DE2926140C2

DE2926140C2 - Vorrichtung zur Ermittlung von projizierten Querschnittsgrößen gleichgestaltiger Werkstücke

Info

Publication number: DE2926140C2
Application number: DE2926140A
Authority: DE
Inventors: Isao Nagoya Ito
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1978-09-11
Filing date: 1979-06-28
Publication date: 1983-12-08
Also published as: SE442343B; FR2435698B1; SE7905377L; CH640937A5; GB2030286A; CA1120590A; FR2435698A1; DE2926140A1; JPS5537919A; GB2030286B; JPS6238642B2; US4298285A

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung von projizierten Querschnittsgrößen gleichgestaltiger Werkstücke, mit einem Drehtisch, auf dem das jeweilige Werkstück zentrisch aufgesetzt ist, mit einer lichtoptischen Abtasteinrichtung, die wenigstens eine Laserlichtquelle mit einem Spiegel zur Ablenkung des Laserlichtstrahls in wenigstens einer irc wesentlichen parallel zur Aufsetzfläche des Drehtisches verlaufenden und das Werkstück schneidenden Lichtabtastebene auf der einen Seite des Werkstücks und ein im Laserlichtstrahl auf der gegenüberliegenden Seite des Werkstücks liegendes Element, das in Abhängigkeit von der Abschattung durch das Werkstück ein elektrisches Meßsignal erzeugt, aufweist, mit einer Einrichtung zur Drehung des Drehtisches, mit einer Einrichtung zur Erzeugung des dem Drehwinkel des Drehtisches entsprechenden Signals und mit einer die Meßsignale verarbeitenden elektronischen Schaltung.

Aus der UP-PS 32 24 322 ist bereits eine Vorrichtung zur Ermittlung der Umfangsausbildung eines Gegenstandes bekannt, welche die zuvor aufgeführten Einrichtungen und Merkmale aufweist. Bei dieser bekannten Vorrichtung wird zur Bestimmung der Abmessung eines Gegenstandes auf der einen Seite des Gegenstandes Parallellicht von einer entsprechenden Quelle erzeugt, welches auf der anderen Seite des Gegenstandes mit Hilfe einer optischen Einrichtung gebündelt wird und auf ein photoelektrisches Element gerichtet wird, um ein dem Ausmaß der Abschattung proportionales elektrisches Meßsignal zu erzeugen. Mit Hilfe einer derartigen Vorrichtung ist jedoch nicht die Möglichkeit gegeben, Abweichungen von Abmessungen des Gegenstandes oder eines Werkstücks in bezug auf eine Bezugslinie (Mittellinie) sehr genau zu erfassen.

Aus der DE-OS 28 18 060 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur optischen Maß-Prüfung eines Prüflings bekannt, gemäß welchem das Profil des von einem Parallellichtbündel beleuchteten Prüflings auf einen Lichtempfänger projiziert wird, der mindestens ein Paar Photozellen aufweist, die in einer Ebene senkrecht ?.ura Lichtbündel angeordnet und um einen bestimmten Abstand voneinander getrennt sind, während der Prüfling sich durch das Lichtbündel in einer kontinuierlichen Bewegung senkrecht dazu bewegt und dabei in eine Zone gelangt, in der die beiden Photozellen gleichzeitig teilweise abgedeckt sind. Das wesentliche dieses bekannten Verfahrens besteht darin, daß die Summe der beleuchteten Flächen des Paares Photozellen während der Bewegung des Prüflings in dieser Zone im Zeitpunkt gemessen wird, zu dem die Differenz der beleuchteten Flächen des Paares Photozellen Null ist, und daß die Summe mit einem Bezugswert verglichen wird. Dieses bekannte Verfahren dient dazu, festzustellen, ob der Umfang eines Prüflings eine genaue Kreisform aufweist, oder ob der Umfang von einer genauen Kreisform abweicht.

