DE19613173C2 - Verfahren und Vorrichtung zur optoelektronischen Gewinnung von Gewindeparametern aus Konturpunkten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur optoelektronischen Gewinnung von Gewindeparametern aus Konturpunkten, die sich durch geeignete Neigung der Gewindeachse zur optischen Achse einer Bildaufnahmeeinrichtung im Achsschnitt des Gewindes befinden.

Um berührungslos Konturpunkte im Achsschnitt eines Gewindes zu erhalten, sind im wesentlichen zwei optische bzw. optoelektronische Verfahren bekannt.

Zum einen wird das Gewinde in der Ebene der optischen Achse der Bildaufnahmeeinrichtung in zwei Richtungen "geschwenkt". Eine solche Vorgehensweise ist z. B. aus der DE 34 32 057 A1 bekannt. Hierbei werden Verkippungen derart vorgenommen, daß zunächst auf der einen Seite der Gewindekontur parallel zum Verlauf der Gewinderille durch die Gewindelücken gesehen werden kann und im zweiten Kippzustand die andere Seite der Gewindekontur "eingesehen" wird. Man erreicht dabei im Schattenbild annähernd eine Abbildung des Gewindeprofils, wenn die zwei Schwenkwinkel jeweils dem mittleren Steigungswinkel des Gewindes entsprechen. Abgesehen vom mechanischen Aufwand zur Realisierung der zwei Schwenkwinkeleinstel­ lungen entstehen bei dieser Methode Meßfehler dadurch, daß die Schwenkwinkel­ bewegung nicht exakt in der Ebene der optischen Achse der Bildaufnahme­ einrichtung erfolgt, so daß praktisch nur im Drehpunkt der Schwenkbewegung Messungen der verschiedenen Gewindedurchmesser als richtig gelten können.

Andererseits ist aus der DD 286 660 A5 zur Umgehung der o. g. Fehler eine Lösung offenbart, die ohne jegliche Schwenkbewegung das Schattenbild des Gewindes erfasst, indem bei senkrecht zur optischen Visierlinie angeordneter Gewindeachse in parallel vor und hinter der Achsschnittebene definierten Ebenen Antastpunkte gemessen werden. Diese Antastpunkte, die nicht im Achsschnitt liegen, werden durch Kenntnis der Sollparameter der Gewindeart korrigiert, indem aus den Sollparametern die Abstände der Parallelebenen von der Achsschnittebene bestimmt und als Grundlage für die Ermittlung von Korrekturwerten dienen.

Da die Fehlerkorrektur nicht ursächlich an die Messung geknüpft ist, treten bei dieser Methode nicht quantifizierbare Fehler auf, wenn der Gewindeprüfling von der Norm abweicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neuartige Möglichkeit zur optoelektronischen Gewinnung von Gewindeparametern aus Konturpunkten zu finden, die die Fehlerquellen beim Schwenken des Gewindes vermeidet und Konturpunkte im Achsschnitt des Gewindes ohne Korrekturwerte ermittelt. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einem Verfahren zur optoelektronischen Gewinnung von Gewindeparametern aus Konturpunkten, bei dem Gewindekonturen einer relativen Neigung zwischen der Gewindeachse und der optischen Achse einer Bildaufnahmeeinrichtung, bestehend aus einer Beleuchtungseinheit, einer Abbildungsoptik und einem optoelektronischen Sensor, erzeugt werden, wobei der Neigungswinkel in einer Ebene, die die Bildebene der Abbildungsoptik orthogonal schneidet, liegt und der Steigung des Gewindes angepaßt wird, und bei dem die Bildaufnahmeeinrichtung bezüglich Bildfeld und Fokussierung so eingestellt wird, daß trotz relativer Neigung von Gewinde- und optischer Achse durch Einhaltung eines konstanten Abbildungsmaßstabes eine geometriegetreue Abbildung der Gewindekontur gewährleistet wird, dadurch gelöst, daß aus Konturpunkten von mindestens zwei Gewindespitzen jeder Seite einer abgebildeten Gewindekontur jeweils eine Bezugslinie als Einhüllende der Gewindekontur ermittelt wird, daß aus den zwei Bezugslinien eine Symmetrielinie als Projektion der Gewindeachse in die Gewindekontur und der Gewindedurchmesser berechnet werden, daß entsprechend dem in Abhängigkeit von der Gewindeart eingestellten Neigungswinkel an einer Seite der Gewindekontur eine Meßlinie festgelegt wird, die parallel zur Symmetrielinie die Gewindeflanken der Gewindekontur schneidet, wobei entlang der Meßlinie in sehr guter Näherung im Achsschnitt liegende reale Konturpunkte des Gewindeprofils in die Bildebene der Bildaufnahmeeinrichtung abgebildet und vermessen werden und daß die ermittelten Konturpunkte entlang der Meßlinie als Antastpunkte des Gewindeprofils im Achsschnitt mit Konturpunkten der Bezugslinien über die bekannten Verhältnisse am Profildreieck verknüpft werden, um die gewünschten Gewindeparameter zu berechnen.

