DE10254104A1

DE10254104A1 - Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung des Durchmessers eines Loches in einem Werkstück sowie der Orientierung und der Position der Achse des Lochs

Info

Publication number: DE10254104A1
Application number: DE10254104A
Authority: DE
Inventors: Frank Brosette
Original assignee: Mycrona Gesellschaft fuer Innovative Messtechnik mbH
Current assignee: Mycrona Gesellschaft fuer Innovative Messtechnik mbH
Priority date: 2002-08-06
Filing date: 2002-11-20
Publication date: 2004-02-19
Anticipated expiration: 2022-11-21
Also published as: ATE541182T1; DE10254104B4

Abstract

Die Erfindung ermöglicht die Bestimmung des Durchmessers eine Lochs, insbesondere einer Bohrung, in einem Werkstück sowie der Orientierung und der Lage seiner Achse. Das Loch wird einseitig mit einem unter Druck stehenden Medium beaufschlagt, so daß ein Strahl des Mediums aus dem Loch austritt. Der Durchmesser des Lochs wird aus dem Durchmesser des Strahls, die Orientierung der Achse des Lochs aus der Orientierung des Strahls und die Lage der Achse der Bohrung aus der Position und Orientierung des Strahls bestimmt. Zur Erfassung des Strahls dient eine Kamera, welche eine zweidimensionale Abbildung des Strahls liefert. Auf diese Weise werden von zwei unterschiedlichen Standorten oder Richtungen jeweils ein scharfes 2-D-Bild des Strahls gewonnen. So lassen sich Durchmesser des Lochs sowie Orientierung und Lage seiner Achse bestimmen, wobei gemäß einer Variante der Umstand ausgenutzt wird, daß Tiefenschärfebereich des Objektivs begrenzt ist. Werkstück und Kamera können mittels eines Mehrkoordinatenmeßgerätes dreidimensional gegeneinander verfahrbar sein.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft Verfahren sowie Vorrichtungen zur Bestimmung des Durchmessers eines Lochs in einem Werkstück sowie zur Bestimmung der Orientierung und der Position der Achse des Lochs.

Stand der Technik

Aus der DE 196 11 613 A1 ist ein Verfahren zum Vermessung von Bohrungen mit Hilfe eines optoelektronischen Meßverfahrens bekannt. Die Lage und Geometrie der Bohrung wird z.B. mit Hilfe einer Kamera ermittelt, deren optische Achse mit der Achse der Bohrung fluchtet. Die Bohrung wird vermessen, indem die Kamera nacheinander auf die Einlaufkante, auf die Auslaufkante und bei Bedarf auch auf zwischen diesen liegende Bereiche der Innenwandung der Bohrung fokussiert wird. Zur Vermessung wird das Objekt, an welchem die zu vermessende Bohrung angebracht ist, über einen Aufnahmedorn in ein Spannfutter eingespannt. Dieses ist seinerseits auf einem verstellbaren Meßtisch angeordnet. Bevorzugt wird die Bohrung mittels eines Lichtleiters innen beleuchtet.

Aus der DE 100 09 946 A1 ist eine Vorrichtung zur Vermessung einer Bohrung eines Werkstücks mittels einer optoelektronischen Sensoreinrichtung bekannt. In der Nachbarschaft der Bohrung ist ein Spiegel plazierbar, welcher die optische Achse der optoelektronischen Sensoreinrichtung umlenkt. Die optoelektronische Sensoreinrichtung kann z.B. eine CCD-Kamera sein. Eine außerhalb des Werkstücks angeordnete Strahlenquelle senden ein Strahlenbündel aus, welches z.B. mittels eines Strahlteilers in die optische Achse der optoelektronischen Sensoreinrichtung eingebracht ist und auf den Spiegel gelenkt wird, von wo das Strahlenbündel auf die Bohrung fällt. Am Werkstück reflektierte Strahlung wird über den Spiegel in die Sensoreinrichtung gelenkt.

Bei Einspritzdüsen für Verbrennungsmotoren beträgt die Länge der Bohrung typischerweise z.B. ca. 1 mm, während der Durchmesser der Bohrung nur ca. 1/100 bis 1/10 dieses Wertes beträgt. Wenn daher die Kamera die von derselben abgewandte Kante der Bohrung beobachtet werden soll, so erfolgt die Beobachtung durch die Bohrung hindurch, wobei die Kamera auf die zu beobachtende Kante fokussiert wird. Wegen des im Verhältnis zur Länge der Bohrung kleinen Durchmessers derselben wirkt dabei die Bohrung als optische Blende bzw. als Kollimator, d.h. Licht kann die genannte Kante der Bohrung nur innerhalb eines sehr kleinen Raumwinkels in Richtung der Kamera verlassen, da die Bohrung selbst auf dieses Licht vignettierend, d.h. strahlverengend wirkt. Der überwiegende Teil des in die Kamera einfallenden Lichts stammt daher nicht von der zu beobachtenden Kante selbst, sondern von anderen Teilen der Einspritzdüse, welche außerhalb der Fokusebene der Kamera liegen. Die Folge davon ist, daß das von der Kamera gelieferte Bild der zu beobachtenden Kante kontrastarm, verwaschen und verschmiert ist, was eine Auswertung, insbesondere eine automatische Auswertung, erschwert oder sogar vereitelt und die erzielte Meßgenauigkeit verschlechtert. Dieses Problem verschärft sich mit abnehmendem Durchmesser und mit zunehmender Länge der Bohrung.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Durchmessers einer Bohrung in einem Werkstück sowie die Orientierung und die Lage der Achse der Bohrung sowie die Lage der Auslaufkante der Bohrung anzugeben, mit welchen die genannten Nachteile vermieden werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung des Durchmessers eines Lochs, insbesondere Aussparung oder Bohrung, in einem Werkstück, dadurch gekennzeichnet, daß das Loch einseitig mit einem unter Druck stehenden Medium beaufschlagt wird, so daß das Loch von dem Medium durchströmt wird und ein Strahl des Mediums nach Durchströmen des Lochs aus demselben austritt, wobei der Durchmesser des Lochs aus dem Durchmesser des Strahls bestimmt wird.

Die Aufgabe wird ferner erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung der Orientierung und der Lage der Achse eines Lochs, insbesondere Aussparung oder Bohrung, in einem Werkstück, auf welches Werkstück ein dreidimensionales Werkstück-Koordinatensystem bezogen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Loch einseitig mit einem unter Druck stehenden Medium beaufschlagt wird, so daß das Loch von dem Medium durchströmt wird und ein Strahl des Mediums nach Durchströmen des Lochs aus demselben austritt, wobei die Orientierung der Achse des Lochs im Werkstück-Koordinatensystem aus der Orientierung mindestens eines Abschnitts des Strahls im Werkstück-Koordinatensystem und/oder die Lage der Achse des Lochs im Werkstück-Koordinatensystem aus der Position mindestens eines Abschnitts des Strahls (4) im Werkstück-Koordinatensystem sowie aus der Orientierung mindestens eines Abschnitts des Strahls im Werkstück-Koordinatensystem bestimmt wird Die Aufgabe wird ferner erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zur Bestimmung des Durchmessers eines Lochs, insbesondere Aussparung oder Bohrung, in einem Werkstück, gekennzeichnet durch

– einen Druckerzeuger, insbesondere Hochdruckpumpe, welcher imstande ist, ein Medium unter Druck zu setzen und das Loch einseitig mit dem unter Druck stehenden Medium so zu beaufschlagen, daß das Loch von dem Medium durchströmt wird und ein Strahl des Mediums nach Durchströmen des Lochs aus derselben austritt, und
– eine Sensoreinrichtung, insbesondere CCD-Kamera, mit einem Objektiv, mittels welchem die Sensoreinrichtung eine zweidimensionale Abbildung zu liefern und in dieser mindestens einen Abschnitt des Strahls als Strahlbild scharf abzubilden imstande ist, und mit einem Sensor, insbesondere CCD-Matrix, welcher die zweidimensionale Abbildung zweidimensional aufgelöst zu erfassen imstande ist,

so daß der Durchmesser des Strahls mittels der Sensoreinrichtung aus dem Abbildungsmaßstab des Objektivs, der Breite des Strahlbildes sowie aus dem Abstand zwischen Sensoreinrichtung und dem scharf abgebildeten Abschnitt des Strahls bestimmbar und der Durchmesser des Lochs aus dem Durchmesser des Strahls bestimmbar ist.

Die Aufgabe wird des weiteren erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zur Bestimmung der Orientierung und der Position eines Lochs, insbesondere Aussparung oder Bohrung, in einem Werkstück, auf welches Werkstück ein dreidimensionales Werkstück-Koordinatensystem bezogen ist, gekennzeichnet durch einen Druckerzeuger, insbesondere Hochdruckpumpe, welcher imstande ist, ein Medium unter Druck zu setzen und das Loch einseitig mit dem unter Druck stehenden Medium so zu beaufschlagen, daß das Loch von dem Medium durchströmt wird und ein Strahl des Mediums nach Durchströmen des Lochs aus demselben austritt, und eine Sensoreinrichtung, insbesondere CCD-Kamera, auf welche ein dreidimensionales Sensor-Koordinatensystem bezogen ist, mit einem Objektiv, mittels welchem die Sensoreinrichtung eine zweidimensionale Abbildung zu liefern und in dieser Abbildung mindestens einen Abschnitt des Strahls als Strahlbild scharf abzubilden imstande ist, und mit einem Sensor, insbesondere CCD-Matrix, welcher die zweidimensionale Abbildung zweidimensional aufgelöst zu erfassen imstande ist.

Das Loch kann insbesondere eine zylindrische oder im wesentlichen zylindrische oder eine konische Bohrung sein.

Bevorzugt wird zur Erfassung des Strahls eine Sensoreinrichtung, insbesondere CCD-Kamera, verwendet, auf welche ein dreidimensionales Sensor-Koordinatensystem bezogen ist, wobei die Sensoreinrichtung eine optische Achse besitzt, deren Richtung, optische Achsenrichtung, im Sensor-Koordinatensystem bekannt ist, ein Objektiv besitzt, mittels welchem die Sensoreinrichtung eine zweidimensionale Abbildung liefert und in dieser mindestens einen Abschnitt des Strahls als Strahlbild scharf abzubilden imstande ist, und einen Sensor, insbesondere CCD-Matrix, besitzt, welcher die zweidimensionale Abbildung zweidimensional aufgelöst zu erfassen imstande ist, wobei auf die zweidimensionale Abbildung ein zweidimensionales Bild-Koordinatensystem bezogen ist, dessen Orientierung in Bezug auf das Sensor-Koordinatensystem bekannt ist oder gemessen wird.

