DE102004043209B4

DE102004043209B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Prüfung einer gekrümmten Oberfläche in einem Hohlraum

Info

Publication number: DE102004043209B4
Application number: DE200410043209
Authority: DE
Inventors: Hans-Ruben Schanjar; Richard Herga; Rudolf Zuger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-09-03
Filing date: 2004-09-03
Publication date: 2008-05-08
Anticipated expiration: 2024-09-04
Also published as: DE102004043209A1

Abstract

Verfahren zur Prüfung einer gekrümmten Oberfläche (12) in einem Hohlraum (14),
– bei dem eine Strahlführungskomponente (24) entlang einer Längsachse des Hohlraumes (14) eingeführt wird,
– bei dem ein Strahl (22) mit einer Quelle (18) zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung ausgegeben wird,
– bei dem der Strahl (22) in einen ringförmigen Strahl (22') umgeformt wird,
– bei dem der ringförmige Strahl (22') mittels eines halbdurchlässigen Spiegels (21) in eine Strahlführungskomponente (24) projiziert wird,
– bei dem der ringförmige Strahl (22') über ein erstes Kegelsegment (27) eines segmentierten kegelförmigen Spiegels (26) auf einen Wandabschnitt des Hohlraumes (14) projiziert wird, wobei das erste Kegelsegment (27) einen Kegelwinkel von kleiner 90° aufweist,
– bei dem ein von dem Wandabstand des Hohlraumes (14) reflektierter Strahl (23) über eine zweite kegelförmig segmentierte Spiegelfläche (33) des kegelförmig segmentierten Spiegels (26) parallel zur Längsmittelachse (31) umgelenkt wird, wobei die Spiegelfläche (33) in...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Prüfung einer gekrümmten Oberfläche in einem Hohlraum, bei dem eine Strahlführungskomponente entlang einer Längsachse des Hohlraumes geführt wird.
Aus der DE 197 46 662 A1 geht eine Messanordnung zum berührungslosen Erfassen der Innenkontur von Hohlräumen mit einer Lichtquelle hervor, deren Lichtstrahl auf die Innenkontur mittels eines optischen Umlenksystems ablenkbar ist. Des Weiteren ist ein optisches Abbildungssystem vorgesehen, das das an der Innenkontur reflektierte Licht auf eine Detektoreinheit abbildet. Diese ist mit einer Auswerteeinheit zum Erfas sen einer Innenkontur verbunden. Diese Messanordnung ist an einer Vorrichtung angeordnet, die sowohl die Lichtquelle, das optische Umlenksystem und das optische Abbildungssystem gemeinsam um eine Drehachse drehbar gelagert aufnimmt. Zur Durchführung der Messung ist erforderlich, dass die Drehanordnung angetrieben wird, um die Messanordnung in Rotation zur Erfassung der Daten zu versetzen.
Diese Messanordnung weist den Nachteil auf, dass eine baulich aufwändige Vorrichtung erforderlich ist, um die Messung durchzuführen. Darüber hinaus ist diese Messung zeitaufwändig, da für jede Messung zumindest die Zeitdauer für eine Rotation von 360° des Abbildungssystems erforderlich ist. Eine derartige Vorrichtung ist darüber hinaus nicht zum manuellen Einsatz geeignet. Aufwändige Apparaturen zur Aufnahme der Drehvorrichtung sind erforderlich.
Aus der DE 195 06 167 A1 geht ein Verfahren zum Bestimmen einer Innengeometrie eines Bauteils hervor. Hierfür wird ein Endoskop in eine Öffnung des zu untersuchenden Bauteils eingeführt. Über eine Lichtquelle wird über einen Strahlteiler Licht in das Endoskop eingeblendet. Dieses Licht tritt aus dem Endoskop unfokussiert aus und erzeugt das gewünschte Lichtband auf der Innenoberfläche des Rohres. Damit das Lichtband der inneren Querschnittsform des Bauteils angepasst werden kann, wird zwischen der Lichtquelle und dem Strahlteiler eine Halterung bspw. für eine Kreis- oder Rechteckblende verwendet, um diese aufzunehmen. Das an der Innenoberfläche des Rohres erzeugte Lichtband reflektiert Licht, so dass dieses Licht über das Endoskop durch den Strahlteiler hindurch in das Abbildungssystem gelangt. Eine solche Anordnung ermöglicht keine exakte Bestimmung der gekrümmten Oberfläche, da das Licht am Ende des Endoskopes ohne geführt zu werden austritt und zufällig reflektiertes Licht wieder in das Endoskop eintritt.
Aus der WO 02/091913 A1 geht eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erfassung von gekrümmten Oberflächen hervor, bei welchen eine Sonde mit einem distalen Ende in eine Bohrung eingeführt wird. Über einen der Sonde zentral zugeführten Lichtleiter wird Licht mit einer ersten Wellenlänge auf einen segmentierten kegelförmigen Spiegel gerichtet, wodurch der Strahl auf die Oberfläche umgelenkt und an dieser reflektiert wird. Die reflektierten Strahlen werden von Einzelfasern, die ringförmig ange ordnet sind, zu einer Auswerteeinheit geführt. Ein Licht mit einer zweiten Wellenlänge wird axial aus der Sondenspitze herausgeführt, um einen Abstand vor der Sondenspitze zu erfassen.