Für die Messung der wesentlichen Gewindeparameter, wie Außendurchmesser, Flankendurchmesser und Flankenwinkel, wird vorteilhaft als Neigungswinkel der (mittlere) Steigungswinkel der Gewindeflanke eingestellt und als Meßlinie eine Parallele zur Symmetrieachse in einem Abstand gewählt, der im wesentlichen dem halben Sollmaß des Flankendurchmessers entspricht.

Zweckmäßig werden dann mindestens drei aufeinanderfolgende Konturpunkte entlang der Meßlinie aufgenommen und deren Abstände als Partialmaße der Teilung des Gewindes gemessen, wobei sich die Teilung aus dem Maß des Gewindezahns und der Gewinderille zusammensetzt. Die Teilung entspricht bei eingängigen Gewinden der Steigung des Gewindes.

Falls ein vollständig gemessenes Gewindeprofil (Kontur im Achsschnitt) des Gewindes benötigt wird, ist es von Vorteil, daß der Neigungswinkel schrittweise verändert wird, wobei der Neigungswinkel Winkelgrößen annimmt, die zwischen den Beträgen der Steigungswinkel der Gewindeflanke an der Gewindespitze und am Gewindegrund liegen, und daß die Meßlinie jeweils auf eine Parallele zur Symmetrielinie innerhalb der Gewindekontur gelegt wird, bei der der Steigungswinkel der Gewindeflanke mit dem eingestellten Neigungswinkel übereinstimmt, so daß sukzessive Konturpunkte aufgenommen werden, die zum Gewindeprofil im Achsschnitt gehören. Dabei ist es vorteilhaft, bei jedem geänderten Neigungswinkel auch neben der Meßlinie liegende Flankenpunkte anzutasten, um bei begrenzter Anzahl von schrittweise eingestellten Neigungswinkeln eine größere Menge von nahezu "dicht" liegenden Flankenpunkten zu erhalten.

Vorzugsweise wird die Bildaufnahmeeinrichtung gegenüber dem fest eingespannten Gewinde gekippt, um den gewünschten Neigungswinkel einzustellen. In einer ebenfalls zweckdienlichen Variante kann eine das Gewinde tragende Halterungsvorrichtung gegenüber der orstfesten Bildaufnahmeeinrichtung um den gewünschten Neigungswinkel gekippt werden.

Die zur Gewindevermessung erfindungswesentlichen Bezugslinien werden vorteilhaft als Ausgleichsgeraden aus mindestens zwei nicht benachbarten Gewindespitzen jeder Seite berechnet.

Um jegliche Art von Gewindekrümmung mit zu erfassen, werden zweckmäßig mehrere, einander zugeordnete Gewindespitzen jeder Seite für die Errechnung zweier Ausgleichskurven als Bezugslinien verwendet, wobei die zugeordneten Gewindespitzen als entlang der Schraubenlinie aufeinanderfolgende Gewindespitzen im Achsschnitt zu verstehen sind.

Die o. g. Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einer Vorrichtung zur optoelektronischen Gewinnung von Gewindeparametern aus Konturpunkten, in der Gewindekonturen bei einer relativen Neigung zwischen der Gewindeachse und der optischen Achse einer Bildaufnahmeeinrichtung, bestehend aus einer Beleuchtungseinheit, einer Abbildungsoptik und einem optoelektronischen Sensor, abgebildet werden, wobei der Neigungswinkel in einer Ebene, die als Bildebene der Abbildungsoptik orthogonal schneidet, liegt und der Steigung des Gewindes angepaßt ist, und bei dem die Bildaufnahmeeinrichtung bezüglich Bildfeld und Fokussierung so einstellbar ist, daß trotz relativer Neigung zwischen Gewinde- und optischer Achse ein konstanter Abbildungsmaßstab zur Gewährleistung einer geometriegetreuen Abbildung der Gewindekontur eingehalten wird, dadurch gelöst, daß in einer Auswerteeinheit Mittel zur Extraktion von Konturpunkten von mindestens zwei Gewindespitzen jeder Seite der abgebildeten Gewindekontur, Mittel zur Berechnung zweier Bezugslinien aus den Konturpunkten der Gewindespitzen jeder Seite der Gewindekontur sowie zur Ermittlung einer Symmetrielinie zwischen den beiden Bezugslinien als Projektion der Gewindeachse in die Gewindekontur und zur Bestimmung des Außendurchmessers als Abstand der zwei Bezugslinien zueinander, Mittel zur Erfassung des eingestellten Neigungswinkels und zur Errechnung einer von der Gewindeart und dem Neigungswinkel abhängigen Meßlinie, wobei die Meßlinie parallel zur Symmetrielinie der Gewindekontur angeordnet ist und Schnittpunkte mit den Flanken derjenigen Seite der Gewindekontur aufweist, bei der aufgrund der Neigung die Konturpunkte entlang der Meßlinie in guter Näherung im Achsschnitt des Gewindes liegen und somit Antastpunkte des Gewindeprofils sind, und Mittel zur Verarbeitung aller Konturpunkte, die reale Antastpunkte des Gewindeprofils sind, für die Berechnung von Gewindeparametern vorhanden sind.

