DE10152038C2

DE10152038C2 - Verfahren zur optoelektronischen Bestimmung von Gewindeparametern

Info

Publication number: DE10152038C2
Application number: DE2001152038
Authority: DE
Inventors: Nora Kratsch
Original assignee: Hommelwerke GmbH
Current assignee: Jenoptik Industrial Metrology Germany GmbH
Priority date: 2001-10-19
Filing date: 2001-10-19
Publication date: 2003-10-30
Anticipated expiration: 2021-10-20
Also published as: DE10152038C5; DE10152038A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optoelektronischen Bestimmung von Gewindeparametern auf Basis der Messung der Gewindekontur im Schattenbild.

Auf dem Gebiet der Messung von Rotationsteilen und Gewinden ist es seit langem bekannt, mit einer telezentrischen Beleuchtung zu arbeiten und das Schattenbild auf einen Empfänger scharf abzubilden. Die Besonderheit von Gewinden liegt dabei in der Tatsache, dass durch die Steigung des Gewindeganges der Achsschnitt des Gewindes bei orthogonaler Lage der Gewindeachse teilweise verdeckt ist. Lösungen für dieses Problem wurden durch Verkippen der Gewindeachse um den Steigungswinkel oder das Neigen des optischen Strahlenganges, z. B. durch optische Elemente zumindest im Bereich des Gewindes, gefunden, wobei der Kippvorgang jedoch stets wegen der mechanischen Bewegung problematisch ist.

Eine Lösung, die sich vollständig von der Notwendigkeit der Verkippung gelöst hat, ist in der Patentschrift DD 286 660 B5 offenbart. Hier wird die Kippung eines Gewindes um den mittleren Steigungswinkel zur Gewinnung von Konturdaten im Achsschnitt dadurch verzichtbar, dass auf die Konturdaten, die mit zur Gewindeachse senkrecht stehender optischer Achse aufgenommen wurden, ein Korrekturverfahren angewendet wird. Bei diesem Verfahren ist eine Visiereinrichtung notwendig, mit der man auf die unterschiedliche "Tiefe" der Flankenpunkte in parallelen Ebenen zur Axialebene des Gewindes fokussieren kann. Diese "Tiefe", d. h. der Abstand eines Flankenpunktes von der Axialebene, muss zuvor entweder taktil ermittelt oder mittels Kenntnis der Normdaten der zu messenden Gewindeart anderweitig bestimmt werden. Je nach Größe des Abstandes eines anzutastenden Flankenpunktes wird ein Korrekturwert ermittelt, auf die im Schattenbild gemessenen Koordinaten angewendet und damit ein Messpunkt generiert, der dem Achsschnitt des Gewindes entspricht.

Nachteilig an dieser Lösung, soweit sie ausführlich dargelegt wird, ist die Anwendung eines optoelektronischen Tasters (Messmikroskop) sowie die vorherige empirische (z. B. taktile) Bestimmung des Abstandes eines Flankenpunktes von der Axialschnittebene des betreffenden Gewindes, die hinreichend fehlerbehaftet sein kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neuartige Möglichkeit zur optoelektronischen Bestimmung von Gewindeparametern, insbesondere Flanken durchmesser und Flankenwinkel, zu finden, die bei Verwendung des Schattenbildes eines orthogonal im Strahlengang liegenden Gewindekörpers eine hinreichend genaue Ermittlung der (verdeckten) Gewindeflanken erlaubt, ohne dass von den im Schattenbild aufgenommenen Flankenpunkten deren Abstand von der Axialschnittebene ermittelt werden muss.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einem Verfahren zur optoelektronischen Bestimmung von Gewindeparametern, bei dem von einem Gewinde mittels orthogonal zur Gewindeachse ausgerichteter telezentrischer Beleuchtung ein Schattenbild erzeugt und von dem Schattenbild über einen optoelektronischen Empfänger Konturpunkte aufgenommen werden, wobei die so gemessenen Konturpunkte anschließend mit einer Korrekturgröße korrigiert werden, dadurch gelöst, dass das Gewinde zwischen Beleuchtung und dem optoelektronischen Empfänger über einen vollständig telezentrischen Strahlengang abgebildet wird, dass aus dem Schattenbild direkt der Außendurchmesser und die Steigung des Gewindes bestimmt werden und dass eine Korrekturgröße in Abhängigkeit von einem Höhenwert des Konturpunktes eines im Schattenbild abgebildeten Gewindeganges ermittelt und auf jeden aufgenommenen Konturpunkt angewendet wird, wobei die Korrekturgröße allein aus der Kenntnis von Außendurchmesser und Steigung des Gewindes sowie der Gewindeart anhand eines mathematischen Gewindemodells der Oberflächenfunktion der Gewindeflanken ermittelt wird.

