DE2926168A1

DE2926168A1 - Vorrichtung zur messung der umfangsausbildung eines gegenstandes

Info

Publication number: DE2926168A1
Application number: DE19792926168
Authority: DE
Inventors: Isao Ito; Seiichi Tunashima
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1978-09-11
Filing date: 1979-06-28
Publication date: 1980-03-13
Also published as: JPS5537918A; GB2031144B; GB2031144A; SE7905376L; CH639194A5; FR2435697B1; CA1122324A; FR2435697A1; SE442448B; JPS6013443B2; DE2926168C2; US4297034A

Description

HOPPMANN · EITIJS & PARTNER

PAT 13 N TAN WALT B DR. ING. E. HOFFMANN (1930-1976) ■ Dl Pl.-I NG. W.EITLE · D R. RER. NAT. K. HOFFMAN N · D I PL.-I NG. W. LEHN

DIPL.-ING. K. FOCHSLE · DR. RER. NAT. B. HANSEN ARABELLASTRASSE 4 (STERNHAUS) . D.8000 MÖNCHEN 81 · TELEFON (089) 911087 . TELEX 05-29619 (PATHE)

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NGK Insulators, Ltd., Nagoya City/Japan

Vorrichtung zur Messung der Umfangsausbildung eines Gegenstandes

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur selbsttätigen Messung der Umfangsausbildung von säulenförmigen Gegenständen mit kreisförmigem oder elliptischem Querschnitt in schneller und genauer Weise ohne Berührung des Gegenstandes.

Es ist bereits bekannt, die Urafangsausbildung säulenförmiger Gegenstände, wie beispielsweise eines zylindrischen Körpers oder einer elliptischen Säule und ähnlicher Anordnungen zu messen, indem der Gegenstand gegen eine Meßlehre gedrückt wird, bei deren Herstellung ein Toleranzmaß der Gegenstände berücksichtigt worden ist, oder indem ein Fühler Kontakt mit der Oberfläche des Gegenstandes macht, um dessen Abmessungen zu ermitteln. Bei diesen bekannten Verfahren sind Meßlehre und Fühler unmittelbar in Anlage am Gegenstand. Daher konnten diese Verfahren nicht bei spröden Gegenständen, wie beispielsweise dünnen keramischen Wabenstrukturen, angewandt werden.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neuartige Vorrichtung zur Messung der Umfangsausbildung oder der umfangsseitigen Abmessungen von Gegenständen in schneller und genauer Weise ohne Berührung mit dem Gegenstand zu schaffen.

Ferner soll durch die Erfindung eine Vorrichtung zur berührungslosen Messung der Umfangsausbildung von Gegenständen geschaffen werden, die einen einfachen Aufbau aufweist und mühelos eingesetzt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur Messung der Umfangsausbildung eines Gegenstandes gelöst, welche einen drehbaren Aufnahmetisch aufweist, auf den der zu messende Gegenstand gegeben wird, einen Detektor zur Ermittlung des Drehwinkels des Aufnähmetisches zur Abgabe eines Drehwinkelsignals, eine Lichtquelle zur Beleuchtung mindestens eines Teils des auf dem Aufnahmetische befindlichen Gegenstandes, wobei die Umfangsausbildung dieses Teils gemessen werden soll, eine Aufnehmervorrichtung mit einer Linse zur Erzeugung eines optischen Bildes dieses zu messenden Teils des Gegenstandes und einem Bilddetektor zur Aufnahme des Bildes zwecks Erzeugung eines Videosignals, einen Speicher zur Speicherung eines Standardsignals, das einem Standardgegenstandes mit vorgegebener Umfangsausbi!dung entspricht, und eine Arbeitsschaltung zur Aufnahme des Drehwinkelsignals, des Videosignals und des Standard-Videosignals und zur Erzeugung eines Signals, welches die Abweichung in der Umfangs-

t.

ausbildung des zu messenden Gegenstandes gegenüber dem Standardg:egenstand darstellt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Vorrichtung ferner eine optische Einrichtung zur Messung einer Entfernung zwischen dem Gegenstand und der Aufnehmer-

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vorrichtung auf und eine Einrichtung zur Aufnahme dieses Entfernungssignals zum Antrieb der Aufnehmervorrichtung in Richtung der optischen Achse derselben in solcher Weise, daß das fokussierte Bild des Gegenstandes immer auf dem Bilddetektor in der Aufnehmervorrichtung gebildet wird.