Der Durchmesser des Strahls kann, nachdem die Sensoreinrichtung auf einen Abschnitt des Strahls gerichtet wurde, aus dem Abbildungsmaßstab des Objektivs, der Breite des Strahlbildes sowie aus dem Abstand zwischen Sensoreinrichtung und dem scharf abgebildeten Abschnitt des Strahls bestimmt werden. Bei bekanntem Abbildungsmaßstab des Objektives und bekanntem Abstand zwischen der Sensoreinrichtung und dem scharf abgebildeten Abschnitt des Strahls kann nämlich aus der Breite des Strahlbildes, d.h. seiner Ausdehnung senkrecht zur Achse des Strahlbildes sehr leicht die wahre Durchmesser des Strahls bestimmt werden. Unter der Annahme, daß der Strahldurchmesser gleich dem Durchmesser des Lochs ist, ist somit erfindungsgemäß der Durchmesser des Lochs bestimmt.

Das Loch braucht nicht notwendig zylindrisch zu sein; vielmehr kann das Loch z.B. einen konischen, elliptischen, polygonförmigen oder unregelmäßig geformten Querschnitt besitzen. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Lochdurchmesser in einer Richtung quer zur Blickrichtung der Sensoreinrichtung bestimmt werden; anschließend kann das Verfahren bei geänderter Blickrichtung der Sensoreinrichtung entsprechend wiederholt werden. Auf diese Weise kann der Durchmesser des Lochs in jeder beliebigen Richtung bestimmt werden.

Die Durchmesserbestimmung kann somit bei veränderter Relativorientierung zwischen Strahl und Sensoreinrichtung wiederholt werden. Beispielsweise kann das Werkstück bei unveränderter Position der Sensoreinrichtung um einen bestimmten Drehwinkel um die Achse des Strahls gedreht werden, so daß die Sensoreinrichtung den Strahl von einer anderen Seite sieht. Falls sich hierbei ein abweichender Durchmesser ergibt, zeigt die Abweichung eine Abweichung des Strahlquerschnitts und damit des Lochquerschnitts von der Kreisform an. Die Querschnittsform des Lochs kann durch mehrfache Wiederholung dieser Vorgehensweise für eine Mehrzahl von Drehwinkeln sehr genau ermittelt werden.

Ferner brauchen die durch die Einlaufkante des Lochs und die durch die Auslaufkante des Lochs aufgespannten Flächen nicht notwendig kongurent zu sein. Beispielsweise kann das Loch konusförmig ausgebildet sein. In diesem Fall kann vorteilhaft ein Gas als Medium verwendet werden, so daß sich der Strahl, je nachdem, ob sich das Loch von seiner Einlaufkante zu seiner Auslaufkante erweitert oder verengt, nach Durchströmen des Lochs konisch aufweitet oder nach Austritt aus dem Loch zunächst konisch verjüngt und nach Durchlaufen eines Überkreuzungspunktes wieder aufweitet. In diesen Fällen können aus dem Öffnungswinkel oder dem Verjüngungswinkel des Strahls, aus seinem Durchmesser an einer vorgegebenen Stelle und aus der Entfernung dieser Stelle von der Auslaufkante des Lochs der Konuswinkel des Lochs sowie der Durchmesser derjenigen Fläche bestimmt werden, welche durch die Auslaufkante des Lochs aufgespannt wird. Um nach Durchströmen des Lochs eine Störung der linearen Bewegung der Atome bzw. Moleküle des Strahls durch die umgebende Luft zu vermeiden, kann das Verfahren vorteilhaft im Vakuum durchgeführt werden.

Gemäß einer anderen Variante wird als Medium ein solches verwendet, welches sich vor Eintritt in das Loch, d.h. unter Druck, in flüssigem Zustand befindet und nach Austritt aus dem Loch, d.h. in entspanntem Zustand, in gasförmigem oder z.B. in einem aerosolartigen Zustand befindet.

Der Abstand zwischen Sensoreinrichtung und Strahl kann z.B. aus der Bildweite des Strahlbildes bestimmt werden. Dies ist möglich, weil die Bildweite des Strahlbildes, d.h. der Abstand zwischen Objektiv und Bildebene des Strahlbildes, bei unendlicher Entfernung des Strahls vom Objektiv gleich der Brennweite des Objektivs ist, bei Abnehmen dieser Entfernung jedoch zunimmt. Die Bildweite des Strahlbildes ist daher ein Maß für die genannte Entfernung. In der Praxis kann die Bestimmung der Bildweite z.B. dadurch erfolgen, daß das Objektiv auf den Strahl fokussiert wird und die Optik mit einer kalibrierten Entfernungsskala versehen ist, deren Maßzahl die Entfernung zwischen der Sensoreinrichtung und dem abgebildeten Objekt, d.h. dem Strahl angibt. Mit einem derartigen Einstellen des Objektivs auf eine bestimmte Entfernung ist eine Änderung der Bildweite verbunden, welche nicht explizit gemessen wird, aber selbstverständlich in der Kalibrierung der Skala zum Ausdruck kommt.

Gemäß einer anderen Variante der Erfindung wird der Abstand zwischen Sensoreinrichtung und Strahl mittels eines Laserabstandsmeßsystems bestimmt. Zu diesem Zweck weist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein Laserabstandsmeßsystem auf, mittels welchem die Entfernung zwischen der Sensoreinrichtung und dem Strahl meßbar ist.

Gemäß einer weiteren Variante wird als Sensoreinrichtung eine solche mit einem begrenzten Tiefenschärfebereich verwendet, welcher sich in einer vorgegebenen Entfernung von der Sensoreinrichtung befindet, und diese gegenüber dem Werkstück so angeordnet, daß sich die Sensoreinrichtung gegenüber dem Werkstück in einer ersten Relativposition und in einer ersten Relativorientierung befindet und ein Abschnitt des Strahls, erster Strahlabschnitt, im Tiefenschärfebereich liegt, wobei die Sensoreinrichtung als Abbildung ein erstes 2D-Bild liefert, auf welchem der erste Strahlabschnitt scharf als erstes Strahlbild abgebildet ist, so daß die Entfernung zwischen der Sensoreinrichtung und dem scharf abgebildeten ersten Strahlabschnitt durch den Abstand zwischen der Sensoreinrichtung und dem Tiefenschärfebereich gegeben ist. Daher gemäß einer Ausführungsform der Erfindung die Sensoreinrichtung eine solche mit einem begrenzten Tiefenschärfebereich.

Die Tiefe des Tiefenschärfebereichs geht hierbei selbstverständlich als Meßunsicherheit in die Entfernungsbestimmung ein; diese Meßunsicherheit läßt sich jedoch auf verschiedene Weisen sehr klein halten.

Eine Möglichkeit hierzu besteht darin, von vornherein ein Objektiv mit sehr kleinem Tiefenschärfebereich zu verwenden, was z.B. durch Verwendung eines Objektivs mit großem Öffnungsverhältnis erreicht werden kann.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, die optische Achse des Objektivs gegenüber dem Strahl so auszurichten, daß das Medium, welches den Strahl bildet, sich in einem schrägen Winkel von dem Objektiv entfernt, so daß sich ein Teil des abgebildeten Abschnitts Strahls vom Objektiv aus gesehen vor dem Tiefenschärfebereich, ein anderer Teil des abgebildeten Abschnitts des Strahls im Tiefenschärfebereich und ein weiterer Teil des abgebildeten Abschnitts des Strahls hinter dem Tiefenschärfebereich befindet. Nun kann das Zentrum des scharf abgebildeten Abschnitts des Strahls der Mitte des Tiefenschärfebereichs zugeordnet werden, so daß die genannte Meßunsicherheit wesentlich verringert ist.

Gemäß einer bevorzugten Variante der Erfindung werden

a) die erste Relativorientierung und die erste Relativposition gemessen,
b) ein Punkt auf der Längsachse des ersten Strahlbildes als Bezugspunkt, erster Bezugspunkt, gewählt,
c) die Koordinaten des ersten Bezugspunktes, erste 2D-Koordinaten, im Bild- Koordinatensystem gemessen, und
d) aus den so gewonnenen Meßergebnissen die Lage des ersten Bezugspunktes im Werkstück-Koordinatensystem bestimmt.

Falls die Orientierung des Strahls im Werkstück-Koordinatensystem bekannt ist, kann die Lage der Bohrung im Werkstück-Koordinatensystem aus dieser Orientierung sowie der Lage des ersten Bezugspunktes im Raum durch Extrapolation bestimmt werden.

Wenn die Lage von zwei Achsenpunkten des Strahls im Werkstück-Koordinatensystem bekannt ist, können die Orientierung und die Lage des Strahls im Werkstück-Koordinatensystem und damit auch die Orientierung und Lage der Achse Bohrung im Werkstück-Koordinatensystem bestimmt werden; hierbei wird von der Voraussetzung ausgegangen, daß die Krümmung des Strahls vernachlässigbar ist.

Daher wird gemäß einer bevorzugten Variante diese Vorgehensweise für einen anderen Bezugspunkt in entsprechender Weise nochmals ausgeführt. Hierzu wird die Sensoreinrichtung gegenüber dem Werkstück so angeordnet, daß sich die Sensoreinrichtung gegenüber dem Werkstück in einer zweiten Relativposition und in einer zweiten Relativorientierung befindet und ein zweiter Strahlabschnitt im Tiefenschärfebereich liegt, wobei die Sensoreinrichtung als Abbildung ein zweites 2D-Bild liefert, auf welchem der zweite Strahlabschnitt scharf als zweites Strahlbild abgebildet ist, so daß die Entfernung zwischen der Sensoreinrichtung und dem scharf abgebildeten zweiten Strahlabschnitt ebenfalls durch den Abstand zwischen Sensoreinrichtung Tiefenschärfebereich gegeben ist; es werden

a) die zweite Relativorientierung und die zweite Relativposition gemessen,
b) auf der Längsachse des zweiten Strahlbildes ein von dem ersten Bezugspunkt beabstandeter zweiter Bezugspunkt, gewählt,
c) die Koordinaten des zweiten Bezugspunktes, zweite 2D-Koordinaten, im Bild-Koordinatensystem gemessen,
d) aus den so gewonnenen Meßergebnissen die Lage des zweiten Bezugspunktes im Werkstück-Koordinatensystem bestimmt, und
e) aus der Lage des ersten und des zweiten Bezugspunktes im Werkstück- Koordinatensystem die Orientierung und Lage der Achse des Lochs im Werkstück-Koordinatensystem bestimmt.

Die Voraussetzung, daß die Krümmung des Strahls vernachlässigbar ist, kann leicht erfüllt werden, indem das Mediums mit hinreichendem Druck durch das Medium gepreßt wird und der erste und der zweite Bezugspunkt beide in relativ geringer Entfernung von dem Loch gewählt werden. Ein andere Möglichkeit, die Erfüllung der genannten Voraussetzung zu gewährleisten, besteht darin, das Werkstück so auszurichten, daß der Strahl im wesentlichen senkrecht nach unten austritt.