Vorzugsweise wird die Korrekturgröße durch folgende Schrittfolge ermittelt:

- Berechnung einer Schnittkurve zwischen einer orthogonalen Schnittebene, die parallel zur x-y-Ebene des Messkoordinatensystems ist, und dem Gewindemodell in Form der Oberflächenfunktion der Gewindeflanken eines idealen Gewindes für alle benötigten Höhenwerte innerhalb eines Gewindeganges,
- Ermittlung eines Extrempunktes der besagten Schnittkurve der orthogonalen Schnittebene (mit den Gewindeflanken für den jeweiligen Höhenwert des Gewindeganges, wobei der Extrempunkt der Schnittkurve durch eine maximale x- Koordinate gekennzeichnet ist,
- Berechnung eines Schnittpunktes der besagten Schnittkurve mit der Axialschnittebene, die der x-z-Ebene des Messkoordinatensystems entspricht, für denselben Höhenwert des Gewindeganges und
- Berechnung der Differenz aus den x-Koordinaten des Extrempunktes und des Schnittpunktes, wobei diese Differenz als Korrekturgröße für den dem jeweiligen Höhenwert im Gewindegang zugehörigen gemessenen x-Wert zur Transformation in die gewünschte Axialschnittebene verwendet wird.

Dabei wird die Anzahl der orthogonalen Schnittebenen, für die die Schnittkurven mit der Oberflächenfunktion der Gewindeflanken berechnet werden, zweckmäßig an die Auflösung von (gemessenen) Konturpunkten des Schattenbildes in axialer Richtung des Gewindes, die der z-Koordinate des Messkoordinatensystems entspricht, angepasst.

Es ist jedoch auch möglich, die Anzahl der orthogonalen Schnittebenen, für die Schnittkurven mit der Oberflächenfunktion der Gewindeflanken berechnet werden, fest vorzugeben und die Anzahl abzutastender Konturpunkte des Schattenbildes in axialer Richtung des Gewindes, die der z-Koordinate des Messkoordinatensystems entspricht, entsprechend der gewünschten Genauigkeit anzupassen.

Vorteilhaft werden die Konturpunkte der im Schattenbild sichtbaren Struktur des Gewindes für beide Seiten aufgenommen und korrigiert.

Zur Verkürzung der Gesamtdauer des Messprozesses kann es aber auch sinnvoll sein, die Konturpunkte der im Schattenbild sichtbaren Struktur des Gewindes für beide Seiten aufzunehmen, jedoch nur für eine Seite zu korrigieren, wobei die Konturpunkte der zweiten Seite nur zur Bestimmung von Außendurchmesser, Mittelachse und Steigung des Gewindes benutzt werden.

Der Grundgedanke der Erfindung basiert auf der Überlegung, dass die bei herkömmlichen Lösungen zur optoelektronischen Bestimmung von Gewindeparametern notwendige Tiefeninformation, die im Schattenbild verloren geht, nicht durch aufwendige optische Maßnahmen, wie Antasten mit Messmikroskop oder Schwenken des optischen Strahlengangs ermittelt werden muss, da die Gewinde je nach Gewindeart (z. B. metrische Gewinde) definierte Gewindeflanken aufweisen, deren Oberfläche formelmäßig beschrieben werden kann. Deshalb wird gemäß der Erfindung die Oberfläche der Gewindeflanken als Modellfunktion in einer Parameterdarstellung verwendet:

x = Rcosϕ

y = Rsinϕ

z = (D/2 - R)tan(α/2) + P(ϕ/2π)
mit 0 ≦ ϕ ≦ 2π

wobei α der Flankenwinkel, P die Steigung und D der Außendurchmesser des Gewindes sind sowie Winkel ϕ und Radius R Variablen einer mathematischen Parameterdarstellung in Zylinderkoordinaten darstellen.

Die Gewindeparameter Steigung P und Außendurchmesser D lassen sich bereits direkt mit den aus dem Schattenbild extrahierten Konturpunkten berechnen, wobei die abgebildeten Flankenbereiche nicht der Gewindekontur im Achsschnitt entsprechen. Für den Flankenwinkel α bzw. den Teilflankenwinkel α/2 wird für das Gewindemodell der Sollwert verwendet.