Die Ausgestaltung einer derartigen Sonde, insbesondere die Herstellung einer Ringanordnung aus mehreren Lichtleitern, ist aufwändig und kostenintensiv. Zudem ist aufgrund der Vielzahl von Eintrittsflächen ein hoher Verlust beim Eintritt in die Einkoppelflächen der Lichtleiter sowie eine hohe Reflektion an der Einkoppelfläche gegeben, wodurch erhebliche Verluste entstehen.
Aus der US 4 465 374 geht ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Prüfung einer gekrümmten Oberfläche in einem Hohlraum hervor. Am Ende eines Endoskopes ist eine segmentierte Strahlführungskomponente vorgesehen, welche in einem ersten und einem zweiten Segment jeweils eine sphärische Krümmung mit unterschiedlichen Krümmungsradien umfasst. Dadurch wird der von der Innenwand reflektierte und zu einem Abbildungssystem umgelenkte Strahl nicht parallel zum einfallenden Strahl zurückgeführt.
Aus der DE 197 50 698 A1 geht eine Anordnung zur dreidimensionalen Vermessung von Hohlräumen, insbesondere organischen Hohlräumen hervor, bei der in einer Sondenspitze eines Endoskopes ein Kegel vorgesehen ist, der einen 90° Winkel umfasst. Dadurch wird die Hohlrauminnenwand in einem 90° Winkel von dem abgelenkten Strahl getroffen, damit dort vorgesehene Markierungen erfassbar sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Prüfung einer gekrümmten Oberfläche in einem Hohlraum zu schaffen, die sowohl einen maschinellen als auch manuellen Einsatz und eine exakte Auswertung zumindest von der Gestalt oder Qualität der Oberfläche des zu prüfenden Hohlraumes ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die unabhängigen Ansprüche gemäß der Verfahren 1, 2 und 4 und einer Vorrichtung zur Durchführung der Verfahren gemäß dem Anspruch 16 ermöglicht.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren gemäß dem Anspruch 1 wird ermöglicht, dass ein Strahl einer Quelle zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung in einen ringförmigen Strahl umgeformt wird, der über eine Strahlführungskomponente zur zu prüfenden Bohrungswand oder Oberfläche eines Hohlraumes projiziert wird. Durch den Einsatz von einem kegelförmig segmentierten Spiegel mit einem ersten Kegelsegment, welches einen Winkel von kleiner 90° aufweist wird aufgrund des Ringstrahles die zu prüfende Oberfläche ringförmig beaufschlagt, so dass eine ringförmige Reflexion über eine zweite kegelförmig segmentierte Kegelfläche in einem Kegelwinkel von größer 90° des kegelförmig segmentierten Spiegels zu einer flächenförmigen Erfassungsmatrix der CCD-Kamera geführt wird. Der reflektierte ringförmige Strahl wird parallel zum einfallenden Strahl in dem Hohlraum geführt und in einer Auswerteeinheit erfasst und ausgewertet. Beispielsweise können bei einem zu prüfenden Durchmesser die erfassten Daten von zumindest einer Abbildung einer Mantelzeile an einer Z-Koordinate entlang einer Längsachse des Hohlraumes mit einem minimalen und maximalen Durchmesser verglichen werden, die maximale Rautiefe oder die Toleranzabweichung von einem Idealmaß oder das Überschreiten oder Unterschreiten von einem maximalen oder minimalen Durchmesser erfasst und ausgewertet werden.
Nach einer alternativen Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß Anspruch 2 ist vorgesehen, dass ein Strahl durch eine Quelle zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung in eine Strahlführungskomponente eingekoppelt, der von der Oberfläche des Hohlraumes reflektierte Strahl mittels einer Ringblende begrenzt oder gefiltert wird und dieser gefilterte Ringstrahl mit einer flächenförmigen Erfassungsmatrix einer CCD-Kamera erfasst und an eine Auswerteeinheit weitergegeben wird. Diese alternative Ausgestaltung die denselben kegelförmig segmentierten Spiegel wie zur Durchführung des ersten Verfahrens umfasst, ermöglicht, dass ein hoher Anteil von elektromagnetischer Strahlung auf die Oberfläche des Hohlraumes geführt wird, um von der flächenförmigen Erfassungsmatrix erfasst zu werden.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung dieses Verfahren ist vorgesehen, dass ein halbdurchlässiger Spiegel zur Einkopplung des Strahles in die Strahlführungskomponente mit einer Ringblende eingesetzt wird. Dadurch werden zwei Bauteile in einem kombiniert. Eine leichte Einstellung eines halbdurchlässigen Spiegels zur Einkopplung des Strahles ist ermöglicht. Alternativ kann vorgesehen sein, dass eine Ringblende getrennt vom halbdurchlässigen Spiegel eingesetzt wird, wobei die Ringblende in Strahlrichtung des reflektierten Strahles vor einer flächenförmigen Erfassungsmatrix der CCD-Kamera angeordnet ist. Dadurch lassen sich noch präzisere Einstellungen und somit eine höhere Auflösung für die Auswertung erzielen.
