DE3834052A1 - Verfahren und vorrichtung zum vermessen und/oder pruefen der umrissformen oder kanten von werkstuecken - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vermessen und/oder Prüfen der Umrißformen oder Kanten von Werkstücken, vorzugsweise zum Erfassen von Kantenfehlern und/oder Kantenausbrüchen von Schneidplatten, mit einer opto-elektronischen Prüfeinrichtung.

Werkstücke, an deren Präzision und Genauigkeit besondere Anforderungen zu stellen sind, müssen nach ihrer Herstellung einer Qualitätskontrolle unterzogen werden, die heute meist noch durch in Augenscheinnahme von mit der Qualitätskontrolle betrauten Personen vorgenommen wird. Um Fehler infolge von Ermüdung und Unachtsamkeit der mit der Qualitätskontrolle befaßten Personen auszuscheiden, ist es ein Bestreben, rechner­ gestützte Qualitätssicherungssysteme (CAQ) einzusetzen.

Das Problem der Qualitätskontrolle besteht beispielsweise bei Wendeschneidplatten, die üblicherweise aus gesintertem Hart­ metall bestehen und geometrisch einfach beschreibbare Formen wie Quader oder Scheiben aufweisen oder aus scheibenförmigen Körpern mit planparallelen Ober- und Unterseiten in Form von Quadraten, Rechtecken, Kreisen, Dreiecken, Rhomben oder Mehrecken bestehen. Bei derartigen Wendeschneidplatten werden besondere Anforde­ rungen an die Schneidkanten sowie die Radien der Schneidecken gestellt. Diese Wendeschneidplatten dürfen die Herstellungs­ betriebe nur nach einer eingehenden Qualitätskontrolle verlassen, wobei die Wendeschneidplatten nach Genauigkeit der Schneidkanten und Schneidradien in Toleranzklassen eingeteilt werden. Eine eingehende Qualitätskontrolle ist gerade bei Wende­ schneidplatten erforderlich, weil sich Schneidkantenausbrüche grundsätzlich nicht vermeiden lassen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs angegebenen Art zu schaffen, nach dem sich die Kanten und/oder Radien und Teilegeometrie von Werkstücken und insbesondere von Wendeschneidplatten automatisch und berührungsfrei auf Ausbrüche oder andere Fehler überprüfen lassen. Diese automatische Prüfung soll sich dabei in möglichst kurzer Zeit durchführen lassen, damit die Prüfzeit in etwa der Taktzeit der Herstellung der Werk­ stücke angepaßt ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs angegebenen Art dadurch gelöst, daß das zu prüfende Werkstück um eine raumfeste Achse gedreht und während der Drehung mindestens eine umlaufende Kante des Werkstücks mit einem parallelen Lichtstrahl abgetastet wird, daß der Licht­ strahl, dessen Durchmesser so groß ist, daß er bei der Drehung ständig mindestens einen Abschnitt der Kante erfaßt, auf einer aus elektrische Signale erzeugenden Bildpunkten bestehenden lichtempfindlichen Schicht einer Kamera ein projiziertes Profil der Kante abbildet, daß die dem Kantenprofil entsprechenden elektrischen Signale als Ist-Werte in einem Rechner, in dem die Soll-Werte des geprüften Kantenprofils gespeichert sind, einem Soll-Ist-Wert-Vergleich unterzogen werden und daß entsprechend dem Ergebnis des Soll-Ist-Wert-Vergleichs eine Sortierung des Werkstücks erfolgt.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zur schnellen Qualitätskontrolle kleiner Werkstücke mit hoher Genauigkeit. Insbesondere ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Qualitäts­ kontrolle von Wendeschneidplatten geeignet, die gegenwärtig in etwa 2400 unterschiedlichen Formen und Geometrien hergestellt werden. Eine hohe Prüfgenauigkeit läßt sich durch Verwendung sogenannter "CCD-Kameras" erreichen, bei denen es sich um Halb­ leiterkameras handelt, deren lichtempfindliche Platte aus in Reihen und Spalten angeordneten lichtempfindlichen Dioden bestehen, wobei gegenwärtig 2048 Dioden in einer Zeile mit einem Abstand von ca 13 mm angeordnet sind. Eine derartige Kamera wird gegenwärtig von der Firma Fairchild Weston, Inc. CCD Imaging Division, Kalifornien, unter der Bezeichnung "CAM/CCD 1500R 248 Element" vertrieben. Diese Kamera benutzt einen sogenannten CCD-Sensor mit einem Feld von 2048 lichtempfindlichen Elementen. Eine höhere Auflösung wäre durch Verwendung von CCD-Kameras mit noch höherer Diodenzahl möglich. Die CCD-Kameras sind mit einer Auswerteelektronik verbunden, die entsprechend dem auf der Platte abgebildeten Profil elektrische Signale erzeugt, die dann in einem elektronischen Rechner ausgewertet werden. Der Licht­ strahl erzeugt auf der lichtempfindlichen Platte der Kamera beim Durchdrehen eine Abbildung der zu prüfenden Kanten und Ecken, die sich entsprechend der Drehung ändern und somit während der Drehung eine Kontrolle in kleinen Winkelschritten erlauben. Dabei kann sich eine Drehung in etwa 3 bis 4 Sekunden voll­ ziehen, so daß der ganze Prüfvorgang, einschließlich des Zustellens und Ablegens der Prüflinge, nicht länger als etwa 2 bis 5 Sekunden dauert. Der Meßlichtstrahl besteht aus einem Strahl aus parallelem Licht. Paralleles Licht kann beispiels­ weise durch eine Laserdiode oder aber auch durch eine Quarzlampe mit entsprechenden Filtern und Blenden erzeugt werden.

