DE4239207A1

DE4239207A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Vermessen der 3-dimensionalen Struktur von vorzugsweise aus Draht geformten Bauteilen, insbesondere von Federn

Info

Publication number: DE4239207A1
Application number: DE19924239207
Authority: DE
Inventors: Hans-Juergen Brammer; Volker Wedler
Original assignee: KONPLAN GmbH
Current assignee: KONPLAN GmbH
Priority date: 1992-11-21
Filing date: 1992-11-21
Publication date: 1994-05-26

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Vermessen der 3-dimensionalen Struktur von vorzugsweise aus Draht geformten Bauteilen, insbesondere von Federn.

In der Praxis ist das Vermessen von gefertigten Bauteilen im Rahmen der Qualitätssicherung wichtig. Bei der automatischen Herstellung von großen Stückzahlen von Bauteilen werden lediglich Stichproben vermessen, wodurch sich Rückschlüsse auf den Fertigungsprozeß ziehen lassen. So kann z. B. der Fertigungsprozeß bei Abweichung der gemessenen Ist-Struktur eines Bauteils von der angestrebten Soll-Struktur des Bauteils nachgeregelt werden, indem entsprechende Betriebsparameter des Fertigungsprozesses angepaßt werden.

Das Vermessen von zylindrischen Schraubenfedern, wie sie beispielsweise als Ventilfedern verwendet werden, ist eine mögliche Anwendung, anhand derer im Folgenden die dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung zugrundeliegenden Problematik erläutert werden soll.

Für einen optimalen Betrieb und einen geringen Verschleiß von Motoren, insbesondere Rennmotoren, ist es wichtig, daß die Ganghöhe der Schraubenfeder bzw. der Abstand zwischen den einzelnen Windungsabschnitten sehr exakt eingehalten wird. Außerdem sollten die zur Überleitung der Federkraft auf die Anschlußkörper dienenden Federenden so ausgebildet sein, daß bei jeder Federstellung ein möglichst axiales Einfedern bewirkt wird. Dies wird im allgemeinen durch Verminderung der Steigung an je einer auslaufenden Windung erreicht. Um rechtwinklig zur Federachse eine ausreichende Auflagefläche zu erhalten, können die Drahtenden zusätzlich abgeschliffen werden.

Dabei muß zum einen darauf geachtet werden, daß die Mantellinie der unbelasteten Feder nicht über ein zulässiges Maß von der Senkrechten abweicht. Zum anderen darf auch die Parallelität der gegebenenfalls geschliffenen Federauflagefläche der unbelasteten Feder nicht über ein zulässiges Maß abweichen.

Um zu prüfen, ob alle Anforderungen an die 3-dimensionale Federstruktur erfüllt sind, ist es also notwendig, die 3-dimensionale Struktur des Bauteils zu erfassen und auszuwerten. In Verbindung mit einem Fertigungsprozeß, bei dem eine große Stückzahl von Bauteilen erstellt wird, sollte jede Stichprobenmessung möglichst wenig Zeit in Anspruch nehmen, bzw. automatisch vonstatten gehen, wobei aber eine möglichst hohe Meßgenauigkeit eingehalten werden sollte.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der zur Durchführung dieses Verfahrens vorgeschlagenen Vorrichtung soll nun eine Möglichkeit geschaffen werden, das Vermessen der 3-dimensionalen Struktur von Bauteilen automatisch bzw. einfach handhabbar und mit großer Meßgenauigkeit durchzuführen.

Das erfindungsgemäße Verfahren löst diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Danach ist das eingangs genannte Verfahren derart ausgelegt, daß mit mindestens einer an eine elektronische Speicher- und Auswerteeinheit angeschlossenen Kamera eine Folge von Einzelbildern verschiedener Ansichten des zu vermessenden Bauteils aufgenommen wird und daß die das Bauteil betreffenden Bildinformationen der Einzelbilder mit Hilfe der elektronischen Speicher- und Auswerteeinheit kombiniert und ausgewertet werden.

Dazu wird mit dem Patentanspruch 12 eine Vorrichtung vorgeschlagen, die derart ausgebildet ist, daß mindestens eine Kamera, vorzugsweise eine Zeilenkamera oder eine Matrixkamera, vorgesehen ist, daß die Kamera mit einer elektronischen Speicher- und Auswerteeinheit zum Verarbeiten der Bildinformation verbunden ist und daß eine vorzugsweise drehbar gelagerte und antreibbare Haltevorrichtung für das zu vermessende Bauteil vorgesehen ist.

