DE3233101C2

DE3233101C2 - Kolbenmeßmaschine

Info

Publication number: DE3233101C2
Application number: DE19823233101
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennung Verzicht
Original assignee: Feinpruef Feinmess- und Pruefgeraete 3400 Goettingen De GmbH; Feinpruef Feinmess und Pruefgeraete 3400 Goettingen GmbH
Current assignee: Feinpruef Perthen Feinmess- und Pruefgeraete GmbH
Priority date: 1982-09-07
Filing date: 1982-09-07
Publication date: 1985-05-15
Also published as: DE3233101A1

Abstract

Bei einem Verfahren zur Bestimmung des Azimutwinkels der Normalen eines um eine ortsfeste Drehachse umlaufenden Prüflings wird ein entsprechend dem jeweiligen Azimutwinkel des Prüflings auf einen Lichtdetektor fallender Lichtstrahl verwendet. Der Lichtstrahl weist einen geringen Öffnungswinkel und eine geringe Querschnittsfläche auf und wird, die Drehachse des Prüflings schneidend, ausgesendet. Aus zwei benachbarten Azimutwinkeln, an denen jeweils eine Änderung der Intensität des Lichtstrahles, d.h. ein Auf- oder Abblenden des Lichtstrahles erfolgt, wird der arithmetische Mittelwert gebildet, der ein Maß für den Azimutwinkel der Normalen darstellt.

Description

Die Erfindung geht aus von einer Kolbenmeßmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Hauptanspruches.

Bevor die Abwicklung eines Kolbens aufgenommen werden kann, was bekanntlich im Polarkoordinatensystern erfolgt, muß zunächst der Azimutwinkel der Kolbenbolzenbohrung festgestellt werden, denn mit diesem Winkel muß die gemessene Abwicklung korreliert werden. Hierzu geeignete Meßmaschinen besitzen einen Drehtisch, auf den der Kolben aufgesetzt wird und mit dessen Hilfe der Kolben zum Zweck der Vermessung um seine eigene Achse gedreht wird. Nun läßt sich zwar die Längsachse des Kolbens sehr genau auf die Drehachse des Drehtisches einstellen, der A7imuiwinkcl der Kiillii-uhnl/rnbolinin·: liiUf sich ilubci iilw nicht in Übereinstimmung mit bestimmten Azimuiwinkeln des Drehtisches bringen, so daß es erforderlich ist, bei dem auf dem Drehteller positionierten Kolben den Azimulwinkel der Kolbenbolzenbohrung nach dem Einrichten des Drehtisches exakt zu vermessen. Erst, wenn diese Vermessung erfolgt ist, kann mit dpm Ausmessen der Abwicklung begonnen werden.

Aus der Praxis ist es bekannt, die Lage der Querbohrung dadurch zu vermessen, daß in die Querborrung ein endseitig verspiegelter Kolbenbolzen eingeschoben wird, dessen spiegelnde Stirnseite mit einem Lichtstrahl abgetastet wird. Sobald der reflektierende Lichtstrahl auf eine entsprechende Fotozelle fällt, wird der Azimutwinkel des Drehtisches abgelesen, wodurch ein Maß der Verdrehung des Kolbens auf dem Drehtisch erhalten wird.

Wenn hierbei nicht durch aufwendige Maßnahmen dafür gesorgt wird, daß die Messung in der optischen Achse des Lichtstrahls erfolgt, beeinflußt die axiale Lage des Kolbenbolzens in der Bohrung über einen verhältnismäßig komplizierten geometrischen Zusammenhang die Meßgenauigkeit unter Umständen erheblich.

Nachteilig ist außerdem, daß an dem Kolben selbst Manipulationen vorgenommen werden müssen, und daß für eine Vielzahl von Kolbenbolzenbohrungen jeweils entsprechende passende, stirnseitig verspiegelte Kolbenbolzen bereitzuhrJten sind, bei denen die Endfläche exakt rechtwinklig zur Längsachse verläuft. Diese verspiegelte Stirnfläche muß extrem saubergehalten werden, weil sonst Steulicht entsteht, das die Meßgenauigkeit beeinträchtigt. Solche Verschmutzungen können von Fingerabdrücken auf der Stirnseite des Kolbenbolzens gebildet sein, die sich bei der Handhabung des Kolbenbolzens nicht immer vermeiden lassen.