Nach einer weiteren alternativen Ausgestaltung des Verfahrens gemäß Anspruch 4 ist vorgesehen, dass ein Strahl durch eine Quelle zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung in eine Strahlführungskomponente eingekoppelt und der von der Oberfläche des zu prüfenden Hohlraums reflektierte Strahl von einer ringförmigen Erfassungsmatrix einer CCD-Kamera erfasst wird und die erfassten Daten an eine Auswerteeinheit weitergegeben werden. Dadurch werden geringe Verluste bei der Strahlführung durch den Einsatz einer geringen Anzahl an Strahlführungselementen erzielt. Die ringförmige Erfassungsmatrix weist darüber hinaus den Vorteil auf, dass eine schnellere Auswertung der Daten ermöglicht ist.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Strahl durch eine Quelle zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung aufgeweitet wird. Dadurch kann die zumindest erforderliche Energie der Strahlintensität zur Oberfläche geführt und reflektiert werden. Gleichzeitig kann dadurch die Breite der Mantelzeile für die Erfassung einer Abbildung bestimmt werden.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass als elektromagnetische Strahlung ein Laserstrahl oder Lichtstrahl erzeugt wird. Alternativ können auch Strahlungen mit weiteren Wellenlängen im sichtbaren und nicht sichtbaren Bereich eingesetzt werden. Der Einsatz der Wellenlänge wird bevorzugt an die Erfassungsmatrix angepasst. Darüber hinaus ist die Anpassung auch an die Länge der Strahlführungskomponente vorgesehen.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass in Strahlrichtung des reflektierten Strahles vor der CCD-Kamera zumindest ein Filterelement vorgesehen ist, durch welches das Streulicht des reflektierten Strahles gefiltert wird. Dadurch kann die Exaktheit für die Erfassung der Mantelzeile über den reflektierten Strahl erhöht werden.
Insbesondere ist vorgesehen, dass die Streustrahlung durch einen Schwellenwertfilter unterdrückt wird. Dieser Schwellenwertfilter ist an die Lichtintensität und die Feinheit der Erfassung des reflektierten Lichtstrahles durch die CCD-Kamera angepasst.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Verfahren ist vorgesehen, dass eine Zustellbewegung der Strahlführungskomponente entlang einer Längsachse des Hohlraumes durch eine positionsbestimmende Einheit erfasst wird, die beispielsweise an einem freien Ende der Strahlführungskomponente vorgesehen ist. Dadurch können die Einzelbilder der Mantelzeilen in Form des reflektierten Strahles jeweils einem Z-Wert zugeordnet werden, um nach einer Auswertung durch beispielsweise eine Bildbearbeitungssoftware eine dreidimensionale Oberfläche darzustellen. Darüber hinaus kann eine Vorschubgeschwindigkeit überwacht und/oder eingestellt werden. Dadurch wird sichergestellt, dass während der Zustellbewegung eine vollständige Erfassung der gekrümmten Oberfläche des Hohlraumes ermöglicht ist.
Die positionsbestimmende Einheit zur Erfassung der Zustellbewegung der Strahlführungskomponente oder der Verfahrgeschwindigkeit der Strahlführungskomponente ist als Beschleunigungssensor oder aus Teilen eines GPS-Systems vorgesehen. Diese leiten die erfassten Daten an die Auswerteeinheit weiter, so dass die Zeilenbilder der Oberfläche des Hohlraumes, die durch den reflektierten Strahl auf der Erfassungsmatrix abgebildet werden, einer exakten Position entlang der Längsachse des Hohlraumes zuordenbar sind. Die Zustellbewegung der Strahlführungs komponente kann manuell durchgeführt werden, wobei über den Beschleunigungssensor auf einem Display die Zustellgeschwindigkeit oder Zustellrate ausgegeben wird, so dass eine Kontrolle über die Zustellbewegung gegeben ist. Alternativ kann eine motorisch gesteuerte Zuführung vorgesehen sein, die beispielsweise durch ein Ein- oder Mehrachsensystem oder durch Vorschubeinheiten durchgeführt werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass eine Taktung der Aufnahmefrequenz mit einer Zustell- oder Vorschubbewegung gekoppelt wird. Dadurch wird die Anzahl der erfassten Mantelzeilen von den Oberflächen entlang der Längsachse des Hohlraumes bestimmt. In Abhängigkeit der Prüfaufgabe kann eine lückenlose Überprüfung der Oberfläche entlang der Z-Achse, die der Längsachse des Hohlraumes entspricht, durchgeführt werden. Alternativ können auch Zustellbewegungen, die im Zustellweg gleich, ungleich oder an geometrische Gegebenheiten des Hohlraumes angepasst sind, zwischen den einzelnen Aufnahmen der Daten einer Mantelzeile vorgesehen sein.
Die Durchführung der Verfahren sieht vorteilhafterweise des Weiteren vor, dass in der Auswerteeinheit aus der gekoppelten Taktung der Aufnahmefrequenz mit der Zustellbewegung eine fortlaufende Kurvenschar erzeugt wird. Diese Kurvenschar dient zur räumlichen Darstellung der einzelnen ringförmigen oder scheibenförmigen erfassten Oberflächen in dem Hohlraum. Durch eine interpolierte Manteldarstellung oder Gitternetzdarstellung wird die Profilauswertung, wie beispielsweise eine 3D-Darstellung, ermöglicht.