Dabei wird als Mittel zur Berechnung der Bezugslinien eine Rechnerstruktur zur Errechnung einer Ausgleichsgeraden aus wenigstens zwei Konturpunkten der Gewindespitzen jeder Seite der Gewindekontur eingesetzt.

Für die genauere Vermessung des Gewindes, z. B. bezüglich Achsenfehlern, ist als Mittel zur Berechnung der Bezugslinien zweckmäßig eine Struktur zur Errechnung eines Polynoms n-ten, vorzugsweise dritten Grades vorhanden. Diese kann auch als Option zusätzlich zur Berechnung der Ausgleichsgerade zuschaltbar sein.

Zur Messung der wesentlichen Gewindeparameter ist zweckmäßig eine Steuerung zur automatischen Änderung des Neigungswinkels in Abhängigkeit vom Soll-Steigungswinkel des Gewindes vorhanden. Diese Steuerung ist vorzugsweise durch Eingabe des Gewindenenndurchmessers einstellbar, indem ein metrisches Gewinde vorausgesetzt wird.

Die Steuerung ist aber auch durch einen Meßvorgang einstellbar. Dazu kann der Neigungswinkel einerseits durch Berechnung des Steigungswinkels aus wenigstens zwei benachbarten Gewindespitzen einer Seite der Gewindekontur, dem Abstand der Bezugslinien zueinander und der Gewindeart definiert werden.

Weiterhin läßt sich der Neigungswinkel ebenfalls zweckmäßig durch Berechnung des Steigungswinkels aus wenigstens drei gegenüberliegenden Konturpunkten von Gewindespitzen derselben Windung eines Gewindeganges sowie der Kenntnis der Gewindeart einstellen.

Vorteilhaft ist eine erweiterte Steuerung zur schrittweisen Änderung des Neigungswinkels einsetzbar, so daß durch schrittweise Verschiebung der Meßlinie zwischen Gewindegrund und Gewindespitzen beliebig viele Flankenpunkte als in guter Näherung im Achsschnitt liegende Konturpunkte des Gewindeprofils aufnehmbar sind. Es erweist sich als nützlich, für jede Einstellung des Neigungswinkels auch neben der Meßlinie befindliche Flankenpunkte zu erfassen, um die Anzahl der Neigungswinkeleinstellungen zu begrenzen.

Die Grundidee der Erfindung basiert auf der Überlegung, daß eine genaue Vermessung eines beliebig fehlerhaften Gewindes im Konturbild (vorzugsweise im Schattenbild) nur dann möglich ist, wenn man auf Antastpunkte im Achsschnitt des Gewindes zugreift. Dabei kommt der Erkenntnis, daß man dazu im wesentlichen nur eine einzige (an die Gewindeart angepaßte) Verkippung der Gewindeachse bezüglich der optischen Achse der Bildaufnahmeeinrichtung benötigt, eine Schlüsselrolle zu. Diese Erkenntnis fußt darauf, daß bei gekippter Gewindeachse zwar nur eine Seite der Gewindekontur annähernd das Gewindeprofil im Achsschnitt widerspiegelt, jedoch die andere Seite ebenfalls eine bestimmte Menge von Konturpunkten im Achsschnitt enthält, nämlich die Gewindespitzen. Diese Menge von Konturpunkten wird nun erfindungsgemäß dazu verwendet, eine Bezugslinie zu berechnen, die ein zweites Verkippen (Schwenken) des Gewindes überflüssig macht. Mit den realen Konturpunkten der Gewindespitzen wird nahezu fehlerfrei eine Symmetrielinie als Projektion der Gewindeachse in die abgebildete Gewindekontur errechnet, die eine Vermessung der Gewindeflanken der zweiten Seite der Gewindekontur erübrigt. Somit werden Fehler vernachlässigbar, die sich ergeben, wenn die optische Achse der Bildaufnahmeeinrichtung nicht exakt in der Ebene des Neigungswinkels der Gewindeachse liegt.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der zur Realisierung des Verfahrens angegebenen Vorrichtung ist es möglich, aus dem Konturbild eines um einen Steigungswinkel geneigten Gewindes Konturpunkte, die in sehr guter Näherung im Achsschnitt liegen, geometrisch zu vermessen und daraus die interessierenden Gewindeparameter zu berechnen.