Die Erfindung wird anschließend anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 einen schematischen Grundriß der Vorrichtung gemäß Fig. 1 und

Fig. 3 ein Diagramm zur Erläuterung der Betriebsweise der Vorrichtung gemäß den Fig. 1 und 2.

Fig. 1 ist eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung der Umfangsausbildung von Gegenständen. Ein zu messender Gegenstand 1 wird auf einen drehbaren Aufnähmetisch 2 in dessen Mitte angeordnet. Um sicherzustellen, daß der Gegenstand 1 auf dem Aufnahmetisch 2 in dessen Mitte angeordnet wird, ist eine Führungsplatte 3 auf der Oberfläche des drehbaren Aufnahmetisches 2 befestigt. Der drehbare Aufnahmetisch 2 ist mit einer umlaufenden Welle 4 verbunden, die mittels eines Motors 5 und eines Getriebes 6 in Richtung des Pfeils A angetrieben wird. Die Welle 4 ist ferner mit einem Drehwinkeldetektor, wie beispielsweise einem umlaufenden Codierer 7 verbunden. Der umlaufende Codierer 7 erzeugt ein Drehwinkelsignal des Aufnahmetisehes 2 und somit des Gegenstandes 1. Neben dem Gegenstand ist am drehbaren Aufnahmetisch 2 eine Lichtquelle,

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beipielsweise eine Lampe 8, angeordnet, um einen Teil des zu messenden Gegenstandes 1 zu beleuchten. Bei der dargestellten Ausführungsform ist eine Höhe des Gegenstandes 1 zu messen und somit wird ein oberer Rand 9 des Gegenstandes

I durch die Lampe 8 beleuchtet. Ein optisches Bild des Randabschnitts 9 wird durch eine Linse 10 auf einen Bilddetektor

II projiziert, wobei beide in einer Aufnehmervorrichtung angeordnet sind. Die Aufnehmervorrichtung 12 ist derart angeordnet, daß, wenn ein Standardgegenstand mit vorgegebenen Abmessungen auf den Aufnahmetisch 2 angeordnet wird, eine optische Achse 13 der Linse 10, d.h. der Aufnehmervorrichtung 12 ,.fluchtend mit einem oberen Rand des Standardgegenstandes ausgerichtet wird. D.h. eine Höhe H von der Oberfläche des Aufnahmetisches 2 zur optischen Achse 13 wird so groß wie die vorgegebene Höhe des Standardgegenstandes gewählt. Diese Anordnung wird bevorzugt, weil in diesem Falle der Meßbereich ein Maximum erreicht. Jedoch wird darauf hingewiesen, daß erfindungsgemäß eine derartige Anordnung nicht immer notwendig ist. Der Bilddetektor 11 kann beispielsweise durch eine einfache lineare Anordnung eines Bildsensors, wie beispielsweise eine lineare Folge von LadungsverSchiebeelementen oder Eimerkettenspeichern/sein. Gemäß einer Alternative kann die Aufnehmervorrichtung 12 aus einer Fernsehkamera bestehen. Der Bilddetektor 11 wandelt das optische Bild in ein Videosignal um, welches eine Position des Randes 9 des zu messenden Gegenstandes 1 darstellt.