Aus der DE-OS 29 26 140 ist eine Vorrichtung zur Ermittlung der Umfangsausbildung eines Gegenstandes beschrieben, die mit Hilfe einer Art Schattenprojcktion arbeitet. Es ist hierzu an einer Seite des Drehtisches, auf dem der Prüfling aufgenommen wird, eine Lichtquelle angeordnet, die ein breites paralleles Lichtband in Rieh tung auf den Prüfling aussendet. Auf der gegenüberliegenden Seite des Drehtisches befinden sich Lichtdeiek- toren, die das von dem Prüfling vorbeigelassene Licht messen, das ein Maß für die radiale Ersircckung des Prüflings ist. Allerdings bestehen außerordentlich verwickelte Verhältnisse zwischen der gemessenen .Schattengröße, dem Azimutwinkel des Drehtisches und dem zu dem Schatten gehörigen A/imutwinkel des jeweiligen Radius.

Da bei Kolben von Verbrennungsmotoren nur eine verhältnismäßig geringe Abweiuiung von der idealen Kreisform vorliegt, eignet sich diese Vorrichtung nicht zur Bestimmung der Orientierung des Kolbens auf dem Drehtisch, weil die gemessenen Amplituden sehr klein und folglich die Maxima und Minima sehr klein sind und sich einer brauchbaren meßtechnischen Erfassung ent ziehen.

Aufgabe der Erfindung isi es deshalb, eine Kolbcnmeßmaschine zu schaffen, mit der sehr gen.iu der Wm kel. den die Achse der Querbohrung des Kolbens mn der Nullage des Drehtisches einschließt, gemessen werden kann, ohne daß hierzu weitere Hilfsmittel an dem Kolben angebracht werden müssen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Kolbenmeßmaschine mit den Merkmalen des Hauptanspruches gelöst.

Eine besonders ausgeprägte Helligkeitsiindcrung auf

ι., dem Lichtdetektor ergibt sich, wenn der Lichtstrahl von einem, bezogen auf die den Lichtstrahl aussendende Lichtquelle hinter dem Prüfling befindliche fokussicrcnden oder planen Spiegel in sich selbst reflektiert und die

Intensitätsänderung auf derselben Seite des Prüflings gemessen wird, auf der die Lichtquelle angeordnet ist Hierdurch wird nämlich erreicht, daß der Lichtstrahl zwei Mal an deraus/umessendcn Kante vorbeigelangen muli.

Eine sehr genaue Messung des Azimutwinkels ist nuiglich. wenn ein extrem feiner Lichtstrahl aus kohärentem Licht eines Lasers verwendet wird.

Eine einfache und robuste Anordnung für den Laser und den Lichtdetektor ergibt sich, wenn an dem Laser ein teildurchlässiger Spiegel angeordnet ist, der unter 45" zu der optischen Achse des Lasers verläuft und hinter dem sich der Lichtdetektor befindet

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der KoI-benmeßmaschine veranschaulicht Es zeigt

F i g. 1 eine Kolbenmeßmaschine in einer Seitenansicht,

F i g. 2 den Signalfluß und den Strahlengang bei der Kolbenmeßmaschine nach F i g. 1 in einer schematisierten -Seitenansicht und

F i g. 3 und 4 den Strahlengang nach F i g. 2 in einer Draufsicht mit unterschiedlichen Stellungen des Prüflings.