Für besonders anspruchsvolle Gewindemessung sind sogar Komplettabtastungen des Gewindeprofils bei sukzessive verschobener Meßlinie die radial unterschiedlichen Steigungswinkel der Gewindeflanken möglich.

Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 das Prinzipschema einer erfindungsgemäßen Vorrichtung

Fig. 2 eine Darstellung der erfindungsgemäß aufgenommenen Gewindekontur mit Extraktion von im Achsschnitt liegenden Konturpunkten

Fig. 3 einen Konturausschnitt zur Erläuterung der geometrischen Zusammenhänge zwischen Meßgrößen und Gewindeparametern

Das erfindungsgemäße Verfahren besteht im wesentlichen aus den Schritten:

• - Erzeugung einer Gewindekontur bei geneigter Gewindeachse, bei der einseitig die Richtung der optischen Achse der Bildaufnahmeeinrichtung auf den (mittleren) Steigungswinkel der Gewindeflanken eingestellt wird,
• - Extraktion von im Achsschnitt liegenden Konturpunkten K_C der Gewindespitzen 13 zur Berechnung von Bezugs- und Symmetrielinien 10 bzw. 11 sowie des Gewindeaußendurchmessers d,
• - Festlegung mindestens einer Meßlinie 12, die von der Gewindeart und dem Neigungswinkel von optischer Achse 4 zur Gewindeachse 2 abhängt, und Extraktion von im Achsschnitt liegenden Konturpunkten K_F der Gewindeflanken 15 und
• - Verknüpfung der Konturpunkte K_C der Gewindespitzen 13 mit den extrahierten Konturpunkten K_F der Gewindeflanken 15 zur Berechnung der gewünschten Gewindeparameter.

Das Verfahren wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die erfindungsgemäße Vorrichtung, wie sie schematisch in Fig. 1 dargestellt ist, beschrieben.

Beispiel 1

Ein zu vermessendes Gewinde 1, das der Einfachheit halber als metrisches Gewinde angenommen werden soll, ohne daß das Verfahren gemäß der Erfindung darauf beschränkt ist, wird in seiner Gewindeachse 2 in einer Halterung 3 befestigt.

Die Halterung 3 kann prinzipiell beliebig ausgebildet sein, muß aber eine einfache Zuordnung bzw. Definition der Lage der Gewindeachse 2 zulassen. Dies ist insofern von Bedeutung, da die Gewindeachse 2 bezüglich der optischen Achse 4 einer Bildaufnahmeeinrichtung definiert geneigt einstellbar sein soll. Insofern bietet sich eine Zwei-Spitzen-Halterung an, wie in Fig. 1 angedeutet.

Dem Gewinde 1 ist erfindungsgemäß eine optische Bildaufnahmeeinrichtung, bestehend aus Beleuchtungseinheit 5, Abbildungsoptik 6 und optoelektronischem Sensor 7 so zugeordnet, daß ihre optische Achse 4 mit der Gewindeachse 2 einen um einen Neigungswinkel γ von der Orthogonalen abweichenden, einstellbaren Winkel bildet. Dabei ist lediglich eine einzige Neigungsrichtung der zwei Achsen (Gewindeachse 2 und optischer Achse 4) innerhalb der von ihnen aufgespannten Ebene erforderlich. Eine zweite Neigung in entgegengesetzter Richtung - wie im Stand der Technik mit Neigungswinkel γ üblich und notwendig - ist erfindungsgemäß entbehrlich, aber für redundante Meßwerte durchaus zulässig und sinnvoll.

Für die Neigung der Gewindeachse 2 bezüglich der optischen Achse 4 ist es belanglos, welche der beiden Achsen tatsächlich im Raum gekippt wird. Entscheidend ist lediglich die genaue Bestimmung des Neigungswinkels γ als Eingangsgröße für den Meßvorgang.

Die Bildaufnahmeeinrichtung verfügt über an sich bekannte optische Mittel bezüglich Beleuchtungseinheit 5 und Abbildungsoptik 6, um eine geometrisch weitgehend fehlerfreie Abbildung einer Gewindekontur 9 in die Bildebene des optoelektronischen Sensors 7 zu realisieren. Das geschieht vorteilhaft in Form eines Schattenbildes, ist aber ebenso durch geeigneten Auflichtkontrast möglich. Um Fehler durch Änderung des Abbildungsmaßstabes zu vermeiden, wird vorzugsweise mit paralleler Beleuchtung und telezentrischer Abbildungsoptik 6 gearbeitet.

Die Bildaufnahmeeinrichtung muß bezüglich der Gewindeachse 2 so justiert sein, daß die Ebene, die die um den Neigungswinkel γ geneigte Gewindeachse 2 und die optische Achse 4 aufspannen, die Bildebene des Sensors 7 orthogonal schneidet.

