DE102017111819A1

DE102017111819A1 - Bohrungsinspektionsvorrichtung

Info

Publication number: DE102017111819A1
Application number: DE102017111819.5A
Authority: DE
Inventors: Florian Schwarzer
Original assignee: Jenoptik Industrial Metrology Germany GmbH
Current assignee: Jenoptik Industrial Metrology Germany GmbH
Priority date: 2017-05-30
Filing date: 2017-05-30
Publication date: 2018-12-06
Anticipated expiration: 2037-05-31
Also published as: DE102017111819B4

Abstract

Eine Bohrungsinspektionsvorrichtung 2 zum Inspizieren einer Innenwandung einer Bohrung 4 in einem Werkstück 6 weist einen als in die zu inspizierende Bohrung 4 einführbares und in unterschiedliche Positionen relativ zu der Bohrung 4 bewegbares Endoskop ausgebildeten Messkopf 8 auf, der eine optische Abbildungsanordnung 9 mit einer Abbildungsoptik 10 mit Rundumsicht zum Abbilden der Innenfläche der Bohrung 4 aufweist. Die Abbildungsoptik 10 steht mit einem digitalen Bildaufnehmer 12 in Bildübertragungsverbindung, wobei ein Speicher 14 zur Abspeicherung der in unterschiedlichen axialen Positionen des Messkopfes 8 aufgenommenen Bilder vorgesehen ist und eine Auswertungseinrichtung 16 zur Auswertung der in dem Speicher abgespeicherten Bilder dient. Zur Gewinnung von Oberflächentiefeninformation der Innenfläche der Bohrung 4 ist die Auswertungseinrichtung 16 für eine Auswertung von bezogen auf die jeweilige Oberflächenstelle unter unterschiedlichen Beobachtungswinkeln der Abbildungsoptik 10 aufgenommenen Bildern mit einem 3D-Rekonstruktionsverfahren ausgebildet und eingerichtet ist. Erfindungsgemäß ist die optische Abbildungsanordnung 9 derart ausgebildet ist, dass eine zu untersuchende Oberflächstelle an der Innenwandung der Bohrung 4 gleichzeitig unter wenigstens zwei unterschiedlichen Beobachtungswinkeln (phil, phi2) von der Abbildungsoptik (10) erfassbar ist oder erfasst wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Bohrungsinspektionsvorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art zum Inspizieren einer Bohrung in einem Werkstück.
Bohrungsinspektionsvorrichtungen, die auch als Innenprüfsensoren und nachfolgend auch kurz als Vorrichtungen bezeichnet werden, werden beispielsweise bei der Bohrungsinspektion in Kurbelgehäusen für Verbrennungsmotoren eingesetzt. Sie dienen dazu, die radiale Innenfläche der Bohrung abzubilden und anhand der Abbildung mit Verfahren der Bildverarbeitung und Mustererkennung daraufhin zu prüfen, ob sie vorbestimmten Anforderungen hinsichtlich der Oberflächenbeschaffenheit genügt.
Entsprechende Vorrichtungen sind beispielsweise durch WO 2009/003692 , DE 4416493 A1 , DE 4320845 C1 und DE 3232904 C2 bekannt.
Durch US 2010/0048995 A1 ist ein Abbildungssystem zur dreidimensionalen Abbildung des Inneren eines Objektes bekannt, das beispielsweise bei endoskopbasierten medizinischen Untersuchungen eingesetzt werden kann. Durch US 2014/0055982 A1 ist ein medizinisches Endoskop bekannt.
Durch DE 10 2004 045 808 A1 ist eine nach dem Prinzip der Weißlichtinterferometrie arbeitende optische Messvorrichtung zur Vermessung von Flächen eines Messobjektes bekannt.
Durch DE 10131780 A1 ist eine interferometrische Messvorrichtung zur Formvermessung einer Fläche bekannt.
Durch DE 10 2009 019 459 B4 ist eine Bohrungsinspektionsvorrichtung zum Inspizieren einer Bohrung in einem Werkstück bekannt, die einen als die zu inspizierende Bohrung einführbares und in unterschiedliche axiale Positionen relativ zu der Bohrung bewegbares Endoskop ausgebildeten Messkopf aufweist, der eine Abbildungsoptik mit Rundumsicht zum Abbilden der Innenfläche der Bohrung aufweist, wobei die Abbildungsoptik mit einem digitalen Bildaufnehmer in Bildübertragungsverbindung steht. Die aus der Druckschrift bekannte Vorrichtung weist ferner einen Speicher zum Abspeicherung der in unterschiedlichen axialen Positionen des Messkopfes aufgenommenen Bilder und eine Auswertungseinrichtung zur Auswertung der in dem Speicher abgespeicherten Bilder auf. Die aus der Druckschrift bekannte Inspektionsvorrichtung ermöglicht auf schnelle und genaue Weise die Inspektion von Bohrungen.
Ähnliche Vorrichtungen sind auch durch DE 10 2007 031 358 A1 und DE 10 2008 009 975 A1 bekannt.
Durch DE 10 2015 010 225 A1 ist eine Bohrungsinspektionsvorrichtung der betreffenden Art zum Inspizieren einer Innenwandung einer Bohrung in einem Werkstück bekannt, die einen als die zu inspizierende Bohrung einführbares und in unterschiedliche Positionen relativ zu der Bohrung bewegbares Endoskop ausgebildeten Messkopf aufweist, der eine optische Abbildungsanordnung mit einer Abbildungsoptik mit Rundumsicht zum Abbilden der Innenfläche der Bohrung aufweist. Die Abbildungsoptik steht mit einem digitalen Bildaufnehmer in Bildübertragungsverbindung. Ein Speicher dient zur Abspeicherung der in unterschiedlichen axialen Positionen des Messkopfes aufgenommenen Bilder, und zur Auswertung der in dem Speicher abgespeicherten Bilder ist eine Auswertungseinrichtung vorgesehen. Zur Gewinnung von Oberflächentiefeninformationen der Innenfläche der Bohrung ist die Auswertungseinrichtung für eine Auswertung von bezogen auf die jeweilige Oberflächenstelle unter unterschiedlichen Beobachtungswinkeln der Abbildungsoptik aufgenommenen Bildern mit dem Stereotriangulationsverfahren ausgebildet und eingerichtet.
