DE102008024811A1

DE102008024811A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Prüfung von Zylinderbohrungen

Info

Publication number: DE102008024811A1
Application number: DE200810024811
Authority: DE
Inventors: Lutz Höhne
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2008-05-23
Filing date: 2008-05-23
Publication date: 2009-11-26

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Prüfung einer Zylinderbohrung mit einem taktilen Sensor und einem optischen Sensor und ein Verfahren zur Prüfung einer Zylinderbohrung, bei dem mittels eines taktilen Sensors an zumindest einer selektiven Messstelle der Oberfläche der Zylinderbohrung eine Messung (20) einer Reliefstruktur durchgeführt wird. Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung derart auszuführen, dass eine umfassende und detaillierte Prüfung einer Hohnung einer Zylinderbohrung in einem kurzen Zeitintervall ohne Behinderung der Produktionslinie durchführbar ist. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren derart auszuführen, dass die Prüfung einer Honung einer Zylinderbohrung in einem kurzen Zeitintervall ohne Behinderung der Produktionslinie durchführbar wird. Erfindungsgemäß ist der optische Sensor eine bildgebende Einrichtung, insbesondere eine CCD-Kamera und/oder eine Scannerleiste. Erfindungsgemäß werden weiterhin während der Messung (20) der Reliefstruktur mittels eines Beschleunigungssensors die Erschütterungen des Werkstücks aufgezeichnet (24). Für die Aufzeichnung (21) des Übersichtsbilds wird ein kurzes Zeitintervall benötigt. Eine schnelle Auswertung (23) des Übersichtbilds erlaubt es, nur einige vergleichsweise kleine Ausschnitte der Oberfläche hochauflösend zu fotografieren (22) und dabei die Genauigkeit der Prüfung der Zylinderbohrung zu erhöhen. Mittels der Aufzeichnungen (24) des ...

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Prüfung einer Zylinderbohrung mit einem taktilen Sensor und einem optischen Sensor. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Prüfung einer Zylinderbohrung, bei dem mittels eines taktilen Sensors an zumindest einer selektiven Messstelle der Oberfläche der Zylinderbohrung eine Messung der Reliefstruktur durchgeführt wird.
Eine Vorrichtung der genannten Art ist aus der DE 39 42 805 A1 bekannt. In dieser Schrift wird eine schwingungsgedämpfte Oberflächen-Messstation mit einem Oberflächenmessgerät zur prozessnahen Messung und Prüfung von Oberflächenrauhigkeiten mittels eines taktilen Sensors nach einer Honbearbeitung beschrieben.
Es ist weiterhin durch die DE 103 15 218 A1 eine Vorrichtung zur Erfassung und Analyse von Oberflächenparametern eines Werkstücks im Anschluss an eine Honbearbeitung bekannt, welche die Oberflächenstruktur optisch und taktil erfasst. Dabei erfolgt eine dreidimensionale Erfassung der Oberflächenbeschaffenheit durch einen optischen Messsensor auf Basis der Weißlicht-Interferometrie. Die Druckschrift offenbart weiterhin ein Verfahren zur Erfassung und Analyse der Oberflächenparameter.
Weiterhin zeigt die DE 41 14 428 A1 ein Verfahren zur Messung von Rauheitsparametern beim Honen. Die DE 40 24 778 A1 zeigt ein Hon-Messwerkzeug mit einer Referenzfläche.
Für die Sicherung der Qualität ist es unerlässlich, eine statische Prozesskontrolle durchzuführen. Da bisherige Prüfverfahren entweder ungenau sind oder eine große Zeitdauer beanspruchen und die bekannten mit hoher Genauigkeit arbeitenden Prüfvorrichtungen einer aufwendigen Bedienung bedürfen, werden einzelne Werkstücke stichprobenartig für eine detaillierte Analyse aus der Produktionslinie ausgesondert und nach eingehender Laboruntersuchung dem weiteren Verarbeitungsprozess zugeführt. Um Ausschuss und Nacharbeit zu vermeiden und auf Abweichungen in der Qualität der vorgelagerten Produktion schnell reagieren zu können, sollten Stichprobenprüfungen automatisiert durchgeführt werden, wobei durch die Automatisierung ein deutlich größerer Stichprobenumfang ermöglicht wird.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart auszuführen, dass eine umfassende und detaillierte Prüfung einer Honung einer Zylinderbohrung ohne Behinderung der Produktionslinie durchführbar ist. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart auszuführen, dass die Prüfung einer Honung einer Zylinderbohrung in einem kurzen Zeitintervall ohne Behinderung der Produktionslinie durchführbar wird.