Der Neigungswinkel γ wird - wie auch schon im Stand der Technik üblich - so eingestellt, daß auf einer der beiden Seiten der abgebildeten Gewindekontur 9, z. B. auf der linken Seite, die Umrißpunkte nahezu im Achsschnitt des Gewindes 1 liegen. Dies ist in erster Näherung der Fall, wenn der Neigungswinkel γ dem Steigungswinkel des Gewindes 1 entspricht.

Da der Steigungswinkel aber lediglich den mittleren Steigungswinkel der Flankenfläche des Gewindes 1 angibt, können also nur ganz bestimmte Punkte der Flanken 15 der Gewindekontur 9 als tatsächlich im Achsschnitt liegende Konturpunkte K_F abgebildet werden. D. h. es gibt ausschließlich entlang einer einzigen Linie über die abgebildeten Flanken 15 der Gewindekontur 9 im Achsschnitt liegende Konturpunkte K_F der Flanken 15, wenn die betrachtete Linie an einem Ort parallel zur Gewindeachse 2 liegt, an dem der tatsächliche Steigungswinkel der Flankenfläche mit dem eingestellten Neigungswinkel γ übereinstimmt.

Für ein reales (geringfügig fehlerhaftes) Gewinde 1 ist diese Linie, die nachfolgend als Meßlinie 12 bezeichnet werden soll, innerhalb der Gewindekontur 9 einfach und in guter Näherung richtig festgelegt, wenn von den Normmaßen eines idealen Gewindes ausgegangen wird und man sich auf Meßpunkte entlang der Flankendurchmesserlinie 16 beschränkt.

Es soll in diesem ersten Beispiel also von einem im voraus eingestellten Neigungswinkel γ ausgegangen werden, der dem aus der Gewindeart (einschließlich Gewindedurchmesser) bekannten Steigungswinkel des Idealgewindes entspricht.

Um die oben erläuterte Meßlinie 12 in der Gewindekontur 9 richtig zu definieren, sind - da gemäß der Darstellung in Fig. 1 nur die linke Seite des Gewindes 1 eine in erster Näherung adäquate Übertragung in die Gewindekontur 9 erfährt - einige zusätzliche Größen erforderlich, damit eine analoge Abbildung der rechten Gewindeseite (durch entgegengesetzte Einstellung des Neigungswinkels γ) vermieden werden kann.

Dazu zeigt Fig. 2 eine mit der Bildaufnahmeeinrichtung erzeugte Gewindekontur 9. Das Grunddefizit der Gewindekontur 9 ist die fehlende Symmetrie der Gewindeabbildung, weil die eine (rechte) Gewindeseite verfälscht abgebildet wird. Damit fehlt der geometrische Anschluß der Konturmeßwerte der linken Seite in bezug auf das gegenüberliegende reale Gewindeprofil. Um diesen Mangel zu beseitigen, werden gemäß der Erfindung zwei Bezugslinien 10 festgelegt, die aus Konturpunkten K_C der Gewindekontur 9 errechnet werden, die die Gewindespitzen 13 des Gewindes 1 beschreiben. Die Konturpunkte K_C der Gewindespitzen 13 sind (ebenso wie die entlang einer oben definierten idealen Meßlinie 12 zu extrahierenden Konturpunkte K_F der Flanken 15) echte Antastpunkte im Achsschnitt des Gewindes 1. Das gilt auch für die verfälscht abgebildete (rechte) Seite der Gewindekontur 9.

Erfindungsgemäß werden deshalb zunächst diejenigen Punkte der Gewindekontur 9, die unabhängig vom Neigungswinkel γ des Gewindes 1 stets im Achsschnitt liegen - nämlich die Gewindespitzen 13 - entsprechend dem bekannten Prinzip optischer Taster erfaßt, gespeichert und verarbeitet. Dadurch wird durch geeignete Ausgleichs- oder Interpolationsverfahren zur Berechnung der Bezugslinien 10 sogleich der Außendurchmesser bestimmbar und eine Symmetrielinie 11 zwischen den Bezugslinien 10 errechnet, die der Projektion der Gewindeachse in die Gewindekontur 9 entspricht.

Somit ist für den vorausgesetzten Fall der vorgewählten Einstellung des Neigungswinkels γ = (mittlerer) Steigungswinkel die Meßlinie 12 parallel zur Symmetrielinie 11 in einem Abstand A anzuordnen, der dem halben Flankendurchmesser des idealen Gewindes 1 entspricht.

Fig. 3 zeigt die dabei auftretenden geometrischen Beziehungen und Meßgrößen.