Die aus der Druckschrift bekannte Vorrichtung ermöglicht es damit, bei der Inspektion einer Bohrung Oberflächentiefeninformationen zu gewinnen, so dass an der Innenfläche der Bohrung detektierte Anomalien nicht nur erkannt, sondern dahingehend klassifiziert werden können, ob es sich um Erhebungen oder Vertiefungen handelt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art anzugeben, die im Hinblick auf die Abbildungsqualität noch weiter verbessert ist.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.
Erfindungsgemäß ist die optische Abbildungsanordnung derart ausgebildet, dass eine zu untersuchende Oberflächenstelle an der Innenwandung der Bohrung gleichzeitig unter wenigstens zwei unterschiedlichen Beobachtungswinkeln der Abbildungsoptik erfassbar ist oder erfasst wird.
Während bei dem Verfahren gemäß DE 10 2015 010 225 A1 also Bilder derselben Oberflächenstelle unter unterschiedlichen Beobachtungswinkeln (Betrachtungswinkeln) dadurch gewonnen werden, dass der Messkopf relativ zu der Bohrung bewegt wird, werden erfindungsgemäß Bilder der betreffenden Oberflächenstelle unter unterschiedlichen Betrachtungswinkeln in derselben Position des Messkopfes gleichzeitig gewonnen. Erfindungsgemäß wird die zu untersuchende Oberflächenstelle also gleichzeitig unter wenigstens zwei Beobachtungswinkeln beobachtet. Zur Durchführung beispielsweise eines Stereotriangulationsverfahrens bezogen auf eine axiale Oberflächenstelle an der Innenwandung der Bohrung ist daher eine Bewegung des Messkopfes nicht erforderlich.
Im Sinne einer möglichst hohen Abbildungsqualität ist es wünschenswert, dass die zu untersuchende Oberflächenstelle möglichst homogen ausgeleuchtet wird. In diesem Sinne ist es vorteilhaft, dass die Erfassung der jeweils zu untersuchenden Oberflächenstelle erfindungsgemäß gleichzeitig unter wenigstens zwei Beobachtungswinkeln erfolgt. Helligkeitsunterschiede, wie sie bei einer Bewegung des Messkopfes relativ zu der zu untersuchenden Bohrung auftreten können, sind dadurch vermieden.
Die Erfindung ermöglicht es insbesondere, eine Auswertung nach dem Stereotriangulationsverfahren optimiert umzusetzen. Für die Optimierung sind insbesondere die Beobachtungswinkel (erster Beobachtungswinkel phi1 und zweiter Beobachtungswinkel phi2) von Bedeutung. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Winkel symmetrisch sind, also der erste Beobachtungswinkel phi1 gleich oder annähernd gleich dem zweiten Beobachtungswinkel phi2 ist, und die Winkel bezogen auf die Normale zur Bohrungsinnenwand (und damit zur optischen Achse der Abbildungsoptik) unterschiedliche Vorzeichen haben. Weiterhin ist es vorteilhaft, die Winkeldifferenz Δphi = phi2 - phi1 möglichst groß zu wählen. Beispielsweise und insbesondere kann die Winkeldifferenz wenigstens 5 Grad betragen.
Erfindungsgemäß ist es insbesondere auch möglich, eine Differenz zwischen einer ersten Weglänge, die das Licht unter dem ersten Beobachtungswinkel von der Innenwandung der Bohrung zu der Abbildungsoptik zurücklegt, und einer zweiten Weglänge, die das Licht von der Innenwandung der Bohrung zu der Abbildungsoptik zurücklegt, möglichst gering zu halten. Dadurch haben die beiden Stereobilder, also die unter unterschiedlichen Beobachtungswinkeln ausgenommenen Bilder, eine gleiche oder zumindest ähnliche Tiefenschärfe, was die Abbildungsqualität weiter verbessert und die Auswertung erleichtert.
Im Ergebnis verbessert die Erfindung die Auswertung von unter unterschiedlichen Betrachtungswinkeln aufgenommenen Stereobildern, insbesondere nach dem Stereotriangulationsverfahren, auf geschickte und einfache Weise, wodurch die Abbildungsqualität gegenüber der bekannten Vorrichtung nochmals verbessert ist. Dies stellt bei der Bohrungsinspektion einen erheblichen Fortschritt dar.
Der erfinderische Grundgedanke, die optische Abbildungsanordnung derart zu gestalten bzw. ihren Abbildungsstrahlengang derart zu wählen, dass eine zu untersuchende Oberfläche an der Innenwandung der Bohrung gleichzeitig unter wenigstens zwei unterschiedlichen Beobachtungswinkeln von der Abbildungsoptik erfassbar ist oder erfasst wird, kann auf verschiedene Weise umgesetzt werden. Um den erfindungsgemäßen Grundgedanken mit besonders geringem Hardwareaufwand umzusetzen, sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vor, dass die optische Abbildungsanordnung wenigstens ein lichtlenkendes optisches Element aufweist, das derart im Abbildungsstrahlengang angeordnet ist, dass eine zu untersuchende Oberflächenstelle an der Innenwandung der Bohrung gleichzeitig unter wenigstens zwei Beobachtungswinkeln (phil, phi2) von der Abbildungsoptik erfassbar ist oder erfasst wird.