Erfindungsgemäß ist zunächst erkannt worden, daß das Vermessen der 3-dimensionalen Struktur von Bauteilen rein optisch erfolgen kann, indem verschiedene Ansichten des zu vermessenden Bauteils aufgenommen werden. Es ist außerdem erkannt worden, daß dazu die Bildinformationen der Einzelbilder verschiedener Ansichten des zu vermessenden Bauteils miteinander kombiniert werden müssen. Desweiteren ist erkannt worden, daß sich zur Aufnahme der Folge von Einzelbildern besonders gut eine Kamera eignet, die an eine elektronische Speicher- und Auswerteeinheit angeschlossen ist, so daß die Folge von Einzelbildern schnell und ohne Zeitverzögerung durch fotografische Entwicklungsverfahren abgespeichert werden kann. Desweiteren eignet sich eine elektronische Speicher- und Auswerteeinheit auch dazu, die Einzelbilder miteinander zu kombinieren und auszuwerten.

Von besonderem Vorteil bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, wenn das Bauteil während der Aufnahme der Folge von Einzelbildern vorzugsweise mit einer konstanten Geschwindigkeit und um seine Mittelachse gedreht wird. In diesem Falle kann nämlich die Folge von Einzelbildern mit einer konstanten Bildfrequenz aufgenommen werden, um eine äquidistante "Abtastung" der Oberfläche des Bauteils zu erreichen.

Außerdem ist kein Nachregeln der Bildschärfe erforderlich, wenn das Bauteil um seine Mittelachse gedreht wird.

Besonders einfach für die Auswertung der Einzelbilder ist es, wenn mit jedem Einzelbild lediglich die einer Schnittansicht des Bauteils entnehmbaren 2-dimensionalen Strukturmerkmale erfaßt werden. Zusammen mit diesen 2-dimensionalen Strukturmerkmalen und zumindest mit Informationen über die Abfolge der Einzelbilder und die jeweils erfaßte Ansicht des Bauteils ist dann eine Beschreibung der 3-dimensionalen Struktur des Bauteils möglich.

Zur Auswertung von Stichprobenmessungen ist es besonders vorteilhaft, wenn in der Speicher- und Auswerteeinheit eine Vorgabe abgespeichert ist, die der Sollstruktur der zu vermessenden Bauteile entspricht.

Unter Vorgabe ist in diesem Zusammenhang ein Parametersatz zu verstehen, der die kritischen Größen, wie Abstand zwischen den Windungsabschnitten, zulässige Abweichung der Mantellinie von der Senkrechten und zulässige Abweichung in der Parallelität der Federauflageflächen, umfaßt.

Die ermittelte Beschreibung der 3-dimensionalen Struktur des Bauteils umfaßt in der Regel denselben Parametersatz, nur daß die ermittelte Beschreibung die tatsächlich gemessenen Daten der Ist-Struktur des Bauteils enthält. Diese werden nun mit dem abgespeicherten Parametersatz der Vorgabe verglichen, um die Abweichung der Ist-Struktur des Bauteils von der Soll-Struktur zu ermitteln, bzw. die Abweichung des Ist-Parametersatzes vom Soll-Parametersatz.

Die Abweichungen können von der Speicher- und Auswerteeinheit erfaßt werden und gegebenenfalls zur Regelung des Fertigungsprozesses der Bauteile herangezogen werden.

Von besonderem Vorteil ist es, das erfindungsgemäße Verfahren mit einer Zeilenkamera oder einer Matrixkamera durchzuführen. Dabei kann von der Pixel-Auflösung der Kamera als Maßeinheit Gebrauch gemacht werden.

Aus dem Abbildungsmaßstab und durch Abzählen der Bildpixel können die Abmessungen des zu vermessenden Bauteils sehr genau erfaßt werden.

