DE3904481C2

DE3904481C2 - Optoelectronic measuring device

Info

Publication number: DE3904481C2
Application number: DE19893904481
Authority: DE
Inventors: Hans-Ulrich Dasler; Ruediger Haas
Original assignee: Jenoptik Jena GmbH; Jenoptik AG
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 1989-02-15
Filing date: 1989-02-15
Publication date: 1998-07-02
Anticipated expiration: 2009-02-16
Also published as: DE3904481A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine optoelektronische Meßeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentan spruchs 1.The invention relates to an optoelectronic Measuring device according to the preamble of the patent saying 1.

Eine derartige Meßeinrichtung ist aus der DE-OS 35 21 260 bekannt.Such a measuring device is from the DE-OS 35 21 260 known.

Zur berührungslosen, automatischen Vermessung von rotationssymmetrischen Werkstücken, wie Wellen, Ventilschäften oder dgl., ist es aus der DE-OS 35 21 260 bekannt, senkrecht zur Längsachse des Werkstücks eine aus diffuser Beleuchtungsquelle und Fotodiodenkamera bestehende optoelektronische Meßeinrichtung auf einem Schlitten zu positionieren, welcher über die gesamte Länge des an seinen axialen Enden eingespannten Werk stücks verfahrbar ist. Die Kontur des jeweils beleuch teten Abschnitts des Werkstücks wird auf der Fotodioden zeilenanordnung der Kamera abgebildet und von einer Auswerteschaltung elektronisch abgetastet. Die digital arbeitende Auswerteschaltung ermittelt aus den Abtast werten ein Meßergebnis beispielsweise in Form absoluter und/oder relativer Meßdaten, welche auf gespeicherte Vorgabewerte bezogen sind. Die Meßdaten werden auf einem Bildschirm in gegebenenfalls grafisch aufbe reiteter Darstellung wiedergegeben und zusätzlich auf einem schriftlichen Meßprotokoll ausgedruckt. Bei Anschluß der bekannten Meßeinrichtung an eine auto matische Beladestation läßt sich beispielsweise eine NC-(Numeric Control)Drehteilefertigung mit hoher Ge nauigkeit laufend auf die Einhaltung der Fertigungs toleranzen überwachen, wobei die Meßdaten zusätzlich an einen zentralen Steuerrechner der NC-Fertigungs anlage übermittelt werden.For contactless, automatic measurement of rotationally symmetrical workpieces, such as shafts, Valve stems or the like, it is from DE-OS 35 21 260 known, perpendicular to the longitudinal axis of the workpiece one of diffuse lighting source and photo diode camera existing optoelectronic measuring device on one Position sled, which over the entire Length of the work clamped at its axial ends is movable. The contour of each illuminate section of the workpiece is on the photodiode line arrangement of the camera shown and from one Evaluation circuit electronically scanned. The digital Working evaluation circuit determined from the samples evaluate a measurement result, for example in the form of absolute and / or relative measurement data which are stored Default values are related. The measurement data are on a screen in graphically if necessary rendered representation and additionally printed out on a written measurement report. At Connection of the known measuring device to an auto matical loading station can be, for example NC (Numeric Control) turned parts production with high Ge accuracy continuously on compliance with manufacturing monitor tolerances, with the measurement data additionally to a central control computer in NC manufacturing plant are transmitted.

Die bekannte Meßeinrichtung ist indessen in vollauto matische NC-Bearbeitungszentren nur schwer integrier bar, wenn dort sämtliche Bearbeitungsvorgänge, wie z. B. Bohren, Fräsen und Gewindeschneiden, in nur einer Aufspannung des Werkstücks erledigt werden, wodurch sich Transport- und Liegezeiten wesentlich verkürzen lassen. Eine gesonderte Aufspannung der Werkstücke in der Meß einrichtung läuft dem Ziel einer Verkürzung von Trans port- und Liegezeiten genau entgegen. Ferner weist die bekannte Meßeinrichtung einen festgelegten maximalen Meß bereich auf, was für eine flexible, abmessungsunabhängige Fertigung auf NC-Bearbeitungszentren eine Einschränkung bedeutet.The known measuring device is, however, in full car matic NC machining centers difficult to integrate bar if there are all processing operations, such as e.g. B. drilling, milling and tapping, in just one Clamping of the workpiece can be done, which means Have transportation and laydown times significantly reduced. A separate clamping of the workpieces in the measuring establishment aims to shorten trans port and lay times exactly opposite. Furthermore, the known measuring device a fixed maximum measurement area on what a flexible, dimension independent Manufacturing on NC machining centers is a limitation means.