Dabei ist zweckmäßigerweise wenigstens ein lichtlenkendes optisches Element derart in dem Abbildungsstrahlengang angeordnet, dass der einem ersten Beobachtungswinkel phi1 zugeordnete erste optische Weg des Lichts direkt von der zu untersuchenden Oberflächenstelle zu der Abbildungsoptik und der einem zweiten Beobachtungswinkel phi2 zugeordnete zweite optische Weg des Lichts indirekt über das lichtlenkende Element von der zu untersuchenden Oberflächenstelle zu der Abbildungsoptik verläuft. Auf diese Weise kann eine Differenz zwischen den Weglängen des ersten optischen Wegs und des zweiten optischen Wegs verringert werden. Dadurch ist erreicht, dass die aufgenommenen Stereobilder eine gleiche oder zumindest ähnliche Tiefenschärfe haben.
Um die Abbildungsqualität weiter zu verbessern, sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vor, dass wenigstens ein lichtlenkendes Element derart in dem Abbildungsstrahlengang angeordnet ist, dass der erste Beobachtungswinkel phi1 gleich oder annähernd gleich dem zweiten Beobachtungswinkel phi2 ist.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung haben der erste Beobachtungswinkel phi1 und der zweite Beobachtungswinkel phi2 bezogen auf eine Normale auf die optische Achse vorzugsweise unterschiedliche Vorzeichen, so dass die zu erfassende Oberflächenstelle bezogen auf eine vertikale Anordnung des Messkopfes in der Bohrung während der Messung einmal von „oben“ und einmal von „unten“ betrachtet bzw. beobachtet wird.
Erfindungsgemäß ist es grundsätzlich auch ausreichend, wenn ein einzelnes lichtlenkendes Element verwendet wird. Um die Weglängendifferenz zwischen dem ersten optischen Weg und dem zweiten optischen Weg weiter zu verringern, sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vor, dass zwei in Axialrichtung der optischen Achse der Abbildungsoptik zueinander beabstandete lichtlenkende optische Elemente vorgesehen sind, von denen eines dem ersten Beobachtungswinkel und das andere dem zweiten Beobachtungswinkel zugeordnet ist, derart, dass der dem ersten Beobachtungswinkel phi1 zugeordnete erste Weg des Lichts von der zu untersuchenden Oberflächenstelle indirekt über eines der lichtlenkenden Elemente zu der Abbildungsoptik und der dem zweiten Beobachtungswinkel phi2 zugeordnete zweite Weg des Lichts indirekt über das andere lichtlenkende Element von der zu untersuchenden Oberflächenstelle zu der Abbildungsoptik verläuft.
Bei den Ausführungsformen mit dem lichtlenkenden Element kann dieses an beliebiger geeigneter Stelle in dem Abbildungsstrahlengang angeordnet und auf beliebige geeignete Weise an dem Messkopf angeordnet bzw. befestigt sein. Im Sinne eines einfachen und kompakten Aufbaus sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vor, dass wenigstens ein lichtlenkendes Element an der Abbildungsoptik angeordnet bzw. befestigt ist.
Bei der vorgenannten Ausführungsform kann wenigstens ein lichtlenkendes optisches Element an einer Frontlinse der Abbildungsoptik befestigt sein, wie dies für sich genommen aus EP 2 589 953 A2 bekannt ist.
Erfindungsgemäß können beliebige lichtlenkende Elemente verwendet werden, die geeignet sind, im Sinne des Grundgedankens der Erfindung eine gleichzeitige Beobachtung der zu untersuchenden Oberflächenstelle unter wenigstens zwei Beobachtungswinkeln zu ermöglichen. Beispielsweise können als lichtlenkende Elemente Linsen verwendet werden. Um das lichtlenkende Element besonders einfach zu gestalten, sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vor, dass wenigstens ein lichtlenkendes Element ein Spiegel ist.
Bei der vorgenannten Ausführungsform kann wenigstens ein Spiegel ein Planspiegel sein, wie es eine vorteilhafte Weiterbildung vorsieht. Entsprechende Planspiegel stehen als relativ einfache und kostengünstige Standardbauteile zur Verfügung und verteuern die Herstellung der erfindungsgemäßen Bohrungsinspektionsvorrichtung nicht in nennenswertem Maße.
Eine außerordentlich vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Auswertungseinrichtung für eine Auswertung der bezogen auf eine Oberflächenstelle unter unterschiedlichen Beobachtungswinkeln aufgenommenen Bilder mit dem Stereotriangulationsverfahren ausgebildet und eingerichtet ist, wie dies für sich genommen aus der DE 10 2015 010 225 A1 bekannt ist.
Um einen Vorschub in Axialrichtung der Rotationssymmetrieachse einer zu untersuchenden Bohrung und damit in Axialrichtung der optischen Achse der Abbildungsoptik zu bewirken, sieht eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vor, dass dem Messkopf eine durch eine Steuerungseinrichtung ansteuerbare Vorschubeinrichtung zugeordnet ist.
Bei der vorgenannten Ausführungsform übermittelt die Steuerungseinrichtung zweckmäßigerweise der Auswertungseinrichtung die jeweilige axiale Position des Messkopfes repräsentierende Positionsdaten zur Zuordnung der jeweiligen axialen Position des Messkopfes zu den in dieser Position aufgenommenen Bildern.
Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht eine Beleuchtungseinrichtung zur Beleuchtung eines an von der Abbildungsoptik erfassten Abbildungsbereiches an der Innenfläche der Bohrung in Hell- oder Dunkelfeldbeleuchtung vor. Entsprechend den jeweiligen Anforderungen kann erfindungsgemäß in Hellfeldbeleuchtung oder Dunkelfeldbeleuchtung gearbeitet werden. Es ist erfindungsgemäß jedoch auch möglich, zwischen einer Hellfeld- und einer Dunkelfeldbeleuchtung zu wechseln, wie dies aus der DE 10 2008 009 975 B4 bekannt ist.