Nach einer alternativen Ausgestaltung der Verfahren ist vorgesehen, dass in der Auswerteeinheit eine Darstellung in Graustufen durchgeführt wird. Dadurch lassen sich sowohl eine 2D-Darstellung als auch eine 3D-Darstellung generieren.
Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass durch Abwicklung der durch eine CCD-Kamera erfassten Mantelzeilen eine Graustufenauswertung nach Begradigung des Profilverlaufes erfolgt. Dadurch lässt sich eine 2D- Darstellung ermöglichen. Alternativ ist hierzu vorgesehen, dass eine Profitauswertung erfolgt, die zu einer 3D-Darstellung führt. Durch die Abwicklung der Mantelfläche und einer weiteren virtuellen Beleuchtung unter Hinzunahme von Algorithmen wird eine messtechnische Auswertung der Gestalt und/oder Qualität der Oberfläche durchgeführt. Dadurch lassen sich die ermittelten Verhältnisse einer gekrümmten Oberfläche eines Hohlraumes darstellen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung, insbesondere zur Durchführung der vorgenannten Verfahren, weist den Vorteil auf, dass über einen zur CCD-Kamera positionierten halbdurchlässigen Spiegel ein Strahl in eine Strahlführungskomponente mit einem kegelförmig segmentierten Spiegel, der ein erstes Kegelsegment mit einem Kegelwinkel von kleiner 90° und eine zweite kegelförmig segmentierte Kegelfläche in einem Kegelwinkel von größer 90° aufweist, eingekoppelt wird, wodurch ein einfacher Aufbau ermöglicht ist, der ohne Rotation der Vorrichtung eine vollständige Erfassung einer Mantelzeile auf der Oberfläche eines Hohlraumes ermöglicht. Darüber hinaus sind geringe Verluste durch Streuung oder Reflexion gegeben, wodurch eine hohe Qualität für die Auswertung erzielt wird. Gleichzeitig können durch den einfachen Aufbau auch Hohlräume mit sehr geringem Durchmesser geprüft werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung ist vorgesehen, dass zwischen der Quelle zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung und der Strahlführungskomponente eine Linsenanordnung vorgesehen ist, die einen ringförmigen Strahl bildet, der in die Strahlführungskomponente eingeblendet wird. Durch die Anordnung der Linsenanordnung außerhalb der Strahlführungskomponente kann eine Reduzierung der Bauteile und des Bauraumes für die Strahlführungskomponente erzielt werden. Des Weiteren kann eine einfache und exakte Einjustierung der Linsenanordnung in einem Gehäuse, in dem der halbdurchlässige Spiegel aufgenommen ist oder getrennt dazu, vorgesehen sein.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Linsenanordnung ist vorgesehen, dass eine Strahlaufweitungslinse vorgesehen ist, der ein Axikon nachgeschalten ist, um eine ringförmige Umformung des Strahles zu erzielen, so dass die Intensitätsverteilung bereits ringförmig ausgebildet ist.
Vorteilhafterweise ist dem Axikon eine Ringblende nachgeschalten, um eine exakte Ausbildung des Ringstrahles zu erzielen.
Die Ringblende wird bevorzugt in einem Ringspalt von weniger als 0,1 mm eingesetzt. Je kleiner der Ringspalt ist, desto exakter wird die Abbildung in der Breite der Mantelzeile auf der gekrümmten Oberfläche des Hohlraumes.
Nach einer alternativen Ausgestaltung der Vorrichtung ist vorgesehen, dass zwischen einer Quelle zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung und einem halbdurchlässigen Spiegel eine Strahlaufweitungsoptik vorgesehen ist und dass der von der Oberfläche des Hohlraumes reflektierte Strahl von einer Ringblende gefiltert und einer flächenförmigen Erfassungsmatrix einer CCD-Kamera oder von einer ringförmigen Erfassungsmatrix einer CCD-Kamera erfasst wird. Diese Ausgestaltung ist im Aufbau einfach ausgebildet.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Strahlführungskomponente aus zumindest einem inneren und zumindest einem äußeren Lichtleiter besteht. Der zumindest eine innere Lichtleiter ist bevorzugt einem Bereich des kegelförmig segmentierten Spiegels zugeordnet, der einen Kegelwinkel kleiner als 90° aufweist. Zumindest ein sich um den inneren Lichtleiter herum anschließender äußerer Lichtleiter ist bevorzugt einer zweiten kegelförmig segmentierten Spiegelfläche zugeordnet, deren Kegelwinkel größer als 90° ausgebildet ist. Dadurch kann eine kontrollierte und getrennte Zuführung des Strahles zur zu prüfenden Oberfläche des reflektierten Strahles und Rückführung zur Erfassungsmatrix einer CCD-Kamera erfolgen. Des Weiteren weist die Ausgestaltung der Strahlführungskomponente durch Lichtleiter den Vorteil auf, dass diese flexibel ausgestaltet sein können und auch gekrümmte Verläufe von Hohlräumen in Z-Richtung nachfahren und prüfen können.