Die von der elektronischen Kamera entsprechend den abgebildeten Profilen in zeitlich aufeinanderfolgenden Schritten gelieferten Signale werden als Ist-Werte in dem elektronischen Rechner verar­ beitet, in dem die Kantenprofile, Radien und eventuell weitere von dem Lichtstrahl abgetastete Werte als Soll-Werte gespeichert sind, so daß sich durch einen entsprechenden Soll- Ist-Wert-Vergleich die Qualität des Prüflings erfassen und dieser in bestimmte Toleranzklassen einordnen läßt.

Durch einen geeigneten Rechenalgorithmus werden Geometriefehler als auch Positionierungsfehler des Prüflings eliminiert. In dem Rechner sind die Formen der zu prüfenden Werkstücke abge­ speichert, so daß sich das dem jeweils zu prüfenden Werkstück entsprechende Prüfprogramm einstellen läßt. Nach der Prüfung werden die Werkstücke in die entsprechenden Toleranzklassen sortiert oder als Ausschuß aussortiert, wenn sich diese in keine Toleranzklasse mehr einordnen lassen.

Die Drehung des Werkstückes ist so ausgeführt, daß sie stoßfrei, also beispielsweise etwa in Form einer Sinuscharakteristik, erfolgt. Die Winkelschritte zwischen den einzelnen Messungen können im Bereich von 0,01 bis 0,05 Grad liegen.

Zweckmäßigerweise werden die Werktstücke so auf einen drehbaren Träger gelegt, daß die Drehachse in etwa mit der Mittelachse des Werkstücks fluchtet. Diese Mittelachse ist grundsätzlich die Symmetrieachse oder die senkrecht durch den Schwerpunkt verlaufende Achse.

In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß bei Werk­ stücken mit planparallelen Seiten durch zwei Lichtstrahlen gleichzeitig die obere und untere Kante abgetastet werden.

In besonders vorteilhafter Weise schließen die Lichtstrahlen mit den an die Kanten anschließenden Seitenflächen Winkel von 45 Grad ein. Sind die Kanten nicht rechtwinkelig, weil beispiels­ weise die Kanten einen Freischnitt aufweisen, kann der Licht­ strahl, z.B. senkrecht auf der Winkelhalbierenden der Kanten stehen oder einen anderen geeigneten Winkel zu der zu prüfenden Kante einnehmen.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, daß ein drehbar in einem Gestell gelagerter und von einem Servomotor angetriebener Ring vorgesehen ist, der rahmenartig eine Scheibe aus lichtempfindlichen Glas einfaßt, das auf einer Seite der Scheibe paralleles Licht emitierende Lichtquellen und auf der anderen Seite Halbleiterkameras mit aus elektrische Signale erzeugenden Lichtpunkten bestehenden lichtempfindlichen Schichten angeordnet sind und daß eine elektronische Rechen­ einheit vorgesehen ist, die aufgrund der Signale der Halbleiter­ kameras den Soll-Ist-Vergleich durch geeignete Algorithmen vornimmt.

Der aus lichtbrechungsfreiem Glas, das seit einigen Jahren zur Verfügung steht, bestehende Träger erlaubt dessen Halterung in einer Weise, daß keine konstruktiven Teile im Bereich der Dreh­ achse den Strahlengang des Lichtstrahls zu stören vermögen. Plan­ platten, die in der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Platten aus lichtbrechungsfreiem Glas verwendet werden können, werden beispielsweise von der Firma Spindler & Hoyer vertrieben. Zur weiteren Beschreibung dieser Planplatten kann daher auf die Firmenliteratur der Firma Spindler & Hoyer Bezug genommen werden.

