JPH09507576A - 偏心回転構成部品の測定方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 測定される偏心回転構成部品の自動的光学検査を行うための装置と方法が提供される。平行光線を生成する放射源と検出手段とを有し、機械的接触を回避する測定手順を使用して、偏心回転構成部品を回転軸の回りで回転させ、検出手段の運動を回転と同期させて、偏心回転構成部品と検出手段との間の光軸方向の距離を一定に保つように行わせる。このようにして、本発明を用いなければ光学測定手順で生じるであろう光学的歪みが回避される。

Description

【発明の詳細な説明】 偏心回転構成部品の測定方法及び装置 本発明は、測定される物体の偏心回転構成部品を測定する方法であって、測定 物体が回転可能に支持されて回転軸を中心に回転し、測定平面が回転軸に垂直に 規定されており、その中で測定すべき測定物体の一部を放射源から生じる平行ビ ームで照射して、放射源と測定物体とによって生じる測定平面での測定物体の断 面のシルエットを記録するための検出手段を有する測定される物体の偏心回転構 成部品を測定する方法、及びその方法を実行する装置に関する。 この種の装置及び方法は、国際出願WO86/07442により当該分野で公知となって いる。 当該分野で公知の装置及び方法は、細長い測定物体の寸法を決定するのに適し ている。外側回転構成部材の自動寸法制御のために光学電子測定ステーションが 提案され、それによって、２つの直線フォトダイオードアレイ上の２つの直径方 向に対称な等高点の像を形成するために、測定されるべき物体は直線放射源によ って下から照射される。結果として生じる強度の不連続性が２つの等高点を作り 、シャフトの直径が、２つのダイオードセル間の電子的に記録された距離によっ て決定される。 図１は、先行技術による測定の基本的原理を示す。放射源１ が平行光線からなるビーム２２を生成し、光軸８に沿って測定すべき物体２を照 射する。細長い測定物体２は、図面の面に対して垂直な中心７を通る回転軸の回 りを回転する。検出手段３は間隔をおいた２つの検出器要素５及び５’を備え、 検出器要素５及び５’間の距離は位置決め手段４によって変更可能である。ビー ム２２は平行光線からなるので、検知器５上のビームの位置は強度断面（Intens itatsprofil）を有するシルエットを生じる。測定物体の縁部近傍の強度をサン プルして強度変化を得ると、２つの検出器の直線フォトセルアレイ５及び５’の 間の電子的に測定される距離と協同して、測定物体の精密な寸法測定が可能とな る。回転中に直径の測定を繰り返すと、測定物体の真円度の測定が容易になる。 先行技術の装置によると、直径測定の分解能は１ミクロンの値であり、長手方向 の精度は0.002mmの値である。この装置では直径7mmから100mmまでの範囲、長さ2 00mmから700mmまでの範囲のシャフトの測定が可能である。 測定される直径及び真円度は極めて高精度に決定することができるが、先行技 術の装置及び方法では、測定される構成部品が非対称形状である場合、かかる構 成部品の回転により測定誤差が生じるため、要求される精度を達成できないとい う不具合がある。 従って本発明の目的は、非対称形状のストローク支持位置を有する回転構成部 品を十分な精度で測定できるように上述の種 類の装置及び方法を改良することにある。 この目的は、本発明の方法によれば、回転軸の位置を、測定すべき偏心した回 転構成部品が照射されるように検出手段とビームとの間で調整すると共に、最初 は静止検出手段を用いて、偏心した回転構成部品の直径の最大振幅を検出手段へ のシルエット投射によって求め、偏心した回転構成部品の回転角度を求め、検出 手段を、回転角度位置と同期させて、検出手段と回転する偏心した構成部品との 間でビームと平行な距離が一定に保たれるようにビームと平行に移動させること により達成される。 本発明の目的は、同様に、以下を呈する、前記方法を実行する装置によって実 現される：測定すべき偏心した回転構成部品と交差するように測定平面を位置決 めする手段と、偏心した回転構成部品の回転角度を決定する角度測定装置と、ビ ームと平行に検出手段を移動するように構成されたストローク手段と、検出手段 のストローク運動を偏心した回転構成部品の角度位置と同期させる同期装置と、 記憶、制御、及び評価を行うコンピュータとを備え、検出手段は、検出手段と回 転する偏心した構成部品との間で、ビームに平行な距離を一定に保つように移動 される。 このようにして本発明の目的は達成される。