Nach einer weiteren alternativen Ausgestaltung der Vorrichtung ist vorgesehen, dass die Strahlführungskomponente austauschbar an einem Gehäuse vorgesehen ist, das zumindest einen halbdurchlässigen Spiegel oder einen Einkoppelspiegel für einen Strahl in einer Strahlführungskomponente umfasst. Dadurch können unterschiedliche Strahlführungskomponenten in Anpassung an den Durchmesser und den Hohlraum und deren Geometrie und/oder Messaufgabe auswechselbar an dem Gehäuse vorgesehen sein.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Gehäuse, das den halbdurchlässigen Spiegel oder Einkoppelspiegel aufnimmt, modular aufgebaut ist. Beispielsweise kann eine CCD-Kamera austauschbar an oder in dem Gehäuse angeordnet sein. Des Weiteren kann eine Quelle zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung an oder in dem Gehäuse angeordnet oder es kann ein Lichtleiter an dem Gehäuse befestigt sein, der mit der Quelle zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung verbunden ist. Des Weiteren können alternativ eine Linsenanordnung oder weitere Komponenten zur Beeinflussung des Strahles wahlweise an oder in dem Gehäuse angeordnet werden.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass das Gehäuse Anschlüsse für die Strahlführungskomponente, die CCD-Kamera und die Quelle zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung aufweist. Das Gehäuse selbst kann mit unterschiedlichen Optiken bestückt sein, so dass in Abhängigkeit des Einsatzes einer ringförmigen Erfassungsmatrix oder einer flächenförmigen Erfassungsmatrix einer CCD-Kamera die entsprechenden Optiken vorgesehen sind.
Die erfindungsgemäßen Verfahren und die Vorrichtung, insbesondere zur Durchführung der Verfahren, eignen sich sowohl zur quantitativen als auch qualitativen Beurteilung von Hohlkörpern oder Hohlräumen, wie beispielsweise in der Automobilindustrie, des allgemeinen Maschinenbaus, im Anlagenbau als auch in der Medizintechnik, Biologie oder Archäologie.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen derselben werden im Folgenden anhand den in den Zeichnungen dargestellten Beispielen näher beschrieben und erläutert. Die der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmenden Merkmale können einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination erfindungsgemäß angewandt werden. Es zeigen:
1 eine schematische Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2 eine schematische Schnittdarstellung einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß 1,
3 eine schematische Darstellung eines erfassten Einzelbildes,
4 eine schematische Darstellung einer Abwicklung einer Mantelzeile,
5 eine schematische Darstellung der 4 als 3D-Darstellung in Graustufen,
6 eine schematische Darstellung einer Begradigung des Profilverlaufes gemäß 4,
7 eine schematische zweidimensionale Darstellung in Graustufen der Daten gemäß 6 und
8 eine schematische Darstellung einer alternativen Auswertung von mehreren Daten von Einzelbildern als 3-D-Darstellung gemäß 3.
In 1 ist schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung 11 zur Prüfung von gekrümmten Oberflächen 12 in einem Hohlraum 14 dargestellt. Solche Hohlräume 14 können in verschiedenen Anwendungsgebieten untersucht werden.
Die Vorrichtung 11 weist ein Gehäuse 16 auf. An dem Gehäuse 16 ist eine Quelle 18 zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung vorgesehen. Es wird bevorzugt ein gerichteter Strahl erzeugt, der zusätzlich noch gebündelt werden kann. In dem Gehäuse 16 ist eine Linsenanordnung 19 sowie ein halbdurchlässiger Spiegel 21 oder ein Einkoppelspiegel vorgesehen, der einen Strahl 22 in eine an dem Gehäuse 16 angeordnete Strahlführungskomponente 24 einkoppelt. Am freien Ende der Strahlführungskomponente 24 ist ein kegelförmig segmentierter Spiegel 26 vorgesehen. Dieser Spiegel 26 weist ein erstes Kegelsegment 27 auf, das einen Kegelwinkel kleiner 90° aufweist. Dadurch erfolgt eine Umlenkung des Strahles auf die Oberfläche 12. Der Strahl 22 tritt durch eine Öffnung 32 am freien Ende der Strahlführungskomponente 24 aus. Nach der Reflexion an der Oberfläche 12 des Hohlraumes 14 wird ein reflektierter Strahl 23 über eine zweite kegelförmig segmentierte Spiegelfläche 33 parallel zur Längsmittelachse 31 umgelenkt. Diese Spiegelfläche 33 ist in einem Kegelwinkel von größer 90° vorgesehen.
Der Einkoppelspiegel in dem Gehäuse 16 ist als halbdurchlässiger Spiegel 21 ausgebildet, so dass der reflektierte Strahl 23 hindurchtritt und auf eine Erfassungsmatrix einer CCD-Kamera 36 trifft. Diese CCD-Kamera 36 ist vorteilhafterweise austauschbar an dem Gehäuse 16 vorgesehen. Alternativ kann diese auch in dem Gehäuse 16 integriert sein. Dies gilt ebenso für die Quelle 18 zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung.
Die eingesetzte Linsenanordnung 19 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel umfasst eine Strahlaufweitungslinse 41, die den aufgeweiteten Strahl 22'' einem Axikon 42 zuführt. Dadurch wird eine ringförmige Intensitätsverteilung erzielt. Durch eine Linse 44 wird der ringförmige Strahl ausgerichtet und in seiner Ringbreite durch eine Ringblende 46 begrenzt. Über einen Umlenkspiegel 47 wird der Ringstrahl 22' auf den Einkoppelspiegel 21 umgelenkt. Alternativ kann der ringförmige Strahl 22' auch unmittelbar auf den Einkoppelspiegel 21 gerichtet werden. Die dargestellte Ausführungsform mit dem Umlenkspiegel 47 weist den Vorteil auf, dass eine Vorrichtung mit geringem Bauraum erzielt wird, die auch eine Handführung ermöglicht.