Diese Modellfunktion der Gewindeflanken wird nun mit orthogonalen Ebenen durch die Gewindeachse geschnitten und die daraus berechnete Schnittkurve besitzt ein lokales Extremum in dem Sinne, dass die x-Koordinate einen Maximalwert annimmt, sowie einen Schnittpunkt mit dem Achsschnitt des Modellfunktion. Die sich aus der Differenz der x-Werte des Extrempunktes und des Schnittpunktes ergebende Abweichung wird in einer Vielzahl von orthogonalen Schnittebenen als Korrekturgröße ermittelt und auf zugehörige gemessene Konturpunkte angewendet.

Das Verfahren gemäß der Erfindung gestattet eine optoelektronische Bestimmung von Gewindeparametern, die bei Verwendung des Schattenbildes eines orthogonal im Strahlengang liegenden Gewindekörpers eine hinreichend genaue Ermittlung der (verdeckten) Gewindeflanken erlaubt, ohne dass von den im Schattenbild aufgenommenen Flankenpunkten deren Abstand von der Axialschnittebene ermittelt werden muss.

Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 den optischen Grundaufbau für das erfindungsgemäße Verfahren,

Fig. 2 ein Schattenbild eines gemäß der Erfindung aufgenommenen Gewindes,

Fig. 3 einen Ausschnitt aus der errechneten Schnittkurve von Oberfläche einer Gewindeflanke mit einer orthogonalen Schnittebene.

Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst in seinem prinzipiellen Lösungsansatz die Schritte:

- Beleuchten und Abbilden des Gewindes 1 zwischen einer Beleuchtungseinheit 2 und einem optoelektronischen Empfänger 3 - wie in Fig. 1 dargestellt - in einem vollständig telezentrischen Strahlengang 4,
- Extrahieren von Konturpunkten 15 aus dem Schattenbild 15 und direkte Bestimmung von Außendurchmesser D und Steigung P des Gewindes 1 und
- Ermittlung einer Korrekturgröße Δx in Abhängigkeit von der Höhe z_m des Konturpunktes 16 eines im Schattenbild 15 abgebildeten Gewindeganges 12, wobei die Korrekturgröße Δx allein aus der Kenntnis von Außendurchmesser D und Steigung P des Gewindes 1 sowie der Gewindeart anhand eines mathematischen Gewindemodells der Oberflächenfunktion der Gewindeflanken 14 für jeden Konturpunkt 12 errechnet und angewendet wird.

Bei der Einbringung des Gewindes 1 in den telezentrischen Strahlengang 4 ist die Übereinstimmung der Gewindeachse 11 mit der z-Achse eines Messkoordinatensystem 5 herzustellen, das zugleich das Bezugssystem für die Anwendung eines mathematischen Gewindemodells zur Ermittlung der Korrekturgrößen Δx, wie weiter unten beschrieben, darstellt. Das geschieht vorteilhaft durch eine Spitzenlagerung des Gewindes 1, wobei die Gewindespitzen 13 im Wesentlichen in Richtung der z-Achse ausgerichtet sind. Der telezentrische Strahlengang 4 ist bezüglich des Messkoordinatensystems 5 in Richtung der y-Achse ausgerichtet. Somit werden alle wesentlichen Messgrößen des Gewindes 1 allein auf die x-z-Ebene des Messkoordinatensystems 5 beschränkt, die deshalb auch die Basis für die Extraktion der Gewindekontur aus dem Schattenbild 15 des Gewindes 1 darstellt.

Ein solches Schattenbild 15 des Gewindes 1, wie es sich auf dem Empfänger 3 abbildet, ist in Fig. 2 gezeigt. Die zwei Kantenbereiche des Schattenbildes 15 werden in Konturpunkte 16 umgesetzt, die jedoch nur an den Spitzen 13 des Gewindeganges 12 tatsächlich in der Axialschnittebene S⁰ _xz des Gewindes 1 liegen.

Alle übrigen Konturpunkte 16 des Gewindes 1 liegen im Schattenbild 15 entweder vor der Axialschnittebene S⁰ _xz, die im Messkoordinatensystem 5 die x-z-Ebene darstellt, oder dahinter, d. h. die tatsächlichen Flankenpunkte in der Axialschnittebene S⁰ _xz, die für die exakte Bestimmung der Gewindeparameter erforderlich sind, stehen nicht zur Verfügung bzw. sind verfälscht (verdeckt), weil der zirkulare Anstieg der Gewindeflanken 14 die Lichttransmission in der Axialschnittebene S⁰ _xz verhindert.