Da der tatsächliche Flankendurchmesser d₂ (bzw. dessen Halbmesser d₂/2) vorher nicht bekannt ist, geht man - ohne einen entscheidenden Fehler zu machen - davon aus, daß die Meßlinie 12 in einem solchen Abstand A zur Symmetrielinie 11 anzuordnen ist, daß A der Sollgröße des halben Flankendurchmessers d₂/2 entspricht. In diesem Fall kann man annehmen, daß die (linksseitig) abgebildete Gewindekontur 9 Flankenpunkte K_F enthält, die in sehr guter Näherung im Achsschnitt des Gewindes 1 liegen. Selbst wenn die Meßlinie 12 am Ende nicht mit der realen Flankendurchmesserlinie 16 übereinstimmt, sind die Fehler vernachlässigbar, solange man sich in der Nähe dieser Linie 16 bewegt.

Durch optische Antastung der Flankenpunkte K_F entlang der Meßlinie 12 und Antastung dazu benachbarter Flankenpunkte, die noch in guter Näherung im Achsschnitt liegen, ist mittels einiger Hilfsgrößen eine Berechnung der wesentlichen Gewindeparameter, wie Flankenwinkel α und Flankendurchmesser d₂ möglich. Der Flankendurchmesser d₂ kann z. B. (wie durch Fig. 3 unterstützt) auf nachfolgend umrissene Weise berechnet werden. Zunächst gelten folgende einfache geometrische Beziehungen

A = A₁+ d₂/2 und

A₁ = B - B₁.

Dabei bedeutet A₁ den Abstand zwischen Flankendurchmesserlinie 16 und Meßlinie 12, B ist der Abstand zwischen Flankendurchmesserlinie 16 und dem Schnittpunkt der Flanken an der Konturaußenseite und B₁ ist der Abstand der Meßlinie 12 zum Flankenschnittpunkt an der Gewindeaußenseite.

Weiterhin ergibt sich auf einfache Weise die Gewindeteilung (die für eingängige Gewinde 1 der Steigung entspricht) aus den Konturpunkten K_F, in dem mindestens drei aufeinanderfolgende Schnittpunkte der Meßlinie 12 mit den Flanken 15 zur Berechnung der Maße C₁ und C₂ für Gewindezahn bzw. Gewinderille verwendet werden. Damit ergibt sich für die Steigung P des Gewindes 1

P = C₁ + C₂.

Nun kann auch B berechnet werden über die geometrischen Beziehungen im sogenannten Profildreieck eines Gewindezahns zu

womit sich

ergibt.

Für den Flankendurchmesser d₂ folgt damit aus der ersten Gleichung

Die Bestimmung weiterer Gewindeparameter, wie z. B. gegebenenfalls Teilflankenwinkel, Kerndurchmesser d₃ ist auf einfache analoge Weise über das Profildreieck möglich. Die Verwendung von Teilflankenwinkeln ist z. B. dann heranzuziehen, wenn aufgrund der vorliegenden Gewindegeometrie davon auszugehen ist, daß die beiden Teilflankenwinkel verschieden groß sind.

Beispiel 2

Sollen zum Beispiel an einem metrischen Regelgewinde Kernrundung und Kerndurchmesser d₃ gemessen werden, so kann in zu Beispiel 1 analoger Weise vorgegangen werden.

Die Gewindeachse 2 wird dazu so geschwenkt, daß der Neigungswinkel γ dem Steigungswinkel der Flanke 15 im Gewindegrund 14 entspricht. In diesem Fall können auf einer der beiden Gewindeseiten Oberflächenpunkte angetastet werden, die einerseits im Gewindegrund 14 und andererseits in guter Näherung im Achsschnitt des Gewindes 1 liegen. Die Konturpunkte, die zur Kernrundung mit dem Radius R gehören, werden in geeigneter Weise von den angrenzenden Flankenpunkten isoliert und einer Ausgleichsrechnung unterworfen, die als Resultat den Radius R der Kernrundung ergibt. Zweckmäßig ist beispielsweise die Regression eines Kreisbogens aus hinreichend vielen Punkten.

Zur Bestimmung des Kerndurchmessers d₃ wird aus Punkten der Gewindekontur 9 auf derjenigen Seite des Gewindes 1, die in guter Näherung im Achsschnitt abgebildet wurde, eine Kerndurchmesserlinie 17 gebildet. Dazu werden Punkte aus der gemessenen Gewindekontur 9 ausgewählt, die am weitesten im Gewindegrund 14 liegen, also den geringsten Abstand zur Symmetrielinie 11 haben. Die Kerndurchmesserlinie 17 kann z. B. die Ausgleichsgerade aus allen zur Verfügung stehenden derartigen Punkten sein, sie kann aber beispielsweise auch durch zwei ausgewählte Gewindegründe 14 - die nicht notwendigerweise benachbart sein müssen - definiert werden oder auf andere geeignete Weise gewonnen werden.