Die in F i g. 1 veranschaulichte Meßmaschine 1 dient insbesondere zur Vermessung der Abwicklung von Verbrennungsmotorkolben und enthält einen auf einem Sockel 2 drehbar gelagerten Drehtisch 3, aut dem ein nicht veranschaulichter Prüfling in Gestalt eines Kolbens aufzustellen ist. Um die Längsachse des Prüflings auf die Drehachse 4 des Drehtisches 3 auszurichten, enthält dieser einen Kreuztisch 5, der mittels zweier Einstelleinrichtungen 6 und 7 relativ zu der Drehachse 4 des Drehtisches 3 verschiebbar ist Neben dem Drehtisch 3 ist auf dem Sockel 2 ein Support 8 längsverschieblich gelagert, und zwar erfolgt die Zustellbewegung des Supports 8 rechtwinklig zu der Drehachse 4 des Drehtisches 3.

An dem auf den Drehtisch 3 zustellbaren Support 8 ist eine Meßfühleraufnahme 9 höhenverstellbar gehaltert, die an ihrem vorderen Ende einen Meßfühler 10 trägt, mit dessen Meßtaster 11 die Außenumfangsfläche des auf dem Drehtisch 3 befindlichen Prüflings abgetastet wird, um d'C Abwicklung des Prüflhgs aufzuzeichnen. Die I lohcnverstellung des Meßfühlers 10 bzw. der Meßfühler.uifnahme 9 erfolgt in Richtung eines Doppelpfeiles 12 parallel /u der Drehachse 4. so daß die Abwicklung in verschiedenen H^hen des Prüflings abnehmbar isi.

Auf der rlem Support 8 gegenüberliegenden Seite der Drehachse 4 ist an dem Sockel 2 ein höhenverstellbares Gehäuse 13 vorgesehen, das, wie F i g. 2 zeigt, eine Lichtquelle 14 sowie einen Lichtdetektor 15 enthält.

Die Lichtquelle 14 ist ein im sichtbaren Bereich kohärentes Licht aussendender Laser, dessen Strahlungsleistung so klein ist. daß sie für den Menschen ungefährlich ist und die auch keine Augenschäden hervorruft, wenn das l.aserhcht an der Prüflingsoberfläche reflektiert wird. Die optische Achse des Lasers 14 bzw. der Lichtquelle verläuft in Richtung parallel zu der Drehachse 4, wobei durch einen oberhalb des Lasers 14 angeordneten halbdurchlässigen Spiegel 16 ein aus dem Laser 14 austretender Lichtstrahl 17 teilweise in Richtung auf die Drehachse 4 bzw. einen auf dem Drehtisch 3 befindlichen Prüfling 18 umgebqkt wird. Der von dem halbdurchlässigen Spiegel 16 umgelenkte Lichtstrahl 17 schneidet als Lichtstrahl 19 die Drehachse 4 unter einem rechten Winkel und fällt i'tf einen unter der Meßfühleraiifnahmc 9 angebrachten planen Spiegel 20.

Falls als Lichtquelle 14 kein Laser verwendet wird, der ohne weiteres ein in sich weitgehend paralleles Licht aussendet, sondern eine gebräuchliche Lichtquelle mit Kondensoroptik, kann es zweckmäßig sein, den Spiegel 20 als fokussiercnden Spiegel auszubilden.

In jedem Falle reflektiert der Spiegel 20 den Lichtstrahl 19 in sich selbst zurück, so daü der Lichtstrahl 19 ein weiteres Mal die Drehachse 4 schneidet una dann auf den teildurchlässigen unter 45° angeordneten Spiegel 16 auftritt An dieser Stelle gelangt ein Teil des Lichtes des Lichtstrahles 19 als Lichstrahl 21 zu dem Lichtdetektor 15.

An den Ausgang des Lichtdetektors 15 ist über eine Verbindungsleitung 22 eine Rechenschaltung 23 angeschlossen, mit deren Hilfe der Azimutwinkel der Normalen, d. h. der Winkel der Normalen, gemessen in einer Ebene senkrecht zu der Drehachse 4 des Prüflings 18 gebildet wird, so daß eine fehlerfrei Korrelierung der von dem Meßfühler 10 ermittelten Abwicklung des Prüflings 18 mit der Normalen möglich ist Hierzu ist an die Rechenschaltung 23 weiterhin ein mit dem Drehtisch 3 drehfest gekuppelter Winkelgeber 24 über eine Leitung 71 angeschlossen.