Die Größe der Abweichung der abgebildeten Konturpunkte 16 von den tatsächlichen Flankenpunkten ist ortsabhängig. Erfindungsgemäß wird dafür der Ansatz gewählt, mit dem für die Konturpunkte 16 eines Gewindegangs 12 in Abhängigkeit von einem Höhenwert z_m (parallel zur Achsrichtung) eine Korrekturgröße Δx für den Radius R berechnet wird. Dazu wird eine vorzugsweise äquidistante, der Abtastdichte der Konturpunkte 16 angepasste Menge von Höhenwerten z_m gewählt, für die die folgenden Schritte zur Gewinnung einer zugehörigen Korrekturgröße Δx ausgeführt werden.

Da ein Gewinde 1 je nach Gewindeart (z. B. metrische Gewinde) definierte Gewindeflanken 14 aufweisen, kann deren ideale Oberfläche formelmäßig einfach beschrieben werden. Dazu wird gemäß der Erfindung als Modellfunktion Gewindeflanken 14 folgende Parameterdarstellung verwendet:

x = Rcosϕ

y = Rsinϕ

z = (D/2 - R)tan(α/2) + P(ϕ/2π)
mit 0 ≦ ϕ ≦ 2π

wobei α der Flankenwinkel, P die Steigung und D der Außendurchmesser des Gewindes sind sowie Winkel ϕ und Radius R Variablen einer mathematischen Parameterdarstellung darstellen.

Die Gewindeparameter Steigung P und Außendurchmesser D lassen sich bereits direkt mit den aus dem Schattenbild 15 extrahierten Konturpunkten 16 berechnen, wobei die abgebildeten Flankenbereiche nicht der Gewindekontur in der Axialschnittebene S⁰ _xy entsprechen. Für den Flankenwinkel α bzw. den Teilflankenwinkel α/2 wird für das Gewindemodell der Sollwert verwendet.

Diese Modellfunktion der Gewindeflanken 14 wird nun mit orthogonalen Schnittebenen S^m _xy durch die Gewindeachse 11 geschnitten.

Zunächst wird für alle (entsprechend der Abtastdichte des Empfängers 3) benötigten Höhenwerte z_m innerhalb eines mathematisch modellierten Gewindeganges 12 (in Form der für die Art und Größe des Gewindes 1 zutreffenden Oberflächenfunktion der Gewindeflanken 14) eine Schnittkurve 17 zwischen einer orthogonalen Schnittebene S^m _xy, die parallel zur x-y-Ebene S⁰ _xy des Messkoordinatensystems 5 ist, und dem Modell des Gewindegangs 12, d. h. der Oberflächenfunktion der Gewindeflanken 14, berechnet. Eine solche Schnittkurve 17 ist in Fig. 3 in einem kleinen Ausschnitt dargestellt. Die grafische Darstellung zeigt die orthogonale Schnittebene S^m _xy in einem ungleichen Achsenverhältnis, um die an sich sehr kleine Korrekturgröße Δx ausreichend deutlich herauszustellen. Für jeden benötigten Höhenwert z_m wird nun von der zugehörigen Schnittlinie 15 ein Extrempunkt P₁, bei dem die Schnittkurve 17 den größten x-Wert aufweist, sowie ein Schnittpunkt P₂, bei dem die Schnittkurve 17 die Axialschnittebene S⁰ _xz, d. h. die x-z-Ebene des Messkoordinatensystems 5, schneidet, bestimmt. Die Differenz der x-Koordinaten dieser beiden Punkte, Extrempunkt P₁ und Schnittpunkt P₂, die demselben Höhenwert z_m zugeordnet sind, ergibt dann die Korrekturgröße Δx, mit der der im Schattenbild 15 gemessene, dem Höhenwert z_m zugehörige x-Wert des Konturpunktes 16 korrigiert wird. Fig. 3 verdeutlicht dabei eindrucksvoll, wie klein die Korrekturgröße Δx in ihrer absoluten Dimension ist. Sie ist wegen des Größenunterschieds (in der Größenordnung 10 ^-4) gegenüber dem Außendurchmesser D, der in diesem Beispiel D = 32 mm beträgt, mit unterschiedlichen Maßstäben der Koordinatenachsen dargestellt worden.

