DE3630702A1

DE3630702A1 - Vorrichtung zum vermessen eines werkstueckes

Info

Publication number: DE3630702A1
Application number: DE19863630702
Authority: DE
Inventors: Ulrich Wagensommer
Original assignee: FRANZL FRANZ
Current assignee: FRANZL FRANZ
Priority date: 1986-09-09
Filing date: 1986-09-09
Publication date: 1988-03-17

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Vermessen der axialen und radialen Abmessungen eines Werkstückes, das Ab schnitte unterschiedlichen Durchmessers aufweist.

Bekannte Meßvorrichtungen zum Vermessen von Werkstücken weisen einen mechanischen Tastkopf auf, der das Werkstück abtastet. Der Tastkopf wird mittels einer aufwendigen und hochpräzisen Führung gesteuert. Um eine hohe Meßgenauigkeit zu erzielen, sind sehr genaue Führungen und steife Führungslager erforder lich, wodurch die Kosten der Vorrichtung erheblich erhöht werden. Auch bedingen die aufwendigen Führungen, daß relativ große Massen bewegt werden, so daß nur mit niedrigen Antastge schwindigkeiten gearbeitet werden kann und der Meßvorgang ins gesamt relativ lange dauert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Vermessen von Werkstücken zu schaffen, die trotz geringer Ko sten eine schnelle und präzise Messung ermöglicht.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Lösung dieser Aufgabe sieht vor, daß das Werkstück auf einem in Axialrichtung ver schiebbaren Schlitten derart aufspannbar ist, daß im wesentli chen alle seine zu vermessenden Kanten freiliegen; die Stellung des Schlittens mittels einer inkrementalen Weg-Meßeinrichtung meßbar ist; eine Quelle für ein elektromagnetisches Strahlen bündel, wie einen Laser-Strahl, vorgesehen ist, welches einen einen Schatten des Werkstückes erzeugt; ein Strahlungs-Detektor in bezug auf die Kanten des vom Werkstück geworfenen Schattens positionierbar ist und daß die Stellung des Detektors meßbar ist.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgese hen, daß der Detektor und das Werkstück auf dem Schlitten rela tiv zueinander bewegbar sind, wobei insbesondere der Detektor radial und das Werkstück axial verschiebbar sind.

Die Stellung des Detektors in bezug auf das Werkstück läßt sich bevorzugt dadurch messen, daß eine inkrementale Wegmeßeinrich tung vorgesehen ist.

Inkrementale Wegmeßgeräte sind bekannt, beispielsweise aus der Zeitschrift "Feinwerktechnik & Meßtechnik", 1979, S. 227-232, sowie den darin erwähnten anderen Veröffentlichungen (s. z. B. auch europäisches Patent 68 082).

Sowohl bezüglich des Schlittens als auch des Detektors werden also gemäß der Erfindung bevorzugt inkrementale, absolute Weg meßsysteme eingesetzt.

Ein Meßtaster ist nicht erforderlich. Alle zur Vermessung des Werkstückes erforderlichen Daten werden ohne Abtastung des Werkstückes gewonnen, zum einen dadurch, daß die Position des Schlittens, auf dem das Werkstück eingespannt ist, direkt ge messen wird, und zum anderen dadurch, daß die Konturen des Werkstückes aufgrund des vom Werkstück erzeugten Schattens mit tels eines photoelektrischen Wandlers bestimmt werden.

In einer bevorzugten Ausgestaltung erfolgt die Positionierung des photoelektrischen Wandlers in bezug auf die Kanten des Werkstück-Schattens derart, daß der Wandler mehrere Felder auf weist, die bevorzugt als Quadranten ausgebildet sind und unab hängig voneinander photoelektrische Signale erzeugen, wobei durch Vergleich, insbesondere Differenzbildung, zwischen den durch die verschiedenen Felder erzeugten Signalen der Detektor durch eine Regelsteuerung derart positioniert wird, daß ein bestimmter Punkt des Detektors (z. B. sein Mittelpunkt) genau auf der Schattenkante liegt. Befindet sich der Detektor in die ser Stellung, so wird die zugehörige Position (Koordinate) mit tels der inkrementalen Wegmeßeinrichtung festgestellt und zu sammen mit der Position (Koordinate) des Schlittens in den Auswerte-Rechner eingegeben.