Das Meßverfahren, nach dem die insoweit beschriebene Meßmaschine 1 arbeitet, ist nunmehr anhand der F i g. 3 und 4 erläutert. Es ist dabei angenommen, daß sich auf dem in den F i g. 3 und 4 nicht weiter veranschaulichten Drehtisch 3 ein Kolben 18 eines Verbrennungsmotors befindet, wobei der Kolben 18 eine im wesentlichen zylindrische Gestalt aufweist und eine rechtwinklig zu seiner Längsachse verlaufende Querbohrung 30 enthält. Die Achse der Querbohrung 30 schneidet hierbei die Längsachse des Kolbens 18, die wiederum mit der Drehachse 4 des Drehtisches 3 zusammenfällt. Die Normale 31 des Kolbens 18 ist definiert als eine Gerade, die in Richtung parallel zu der Längsachse der Querbohrung 30 verläuft und die Längsachse des Kolbens 18 schneidet. Auf diese Normale 31. deren Azimutwinkel φ\, bezogen auf die 0° -Marke des Drehtisches 3 zunächst noch unbekannt ist, soll die von dem Meßfühler 10 ermittelte Abwicklung bezogen werden.

Hierzu wird zunächst so vorgegangen, daß das Gehäuse 13 zusammen mit der darin befindlichen Lichtquelle 14, dem teildurchlässigen Spiegel 16 und dem Lichtdetektor 15 in der Höhe. d. h. parallel zu der Drehachse 4 solange verstellt wird, bis bei entsprechender Stellung des Kolbens 18 der Lichtstrahl 19 durch die Kolbenbolzenbohrung 30 hindurchfallen und auf dv.n Spiegel 20 auftreffen kann, der gegebenenfalls entsprecnenu der Höhenverstellung des Gehäuses 13 mit in der Höhe verstellt wird.

Die Messung der Abwicklung wird bei dei 0°-Marke des Drehtisches 3 begonnen, wobei in dieser Stellung des Kolbens 18 kein Licht durch die Kolbenbolzenbohrung 30 hindurchfeten kann, so daß als Folge hiervon auch kein Licht auf den Lichtdetektor 15 auftrifft. Wenn sich der Kolben 18 zusammen mit dem Drehtisch 3 nunmehr im Gegenuhrzeigersinne um den Azimutwinkel g>\ gedreht hat, kommt erstmals Licht auf den Lichtdetektor 15, weil der Lichtstrahl 19 an der Schnittkante der Kolbe:ibolzenbohruf)g 30 mit der Außenumfangsfläche des Kolbens 18 vorbeigelangen und auf den Spiegel 20 auftreffen kann. Hier wird der Lichtstrahl, wie oben ausgeführt, reflektiert und trifft schließlich auf den Lichtdetektor 15.

Der Azimutwinkel, bei dem mit Hilfe des Lichtdetektors 15 die Intensitätsänderung des Lichtstrahles 19

bzw. 21 auftritt, wird von der Rechenschaltung 23 mit Hilfe des Winkelgebers 24 gemessen. Während einer weiteren Drehung des Kolbens 18 bis zum Erreichen des Azimutwinkels g>i erfolgt keine Änderung der Intensität der Lichtstrahlen 19 bzw. 21, die in dem Azimut-Winkelbereich zwischen q>\ und φ* durch die Kolbenbolzenbohrung 30 hindurchtreten. Bei dem Azimutwinkel φι tritt eine weitere Intensitätsänderung des von dem Lichtdetektor 15 gemessenen Lichtstrahles 21 auf, der nunmehr durch die Kante der Kolbenbolzenbohrung 30 ίο abgedeckt wird. Sobald diese Intensitätsänderung auftritt, wird wiederum von der Rechenschaltung 23 mit Hilfe des Drehwinkelgebers 24 der Azimutwinkel gernessen.