Aus DE-30 08 309 C2 ist eine Gabellichtschranke zur Erfassung mechanischer Bewegungen bekannt, bei der eine Sende- und Empfangseinrichtung modular gestaltet sind und durch Zwischenstücke unterschiedlicher Abmessung der Meßgabelabstand der jeweiligen Meßaufgabe angepaßt werden kann.DE-30 08 309 C2 describes a fork light barrier for mechanical detection Movements known in which a transmitting and receiving device is modular are designed and by intermediate pieces of different dimensions Measuring fork spacing can be adapted to the respective measuring task.

Die Aufgabe der Erfindung besteht demgegenüber darin, eine Meßeinrichtung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, welche flexibel an die Fertigung in NC-Bear beitungszentren ohne Genauigkeitseinbuße angepaßt werden kann.In contrast, the object of the invention is a measuring device of the type mentioned create which flexible to manufacture in NC Bear processing centers adapted without loss of accuracy can be.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kenn zeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.This object is achieved by the kenn Drawing features of claim 1 solved.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Advantageous further developments and refinements of Measuring device according to the invention result from the Subclaims.

Die Erfindung geht von der Überlegung aus, das auf ein- und demselben beweglichen Werkstückhalter eines NC- Bearbeitungszentrums während sämtlicher Bearbeitungs vorgänge aufgespannte Werkstück auf seinem Weg zwischen aufeinanderfolgenden Bearbeitungsstationen einer berührungslosen, automatischen Kontrollmessung zu unter ziehen. Damit lassen sich ohne Zeitverlust so frühzeitig wie möglich Toleranzabweichungen feststellen und Gegen maßnahmen, wie z. B. Wechseln eines unpräzisen Werk zeugs, veranlassen, was eine Ausschußproduktion bei vollautomatischer Fertigung minimiert.The invention is based on the consideration that and the same movable workpiece holder of an NC Machining center during all machining processes clamped workpiece on its way between successive processing stations one non-contact, automatic control measurement to under pull. This allows you to do so early without wasting time Determine tolerance deviations as possible and counter measures such as B. Changing an imprecise work what cause a scrap production fully automated production minimized.

Zur Umsetzung dieser Überlegung dient ein Baukastensystem aus baugleichen, ortsfesten Sender- und Empfängerbau steinen, wobei der Meßbereich des Baukastensystems durch bloßes Hinzufügen von Bausteinen nahezu beliebig er weiterbar ist. Das zu vermessende Werkstück wird durch den Meßspalt zwischen den ortsfest montierten Sender- und Empfängerbausteinen von dem beweglichen Werkstück halter des NC-Bearbeitungszentrums hindurchbewegt, so daß ein zeitraubendes Abspannen des Werkstücks vor dem Vermessen entfällt.A modular system is used to implement this consideration of identical, fixed transmitter and receiver construction stones, whereby the measuring range of the modular system through mere addition of blocks almost any he is expandable. The workpiece to be measured is the measuring gap between the fixed transmitter and receiver modules from the movable workpiece holder of the NC machining center that a time-consuming clamping of the workpiece before the measuring does not apply.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand von Ausführungs beispielen in den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:The invention is described below with reference to the embodiment examples explained in more detail in the drawings. It shows:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines ersten Ausfüh rungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Meß einrichtung, welche aus drei Sender- und Empfängerbausteinen aufgebaut ist und zur Vermessung von Wellen mit einem maximalen Durchmesser von 118 mm dient; Fig. 1 is a schematic view of a first exemplary embodiment of a measuring device according to the invention, which is constructed from three transmitter and receiver modules and is used to measure shafts with a maximum diameter of 118 mm;

Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf die Meßein richtung nach Fig. 1; Fig. 2 is a schematic plan view of the Meßein direction of Fig. 1;

Fig. 3 eine schematische Frontansicht der Meßein richtung nach Fig. 1; Fig. 3 is a schematic front view of the Meßein direction of FIG. 1;

Fig. 4 eine schematische Ansicht eines zweiten Aus führungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Meß einrichtung, welche aus sieben Sender- und Empfängerbausteinen aufgebaut ist und zur Ver messung von Wellen mit einem maximalen Durch messer von 274 mm dient, wobei dieselben Bau steine wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 verwendet sind; Fig. 4 is a schematic view of a second exemplary embodiment of a measuring device according to the invention, which is constructed from seven transmitter and receiver modules and is used for measuring waves with a maximum diameter of 274 mm, the same building blocks as in the embodiment of Fig . 1 are used;

Fig. 5 eine schematische Draufsicht auf die Meßein richtung nach Fig. 4, und Fig. 5 is a schematic plan view of the Meßein direction of FIG. 4, and

Fig. 6 eine schematische Frontansicht der Meßeinrich tung nach Fig. 4. Fig. 6 is a schematic front view of the Meßeinrich processing in FIG. 4.

In Fig. 1 ist eine vertikale Ansicht einer modular aufgebauten Maßeinrichtung 1 dargestellt, welche drei baugleiche Senderbausteine 11, 12, 13 und drei bau gleiche Empfängerbausteine 21, 22, 23 umfaßt. Als Senderbausteine 11-13 sind diffus strahlende Beleuch tungsquellen mit Leuchtdiodenanordnungen als Lichtgeber vorgesehen, während als Empfängerbausteine 21-23 Foto diodenkameras mit eingebauten Fotozeilenananordnungen als optoelektronischem Sensor vorgesehen sind. Alle Bausteine 11-13 und 21-23 besitzen identische Gehäuseab messungen und haben, wie Fig. 3 zeigt, vorzugsweise einen quadratischen Gehäusequerschnitt senkrecht zu ihrer Längsachse.In Fig. 1 is a vertical view of a modular Maßeinrichtung 1 is shown having three identical transmitter blocks 11, 12, 13 and three construction same receiver modules 21, 22, 23 comprises. As transmitter modules 11-13 diffuse light sources are provided with light emitting diode arrangements as light emitters, while receiver modules 21-23 photo diode cameras with built-in photo line arrangements are provided as an optoelectronic sensor. All blocks 11-13 and 21-23 have identical housing dimensions and, as shown in FIG. 3, preferably have a square housing cross section perpendicular to their longitudinal axis.

Die Senderbausteine 11-13 sind in der Darstellung nach Fig. 1 und 2 auf der linken Seite eines Werk stücks 2 - hier einer Welle - ortsfest angeordnet. In axialer Verlängerung jedes Senderbausteins 11-13 befindet sich auf der rechten Seite des Werkstücks 2 ein zugeordneter Empfängerbaustein 21, 22 bzw. 23. Das auf einem nicht gezeigten, beweglichen Werkstück halter z. B. eines NC-Bearbeitungszentrums aufgespannte Werkstück 2 wird durch den Meßspalt 3 zwischen den Sender- und Empfängerbausteinen 1-13, 21-23 senkrecht zu den Längsachsen der Bausteine, d. h., senkrecht zum Strahlengang der Meßeinrichtung 1, bewegt.The transmitter blocks 11-13 are in the illustration of FIGS . 1 and 2 on the left side of a workpiece 2 - here a shaft - arranged stationary. In the axial extension of each transmitter module 11-13 there is an assigned receiver module 21 , 22 and 23 on the right side of the workpiece 2 . The holder on a not shown, movable workpiece z. B. an NC machining center clamped workpiece 2 is moved through the measuring gap 3 between the transmitter and receiver modules 1-13 , 21-23 perpendicular to the longitudinal axes of the modules, ie, perpendicular to the beam path of the measuring device 1 .

