. Das erfindungsgemäße Prinzip ist aber auch mit mechanisch arbeitenden Methoden durchführbar. In diesem Fall müsste der mechanische Taster jedoch noch in einer zur Schwenkachse parallelen Richtung verfahrbar oder beweglich sein, damit er während der Kreisbewegung der Tasteinheit der Objektoberfläche folgen kann.
• Das erfindungsgemäße Verfahren kann schließlich auch so ausgeführt werden, dass der optische Taster auf dem Prinzip der Triangulation beruht.
• Die vorgenannte Aufgabe wird mit einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Tasteinheit zur Bewegung entlang zumindest eines Teils einer Kreisbahn um eine Schwenkachse schwenkbar ist, Mittel zur Erfassung der Positionen der Tasteinheit auf der Kreisbahn und Mittel zur Berechnung der zur gesuchten geometrischen Größe(n) unter Berücksichtigung der Kreisbahn, des Wegverlaufs des Tastpunktes und der Kreiszylinder- oder Kegelzylinderform des Objekts oder Objektteils vorgesehen sind.
• Weitere Ausbildungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich insbesondere aus den Ansprüchen 6 und 7. Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie ein Ausbildungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind im Folgenden anhand einer Figur dargestellt.
• Die einzige Figur zeigt ein kreiszylinderförmiges Objekt 1, dessen Außendurchmesser bestimmt werden soll. Eine Messvorrichtung 2 umfasst eine optische Tasteinheit 3, die auf dem Prinzip der Triangulation beruht. Die Tasteinheit 3 ist an einer Rotationseinheit 4 fixiert, deren Drehachse 5 im Wesentlichen parallel zur Richtung eines hier nicht dargestellten Messstrahls der optischen Tasteinheit 3 ist. Der Tasteinheit 3 gegenüberliegend ist an der Rotationseinheit 4 des Weiteren eine Ausgleichsmasse 6 fixiert, damit die Rotationseinheit 4 ohne Unwucht drehbar ist.
• Durch eine Drehung der Rotationseinheit 4 um die Drehachse 5 wird die Tasteinheit 3 auf einer Kreisbahn bewegt. Der rechnergesteuerte Motor zum Antrieb der Rotationseinheit 4 ist nicht dargestellt. Aufgrund der Kreisbewegung der Tasteinheit 3 bewegt sich der durch den nicht dargestellten Messstrahl erzeugte Tastpunkt 7 entlang eines Weges 8, dessen Verlauf im dreidimensionalen Raum durch den Radius der Kreisbewegung der Tasteinheit 3 sowie durch den Außenradius des Objekts 1 bestimmt wird. Der Wegverlauf des Tastpunktes 7 wird in Abhängigkeit von der Position der Tasteinheit 3 auf ihrer Kreisbahn mittels Triangulation an einer zu bestimmenden Anzahl von Messstützstellen erfasst. Aufgrund der Vorgabe, dass die äußere Mantelfläche des Objekts kreiszylinderförmig ist sowie aus der bekannten Kreisbahn der Tasteinheit 3 lässt sich der Außenradius des Objekts 1 unter Einsatz einer hier nicht dargestellten Datenverarbeitungseinheit mittels bekannter Algorithmen ermitteln. Dabei ist auch unerheblich, welche Lage die Drehachse 5 der Rotationseinheit 4 relativ zum Objekt 1 aufweist, solange der Tastpunkt 7 eine hinreichende Wegstrecke 8 auf dem Objekt zurücklegt.
• Auf diese Weise ist eine sehr schnelle Durchmesserbestimmung möglich, da aufwändige Kalibrierungen, z.B. in Bezug auf die Ausrichtung der Messvorrichtung 2 zum Objekt 1, in der Regel nicht notwendig sind.

1

Objekt

2

Messungsvorrichtung

3

Tasteinheit

4

Rotationseinheit

5

Drehachse

6

Ausgleichsmaße

7

Tastpunkt

8

Weg

Claims (7)

1. Verfahren zur Erfassung geometrischer Größen an im Wesentlichen kreiszylinder- oder kreiskegelförmigen Objekten oder Objektteilen (1), bei dem mindestens eine Tasteinheit (3) in mindestens einem Oberflächenbereich die Objektoberfläche abtastend auf zumindest einem Teil einer Kreisbahn geführt wird, der Wegverlauf mindestens eines von der Tasteinheit (3) auf der Objektoberfläche erzeugten Tastpunktes (7) in Abhängigkeit von der Position der Tasteinheit (3) auf der Kreisbahn ermittelt wird und der von der Tasteinheit (3) auf der Kreisbahn zurückgelegte Weg (8), der Wegverlauf des Tastpunktes (7) sowie die Kreiszylinder- oder Kegelzylinderform des Objekts (1) oder Objektteils in die Berechnung der gesuchten geometrischen Größe(n) des Objekts (1) oder Objektteils einbezogen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Radius einer kreiszylinderförmigen Objektoberfläche ermittelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Tasteinheit (3) ein optischer Taster verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Taster auf dem Prinzip der Triangulation beruht.
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, umfassend eine Tasteinheit (3) und Mittel zur Erfassung des Wegverlaufs mindestens eines von der Tasteinheit (3) auf der Objektoberfläche erzeugten Tastpunktes (7), dadurch gekennzeichnet, dass die Tasteinheit (3) zur Bewegung entlang zumindest eines Teils einer Kreisbahn um eine Drehachse schwenkbar ist, Mittel zur Erfassung der Positionen der Tasteinheit (3) auf der Kreisbahn und Mittel zur Berechnung der gesuchten geometrischen Größe(n) unter Berücksichtigung der Kreisbahn, des Wegverlaufs des Tastpunktes (7) und der Kreiszylinder- oder Kreiskegelform des Objekts (1) oder des Objektteils vorgesehen sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Tasteinheit (3) ein optischer Taster ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Taster auf dem Prinzip der Triangulation beruht.