Aus der DE-OS 15 48 315 ist eine Vorrichtung zum Messen der Geradlinigkeit eines länglichen Elementes bekannt, bei der das Element eine um eine im Raum feststehende Achse gedreht wird, die mit der Längsachse des Elementes im wesentlichen übereinstimmt. Ferner sind eine Vorrichtung zum Bestimmen der Breite der Rotationsfigur des Elementes und von der Vorrichtung betätigbare Mittel vorhanden, wenn die Rotationsfigur eine Breite hat, die von einer bestimmten Größe abweicht. Die bekannte Vorrichtung umfaßt ein optisches System zur Ausbildung von Parallellicht, eine Einrichtung zur Drehung des genann-

ten Elementes, ein Lichtaufnahmeelement zur Ausgabe eines Ausgangssignals im Vergleich mit einer Krümmung des Elementes zur Rotationsachse, einen elektrischen Arbeitsschaltkreis und eine Einrichtung zur Einordnung bzw. Klassifizierung des Elementes.

Zur Messung wird ein Bezugsgegenstand in Parallellicht gedreht und vermessen, dann ein Element gedreht und während der Drehung des Elementes eine Krümmung des Elementes von der Rotationsachse mittels eines bestimmten ImpulsintervaHs gezählt und dann der gezählte Wert beurteilt. Eine genaue stichprobenweise Überprüfung der Oberflächenkennwerte von gleichgestalteten Werkstücken ist mit Hilfe dieser bekannten Vorrichtung jedoch nicht möglich.

Schließlich ist aus der DE-AS 20 32 905 ein Gerät zum Prüfen der Formfehler an Werkstücken mit einem elektrischen Meßtaster und einem Meßverstärker bekannt, welches einen Antrieb zur Erzeugung einer konstanten relativen Drehbewegung zwischen Werkstück und Meßtaster umfaßt. Das Gerät enthält femer einen vor den Ausgang des Meßverstärkers geschalteten Filter, durch den aus dem anfallenden Frequenzgemisch die Signalanteile ausgefiltert werden, die auf eine Exzentrizität zwischen der Werkstückachse und der Achse der relativen Drehbewegung zwischen Werkstück und Meßtaste zurückzuführen sind. Auch dieses bekannte Gerät ist nicht geeignet, stichprobenweise die Oberflächenkennwerte von gleichgestalteten Werkstücken mit besonders hoher Genauigkeit zu überprüfen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Vorrichtung zur Ermittlung von projizierten Querschnittsgrößen gleichgestalteter Werkstücke der eingangs definierten Art derart zu verbessern, daß bei vergleichsweise geringem technischen Aufwand bestimmte Abmaße gleichgestalteter Werkstücke stichprobenweise mit sehr großer Genauigkeit überprüft werden können bzw. genau ermittelt werden kann, wie weit diese Abmaße von den vorgegebenen Sollmaßen abweichen.

Ausgehend von der Vorrichtung zur Ermittlung von projizierten Querschnittsgrößen gleichgestalteter Werkstücke der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß

a) zur Ermittlung der projizierten Querschnittsgrößen jeder der übereinanderliegenden Laserlichtquellen ein photoelektrisches Element in der jeweiligen Lichtabtastebene zugeordnet ist,

b) daß zur Festlegung des äußeren Randes des Meßbereiches der photoelektrischen Elemente im Bereich des bezogen auf das Werkstück äußeren Umkehrpunktes der abtastenden Laserlichtstrahlen eine gemeinsame Blende vorgesehen ist,

c) daß eine elektronische Schaltung mit einem vorgegebenen Sollwerte beinhaltenden Speicher zum Vergleich dieser Sollwerte mit gemessenen, den projizierten Querschnittsgrößen entsprechenden Meßsignalen vorgesehen ist,

d) daß zur Berücksichtigung der Abweichung eines zu messenden Werkstücks von seiner zentrischen Sollage und zur Berücksichtigung der Winkelabweichung des zu messenden Werkstücks von seiner Sollwinkellage auf dem Drehtisch, eine an sich bekannte elektronische Schaltung mit einem Vergleichswerte aufweisenden Speicher zur Korrektur der Meßsignale vorgesehen ist.

Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Hinweis auf die Zeichnungen näher erläutert Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Grundriß einer Ausführungssform einer Vorrichtung mit Merkmalen nach der Erfindung,

Fig. 2 eine schematische Seitenansicht der Vorrichtung nach Fig. 1,

Fig. 3 a und 3 b Impulsformen zur Erläuterung

des Betriebs der Vorrichtung nach den F ΐ g. 1 und 2, Fig. 4 eine schematische Darstellung der Umfangsausbildung eines im wesentlichen elliptischen Werkstücks zwecks Erläuterung des Betriebs der Vorrichtung mit Merkmalen nach der Erfindung,

Fig. 5 ein Diagramm, welches die Abweichung der Umfangsausbildung von Werkstücken zur Erläuterung der Kompensation eines geometrischen Fehlers des Werkstücks angibt und

F i g. 6 einen schematischen Grundriß einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung mit Merkmalen nach der Erfindung.

Die F i g. 1 und 2 stellen schematische Ansichten einer Ausführungsform einer Vorrichtung zur Ermittlung der Umfangsausbildung von Werkstücken dar. Ein zu messendes Werkstück 1 wird auf einen Drehtisch 2 in dessen Mitte angeordnet. Um sicherzustellen, daß sich das Werkstück 1 auf dem Drehtisch 2 in dessen Mitte befindet, ist ein Führungselement 3 auf der Oberfläche des Drehtisches 2 befestigt. Der Drehtisch 2 ist mit einer umlaufenden Welle 4 verbunden, die durch einen Motor S und ein Getriebe 6 in Richtung des Pfeils A gedreht wird. Die Welle 4 ist ferner mit einem Drehwinkeldetektor, beispielsweise einem umlaufenden Codierer 7, verbunden. Der umlaufende Codierer 7 erzeugt ein Drehwinkelsignal des Drehtisches 2 und somit des Werkstücks 1.

Die Vorrichtung weist ferner drei Sätze einer lichtoptischen Abtasteinrichtung auf, wovon jede aus einem Projektionselement für Parallellicht und einem Aufnahmeelement für Parallellicht besteht, das jeweils an einer Seite des Drehtisches 2 angeordnet ist. Somit sind gemäß F i g. 2 drei Laserlichtquellen mit Spiegeln 8 A, 8 B und 8 C für Parallellicht an der linken Seite des Drehtisches 2 in verschiedener Höhe angeordnet, und arbeiten mit drei photoelektrischen Elementen 9 A, 9 B und 9C für Parallellicht zusammen, die an der rechten Seite des Drehtisches in verschiedener Höhe liegen. Bei dieser Ausführungsform wird die Umfangsausbildung des Werkstücks 1 gleichzeitig an drei verschiedenen Abschnitten gemessen.

Jede Lichtabtastebene enthält eine Laserlichtquelle ₍ und einen rotierenden Spiegel zur Reflexion des Laserstrahls in paralleler Form, wie dies in den Zeichnungen dargestellt ist. Jedes der Lichtaufnahmeelemente für Parallellicht hat eine Eintrittsöffnung,' die ausreichend breit zur Aufnahme des Parallcllichtstrahls ist. Gewöhnlich weicht ein Rand des von den Spiegeln 8 A—8 C projizierten Parallellichtstrahls geringfügig von der Parallelität ab, wobei diese Parallelitätsabweichung die Genauigkeit der Messung beeinträchtigen könnte. Um eine derartige Abweichung des parallelen Lichtstrahls im Randbereich zu vermeiden, ist eine längliche Blende 10 stationär angeordnet, welche den Randbereich des parallelen

Lichtes ausblendet. Wie an späterer Stelle deutlich werden wird, wird die Stellung dieser Blende 10 als Bezugsposition für die Messung verwendet.