Wie Fig. 3 zeigt, sind die Bausteine 11 und 12 sowie 21 und 22 vertikal exakt übereinander angeordnet, wohingegen der Baustein 13 bzw. 23 neben den Bausteinen 11, 12 bzw. 21, 22 unter einem vertikalen Höhenversatz von einer halben Gehäusehöhe positioniert ist. Dieser Höhenversatz gewährleistet, daß der gesamte Meßbereich ausgeleuchtet und entsprechend optoelektronisch erfaßt wird. Der maximale Meßbereich ist dabei vorgegeben durch den vertikalen Abstand zwischen dem untersten Empfängerbaustein 21 und dem obersten Empfängerbau stein 22. Beim Hindurchbewegen des Werkstücks 2 mit einem Durchmesser von z. B. 118 mm durch den z. B. 270 mm breiten Meßspalt 3 wird die obere Konturenhälfte des Werkstücks 2 auf dem Empfängerbaustein 22 und die untere Konturenhälfte auf dem Empfängerbaustein 21 abgebildet. Die Kontur eines sehr viel kleineren Werk stücks 2 von z. B. 19 mm Durchmesser wird bei gleicher Achslage wie bei dem zuvor betrachteten Werkstück im wesentlichen auf dem Empfängerbaustein 23 abgebildet.As shown in FIG. 3, the modules 11 and 12 and 21 and 22 are arranged vertically one above the other, whereas the modules 13 and 23 are positioned next to the modules 11 , 12 and 21 , 22 with a vertical height offset of half the height of the housing. This height offset ensures that the entire measuring range is illuminated and accordingly optoelectronically detected. The maximum measuring range is predetermined by the vertical distance between the lowermost receiver module 21 and the uppermost receiver module 22nd When moving the workpiece 2 with a diameter of z. B. 118 mm through the z. B. 270 mm wide measuring gap 3 , the upper contour half of the workpiece 2 is mapped on the receiver module 22 and the lower contour half on the receiver module 21 . The contour of a much smaller work piece 2 of z. B. 19 mm diameter is shown in the same axis position as in the previously considered workpiece essentially on the receiver module 23 .

Die Empfängerbausteine 21-23 sind mit einer nicht dargestellten Auswerteschaltung elektrisch verbunden, welche durch elektronisches Abtasten der einzelnen Fotodiodenzeilenanordnungen den maximalen Meßbereich automatisch feststellt und kalibriert. Ferner ermittelt die Auswerteschaltung anhand der abgebildeten Konturen des Werkstücks 2 den Durchmesser desjenigen Werkstück abschnitts, der sich momentan im Meßspalt 3 befindet. Insoweit arbeitet die Auswerteschaltung wie bei der eingangs erläuterten bekannten Meßeinrichtung. Da ferner die Vorschubgeschwindigkeit des Werkstückhalters und damit des Werkstücks 2 an Hand der Daten des NC- Bearbeitungszentrums exakt ermittelbar ist, läßt sich durch Detektion des Eintritts und Austritts des Werk stücks 2 in den Meßspalt 3 bzw. aus dem Meßspalt 3 bei kontinuierlichem Vorschub die axiale Länge des Werkstücks 2 bzw. die axiale Länge definierter Werk stückabschnitte, z. B. einer Eindrehung, exakt ermitteln.The receiver modules 21-23 are electrically connected to an evaluation circuit, not shown, which automatically detects and calibrates the maximum measuring range by electronically scanning the individual photodiode array arrays. Furthermore, the evaluation circuit uses the illustrated contours of the workpiece 2 to determine the diameter of the workpiece section that is currently in the measuring gap 3 . In this respect, the evaluation circuit works as in the known measuring device explained at the outset. Furthermore, since the feed rate of the workpiece holder and thus of the workpiece 2 can be determined exactly on the basis of the data from the NC machining center, the axial can be detected by detecting the entry and exit of the workpiece 2 into the measuring gap 3 or from the measuring gap 3 with a continuous feed Length of the workpiece 2 or the axial length of defined workpiece sections, z. B. a turn, determine exactly.