Wie bereits eingangs erwähnt, kann das erfindungsgemäße Verfahren besonders vorteilhaft zum Vermessen der 3- dimensionalen Struktur von zylindrischen Schraubenfedern verwendet werden. Dabei werden beispielsweise je nach den zu erfassenden Parametern, mit jedem Einzelbild die Abstände zwischen den der Kamera zugewandten Windungsabschnitten der Schraubenfeder erfaßt. Die auf diese Weise gewonnenen Informationen werden dann mit der Anzahl der aufgenommenen Einzelbilder nach einer vollen Drehung der Schraubenfeder zu einer Beschreibung der Schraubenfederstruktur in Form einer Abwicklung kombiniert. Diese Abwicklung kann dann einfach mit einer vorgegebenen Abwicklung verglichen werden. Das Ergebnis dieses Vergleichs läßt dann die exakte Lokalisierung der Fehlstellen der Federstruktur zu.

Da es sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren um ein im wesentlichen optisches Verfahren handelt, ist es vorteilhaft, wenn bei der Aufnahme der Folge von Einzelbildern für deffinierte Lichtverhältnisse gesorgt wird.

Für das voranstehend beschriebene Meßverfahren ist es besonders vorteilhaft, eine Lichtquelle im Innern der Schraubenfeder anzuordnen. Dabei sollte gleichzeitig der Einfluß von Streulicht durch Abschirmung des Meßaufbaus verhindert werden.

Um nun den Schiefstand, d. h. die Abweichung der Mantellinie von der Senkrechten einer Feder zu ermitteln, können auf vorteilhafte Weise mit jedem Einzelbild die Abstände der Windungsabschnitte von der Mittelachse der Schraubenfeder erfaßt werden oder auch die Abweichungen der Kontur der Schraubenfeder von der Horizontalen und der Vertikalen. Hierzu eignet sich besonders die Verwendung einer Matrixkamera in Verbindung mit einer im wesentlichen gleichmäßigen Hintergrundbeleuchtung der Federstruktur. Die Windungsabschnitte der Federstruktur lassen sich dann besonders einfach und mit hoher Genauigkeit mit der Matrixkamera als Kontur vor einer beleuchteten Fläche erfassen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist zusätzlich zu der mit einer Speicher- und Auswerteeinheit verbundenen Kamera eine vorzugsweise drehbar gelagerte und antreibbare Haltevorrichtung für das zu vermessende Bauteil auf, so daß verschiedene Ansichten des zu vermessenden Bauteils einfach von einer stationären Kamera aufgenommen werden können, ohne das dabei größere Umbauten erforderlich wären.

Wie bereits erwähnt, ist es besonders günstig, die Kamera sowie die entsprechende Haltevorrichtung für das zu vermessende Bauteil in einem abdunkelbaren Raum oder Gehäuse aufzubauen und den Meßaufbau mit einer Beleuchtungsanordnung zum dem Meßverfahren angepaßten Beleuchten des zu vermessenden Bauteils auszustatten.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Lichtquelle stabförmig ausgebildet und auf der Haltevorrichtung derart angeordnet, daß das zu vermessende Bauteil auf die Lichtquelle aufsteckbar ist. In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung ist eine Hintergrundbeleuchtung in Form einer gleichmäßig beleuchteten Fläche realisiert.

Bei der Wahl der Lichtquelle ist darauf zu achten, daß diese möglichst keine Wärme abstrahlt, welche zu unerwünschten, unrealistischen und ungleichmäßigen thermischen Ausdehnungen des Materials des zu vermessenden Bauteils führen könnte.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafterweise auszugestalten und weiterzubilden.

Dazu ist einerseits auf die den Patentansprüchen 1 und 11 nachgeordneten Ansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen.

In Verbindung mit der Erläuterung des Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert.

In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1a eine schematische Seitenansicht einer zylindrischen Schraubenfeder,

Fig. 1b die Aufsicht auf eine angelegte und geschliffene Endwindung der in Fig. 1a dargestellten Feder,

Fig. 2 den schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung und

Fig. 3 den schematischen Aufbau einer weiteren erfind ungsgemäßen Meßvorrichtung.

In Fig. 1 ist eine zylindrische Schraubenfeder 1 mit einem Außendurchmesser (D_a) und einem Innendurchmesser (D_i) dargestellt. Zwischen den wirksamen Windungen 2 der unbelasteten Feder 1 besteht ein lichter Abstand (a_o).

Die in der Fig. 1 dargestellte zylindrische Schraubenfeder 1 weist angelegte und geschliffene Endwindungen 3 auf. Die geschliffenen Federauflageflächen der unbelasteten Feder 1 sollen möglichst parallel und rechtwinklig zur Federachse 5 ausgerichtet sein, damit die Federkraft möglichst optimal auf entsprechende Anschlußkörper an den Federenden übergeleitet werden kann.