Bei der vorgenannten Ausführungsform ist die Beleuchtungseinrichtung zweckmäßigerweise für eine Beleuchtung der zu untersuchenden Oberflächenstelle sowohl aus Richtung des proximalseitigen Endes des Messkopfes als auch aus Richtung des distalseitigen Endes des Messkopfes ausgebildet, wie dies eine andere Weiterbildung vorsieht. Auf diese Weise ist die Homogenität der Beleuchtung verbessert. Unter dem distalseitigen Ende des Messkopfes wird das bezogen auf das Einführen des Messkopfes in eine Bohrung in Einführrichtung vordere Ende des Messkopfes verstanden, während unter dem proximalseitigen Ende das in Einführrichtung hintere Ende verstanden wird.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung ist die Beleuchtungseinrichtung für eine Beleuchtung entlang eines von der Abbildungsoptik erfassten ringförmigen Bandes an der Innenfläche der Bohrung ausgebildet.
Sofern im Kontext der Erfindung von „einer“ zu untersuchenden Oberflächenstelle an der Innenwandung der Bohrung die Rede ist, so ist dies auf die Axialrichtung der Bohrung bezogen, und es versteht sich von selbst, dass der Abbildungsvorgang entsprechend dem Grundprinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens, gleichzeitig ein ringförmiges Band an der Innenwandung der Bohrung zu erfassen und abzubilden, gleichzeitig für eine Vielzahl von Oberflächenstellen entlang des in Umfangsrichtung der Bohrung verlaufenden ringförmigen Bandes stattfindet.
Unter einer Bohrung wird im Kontext der Erfindung jedwede rotationssymmetrische oder im Wesentlichen rotationssymmetrische Ausnehmung in einem Werkstück verstanden, unabhängig davon, auf welchem Wege die Ausnehmung in das Werkstück eingebracht worden ist, beispielsweise durch Bohren oder mittels eines anderen spanenden Bearbeitungsverfahrens oder durch Einformen oder dergleichen. Unter einer im Wesentlichen rotationssymmetrischen Ausnehmung wird im Kontext der Erfindung verstanden, dass die Grundform der Ausnehmung rotationssymmetrisch ist, diese jedoch beispielsweise Nuten oder dergleichen enthalten kann. Unter einer rotationssymmetrischen Ausnehmung im Sinne der Erfindung werden naturgemäß auch Ausnehmungen verstanden, deren Grundform aufgrund von Anomalien von der Rotationssymmetrie abweicht.
Soweit im Kontext der Erfindung die Begriffe „axial“ bzw. „Axialrichtung“ verwendet werden, ist damit die Axialrichtung der Bohrung gemeint, die mit der durch die optische Achse der Abbildungsoptik definierten Axialrichtung der optischen Achse der Abbildungsoptik zusammenfällt.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert, in der stark schematisiert Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Bohrungsinspektionsvorrichtung dargestellt ist. Dabei bilden alle in der Beschreibung beschriebenen, in der Zeichnung dargestellten und in den Patentansprüchen beanspruchten Merkmale für sich genommen sowie in beliebiger geeigneter Kombination miteinander den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen und deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Beschreibung bzw. Darstellung in der Zeichnung. Zum Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung gehören auch Unterkombinationen des Anspruchs 1 und der Unteransprüche, bei denen einzelne oder mehrere Merkmale des jeweiligen Anspruchs weggelassen oder durch andere Merkmale ersetzt sind.
Es zeigt:

1 stark schematisiert als Illustrationsbeispiel eine Bohrungsinspektionsvorrichtung gemäß dem Stand der Technik
2 stark schematisiert eine Umsetzung eines mittels eines digitalen Bildaufnehmers der Vorrichtung gemäß 1 aufgenommenen Bildes in ein kartesisches Bild,
3 eine Prinzipdarstellung zur Verdeutlichung des Funktionsprinzips eines Stereotriangulationsverfahrens,
4 in zu 1 ähnlicher Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und
5 in gleicher Darstellung wie 4 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

In den verschiedenen Figuren der Zeichnung und den verschiedenen Illustrations- und Ausführungsbeispielen sind gleiche bzw. sich entsprechende Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Soweit in den Figuren der Zeichnung aus Darstellungs- bzw. Veranschaulichungsgründen Bauteile weggelassen sind, sind die betreffenden Bauteile jeweils in anderen Figuren sinnentsprechend zu ergänzen.
Es ist für den Fachmann ersichtlich, dass sowohl die Merkmale des Illustrationsbeispiels mit den Merkmalen der Ausführungsbeispiele als auch die Merkmale der Ausführungsbeispiele austauschbar bzw. kombinierbar sind, also die in Bezug auf ein Ausführungs- oder Illustrationsbeispiel offenbarten Merkmale identisch oder sinnentsprechend auch bei den anderen Ausführungsbeispielen vorgesehen sein können. Es ist für den Fachmann ferner ersichtlich, dass die zu den Ausführungsbeispielen jeweils offenbarten einzelnen Merkmale die Erfindung jeweils für sich genommen weiterbilden, also unabhängig von den weiteren Merkmalen des jeweiligen Ausführungsbeispiels.
In 1 ist eine Bohrungsinspektionsvorrichtung 2 gemäß dem Stand der Technik ( DE 10 2015 010 225 A1 ) zum Inspizieren einer Bohrung in einem Werkstück 6 dargestellt, die einen als in die zu inspizierende Bohrung 4 einführbares und in unterschiedliche axiale Positionen relativ zu der Bohrung 4 bewegbares Endoskop ausgebildeten Messkopf 8 aufweist, der eine optische Abbildungsanordnung 9 mit einer Abbildungsoptik 10 mit Rundumsicht zum Abbilden der Innenfläche der Bohrung 4 aufweist. Die Abbildungsoptik steht mit einem digitalen Bildaufnehmer 12 in Bildübertragungsverbindung.