Die Orientierung des Strahls im Werkstück-Koordinatensystem kann auch aus der Richtung der Projektionen des Strahls auf mindestens zwei verschiedene Ebenen bestimmt werden. Gemäß einer Variante der Erfindung wird wie folgt vorgegangen:

a) die Sensoreinrichtung und das Werkstück werden relativ zueinander so angeordnet, daß sich die Sensoreinrichtung gegenüber dem Werkstück in einer dritten Relativposition und in einer dritten Relativorientierung befindet, wobei die Sensoreinrichtung als Abbildung ein drittes 2D-Bild liefert, auf welchem mindestens ein dritter Strahlabschnitt als drittes Strahlbild scharf abgebildet ist, und wobei die optische Achse der Sensoreinrichtung im Werkstück-Koordinatensystem in einer ersten Raumrichtung verläuft, welche durch die dritte Relativorientierung bestimmt ist,
b) die dritte Relativorientierung wird gemessen,
c) auf dem dritten 2D-Bild wird ein auf der Längsachse des dritten Strahlbildes gelegener dritter Bezugspunkt ausgewählt und dessen Koordinaten, im folgenden als dritte 2D-Koordinaten bezeichnet, im Bild-Koordinatensystem gemessen,
d) die Sensoreinrichtung und das Werkstück werden relativ zueinander so angeordnet, daß sich die Sensoreinrichtung gegenüber dem Werkstück in einer von der dritten Relativposition in axialer Richtung des Strahls beabstandeten vierten Relativposition, jedoch weiterhin in der dritten Relativorientierung befindet, wobei die Sensoreinrichtung als Abbildung ein viertes 2D-Bild liefert, auf welchem mindestens ein vierter Strahlabschnitt als viertes Strahlbild scharf abgebildet ist,
e) die Lage der vierten Relativposition wird in Bezug auf die dritte Relativposition gemessen,
f) auf dem vierten 2D-Bild wird ein auf der Längsachse des vierten Strahlbildes gelegener vierter Bezugspunkt ausgewählt und dessen Koordinaten, im folgenden als vierte 2D-Koordinaten bezeichnet, im Bild-Koordinatensystem gemessen, und
g) aus den so gewonnenen Meßergebnissen wird die Lage der Projektionen des dritten und des vierten Bezugspunktes (P3, P4) auf eine zur ersten Raumrichtung senkrechte Ebene und hieraus die Lage und Richtung der Projektion des Strahls (4) auf diese Ebene im Werkstück-Koordinatensystem (WKS) bestimmt.

Die Sensoreinrichtung kann zur Ausführung des Schrittes d) gegenüber dem Werkstück insbesondere dadurch in die vierte Relativposition gebracht werden, daß sie um einen bestimmten Weg in Richtung oder Gegenrichtung des Strahls verfahren wird, wobei die Orientierung der Sensoreinrichtung unverändert beibehalten wird.

Diese Vorgehensweise kann mit veränderten Werten für die dritte und vierte Relativposition sowie die dritte Relativorientierung erneut durchgeführt werden. Auf diese Weise erhält man eine Projektion des Strahls auf eine andere Ebene.

Gemäß einer Variante der Erfindung werden daher die Schritte a) bis g) mit jeweils veränderten Werten für die dritte und vierte Relativposition sowie die dritte Relativorientierung erneut durchgeführt und aus den so erhaltenden Ergebnissen die Lage und Orientierung des Strahls im Werkstück-Koordinatensystem und hieraus die Orientierung und Lage der Achse des Lochs im Werkstück-Koordinatensystem bestimmt werden. Dies ist möglich, da nun die Projektionen des Strahls auf zwei verschiedene Ebenen bekannt sind. Hierbei braucht die Entfernung zwischen Sensoreinrichtung und ihrem Tiefenschärfebereich zur Bestimmung der Orientierung und Lage des Strahls im Raum nicht herangezogen zu werden, d.h. diese Variante des Verfahrens ist auch ohne Kenntnis der genannten Entfernung durchführbar.

Gemäß einer anderen Variante der Erfindung wird zur Bestimmung einer Komponente der Orientierung des Strahls im Werkstück-Koordinatensystem wie folgt vorgegangen:

a) die Sensoreinrichtung und das Werkstück werden relativ zueinander so angeordnet, daß sich die Sensoreinrichtung gegenüber dem Werkstück in einer fünften Relativposition und in einer fünften Relativorientierung befindet, wobei die Sensoreinrichtung als Abbildung ein fünftes 2D-Bild liefert, auf welchem mindestens ein fünfter Strahlabschnitt als fünftes Strahlbild scharf abgebildet ist, und wobei die optische Achse der Sensoreinrichtung im Werkstück-Koordinatensystem in einer zweiten Raumrichtung verläuft, welche durch die fünfte Relativorientierung bestimmt ist,
b) die fünfte Relativorientierung wird gemessen,
c) auf dem fünften 2D-Bild werden ein fünfter und ein von diesem beabstandeter sechster Bezugspunkt gewählt, welche beide auf der Längsachse des fünften Strahlbildes liegen, d.h. der fünfte und der sechste Bezugspunkt werden beide aus derselben Abbildung, nämlich dem fünften 2D-Bild, ausgewählt,
d) die Koordinaten des fünften und des sechsten Bezugspunktes werden jeweils im Bild-Koordinatensystem gemessen,
e) aus den so gewonnenen Meßergebnissen wird die Lage der Projektionen des fünften und des sechsten Bezugspunktes auf eine zur zweiten Raumrichtung senkrechte Ebene und hieraus die Lage und Richtung der Projektion des Strahls auf diese Ebene im Werkstück-Koordinatensystem bestimmt.

Auch diese Vorgehensweise kann mit veränderten Werten für die fünfte Relativposition sowie die fünfte Relativorientierung erneut durchgeführt werden. Auf diese Weise erhält man eine Projektion des Strahls auf eine weitere Ebene.

Gemäß einer Variante werden daher die Schritte a) bis e) mit jeweils veränderten Werten für die fünfte Relativposition sowie die fünfte Relativorientierung erneut durchgeführt und aus den so erhaltenden Ergebnissen die Orientierung und Lage des Strahls im Werkstück-Koordinatensystem und hieraus die Orientierung und Lage der Achse des Lochs im Werkstück-Koordinatensystem bestimmt. Hierzu ist also eine Kenntnis der Entfernung zwischen Sensoreinrichtung und ihrem Tiefenschärfebereich ebenfalls nicht erforderlich.

Die Orientierung und Lage des Strahls lassen sich des weiteren auch durch eine Kombination der beiden letztgenannten Varianten bestimmen, falls die erste und die zweite Raumrichtung nicht identisch sind. Gemäß einer Variante der Erfindung werden daher die erste und die zweite Raumrichtung nicht parallel zueinander gewählt und aus der Lage und Richtung der Projektion des Strahls auf die zur ersten Raumrichtung senkrechte Ebene sowie aus der Lage und Richtung der Projektion des Strahls auf die zur zweiten Raumrichtung senkrechte Ebene, jeweils im Werkstück-Koordinatensystem, die Orientierung und Lage des Strahls im Werkstück-Koordinatensystem und hieraus die Orientierung und Lage der Achse des Lochs im Werkstück-Koordinatensystem bestimmt.

Gemäß einer bevorzugten Variante des Verfahrens wird

a) die erste oder zweite oder dritte oder vierte oder fünfte oder sechste Relativposition und/oder die erste oder zweite oder dritte oder fünfte Relativorientierung so gewählt, daß auf dem ersten bzw. zweiten bzw. dritten bzw. vierten bzw. fünften bzw. sechsten 2D-Bild ein Teil der Auslaufkante des Lochs als Kurve abgebildet ist,
b) der erste oder zweite oder dritte oder vierte oder fünfte oder sechste Bezugspunkt auf der Verbindungsgeraden der Enden mittig zwischen denselben gewählt, und
c) die Lage des Schnittpunktes der Achse des Strahls mit der Ebene der Auslaufkante im Werkstück-Koordinatensystem als identisch mit der Lage des ersten bzw. zweiten bzw. dritten bzw. vierten bzw. fünften bzw. sechsten Bezugspunktes im Werkstück-Koordinatensystem angenommen.

Gemäß dieser Variante wird also die Sensoreinrichtung auf den Strahlanfang und damit auf die Auslaufkante des Lochs selbst gerichtet. Der auf dem so erhaltenen 2D-Bild sichtbare Teil der Auslaufkante wird als Kurve abgebildet.

Aus der Lage der Enden der Kurve auf dem so erhaltenen 2D-Bild wird somit auf die Lage des Zentrums des Auslaufkante im geschlossen. Damit kann erfindungsgemäß neben dem Durchmesser der Bohrung und neben der Orientierung und Lage der Achse der Bohrung auch die Lage des Lochs selbst bestimmt werden. Das so erhaltene 2D-Bild kann an die Stelle des ersten, des zweiten, des dritte, des vierten oder des fünften 2D-Bildes treten. Ebenso kann der in der oben erläuterten Weise gewählte Bezugspunkt den ersten bzw. zweiten bzw. dritten bzw. vierten bzw. fünften bzw. sechsten Bezugspunkt, welche oben erläutert wurden, ersetzen. Dies bedeutet, die oben erläuterten Verfahren zur Bestimmung der Orientierung und Lage der Achse des Lochs können mit Hilfe der in Rede stehenden Variante so ergänzt werden, daß zusätzlich auch eine Bestimmung der Lage der Auslaufkante des Lochs im Werkstück-Koordinatensystem erfolgt.

Selbstverständlich kann die Relativposition zwischen Sensoreinrichtung und Werkstück als Spezialfall so gewählt werden, daß die Kurve eine Gerade ist. In diesem Fall decken sich die Verbindungsgerade und die Kurve auf dem 2D-Bild.

Unter der bereits oben erläuterten Voraussetzung, daß die z.B. schwerkraftbedingte Krümmung des Strahls vernachlässigbar ist, sind die Orientierung des Strahls und diejenige des Lochs identisch. Ferner kann unter dieser Voraussetzung die Lage des Lochs aus der Lage des Strahls im Raum und lineare Extrapolation der Strahlrichtung bestimmt werden. Mit Hilfe der ersten Relativposition kann die Flußrichtung des Strahls auf dem ersten 2D-Bild bestimmt werden, so daß die Extrapolation zu einem eindeutigen Ergebnis führt.

Die Sensoreinrichtung ist vorzugsweise eine CCD-Kamera, welche eine digitale Abbildung liefert und an eine EDV-Einrichtung angeschlossen ist. Die Lage und der Verlauf und die Schärfe des Bildes des Strahls können auf diese Weise mittels geeigneter Software, z.B. Kantenerkennung, automatisch erkannt werden.

Selbstverständlich brauchen die genannten Bezugspunkte nicht notwendigerweise jeweils auf den Längsachsen der Strahlbilder zu liegen, sondern können von diesen beabstandet sein; bei bekanntem Abstand des Bezugspunktes von der Längsachse kann nämlich jeweils die Lage des Fußpunktes des Lotes des ersten Bezugspunktes auf die Längsachse berechnet werden.

