DE4306107C2 - Durchmesser- und Profilabtaster - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Durchmesser- und Profilabtaster gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solches Gerät dient zur Durchmesserbestimmung, Ermitt­ lung der Durchmesserveränderung oder zur Ermittlung der Ober­ flächengüte länglicher, rotationssymmetrischer Materia­ lien und wird daher häufig in der Materialprüfung eingesetzt. Hierzu durchdringt der Prüfling einen streifenförmigen Laserstrahl oder wird durch ihn hindurchgefahren. Zur Automatisierung des Abtastvorgangs wird eine Einrichtung zur Signal- und Datenver­ arbeitung eingesetzt.

Aus der EP 0 346 288 ist eine derartige Einrichtung zum berührungslosen Ausmessen eines Werkstückes bereits bekannt. Ein in eine Spannzange des Spindelstocks eingespanntes Werkstück ist um seine Drehachse drehbar und in eine Y-Richtung längs seiner Drehachse und in eine X-Richtung quer zu seiner Drehachse verschiebbar. Ein streifenförmiger Laserstrahl der Laserlichtschranke steht senkrecht zu den Verschieberichtun­ gen. Das Werkstück wird in den Strahl hinein verschoben, so daß es ihn teilweise unterbricht. Danach wird das Werkstück gedreht und seine Position registriert. Nach einer vollen Um­ drehung wird es in Y-Richtung weiter gefahren und der Rotati­ onsprozeß wiederholt. Der gesamte Ablauf der Bewegung ist mit­ tels Prozessor steuerbar. Die speziell angefertigte Einrichtung ist in eine Fertigung von mit Werkzeugmaschinen hergestellten Werkstücken eingebun­ den, in der das Werkstückprüfverfahren automatisch abläuft.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Durchmesser- und Profilabtaster der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit dem auf zuverlässige Weise und mit verhältnismäßig gerin­ gem finanziellen Aufwand eine solche Materialprüfeinrichtung bereitgestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des An­ spruchs 1 gelöst. Hierzu ist die Montageplatte, auf der sich die Laserlichtabtasteinrichtung befindet, auf einem bewegli­ chen, positionierbaren Druckkopfschlitten eines von der Signal- und Datenverarbeitungsanlage ansteuerbaren Matrix­ druckers montiert.

Im abhängigen Anspruch 2 ist eine vorteilhafte Möglichkeit der Einspannvorrichtung für den Prüfling gekennzeichnet. So kann die Einspannvorrichtung durch die Signal- und Datenverarbei­ tungsanlage zu einer axialen Zugbelastung und/oder einer Dre­ hung des Prüflings um einen vorgebbaren Winkel um dessen Längsachse betätigt werden.

Baukomponenten, die einen parallelen, streifenförmigen Laser­ lichtstrahl vorbestimmter Dicke emittieren sind aus der Auto­ matisierungs- und Verfahrenstechnik, insbesondere der Tran­ sport- und Materialprüftechnik bekannt und werden daher indu­ striell eingesetzt, ebenso die Detektoren, die einen solchen Strahl intensitätsmäßig erfassen und damit einen linearen Zu­ sammenhang zwischen verbliebener Intensität und Höhe der völ­ ligen Teilabschattung durch den Prüfling im Strahlengang zwi­ schen Quelle und Detektor erlauben.

Den eingespannten Prüfling über eine geeignete Steuerein­ richtung durch den Strahl mit vorgebbarer Geschwindigkeit und eventuell zusätzlicher axialer Krafteinwirkung zu bewegen, ist ein meßtechnisch einfacher und zuverlässig durchführbarer Vor­ gang.

Die Laserlichtquelle und der zugehörige Detektor sind han­ delsübliche Komponenten und können, aufeinander ausgerichtet, problemlos auf einer Montageplatte montiert werden, so daß der Prüfling durch den Strahl geführt werden kann.

Neben der Einfachheit im Aufbau der Meßeinrichtung ist die wirtschaftliche Realisierung hervorzuheben. Insbesondere die Anpassung an räumliche Meßprobleme läßt sich konstruktiv leicht ausführen.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungen erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen Meßaufbau mit Signal- und Datenverarbeitung,

Fig. 2a das Meßprinzip für eine Durchmesser-Messung,

Fig. 2b das Meßprinzip für eine Profil-Messung,

Fig. 3 die Vermessung eines rotierenden, zylinderischen Meß­ objekts.

Im unten beschriebenen Ausführungsbeispiel wird eine Infra­ rotlaserlichtquelle einsetzt. Jede Lichtquelle, mit der ein ausreichend paralleler, streifenförmiger Lichtstrahl erhalten wer­ den kann, ist jedoch ebenfalls geeignet. So kann auch La­ serlicht im Sichtbaren in Frage kommen oder eine UV-Licht­ quelle, sofern sie hinsichtlich der Wellenlänge nur schmalban­ dig genug ist.