Das zur Schattenerzeugung verwendete Strahlenbündel wird bevor zugt durch Aufweitung eines Laserstrahls gebildet. Durch den Konvergenz- bzw. Divergenzwinkel des Strahlenbündels kann ein beliebiges Verkleinerungs- bzw. Vergrößerungsverhältnis zwi schen dem Werkstück und seinem Schatten erzeugt werden. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung besteht das Strahlenbündel aus parallelen Strahlen, so daß der vom Werk stück geworfene Schatten exakt dessen Kontur entspricht.

In einer Weiterbildung der Erfindung sind zwei Detektoren vor gesehen, die unabhängig voneinander bewegbar sind.

Grundsätzlich ist es nicht erforderlich, daß durch das Strah lenbündel ein Schatten vom gesamten Werkstück erzeugt wird. Vielmehr genügt es, wenn das Strahlenbündel nur von der gerade vermessenen Kante des Werkstückes ein Schattenbild erzeugt, welches auf den Detektor fällt. Das Strahlenbündel muß somit nicht wesentlich größer sein als die Empfangsfläche des Detek tors (photoelektrischen Wandlers). Bevorzugt ist das Strahlen bündel in Form eines schmalen Streifens ausgebildet, welcher das Werkstück in dessen Radialrichtung schneidet und dabei sowohl die obere als auch die untere Kante des Werkstückes erfaßt.

Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung läßt sich mit einer geeig neten Programmsteuerung voll automatisieren. Bei allen prakti schen Meßproblemen ist im voraus die grobe Kontur des Werk stückes bekannt, es müssen nur noch die genauen Meßwerte er mittelt werden. Deshalb kann die Bedienungsperson entsprechend einem Programm die groben Konturen des Werkstückes im voraus in den Rechner eingeben, welcher dann gemäß einem Programm automa tisch den Schlitten sowie den Detektor bzw. die Detektoren der art bewegt, daß nacheinander alle für die Messung maßgeblichen Punkte an den Schattenkanten des Werkstückes einzeln abgetastet werden. Die dabei gemessenen Meßwerte (Positionen des Schlit tens und des Detektors) werden ebenfalls vollautomatisch im Rechner aufgenommen und derart verarbeitet, daß die gewünschten Meßresultate bezüglich des Werkstückes erhalten werden.

Auf diese Weise können insbesondere Werkstücke vermessen wer den, die bezüglich ihrer Längsachse rotationssymmetrisch sind und Abschnitte unterschiedlichen Durchmessers aufweisen. Es können in einfacher Weise sowohl die axialen Längen der einzel nen Abschnitte als auch deren jeweilige Durchmesser festge stellt werden. Auch konische Zwischenabschnitte können hin sichtlich ihrer maximalen und minimalen Durchmesser sowie ihres Neigungswinkels vermessen werden.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 schematisch eine Gesamtansicht der Vorrichtung zum Ver messen von Werkstücken;

Fig. 2 ein zu vermessendes Werkstück (oder auch dessen Schat tenbild);

Fig. 3 die einzelnen Meßpunkte, die der Detektor in bezug auf die Schattenkanten des Werkstückes einnimmt;

Fig. 4 den Schattenwurf eines anderen Werkstückes und

Fig. 5 ein anderes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung mit zwei Detektoren.

Gemäß Fig. 1 ist auf einer festen Basisplatte 10 ein Schlitten S in X -Richtung verschiebbar. Die Position des Schlittens S in X-Richtung ist mittels einer bekannten, inkrementalen Wegmeß einrichtung (nicht gezeigt) meßbar. Der Schlitten S trägt zwei Reitstöcke 12, zwischen denen das Werkstück W derart einge spannt ist, daß alle seine wesentlichen Kanten freiliegen und einen Schatten erzeugen können.

Ein Laser ist als Strahlungsquelle Q vorgesehen und mittels be kannter Optiken wird sein Strahl zu einem Strahlenbündel B aus parallelen Strahlen aufgeweitet. Das Strahlenbündel B tritt aus der Strahlungsquelle Q aus und passiert das Werkstück W, so daß auf der gegenüberliegenden Seite des Werkstückes ein Schatten geworfen wird. An diesem Schatten wird der Detektor D positio niert. Der Detektor D ist senkrecht zur X-Richtung in Y-Rich tung bewegbar.

Die X-Richtung entspricht der Axialerstreckung des Werkstückes, während die Y-Richtung der Radialerstreckung des Werkstückes entspricht.

Der Schlitten S wird durch einen Motor (nicht gezeigt) in her kömmlicher Weise angetrieben. Entsprechendes gilt für die Bewe gung des Detektors D in Y-Richtung.

Die Steuerung der Bewegung des Schlittens S sowie des Detektors D erfolgt durch die Auswerteelektronik 14, die auch einen Com puter (PC) aufweist.