Das Drehwinkelsignal aus dem umlaufenden Codierer 7 und die ausgangsseitigen Randpositionssignale der das Parallellicht empfangenden Elemente 9/4 bis 9 C werden einer elektronischen Schaltung 11 zugeführt, die ferner ein in einem Speicher 12 gespeichertes Standardvergleichswerie erhält. Diese Vergleichswerte entsprechen Signalen, die von den Elementen 9 geliefert werden, wenn ein Werkstück mit Sollmaßen auf dem Drehtisch 2 angeordnet und über einen Winkelbereich von 360° gedreht wird. In der elektronischen Schaltung 11 werden die Signale miteinander unter Steuerung des vom umlaufenden Codierer 7 gelieferten Drehwinkelsignals verglichen und es wird an der Ausgangsklemme 13 ein Signal erzeugt, welches ein Maß dafür ist, ob das gemessene Werkstück 1 eine richtige Umfangsausbildung aufweist, d. h. ob es die ordnungsgemäßen umfangsseitigen Abmessungen besitzt.

Es wird nunmehr ein Meßvorgang zur Ermittlung der Krümmung des Werkstücks 1 mittels der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Vorrichtung unter Bezugnahme auf die F i g. 3 beschrieben. Das Werkstück, beispielsweise eine elliptische Säule, wird auf den Drehtisch 2 gebracht und in Richtung des Pfeils A gedreht. Während dieser Drehung projizieren die Laserlichtquellen 8/1 bis 8 C die Laserstrahlen während einer vorgegebenen Zeitspanne 7" aufeinanderfolgend gemäß Fig. 1. Anders ausgedrückt, das Werkstück 1 wird während der Zeilspanne T durch den Laserstrahl abgetastet. Fig. 3 a zeigt eine Wellenform des Ausgangssignals eines der Elemente für Parallellicht, beispielsweise des Elements 9 A, wenn sich das Werkstück 1 nicht auf dem Drehtisch 2 befindet. Da der Laserstrahl nicht durch das Werkstück voll ausgeblendet wird, empfängt das Element 9 A während der Zeitspanne T den Laserstrahl von der Laserlichtquelle 8 A, womit das Ausgangssignal vom Element 9 A während der gesamten Abtastperiode T vorhanden ist. Befindet sich hingegen das Werkstück ϊ auf dem Drehtisch 2, so wird der Laserstrahl durch das Werkstück abgeschirmt und die Dauer des vom Element 9 A erhaltenen Ausgangssignals wird gemäß Fig. 3b auf t verringert. Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, steht die Dauer t in Beziehung zu einer Entfernung S zwischen der Blende 10 und einem Rand des Werkstücks 1. Daher kann eine Entfernung r zwischen dem Rand des Werkstücks 1 und einem gegebenen Bezugspunkt, wie beispielsweise dem Mittelpunkt O des Drehtisches 2, als Unterschied zwischen einer konstanten Entfernung L vom Bezugspunkt O zu der stationär angeordneten Blende und der gemessenen Entfernung 5 ermittelt werden. Auf diese Weise kann die Entfernung r gemessen werden, wobei diese Entfernung sich abhängig von der Drehung des Drehtisches 2 ändert. Im Speicher 12 sind die Sollwerte für die Entfernung r bei den jeweiligen Drehwinkeln des Drehtisches 2 gespeichert. Somit kann in der Schaltung 11 eine Abweichung der Entfernung r gegenüber dem Sollwert bei der jeweiligen Winkelposition unter Steuerung des vom umlaufenden Codierer 7 gelieferten Drehwinkelsignals berechnet werden. Da bei dieser Ausführungsform die Messung in drei verschiedenen Positionen des Werkstücks 1 erfolgt, kann die rechtwinkelige Lage der Werkstücksoberfläche ebenfalls ermittelt werden, indem drei für die Entfernung r in verschiedenen Hohen berechnete Werte verglichen werden.