Die Strahlführungskomponente 24 kann beispielsweise durch zwei ineinander angeordnete rohrförmige Hülsen ausgebildet sein, deren Oberflächen reflektierend oder nicht reflektierend ausgebildet sind. Alternativ kann vorgesehen sein, dass zumindest ein Lichtleiter oder ein innerer Lichtleiter 51 und zumindest ein äußerer Lichtleiter 52 vorgesehen sind, die in einem Abstand unmittelbar vor dem Spiegel 26 enden oder unmittelbar mit diesem in Verbindung stehen. Durch die Bildung eines ringförmigen Strahles 22' wird die Oberfläche 12 des Hohlraumes 14 ringförmig abgetastet und ein ringförmiger Strahl 23 reflektiert, der auf eine flächenförmige Erfassungsmatrix zur Erfassung der Daten trifft. Die durch die CCD-Kamera 36 ermittelten Daten werden an eine Auswerteeinheit 28 weitergeleitet, die zumindest eine Bildverarbeitungssoftware umfasst.
Durch diese bevorzugte Ausführungsform lassen sich beispielsweise Gehäuse 16 für eine Sensorvorrichtung herstellen, deren Durchmesser der Strahlführungskomponente 24 weniger als 10 mm beträgt. Dadurch können Bohrungsdurchmesser oder Durchmesser von Hohlräumen geprüft werden, die geringfügig größer sind. Zur Prüfung geeignete Durchmesser von Hohlräumen sind im Bereich von beispielsweise 0,1 mm größer als der Durchmesser der Strahlführungskomponente 24. Die Länge der Strahlführungskomponente 24 ist abhängig von den Bohrungslängen. Bevorzugt sind Strahlführungskomponenten 24 mit einer bestimmten Länge vorgesehen. Beispielsweise kann eine Stufung von 100 mm, 200 mm, 300 mm usw. vorgesehen sein, so dass die Vorrichtung 11 für unterschiedliche Bohrungslängen einen geeigneten Einsatz aufweist.
Die CCD-Kamera 36 umfasst beispielsweise einen CCD-Chip mit einer Auflösung von 0,01 mm. Dadurch ergibt sich eine radiale Auflösung bei Bohrungsdurchmessern von beispielsweise 10 mm in einer Größenordnung von 0,015 mm. Bei einem Bohrungsdurchmesser von 75 mm liegt die radiale Auflösung in einer Größenordnung von 0,115 mm. Diese Werte sind nur beispielhaft und abhängig von dem eingesetzten CCD-Chip.
Die Strahlführungskomponente 24 kann beispielsweise auch als Glasrohr ausgebildet sein, in dem der kegelförmig segmentierte Spiegel 26 integriert oder eingesetzt ist. Das Glasrohr kann zur Führung des Strahles 22' und des reflektierten Strahles 23 entsprechende Hohlkammern aufweisen oder aus Vollmaterial mit unterschiedlichem Brechungsindex oder einer Trennung zwischen zumindest einem inneren und äußeren Glasmantel aufweisen.
In 2 ist eine alternative Vorrichtung zu 1 dargestellt. Das Gehäuse 16 beziehungsweise die darin vorgesehene Linsenanordnung 19 weicht von der in 1 dargestellten Ausführungsform ab. Bei dieser alternativen Ausführungsform wird eine Strahlaufweitungslinse 41 eingesetzt. Der aufgeweitete Strahl 22'' wird mittelbar über einen Umlenkspiegel 47 oder unmittelbar auf einen Einkoppelspiegel 21 zugeführt und in die Strahlführungskomponente 24 projiziert. Der reflektierte Strahl 23 wird durch eine in dem Einkoppelspiegel 21 integrierte Ringblende oder eine zwischen Einkoppelspiegel 21 und CCD-Kamera 36 angeordnete Ringblende 46 begrenzt, um von einer flächenförmigen CCD-Kamera 36 erfasst zu werden.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass weder eine separate Ringblende 46 im Einkoppelspiegel 21 noch eine Ringblende 46 diesem nachgeschalten vorgesehen ist und anstelle einer flächenförmigen CCD-Kamera 36 eine CCD-Kamera 36 vorgesehen ist, die eine ringförmige Flächenmatrix umfasst.
Nach Erfassung des reflektierten Lichtstrahles durch die CCD-Kamera und Auswertung in der Auswerteeinheit 38 kann eine Darstellung eines Einzelbildes ausgegeben werden. Der tatsächliche Verlauf der Mantelzeile ist durch die Linie 54 in 3 dargestellt. Beispielsweise kann der maximale und minimale Durchmesser, der für diesen Hohlraum 14 zulässig ist, eingeblendet werden. Somit kann eine einfache visuelle Kontrolle auf einem Display der Auswerteeinheit 38 gegeben sein. Die rechnerische Kontrolle, Anzeige und Ausgabe ist ebenso möglich. Zusätzlich kann eine Auswertung im Hinblick auf die Rundheit und Rautiefe ausgegeben werden.