Gemäß einer bevorzugten Variante der Erfindung wird zur Positionierung des Werkstücks gegenüber der Sensoreinrichtung ein Mehrkoordinatenmeßgerät verwendet, an welchem das Werkstück angeordnet ist und mittels welchem dieses gegenüber der Sensoreinrichtung dreidimensional translatorisch verfahrbar ist. Zu diesem Zweck kann die erfindungsgemäße Vorrichtung Mehrkoordinatenmeßgerät aufweisen, mittels welchem das Werkstück gegenüber der Sensoreinrichtung dreidimensional translatorisch verfahrbar ist.

Alternativ dazu kann zur Positionierung der Sensoreinrichtung gegenüber dem Werkstück ein Mehrkoordinatenmeßgerät verwendet werden, an welchem die Sensoreinrichtung angeordnet ist und mittels welchem diese gegenüber dem Werkstück dreidimensional translatorisch verfahrbar ist. Zu diesem Zweck kann die erfindungsgemäße Vorrichtung ein Mehrkoordinatenmeßgerät aufweisen, mittels welchem die Sensoreinrichtung gegenüber dem Werkstück dreidimensional translatorisch verfahrbar ist.

Die Verwendung eines Mehrkoordinatenmeßgerätes erlaubt das Einstellen einer vorgegebenen Relativposition auf einfache und schnelle Weise. Das Mehrkoordinatenmeßgerät kann ferner mit Winkelaufnehmern ausgestattet sein, welche auch ein Einstellen einer vorgegebenen Relativorientierung erlauben.

Die Verwendung eines Mehrkoordinatenmeßgerätes erlaubt ferner eine vollständige Automatisierung des Verfahrens. Hierzu wird das Mehrkoordinatenmeßgerät mit der EDV-Einrichtung verbunden und mittels geeigneter Steuerungssoftware entsprechend den einzelnen Verfahrensschritten gesteuert.

Insbesondere kann das Werkstück gegenüber der Sensoreinrichtung so angeordnet und orientiert werden, daß der Strahl in derjenigen Ebene verläuft, welch durch die X-Achse und die Y-Achse des Sensor-Koordinatensystems aufgespannt wird. Vorzugsweise ist das letztere so gewählt, daß seine X-Achse und seine Y-Achse zugleich die Ebene des Bild-Koordinatensystems aufspannen, wobei die X-Achse in der horizontalen Richtung, die Y-Achse in der vertikalen Richtung des Bild-Koordinatensystems verlaufen. Die 2D-Koordinaten können in diesem Fall vorteilhafterweise ebenfalls auf die X- bzw. Y-Achse des Sensor-Koordinatensystems bezogen sein, da diese im genannten Fall mit der X- bzw. Y-Achse des Bild-Koordinatensystems zusammenfallen, so daß der mit der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verbundene Berechnungsaufwand reduziert wird.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Mehrkoordinatenmeßgerät eine X-, eine Y- und eine Z-Verfahrachse auf, wobei und das Werkstück gegenüber dem Mehrkoordinatenmeßgerät so angeordnet und orientiert ist, daß der Strahl in derjenigen Ebene verläuft, welch durch die X-Verfahrachse und die Y-Verfahrachse des Mehrkoordinatenmeßgerätes aufgespannt wird. Bevorzugt sind die X- und die Y-Achse des Sensor-Koordinatensystems so gewählt, daß sie zu der X- bzw. Y-Verfahrachse des Mehrkoordinatenmeßgerätes parallel verlaufen.

Als Medium kann eine Flüssigkeit oder ein Gas verwendet werden. In einer vorteilhaften Variante der Erfindung wird das Medium nach Durchströmen des Lochs aufgefangen und befindet sich in einem Kreislauf. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist daher die erfindungsgemäße Vorrichtung ein oben offenes Auffanggefäß auf, in dessen Inneres der Strahl gerichtet ist und welches mit dem Druckerzeuger so verbunden ist, daß das Medium nach Durchströmen des Lochs in das Auffanggefäß, von dort zum Druckerzeuger und von diesem wieder in das Loch gelangt, so daß sich das Medium in einem Kreislauf befindet. Auf diese Weise wird ein Verlust des Mediums nach Durchströmen des Lochs verhindert, was für die Wirtschaftlichkeit bzw. Umweltfreundlichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens vor allem dann bedeutsam ist, wenn ein teures Medium, z.B. eine Spezialflüssigkeit, bzw. ein umweltschädliches Medium, z.B. Öl, verwendet wird. Falls das Medium eine Flüssigkeit ist, z.B. Wasser, wird auf diese Weise eine Beregnung der Umgebung des Werkstücks durch den Strahl vermieden.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird die Flüssigkeit oder das Gas gegenüber der Umgebungstemperatur erwärmt und als Sensoreinrichtung eine solche verwendet, welche die Wärmestrahlung der Flüssigkeit bzw. des Gases zu erfassen imstande ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind daher die Flüssigkeit oder das Gas gegenüber der Umgebungstemperatur mittels einer Heizung erwärmbar, wobei die Sensoreinrichtung die Wärmestrahlung der Flüssigkeit bzw. des Gases zu erfassen imstande ist. Auf diese Weise kann ein sehr hoher Kontrast zwischen Strahlbild und Hintergrund erreicht werden, was vor allem dann vorteilhaft ist, wenn der Durchmesser der Bohrung sehr klein oder das Medium im sichtbaren Licht transparent ist, wie z.B. Wasser oder viele Gase.

Eine andere Möglichkeit, die Sichtbarkeit des Strahls zu verbessern, besteht darin, daß als Medium eine Flüssigkeit oder ein Gas verwendet wird, welcher bzw. welchem ein Farbstoff zugesetzt ist; dessen Farbe wird bevorzugt komplementär zur Farbe des Hintergrundes gewählt.

Eine weitere Möglichkeit, die Sichtbarkeit des Strahls zu verbessern, besteht darin, daß als Medium eine luminiszente Flüssigkeit oder ein luminiszentes Gas verwendet wird.

Das Werkstück kann ein Hohlkörper sein, welcher eine Mehrzahl von mit dem unter Druck stehenden Medium beaufschlagten Löchern bzw. Bohrungen aufweist, wobei zur Durchführung des Verfahrens alle bis auf eines der Löcher verstopft oder verschlossen werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Vorrichtung daher einen Sperrmechanismus auf, mittels welchem alle bis auf eines der Löcher verstopfbar oder verschließbar sind.

Gemäß einer Variante wird eine in die Flüssigkeit eintauchende Lichtquelle dazu benutzt, den Strahl unter Ausnutzung eines Lichtleitereffektes von innen zu beleuchten. Gemäß einer Ausführungsform weist daher die erfindungsgemäße Vorrichtung eine in die Flüssigkeit eintauchende Lichtquelle auf, welche den Strahl unter Ausnutzung eines Lichtleitereffektes von innen zu beleuchten imstande ist.

Die Erfindung eignet sich insbesondere sehr vorteilhaft dazu, bei der industriellen automatischen Massenproduktion von Werkstücken mit Bohrungen Fertigungsabweichungen in Lage, Orientierung und Durchmesser der Bohrung festzustellen. Gemäß einer bevorzugten Variante ist das Werkstück mittels einer Drehlagerung um eine Achse drehbar gehaltert. Insbesondere kann das Werkstück 1 eine Einspritzdüse für eine Verbrennungskraftmaschine sein und die Drehlagerung so eingerichtet sein, daß diese eine Drehung der Einspritzdüse um ihre Längsachse erlaubt, was ein Ausrichten des Strahls in eine bestimmte Richtung erleichtert.