Die Vorrichtung 2 weist ferner einen Speicher 14 zur Abspeicherung der in unterschiedlichen axialen Positionen des Messkopfes 8 aufgenommenen Bilder auf, wobei der Speicher 14 mit dem digitalen Bildaufnehmer 12 in Bildübertragungsverbindung steht.
Zur Auswertung der in dem Speicher 14 gespeicherten Bilder ist eine Auswertungseinrichtung 16 vorgesehen.
Um den Messkopf 8 in Axialrichtung der Bohrung 4 relativ zu derselben zu bewegen und den Messkopf 8 damit axial zu positionieren (Doppelpfeil 18), ist dem Messkopf 8 eine durch Steuerungseinrichtung 20 ansteuerbare Vorschubeinrichtung 22 vorgesehen.
Die Steuerungseinrichtung 20 steht mit der Auswertungseinrichtung 16 in Datenübertragungsverbindung und übermittelt der Auswertungseinrichtung 16 die jeweilige axiale Position des Messkopfes 8 zur Zuordnung der jeweiligen axialen Position des Messkopfes 8 zu einem in dieser Position aufgenommenen Bild.
Zur Beleuchtung eines von der Abbildungsoptik 10 erfassten Abbildungsbereiches an der Innenfläche der Bohrung 4 in Hell- und/oder Dunkelfeldbeleuchtung ist eine Beleuchtungseinrichtung 24 vorgesehen, die bei dem Ausführungsbeispiel eine ringförmige Lichtquelle, beispielsweise mit einer Mehrzahl von LEDs, aufweist. Hinsichtlich der Ausgestaltung der Beleuchtungseinrichtung wird auf die DE 10 2008 009 975 A1 und die DE 10 2009 019 459 A1 Bezug genommen, die hiermit durch Bezugnahme vollinhaltlich in die vorliegende Anmeldung aufgenommen werden.
Die Funktionsweise der Vorrichtung 2 ist wie folgt:
Zur Inspektion der Bohrung 4 wird der Messkopf 8 mit der Abbildungsoptik 10 in die Bohrung 4 eingeführt, wobei der Messkopf 8 mittels der Vorschubeinrichtung 22 in Richtung des Doppelpfeiles 18 axial positioniert wird.
Umlaufende Mantellinien an der Innenwandung der Bohrung 4 werden durch die Abbildungsoptik 10 mit Rundumsicht als Kreis auf den Bildaufnehmer 12 abgebildet.
In 2 ist die Sensorfläche symbolisch dargestellt und mit dem Bezugszeichen 26 bezeichnet. Mantellinien an unterschiedlichen Orten in z-Richtung des Bildaufnehmers 10 werden dabei unter unterschiedlichen Betrachtungswinkeln φ1 (phil) und φ2 (phi2) abgebildet.
In 1 sind symbolisch zwei Mantellinien mit den Bezugszeichen 28 und 30 bezeichnet. Den Betrachtungswinkelbereich (Beobachtungswinkelbereich) der Abbildungsoptik 10 begrenzende Randstrahlen sind in 1 mit den Bezugszeichen 32, 34 bezeichnet.
In 1 ist oben rechts dargestellt, dass in der dargestellten Stellung des Messkopfes 8 die Mantellinie 28 unter dem Betrachtungswinkel φ1 und die Mantellinie 30 unter dem Betrachtungswinkel φ2 betrachtet wird.
Um ein komplettes Bild der Innenfläche der Bohrung 4 zu erhalten, wird der Messkopf 8 relativ zu der Bohrung 4 axial bewegt, wobei in bestimmten Abständen Bilder aufgenommen werden. Das Kamerabild wird jeweils kreisförmig ausgelesen und durch Polarkoordinatentransformation zeilenweise in ein kartesisches Bild überführt, wobei die so aufgenommenen Bilder in dem Speicher 14 abgespeichert werden.
In 2 ist symbolisch dargestellt, wie auf die Sensorfläche 26 des Bildaufnehmers 12 abgebildete Mantellinien 32, 34 in kartesische Bilder 36, 38 umgesetzt werden.
Nachdem der Messkopf 8 in Axialrichtung soweit in die Bohrung 4 eingeführt worden ist, dass diese in ihrer gesamten axialen Tiefe erfasst ist, stellen die in dem Speicher 14 gespeicherten Bilder die Innenfläche der Bohrung 4 in ihrer Gesamtheit dar.
Es ist ersichtlich, dass während der axialen Bewegung des Messkopfes 8 jede Oberflächenstelle der Innenwandung der Bohrung 4 zeitlich aufeinanderfolgend und entsprechend der jeweiligen axialen Position des Messkopfes 8 unter unterschiedlichen Betrachtungswinkeln betrachtet und abgebildet wird. Zur Gewinnung von Oberflächentiefeninformation werden die bezogen auf die jeweilige Oberflächenstelle unter unterschiedlichen Betrachtungswinkeln aufgenommenen Bilder nach dem Stereotriangulationsverfahren ausgewertet.
Falls anhand der aufgenommenen Bilder eine Anomalie an der Innenwandung der Bohrung 4 festgestellt wird, so kann mittels der Oberflächentiefeninformation festgestellt werden, ob es sich um eine Vertiefung und damit um einen Oberflächenfehler oder aber um eine Erhebung handelt, die möglicherweise auf eine Verschmutzung einer ansonsten einwandfreien Oberfläche zurückzuführen ist.
Die Vorrichtung 2 ermöglicht es daher, Anomalien nicht nur zu detektieren, sondern auch zu klassifizieren.
