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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Sammeln von Daten, die repräsentativ
für die
Geometrie eines Rohzylinderkopfgusses sind, um ein Gußabtastkoordinatensystem
zum Einsatz mit einem Bearbeitungskoordinatensystem zu erhalten,
wobei der Zylinderkopfguß horizontale
planare angegossene Lokalisationsmarken und vertikale gegossene
Lokalisationsmarken umfaßt
sowie eine Vorrichtung zum Sammeln von Daten, die repräsentativ
für die
Geometrie eines Rohzylinderkopfgusses sind, um ein Gußabtastkoordinatensystem
zum Einsatz mit einem Bearbeitungskoordinatensystem zu erhalten,
wobei der Zylinderkopfguß horizontale
planare gegossene Lokalisationsmarken und vertikale gegossene Lokalisationsmarken
umfaßt.
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Die
Erfindung bezieht sich also auf die Vorhersage des Volumens einer
fertigbearbeiteten Brennkammer aus einem Rohzylinderkopfguß.
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Sie
bezieht sich also auf Verfahren und Vorrichtungen zum Bestimmen
der Geometrie eines rohen Zylinderkopfgusses, um das Volumen der
Kammern eines fertigbearbeiteten Zylinderkopfes vorherzusagen.
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Ein
Rohzylinderkopfguß wird
typischerweise durch Bearbeiten der Oberfläche und der Ventilsitzoberflächen fertigbearbeitet,
um diese für
die Installation der Zündkerzen
und Ventile vorzubereiten. Variationen des Volumens der Brennkammer
haben einen starken Einfluß auf
die Variation des Kompressionsverhältnisses des Zylinders. Unterschiede
im Kompressionsverhältnis
zwischen Zylindern des gleichen Motors führen zu Motorgeräuschschwingungsunruhen
(NVH). Unterschiede im Kompressionsverhältnis bei Motoren der gleichen
Familie erfordern die Verwendung einer weniger als optimalen Motoreichung
für den
Motor, um die Emissionserfordernisse zu erfüllen, was zu verminderter Leistung
und ungünstigem
Einfluß auf
die Treibstoffausnutzung führt.
Es ist demzufolge erwünscht,
das Volumen der Brennkammer eines fertigen Zylinderkopfes zu kennen
und zu steuern.
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Das
häufigste
Verfahren, das Volumen einer Brennkammer zu messen, besteht darin,
zuerst die Endbearbeitung durchzuführen und dann das Volumen einer
Flüssigkeit,
das zur Füllung
der Kammer benötigt wird,
zu messen. Dieses Verfahren umfaßt das Abdecken der Brennkammer
mit einer Glasplatte mit einer kleinen Öffnung. Die Brennkammer wird
sorgfältig
mit Flüssigkeit
gefüllt,
die exakt gemessen wird. Dieses Verfahren mißt nur das Volumen der fertigen
Brennkammern und ist aufwendig und nicht wiederholbar. Dieses Verfahren
arbeitet auch nicht mit einem gegossenen Zylinderkopf, da es ein
vollständig
geschlossenes Volumen erfordert; dies bedeutet, daß die Brennkammer
sowohl die Ventile als auch die Zündkerze enthalten muß. Um das
Endvolumen frühzeitig
nach dem Guß vorherzusagen,
kann das Gießverfahren
so eingestellt werden, daß wiederholt
das erwünschte
Volumen hergestellt wird.
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Ein
bekanntes Verfahren umfaßt
die Vorhersage des Volumens einer fertigbearbeiteten Brennkammer aus
einem Rohzylinderkopfguß,
wie in „Verfahren
zur Vorhersage des Volumens fertigbearberteter Brennkammern aus
dem Rohzylinderkopfguß", das am 21.01.1997
unter der Serial No. 08/787,506, in den USA angemeldet wurde, auf
deren Offenbarung zur Vermeidung von Wiederholungen in vollem Umfang
Bezug genommen wird, beschrieben. Bei diesem Verfahren wird Laserscannen
eingesetzt, um ein Computermodell der Zylinderkopfgeometrie zu schaffen.