Kurzbeschreibung der Zeichnung, in welcher zeigen:
1 eine perspektivische Darstellung eines Mehrkoordinatenmeßgerätes mit einer CCD-Kamera und einem Meßtisch, auf welchem ein Werkstück mit einer Bohrung angeordnet ist,
2 – 6 je ein von der CCD-Kamera von 1 geliefertes 2D-Bild, auf welchem jeweils ein Strahlbild abgebildet ist, und
7 ein von der CCD-Kamera von 1 geliefertes 2D-Bild, auf welchem ein Strahlbild und ein Teil der Auslaufkante der Bohrung abgebildet ist.
Alle 1 bis 7 beziehen sich auf bevorzugte Varianten der Erfindung. Im folgenden wird von der leicht erfüllbaren Voraussetzung ausgegangen, daß die Krümmung des Strahls für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vernachlässigbar ist.
1 zeigt in perspektivischer Darstellung eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Mehrkoordinatenmeßgerät 7, einem Druckerzeuger 11, welcher als Hochdruckpumpe 11 ausgebildet ist, einer CCD-Kamera 5 und einem Meßtisch 14, auf welchem ein Werkstück 1 mit einem Loch 2 angeordnet ist. Das Loch 2 ist im vorliegenden Beispiel eine im wesentlichen zylindrische oder konische Bohrung.
An dem Mehrkoordinatenmeßgerät 7 ist eine CCD-Kamera 5 mit einem Objektiv 6 starr angeordnet. Auf die CCD-Kamera 5 ist ein Sensor-Koordinatensystem SKS bezogen. Das Mehrkoordinatenmeßgerät 7 besitzt einen Meßtisch 14, an welchem eine Haltevorrichtung 8 angeordnet ist. An dieser ist eine Drehlagerung 9 angeordnet, welche zur drehbaren Halterung eines Werkstücks 1 dient, welches ein Hohlkörper ist und welches insbesondere eine Einspritzdüse für eine Verbrennungskraftmaschine sein kann. Das Werkstück 1 besitzt eine Längsachse, welche mit der Drehachse der Drehlagerung 9 zusammenfällt, so daß das Werkstück 1 mittels der Drehlagerung 9 um seiner Längsachse rotierbar ist. Auf das Werkstück ist ein Werkstück-Koordinatensystem WKS bezogen, dessen z-Achse mit der Längsachse des Werkstücks 1 zusammenfällt.
Das Werkstück 1 besitzt eine im wesentlichen zylindrische oder konische Bohrung 2. Der Übergang der Wandung der Bohrung in die Innenwandung des Werkstücks 1 ist durch eine im wesentlichen kreisförmige Einlaufkante gebildet, die die innere Mündung umläuft. Ebenso ist der Übergang der Wandung der Bohrung in die Außenwandung des Werkstücks 1 durch eine im wesentlichen kreisförmige Auslaufkante gebildet, welche die äußere Mündung der Bohrung 2 umläuft.
Mittels der Hochdruckpumpe 11 und einem Schlauch 11 wird eine Flüssigkeit mit Druck in das Innere des Werkstücks 1 gepumpt, so daß die Bohrung 2 einseitig, nämlich von ihrer inneren Mündung her, mit der unter Druck stehenden Flüssigkeit beaufschlagt ist. Die Folge davon ist, daß die Flüssigkeit die Bohrung 2 in Richtung von der Einlauf- zur Auslaufkante durchströmt und ein Strahl 4 der Flüssigkeit nach Durchströmen der Bohrung 2 aus derselben austritt. Dank der Anordnung des Werkstücks 1 auf der Drehlagerung 9 ist das Werkstück 1 um 360° um seine Längsachse rotierbar, so daß der Strahl 4 in eine Vielzahl von Richtungen lenkbar ist. Um eine ungewollte Rotation des Werkstücks 1 aufgrund der Rückstoßwirkung des Strahls 4 zu unterbinden, ist die Drehlagerung 9 mit einem nicht gezeigten Arretiermechanismus versehen.
Auf dem Meßtisch 14 ist ferner ein oben offenes Auffanggefäß 13 so angeordnet, daß der Strahl 4 in das Innere des Auffanggefäßes 13 gerichtet ist. Dort wird die Flüssigkeit 3 gesammelt und über einen weiteren Schlauch 12 an die Hochdruckpumpe 11 geführt, so daß sich die Flüssigkeit 3 in einem Kreislauf befindet. Die Förderrichtung der Hochdruckpumpe 11 ist in 1 durch einen nach oben gerichteten Pfeil markiert. Der Flüssigkeitsdruck im Inneren des Werkstücks ist so groß gewählt, daß die schwerkraftbedingte Krümmung des Strahls zwischen der Bohrung 2 und dem Auffanggefäß 13 vernachlässigbar ist. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Flüssigkeitsdruck in mehreren Stufen oder stufenlos einstellbar. Der Meßtisch 14 ist mittels eines nicht gezeigten Verstellmechanismus dreidimensional translatorisch so verfahrbar, daß der Strahl 4 in das Sehfeld der CCD-Kamera 5 verfahrbar ist. Diese ist imstande, eine Abschnitt des Strahls 4 scharf als Strahlbild abzubilden.
Die 2 bis 6 zeigen je ein von der CCD-Kamera von 1 geliefertes 2D-Bild, auf welchem jeweils ein Strahlbild abgebildet ist.
2 zeigt ein von der CCD-Kamera 5 von 1 geliefertes erstes 2D-Bild B1. Die CCD-Kamera 5 ist eine solche mit einem eng begrenzten Tiefenschärfebereich, welcher sich in einer vorgegebenen, bekannten Entfernung von der CCD-Kamera 5 befindet. Diese ist gegenüber dem in 1 nicht dargestellten Werkstück so angeordnet, daß sich die CCD-Kamera 5 gegenüber dem Werkstück in einer ersten Relativposition und in einer ersten Relativorientierung befindet. Die erste Relativposition und die erste Relativorientierung sind so gewählt, daß sich ein Abschnitt des Strahls, im folgenden als erster Strahlabschnitt bezeichnet, im Tiefenschärfebereich und im Sehfeld der CCD-Kamera 5 befindet. Diese liefert daher als Abbildung ein erstes 2D-Bild B1, auf welchem der erste Strahlabschnitt scharf als erstes Strahlbild SB1 abgebildet ist. Im Beispiel von 2 ist der gesamte auf dem Bild B1 abgebildete Abschnitt des Strahls scharf abgebildet; dies ist jedoch keine notwendige Voraussetzung zur Durchführung des Verfahrens. Die Entfernung zwischen der CCD-Kamera 5 und dem scharf abgebildeten ersten Strahlabschnitt ist durch den Abstand zwischen der Sensoreinrichtung 5 und dem Tiefenschärfebereich gegeben.
Die erste Relativorientierung und die erste Relativposition werden gemessen bzw. mit Hilfe des Mehrkoordinatenmeßgerätes abgelesen. Auf der Längsachse L1 des ersten Strahlbildes SB1 wird ein Punkt P1 als Bezugspunkt, im folgenden als erster Bezugspunkt P1 bezeichnet, gewählt. Dessen Koordinaten im Bild-Koordinatensystem BKS, im folgenden als erste 2D-Koordinaten bezeichnet, werden gemessen.
Auf die von der CCD-Kamera gelieferte Abbildung, im vorliegenden Beispiel das Bild B1, ist ein zweidimensionales Bild-Koordinatensystem BKS bezogen. Auf die CCD-Kamera ist ein dreidimensionales Sensor-Koordinatensystem SKS bezogen (1), welches vorzugsweise so gewählt ist, daß die X-Achse des Sensor-Koordinatensystem SKS mit der X-Achse des Bild-Koordinatensystems BKS und die Y-Achse des Sensor-Koordinatensystem SKS mit der Y-Achse des Bild-Koordinatensystems BKS zusammenfällt, wobei alle genannten Achsen dieselbe Skalierung aufweisen. Die Z-Koordinate des ersten Bezugspunktes P1 im Sensor-Koordinatensystem SKS ist in diesem Fall durch die bekannte Entfernung zwischen der CCD-Kamera und dem Tiefenschärfebereich gegeben.
Hierbei geht die Tiefe des Tiefenschärfebereichs als Meßunsicherheit in die Entfernungsbestimmung ein; diese Meßunsicherheit läßt sich jedoch sehr klein halten, indem von die CCD-Kamera mit einem Objektiv versehen wird, welches einen sehr kleinen Tiefenschärfebereich besitzt, oder indem die erste Relativorientierung so gewählt wird, daß sich ein Teil des abgebildeten Abschnitts Strahls vom Objektiv aus gesehen vor dem Tiefenschärfebereich, ein anderer Teil des abgebildeten Abschnitts des Strahls im Tiefenschärfebereich und ein weiterer Teil des abgebildeten Abschnitts des Strahls hinter dem Tiefenschärfebereich befindet, so daß das Zentrum des scharf abgebildeten Abschnitts des Strahls der Mitte des Tiefenschärfebereichs zugeordnet werden kann.
Aus den so gewonnenen Meßergebnissen kann nun die Lage des ersten Bezugspunktes P1 im Werkstück-Koordinatensystem WKS bestimmt werden, da aufgrund der bekannten ersten Relativposition und ersten Relativorientierung das Sensor-Koordinatensystem SKS in das Werkstück-Koordinatensystem WKS umgerechnet werden kann.
Selbstverständlich braucht der erste Bezugspunkt P1 nicht notwendigerweise auf der Längsachse L1 des ersten Strahlbildes SB1 zu liegen, sondern kann von dieser beabstandet sein; bei bekanntem Abstand des ersten Bezugspunktes von der Längsachse L1 kann nämlich die Lage des Fußpunktes des Lotes des ersten Bezugspunktes auf die Achse L1 berechnet werden.
Wenn die Lage von zwei Achsenpunkten des Strahls im Werkstück-Koordinatensystem WKS bekannt ist, können die Orientierung und die Lage des Strahls 4 im Werkstück-Koordinatensystem WKS und damit auch die Orientierung und Lage der Achse der Bohrung 2 im Werkstück-Koordinatensystem WKS bestimmt werden. Daher wird gemäß einer bevorzugten Variante die oben anhand von 2 erläuterte Vorgehensweise für einen anderen Bezugspunkt in entsprechender Weise wiederholt.
Die CCD-Kamera 5 wird hierzu gegenüber dem Werkstück 1 so angeordnet, daß sich die CCD-Kamera 5 gegenüber dem Werkstück 1 in einer zweiten Relativposition und in einer zweiten Relativorientierung befindet und ein zweiter Strahlabschnitt im Tiefenschärfebereich liegt, wobei die CCD-Kamera als Abbildung ein zweites 2D-Bild B2 liefert (3), auf welchem der zweite Strahlabschnitt scharf als zweites Strahlbild SB2 abgebildet ist.
Die Entfernung zwischen der CCD-Kamera 5 und dem scharf abgebildeten zweiten Strahlabschnitt ist ebenfalls durch den bekannten Abstand zwischen der CCD-Kamera und dem Tiefenschärfebereich gegeben. Die zweite Relativorientierung wird vorteilhaft identisch zur ersten Relativorientierung gewählt, d.h. die CCD-Kamera 5 wird beim Übergang von der ersten zur zweiten Relativposition nicht verschwenkt. Die zweite Relativposition wird gemessen.
Auf der Längsachse L2 des zweiten Strahlbildes SB2 wird ein von dem ersten Bezugspunkt P1 beabstandeter zweiter Bezugspunkt P2 gewählt. Die Koordinaten des zweiten Bezugspunktes P2, im folgenden als zweite 2D-Koordinaten bezeichnet, werden im Bild-Koordinatensystem BKS gemessen. Damit ist die Lage des zweiten Bezugspunktes P2 im Sensor-Koordinatensystem SKS bekannt; da auch die zweite Relativposition und die zweite Relativorientierung bekannt sind, kann die Lage des zweiten Bezugspunktes P2 in Bezugspunktes P2 auf das Werkstück-Koordinatensystem WKS umgerechnet werden.