Wie vorausgehend erläutert wurde, ist das Führungselement 3 auf der Oberfläche des Drehtisches 2 zur Einstellung des Werkstücks befestigt. Jedoch könnte in der Praxis das Werkstück nicht genau im Mittelpunkt O des Drehtisches 2 angeordnet sein und der Mittelpunkt des Werkstücks 1 eine Abweichung gegenüber dem Mittelpunkt O des Drehtisches aufweisen. Eine derartige Abweichung könnte einen Meßfehler verursachen. Jedoch kann eine derartige Abweichung in der Schaltung 11 kompensiert werden. Dies wird unter Bezugnahme auf die F i g. 4 und 5 erläutert.

is Fig. 4 stellt eine schemaiische Ansicht eines Urnfangs eines Werkstücks von im wesentlichen elliptischer Form dar. Das Standard-Werkstück hat einen Hauptdurchmesser D₁, einen kleinen Durchmesser D_x, einen kleinen Krümmungsradius R₁ und einen Haupt-Krümmungsradius R₁, wie aus F i g. 4 ersichtlich ist. Somit kann die Entfernung r vom Mittelpunkt C bis zu einem im Winkel ϋ angeordneten Rand des Werkstücks wie folgt ausgedrückt werden:

r=«,+(D/2-R,)cos»
oder

Falls ein derartiges Standard-Werkstück richtig auf dem Drehtisch in dessen Mitte O angeordnet ist, kann die Schaltung 11 die Entfernung r berechnen, während der Drehtisch 2 eine Umdrehung ausführt. Diese berechnete Entfernung r ist in F i g. 5 durch die voll ausgezogene Kurve α angegeben. Jedoch weicht bei der tatsächlichen Messung der Mittelpunkt C des Werkstücks 1 vom Mittelpunkt O des Drehtisches 2 ab und die dabei berechnete Entfernung R kann durch die gestrichelte Kurve b in F i g. 5 ausgedrückt werden. Um eine derartige Abweichung

der Mittenposition zu kompensieren, kann die Kurve b in F i g. 5 in die strichpunktierte Kurve c umgewandelt werden, indem folgende Korrekturgrößen eingeführt werden:

In Richtung der Hauptachse: (dp, + dp.,)l2

In Richtung der kleinen Achse: (Oq₁ + d<?_ä)/2

Auf diese Weise kann die Abweichung der Mittenposition kompensiert werden. Jedoch wird bei einer tatsächlichen Messung ebenfalls ein Winkelfehler erzeugt, d. h. eine Abweichung in Drehrichtung. Dieser Winkelfehler kann korrigiert werden, indem ein Korrektionswinkei α eingeführt wird, welcher in bekannter Weise nach der Methode der kleinsten Quadrate ermittelt wird. D.h. der Korrektionswinkel α kann durch folgende Gleichung ermittelt werden

Σ (α-Ο²

Minimum,

wobei Ct₁, x_s, a_s und α, die Winkelabweichungen zwi- i

sehen der idealen Kurve α und der Kurve c jeweils -

bei vier vorgegebenen Winkelpositionen ^₁, #„, #₃

und &₄ darstellten. Nachdem eine Korrektur in der f;

vorausgehend beschriebenen Weise vorgenommen :|

wurde, kann die Abweichung der Umfangsausbildung

des Werkstücks 1 gegenüber einem Standard-Werk- '}

stück in extrem genauer Weise ermittelt werden. Die K

elektronische Schaltung 11 erkennt ferner, ob die be- j

rechnete Abweichung die maximale zulässige ToIe- J

ranz überschreitet und erzeugt an der Ausgangs- ά

klemme 13 ein Signal, welches gegebenenfalls gedruckt oder angezeigt wird.