Zur weiteren Auswertung der geprüften Oberfläche 12 des Hohlraumes 14 kann eine mathematische Abwicklung der Mantelzeile 56 erfolgen. Daraus ergeben sich weitere Möglichkeiten zur Auswertung.
In 4 ist die Abwicklung von mehreren Mantelzeilen 56 dargestellt, die in Abhängigkeit einer Vorschubbewegung oder Zustellbewegung entlang der Längsachse des Hohlraumes 14 aufgenommen wurden. Dabei ist die Taktung der Aufnahmefrequenz der Breite der Mantelzeilen 56 angepasst. Eine erste Auswertung der Mantelzeilen 56 gemäß 4 ist in 5 dargestellt. Hierbei handelt es sich um eine 3D-Darstellung in Graustufen. Die erfasste Oberfläche wird in der Gestalt und Qualität dargestellt.
Alternativ kann aus 4 eine Darstellung gemäß 6 erzielt werden, die durch Begradigung des Profilverlaufes der Mantelzeilen 56 erfolgt. Hieraus lässt sich eine 2D-Darstellung in Graustufen ableiten, wie dies in 7 dargestellt ist.
Eine weitere alternative Darstellung von mehreren Einzelbildern gemäß 3 ist unter Einbeziehung der Z-Richtung zur Erzeugung einer Kurvenschar für eine räumliche Darstellung ermöglicht, wie dies in 8 schematisch als Mantellinie 57 dargestellt ist. Daraus ergeben sich interpolierte Manteldarstellungen oder Gitternetze in dreidimensionaler Darstellung. Ein Rendern der Netzstruktur ermöglicht eine virtuelle Oberflächendarstellung.

Claims

Verfahren zur Prüfung einer gekrümmten Oberfläche (12) in einem Hohlraum (14), – bei dem eine Strahlführungskomponente (24) entlang einer Längsachse des Hohlraumes (14) eingeführt wird, – bei dem ein Strahl (22) mit einer Quelle (18) zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung ausgegeben wird, – bei dem der Strahl (22) in einen ringförmigen Strahl (22') umgeformt wird, – bei dem der ringförmige Strahl (22') mittels eines halbdurchlässigen Spiegels (21) in eine Strahlführungskomponente (24) projiziert wird, – bei dem der ringförmige Strahl (22') über ein erstes Kegelsegment (27) eines segmentierten kegelförmigen Spiegels (26) auf einen Wandabschnitt des Hohlraumes (14) projiziert wird, wobei das erste Kegelsegment (27) einen Kegelwinkel von kleiner 90° aufweist, – bei dem ein von dem Wandabstand des Hohlraumes (14) reflektierter Strahl (23) über eine zweite kegelförmig segmentierte Spiegelfläche (33) des kegelförmig segmentierten Spiegels (26) parallel zur Längsmittelachse (31) umgelenkt wird, wobei die Spiegelfläche (33) in einem Kegelwinkel von größer 90° vorgesehen ist, – bei dem der umgelenkte Strahl zu einer CCD-Kamera (36) mit einer flächenförmigen Erfassungsmatrix geführt wird und – bei dem die erfassten Daten an eine Auswerteeinheit (38) weitergegeben werden.
Verfahren zur Prüfung einer gekrümmten Oberfläche (12) in einem Hohlraum (14), – bei dem eine Strahlführungskomponente (24) entlang einer Längsachse des Hohlraumes (14) einführt wird, – bei dem ein Strahl (22) mit einer Quelle (18) zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung ausgegeben wird, – bei dem ein Strahl (22) von einem halbdurchlässigen Spiegel (21) in eine Strahlführungskomponente (24) projiziert wird, – bei dem der Strahl (22) über ein erstes Kegelsegment (27) eines segmentierten kegelförmigen Spiegels (26) auf einen Wandabschnitt des Hohlraumes (14) projiziert wird, wobei das erste Kegelsegment (27) einen Kegelwinkel von kleiner 90° aufweist, – bei dem ein von dem Wandabstand des Hohlraumes (14) reflektierter Strahl (23) über eine zweite kegelförmig segmentierte Spiegelfläche (33) des kegelförmig segmentierten Spiegels (26) parallel zur Längsmittelachse (31) umgelenkt wird, wobei die Spiegelfläche (33) in einem Kegelwinkel von größer 90° vorgesehen ist, – bei dem der umgelenkte Strahl über eine Ringblende (46) auf eine CCD-Kamera (36) mit einer flächenförmigen Erfassungsmatrix geführt wird und – bei dem die erfassten Daten an eine Auswerteeinheit (38) weitergegeben werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein halbdurchlässiger Spiegel (21) mit einer integrierten Ringblende (46) eingesetzt wird.