Durch den ersten und den zweiten Bezugspunkt P1, P2 ist die Lage des Strahls 4 im Raum festgelegt. Aus der Lage des ersten und des zweiten Bezugspunktes P1, P2 im Werkstück-Koordinatensystem WKS folgen daher durch lineare Extrapolation sofort die Orientierung und Lage der Achse der Bohrung 2 im Werkstück-Koordinatensystem WKS.
Auch der Durchmesser des Strahls 4 geht aus den Strahlbildern SB1 und SB2 hervor. Der Durchmesser des Strahls 4 folgt nämlich aus der Brennweite des Objektivs 6, der Breite des ersten oder des zweiten Strahlbildes SB1, SB2, d.h. der Ausdehnung der Strahlbilder SB1, SB2 senkrecht zur Längsachse L1 bzw. L2, sowie aus dem Abstand zwischen CCD-Kamera und dem scharf abgebildeten Abschnitt des Strahls, d.h. aus dem Abstand zwischen CCD-Kamera und dem Tiefenschärfebereich.
Damit sind der Durchmesser, die Orientierung und die Lage der Bohrung 2 erfindungsgemäß in Bezug auf das Werkstück-Koordinatensystem WKS bestimmt.
Die Orientierung und die Lage des Strahls im Werkstück-Koordinatensystem können auch ohne Kenntnis des Abstandes zwischen CCD-Kamera und dem Tiefenschärfebereich bestimmt werden. Hierzu werden gemäß einer Variante der Erfindung die Lage und Richtung der Projektion des Strahls auf mindestens zwei verschiedene Ebenen bestimmt wie folgt.
Die CCD-Kamera 5 und das Werkstück 1 werden relativ zueinander so angeordnet, daß sich die CCD-Kamera 5 gegenüber dem Werkstück 1 in einer dritten Relativposition und in einer dritten Relativorientierung befindet und die CCD-Kamera als Abbildung ein drittes 2D-Bild B3 (4) liefert, auf welchem mindestens ein dritter Strahlabschnitt als drittes Strahlbild SB3 scharf abgebildet ist. Die optische Achse der CCD-Kamera 5, welche im vorliegenden Beispiel mit der Z-Achse des Sensor-Koordinatensystems SKS zusammenfällt, verläuft hierbei im Werkstück-Koordinatensystem WKS in einer ersten Raumrichtung, welche durch die dritte Relativorientierung bestimmt und daher bekannt ist. Nun wird die dritte Relativorientierung gemessen. Auf dem dritten 2D-Bild B3 wird ein auf der Längsachse L3 des dritten Strahlbildes SB3 gelegener dritter Bezugspunkt P3 ausgewählt (4) und dessen Koordinaten, im folgenden als dritte 2D-Koordinaten bezeichnet, im Bild-Koordinatensystem WKS gemessen.
Nun wird die CCD-Kamera 5 so gegenüber dem Werkstück 1 verschoben, daß sich die CCD-Kamera 5 gegenüber dem Werkstück 1 in einer von der dritten Relativposition in axialer Richtung des Strahls 4 beabstandeten vierten Relativposition befindet und die CCD-Kamera als Abbildung ein viertes 2D-Bild B4 (5) liefert, auf welchem mindestens ein vierter Strahlabschnitt als viertes Strahlbild SB4 scharf abgebildet ist. Die vierte Relativorientierung wird identisch zur dritten Relativorientierung gewählt, d.h. die CCD-Kamera 5 wird beim Übergang von der dritten zur vierten Relativposition nicht verschwenkt.
Die Lage der vierten Relativposition wird in Bezug auf die dritte Relativposition gemessen, d.h. es wird der Lageunterschied zwischen der dritten und der vierten Relativposition bestimmt. Auf dem vierten 2D-Bild B4 wird ein auf der Längsachse L4 des vierten Strahlbildes SB4 gelegener vierter Bezugspunkt P4 ausgewählt (5) und dessen Koordinaten, im folgenden als vierte 2D-Koordinaten bezeichnet, im Bild-Koordinatensystem BKS gemessen.
Aus den so gewonnenen Meßergebnissen wird die Lage der Projektionen des dritten und des vierten Bezugspunktes P3, P4 auf eine zur ersten Raumrichtung senkrechte Ebene und hieraus die Lage und Richtung der Projektion des Strahls 4 auf diese Ebene im Werkstück-Koordinatensystem WKS bestimmt.
Diese Ergebnisse reichen zur Bestimmung der räumlichen Lage und der dreidimensionalen Orientierung des Strahls 4 noch nicht aus. Die oben unter Bezug auf 4 und 5 erläuterte Vorgehensweise wird daher mit jeweils veränderten Werten für die dritte und vierte Relativposition sowie die dritte Relativorientierung in entsprechender Weise erneut durchgeführt, wobei wiederum je Bezugspunkt auf der Achse jedes der so gewonnenen Strahlbilder ausgewählt wird; diese neuen Bezugspunkte werden in der Regel mit den Bezugspunkten P3 bzw. P4 selbstverständlich nicht zusammenfallen.
Auf diese Weise erhält man eine Projektion des Strahls 4 auf eine andere Ebene. Da nun die Projektionen des Strahls auf zwei verschiedene Ebenen bekannt sind, können die Orientierung und die Lage des Strahls im Werkstück-Koordinatensystem berechnet und hieraus die Lage und Orientierung der Achse der Bohrung 2 im Werkstück-Koordinatensystem (WKS) bestimmt werden. Hierzu braucht die Entfernung zwischen der CCD-Kamera 5 und ihrem Tiefenschärfebereich zur Bestimmung der Orientierung und Lage des Strahls 4 im Raum nicht herangezogen zu werden, d.h. diese Variante des Verfahrens ist auch ohne Kenntnis der genannten Entfernung durchführbar.
Gemäß einer anderen Variante der Erfindung, welche ebenfalls ohne Kenntnis des Abstandes zwischen CCD-Kamera und dem Tiefenschärfebereich durchführbar ist, werden die Orientierung und die Lage des Strahls im Werkstück-Koordinatensystem bestimmt wie folgt:
Zunächst wird die CCD-Kamera 5 gegenüber dem Werkstück 1 in einer fünften Relativposition und in einer fünften Relativorientierung so angeordnet, daß die CCD-Kamera 5 als Abbildung ein fünftes 2D-Bild B5 liefert, 6, auf welchem mindestens fünfter Strahlabschnitt als fünftes Strahlbild SB5 scharf abgebildet ist. Die optische Achse der CCD-Kamera 5 verläuft in diesem Fall im Werkstück-Koordinatensystem in einer zweiten Raumrichtung, welche durch die fünfte Relativorientierung bestimmt und daher bekannt ist. Die fünfte Relativorientierung wird gemessen. Die fünfte Relativposition braucht nicht gemessen zu werden.
Auf dem fünften 2D-Bild B5 werden ein fünfter und ein von diesem beabstandeter sechster Bezugspunkt P5, P6 gewählt, welche beide auf der Längsachse L5 des fünften Strahlbildes SB5 liegen (6). Die Koordinaten des fünften und des sechsten Bezugspunktes P5, P6 werden jeweils im Bild-Koordinatensystem BKS gemessen.
Aus den so gewonnenen Meßergebnissen wird die Lage der Projektionen des fünften und des sechsten Bezugspunktes P5, P6 auf eine zur zweiten Raumrichtung senkrechte Ebene und hieraus die Lage und Richtung der Projektion des Strahls 4 auf diese Ebene im Werkstück-Koordinatensystem WKS bestimmt, was zur Bestimmung der räumlichen Lage und der dreidimensionalen Orientierung des Strahls 4 nicht ausreicht.
Die oben unter Bezug auf 6 erläuterte Vorgehensweise wird daher mit jeweils veränderten Werten für die fünfte Relativposition sowie die fünfte Relativorientierung in entsprechender Weise erneut durchgeführt, wobei wiederum zwei Bezugspunkte auf der Achse des der so gewonnenen Strahlbildes ausgewählt werden; diese neuen Bezugspunkte werden in der Regel mit den Bezugspunkten P5 bzw. P6 selbstverständlich nicht zusammenfallen.
Auf diese Weise erhält man eine Projektion des Strahls 4 auf eine andere Ebene, so daß nun die Orientierung und die Lage des Strahls 4 im Werkstück-Koordinatensystem WKS und hieraus die Lage und Orientierung der Achse der Bohrung 2 im Werkstück-Koordinatensystem WKS bestimmt werden können, ohne daß die Entfernung zwischen CCD-Kamera 5 und ihrem Tiefenschärfebereich bekannt zu sein braucht.
Selbstverständlich können die beiden letztgenannten Varianten so miteinander kombiniert werden, daß die Lage und Richtung der Projektion des Strahls 4 auf eine Ebene gemäß der einen Variante und die Lage und Richtung der Projektion des Strahls 4 auf andere Ebene gemäß der einen Variante bestimmt werden und die räumliche Orientierung und Lage des Strahls durch Kombination der so erhaltenen Ergebnisse bestimmt werden, wobei die Lage und Orientierung der Achse der Bohrung wiederum aus der Lage und Orientierung des Strahls folgen.
Eine bevorzugte Variante des Verfahrens wird im folgenden unter Bezug auf 7 erläutert. Gemäß diese Variante werden z.B. die dritte Relativposition und die dritte Relativorientierung so gewählt, daß man anstelle des dritten 2D-Bildes B3 von 4 ein 2D-Bild B3' (7) erhält, auf welchem ein Teil der Auslaufkante der Bohrung 2 als Kurve 15' abgebildet ist. Gemäß dieser Variante wird also die Sensoreinrichtung auf den Strahlanfang und damit auf die Auslaufkante der Bohrung 2 selbst gerichtet. Anstelle des dritten Bezugspunktes P3 von 4 wird auf dem Bild B3' ein Bezugspunkt P3' gewählt, welcher mittig auf der Verbindungsgeraden 15c' der Enden 15a', 15b' liegt. Die Lage des Schnittpunktes der Achse des Strahls 4 mit der Ebene der Auslaufkante im Werkstück-Koordinatensystem WKS wird nun als identisch mit der Lage des Bezugspunktes P3' im Werkstück-Koordinatensystem WKS angenommen.
Aus der Lage der Enden der Kurve 15' auf dem 2D-Bild B3' wird somit auf die Lage des Zentrums des Auslaufkante geschlossen. Damit kann erfindungsgemäß neben dem Durchmesser der Bohrung 2 und neben der Orientierung und Lage der Achse der Bohrung 2 auch die Lage der Bohrung 2 selbst bestimmt werden. Selbstverständlich kann die Relativposition zwischen CCD-Kamera 5 und Werkstück 1 als Spezialfall so gewählt werden, daß die Kurve 15' eine Gerade ist. In diesem Fall decken sich die Verbindungsgerade 15c' und die Kurve 15' auf dem Bild B'.
Das Bild B' an die Stelle jedes der Bilder B1 bis B5 (1 bis 5) treten. Ebenso kann der auf dem Bild B' in der oben erläuterten Weise gewählte Bezugspunkt P' jeden der Bezugspunkte P1 bis P6 ersetzen. Dies bedeutet, die oben unter Bezug auf 2 bis 6 erläuterten Verfahren zur Bestimmung der Orientierung und Lage der Achse der Bohrung 2 können mit Hilfe der unter Bezug auf 7 erläuterten Variante so ergänzt werden, daß zusätzlich auch eine Bestimmung der Lage der Auslaufkante der Bohrung 2 im Werkstück-Koordinatensystem WKS erfolgt.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Die Erfindung ist gewerblich anwendbar z.B. im Bereich der Herstellung von Einspritzdüsen für Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere Motoren oder Turbinen.