Ein kompletter Prüfstand, aus käuflichen Komponenten aufge­ baut, ist blockbildartig in Fig. 1 dargestellt. Die eigentli­ che Meßeinrichtung besteht aus dem langen dünnen, zylinderför­ migen Meßobjekt 6, das mit Hilfe von zwei Halterungen 21 über der Bahn des Druckkopfschlittens 25 des Matrixdruckers 24 aus­ gerichtet ist. Der Druckkopfschlitten 25 dient als Positio­ niereinheit für den Laser 2 und den Detektor 8, die beide auf der Montageplatte zueinander ausgerichtet sind. Die Meßwerte des Detektors 8 werden im Meßverstärker 28 aufbereitet und dem Personal-Computer 26 zugeführt. Im Meßverstärker 28 werden auch eventuelle Fremdlichteinflüsse auf bekannte Art herausge­ filtert. Im Personal-Computer 26 ist ein A/D-Wandler integriert, der die anfallenden Meßwerte digitalisiert und an den Rechner weitergibt. Je nach Meßvorhaben werden die notwen­ digen Steuersignale zur Positionierung des Druckerschlittens 25 an den Matrixdrucker 24 von dem Personal-Computer 26 her­ ausgegeben. Die Synchronisation und Meßwertverarbeitung wird also von der eingestellten Software im Rechner erledigt. Ein Meßablauf kann somit vollautomatisch durchgeführt werden. Der Einsatz konfektionierter Komponenten ermöglicht einen vertret­ baren finanziellen Aufwand.

Die einfache Durchmesser-Messung zeigt im Prinzip Fig. 2a. Die Streifenhöhe 1 des von der hier eingesetzten Infrarotlaserquelle 2 emittierten, streifenförmigen Strahls 3 muß stets größer als der Durchmesser 4 des Meßobjekts 6 an je­ der zu messenden Stelle sein, damit eine sinnvolle Zuordnung von Meßwert zu Meßobjekt-Durchmesser gemacht werden kann. Die Parallelität des Strahls 3 wird über eine Optik im Innern des Infrarotlasers 2 erzeugt. Der streifenförmige Strahl 3 tritt über einen Spalt 5 mit dadurch festgelegter Streifendicke aus und trifft unmittelbar auf das Meßobjekt 6, das einen Schatten 7 im weiteren Strahlengang zum Detektor 8 wirft. Der nichtabge­ schattete Strahl 9 trifft auf den Infrarotdetektor 8 und wird dort über eine innere Optik auf eine Photodiode fokussiert, die ein intensitätsproportionales elektrisches Signal abgibt. Die örtliche Lage von Unsymmetrien am Meßobjekt 6 werden durch diese Messung nicht erfaßt.

Das Schaubild 11 neben Fig. 2a zeigt den prinzipiellen Si­ gnalverlauf des Durchmessers über der Länge des Meßobjekts 6 hinweg und stellt einen Absolutwert dar. Mit diesem Meßaufbau sind Durchmesserermittlungen bis auf 10 µm genau erzielbar.

Fig. 2b zeigt das Meßprinzip für eine Profilmessung an dem Meßobjekt 6. Der Meßaufbau unterscheidet sich nicht von dem in Fig. 2a dargestellten. Es gibt jetzt lediglich keine Forderung an die Streifenhöhe 1 des parallelen Infrarotstrahls 3 mehr. Das ist verständlich, da es jetzt um die Erfassung der Oberfläche des Meßobjekts 6 geht. Das Ergebnis einer solchen Messung über die Meßobjektlänge hinweg zeigt das nebenstehende Schaubild 12 vom Prinzip her. Es stellt eine Relativmessung bezüglich der Oberfläche dar. Es ist insofern auch eine Lagemessung möglich, als über eine driftende Intensitätsmessung auf ein Abweichen von der vorgesehenen Lage des Meßobjekts geschlossen werden kann.

Um lange, runde Gegenstände kleineren Durchmessers mit dem parallelen Laserstrahl 3 zu vermessen, kann der Infrarotlaser 2 und der auf ihn ausgerichtete Detektor 8 parallel zur Meßobjektachse verschoben und das Meßobjekt 3 über einen vom Personal-Computer 26 gesteuerten Schrittmotor nach jedem Abtast-Vorgang um einen bestimmten Winkel weitergedreht werden. Dadurch können entweder 3D-Profile oder Ganzkörperdurchmesser der Meßobjekte ermittelt werden. Den prinzipiellen Meßaufbau dazu zeigt Fig. 3.