Falls der Gegenstand 1 einen elliptischen Querschnitt aufweist, so ändert sich der Abstand 1 vom Rand 9 des Gegenstandes 1 zur Linse 10 der Aufnehmervorrichtung 12, abhängig von der Drehung des Auf nähmetisches 2, selbst wenn der Gegenstand 1 auf dem Aufnahmetisch 2 in dessen Mitte angeordnet ist. Daher ist das optische Bild des durch die

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Linse 10 abgebildeten Rands 9 nicht immer am Bilddetektor fokussiert, womit eine hohe Genauigkeit der Messung nicht erhalten werden könnte. Um den Abstand 1 konstant auf einer vorgegebenen Länge L zu halten, ist die Aufnehmervorrichtung 12 in Richtung des Doppelpfeils B beweglich. Die Aufnehmervorrichtung 12 ist mit einem Stab 14 verbunden, an dessen unterem Ende eine Gewindebohrung 15 angeordnet ist, die eine Führungsspindel 16 aufnimmt, die an ihrem einen Ende mit einem reversierbaren Motor 17 verbunden ist. Zur Feststellung oder Messung der Entfernung 1 zwischen dem Rand 9 und der Linse 10 dient ein optischer Entfernungsdetektor 18, der in Fig. 1 nur schematisch dargestellt ist.

Fig. 2 stellt einen Grundriß dar, der hauptsächlich die Anordnung des optischen Entfernungsdetektors 18 gegenüber dem auf dem drehbaren Aufnahmetisch 2 befindlichen Gegenstand 1 angibt. Der Entfernungsdetektor 18 umfaßt ein Projektionselement 18A für Parallellicht einschließlich einer Laserlichtquelle und eines rotierenden Spiegels zur Reflexion des Laserstrahls gemäß Fig. 2 in paralleler Form, sowie ein Aufnahmeelement 18B für Parallellicht zur Aufnahme des vom Projektionselement 18A projezierten Laserstrahls. Die Elemente 18a und 18B sind senkrecht zur optischen Achse 13 der Aufnehmervorrichtung 12 angeordnet. Das Projektionselement 18A für Parallellicht projiziert den Laserlichtstrahl, beispielsweise in Fig. 2 von links nach rechts. Während dieser Abtastung wird der Laserstrahl vom Gegenstand 1 abgefangen und es ist somit möglich, eine Position des Randes 9 des Gegenstandes gegenüber einem Bezugspunkt, wie beispielsweise dem Mittelpunkt 0 des drehbaren Aufnahmetisches 2,zu ermitteln, indem die Zeit festgestellt wird, während welcher das Aufnahmeelement 18B den Laserstrahl in jeder Abtastperiode des im Projektionselement 18 A angeordneten umlaufenden Spiegels

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aufnimmt. Ein Ausgangssignal des Aufnahmeelements 18B wird einer Antriebsschaltung 18C zugeführt, um an den reversierbaren Motor 17 ein Antriebssignal zu liefern. Dabei drehen sich der Motor 17 und somit die Führungsspindel 16 in vorgegebener Richtung, was durch den Doppelpfeil C angedeutet wird und die Aufnehmervorrichtung wird in einer gegebenen Richtung bewegt. Während der Drehung des Aufnahmetisches 2 liefert die Antriebsschaltung 18C das Antriebssignal an den Motor 17 und die Aufnehmervorrichtung 12 wird in solcher Richtung und um eine solche Entfernung bewegt, daß die Entfernung 1 vom Rand 9 des Gegenstandes 1 zur Linse 10 immer einen vorgegebenen Wert aufweist, und damit das optische Bild des Randes 9 des Gegenstandes immer ordnungsgemäß auf den Bilddetektor 11 fokussiert ist.

Das Drehwinkelsignal des umlaufenden Codiereis 7 und das Videosignal des Bilddetektors 11 werden einer Arbeitsschaltung 19 zugeführt, die ferner mit einem in einen Speicher 20 gespeicherten Standard-Videosignal versorgt wird. Das Standard-Videosignal entspricht einem Signal, das vom Bilddetektor 11 erhalten wird, wenn ein Standard- _ gegenstand mit vorgegebener Umfangsausbildung und vorgegebenen Abmessungen auf den drehbaren Aufnahmetisch gebracht und über einen Winkelbereich von 360°.gedreht wird. In der Arbeitsschaltung 19 werden diese Videosignale miteinander unter Steuerung des Drehwinkelsignals, welches vom umlaufenden Codierer 7 kommt, verglichen und es wird an der Ausgangsklemme 21 ein Ausgahgssignal erzeugt, welches ein Maß dafür darstellt, ob der gemessene Gegenstand 1 die richtige Umfangsausbildung, beispielsweise die richtige Höhe H, aufweist.