Die erstgenannte Aufgabe wird gelöst mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist also eine Vorrichtung vorgesehen, bei der der optische Sensor eine einen Bildsensor aufweisende Einrichtung, insbesondere eine CCD-Kamera und/oder eine Scannerleiste, ist. Hierdurch ist es möglich, dass die Oberflächenstruktur als Qualitätsmerkmal elektronisch erfassbar und einer rechnergestützten Auswertung zugänglich ist. Als Bildsensoren sind Vorrichtungen zur Aufnahme von zweidimensionalen Abbildern aus Licht, also dem für den Menschen sichtbaren Bereich der elektromagnetischen Strahlung, auf elektrischem oder mechanischem Wege in unterschiedlichen Ausführungen bekannt. Mittels der Scannerleiste kann von der gesamten Honoberfläche ein digitales Übersichtsbild erzeugt werden, dessen Muster mit gespeicherten Strukturen vergleichbar ist. Mittels der CCD-Kamera ist es möglich, einzelne Bereiche der Honoberfläche hochauflösend und detailliert zu fotografieren. Für die Aufzeichnung des Übersichtsbilds wird ein kurzes Zeitintervall benötigt. Eine schnelle Auswertung des Übersichtbildes erlaubt es, nur einige vergleichsweise kleine Ausschnitte der Oberfläche hochauflösend zu fotografieren und dabei die Genauigkeit der Prüfung der Zylinderbohrung zu erhöhen.
Weiterhin ist es günstig, dass die Vorrichtung einen Tragarm aufweist, an dem zumindest ein Instrumententräger zur Aufnahme zumindest eines Sensors angeordnet ist. Hierdurch ist es möglich, bei Bedarf einzelne Sensoren schnell auszutauschen oder zu ergänzen. Die Sensoren sind an einem Instrumententräger angeordnet, wobei eine oder mehrere Instrumententräger an dem Tragarm positionierbar sind.
Vorteilhaft ist es, dass der Tragarm mittels eines an einer Kante der Zylinderbohrung angeordneten Axiallagers in der Zylinderbohrung positioniert ist. Hierdurch ist gewährleistet, dass die Instrumententräger und somit die Sensoren stets mit einem definierten Abstand zu der Soll-Oberfläche arbeiten. Dazu ist es weiterhin günstig, dass der Instrumententräger zumindest drei Stützbrücken aufweist, wobei jede Stützbrücke mit zwei Abstützungen an der Oberfläche der Zylinderbohrung anliegt. Mittels der Stützbrücke ist eine Referenzfläche des Sensors festlegbar.
Vorteilhaft ist es, dass die Stützbrücke gegenüber dem Instrumententräger gelenkig gelagert ist. Hierdurch ist es möglich, dass sich die Stützbrücke der Struktur der Honoberfläche anpassen kann und die von dem Axiallager bestimmte Position des Tragarms nicht verändert wird.
Günstig ist es auch, dass die Abstützung im Bereich der Kontaktfläche zu der Oberfläche der Zylinderbohrung eine Kugel und/oder eine Rolle aufweist. Hierdurch ist es möglich, dass die Abstützung leicht über die Honoberfläche geführt werden kann, ohne diese zu beschädigen. Dies ist insbesondere bei der Untersuchung der Honoberfläche mit einer Tastnadel dienlich. Für eine Untersuchung der Honoberfläche mit einer Tastnadel ist es vorteilhaft, dass der taktile Sensor aus einer Tastnadel, einem Messaufnehmer, einem Antrieb und der eine Referenzfläche bildenden Stützbrücke aufgebaut ist.
Vorteilhaft ist es, dass die Vorrichtung zumindest einen Beschleunigungssensor aufweist. Hierdurch ist es möglich, dass Schwingungen aus den Produktionsanlagen, die in der Nähe der Vorrichtung betrieben werden, und aus anderen Quellen parallel zu den Messwerten der Tastnadel aufzeichenbar und auswertbar sind. So werden Fehlmessungen erkannt, die Messung wird sicherer und der Pseudo-Ausschuss wird verringert. Dabei ist der Beschleunigungssensor an dem Werkstück und/oder an dem Werkstückträger anlegbar.