Eine Computertechnik, die als „virtuelles
Bearbeiten" bezeichnet
wird, wird sodann eingesetzt, um den tatsächlichen Bearbeitungsprozeß zu emulieren
und das Computermodell des Rohgusses auf das einer fertigbearbeiteten
Brennkammer zu transformieren. Das Volumen des Computermodells wird
unter Verwendung numerischer Techniken berechnet.
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Das
Sammeln von Daten aus einem Rohzylinderkopfguß unter Verwendung von Laserscannen
umfaßt
Abtasten der Brennkammeroberflächen
und der eingegossenen Lokalisierungsmarken, die für die Bearbeitung
eingesetzt werden. Laserscannen der gegossene Lokalisierungsmarken
ist schwierig, da einige der gegossene Lokalisierungsmarken senkrecht
zur Oberfläche
des Gusses angeordnet sind. Da es schwierig ist, diese Merkmale
mit einem kontaktfreien Scanner zu ermitteln, ist es schwierig,
die Transformationsmatrix, die im oben beschriebenen virtuellen
Bearbeitungsprozeß eingesetzt
wird, zu berechnen.
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Aus
der
US 5,311,784 ist
ein Verfahren zur Bestimmung der Qualität von Gusswerkstücken bekannt. Es
werden geometrische Daten eines Zylinderrohgusses abgetastet, nachdem
dieser auf einer Messebene angeordnet wurde. Die
EP 0671 602 A2 bezieht sich
auf ein Verfahren zur Bestimmung eines mechanisch korrekten Positions-Verhältnisses.
Es wird mittels einer portablen Koordinaten-Messmaschine mit einem
beweglichen Arm das zu untersuchende Werkstück mechanisch kontaktierend
abgetastet und die x, y und z-Daten werden durch Übertragen
der Armbewegungsdaten bestimmt. Die
US
5,481,483 beschreibt ein Verfahren zum Laserabtasten von
Oberflächen,
allerdings ohne eine interne Referenz, die eine Korrektur der Messdaten
im gleichen Verfahren ermöglicht.
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Die
US 5,805,289 beschreibt
eine Vorrichtung zum Messen der Größe einer Struktur mit einer
hohen Genauigkeit. Die Vorrichtung umfasst kalibrierte räumliche
Referenzeinrichtungen, die auf der zu messenden Struktur dreidimensional
angeordnet sind. Eine digitale Kamera oder/und eine Laservorrichtung
nimmt zweidimensionale Bilder auf. Aufgrund der Auswertungen der
aufgenommenen Referenzeinrichtungen mit bekannten Abmessungen wird
auf die Abmessungen des zu messenden Objekts geschlossen.
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Es
ist demzufolge ein Ziel der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur exakten Sammlung von Daten, die die Zylinderkopfgeometrie repräsentieren,
eingeschlossen unebener Oberflächen,
unter Verwendung von kontaktfreien Abtasttechniken zu schaffen.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch
ein Verfahren gemäß Patentanspruch
1 und eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch
3 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Bei
der Durchführung
der erfindungsgemäßen Lehre
wird ein Verfahren zum Sammeln von Daten geschaffen, die für die Geometrie
eines Rohzylinderkopfgusses repräsentativ
sind, um ein Gußteil-Abtastkoordinatensystem
zu erhalten, das in einem Maschinenbearbeitungskoordinatensystem
eingesetzt werden kann. Das Verfahren umfasst die Bestimmung von
planaren Daten, die planaren angegossenen Lokalisierungsmarken auf
dem Guß entsprechen;
Bestimmen vertikaler Daten entsprechend vertikalen angegossenen
Lokalisierungsmarken, die an voherbestimmten Positionen zu den vertikalen
angegossenen Lokalisierungsmarken angeordnet sind, und Bestimmen
der Transformationsmatrix, die das Verhältnis zwischen den Abtastkoordinaten system
und dem Bearbeitungskoordinatensystem auf Grundlage der planaren
und vertikalen Daten herstellt.