Die Erfindung ist nicht auf die vorausgehend beschriebene Ausführungsform beschränkt, sondern kann im Rahmen der Ansprüche weitere Abänderungen erfahren. Beispielsweise können unterschiedliche Arten von Umfangsausbildungen verschieden geformter Werkstücke, wie zylindrischer oder polygonaler Säulen, durch die Vorrichtung gemessen werden. In der vorausgehend erläuterten Ausführungsform wird die Entfernung S gemessen, indem die Zeitdauer des Ausgangssignals vom Lichtaufnahmeelement 9 gemessen wird, jedoch kann die Entfernung S durch eine Amplitude des Ausgangssignals des Elements 9 ermittelt werden, falls das Werkstück gleichzeitig durch ein breites Parallellicht beleuchtet wird.

Wie vorausgehend im einzelnen erläutert wurde, kann die Vorrichtung die Umfangsausbildung eines Werkstücks und insbesondere seine Krümmung berührungslos genau ermitteln und eignet sich daher besonders zum Messen spröder Werkstücke. Da ferner die Messung in sehr kurzer Zeit von beispielsweise zwei bis drei Sekunden erfolgen kann, eignet sich die Meßvorrichtung besonders für die Messung von Werkstücken, wie beispielsweise keramischen Wabenanordnungen, die in Massenfertigung hergestellt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Ermittlung von projizierten Querschnittsgrößen gleichgestaltiger Werkstücke,

mit einem Drehtisch, auf dem das jeweilige Werkstück zentrisch aufgesetzt ist,
mit einer lichtoptischen Abtasteinrichtung, die wenigstens eine Laserlichtquelle mit einem Spiegel zur Ablenkung des Laserlichtstrahls in wenigstens einer im wesentlichen parallel zur Aufsetzfläche des Drehtisches verlaufenden und das Werkstück schneidenden Lichtabtastebene auf der einen Seite des Werkstücks und ein im Laserlichtstrahl auf der gegenüberliegenden Seite des Werkstücks liegendes Element, das in Abhängigkeit von der Abschattung durch das Werkstück ein elektrisches Meßsignal erzeugt, aufweist,
mit einer Einrichtung zur Drehung des Drehtisches,

mit einer Einrichtung zur Erzeugung des dem Drehwinkel des Drehtisches entsprechenden Signals und

mit einer die Meßsignale verarbeitenden elektronischen Schaltung,
dadurch gekennzeichnet, daß

a) zur Ermittlung der projizierten Querschnittsgrößen jeder der übereinanderliegenden Laserlichtquellen( SA, SB, SC) ein photoelektrisches Element (9 A, 9 B, 9C) in der

. jeweiligen Lichtabtastebene zugeordnet ist,

b) daß zur Festlegung des äußeren Randes des Meßbereiches der photoelektrischen Elemente (9/1, 9 B, 9C) im Bereich des bezogen auf das Werkstück äußeren Umkehrpunktes der abtastenden Laserlichtstrahlen eine gemeinsame Blende vorgesehen ist,

c) daß eine elektronische Schaltung (11, 12) mit einem vorgegebenen Sollwerte beinhaltenden Speicher (12) zum Vergleich dieser Sollwerte mit gemessenen, den projizierten Querschnittsgrößen entsprechenden Meßsignalen vorgesehen ist,

d) daß zur Berücksichtigung der Abweichung eines zu messenden Werkstücks von seiner zentrischen Sollage und zur Berücksichtigung der Winkelabweichung des zu messenden Werkstücks von seiner Sollwinkellage auf dem Drehtisch, eine an sich bekannte so elektronische Schaltung (11, 12) mit einem Vergleichswerte aufweisenden Speicher (12) zur Korrektur der Meßsignale vorgesehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ablenkung der Laserstrahlen ein rotierender Spiegel vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Aufsetzfläche des Drehtisches (2) zur genauen Positionierung des Werk-Stückes ein Führungselement (3) befestigt ist.