Die exakte Positionierung der Bausteine 11, 12 und 21, 22 in vertikaler und horizontaler Richtung erfolgt durch Paßleisten 4 (Fig. 1) und 5 (Fig. 2), welche in entsprechende (nicht gezeigte) Paßnuten an den Seitenwänden (Fig. 1) bzw. den Boden- und Kopfwänden (Fig. 2) der Bausteine-Gehäuse mit Paßsitz eingreifen. Des weiteren können zur Variation des Meßbereiches zwischen übereinander oder nebeneinander montierten Bausteinen Paßstücke (nicht gezeigt) als definierte Abstandshalter eingesetzt werden. Schließlich können, wie Fig. 3 zeigt, oberhalb und unterhalb des in halber Höhe versetzt positionierten Bausteins 13 bzw. 23 Blindgehäuse 6 (unten) und 7 (oben) mit halber Baustein- Gehäusehöhe sowie voller Baustein-Gehäusebreite und -länge montiert werden, welche ebenfalls, wie die Fig. 1 und 2 zeigen, mit Paßnuten zur Aufnahme der Paßleisten 4 bzw. 5 versehen sind.The exact positioning of the blocks 11 , 12 and 21 , 22 in the vertical and horizontal direction is carried out by fitting strips 4 ( FIG. 1) and 5 ( FIG. 2), which fit into corresponding (not shown) fitting grooves on the side walls ( FIG. 1) or engage the bottom and top walls ( Fig. 2) of the building block housing with a snug fit. Furthermore, to vary the measuring range between modules mounted one above the other or next to one another, adapters (not shown) can be used as defined spacers. Finally, as shown in Fig. 3, above and below the half-height positioned block 13 and 23 dummy housing 6 (below) and 7 (above) with half the block height and full block housing width and length can be mounted, which also, as shown in FIGS . 1 and 2, are provided with fitting grooves for receiving the fitting strips 4 and 5 , respectively.

Das zweite Ausführungsbeispiel der Meßeinrichtung 1 nach Fig. 4 bis 6 unterscheidet sich von dem vor stehend beschriebenen Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1-3 lediglich dadurch, daß zur Vergrößerung des Meßbereichs von z. B. 118 mm Werkstückdurchmesser auf 274 mm anstelle von drei Sender- und Empfänger bausteinen nunmehr sieben Sender- und Empfängerbau steine 11-17 bzw. 21-27 vorgesehen sind. Die Bausteine 14-17 sind baugleich (identisch) mit den Bausteinen 11-13, die schon bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1-3 verwendet wurden. Ebenso sind die neu dazu gekommenen Bausteine 24-27 identisch mit den bisher bereits verwendeten Bausteinen 21-23. Bei dem Aus führungsbeispiel nach Fig. 4-6 sind die Bausteine 11, 12, 14, 15 und 21, 22, 24, 25 vertikal übereinander angeordnet, wobei wiederum der Abstand zwischen dem obersten Empfängerbaustein 25 und dem untersten Empfängerbaustein 21 den maximalen Meßbereich angibt. Des weiteren sind die Bausteine 13, 16, 17 und 23, 26, 27 unter einem Höhenversatz von einer halben Baustein- Gehäusehöhe bezüglich der daneben angeordneten Bau steinreihe vertikal übereinander angeordnet.The second embodiment of the measuring device 1 according to FIGS . 4 to 6 differs from the previously described embodiment according to FIGS. 1-3 only in that for increasing the measuring range of z. B. 118 mm workpiece diameter to 274 mm instead of three transmitter and receiver modules now seven transmitter and receiver blocks 11-17 and 21-27 are provided. The blocks 14-17 are identical in construction to the blocks 11-13 which were already used in the exemplary embodiment according to FIGS. 1-3. The newly added blocks 24-27 are also identical to the blocks 21-23 already used. In the off operation example according to Fig. 4-6, the blocks 11, 12, 14, 15 and 21, 22, 24, 25 are arranged vertically one above the other, again the distance between the uppermost receiver module 25 and the lowermost receiver module 21 the maximum measurement range indicating . Furthermore, the blocks 13 , 16 , 17 and 23 , 26 , 27 are arranged vertically one above the other with a height offset of half a block housing height with respect to the adjacent row of blocks.