Wie sich durch geometrische Überlegungen beweisen läßt, ist nunmehr der zunächst unbekannte Azimutwinkel q>N der Normalen 31 der algebraische Mittelwert aus den gemessenen Azimutwinkeln q>\ und qn, bei denen jeweils eine Intensitätsänderung der Lichtstrahlen 19 bzw. 21 auftritt. Die Rechenschaltung 23 bildet deshalb den Azimutwinkel g?N der Normalen 31 nach der Gleichung:

<Pn

25

Dieses Spiel des Auf- und Abdunkeins der Lichtstrahlen 19 und 21 wiederholt sich, wenn die während der Messung von φ\ und g>7 dem Spiegel 20 benachbarten Kanten der Kolbenbolzenbohrung 30 auf die Seite der Lichtquelle 14 gelangt sind, d. h. nach einer weiteren Drehung im Gegenuhrzeigersinne um den Azimutwinkel gn wird der Lichtstrahl 19 bzw. der Lichtstrahl 21 wieder aufgeblendet und fällt durch die Kolbenbolzenbohrung 3ö auf den Spiegel 20. Nach einer weiteren Drehung um den Azimutwinkel qn gegenüber der 0° -Marke des Drehtisches 3 wird der Lichtstrahl 19 bzw. der Lichtstrahl 21 wieder abgeblendet. Aus den Azimutwinkeln qn und ψί, läßt sich wiederum der Azimutwinkel g>N der Normalen in der Rechenschaltung berechnen, wobei zweckmäßigerweise zur Erhöhung der Genauigkeit die bereits ermittelten Winkel g>\ und gn miteinbezogen werden.

Bei dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel ergibt sich der Azimutwinkel ^/vdann nach der Gleichung:

_ 90»

Falls der Kolben 18 so auf dem Drehtisch 3 steht, daß die Nullgradmarke des Drehtisches in den Bereich der Kolbenbolzenbohrung 30 fällt, tritt an dem Winkel ψ], d.h. dem Azimutwinkel, bei dem ausgehend von der 0°-Marke, die erste Helligkeitsänderung in dem Lichtstrahl 19 bzw. 21 erfolgt kein Aufblenden, sondern vielmehr ein Abblenden des Lichtstrahles 19 auf. Umgekehrt erfolgt bei dem Azimutwinkel q>i im Gegensatz zu der oben erläuterten Betriebssituation ein Aufblenden der Lichtstrahlen 19 und 21, womit sich der Azimutwinkel ^wder Normalen 31 nunmehr nach der Gleichung:

Ψν

φι)12 - 90°

Da es, wie aus den F i g. 3 und 4 weiterhin ühne weiteres ersichtlich ist, nicht darauf ankommt, ob die den Strahl 19 abblendende Kante des Prüflings oder Kolbens 18 zwischen der Drehachse 4 und der Lichtquelle 14 oder zwischen der Drehachse 4 und dem Spiegel 20 liegt, können auch Prüflinge oder Kolben 18 vermessen werden, bei denen die Bohrung 30 seitlich versetzt angebracht ist und die Längsachse der Bohrung 30 neben der Drehachse 4 vorbeiläuft. Auch ist es möglich, mit diesem Meßverfahren die Orientierung von Prüflingen /u ermitteln, die die Form von Zylindersegmenten aufweisen. Solche Zylindersegrnente oder zylinderähnlichen Segmente werden dann in der Weise auf dem Drehtisch 3 positioniert, daß die Längsachse des vollständig gedachten Zylinders, aus dem der Prüfling einen Ausschnitt darstellt, mit der Drehachse 4 zusammenfällt.

Schließlich laßt sich auch die Orientierung vuii piismatischen Körpern mit beispielsweise rechteckiger Grundfläche auf dem Drehtisch nach dem oben beschriebenen Meßverfahren ermitteln, wenn der prismatische Körper neben der Drehachse 4 des Drehtisches 3 steht, so daß der Lichtstrahl bei besiimmten A/imutwinkeibereichen des Drehtisches 3 an dem prismatischen Körper vorbeigelangen kann, wenn dafür gesorgt wird, daß die zu der Drehachse 4 parallel verlaufenden und dieser unmittelbar benachbarten Kanten jeweils gleichen Abstand von der Drehachse 4 aufweisen.