Die Kerndurchmesserlinie 17 liegt im Pferchzylinder des Gewindes 1. Somit entspricht der Abstand der Kerndurchmesserlinie 17 von der Symmetrielinie 11 dem halben Kerndurchmesser d₃/2.

Liste der verwendeten Bezugszeichen

1

Gewinde

2

Gewindeachse

3

Halterung

4

optische Achse

5

Beleuchtungseinheit

6

Abbildungsoptik

7

optoelektronischer Sensor

8

Auswerteeinheit

9

Gewindekontur

10

Bezugslinie

11

Symmetrielinie

12

Meßlinie

13

Gewindespitze

14

Gewindegrund

15

Gewindeflanke

16

Flankendurchmesserlinie

17

Kerndurchmesserlinie
A Abstand der Meßlinie von der Symmetrielinie
A₁

Abstand der Meßlinie von der Flankendurchmesserlinie
B Abstand der Flankendurchmesserlinie vom Schnittpunkt der Flankenlinien
B₁

Abstand der Meßlinie vom Schnittpunkt der Flankenlinien
C₁

Maß des Gewindezahns entlang der Meßlinie
C₂

Maß der Gewinderille entlang der Meßlinie
K_C

Konturpunkte der Gewindespitzen
K_F

Konturpunkte der Flanken
R Radius am Gewindegrund
d Außendurchmesser
d₂

Flankendurchmesser
d₃

Kerndurchmesser
α Flankenwinkel

Claims (15)

1. Verfahren zur optoelektronischen Gewinnung von Gewindeparametern aus Konturpunkten, bei dem Gewindekonturen bei einer relativen Neigung zwischen der Gewindeachse und der optischen Achse einer Bildaufnahmeeinrichtung, bestehend aus einer Beleuchtungseinheit, einer Abbildungsoptik und einem optoelektronischen Sensor, erzeugt werden, wobei der Neigungswinkel in einer Ebene, die die Bildebene der Abbildungsoptik orthogonal schneidet, liegt und der Steigung des Gewindes angepaßt wird, und bei dem die Bildaufnahmeeinrichtung bezüglich Bildfeld und Fokussierung so eingestellt wird, daß trotz relativer Neigung von Gewinde - und optischer Achse durch Einhaltung eines konstanten Abbildungsmaßstabes eine geometriegetreue Abbildung der Gewindekontur gewährleistet wird, dadurch gekennzeichnet, daß
aus Konturpunkten (K_C) von mindestens zwei nicht benachbarten Gewindespitzen (13) jeder Seite einer abgebildeten Gewindekontur (9) jeweils eine Bezugslinie (10) als Einhüllende der Gewindekontur (9) ermittelt wird,
aus den zwei Bezugslinien (10) eine Symmetrielinie (11) und der Gewindeaußendurchmesser (d) berechnet werden,
entsprechend dem in Abhängigkeit von der Gewindeart eingestellten Neigungswinkel (γ) an einer Seite der Gewindekontur (9) eine Meßlinie (12) festgelegt wird, die parallel zur Symmetrielinie (11) die Gewindeflanken der Gewindekontur (9) schneidet, wobei entlang der Meßlinie (12) in guter Näherung im Achsschnitt liegende reale Konturpunkte (K_F) des Gewindeprofils in die Bildebene der Bildaufnahmeeinrichtung abgebildet und vermessen werden, und
die ermittelten Konturpunkte (K_F) entlang der Meßlinie (12) als Antastpunkte des Gewindeprofils im Achsschnitt mit Konturpunkten (K_C) der Bezugslinien (10) über die bekannten Verhältnisse am Profildreieck verknüpft werden, um die gewünschten Gewindeparameter zu berechnen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Neigungswinkel (γ) der mittlere Steigungswinkel der Gewindeflanke (15) eingestellt und als Meßlinie (12) eine Parallele zur Symmetrielinie (11) in einem Abstand (A) gewählt wird, der im wesentlichen dem halben Flankendurchmesser (d₂/2) entspricht.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens drei aufeinanderfolgende Konturpunkte (K_F) entlang der Meßlinie (12) aufgenommen und deren Abstände als Partialmaße der Teilung des Gewindes (1) gemessen werden, wobei sich die Teilung des Gewindes (1) aus dem Maß des Gewindezahns (C₁) und der Gewinderille (C₂) zusammensetzt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel (γ) schrittweise verändert wird, wobei der Neigungswinkel (γ) Winkelgrößen annimmt, die zwischen dem Steigungswinkel der Gewindeflanke (15) an der Gewindespitze (13) und dem Steigungswinkel der Gewindeflanke (15) am Gewindegrund (14) liegen, und die Meßlinie (12) jeweils auf eine Parallele zur Symmetrielinie (11)innerhalb der Gewindekontur (9) gelegt wird, bei der der Steigungswinkel der Gewindeflanke (15) mit dem eingestellten Neigungswinkel (γ) übereinstimmt, so daß sukzessive Konturpunkte (K_F) aufgenommen werden, die zum Gewindeprofil im Achsschnitt gehören.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildaufnahmeeinrichtung gegenüber dem fest eingespannten Gewinde (1) gekippt wird, um den gewünschten Neigungswinkel (γ) einzustellen.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine das Gewinde (1) tragende Halterungsvorrichtung (3) gegenüber der ortsfesten Bildaufnahmeeinrichtung um den gewünschten Neigungswinkel (γ) gekippt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Bezugslinie (10) als Ausgleichsgerade von mindestens zwei nicht benachbarten Gewindespitzen (13) errechnet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß neben den Flankenkonturpunkten (K_F), die sich entlang der Meßlinie (12) als Schnittpunkte mit den Flanken (15) ergeben, zusätzlich benachbarte Punkte der Flanken (15) angetastet werden, die noch in guter Näherung im Achsschnitt liegen.