偏心回転構成部品の角度位置の決 定と、この角度位置をビーム方向と平行に移動可能な検出手段の位置に同期させ ることとによって、測定光学系（Vermessungsoptik）内で位置変化による上述の 測定誤差 は回避することができる。回転中に、回転軸からある一定の距離を呈する測定偏 心回転構成部品上の任意の点は、偏心回転軸の回りを円形状に回転すると同時に 、光軸に対し湾曲運動（sinusformige Bewegung）を行う。検出手段の対応する 回転構成部品に対する湾曲運動によって、ビームと平行な、偏心回転軸からの距 離を保つことが可能である。回転中に種々の角度位置で偏心回転構成部品を測定 することにより、様々なシルエット投射を記録することが可能であり、もって偏 心回転構成部品の真円度も求めることができる。 本方法はクランクシャフトの測定に使用すると特に有利である。そのような適 用によって、機械的接触なしに自動的にクランクシャフトを高精度に測定できる という利点がある。 また、互いに対し複数の回転角度を有する複数の偏心回転構成部品を有するク ランクシャフトを測定するために、本方法を実行すると有利である。この種のク ランクシャフト測定用の測定手順を使用することにより、複雑な偏心回転構成部 品構成を有し、互いに種々の角度位置を呈するクランクシャフトであっても自動 的に且つ機械的接触なしに測定することができるという利点がある。 本方法を実行する装置の特に有利な実施の形態では、２つの直線フォトダイオ ードアレイを使用して偏心回転構成部品を測定する。この実施の形態は、ＣＣＤ カメラ及びレーザスキャナという先進技術を利用することができ、もって１回転 につき複 数の個別測定を行うことができるという利点がある。 この実施の形態の変形例は、装置は２つの直線フォトダイオードアレイの間の 距離を調整するための位置決め手段を有する。この変形例は、極めて異なる直径 を有する偏心回転構成部品であっても２つの調整可能な直線フォトダイオードア レイを使用することにより測定することができるという利点がある。 本方法を実行する装置の有利な実施の形態は、ビームの横方向に検出器を位置 させるための位置決め手段を有する。この実施の形態は、偏心回転構成部品の異 なる縁部を回転中に異なる回転角度で検出することができるため、偏心回転構成 部品の真円度も求めることができるという利点がある。 以下の説明及び添付図面によりその他の利点が引き出される。これらの種々の 特徴は、個別でも任意に組み合わせても他の実施の形態において使用することが できる。 図１は先行技術による測定原理の簡単な説明を示す。 図２ａは測定される偏心回転構成部品の回転軸に垂直な平面における断面を示 す。 図２ｂは、回転及び検出構成部品を伴う図２ａの測定される回転構成部品の側 面図を示す。 図３ａは測定平面における側面図を示し、測定される偏心構成部品は、光軸上 にあり、放射源から最も離れた位置にある。 図３ｂは、測定される偏心構成部品が、回転中に図３ａの測定偏心構成部品に 対して９０°の角度を呈する場合の測定構成 を示す。 図３ｃは、図３ａ及び３ｂの構成に対応するが、測定される偏心回転構成部品 は光軸上にあり、放射源に可及的に近い場合を示す。 図４は、本発明の制御構成部品と同期された構成部品との間の接続を概略的に 示す。 図１は、先行技術による測定の基本的原理を説明したものである。放射源１は 略平行なビーム２２を生成し、該ビーム２２は、検出器５、５’を備えた検出手 段３上にシルエットを創出するように測定すべき物体２を照射する。検出器５、 ５’の垂直位置及び検出器５、５’間の可能な距離は横方向位置決め手段４によ って調整される。 測定物体２の真円度は、回転中心７を通る図面の面に対して垂直な回転軸の回 りで測定物体２を回転させ、検出器５、５’の強度の不連続性を分析することに よって求めることができる。光軸８は回転中心７を通るビームの平行移動方向を 規定する。横軸６は回転中心７を通る垂直方向で光軸８と交差する。 ビーム２２の光路が平行であるために、たとえば測定物体２の直径については 、その測定結果は光軸方向における小さな変位に対しては概ね鈍感であるが、光 軸に沿った測定物体の大幅な変位は光学的歪みを生じ、測定結果の誤りや精度の 低下に通じる。したがって、偏心回転構成部品を有する測定物体を測定する場合 は、追加測定を行わずに初めから偏心回転構成部品を 高精度で測定することは不可能である。 図２ａは、偏心回転構成部品を有する測定物体の図１の図面の面に対応する測 定平面の切断面を示す。偏心回転構成部品１０は、この実施の形態では、回転中 心７の回りを偏心ストローク円１３上を回転する。大ていの場合、たとえばクラ ンクシャフトの場合では偏心回転構成部品の縁部上の点１１は、測定物体の回転 中に回転中心７の回りで円運動を行う。