Für den Fall, daß diese Bedingung nicht eingehalten wird. bzw. daß bei dem obigen Ausführungsbeispiel die Längsachse des Kolbens 18 nicht mit der Drehachse 4 zusammenfällt, tritt bei der Bestimmung des Azimutwinkels gin der Normalen 31 ein Meßfehler auf. der jedoch bei der Genauigkeit, mit der die Prüflinge üblicherweise auf dem Drehtisch 3 positioniert werden, unbeachihch iii.

Die eingangs beschriebene Meßmaschine 1 kann auch derart aufgebaut werden, daß anstelle des Spiegels 20 der Lichtdetektor 15 angeordnet ist und der Lichtstrahl 19 lediglich einmal die jeweils zu vermessende Kante des Prüflings passiert.

Zur Ermittlung des Azimutwinkels der Normalen qn ist es nicht notwendig, daß der Lichtstrahl 19 bei der Meßmaschine 1 die Drehachse 4 schneidet, sondern es sind auch richtige Ergebnisse zu erhalten, wenn der Lichtstrahl 19 neben der Drehachse 4 vorbeiläuft, so daß es nur darauf ankommt, daß der Lichtstrahl 19 die Drehachse 9 passiert bzw. im wesentlichen in Richtung auf diese verläuft.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

55

berechnet Unter Einbeziehung der Azimutwinkel
und 04 berechnet sich <pn dann zu:

60

65

g>N = (φι + φι + φι + jp₄)/4 — 180°

Claims

Patentansprüche:

1. Kolbenmeßmaschine mit einer Einrichtung zum Bestimmen des Winkels (Azimutwinkel), den die Achse einer Querbohrung in einem etwa zylindrischen Prüfling mit einer 0°-Linie der Winkeleinteilung eines den Prüfling aufnehmenden, mit einem Drehwinkelmesser versehenen Drehtisches bildet, wobei die Einrichtung zum Bestimmen des Azimutwinkels eine verstellbar angeordnete Lichtquelle und einen Lichtdetektor enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (14) eine Einrichtung zur Erzeugung eines Lichtstrahls mit geringem öffnungswinkel und geringem Durchmesser aufweist und derart ausgerichtet ist, daß der Lichtstrahl (19) in wenigstens die Drehachse (4) des Drehtisches schneidet und in einem Bereich des Prüflings (18) verläuft in dem der Lichtstrahl (19) einem Drehwinkelbereich (ψ2 — <p\) des Drehtisches durch die Querbohrung (30) hindurch auf den Lichtdetektor (15) gelangt, daß eine Rechenschaltung (23) vorgesehen ist, an die die Winkelmeßeinrichtung (24) und der Lichtdetektor (15) angschloosen sind und die den Mittelwert aus wenigstens zwei benachbarten Drehwinkeln ((pi, fp2, g>\, φ*) bildet, bei denen aufgrund des umlaufenden Prüflings (18) eine Intensitätsänderung des von dem Lichtdetektor gemessenen Lichtstrahls (19, 21) erfolgt, und daß aus den gebildeten Mittelwerten der Winkel zw'schen 'er Achse der Querbohrung mit der 0°-Linie der Winkeleinteilung des Drehtisches abgeleitet wird.

2. Meßmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß, bezogen auf die Lichtquelle (14) hinter der Drehachse (4), ein den Lichtstrahl (19) in sich selbst reflektierender fokussierender oder planer Spiegel (20) angeordnet ist und daß sich der Lichtdetektor (15) auf derselben Seite der Drehachse (4) befindet wie die Lichtquelle (14).

3. Meßmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, d-ß die Lichtquelle (14) ein Laser ist.

4. Meßmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Laser (14) ein teildurchlässiger Spiegel (16) angeordnet ist. der unter 45¹ zu der optischen Achse des Lasers (14) verläuft und hinter dem sich der Lichtdetektor (15) befindet.