1: Werkstück
2: zylindrische Bohrung in 1
3: Medium
4: Strahl von 3
5: CCD-Kamera
6: Objektiv von 5
7: Mehrkoordinatenmeßgerät
8: Haltevorrichtung
9: Drehlagerung
10, 12: Schläuche
11: Hochdruckpumpe
13: Auffanggefäß
14: Meßtisch
15': Kurve
15a', 15b': Endpunkte von 15'
15c': Verbindungsgerade zwischen 15a' und 15b'
BKS: Bild-Koordinatensystem
B', B1–B6: 2D-Bilder
L': Längsachse von SB'
L1–L6: Längsachsen von SB1–SB6
P', P1–P6: Bezugspunkte
SB': Strahlbild in B'
SB1–SB6: Strahlbilder in B1–B6
SKS: Sensor-Koordinatensystem
WKS: Werkstück-Koordinatensystem

Claims

Verfahren zur Bestimmung des Durchmessers eines Lochs (2), insbesondere Aussparung oder Bohrung (2), in einem Werkstück (1), dadurch gekennzeichnet, daß das Loch (2) einseitig mit einem unter Druck stehenden Medium (3) beaufschlagt wird, so daß das Loch (2) von dem Medium (3) durchströmt wird und ein Strahl (4) des Mediums (3) nach Durchströmen des Lochs (2) aus demselben austritt, wobei der Durchmesser des Lochs (2) aus dem Durchmesser des Strahls (4) bestimmt wird.
Verfahren zur Bestimmung der Orientierung und der Lage der Achse eines Lochs (2), insbesondere Aussparung oder Bohrung (2), in einem Werkstück (1), auf welches Werkstück (1) ein dreidimensionales Werkstück-Koordinatensystem (WKS) bezogen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Loch (2) einseitig mit einem unter Druck stehenden Medium (3) beaufschlagt wird, so daß das Loch (2) von dem Medium (3) durchströmt wird und ein Strahl (4) des Mediums (3) nach Durchströmen des Lochs (2) aus demselben austritt, wobei die Orientierung der Achse des Lochs (2) im Werkstück-Koordinatensystem (WKS) aus der Orientierung mindestens eines Abschnitts des Strahls (4) im Werkstück-Koordinatensystem (WKS) und/oder die Lage der Achse des Lochs (2) im Werkstück-Koordinatensystem (WKS) aus der Position mindestens eines Abschnitts des Strahls (4) im Werkstück-Koordinatensystem (WKS) sowie aus der Orientierung mindestens eines Abschnitts des Strahls (4) im Werkstück-Koordinatensystem (WKS) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung des Strahls (4) eine Sensoreinrichtung (5), insbesondere CCD-Kamera (5), verwendet wird, auf welche ein dreidimensionales Sensor-Koordinatensystem (SKS) bezogen ist, wobei die Sensoreinrichtung (5) eine optische Achse besitzt, deren Richtung, optische Achsenrichtung, im Sensor-Koordinatensystem (SKS) bekannt ist, und ein Objektiv (6) besitzt, mittels welchem die Sensoreinrichtung (5) eine zweidimensionale Abbildung (B', B1, B2, B3, B4, B5) liefert und in dieser mindestens einen Abschnitt des Strahls (4) als Strahlbild (SB1, SB2, SB3, SB4, SB5) scharf abzubilden imstande ist, und einen Sensor, insbesondere CCD-Matrix, besitzt, welcher die zweidimensionale Abbildung (B', B1, B2, B3, B4, B5) zweidimensional aufgelöst zu erfassen imstande ist, wobei auf die zweidimensionale Abbildung (B', B1, B2, B3, B4, B5) ein zweidimensionales Bild-Koordinatensystem (BKS) bezogen ist, dessen Orientierung in Bezug auf das Sensor-Koordinatensystem (SKS) bekannt ist oder gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinrichtung (5) auf einen Abschnitt des Strahls (4) gerichtet wird und der Durchmesser des Strahls (4) aus dem Abbildungsmaßstab des Objektivs (6), der Breite des Strahlbildes (SB', SB1, SB2, SB3, SB4, SB5) sowie aus dem Abstand zwischen Sensoreinrichtung (5) und dem scharf abgebildeten Abschnitt des Strahls (4) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen Sensoreinrichtung (5) und Strahl (4) aus der Bildweite des Strahlbildes (SB', SB1, SB2, SB3, SB4, SB5) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen Sensoreinrichtung (5) und Strahl (4) mittels eines Laserabstandsmeßsystems bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Sensoreinrichtung (5) eine solche mit einem begrenzten Tiefenschärfebereich verwendet wird, welcher sich in einer vorgegebenen Entfernung von der Sensoreinrichtung (5) befindet, und diese gegenüber dem Werkstück (1) so angeordnet wird, daß sich die Sensoreinrichtung (5) gegenüber dem Werkstück (1) in einer ersten Relativposition und in einer ersten Relativorientierung befindet und ein Abschnitt des Strahls, erster Strahlabschnitt, im Tiefenschärfebereich liegt, wobei die Sensoreinrichtung (5) als Abbildung ein erstes 2D-Bild (B1) liefert, auf welchem der erste Strahlabschnitt scharf als erstes Strahlbild (SB1) abgebildet ist, so daß die Entfernung zwischen der Sensoreinrichtung (5) und dem scharf abgebildeten ersten Strahlabschnitt durch den Abstand zwischen der Sensoreinrichtung (5) und dem Tiefenschärfebereich gegeben ist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß a) die erste Relativorientierung und erste Relativposition gemessen werden, b) ein Punkt (P1) auf der Längsachse (L1) des ersten Strahlbildes (SB1) als Bezugspunkt, erster Bezugspunkt (P1), gewählt wird, c) die Koordinaten des ersten Bezugspunktes (P1), erste 2D-Koordinaten, im Bild-Koordinatensystem (BKS) gemessen werden, und d) aus den so gewonnenen Meßergebnissen die Lage des ersten Bezugspunktes (P1) im Werkstück-Koordinatensystem (WKS) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinrichtung (5) gegenüber dem Werkstück (1) so angeordnet wird, daß sich die Sensoreinrichtung (5) gegenüber dem Werkstück (1) in einer zweiten Relativposition und in einer zweiten Relativorientierung befindet und ein zweiter Strahlabschnitt im Tiefenschärfebereich liegt, wobei die Sensoreinrichtung (5) als Abbildung ein zweites 2D-Bild (B2) liefert, auf welchem der zweite Strahlabschnitt scharf als zweites Strahlbild (SB2) abgebildet ist, so daß die Entfernung zwischen der Sensoreinrichtung (5) und dem scharf abgebildeten zweiten Strahlabschnitt ebenfalls durch den Abstand zwischen der Sensoreinrichtung (5) und dem Tiefenschärfebereich gegeben ist, und a) die zweite Relativorientierung und die zweite Relativposition gemessen werden, b) auf der Längsachse (L2) des zweiten Strahlbildes (SB2) ein von dem ersten Bezugspunkt (P1) beabstandeter zweiter Bezugspunkt (P2) gewählt wird, c) die Koordinaten des zweiten Bezugspunktes (P2), zweite 2D-Koordinaten, im Bild-Koordinatensystem (BKS) gemessen werden, d) aus den so gewonnenen Meßergebnissen die Lage des zweiten Bezugspunktes (P2) im Werkstück-Koordinatensystem (WKS) bestimmt wird, und e) aus der Lage des ersten und des zweiten Bezugspunktes (P1, P2) im Werkstück-Koordinatensystem (WKS) die Orientierung und Lage der Achse des Lochs (2) im Werkstück-Koordinatensystem (WKS) bestimmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 9, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) die Sensoreinrichtung (5) und das Werkstück (1) werden relativ zueinander so angeordnet, daß sich die Sensoreinrichtung (5) gegenüber dem Werkstück (1) in einer dritten Relativposition und in einer dritten Relativorientierung befindet, wobei die Sensoreinrichtung (5) als Abbildung ein drittes 2D-Bild (B3) liefert, auf welchem mindestens ein dritter Strahlabschnitt als drittes Strahlbild (SB3) scharf abgebildet ist, und wobei die optische Achse der Sensoreinrichtung im Werkstück-Koordinatensystem (WKS) in einer ersten Raumrichtung verläuft, welche durch die dritte Relativorientierung bestimmt ist, b) die dritte Relativorientierung wird gemessen c) auf dem dritten 2D-Bild (B3) wird ein auf der Längsachse (L3) des dritten Strahlbildes (SB3) gelegener dritter Bezugspunkt (P3) ausgewählt und dessen Koordinaten, dritte 2D-Koordinaten, im Bild-Koordinatensystem (BKS) gemessen, d) die Sensoreinrichtung (5) und das Werkstück (1) werden relativ zueinander so angeordnet, daß sich die Sensoreinrichtung (5) gegenüber dem Werkstück (1) in einer von der dritten Relativposition in axialer Richtung des Strahls (4) beabstandeten vierten Relativposition, jedoch weiterhin in der dritten Relativorientierung befindet, wobei die Sensoreinrichtung (5) als Abbildung ein viertes 2D-Bild (B4) liefert, auf welchem mindestens ein vierter Strahlabschnitt als viertes Strahlbild (SB4) scharf abgebildet ist, e) die Lage der vierten Relativposition wird in Bezug auf die dritte Relativposition gemessen, f) auf dem vierten 2D-Bild (B4) wird ein auf der Längsachse (L4) des vierten Strahlbildes (SB4) gelegener vierter Bezugspunkt (P4) ausgewählt und dessen Koordinaten, vierte 2D-Koordinaten, im Bild-Koordinatensystem (BKS) gemessen, g) aus den so gewonnenen Meßergebnissen wird die Lage der Projektionen des dritten und des vierten Bezugspunktes (P3, P4) auf eine zur ersten Raumrichtung senkrechte Ebene und hieraus die Lage und Richtung der Projektion des Strahls (4) auf diese Ebene im Werkstück-Koordinatensystem (WKS) bestimmt.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schritte a) bis g) mit jeweils veränderten Werten für die dritte und vierte Relativposition sowie die dritte Relativorientierung erneut durchgeführt werden und aus den so erhaltenden Ergebnissen die Lage und Orientierung des Strahls (4) im Werkstück-Koordinatensystem (WKS) und hieraus die Orientierung und Lage der Achse des Lochs (2) im Werkstück-Koordinatensystem (WKS) bestimmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 9, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) die Sensoreinrichtung (5) und das Werkstück (1) werden relativ zueinander so angeordnet, daß sich die Sensoreinrichtung (5) gegenüber dem Werkstück (1) in einer fünften Relativposition und in einer fünften Relativorientierung befindet, wobei die Sensoreinrichtung (5) als Abbildung ein fünftes 2D-Bild (B5) liefert, auf welchem mindestens ein fünfter Strahlabschnitt als fünftes Strahlbild (SB5) scharf abgebildet ist, und wobei die optische Achse der Sensoreinrichtung (5) im Werkstück-Koordinatensystem in einer zweiten Raumrichtung verläuft, welche durch die fünfte Relativorientierung bestimmt ist, b) die fünfte Relativorientierung wird gemessen, c) auf dem fünften 2D-Bild (B5) werden ein fünfter und ein von diesem beabstandeter sechster Bezugspunkt (P5, P6) gewählt, welche beide auf der Längsachse (L5) des fünften Strahlbildes (SB5) liegen, d) die Koordinaten des fünften und des sechsten Bezugspunktes (P5, P6) werden jeweils im Bild-Koordinatensystem (BKS) gemessen, e) aus den so gewonnenen Meßergebnissen wird die Lage der Projektionen des fünften und des sechsten Bezugspunktes (P5, P6) auf eine zur zweiten Raumrichtung senkrechte Ebene und hieraus die Lage und Richtung der Projektion des Strahls (4) auf diese Ebene im Werkstück-Koordinatensystem (WKS) bestimmt.