Aus diesem Grunde sollte auch die Mantellinie 4 möglichst senkrecht, d. h. parallel zur Mittelachse 5 der Feder ausgerichtet sein.

In Fig. 1b ist eine Aufsicht auf ein Federende der Feder 1 dargestellt. Aus dieser Darstellung ist ersichtlich, daß das Federende lediglich in einem bestimmten mit 6 bezeichneten Winkelbereich abgeschliffen ist.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann nun die 3-dimensionale Struktur einer solchen zylindrischen Schraubenfeder 1 vermessen werden, indem eine Folge von Einzelbildern verschiedener Ansichten der Schraubenfeder 1 aufgenommen wird.

Diese Folge von Einzelbildern wird vorzugsweise von der Seite, also aus der Sicht des Betrachters der Fig. 1a, aufgenommen, wobei die Schraubenfeder 1 sukzessive um ihre Mittelachse 5 gedreht wird. Dies erfolgt vorzugsweise mit konstanter Geschwindigkeit, da sich auf diese Weise die Position der Schraubenfeder auf jedem Einzelbild einfach bestimmen läßt.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es nun möglich unterschiedliche Parameter der 3-dimensionalen Struktur der Schraubenfeder 1 zu bestimmen. So können beispielsweise jeweils die Abstände der Windungsabschnitte 2 und 3 zueinander oder von der Mittelachse 5 der Schraubenfeder 1 erfaßt werden.

Es ist aber auch möglich, die Abweichung der Mantellinie 4 der Schraubenfeder von der Vertikalen zu erfassen.

In Fig. 2 ist ein Meßaufbau schematisch dargestellt. Er umfaßt eine Kamera 8, die mit einer elektronischen Speicher- und Auswerteeinheit 9 verbunden ist, und eine Haltevorrichtung, die in Form eines Drehtisches 10 ausgebildet ist.

Auf dem Drehtisch 10 ist eine stabförmige Lichtquelle 11 angeordnet, auf die das zu vermessende Bauteil 1, in diesem Falle eine zylindrische Schraubenfeder 1, aufgesteckt ist. Der Drehtisch 10 ist drehbar und antreibbar gelagert. Das zu vermessende Bauteil 1 folgt der Drehbewegung des Drehtischs 10. Um optimale Lichtverhältnisse bei der Aufnahme der Folge von Einzelbildern zu schaffen, ist die erfindungsgemäße Vorrichtung in einem abdunkelbaren Raum oder Gehäuse aufgebaut, was in Fig. 2, der Übersicht halber, nicht dargestellt ist.

Mit dem hier dargestellten Meßaufbau 12 läßt sich besonders günstig eine Beschreibung der Ist-Schraubenfederstruktur in Form einer Abwicklung erfassen. Durch die Anordnung der Lichtquelle 11 im Innern des zu vermessenden Bauteils 1 und durch Abdunklung der Meßvorrichtung wird die zu vermessende 3-dimensionale Struktur für dieses Meßverfahren optimal beleuchtet.

In Fig. 3 ist ein ähnlicher Meßaufbau 12 dargestellt wie in Fig. 2. Er unterscheidet sich lediglich in der Beleuchtungsanordnung. Diese ist hier für ein Meßverfahren ausgelegt, bei dem die Kontur der Schraubenfeder 1 erfaßt wird. Besonders gute Meßergebnisse lassen sich in diesem Fall mit einer Hintergrundbeleuchtung 13 in Form von einer im wesentlichen gleichmäßig beleuchteten Fläche erzielen.

Hinsichtlich weiterer in den Figuren nicht gezeigter Merkmale wird auf den allgemeinen Teil der Beschreibung verwiesen.

Abschließend sei hervorgehoben, daß die erfindungsgemäße Lehre nicht auf das voranstehend erörterte Ausführungsbeispiel beschränkt ist. Die erfindungsgemäße Lehre läßt sich vielmehr auch zum Vermessen von anderen Bauteilen einsetzen.