Ein besonderer Vorteil der Vorrichtung 2 besteht darin, dass die Oberflächentiefeninformation aus den während eines Inspektionsdurchlaufes ohnehin aufgenommenen Bildern ermittelt wird. Die Gewinnung der Oberflächentiefeninformation erfordert daher keine Verlängerung der Inspektionsdauer.
3 dient zur erweiterten Erläuterung der grundsätzlichen Funktionsweise eines StereoTriangulationsverfahrens. Eine zu untersuchenden Oberflächenstelle X wird von zwei unterschiedlichen Positionen O und O’ aus beobachtet.
Die Beobachtung aus den unterschiedlichen Positionen O und O’ kann dabei grundsätzlich dadurch erfolgen, dass der Messkopf 8 bewegt wird, wie dies beim Gegenstand der DE 10 2015 010 225 A1 der Fall ist. Die Beobachtung aus den unterschiedlichen Positionen O, O’ jedoch erfindungsgemäß gleichzeitig, wie dies nachfolgend näher erläutert wird.
Korrespondierende Punkte der Oberflächenstelle X erscheinen unter x bzw. x’ im Fokus f. Mit dem Abstand B (Baseline/Basis) der Beobachtungspositionen lässt sich nun die Tiefe Z zu $Z = B * \frac{f}{x - x^{r}}$
berechnen. Dabei steigt die Tiefenauflösung mit Vergrößerung der Baseline an.
Wie aus 3 ersichtlich ist, lassen sich die Stereo-Eigenschaften der durchgeführten Abbildung auch unter Verwendung der Beobachtungswinkel phi1 und phi2 beschreiben. Die Beobachtungswinkel phi1 und phi2 sind auf eine Normale 40 zur in 3 durch eine gestrichelte Linie angedeuteten Innenwandung 4 der Bohrung bezogen, die einer Normalen zur optischen Achse 42 der Abbildungsoptik 10 (vgl. 1) entspricht.
Mit zunehmender Winkeldifferenz $Δ phi = phi2 - phi1$
steigt die Tiefenauflösung, und es können mehr Details an der Oberfläche der Innenwandung 4 erkannt werden.
Im Sinne einer Optimierung des erläuterten Stereoprinzips ist es vorteilhaft, wenn die Oberflächenstelle X gleichzeitig von beiden Positionen O und O’ beobachtet wird, wie dies erfindungsgemäß vorgesehen ist. Im Sinne der Optimierung ist es weiter vorteilhaft, wenn die Winkel phi1 und phi2 symmetrisch sind und unterschiedliche Vorzeichen haben und die Winkeldifferenz Δphi möglichst groß ist. Beispielsweise kann von einer Winkeldifferenz von mindestens 5 Grad ausgegangen werden.
Eine weiter Optimierung der Abbildungsqualität ist ferner dadurch möglich, dass die Innenwandung 4 im Bereich der Oberflächenstelle X möglichst homogen ausgeleuchtet wird, so dass die aufgenommenen Stereobilder zumindest annähernd gleich hell sind.
Im Sinne einer Optimierung ist es weiterhin vorteilhaft, wenn die aus den Beobachtungspositionen aufgenommenen Stereobilder eine gleiche oder zumindest ähnliche Tiefenschärfe haben.
Die Ausführungsbeispiele der Erfindung gemäß den 4 und 5 unterscheiden sich von dem Illustrationsbeispiel gemäß 1 dadurch, dass erfindungsgemäß jede zu untersuchende axiale Oberflächenstelle gleichzeitig unter wenigstens zwei Beobachtungswinkeln erfasst und abgebildet wird. Die Auswertung der aufgenommenen Stereobilder erfolgt, wie bei dem Illustrationsbeispiel gemäß 1 und in der DE 10 2015 010 225 A1 beschrieben, mittels des Stereotriangulationsverfahrens.
In 4 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 2 dargestellt, bei der erfindungsgemäß die optische Abbildungsanordnung 9 derart ausgebildet ist, dass eine zu untersuchende Oberflächenstelle X an der Innenwandung 4 der Bohrung gleichzeitig unter wenigstens zwei unterschiedlichen Beobachtungswinkeln phi1, phi2 von der Abbildungsoptik 10 erfasst wird.
Bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die optische Abbildungsanordnung 9 ein zu der optischen Achse 42 der Abbildungsoptik 10 rotationssymmetrisches lichtlenkendes optisches Element 44 auf, das bei diesem Ausführungsbeispiel durch einen Planspiegel gebildet ist, der an einer Frontlinse 46 der Abbildungsoptik 8 befestigt ist, wie dies für sich genommen aus der EP 2 589 953 A2 bekannt ist.
Das lichtlenkende optische Element 44 ist derart in dem Abbildungsstrahlengang angeordnet, dass der dem ersten Beobachtungswinkel phi1 zugeordnete erste optische Weg des Lichts direkt von der zu untersuchenden Oberflächenstelle X zu der Abbildungsoptik 10 verläuft. Dieser erste optische Weg ist in 4 mit dem Bezugszeichen 48 bezeichnet. Demgegenüber verläuft der dem zweiten Beobachtungswinkel phi2 zugeordnete zweite optische Weg des Lichts indirekt über das lichtlenkende Element 44 von der zu untersuchenden Oberflächenstelle X zu der Abbildungsoptik 10. Dieser zweite optische Weg ist in 4 mit dem Bezugszeichen 50 bezeichnet. Auf diese Weise ist eine zeitgleiche Beobachtung der zu untersuchenden Oberflächenstelle X unter den Beobachtungswinkeln phi1 und phi2 ermöglicht.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Beobachtungswinkel phi1 und phi2 bezogen auf die Normale 40 symmetrisch, also gleich groß. Das erfindungsgemäße Grundprinzip einer gleichzeitigen Beobachtung unter wenigstens zwei Beobachtungswinkeln ist jedoch auch dann umsetzbar, wenn die Beobachtungswinkel phi1 und phi2 nicht symmetrisch, also nicht gleich groß sind.