Für einen Kriechversuch hingegen wird die Probe unter Einwirkung einer axialen Zugkraft gestellt. Während des Zugvorgangs des Kriechversuchs wird der Probendurchmesser ständig abgetastet. Der kleinste Probenquerschnitt wird unmittelbar ermittelt. Dadurch kann die Zugkraft an der Probe, gesteuert über eine D/A- Wandlerkarte im Personal-Computer, kontinuierlich so einge­ stellt werden, daß im Probenquerschnitt immer eine konstante Zugspannung herrscht. Zum Schutz gegen umherfliegende Teile bei der Zerstörung der Probe ist diese von einem Schutzgehäuse umgeben, das den Prozeßraum bildet, der im Falle thermischer Belastungen ein Strahlungsofen sein kann. Bei Verwendung von bruchsicheren, thermisch festen, laserlichtdurchlässigen Scheiben auf gegenüberliegenden Seiten eines solchen Ofens kann auch hier der Infrarotlaser samt auf ihn ausgerichtetem Detektor entlang zu der Probenachse verfahren werden.

Nach dem bisher Beschriebenen lassen sich Durchmesser oder Durchmesserveränderungen detektieren und festhalten. Die Lage einer Deformation oder die Entwicklung einer solchen bei Bela­ stung des Prüflings läßt sich mit einem Laser und dem zugehö­ rigen Detektor nicht feststellen, da die Lage der Abschattung nicht detektiert wird, sondern nur die Intensität des verblie­ benen, durch den Prüfling abgeschatteten Strahls.

Bei Verwendung von wenigstens zwei Sensorpaaren kann ein Meß­ verfahren zur Erkennung von einseitigen Ausbuchtungen oder Ex­ zentritäten des Meßobjekts angewandt werden. Zwei streifenför­ mige Laserstrahlen kreuzen hierzu einander unter einem Winkel von 90°. Beide Strahlen liegen gleichartig in einer Ebene. Im Kreuzungsbereich befindet sich das Meßobjekt, das sowohl den einen als auch den andern Strahl abschattet. Die Streifenhöhe beider Strahlen ist größer als der Durchmesser des Meßobjekts. Grundsätzlich ist diese Meßart auch dann anwendbar, wenn sich das Meßobjekt in einem hermetisch abschließbaren Raum befindet, um einer thermischen und/oder einer mechanischen Be­ lastung ausgesetzt zu werden.

Die Parallelität des von der Laserlichtquelle emittierten streifenförmigen Lichtstrahls läßt sich zur Durchmesserbestim­ mung und zur Messung der Oberflächengüte eines Meßobjekts aus­ nützen. Dadurch, daß die Laserlichtquelle und der zugehörige Detektor nach Streifenhöhe und nach Dicke des Lichtbandes auswähl­ bar sind, lassen sich viele derartige Meßaufgaben mit verhält­ nismäßig geringem Komponentenaufwand lösen, ohne durch Einsatz optischer Komponenten mit der Strahlführung und Strahlintensi­ tät in Konflikt zu kommen.

Bezugszeichenliste

 1 Streifenhöhe
 2 Infrarotlaser, Laserlichtquelle
 3 Strahl, Lichtstrahl, Laserlichtstrahl, Strahlengang
 4 Durchmesser
 5 Spalt
 6 Meßobjekt, Prüfling, Probe, Zugprobe
 7 Schatten, Abschattung
 8 Detektor, Infrarotdetektor
 9 Reststrahl
11 Schaubild, Absolutwert
12 Schaubild, Relativwert
13 Montageplatte
21 Einspannvorrichtung, Halterung
24 Steuereinrichtung, Matrixdrucker
25 Druckkopfschlitten
26 Personal-Computer
28 Meßverstärker

Claims (2)

1. Einrichtung zum berührungslosen Abtasten des Durchmessers und des Profils länglicher, zylinderförmiger Gegenstände, bestehend aus:
einer Montageplatte, auf der eine Laserlichtquelle be­ festigt ist, die einen in sich parallelen, streifenförmigen Lichtstrahl emittiert, und ein auf die Laserlichtquelle ausgerichteter Detektor, der die auf ihn treffende Laserlichtintensität mißt,
einer Einspannvorrichtung für den zu vermessenden Gegen­ stand, den Prüfling, die diesen mit seiner Achse senkrecht zur Breitseite des parallelen, streifenförmigen Licht­ strahls unter teilweiser Abschattung des Lichtstrahls hält, und
einer Signal- und Datenverarbeitungsanlage, mit der der Meßablauf des Prüflings vorgegeben und gesteuert werden kann und die die Meßwerte des Detektors verarbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß
die Montageplatte auf einem entlang dem Prüfling bewegli­ chen, positionierbaren Druckkopfschlitten eines von der Signal- und Datenverarbeitungsanlage ansteuerbaren Matrix­ druckers montiert ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspannvorrichtung eine durch die Signal- und Daten­ verarbeitungsanlage steuerbare axiale Zugbelastung und/oder Drehung des Prüflings um einen vorgebbaren Winkel um seine Längsachse ermöglicht.