Die jeweiligen Stellungen des Schlittens S und des Detektors D sind mit als solche bekannten inkrementalen, absoluten Wegmeß einrichtungen feststellbar und werden ebenfalls in die Auswer teelektronik 14 eingegeben.

Fig. 2 zeigt ein Werkstück W bzw. dessen konturgleichen Schat ten W′ bei parallelem Strahlenbündel. Die bezüglich des Durch messers des Werkstückes interessierenden Meßpunkte sind mit 1 bis 10 durchnumeriert, während die bezüglich der Längenmes sungen interessierenden Meßpunkte mit 1′ bis 4′ numeriert sind.

Fig. 3 zeigt, wie der Detektor D bezüglich des Schattenwurfs W′ des Werkstückes einzelne Meßpunkte (2, 5, 6, 8, 11, 12, 14, 17, 18,21, 22, 25, 26, 29, 30, 32) bzw. vom Werkstückschatten ent fernte Punkte (3, 4, 6, 9, 10, 12, 15, 16, 19, 20, 23, 24, 27, 28) durchläuft.

Der Detektor D ist in vier Felder a, b, c, d aufgeteilt, die jeweils einen unabhängigen photoelektrischen Wandler in Form eines Quadranten bilden. Die elektrischen Ausgangssignale gemäß dem einfallenden Lichtsignal der Felder a, b, c und d werden zur Auswertung in die Auswerteelektronik 14 eingegeben.

Da alle Felder a, b, c und d gleiche Flächen und Empfindlich keiten aufweisen, befindet sich der Detektor D bei einer Mes sung in X-Richtung genau auf einer Kante, wenn z. B. der Wert von (a + c) maximal und der Wert von (b + d) gleich Null ist. Ent sprechend gilt für die Y-Richtung z. B. an der oberen Kante die Bedingung: (a + b) maximal und (c + d) = 0. Allgemein gilt die Bedin gung: (c + b) - (a + d) = 0. Im übrigen ergeben sich die Meß-Bedingungen aus den Figuren.

Bevor die programmgesteuerte Messung durchgeführt wird, ist die grobe Kontur des Werkstückes W und somit dessen Schatten W′ be kannt. Die Vorrichtung muß somit nur eine Feinmessung vorneh men. Zu diesem Zweck gibt die Bedienungsperson die grobe Struk tur des Werkstückes in die Auswerteelektronik 14 ein, so daß dann programmgesteuert der Motor des Schlittens S und des De tektors D derart gesteuert werden, daß nacheinander die Meß punkte 1 bis 32 gemäß Fig. 3 durchlaufen werden. Die anfängli che Grobsteuerung bringt selbstverständlich den Schatten des Werkstückes W und den Detektor nicht genau in die exakten Meß punkte, sondern nur in deren Nähe. Die verbleibende Feinein stellung erfolgt regelgesteuert, d. h. die Meßsignale der Felder a, b, c und d werden im Rechner auf die oben genannten Meßbe dingungen hin verarbeitet und es werden entsprechende Steuer signale an die Motoren abgegeben, bis die Meßbedingung exakt erfüllt ist. An dieser Stelle wird dann die genaue Position des Schlittens bzw. des Detektors mittels der inkrementalen Wegmeß einrichtung (nicht gezeigt) bestimmt und als Meßwert in die Auswerteelektronik 14 eingegeben.

Zu Beginn der Messung befindet sich der Detektor D beispiels weise in der Position 1 gemäß Fig. 3. Der Schlitten S bewegt dann das Werkstück W derart in bezug auf den Detektor D, daß ungefähr die Position 2 erreicht wird. Sodann erfolgt vollauto matisch die oben beschriebene Regelung, bei der der Mittelpunkt des Detektors D genau auf der stirnseitigen Kante des Schattens W′ des Werkstückes W liegt. Dies ist bezüglich der Längenmes sung (Axialerstreckung in X -Richtung) der Ausgangspunkt der Messung (Punkt 1′ in Fig. 2). Sodann werden die Meßpunkte 5 und 6 gemäß Fig. 3 angesteuert. Hieraus ergibt sich der Durchmesser (Punkt 1 der Fig. 2).

Nacheinander werden alle in Fig. 3 angegebenen Relativ-Stel lungen zwischen Detektor P und Schatten W′ durchlaufen. Dabei braucht das Werkstück W nur in X-Richtung (Fig. 1) verschoben zu werden, während der Detektor D ausschließlich in Y-Richtung verschoben werden muß. Das Strahlenbündel B ändert seine Lage im Raum nicht, es schneidet das gesamte Werkstück in Y-Rich tung.