Liste der verwendeten Bezugszeichen

1

Gewinde

11

Gewindeachse

12

Gewindegang

13

Gewindespitzen

14

Gewindeflanken

15

Schattenbild

16

Konturpunkte

17

Schnittkurve

2

Beleuchtungseinheit

3

Empfänger

4

telezentrischer Strahlengang

5

Messkoordinatensystem
D Durchmesser
P Steigung
P₁

Extrempunkt (der Schnittkurve

17

in x-Richtung)
P₂

Schnittpunkt (der Schnittkurve

17

im Axialschnitt)
R Radius
S⁰ _xy

x-y-Ebene
S⁰ _xz

Axialschnittebene
z_m

Höhenwerte
Δx Korrekturgröße
α Flankenwinkel
ϕ Winkel

Claims

1. Verfahren zur optoelektronischen Bestimmung von Gewindeparametern, bei dem von einem Gewinde mittels orthogonal zur Gewindeachse ausgerichteter telezentrischer Beleuchtung ein Schattenbild erzeugt und von dem Schattenbild über einen optoelektronischen Empfänger Konturpunkte aufgenommen werden, wobei die so gemessenen Konturpunkte anschließend mit einer Korrekturgröße korrigiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass
das Gewinde (1) zwischen Beleuchtung (2) und dem optoelektronischen Empfänger (3) über einen vollständig telezentrischen Strahlengang (4) abgebildet wird,
aus dem Schattenbild (15) direkt Außendurchmesser (D) und Steigung (P) des Gewindes (1) bestimmt werden und
eine Korrekturgröße (Δx) in Abhängigkeit von einem Höhenwert (z_m) des Konturpunktes (16) eines im Schattenbild (15) abgebildeten Gewindeganges (12) ermittelt und auf jeden aufgenommenen Konturpunkt (12) angewendet wird, wobei die Korrekturgröße (Δx) allein aus der Kenntnis von Außendurchmesser (D) und Steigung (P) des Gewindes (1) sowie der Gewindeart anhand eines mathematischen Gewindemodells der Oberflächenfunktion der Gewindeflanken (14) ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturgröße (Δx) durch folgende Schritte gebildet wird:

- Berechnung einer Schnittkurve (17) zwischen einer orthogonalen Schnittebene (S^m _xy) die parallel zur x-y-Ebene (S⁰ _xy) des Messkoordinatensystems (5) ist, und dem Gewindemodell in Form der Oberflächenfunktion der Gewindeflanken (14) eines idealen Gewindes für alle benötigten Höhenwerte (z_m) innerhalb eines Gewindeganges (12),
- Ermittlung eines Extrempunktes (P₁) der besagten Schnittkurve (17) der orthogonalen Schnittebene (S^m _xy) mit den Gewindeflanken (14) für den jeweiligen Höhenwert (z_m) des Gewindeganges (12), wobei der Extrempunkt (P₁) der Schnittkurve (17) durch eine maximale x-Koordinate gekennzeichnet ist,
- Berechnung eines Schnittpunktes (P₂) der besagten Schnittkurve (17) mit der Axialschnittebene (S⁰ _xz), die der x-z-Ebene des Messkoordinatensystems (5) entspricht, für denselben Höhenwert (z_m) des Gewindeganges (12) und
- Berechnung der Differenz (x₁ - x₂) aus den x-Koordinaten des Extrempunktes (P₁) und des Schnittpunktes (P₂), wobei diese Differenz (x₁ - x₂) als Korrekturgröße (Δx) für den dem jeweiligen Höhenwert (z_m) im Gewindegang (12) zugehörigen gemessenen x-Wert zur Transformation in die gewünschte Axialschnittebene (S⁰ _xz) verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der orthogonalen Schnittebenen (S^m _xy), für die Schnittkurven (17) mit der Oberflächenfunktion der Gewindeflanken (14) berechnet werden, an die Auflösung von gemessenen Konturpunkten (16) des Schattenbildes (15) in axialer Richtung des Gewindes (1), die der z-Koordinate des Messkoordinatensystems (5) entspricht, angepasst wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der orthogonalen Schnittebenen (S^m _xy), für die Schnittkurven (17) mit der Oberflächenfunktion der Gewindeflanken (14) berechnet werden, fest vorgegeben wird und die Anzahl abzutastender Konturpunkte (16) des Schattenbildes (15) in axialer Richtung des Gewindes (1), die der z-Koordinate des Messkoordinatensystems (5) entspricht, angepasst wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Konturpunkte (16) der im Schattenbild (15) sichtbaren Struktur des Gewindes (1) für beide Seiten aufgenommen und korrigiert werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Konturpunkte (16) der im Schattenbild (15) sichtbaren Struktur des Gewindes (1) für beide Seiten aufgenommen, jedoch nur für eine Seite korrigiert werden, wobei die Konturpunkte (16) von der zweiten Seite nur zur Bestimmung des Außendurchmessers (D) und der Steigung (P) sowie der Mittelachse des Gewindes (1) benutzt werden.