Günstig, insbesondere für den Einsatz an klein dimensionierten Zylindern, ist es, dass die CCD-Kamera und die Scannerleiste an einem gemeinsamen Instrumententräger angeordnet sind. Hierdurch ist es möglich, dass an der Vorrichtung ein kürzerer Tragarm einsetzbar ist.
Vorteilhaft ist es, dass die Scannerleiste parallel zur Symmetrieachse der Zylinderbohrung ausgerichtet ist und radial auf einer Kreisbahn entlang der Oberfläche der Zylinderbohrung bewegbar ist. Hierdurch ist es möglich, dass mittels der Scannerleiste von der gesamten Honoberfläche in kurzer Zeit ein digitales Bild erzeugbar ist, welches von einem Rechner analysiert werden kann.
Die zweitgenannte Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 12. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist also ein Verfahren vorgesehen, bei dem während der Messung der Reliefstruktur mittels eines Beschleunigungssensors die Erschütterungen des Werkstücks aufgezeichnet werden. Hierdurch wird es möglich, dass die Schwingungen aus den Produktionsanlagen, die in der Nähe der Vorrichtung betrieben werden, und aus anderen Quellen parallel zu den Messwerten der Tastnadel aufzeichenbar und auswertbar sind. Mittels der Aufzeichnungen des Beschleunigungssensors ist es möglich, störende und das Messergebnis verfälschende äußere Einflüsse zu erkennen und eine sichere Messung durchzuführen. Ausschuss und Nacharbeit werden verringert.
Weiterhin ist es günstig, dass zur Prüfung der Textur der Oberfläche der Zylinderbohrung eine zweistufige optische Prüfung durchgeführt wird, wobei zunächst mittels einer Scannerleiste, die auf einer Kreisbahn über den gesamten Bohrungsumfang geführt wird, eine Aufzeichnung eines Übersichtsbilds der Oberfläche der Zylinderbohrung durchgeführt wird und anschließend, in Abhängigkeit der Ergebnisse einer Auswertung des Übersichtsbilds, mehrere Stellen der Oberfläche der Zylinderbohrung mittels einer CCD-Kamera hochauflösend fotografiert werden. Hierdurch wird es möglich, dass zunächst die schnell durchzuführende Auswertung des Übersichtsbilds erfolgt. Werden bei dieser Auswertung Strukturen der Oberfläche gefunden, die möglicherweise zu einem Ausschuss des Werkstücks führen könnten, werden von den betroffenen Bereichen mit der CCD-Kamera automatisch hochauflösende Fotografien angefertigt, deren Auswertung dann über den Ausschuss oder die Nacharbeitung des Werkstücks entscheidet. Werden bei der Untersuchung des Übersichtsbilds keine Unregelmäßigkeiten in der Oberflächenstruktur gefunden, so werden mit der CCD-Kamera Fotografien von bestimmten Stellen der Oberfläche angefertigt.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in
1 eine schematische Darstellung eines Instrumententrägers einer Vorrichtung zur Prüfung von Zylinderbohrungen;
2 eine geschnittene schematische Darstellung des Instrumententrägers mit einem taktilen Sensor;
3 eine geschnittene schematische Darstellung des Instrumententrägers mit einem optischen Sensor;
4 eine geschnittene schematische Darstellung des Werkstücks auf einem Werkstückträger der Vorrichtung;
5 eine schematische Darstellung des Ablaufs des Verfahrens.
1 zeigt einen Instrumententräger 7 einer Vorrichtung 1 zur Prüfung einer in den 2 und 3 dargestellten Zylinderbohrung 2. Der Instrumententräger 7 ist an einem Tragarm 6 angeordnet, wobei an dem Tragarm 6 mehrere Instrumententräger 7 angeordnet werden können. Der Instrumententräger 7 weist drei mit einem Winkel von 120° zueinander beabstandete Stützbrücken 10 auf. Die Stützbrücken 10 sind mit dem Instrumententräger 7 gelenkig verbunden.
Die 2 und 3 zeigen den Instrumententräger 7 mit einem taktilen Sensor 3 und den Instrumententräger 7 mit einem optischen Sensor 4, 5. Die Stützbrücke 10 ist mit dem Instrumententräger 7 gelenkig verbunden und bildet zumindest für den taktilen Sensor 3 eine Referenzfläche. Die Abstützungen 11, die an der Oberfläche 12 der Zylinderbohrung 2 anliegen, bestehen aus Rollen, Kugeln oder Kugelabschnitten.