Verfahren zur Prüfung einer gekrümmten Oberfläche (12) in einem Hohlraum (14), – bei dem eine Strahlführungskomponente (24) entlang einer Längsachse des Hohlraumes (14) eingeführt wird, – bei dem ein Strahl (22) mit einer Quelle (18) zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung ausgegeben wird, – bei dem ein Strahl (22) von einem halbdurchlässigen Spiegel (21) in eine Strahlführungskomponente (24) projiziert wird, – bei dem der Strahl (22) über ein erstes Kegelsegment (27) eines segmentierten kegelförmigen Spiegels (26) auf einen Wandabschnitt des Hohlraumes (14) projiziert wird, wobei das erste Kegelsegment (27) einen Kegelwinkel von kleiner 90° aufweist, – bei dem ein von dem Wandabstand des Hohlraumes (14) reflektierter Strahl (23) über eine zweite kegelförmig segmentierte Spiegelfläche (33) des kegelförmig segmentierten Spiegels (26) parallel zur Längsmittelachse (31) umgelenkt wird, wobei die Spiegelfläche (33) in einem Kegelwinkel von größer 90° vorgesehen ist, – bei dem der umgelenkte Strahl auf eine CCD-Kamera (36) mit einer ringförmigen Erfassungsmatrix geführt wird und – bei dem die erfassten Daten an eine Auswerteeinheit (38) weitergegeben werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein von der Quelle (18) zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung erzeugte Strahl (22) durch eine Strahlaufweitungslinse (41) aufgeweitet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als elektromagnetische Strahlung ein Laserstrahl, Lichtstrahl erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der reflektierte Strahl (23) in Strahlrichtung vor der CCD-Kamera (36) durch ein Filterelement gefiltert wird, welches vorzugsweise ein Streulicht durch einen Schwellenwertfilter unterdrückt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zustellbewegung der Strahlführungskomponente (24) in den Hohlraum (14) durch eine positionsbestimmende Einheit erfasst wird, die vorzugsweise an einem freien Ende der Strahlführungskomponente (24) vorgesehen ist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als positionsbestimmende Einheit zumindest ein Beschleunigungssensor vorgesehen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine manuelle Zuführung oder eine motorisch gesteuerte Zuführung der Strahlführungskomponente (24) in den Hohlraum (14) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Taktung der Aufnahmefrequenz zur Erfassung von Mantelzeilen mit einer Vorschubbewegung der Strahlführungskomponente (24) gekoppelt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass in der Auswerteeinheit (38) aus der gekoppelten Taktung der Aufnahmefrequenzen eine fortlaufende Kurvenschar erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine interpolierte Manteldarstellung der Kurvenschar eine Darstellung der Oberfläche erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass in der Auswerteeinheit (38) eine Darstellung der Profilabweichung zumindest in Graustufen oder Farbstufen durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass nach einer Abwicklung der Mantelfläche und einer virtuellen Beleuchtung unter Hinzunahme von Algorithmen eine technische Auswertung der Gestalt und/oder Oberflächenqualität durchgeführt wird..
Vorrichtung zur Prüfung einer gekrümmten Oberfläche (12) in einen Hohlraum (14), insbesondere zur Durchführung der Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Quelle (18) zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung, mit einer Strahlführungskomponente (24) zum Einführen in den Hohlraum (14), die an einem freien Ende einen kegelförmig segmentierten Spiegel (26) einerseits zur Strahlumlenkung eines Strahles (22) auf eine zu prüfende Oberfläche (12) im Hohlraum (14) und andererseits zur Umlenkung eines reflektierten Strahles (23) von der Oberfläche (12) des Hohlraumes (14) aufweist, wobei der segmentierte kegelförmige Spiegel (26) ein erstes Kegelsegment (27) mit einem Kegelwinkel von kleiner 90° aufweist und eine zweite kegelfrömig segmentierte Spiegelfläche (33) mit einem Kegelwinkel von größer 90° vorgesehen ist, mit einer CCD-Kamera (36) zur Erfassung der reflektierten Strahlen (23) und einer Auswerteeinheit (38), wobei über einen zur CCD-Kamera (36) positionierten halbdurchlässigen Spiegel (21) der Strahl (22) in die Strahlführungskomponente (24) eingekoppelt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Quelle (18) zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung und der Strahlführungskomponente (24) eine Linsenanordnung (19) vorgesehen ist, die einen ringförmigen Strahl (22') bildet, der in die Strahlführungskomponente (24) eingekoppelt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsenanordnung (19) eine Strahlaufweitungslinse (41) umfasst, der ein Axikon (42) nachgeschalten ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Linsenanordnung (19) und einem halbdurchlässigen Spiegel (21) eine Ringblende (46) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringblende (20) einen Ringspalt von weniger als 1 mm, insbesondere weniger als 0,1 mm, aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein durch eine Strahlaufweitungslinse (41) aufgeweiteter Strahl (22') auf die Oberfläche (12) des Hohlraumes (14) projiziert wird und der reflektierte Strahl (23) eine Ringblende (46) durchtritt.
Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringblende (46) zwischen dem halbdurchlässigen Spiegel (21) und der CCD-Kamera (36) angeordnet ist oder in dem halbdurchlässigen Spiegel (21) integriert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlführungskomponente (24) aus zumindest einem Rohr, einem Lichtleiter oder einem inneren und zumindest einem äußeren Lichtleiter (51, 52), ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlführungskomponente (24) zumindest starr oder flexibel ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlführungskomponente (24) austauschbar an einem Gehäuse (16) vorgesehen ist, das zumindest einen halbdurchlässigen Spiegel (21) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gehäuse (16) mit zumindest einem halbdurchlässigen Spiegel (21) vorgesehen ist, das zur Aufnahme oder zum Anschluss von zumindest einer CCD-Kamera (36) oder einer Quelle (18) zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung oder einer Linsenanordnung (19) vorgesehen ist.