In der weiter oben näher erläuterten Weise ist erfindungsgemäß die Abbildungsqualität gegenüber der bekannten Vorrichtung noch weiter verbessert.
Um die Ausleuchtung der Innenwandung der Bohrung im Bereich der zu untersuchenden Oberflächenstelle weiter zu verbessern, ist die Beleuchtungseinrichtung 24 für eine Beleuchtung der zu untersuchenden Oberflächenstelle x sowohl aus Richtung des proximalseitigen Endes, also des in 1 und 4 oberen Endes des Messkopfes 8, als auch aus Richtung des distalseitigen Endes, also des in 1 bzw. 4 unteren Endes des Messkopfes 8 ausgebildet. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Beleuchtungsanordnung 24 hierzu ringförmig angeordnete bzw. abstrahlende Beleuchtungselemente auf, die beispielsweise durch Leuchtdioden gebildet sein können und von denen in 4 lediglich ein Beleuchtungselement mit dem Bezugszeichen 52 versehen ist.
Das Beleuchtungselement 52 strahlt einerseits direkt auf die Innenwandung der Bohrung 4 ab (Linien 54, 54' in 4, proximalseitige Beleuchtung). Andererseits strahlt das Beleuchtungselement auf ein zusätzliches lichtlenkendes bzw. lichtstreuendes Element ab (vgl. Linie 58 in 4), das bei diesem Ausführungsbeispiel durch einen Spiegel 56 gebildet ist, der an dem in Radialrichtung äußeren Rand des lichtlenkenden Elements 44 angeordnet ist. Der Spiegel 56 lenkt das Beleuchtungslicht auf die Innenwand der Bohrung 4 (Linien 60, 60 in 4, distalseitige Beleuchtung), so dass die Innenwand der Bohrung 4 im Bereich der zu untersuchenden Oberflächenstelle X, sowohl vom proximalseitigen Ende als auch vom distalseitigen Ende des Messkopfes 8 her beleuchtet wird. Bezogen auf ein vertikales Einführen des Messkopfes 8 in die Bohrung 4 wird die Oberflächenstelle X also sowohl von „oben“ (Linien 54, 54) als auch von „unten“ (Linien 60, 60) beleuchtet.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 ist die Längendifferenz zwischen dem ersten optischen Weg 48 und dem zweiten optischen Weg 50 bereits relativ gering.
Um die Weglängendifferenz weiter zu verringern, kann ein zusätzliches lichtlenkendes Element verwendet werden.
5 zeigt eine entsprechende Anordnung, bei der zusätzlich zu dem lichtlenkenden optischen Element 44 ein weiteres lichtlenkendes optisches Element 60 vorgesehen ist, das an einer Fassung 62 der Abbildungsoptik 8 befestigt und als zu der optischen Achse rotationssymmetrischer Planspiegel ausgebildet ist. Wie aus 5 ersichtlich ist, sind die Planspiegel 44, 60 zueinander parallel sowie in Axialrichtung der optischen Achse 42 zueinander beabstandet angeordnet.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 ist die Weglängendifferenz zwischen dem ersten optischen Weg 48 und dem zweiten optischen Weg 50 weiter verringert, so dass auf diese Weise die Abbildungseigenschaften in der oben bereits näher erläuterten Weise weiter verbessert sind.
Es versteht sich von selbst, dass im Sinne der Untersuchung einer im Wesentlichen rotationssymmetrischen Bohrung die in den 1, 4 und 5 dargestellten Anordnungen rotationssymmetrisch sind.
Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen sind die lichtlenkenden Elemente 44, 60 sowie das lichtlenkende Element 56 als optische Bauteile mit Planflächen dargestellt. Erfindungsgemäß sind jedoch auch beliebige andere (konkave oder konvexe) Freiformen denkbar.
Bei den Ausführungsbeispielen gemäß den 4 oder 5 sind die lichtlenkenden Elemente 44 bzw. 60 an der Abbildungsoptik 10 angeordnet. Andere Anordnungen, insbesondere an anderer Stelle des Messkopfes sowie unabhängig von dem Messkopf, sind erfindungsgemäß jedoch ebenfalls möglich.
Die Erfindung bietet gegenüber dem Stand der Technik weiter verbesserte Abbildungseigenschaften bei nur geringfügig höheren Herstellungskosten der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht eine hohe Messgenauigkeit und ist auch für messtechnisch schwierige Oberflächen besser geeignet. Außerdem ermöglicht die Erfindung eine Verbesserung der Beleuchtungseigenschaften.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2009/003692 [0003]
DE 4416493 A1 [0003]
DE 4320845 C1 [0003]
DE 3232904 C2 [0003]
US 2010/0048995 A1 [0004]
US 2014/0055982 A1 [0004]
DE 102004045808 A1 [0005]
DE 10131780 A1 [0006]
DE 102009019459 B4 [0007]
DE 102007031358 A1 [0008]
DE 102008009975 A1 [0008, 0046]
DE 102015010225 A1 [0009, 0014, 0028, 0041, 0061, 0068]
EP 2589953 A2 [0025, 0070]
DE 102008009975 B4 [0031]
DE 102009019459 A1 [0046]

Claims

Bohrungsinspektionsvorrichtung (2) zum Inspizieren einer Innenwandung einer Bohrung (4) in einem Werkstück (6), mit einem als in die zu inspizierende Bohrung (4) einführbares und in unterschiedliche Positionen relativ zu der Bohrung (4) bewegbares Endoskop ausgebildeten Messkopf (8), der eine optische Abbildungsanordnung (9) mit einer Abbildungsoptik (10) mit Rundumsicht zum Abbilden der Innenfläche der Bohrung (4) aufweist, wobei die Abbildungsoptik (10) mit einem digitalen Bildaufnehmer (12) in Bildübertragungsverbindung steht, mit einem Speicher (14) zur Abspeicherung der in unterschiedlichen axialen Positionen des Messkopfes (8) aufgenommenen Bilder und mit einer Auswertungseinrichtung (16) zur Auswertung der in dem Speicher abgespeicherten Bilder, wobei zur Gewinnung von Oberflächentiefeninformation der Innenfläche der Bohrung (4) die Auswertungseinrichtung (16) für eine Auswertung von bezogen auf die jeweilige Oberflächenstelle unter unterschiedlichen Beobachtungswinkeln der Abbildungsoptik (10) aufgenommenen Bildern mit einem 3D-Rekonstruktionsverfahren ausgebildet und eingerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Abbildungsanordnung (9) derart ausgebildet ist, dass eine zu untersuchende Oberflächstelle (X) an der Innenwandung der Bohrung (4) gleichzeitig unter wenigstens zwei unterschiedlichen Beobachtungswinkeln (phil, phi2) von der Abbildungsoptik (10) erfassbar ist oder erfasst wird.
Bohrungsinspektionsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Abbildungsanordnung (9) wenigstens ein lichtlenkendes optisches Element (44) aufweist, das derart im Abbildungsstrahlengang der optischen Abbildungsanordnung (9) angeordnet ist, dass eine zu untersuchende Oberflächenstelle (X) an der Innenwandung der Bohrung (4) gleichzeitig unter wenigstens zwei unterschiedlichen Beobachtungswinkeln (phil, phi2) von der Abbildungsoptik (10) erfassbar ist oder erfasst wird.
Bohrungsinspektionsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein lichtlenkendes optisches Element (44) derart in dem Abbildungsstrahlengang angeordnet ist, dass der einem ersten Beobachtungswinkel (phil) zugeordnete erste optische Weg (48) des Lichts direkt von der zu untersuchenden Oberflächenstelle (X) zu der Abbildungsoptik (10) und der einem zweiten Beobachtungswinkel (phi2) zugeordnete zweite optische Weg (50) des Lichts indirekt über das lichtlenkende Element (44) von der zu untersuchenden Oberflächenstelle (X) zu der Abbildungsoptik (10) verläuft.
Bohrungsinspektionsvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3 , dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein lichtlenkendes Element (44) derart im Abbildungsstrahlengang angeordnet ist, dass die Weglängen des ersten optischen Wegs (48) und des zweiten optischen Wegs (50) gleich oder annähernd gleich sind.
Bohrungsinspektionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein lichtlenkendes Element (44) derart im Abbildungsstrahlengang angeordnet ist, dass der erste Beobachtungswinkel (phi1) gleich oder annähernd gleich dem zweiten Beobachtungswinkel (phi2) ist.
Bohrungsinspektionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwei in Axialrichtung der optischen Achse (42) der Abbildungsoptik (10) zueinander beabstandete lichtlenkende optische Elemente (44, 60) vorgesehen sind, von denen ein erstes (44) dem ersten Beobachtungswinkel (phil) und ein zweites (60) dem zweiten Beobachtungswinkel (phi2) zugeordnet ist, derart, dass der dem ersten Beobachtungswinkel (phil) zugeordnete erste optische Weg (48) des Lichts von der zu untersuchenden Oberflächenstelle (X) indirekt über eines der lichtlenkenden optischen Elemente (60) zu der Abbildungsoptik (10) und der dem zweiten Beobachtungswinkel (phi2) zugeordnete zweite optische Weg (50) des Lichts indirekt über das andere lichtlenkende optische Element (60) von der zu untersuchenden Oberflächenstelle (X)zu der Abbildungsoptik (10) verläuft.
Bohrungsinspektionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein lichtlenkendes Element (44, 60) an der Abbildungsoptik (10) befestigt ist.
Bohrungsinspektionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein lichtlenkendes Element (44)an einer Frontlinse (46) der Abbildungsoptik (10) befestigt ist.
Bohrungsinspektionsvorrichtung nach einem der Ansprüche Anspruch 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein lichtlenkendes Element (44, 60) ein Spiegel ist.
Bohrungsinspektionsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Spiegel ein Planspiegel ist.
Bohrungsinspektionsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungseinrichtung (6) für eine Auswertung der bezogen auf eine Oberflächenstelle unter unterschiedlichen Beobachtungswinkeln (phil, phi2) aufgenommenen Bilder mit dem Stereotriangulationsverfahren ausgebildet und eingerichtet ist.
Bohrungsinspektionsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Messkopf (8) eine durch eine Steuerungseinrichtung (20) ansteuerbare Vorschubeinrichtung (22) zugeordnet ist.
Bohrungsinspektionsvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (20) der Auswertungseinrichtung (16) die jeweilige axiale Position des Messkopfes (8) repräsentierende Positionsdaten übermittelt zur Zuordnung der jeweiligen axialen Position des Messkopfes (8) zu einem in dieser Position aufgenommenen Bild.
Bohrungsinspektionsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Beleuchtungseinrichtung (24) zur Beleuchtung eines an von der Abbildungsoptik (10) erfassten Abbildungsbereiches an der Innenfläche der Bohrung (4) in Hell oder Dunkelfeldbeleuchtung.
Bohrungsinspektionsvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung für eine Beleuchtung der zu untersuchenden Oberflächenstelle sowohl aus Richtung des proximalseitigen Endes des Messkopfes (8) als auch aus Richtung des distalseitigen Endes des Messkopfes (8) ausgebildet ist.
Bohrungsinspektionsvorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung für eine Beleuchtung entlang eines von der Abbildungsoptik erfassten ringförmigen Bandes an der Innenfläche der Bohrung (4) ausgebildet ist.