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Ferner
wird auch eine Vorrichtung zur Durchführung der Schritte des oben
beschriebenen Verfahrens vorgeschlagen. Die Vorrichtung umfasst
eine plane Oberfläche
mit planen Flächen
entsprechend den ebenen gegossene Lokalisierungsmarken. Die Vorrichtung
umfasst auch ebene Lokalisierungsmerkmale auf der ebenen Oberfläche an vorherbestimmten
Positionen zu den vertikalen gegossene Lokalisierungsmarken. Die
Vorrichtung liegt auf der Oberfläche
des rohen Zylinderkopfgusses während
des kontaktfreien Abtastens, so dass planare und vertikale Daten
zum Einsatz bei der Bestimmung einer Transformationsmatrix, die
ein Verhältnis zwischen
dem Abtastkoordinatensystem und dem Bearbeitungskoordinatensystem
definiert, bestimmt werden.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung sind dem Fachmann aus der nachstehenden
detaillierten Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiel
ersichtlich, auf das die Erfindung aber keinesfalls begrenzt ist.
Dabei zeigt:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines Rohzylinderkopfgusses mit horizontalen
und vertikalen gegossene Lokalisierungsmarken;
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2 eine
perspektivische Ansicht der erfindungsgemässen Vorrichtung auf einem
Rohzylinderkopfguss angeordnet;
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3 eine
isometrische Ansicht der erfindungsgemässen Vorrichtung, die die planen Öffnungen,
die zur Lokalisierung der vertikalen gegossene Lokalisierungsmarken
eingesetzt werden, zeigt;
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4 eine
isometrische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die die zur
Ortsbestimmung der vertikalen gegossene Lokalisierungsmarken verwendeten
Stifte zeigt; und
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5 ein
Flußdiagramm
der allgemeinen Schrittsequenz, die bei der Durchführung der
Erfindung eingesetzt werden kann.
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In 1 ist
die perspektivische Ansicht eines Rohzylinderkopfgusses dargestellt.
Wie in 1 gezeigt, umfaßt der Rohzylinderkopfguß 32 mindestens
eine gegossene Brennkammer 30 in einer Oberfläche 31.
Jede Brennkammer 30 besitzt gegossene Brennkammeroberflächen 34 und 36.
Jede Brennkammer 30 besitzt auch eine Vertiefung 40 für mindestens
eine Komponente, wie ein Ventil. Selbstverständlich ist der Brennkammer-Rohguß 30 konventionell
und im Stand der Technik bekannt. Der Rohzylinderkopfguß 32 umfaßt auch x,
y Lokalisierungsmarken oder planar gegossene Lokalisierungsmarken 44 und
z-Lokalisierungsmarken oder vertikale gegossene Lokalisierungsmarken 46,
die in den Rohzylinderkopfguß 32 durch
eine Gußform
(nicht gezeigt) eingegossen werden. Die gegossenen Lokalisierungsmarken 44 und 46 definieren
die Orientierung und Positionierung des Gußkoordinatensystems und werden
auch als Referenz/Ausgangspunkte für den Endbearbeitungsprozeß verwendet.
In 2 ist eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung 48 gezeigt,
die dazu eingesetzt wird um die Daten, die die Geometrie des Zylinderkopfes
umschreiben, zu erhalten. Die Vorrichtung 48 wird auf den
Rohzylinderkopfguß 32 so
gelegt, daß der
Umfang der Vorrichtung 48 parallel zu den planaren gegossene
Lokalisierungsmarken 44 des Gusses 32 ist.
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Die
Vorrichtung 48 besitzt auch planare Lokalisierungsmerkmale,
wie kreisförmige
Bohrungen 50, die sich an einer vorherbestimmten Position
zur vertikalen gegossene Lokalisierungsmarke 46 befinden.
Die Bohrungen 50 nehmen die vorherbestimmte Position durch
einen Stift 52 wenige Millimeter unterhalb der Bohrung 50 ein,
die auf der vertikalen Fläche/Oberfläche der
vertikalen gegossenen Lokalisierungsmarken 46 liegt, wie in
den 3 und 4 gezeigt. So besitzt die plane
Bohrung 50 eine vorherbestimmte Größe und Form an einem vorherbestimmten
Ort innerhalb einer Fläche
eines Blocks oder Segments der Vorrichtung 48. Der Stift 52 erstreckt
sich dann unterhalb und vom Block oder Segment weg um einen vorherbestimmten
Abstand, so daß die
Bohrung sich jeweils in einer vorherbestimmten planaren Position
zur vertikalen angegossenen Lokalisierungsmarke 46 befindet.