Die Baukasten-Bauweise der erfindungsgemäßen Meßein richtung, wie sie aus einem Vergleich der beiden ge zeigten Ausführungsbeispiele besonders deutlich wird, erlaubt es, durch Fertigung eines einzigen Bausteine typs für die Sender und Empfänger beliebige Meßein richtungen mit entsprechend beliebigen Meßbereichen schnell und kostengünstig aufzubauen bzw. vorhandene Meßeinrichtungen problemlos zu erweitern. Wesentlich ist, daß die jeweilige Baukasten-Konfiguration, und zwar auch bei Einsatz von Paßstücken als Abstandshalter zwischen den Bausteine-Gehäusen, von der Auswerte schaltung automatisch ermittelt und bei der Kalibrierung berücksichtigt wird. Für den Anwender des Bausteinsystems ergibt sich dadurch ein Höchstmaß an Vereinfachung und Komfort.The modular construction of the Messein invention direction, as you can see from a comparison of the two ge showed exemplary embodiments becomes particularly clear, allows by manufacturing a single building block any type of measurement for the transmitter and receiver directions with corresponding arbitrary measuring ranges quick and inexpensive to set up or existing ones Easy to expand measuring equipment. Essential is that the respective modular configuration, and even when using adapters as spacers between the block housings, from the evaluation circuit automatically determined and during calibration is taken into account. For the user of the block system this results in a maximum of simplification and comfort.

Claims

1. Optoelectronic measuring device for automatic, contactless detection and, if necessary, checking the dimensions of workpieces, in particular of turned parts, with

1. a diffusely radiating lighting unit, the beam path of which is directed essentially perpendicular to the longitudinal axis of the workpiece;
2. a photodiode unit arranged in the beam path of the lighting unit, on the photodiode array of which the contours of at least one currently illuminated section of the workpiece are imaged;
3. an evaluation circuit which electronically scans an image on the photodiode array and forms a measurement result from the scanned values which is displayed, for example in the form of absolute and / or relative measurement data relating to stored default values, on a screen and / or printed out on a measurement protocol,

wherein the lighting and photodiode units ( 11-17 and 21-27 ) have a modular structure that can be continuously adapted to different measuring ranges, characterized in that uniform optical transmitter modules ( 11-17 ) and receiver modules ( 21 - 27 ), each consisting of one diffuse light source (transmitter module) and a photodiode camera (receiver module), one above the other and side by side, if necessary, using horizontal and vertical precision guides ( 4 , 5 ) and precision spacers, the evaluation circuit recognizes the configuration of the modules and the maximum measuring range of the automatically determines the respective modular structure.

2. Measuring device according to claim 1, characterized in that side-by-side transmitter modules (z. B. 11, 13 ) and receiver modules (z. B. 21, 23 ) are arranged at a mutual height offset which corresponds to half the height dimension of each module.

3. Measuring device according to claim 1 or 2, characterized in that the transmitter and the receiver modules ( 11-17 or 21-27 ) have identical housings with a square cross section perpendicular to their longitudinal axis, and that the housings on their bottom, head - And side walls each have a continuous guide groove for receiving a horizontal or vertical guide bar ( 4 or 5 ).

4. Measuring device according to one of claims 1 to 3, characterized in that for the height-offset modules ( 13 , 16 , 17 or 23 , 26 , 27 ) upper and lower dummy housing ( 6 , 7 ) with half the block height and full block length and - width are provided, which also have guide grooves for receiving the guide strips ( 4 or 5 ).