このようにして、偏心回転構成部品は自 身の偏心回転中心１２を有し、該偏心回転中心１２は回転中心７の回りに偏心ス トローク円１３を描く。回転中に偏心回転中心１２は、光軸８に対して垂直な横 軸６に対する角度αを変化させる。 図２ｂは、装置の側面図を示す。測定物体２は、回転軸１８の回りで回転方向 １６の回転が行われるように、回転手段１５の間に回転可能に支持される。回転 中に偏心回転軸１９及び偏心構成部品１０は回転軸１８の回りで円筒形運動を行 うため、偏心構成部品の回転中に円筒形の面が描かれる。光学ハウジング９は、 偏心回転構成部品１０の直径または真円度を高精度に測定できるように、偏心回 転構成部品１０の近傍に配置される。回転軸位置決め手段２１は回転軸１８に沿 った光学ハウジング９の位置を調整する。角度測定装置１４は、回転する偏心構 成部品の角度位置または回転角度αがリアルタイムで記録されるように配置され る。測定平面１７は図２ｂに示され、その上に図２ａ、３ａ、３ｂ及び３ｃで示 す断面がある。 測定平面１７で測定を行う場合は、図３ａ、３ｂ及び３ｃに従って、以下の工 程を実行する。図３ａは、平行ビーム２２を生成する放射源１を有する光学ハウ ジング９の内容を示す。測定物体の回転中に偏心構成部品１０は回転中心７の回 りに偏心ストローク円１３を描き、もって、光軸８に平行な距離ｄが偏心回転中 心１２と検出器５、５’との間で得られる。回転する偏心回転中心１２は、図３ ａでは、正確に光軸８上にある。横方向位置決め手段４を介して検出手段３の検 出器５、５’は、ビーム２２の投射によって生じる偏心構成部品１０のシルエッ トが検出器５、５’によって記録されるような位置におかれる。検出器５、５’ は、放射源１からの放射及びシルエットの強度断面を検出するのに適している。 偏心構成部品１０の影（Schatten）にある検出器で測定される強度は、可能な小 さい背景を除いては零である。影（Schatten）の外側では、強度は当然、放射源 の完全強度に対応する。したがって、検出器平面５、５’上に測定物体の縁部が 投射される丁度その位置で急激な強度断面の変化が起こる。距離ｄはストローク 手段２０によって調整されるが、それについて更に下記に述べる。 回転中に偏心構成部品の位置は、たとえば、図３ｂに示される位置に移動する 。図３ｂでは偏心回転構成部品１０は正確に垂直位置にあり、すなわち、偏心中 心１２は横軸６上にある。このとき横方向位置決め手段４を介して検出手段３の 検出器５、５’が、シルエットの急激な強度変化を検出するように調整さ れると、測定物体の直径に対応するシルエット断面が、検出器５、５’上に結像 される。このとき偏心回転中心１２と横軸６との間の角度位置αは（図２ａ参照 ）、この位置では、値α＝０であり、したがって、偏心回転構成部品１０は放射 源１の方向に移動したことになる。しかし、ストローク手段２０はそれに応じて 調整され、距離ｄが一定に保持されるように、検出手段が放射源の方向に変位さ れる。このようにして、検出器と測定される偏心構成部品との間の距離が変化す ることによる光学的歪みは回避される。 さらに回転を続けて図３ｃになると、偏心構成部品１０は、回転角度α＝２７ ０°を有する位置にある。ストローク手段２０は、偏心回転中心１２と検出器５ との間の距離ｄを一定を保つように、検出手段３の位置を放射源の方向に変位さ せる。検出器構成５、５’が、偏心構成部品のシルエットを検出することができ るように横方向位置決め手段４を介して変更される場合は、図３ｃによる測定結 果を使用して、図３ａ及び３ｂと組み合わせて、偏心構成部品１０の３つの直径 測定値を記録し、真円度または偏心率を調べることができる。横方向位置決め手 段４もまた、たとえば５、５’のような２つの検出部品の間の距離を変更するの に適しており、直径が大きく異なる物体も測定することができる。 図４は本システムの種々の構成部品間の協同作用と制御の概略ブロック図を示 す。同期装置３０は導線４７によって回転手 段１５に接続され、且つ導線４３を介して角度測定装置１４に接続される。同期 装置３０とストローク手段２０との接続４４によって、ストローク手段２０が、 偏心回転構成部品と検出手段との間で光軸８に平行な距離を一定に保つように調 整されることが可能である。回転角度位置は角度測定装置１４によって検出され る。追加接続４５及び４２は、図４では、それぞれ同期装置と横方向位置決め手 段４との間、及び同期装置とコンピュータ４０との間に示されている。接続４５ により、横方向位置決め手段４と角度測定装置１４との同期が容易になり、光軸 に垂直な、たとえば軸６に平行な運動も偏心回転構成部品の回転に同期させるこ とができる。同期化情報は導線４２を介してコンピュータ４０に記憶される。コ ンピュータ４０は、情報を記憶、制御、及び評価する。