2 zeigt den Instrumententräger 7 mit dem taktilen Sensor 3 in der Zylinderbohrung 2 des Werkstücks 17. Der taktile Sensor 3 besteht aus einer Tastnadel 13, die über die Oberfläche 12 der Zylinderbohrung 2 geführt wird. Die Tastnadel wird von einem Antrieb 15 in die lineare Bewegung parallel zur Symmetrieachse 19 versetzt. Der Antrieb 15 besteht aus einer in axialer Richtung angeordneten Spindelstange und einem Motor. Beim Überstreichen der Oberfläche 12 wird die Tastnadel 13 durch die Strukturen der Oberfläche 12 senkrecht zur Symmetrieachse 19 oder parallel zur Referenzfläche der Zylinderbohrung 2 bewegt. Diese Bewegung wird von einem Messaufnehmer 14 registriert und zur Auswertung an einen Rechner gesendet.
3 zeigt den Instrumententräger 7 mit zwei optischen Sensoren 4, 5. Die optischen Sensoren 4, 5 sind eine CCD-Kamera 4 und eine Scannerleiste 5. Die CCD-Kamera 4 und die Scannerleiste 5 können an separaten Instrumententrägern 7 angeordnet sein oder, wie in dieser Figur gezeigt, an einem Instrumententräger 7. Mittels der optischen Sensoren 4, 5 wird die Oberfläche 12 des Werkstücks 17 zweistufig untersucht. Dabei wird mittels der Scannerleiste 5 zunächst ein digitales Übersichtsbild der Oberfläche 12 erzeugt und zur Auswertung an einen Rechner übermittelt. Diese Auswertung entscheidet, wie die CCD-Kamera 4 eingesetzt wird. Werden in dem Übersichtsbild Unregelmäßigkeiten der Struktur der Oberfläche 12 festgestellt, so werden diese auffälligen Bereiche der Oberfläche 12 mittels der CCD-Kamera 4 hochauflösend fotografiert. Die Scannerleiste 5 erfasst in einem Arbeitsgang einen Winkelbereich von mindestens 360° der Zylinderbohrung 2. Dazu wird die Scannerleiste 5 von einem Motor 26 rotatorisch um die Symmetrieachse 19 bewegt.
4 zeigt die Vorrichtung 1, wobei das Werkstück 17 auf einem Werkstückträger 18 liegt. Der Tragarm 6 der Vorrichtung 1 ist in die Zylinderbohrung 2 eingefahren und wird von einem Axiallager 9 exakt in der Symmetrieachse 19 positioniert. Das Axiallager 9 liegt dabei an einer Kante 8 der Zylinderbohrung 2 an. An dem Werkstück 17 und/oder an dem Werkstückträger 18 ist ein Beschleunigungssensor 16 zur Aufzeichnung der Erschütterungen des Werkstücks 17 angeordnet.
5 zeigt den Ablauf des Verfahrens. Der Beschreibung des Verfahrens wird die in den 1 bis 4 beschriebene Vorrichtung zu Grunde gelegt. Das Verfahren besteht im Wesentlichen aus einer taktilen Messung 20 und einer zweistufigen optischen Prüfung 25. Die Prüfung der Zylinderbohrung beginnt mit dem Einfahren 27 des taktilen Sensors in die Zylinderbohrung. Während der Messung 20 mit dem taktilen Sensor werden von dem Beschleunigungssensor die Erschütterungen des Werkstücks aufgezeichnet 24. Beim anschließenden Verfahren 28 des Tragarms der Vorrichtung mit den Instrumententrägern werden die optischen Sensoren zur zweistufigen optischen Prüfung 25 in der Zylinderbohrung positioniert. Bei der zweistufigen optischen Prüfung 25 wird zunächst mit der Scannerleiste ein Übersichtsbild der Oberfläche der Zylinderbohrung aufgezeichnet 21. Nach einer Auswertung 23 des Übersichtsbilds werden in Abhängigkeit der Ergebnisse der Auswertung 23 mit der CCD-Kamera bestimmte, lokal begrenzte Bereiche der Oberfläche hochauflösend fotografiert 22. Nach der zweistufigen optischen Prüfung 25 wird der Tragarm vollständig aus der Zylinderbohrung herausgefahren 29. Währenddessen beginnt eine abschließende Überprüfung 30 der Messdaten des taktilen Sensors, des Beschleunigungssensors und der CCD-Kamera. Das Ergebnis der Überprüfung 30 entscheidet über eine Aussonderung 31, eine zusätzliche Laborprüfung und/oder ein Nacharbeiten 32 oder die Weiterbearbeitung 33 des Werkstücks.