Zur Vermessung der Längen der einzelnen Abschnitte des Werk stückes W in X-Richtung (Meßpunkte 1′, 2′, 3′ und 4′ in Fig. 2) muß der Schlitten S in bezug auf den Detektor D bewegt werden, falls nur ein einziger Detektor vorgesehen ist. Bei dieser Be wegung kann es aufgrund der Toleranzen in der Führung und im Antrieb des Schlittens zu Meßfehlern kommen.

In einer Weiterbildung der Erfindung sind deshalb gemäß Fig. 5 zwei Detektoren D ₁ und D ₂ vorgesehen, deren Meßpunkte mit Sp 1 bzw. Mp 1 bezeichnet sind. Das Werkstück entspricht dem in Fig. 2 gezeigten. Um beispielsweise den Abstand in X-Richtung zwischen den Punkten 1′ und 2′ (Fig. 2) zu bestimmen, wird der Detektor D ₁ in den Meßpunkt Sp 1 gebracht und der Detektor D ₂ in den Meßpunkt Mp 1. Das Strahlenbündel der Strahlenquelle Q wird z. B. mittels halbdurchlässiger Spiegel derart aufgetrennt, daß für jeden Detektor D ₁ und D ₂ ein schattenbildendes Bündel zur Verfügung steht. Zumindest einer der Detektoren D ₁, D ₂ ist neben der Bewegungsmöglichkeit in Y-Richtung auch in X-Richtung bewegbar, so daß die Relativstellung zwischen den Detektoren D ₁, D ₂ auch in X-Richtung veränderbar ist und die unterschied lichen Längen (Meßpunkte 1′, 2′, 3′ und 4′ in Fig. 2) einge stellt werden können.

Um bei der Anordnung gemäß Fig. 5 einen Detektor in X-Richtung genau auf die Kante des Schattens W′ einzustellen, werden die Signale (a + c) und b + d) verfolgt (wobei die einzelnen Quadran ten-Felder gemäß Fig. 5 aufgeteilt sind), während bei der Ein stellung der Detektoren in Y-Richtung (also senkrecht zur X-Richtung) die Signale (a + b) und (c + d) verfolgt werden. Der Mittelpunkt des Detektors befindet sich genau dann auf der Kante des Schattens, wenn die Meßbedingung (a + d) - (c + b) = 0 erfüllt ist.

Claims

1. Vorrichtung zum Vermessen der axialen (X-Koordinate und radialen (Y-Koordinate) Abmessungen eines Werkstückes (W) mit Abschnitten unterschiedlichen Durchmessers, dadurch gekennzeichnet, daß

- das Werkstück (W) auf einem in Axialrichtng (X-Koordinate) verschiebbaren Schlitten (S) derart aufspannbar ist, daß im wesentlichen alle seine zu vermessenden Kanten freiliegen,
- die Stellung des Schlittens (S) mittels einer inkrementalen Weg-Meßeinrichtung meßbar ist,
- eine Quelle (Q) für ein elektromagnetisches Strahlenbündel (B), wie einen Laser-Strahl, vorgesehen ist, welches einen Schatten des Werkstückes (W) erzeugt,
- ein Strahlungs-Detektor (D) in bezug auf die Kanten des vom Werkstück (W) geworfenen Schattens positionierbar ist und daß
- die Stellung des Detektors (D) meßbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (D) und das Werkstück (W) relativ zueinander bewegbar sind, wobei insbesondere der Detektor (D) radial und das Werkstück (W) axial verschiebbar sind.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (D) zur Bewegung und Messung seiner Stellung mit einer inkrementalen Wegmeßeinrichtung verbunden ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Detektor (D) ein photoelektrischer Wandler mit mehreren Feldern (a, b, c, d) vorgesehen ist, die unabhängig voneinander photoelektrische Signale erzeugen, und daß die Meß-Positionie rung des Detektors in bezug auf die Schattenkante des Werk stückes (W) durch Vergleich, insbesondere Differenzbildung, zwischen den durch verschiedene Felder (a, b, c, d) erzeugten Signalen erfolgt.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlenbündel (B) durch Aufweitung eines Laserstrahls gebildet ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlenbündel (B) beim Erzeugen des Schattens des Werkstückes (W) aus parallelen Strahlen besteht.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Detektoren (D ₁, D ₂) vorgesehen sind, die unabhängig voneinander bewegbar sind.