Es wird nunmehr ein Meßvorgang für* die Ermittlung der Höhe

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des Gegenstandes 1 mit Hilfe der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Vorrichtung unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschrieben. Der Gegenstand 1, beispielsweise ein zylindrischer Körper wird auf dem drehbaren Aufnahmetisch 2 gebracht und sein oberer Rand 9 beleuchtet. Dabei wird das optische Bild des oberen Rands des Gegenstandes am Bilddetektor 11 der Aufnehmervorrichtung 12 abgebildet. Da die Aufnehmervorrichtung 12 in solcher Höhe angeordnet wurde, daß ihre optische Achse 13 der gewünschten Höhe H entspricht, so weicht das Bild am Detektor 11 immer um einen ^ h entsprechenden Betrag ab, falls sich die Höhe des oberen Randes 9 des Gegenstandes 1 von der gewünschten Höhe H um eine Entfernung Δ h unterscheidet. Diese Größe kann als Produkt der Vergrößerung der Linse 10 und der Abweichung ^S h berechnet werden. Auf diese Weise kann ein in Fig. 3 dargestelltes Diagramm erhalten werden, wenn der Aufnahmetisch 2 mit verhältnismäßig niedriger gleichmäßiger Geschwindigkeit über einen Winkelbereich von 360° gedreht wird. In Fig. 3 ist der Drehwinkel θ auf der Abszisse eingetragen und die Größe der gemessenen Abweichung A h gegenüber einer Standardhöhe H auf einer Ordinate. Im Speicher 20 sind die maximal zulässigen Toleranzwerte +&Έ und - A H gespeichert, sowie der maximal zulässige Wert W für einen Unterschied w zwischen oberstem und unterstem Viert sowie die Größe der Standardhöhe H. Somit wird in der Arbeitsschaltung 19 der Vergleich auf der Basis der folgenden beiden Kriterien vorgenommen :

1. Abhängig davon, ob die Abweichung den maximal zulässigen Wert +<^ H übersteigt und

2. Abhängig davon, ob die Scheiteldifferenz w der Abweichung Λ h den maximal zulässigen Wert Vi überschreitet? Ist die Antwort auf mindestens eine der beiden vorausgehenden, als

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"* I I —

Kriterien dienenden Fragestellungen ja, so erzeugt die Arbeitsschaltung 19 an der Ausgangsklemme 21 ein Signal, welches angibt, daß der gemessene Gegenstand T einen unzulässigen Fehler in der Umfangsausbildung aufweist.

Die Erfindung ist nicht auf die vorausgehend erläuterte Ausführungsform beschränkt, sondern kann im Rahmen der Ansprüche weitere Abänderungen erfahren. Beispielsweise können unterschiedliche Umfangsausbildungen von unterschiedlichen Gegenständen,wie elliptischen oder polygonalen Säulen durch die erfindungsgemäße Vorrichtung gemessen werden. Ferner kann das Bild des Gegenstandes auf den Bilddetektor durch verschiedene Einrichtungen fokussiert werden. Hat beispielsweise der Gegenstand einen gegebenen Querschnitt, so kann die Aufnehmervorrichtung 12 in vorgegebener Weise durch eine entsprechend geformte Uockenplatte bewegt werden. Gemäß einer Alternative kann die Linse 10 der Aufnehmervorrichtung 12 mittels bekannter, zur Autofokussierung dienenden Vorrichtungen bewegt werden.

Wie vorausgehend im einzelnen erläutert wurde, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung die Umfangsausbildung und insbesondere die Höhe des Gegenstandes berührungslos messen und eignet sich daher in hohen Maß zur Messung spröder Gegenstände. Da ferner die Messung in sehr kurzer Zeit, beispielsweise zwei bis drei Sekunden, durchgeführt werden kann, ist die erfindungsgemäße Vorrichtung besonders geeignet für die Messung von Gegenständen, beispielsweise keramischen Wabenanordnungen, die im Zuge einer Massenfertigung hergestellt werden.