9. Vorrichtung zur optoelektronischen Gewinnung von Gewindeparametern aus Konturpunkten, in der Gewindekonturen bei einer relativen Neigung zwischen der Gewindeachse und der optischen Achse einer Bildaufnahmeeinrichtung, bestehend aus einer Beleuchtungseinheit, einer Abbildungsoptik und einem optoelektronischen Sensor, abgebildet werden, wobei der Neigungswinkel in einer Ebene, die die Bildebene der Abbildungsoptik orthogonal schneidet, liegt und der Steigung des Gewindes angepaßt ist, und bei dem die Bildaufnahmeeinrichtung bezüglich Bildfeld und Fokussierung so einstellbar ist, daß trotz relativer Neigung zwischen Gewinde- und optischer Achse ein konstanter Abbildungsmaßstab zur Gewährleistung einer geometriegetreuen Abbildung der Gewindekontur eingehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß
in einer Auswerteeinheit (8)
Mittel zur Extraktion von Konturpunkten (K_C) von mindestens zwei Gewindespitzen (13) jeder Seite der abgebildeten Gewindekontur (9),
Mittel zur Berechnung zweier Bezugslinien (10) aus den Konturpunkten (K_C) der Gewindespitzen (13) jeder Seite der Gewindekontur (9) sowie zur Ermittlung einer Symmetrielinie (11) zwischen den beiden Bezugslinien (10) als Projektion der Gewindeachse in die Gewindekontur (9) und zur Bestimmung des Außendurchmessers (d) als Abstand der zwei Bezugslinien (10) zueinander,
Mittel zur Einstellung und Erfassung des Neigungswinkels (γ) und zur Errechnung einer von der Gewindeart und dem Neigungswinkel (γ) abhängigen Meßlinie (12), wobei die Meßlinie (12) parallel zu zur Symmetrielinie (11) der Gewindekontur (9) angeordnet ist und Schnittpunkte mit den Flanken derjenigen Seite der Gewindekontur (9) aufweist, bei der aufgrund der Neigung die Konturpunkte (K_F) entlang der Meßlinie (12) in guter Näherung im Achsschnitt des Gewindes (1) liegen und somit Antastpunkte des Gewindeprofils sind, und
Mittel zur Verarbeitung aller Konturpunkte (K_F, K_C), die reale Antastpunkte des Gewindeprofils sind, für die Berechnung von Gewindeparametern
vorhanden sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Berechnung der Bezugslinien (10) eine Struktur zur Errechnung einer Ausgleichsgeraden aus wenigstens zwei Konturpunkten (K_C) von Gewindespitzen (13) jeder Seite enthalten.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Berechnung der Bezugslinien (10) eine Struktur zur Errechnung eines Polynoms n-ten Grades aus den Konturpunkten (K_C) der Gewindespitzen (13) jeder Seite enthalten.

12. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerung zur automatischen Einstellung des Neigungswinkels (γ) in Abhängigkeit vom mittleren Steigungswinkel des Gewindes vorhanden ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung für den Neigungswinkel (γ) durch Eingabe des Gewindenenndurchmessers auf den Steigungswinkel des Gewindes (1) einstellbar ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung für den Neigungswinkel (γ) durch Bestimmung des Steigungswinkels aus wenigstens zwei benachbarten Gewindespitzen (13) einer Seite der Gewindekontur (9) dem Abstand der Bezugslinien (10) und der Gewindeart einstellbar ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine erweiterte Steuerung zur systematischen schrittweisen Änderung des Neigungswinkels (γ) vorhanden ist, so daß durch schrittweise berechnete Verschiebung der Meßlinie (12) zwischen Gewindegrund (14) und Gewindespitzen (13) beliebig viele Konturpunkte (K_F) in guter Näherung als Konturpunkte (K_F) des Gewindeprofils aufnehmbar sind.