Bezugszeichenliste

1 Feder
2 Windungsabschnitt
3 Windungsabschnitt
4 Kontur/Mantellinie
5 Mittelachse
6 -
7 -
8 Kamera
9 Speicher- und Auswerteeinheit
10 Haltevorrichtung
11 Lichtquelle
12 Meßaufbau
13 Hintergrundbeleuchtung

Claims

1. Verfahren zum Vermessen der 3-dimensionalen Struktur von vorzugsweise aus Draht geformten Bauteilen, insbesondere von Federn (1),
dadurch gekennzeichnet,
daß mit mindestens einer an eine elektronische Speicher- und Auswerteeinheit (9) angeschlossenen Kamera (8) eine Folge von Einzelbildern verschiedener Ansichten des zu vermessenden Bauteils (1) aufgenommen wird und
daß die das Bauteil (1) betreffenden Bildinformationen der Einzelbilder mit Hilfe der elektronischen Speicher- und Auswerteeinheit (9) kombiniert und ausgewertet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil (1) während der Aufnahme der Folge von Einzelbildern vorzugsweise mit einer konstanten Geschwindigkeit und um seine Mittelachse (5) gedreht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit jedem Einzelbild die einer Schnittansicht des Bauteils (1) entnehmbaren 2-dimensionalen Strukturmerkmale erfaßt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Einzelbilder erfaßten 2- dimensionalen Strukturmerkmale zumindest mit Informationen über die Abfolge der Einzelbilder und die jeweils erfaßte Ansicht des Bauteils (1) zu einer Beschreibung der 3-dimensionalen Struktur des Bauteils (1) kombiniert werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ermittelte Beschreibung der 3-dimensionalen Struktur des Bauteils (1) mit einer der Soll-Struktur des Bauteils (1) entsprechenden Vorgabe verglichen wird und daß auf diese Weise die Abweichung der Ist- Struktur des Bauteils (1) von der Soll-Struktur ermittelt und erfaßt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zeilenkamera verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Matrixkamera verwendet wird.

8. Verfahren zum Vermessen der 3-dimensionalen Struktur von vorzugsweise zylindrischen Schraubenfedern (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß mit jedem Einzelbild die Abstände (a₀) zwischen den der Kamera zugewandten Windungsabschnitten (2, 3) der Schraubenfeder (1) erfaßt werden und
daß die mit der Folge von Einzelbildern erfaßten Informationen zumindest mit der Anzahl der aufgenommenen Einzelbilder nach einer vollen Drehung der Schraubenfeder (1) zu einer Beschreibung der Schraubenfederstruktur in Form einer Abwicklung kombiniert werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lichtquelle (11) im Innern der Schraubenfeder (1) angeordnet wird und daß der Einfluß von Streulicht durch Abschirmung des Meßaufbaus (12) verhindert wird.

10. Verfahren zum Vermessen der 3-dimensionalen Struktur von vorzugsweise zylindrischen Schraubenfedern (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mit jedem Einzelbild die Abstände der Windungsabschnitte (2, 3) von der Mittelachse (5) der Schraubenfeder (1) erfaßt werden und/oder die Abweichungen der Kontur (4) der Schraubenfeder (1) von der Horizontalen und der Vertikalen.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine im wesentlichen gleichmäßige Hintergrundbeleuchtung (13) für die zu vermessende Schraubenfeder (1) realisiert wird und daß der Einfluß von Streulicht durch Abschirmung des Meßaufbaus (12) verhindert wird.

12. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens eine Kamera (8), vorzugsweise eine Zeilenkamera oder eine Matrixkamera, vorgesehen ist,
daß die Kamera (8) mit einer elektronischen Speicher- und Auswerteeinheit (9) zum Verarbeiten der Bildinformation verbunden ist und
daß eine vorzugsweise drehbar gelagerte und antreibbare Haltevorrichtung (10) für das zu vermessende Bauteil (1) vorgesehen ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß sie in einem abdunkelbaren Raum oder Gehäuse aufgebaut ist und die Haltevorrichtung (10) mit einer Beleuchtungsanordnung (11, 13) zum Beleuchten des zu vermessenden Bauteils (1) ausgestattet ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungsanordnung als stabförmige Lichtquelle (11) ausgebildet ist und das zu vermessende Bauteil (1) auf die Lichtquelle (11) aufsteckbar ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungsanordnung als Hintergrundbeleuchtung (13), vorzugsweise als im wesentlichen gleichmäßig beleuchtete Fläche, ausgebildet und angeordnet ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (11) bzw. die Hintergrundbeleuchtung (13) kalt ist.