回転位置角度αは導線４ １を介して記憶され、検出器５、５’によって検出されるシルエットの強度断面 は導線４６または４６’を介して読み出されたり、記憶されたりする。測定過程 を自動化するために、図２から図３ｃのシステムのコンピュータ４０と種々の構 成部品との間に追加の従来の接続を設けることが可能であることは明らかである 。 本発明の方法及び装置によれば、約１ミクロンの精度で直径をモニターしたり 直径を測定したりすることが可能である。たとえば、この型の測定では、長さ０ から３０００ｍｍまで、直径０から１０００ｍｍまでの測定物体に対して測定す ることができる。偏心回転構成部品の測定は、たとえば、クランクシャ フトに対して実行することができる。検出手段５、５’は光学ＣＣＤカメラまた はレーザスキャナに接続されたフォトセルを有することができる。たとえば、１ ０ＭＨｚの画素読み出し周波数では、５ＫＨｚのサンプル周波数が予想される。 １Ｈｚの測定物体回転周波数では、１回転につき５０００サンプルが可能である 。本発明の方法及びこの装置によって、たとえば±２００ｍｍの偏心回転構成部 品のストローク行程を測定することができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ハース リュディガー ドイツ連邦共和国、デー−85649 ファイ ステンハール ヴァイデンシュトラーセ ９ (72)発明者 ラング ヨハン ドイツ連邦共和国、デー−84069 シエル リング ピンクホーフェン 44

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 測定される物体の偏心回転構成部品を測定する方法であって、前記測定物 体は回転可能に支持されて回転軸の回りを回転し、測定平面は該回転軸に垂直に 規定され、該測定平面内で前記測定物体の一部を放射源から放射される平行ビー ムで照射して、前記測定物体と前記放射源とによって生成された前記測定平面内 にある前記測定物体の断面のシルエットを検出手段で検出する方法において、前 記検出手段に対する前記回転軸の位置を決定し、前記測定平面を前記測定される 偏心回転構成部品と交差するように調整し、静止検出手段を用いて、前記偏心回 転構成部品の直径の最大振幅を測定し、前記偏心回転構成部品の回転角度を求め 、前記検出手段を、該検出手段と前記偏心回転構成部品との間の前記ビームと平 行な距離が一定に保たれるように、前記ビームと平行に移動することを特徴とす る方法。 ２． クランクシャフトの測定を行うことを特徴とする請求の範囲第１項記載の 方法。 ３． 前記クランクシャフトが、互いに対し複数の回転角度を有する複数の偏心 回転構成部品を有することを特徴とする請求の範囲第２項記載の方法。 ４． 測定物体の偏心回転構成部品を測定する装置であって、前記測定物体を回 転可能に支持する回転可能な支持装置と、回転軸に垂直な測定平面を規定する手 段と、該測定平面において平行 ビームを生成する放射源と、該放射源から放射される該ビームと前記測定物体と により生成される前記測定物体の断面のシルエットを検出するように配置された 検出手段とを有する装置において、前記測定平面（２１）を前記測定される偏心 回転構成部品（１０）と交差するように位置させる手段と、前記偏心構成部品（ １０）の回転角度（α）を求める角度測定装置（１４）と、前記検出手段（３） を前記ビーム（２２）と平行に移動させ得るように構成されたストローク手段（ ２０）と、前記検出手段（３）のストローク運動を前記偏心構成部品（１０）の 前記角度位置（α）に同期させる同期装置（３０）と、記憶、制御、及び評価を 行うコンピュータ（４０）とを備え、前記検出手段（３）は、該検出手段（３） と前記偏心回転構成部品（１０）との間の前記ビームと平行な距離（ｄ）が一定 に保たれるように移動されることを特徴とする装置。 ５． クランクシャフト（２）を測定するように構成されたことを特徴とする請 求の範囲第４項記載の装置。 ６． 前記検出手段（３）が、少なくとも直線フォトダイオードアレイ（５、５ ’）、またはレーザスキャナから成る検出器（５、５’）を有することを特徴と する請求の範囲第４項または第５項記載の装置。 ７． 前記検出手段が２つの直線フォトダイオードアレイから成り、前記２つの 直線フォトダイオードアレイ（５、５’）の間の距離を調整するための位置決め 手段（４）を設けたことを特徴と する請求の範囲第６項記載の装置。 ８． 前記検出器（５、５’）を、前記ビーム（２２）の横方向に延びる前記測 定平面（１７）にある方向に位置させるために位置決め手段（４）を設けたこと を特徴とする請求の範囲第４項乃至第７項のいずれか１項に記載の装置。