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Nun
können
die gegossenen planaren und vertikalen Lokalisierungsmarkemerkmale 44 und 46,
leicht unter Verwendung kontaktfreier Abtast-Techniken abgetastet
werden. Die Vorrichtung 48 richtet sich an den gegossene
Lokalisierungsmarken 44, 46 genauso aus wie ein
Bearbeitungswerkzeug den Rohguß zum
Bearbeiten des Zylinderkopfes, wodurch sichergestellt wird, daß die gleichen
Punkte auf dem Guß 32 für das virtuelle
Bearbeiten und das physikalische Bearbeiten verwendet werden.
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Ein
Flußdiagramm
der allgemeinen Schrittsequenz beim erfindungsgemäßen Verfahren
ist in 5 gezeigt. Das Verfahren beginnt mit dem Schritt
des Legens der Vorrichtung 48 auf den Rohguß 32,
wie bei Kasten 100 gezeigt. Danach werden in Kasten 110 die
Brennkammeroberflächen 34, 36 abgetastet,
um die Geometrie der Brennkammern zu bestimmen. Ein Laserscanner
oder andere geeignete Mittel können
dazu eingesetzt werden, eine dichte Wolke x, y, z Datenpunkte zu
sammeln, die die Geometrie der gegossenen Brennkammeroberflächen 34, 36, 40,
repräsentieren.
Beispielsweise kann ein Laserscanner dazu verwendet werden, eine
Wolke von x, y, z Datenpunkten alle 0,5 Millimeter (mm) sowohl in
x und y Richtungen über
den Brennkammer-Rohguß 30 zu
sammeln. Diese dichte Wolke Punktdaten wird in einen Computer (nicht
gezeigt) zur Volumenberechnung eingegeben. In diesem Beispiel ist
die Abtastdichte ausreichend, um das Volumen auf 0,05 Kubikzentimeter
(cm3) genau zu berechnen. Selbstverständlich ist
das La serabtasten und die Eingabe in einen Computer konventionell
und im Stand der Technik bekannt.
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Das
Verfahren schreitet fort, indem planare Daten bestimmt werden, die
den planaren gegossene Lokalisierungsmarken 44 entsprechen,
indem mindestens drei plane Flächen
auf der Vorrichtung 48 abgetastet werden, wie bei Kasten 112 gezeigt.
Mindestens drei plane Flächen
werden benötigt,
um die Deckoberflächen x,
y-Fläche
zu bestimmen. Die abgetasteten planen Flächen befinden sich bevorzugt
am Umfang der Vorrichtung 48 und müssen in einer zu den planaren
gegossene Lokalisierungsmarken 44 parallelen Ebene liegen.
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Beim
Kasten 114 werden vertikale Daten entsprechend den vertikalen
gegossene Lokalisierungsmarken 46 durch Abtasten der planen Öffnungen 50 im
Bezug zu den vertikalen gegossenen Lokalisierungsmarken 46 bestimmt.
Da die Bohrungen 50 an einer vorherbestimmten Position
zu den vertikalen gegossenen Lokalisierungsmarken 46 angeordnet
sind, kann der Ort der vertikalen gegossene Lokalisierungsmarken 46 in Kasten 118 bestimmt
werden, so daß Richtung
und Ursprung der Deckoberflächen-x,y
Ebene bestimmt werden kann.
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Bevor
der Ort der vertikalen gegossene Lokalisierungsmarken 46 bestimmt
wird, kann ein freiwilliger Doppelbestimmungsschritt durchgeführt werden,
wie bei Kasten 116 dargestellt. Da die Größe jeder
Bohrung 50 vor dem Abtasten bekannt ist, kann der gemessene
Radius mit dem bekannten Radius verglichen werden, um so sicherzustellen,
daß die
von der Vorrichtung 48 abgegriffenen Daten korrekt sind.
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Experimente
haben gezeigt, daß die
Berechnungen des exakten Radius der Öffnung 50 gegenüber Fehlern
beim Datensammeln empfindlicher ist, als durch Berechnung des Zentrums
der Öffnung.