Dabei ist der Ring stoßgesichert und schwingungsfrei zu lagern, so daß keine Stöße oder Schwingungen auf den auf der Glasscheibe liegenden Körper übertragen werden können. Auch der Antrieb soll stoßfrei und mit so geeigneten Beschleunigungen und Verzö­ gerungen erfolgen, daß der Prüfkörper in seiner Lage relativ zu der Glasscheibe während seiner Drehung nicht verändert wird.

Der Antrieb erfolgt daher zweckmäßigerweise über Zahnriemen mit der erforderlichen Übersetzung.

Zweckmäßigerweise ist der Ring mit einem Inkrementalgeber verbunden, der der Taktgeber für die Übertragung der Meßsignale ist.

Die Glasscheibe ist zweckmäßigerweise im Bereich der ideellen Drehachse des Ringes mit einer planparallelen, aus Kunststoff bestehenden Auflage versehen. Diese Auflage verhindert ein Verkratzen der Scheibe und erhöht darüber hinaus die Reibung zwischen Prüfkörper und Auflage.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die CCD-Kamera mit einer einstellbaren Optik versehen ist, mit der sich der Abbildungsmaßstab der Kante auf dem CCD-Sensor verändern läßt.

Durch eine entsprechende Einstellvorrichtung, die ebenfalls auto­ matisch betätigt werden kann, wird die Abbildung des Profil­ bildes entsprechend der gewünschten Auflösung, bzw. Teilegröße vergrößert oder verkleinert. In gleicher Weise kann die Kamera durch eine automatische Steuerung dem Prüfkörper angenähert oder von diesem entfernt werden, so daß auf einfache Weise eine Anpassung auf unterschiedliche Prüfkörper gewährleistet ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist zur Zustellung und Abnahme des Prüfkörpers mindestens ein Greifer vorgesehen, der die zu prüfenden Werkstücke einer Kassette entnimmt, in die Prüf­ position auf die Glasscheibe auflegt und nach der Prüfung entsprechend dem Prüfergebnis wieder in die Kassette einlegt, sortiert oder ausscheidet. Die aus Wendeschneidplatten bestehenden Prüfkörper sind zweckmäßigerweise in dazu entwickelten Schneidkörperkassetten gehaltert, wie sie beispiels­ weise aus der DE-GMS 84 22 631 bekannt sind. Durch ein geeignetes Robotersystem werden die Prüfkörper aus der Kassette entnommen und dem Meßsystem zugeführt. Dabei werden die Prüf­ körper üblicherweise hochkant stehend entnommen, durch ein oder mehrere Greifer eventuell unter Zwischenablage um 90 Grad gedreht, um in dieser Position in ihre Prüfstellung abgelegt zu werden.

Vor der Abnahme der Werkstück von der Glasscheibe werden die Prüfkörper zweckmäßigerweise wieder in ihre Stellung gedreht, in der sie aufgelegt worden sind, so daß der Rücktransport durch die Greifer in entsprechend gleicher Weise erfolgen kann wie die Zustellung.

Die Prüfkörper müssen durch das Roboter-Greifer-System innerhalb vorbestimmter Toleranzen auf die Glasscheibe abgelegt werden, die beispielsweise + 0,1 mm betragen können. Innerhalb dieses Toleranzbereiches vermag das Prüfprogramm entsprechende Korrek­ turen vorzunehmen. Beispielsweise erfaßt das Prüfprogramm bei der Drehung des Prüfkörpers eine Kante oder Ecke der Prüflings und erkennt diese als den Nullpunkt des gesamten Prüfvorganges, auf das sich dann das Programm einstellt.

Ein Ausführungsbeispiel wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert, in deren einziger Figur eine Prüfvorrichtung schematisch dargestellt ist.

In einem nicht dargestellten Maschinengestell ist ein rahmen­ förmiger Ring 1, um seine Mittelachse 2, drehbar gelagert. Der Ring ist auf seiner Außenseite mit einer Verzahnung 3 versehen, über die ein nicht dargestellter Zahnriemen läuft. Der endlose Zahnriemen ist von dem Antriebsrad 4, eines Servomotors 5 angetrieben, der bei dem Ausführungsbeispiel gleichzeitig auch den Inkrementalgeber mitdreht.

Die Durchmesser des Ringes und des Antriebszahnrades 4, sind entsprechend dem gewünschten Übersetzungsverhältnis aufeinander abgestimmt.