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Schritte a) bis e) mit jeweils veränderten Werten für die fünfte Relativposition sowie die fünfte Relativorientierung erneut durchgeführt werden und aus den so erhaltenden Ergebnissen die Orientierung und Lage des Strahls (4) im Werkstück-Koordinatensystem (WKS) und hieraus die Orientierung und Lage der Achse des Lochs (2) im Werkstück-Koordinatensystem (WKS) bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 10 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Raumrichtung nicht parallel zueinander gewählt werden und aus der Lage und Richtung der Projektion des Strahls (4) auf die zur ersten Raumrichtung senkrechte Ebene sowie aus der Lage und Richtung der Projektion des Strahls (4) auf die zur zweiten Raumrichtung senkrechte Ebene jeweils im Werkstück-Koordinatensystem (WKS) die Orientierung und Lage des Strahls (4) im Werkstück-Koordinatensystem (WKS) und hieraus die Orientierung und Lage der Achse des Lochs (2) im Werkstück-Koordinatensystem (WKS) bestimmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß a) die erste oder zweite oder dritte oder vierte oder fünfte oder sechste Relativposition und/oder die erste oder zweite oder dritte oder fünfte Relativorientierung so gewählt werden, daß auf dem ersten bzw. zweiten bzw. dritten bzw. vierten bzw. fünften bzw. sechsten 2D-Bild (B3') ein Teil der Auslaufkante des Lochs (2) als Kurve (15') abgebildet ist, b) der erste oder zweite oder dritte oder vierte oder fünfte oder sechste Bezugspunkt (P3') auf der Verbindungsgeraden (15c') der Enden (15a', 15b') mittig zwischen denselben gewählt wird, und c) die Lage des Schnittpunktes der Achse des Strahls (4) mit der Ebene der Auslaufkante im Werkstück-Koordinatensystem (WKS) als identisch mit der Lage des ersten bzw. zweiten bzw. dritten bzw. vierten bzw. fünften bzw. sechsten Bezugspunktes (P3') im Werkstück-Koordinatensystem angenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß zur Positionierung des Werkstücks (1) gegenüber der Sensoreinrichtung (5) ein Mehrkoordinatenmeßgerät (7) verwendet wird, an welchem das Werkstück (1) angeordnet ist und mittels welchem dieses gegenüber der Sensoreinrichtung (5) dreidimensional translatorisch verfahrbar ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß zur Positionierung der Sensoreinrichtung (5) gegenüber dem Werkstück (1) ein Mehrkoordinatenmeßgerät (7) verwendet wird, an welchem die Sensoreinrichtung (5) angeordnet ist und mittels welchem diese gegenüber dem Werkstück (1) dreidimensional translatorisch verfahrbar ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück (1) gegenüber der Sensoreinrichtung (5) so angeordnet und orientiert wird, daß der Strahl (4) in derjenigen Ebene verläuft, welch durch die X-Achse und die Y-Achse des Sensor-Koordinatensystems (SKS) aufgespannt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück (1) ein Hohlkörper ist, welcher eine Mehrzahl von mit dem unter Druck stehenden Medium (3) beaufschlagten Löchern (2) aufweist, wobei zur Durchführung des Verfahrens alle bis auf eine der Löcher (2) verstopft oder verschlossen werden oder das austretende Medium aufgefangen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium (3) nach Durchströmen des Lochs (2) aufgefangen wird und sich in einem Kreislauf befindet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß als Medium (3) eine Flüssigkeit oder ein Gas verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß eine in die Flüssigkeit eintauchende Lichtquelle dazu benutzt wird, den Strahl (4) unter Ausnutzung eines Lichtleitereffektes von innen zu beleuchten.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß als Medium (3) eine Flüssigkeit oder ein Gas verwendet wird, welcher bzw. welchem ein Farbstoff zugesetzt ist.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß als Medium (3) eine luminiszente Flüssigkeit oder ein luminiszentes Gas verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß als Medium ein solches verwendet wird, welches sich vor Eintritt in das Loch (2) in flüssigem und nach Austritt aus dem Loch (2) in gasförmigem oder in einem aerosolartigen Zustand befindet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß das Loch konusförmig (2) ausgebildet ist und aus dem Öffnungswinkel oder dem Verjüngungswinkel des Strahls, aus seinem Durchmesser an einer vorgegebenen Stelle und aus der Entfernung dieser Stelle von der Auslaufkante des Lochs (2) der Konuswinkel des Lochs sowie der Durchmesser derjenigen Fläche bestimmt werden, welche durch die Auslaufkante des Lochs (2) aufgespannt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren im Vakuum durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit oder das Gas gegenüber der Umgebungstemperatur erwärmt werden und als Sensoreinrichtung (5) eine solche verwendet wird, welche die Wärmestrahlung der Flüssigkeit bzw. des Gases zu erfassen imstande ist.
Vorrichtung zur Bestimmung des Durchmessers eines Lochs (2), insbesondere Aussparung oder Bohrung (2), in einem Werkstück (1), gekennzeichnet durch einen Druckerzeuger, insbesondere Hochdruckpumpe (11), welcher imstande ist, ein Medium (3) unter Druck zu setzen und das Loch (2) einseitig mit dem unter Druck stehenden Medium (3) so zu beaufschlagen, daß das Loch (2) von dem Medium (3) durchströmt wird und ein Strahl (4) des Mediums (3) nach Durchströmen des Lochs (2) aus derselben austritt, und eine Sensoreinrichtung (5), insbesondere CCD-Kamera (5), mit einem Objektiv (6), mittels welchem die Sensoreinrichtung (5) eine zweidimensionale Abbildung (B', B1, B2, B3, B4, B5, B6) zu liefern und in dieser mindestens einen Abschnitt des Strahls (4) als Strahlbild (SB', SB1, SB2, SB3, SB4, SB5) scharf abzubilden imstande ist, und mit einem Sensor, insbesondere CCD-Matrix, welcher die zweidimensionale Abbildung (B', B1, B2, B3, B4, B5, B6) zweidimensional aufgelöst zu erfassen imstande ist, so daß der Durchmesser des Strahls (4) mittels der Sensoreinrichtung (5) aus dem Abbildungsmaßstab des Objektivs (6), der Breite des Strahlbildes (SB', SB1, SB2, SB3, SB4, SB5) sowie aus dem Abstand zwischen Sensoreinrichtung (5) und dem scharf abgebildeten Abschnitt des Strahls (4) bestimmbar und der Durchmesser des Lochs (2) aus dem Durchmesser des Strahls (4) bestimmbar ist.
Vorrichtung zur Bestimmung der Orientierung und der Position eines Lochs (2), insbesondere Aussparung oder Bohrung (2), in einem Werkstück (1), auf welches Werkstück (1) ein dreidimensionales Werkstück-Koordinatensystem (WKS) bezogen ist, gekennzeichnet durch einen Druckerzeuger (11), insbesondere Hochdruckpumpe (11), welcher imstande ist, ein Medium (3) unter Druck zusetzen und das Loch (2) einseitig mit dem unter Druck stehenden Medium (3) so zu beaufschlagen, daß das Loch (2) von dem Medium (3) durchströmt wird und ein Strahl (4) des Mediums (3) nach Durchströmen des Lochs (2) aus demselben austritt, und eine Sensoreinrichtung (5), insbesondere CCD-Kamera (5), auf welche ein dreidimensionales Sensor-Koordinatensystem (SKS) bezogen ist, mit einem Objektiv (6), mittels welchem die Sensoreinrichtung (5) eine zweidimensionale Abbildung (B1, B2, B3, B4, B5, B6) zu liefern und in dieser Abbildung (B1, B2, B3, B4, B5, B6) mindestens einen Abschnitt des Strahls (4) als Strahlbild (SB1, SB2, SB3, SB4, SB5, SB6) scharf abzubilden imstande ist, und mit einem Sensor, insbesondere CCD-Matrix, welcher die zweidimensionale Abbildung (B1, B2, B3, B4, B5, B6) zweidimensional aufgelöst zu erfassen imstande ist.
Vorrichtung nach Anspruch 29 oder 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinrichtung (5) eine solche mit einem begrenzten Tiefenschärfebereich ist.
Vorrichtung nach einem Ansprüche 29 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung ein Laserabstandsmeßsystem aufweist, mittels welchem die Entfernung zwischen der Sensoreinrichtung (5) und dem Strahl (4) meßbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung ein Mehrkoordinatenmeßgerät (7) aufweist, mittels welchem das Werkstück (1) gegenüber der Sensoreinrichtung (5) dreidimensional translatorisch verfahrbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung ein Mehrkoordinatenmeßgerät (7) aufweist, mittels welchem die Sensoreinrichtung (5) gegenüber dem Werkstück (1) dreidimensional translatorisch verfahrbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 34, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück (1) gegenüber der Sensoreinrichtung (5) so angeordnet und orientiert ist, daß der Strahl (4) in derjenigen Ebene verläuft, welch durch die X-Achse und die Y-Achse des Sensor-Koordinatensystems (SKS) aufgespannt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 33 oder 34, dadurch gekennzeichnet, daß das Mehrkoordinatenmeßgerät (7) eine X-, eine Y- und eine Z-Verfahrachse aufweist und das Werkstück (1) gegenüber dem Mehrkoordinatenmeßgerät (7) so angeordnet und orientiert ist, daß der Strahl (4) in derjenigen Ebene verläuft, welch durch die X-Verfahrachse und die Y-Verfahrachse des Mehrkoordinatenmeßgerätes (7) aufgespannt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 36, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück mittels einer Drehlagerung (9) um eine Achse drehbar gehaltert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück (1) eine Einspritzdüse (1) für eine Verbrennungskraftmaschine ist und die Drehlagerung (9) so eingerichtet ist, daß diese eine Drehung der Einspritzdüse (1) um ihre Längsachse erlaubt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 38, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück (1) ein Hohlkörper ist, welcher eine Mehrzahl von mit dem unter Druck stehenden Medium (3) beaufschlagten Löchern (2) aufweist, wobei mittels eines Sperrmechanismus alle bis auf eines der Löcher (2) verstopfbar oder verschließbar sind oder das austretende Medium aufgefangen wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 39, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung ein oben offenes Auffanggefäß (13) aufweist, in dessen Inneres der Strahl (4) gerichtet ist und welches mit dem Druckerzeuger (11) so verbunden ist, daß das Medium nach Durchströmen des Lochs (2) in das Auffanggefäß (13), von dort zum Druckerzeuger (11) und von diesem wieder in das Loch (2) gelangt, so daß sich das Medium (3) in einem Kreislauf befindet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 40, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium (3) eine Flüssigkeit oder ein Gas ist.
Vorrichtung nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung eine in die Flüssigkeit eintauchende Lichtquelle aufweist, welche den Strahl (4) unter Ausnutzung eines Lichtleitereffektes von innen zu beleuchten imstande ist.
Vorrichtung nach Anspruch 41 oder 42, dadurch gekennzeichnet, daß dem Medium (3) ein Farbstoff zugesetzt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium (3) eine luminiszente Flüssigkeit oder ein luminiszentes Gas ist.
Vorrichtung nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit (3) oder das Gas gegenüber der Umgebungstemperatur mittels einer Heizung erwärmbar ist und die Sensoreinrichtung (5) die Wärmestrahlung der Flüssigkeit (3) bzw. des Gases zu erfassen imstande ist.