1: Vorrichtung
2: Zylinderbohrung
3: taktiler Sensor
4: optischer Sensor (CCD-Kamera)
5: optischer Sensor (Scannerleiste)
6: Tragarm
7: Instrumententräger
8: Kante
9: Axiallager
10: Stützbrücke
11: Abstützung
12: Oberfläche
13: Tastnadel
14: Messaufnehmer
15: Antrieb
16: Beschleunigungssensor
17: Werkstück
18: Werkstückträger
19: Symmetrieachse
20: Messung (taktil)
21: Aufzeichnung (Übersichtsbild, Scannerleiste)
22: Fotografie (CCD-Kamera)
23: Auswertung
24: Aufzeichnung (Beschleunigungssensor)
25: zweistufige optische Prüfung
26: Motor
27: Einfahren
28: Verfahren
29: Ausfahren
30: Überprüfung
31: Aussonderung
32: Nacharbeit
33: Weiterbearbeitung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 3942805 A1 [0002]
- DE 10315218 A1 [0003]
- DE 4114428 A1 [0004]
- DE 4024778 A1 [0004]

Claims

Vorrichtung (1) zur Prüfung einer Zylinderbohrung (2) mit einem taktilen Sensor (3) und einem optischen Sensor (4, 5), dadurch gekennzeichnet, dass der optische Sensor (4, 5) eine einen Bildsensor aufweisende Einrichtung, insbesondere eine CCD-Kamera (4) und/oder eine Scannerleiste (5), ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) einen Tragarm (6) aufweist, an dem zumindest ein Instrumententräger (7) zur Aufnahme zumindest eines Sensors (3, 4, 5) angeordnet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragarm (6) mittels eines an einer Kante (8) der Zylinderbohrung (2) angeordneten Axiallagers (9) in der Zylinderbohrung (2) positionierbar ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Instrumententräger (7) zumindest drei Stützbrücken (10) aufweist, wobei jede Stützbrücke (10) mit zwei Abstützungen (11) an der Oberfläche (12) der Zylinderbohrung (2) anlegbar ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützbrücken (10) gegenüber dem Instrumententräger (7) gelenkig lagerbar sind.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstützung (11) im Bereich der Kontaktfläche zu der Oberfläche (12) der Zylinderbohrung (2) eine Kugel und/oder eine Rolle aufweist.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der taktile Sensor (3) aus einer Tastnadel (13), einem Messaufnehmer (14), einem Antrieb (15) und der eine Referenzfläche bildenden Stützbrücke (10) aufgebaut ist.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) einen Beschleunigungssensor (16) aufweist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschleunigungssensor (16) an dem Werkstück (17) und/oder an dem Werkstückträger (18) anlegbar ist und/oder im Instrumententräger (7) integriert ist.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die CCD-Kamera (4) und die Scannerleiste (5) an einem gemeinsamen Instrumententräger (7) angeordnet sind.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Scannerleiste (5) parallel zur Symmetrieachse (19) der Zylinderbohrung (2) ausgerichtet ist und radial auf einer Kreisbahn entlang der Oberfläche (12) der Zylinderbohrung (2) bewegbar ist.
Verfahren zur Prüfung einer Zylinderbohrung (2), bei dem mittels eines taktilen Sensors (3) und eines optischen Sensors an zumindest einer selektiven Messstelle der Oberfläche (12) der Zylinderbohrung (2) eine Messung (20) einer Reliefstruktur durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass während der Messung (20) der Reliefstruktur mittels eines Beschleunigungssensors (16) die Erschütterungen des Werkstücks (17) aufgezeichnet (24) werden.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur Prüfung der Textur der Oberfläche (12) der Zylinderbohrung (2) eine zweistufige optische Prüfung (25) durchgeführt wird, wobei zunächst mittels einer Scannerleiste (5), die auf einer Kreisbahn über den gesamten Bohrungsumfang geführt wird, eine Aufzeichnung (21) eines Übersichtsbilds der Oberfläche (12) der Zylinderbohrung (2) durchgeführt wird und anschließend, in Abhängigkeit der Ergebnisse einer Auswertung (23) des Übersichtsbilds mehrere Stellen der Oberfläche (12) der Zylinderbohrung (2) mittels der CCD-Kamera (4) hochauflösend fotografiert (22) werden.