Der Ring 1 bildet dem Halterahmen für eine Glasplatte 6 aus lichtbrechungsfreiem Glas.

Unterhalb der Glasplatte 6 sind zwei durch geeignete Optik­ systeme, paralleles Licht emittierende Lampen 7, beispielsweise Laserdioden, angeordnet.

Die Lichtstrahlen 8, 8′ schneiden die Glasplatte 6 unter 45 Grad. Die Lichtstrahlen 8, 8′ sind in der dargestellten Weise auf die Mittelachsen der Halbleiterkameras ausgerichtet. Dabei werden die Lichtstrahlen 8, 8′ so auf die Kanten eines mittig auf die Glasplatte 6 aufgelegten Prüfkörpers 10 eingestellt, daß sie jeweils einen zu prüfenden Kantenabschnitt erfassen.

Claims (14)

1. Verfahren zum Vermessen und/oder Prüfen der Umrißformen oder Kanten von Werkstücken, vorzugsweise zum Erfassen und Auswerten von Kantenfehlern und/oder Kantenausbrüchen von Schneidplatten, mit einer opto-elektronischen Prüfein­ richtung, dadurch gekennzeichnet,
daß das zu prüfende Werkstück um eine raumfeste Achse gedreht und während der Drehung mindestens eine umlaufende Kante des Werktstücks unter einem vorgegebenen Winkel, mit einem parallelen Lichtstrahl abgetastet wird,
daß der Lichtstrahl, dessen Durchmesser so groß ist, daß er bei der Drehung ständig mindestens einen Abschnitt der Kante erfaßt, auf einer aus elektronische Signale erzeugenden Bildpunkten bestehenden lichtempfindlichen Schicht einer Kamera ein projiziertes Profil der Kante abbildet, das in die dem Kantenprofil entsprechenden elektrischen Signale als Ist-Werte in einem elektronischen Rechner, in dem die Soll-Werte des geprüften Kantenprofils gespeichert sind, einem Soll-Ist-Wert-Vergleich unterzogen werden und
daß entsprechend dem Ergebnis des Soll-Ist-Wert-Vergleiches eine Sortierung des Werkstücks erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehung inkremental in kleinen Winkelschritten erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelschritte im Bereich von 0,01 bis 0,05° liegen.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Werkstück so auf einen drehbaren Träger gelegt wird, daß die Drehachse in etwa mit der Mittelachse des Werkstücks fluchtet.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei Werkstücken mit planparallelen Seiten durch zwei Lichtstrahlen gleichzeitig die obere und untere Kante abgetastet werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Lichtstrahlen mit den an die Kanten anschließenden Seitenflächen Winkel von 45 Grad einschließen.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die aufgrund des Soll-Ist-Wert-Vergleiches aus vorbestimmten Toleranzbereichen herausfallenden Werk­ stücke ausgesondert oder gröberen Toleranzklassen zugeordnet werden.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
daß ein drehbar in einem Gestell gelagerter und von einem Schrittmotor angetriebener Ring vorgesehen ist, der rahmenartig eine Scheibe aus lichtbrechungsfreiem Glas einfaßt,
daß auf einer Seite der Scheibe paralleles Licht emittierende Lichtquellen und auf der anderen Seite der Scheibe Halbleiterkameras mit aus elektrische Signale erzeugenden Lichtpunkten bestehenden lichtempfindlichen Schichten angeordnet sind und
daß eine elektronische Recheneinheit vorgesehen ist, die aufgrund der Signale der Halbleiterkameras den Soll-Ist-Wert-Vergleich vornimmt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring mit einem Inkrementalgeber über Getriebemittel und/oder einen Zahnriemen verbunden ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schrittmotor den Ring durch einen Zahnriemen antreibt.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasscheibe im Bereich der ideellen Drehachse des Ringes mit einer planparallelen, aus Kunst­ stoff bestehenden Auflage versehen ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle mit einer einstellbaren Optik versehen ist, mit der sich der Durchmesser des parallelen Lichtstrahls vergrößern oder verkleinern läßt.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Greifer eines Roboter­ greifersystems vorgesehen ist, der die zu prüfenden Werk­ stücke einer Kassette entnimmt, in die Prüfposition auf die Glasscheibe auflegt und nach der Prüfung entsprechend dem Prüfergebnis wieder in die Kassette oder eine andere Kassette zurücklegt oder ausscheidet.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Schrittmotor vor der Rückführung des Werkstücks dieses wieder in seine Ablagestellung zurückdreht.