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Claims

on2 61S PATENTANWÄLTE DR. ING. E. HOFFMANN (1930-197Ä) . DIPL.-ING. W.EITLE · D R. RER. NAT. K. HO FFMANN · D I PL.-I N G. W. LEH N DIPL.-1NG. K. FOCHSLE · DR. RER. NAT. B. HANSEN ARABELLASTRASSE 4 (STERNHAUS) · D-8000 MO NCHEN 81 · TELEFON (089) 911087 - TELEX 05-29619 (PATH E) 32 286 NGK Insulators, Ltd.", Nagoya City/Japan Vorrichtung zur Messung der Umfangsausbildung eines Gegenstandes Patentansprüche :

1.1 Vorrichtung zur Messung der Uxnf angsausbildung iines Gegenstandes, gekenn zeichnet durch einen drehbaren Aufnahmetisch (2), der den zu messenden Gegenstand aufnimmt, einen Detektor (7) zur Ermittlung des Drehwinkels des Aufnahmetisches zwecks Erzeugung eines Drehwinkelsignals, eine Lichtquelle (8, 18A) zur Beleuchtung mindestens eines Teils des auf dem Aufnahmetisch (2) befindlichen Gegenstandes, wobei die Umfangsausbildung dieses

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Teils gemessen werden soll, eine Aufnehmervorrichtung (12) mit einer Linse zur Erzeugung eines optischen Bildes dieses zu messenden Teils des Gegenstandes und mit einem Bilddetektor (11) zur Aufnahme des Bildes zwecks Erzeugung eines Videosignals, einen Speicher (20) zur Speicherung eines Standardsignals, das einem Standardgegenstand mit gegebener Umfangsausbildung entspricht, und eine Arbeitsschaltung (19) zur Aufnahme des Drehwinkelsignals, des Videosignals und des Standard-Videosignals und zur Erzeugung eines Signals, welches eine Abweichung in der zu messenden Umfangsausbildung des Gegenstandes gegenüber dem Standardgegenstand darstellt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bilddetektor (11) in der Aufnehmervorrichtung (12) eine lineare Anordnung eines Bildsensors aufweist, und diese lineare Anordnung

des Bildsensors in einer Richtung ausgerichtet ist, in der die Umfangsausbildung des Gegenstandes gemessen werden soll.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein oberer Rand (9) des Gegenstandes durch die Lichtquelle (8) beleuchtet wird und daß eine optische Achse (13) der Aufnehmervorrichtung (12) mit einem oberen Rand des Standardgegenstandes fluchtend liegt, um eine Abweichung der Höhe des Gegenstandes gegenüber einer Standardhöhe zu messen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsschaltung eine Abweichung der zu messenden Umfangsabraessung des Gegenstandes gegenüber einer Standardgröße ermittelt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher (20) ferner die maximal

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zulässige Toleranz der Abweichung speichert und die Arbeitsschaltung (19) die ermittelte Abweichung mit der maximal zulässigen Toleranz vergleicht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsschaltung (19) eine Scheiteldifferenz (w) der Abweichung ermittelt und die ermittelte Scheiteldifferenz mit dem maximal zulässigen,im Speicher gespeicherten Wert vergleicht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 ,- gekennzeichne t durch eine Einrichtung zur Ermittlung einer Entfernung zwischen einem Teil des zu messenden Gegenstandes und der Aufnehmervorrichtung (12) und eine Einrichtung (14) zum Antrieb der Aufnehmervorrichtung (12) in Richtung ihrer optischen Achse im Einklang mit der ermittelten Entfernung derart, daß das optische Bild des Gegenstandes immer am Bilddetektor (11) in der Aufnehmervorrxchtung (12) fokussiert ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein am Aufnahmetisch (2) angeordnetes Führungselement (3) zur Einstellung des Gegenstandes am Aufnähmetiseh.

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