Demzufolge ist der Radius vergleich ein gutes Anzeichen für die Bestimmung
der Bohrungs-Ortsbestimmungsgenauigkeit. Die Größe der Bohrungen kann unter
Verwendung von kontaktfreien Verfahren, wie sie im US Patent 5,384,717
von Ebenstein mit dem Titel „Kontaktfreies
Verfahren zum Erhalt von Dimensionsinformationen über ein
Objekt" und dem
US Patent 5,481,483, ebenfalls von Ebenstein mit dem Titel „ Kontaktfreies
Verfahren zum Erhalt von Dimensionsinformationen über ein
Objekt zum Vergleich ähnlicher
Objekte". beschrieben
sind, erhalten werden.
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Wenn
alle Daten gesammelt sind, fährt
das Verfahren fort, die Transformationsmatrix zu bestimmen, die
das Verhältnis
zwischen dem Abtastkoordinatensystem und dem Bearbeitungskoordinatensystem
definiert, wie bei Kasten 120 gezeigt. Gegossene Lokalisierungsmarken 44 und 46 werden
in den ersten Schritten des Bearbeitungsprozesse verwendet, um die
Bearbeitungsorte, an denen alle weiteren Bearbeitungsschritte durchgeführt werden,
zu bestimmen. Das Verhältnis
zwischen Gußkoordinatensystem
und Bearbeitungskoordinatensystem wird durch Zylinderkopfzeichnungen
oder ein CAD (Computer Aided Drafting) Modell des Zylinderkopfes
definiert.
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Die
Transformationsmatrix zwischen dem Abtastkoordinatensystem und dem
Bearbeitungskoordinatensystem kann aus dieser vorgegebenen Beziehung
abgeleitet werden.
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Schließlich kann
das Volumen eines bearbeiteten Zylinderkopfes unter Verwendung des
virtuellen Bearbeitens, wie bei Kasten 122 gezeigt, bestimmt
werden.
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Die
nachfolgenden Tabellen geben die Resultate der Berechnung des Brennkammervolumens
von vier Versuchen unter Verwendung der Vorrichtung
48 für einen
3,8 L Motor an
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Versuche 1, 3 und 4 zeigen
normale Produktionstypendurchläufe.
Beim Versuch 2 wird eine Beilagscheibe von etwa 10 mm Dicke
unter ein Ende der Kammer gelegt, um einen „ Extremfall"-Zustand zu simulieren.
Beim Versuch 2 waren einige Bereiche der Kammer für die Abtasteinrichtung
nicht sichtbar, was für
die etwas größere Abweichung
der Resultate dieses Versuches von den drei anderen Versuchen verantwortlich sein
kann. Bei den Versuchen 3 und 4 wurde der Guß nicht
aus der Fixierung gelöst,
so daß diese
Versuche die Wiederholbarkeit des Systems ohne Berücksichtigung
der Vorrichtung (etwa, 005 cm3 Volumen) überprüft. Die
Resultate der Versuche 1, 3 und 4 zeigen,
daß das
Volumen grob um etwa 0,10 cm3 variiert.
Wenn auch der Extremfall-Versuch 2 eingeschlossen wird,
erhöht
sich die Variabilität
um maximal etwa 0,15 cm3.
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Obwohl
die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben
wurde, ist es dem Fachmann ersichtlich, daß unterschiedlichste Abwandlungen
innerhalb des Schutzumfanges der begleitenden Ansprüche möglich sind.
Die Erfindung muß keinesfalls
auf das dargestellte Ausführungsbeispiel
beschränkt werden.
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- 30
- gegossene
Brennkammer
- 31
- Oberfläche
- 32
- Rohzylinderkopfguß
- 34
- gegossene
Brennkammeroberflächen
von 30
- 36
- gegossene
Brennkammeroberflächen
von 30
- 40
- Vertiefung 40
- 44
- x,y-Lokalisierungsmarken
oder planar gegossene Lokalisierungsmarken
- 46
- z-Lokalisierungsmarken
oder vertikale gegossene Lokalisierungsmarken
- 48
- Vorrichtung
- 50
- kreisförmige Bohrungen
- 52
- Stift
