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Technisches Gebiet:
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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.
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Stand der Technik:
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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.
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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.
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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, 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.
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Durch
die
US 3 863 492 A ist
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Durchmessers
eines Lochs in einem Werkstück
bekannt geworden, bei welchem das Loch einseitig mit einem unter
Druck stehenden Medium, nämlich
Luft, beaufschlagt wird, so dass das Loch von der Luft durchströmt wird
und ein Luftstrahl nach Durchströmen
des Lochs aus demselben austritt. Hierzu besteht die Vorrichtung
im Wesentlichen aus einem Luft abgebenden Emitterraum, vor welchen
das mit dem Loch versehene Werkstück platziert wird, und mehreren
hinter dem Werkstück
angeordneten Empfängerräumen für die durch
das Loch im Werkstück
durchströmte
Luft. Der Durchmesser des Lochs wird anschließend aus den unterschiedlichen
Druckverhältnissen
ermittelt, welche sich in den unterschiedlichen Empfängerräumen gegenüber dem
Emitterraum einstellen.
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Durch
die
DE 34 41 038 C2 ist
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung und Bewertung der
räumlichen
Verteilung einer eingespritzten Substanz bekannt geworden, bei dem
optisch ein Bild der durch eine Öffnung
eingespritzten Substanz aufgenommen wird. Zur Aufnahme des Bildes
wird ein photoelektrischer Wandler verwendet und das Bild am photoelektrischen
Wandler abgetastet und ein der Helligkeit des jeweiligen Abtastpunktes
entsprechendes Videosignal erzeugt und im Bild eine Schnittlinie vorgegeben.
Das Bild oder ein Bildausschnitt wird in überdeckungsfreie Liniensegmente
unterteilt, die auf der Schnittlinie senkrecht stehen, wonach die
mittlere Helligkeit der einzelnen Liniensegmente durch Abfragen
der zugehörigen
Videosignale berechnet und eine Linien-Helligkeitsverteilungsfunktion
gebildet wird, die jedem Liniensegment die zugehörige mittlere Helligkeit zuordnet
und die räumliche
Verteilung der eingespritzten Substanz anhand der Linien-Helligkeitsverteilung
bewertet. Die Bewertung der räumlichen
Verteilung der eingespritzten Substanz gemäß der Linien-Helligkeitsverteilungsfunktion
wird aufgrund mindestens eines Formfaktors vorgenommen, der aus
der Breite des Funktionsverlaufs, dem Bereich der Mittellinie des
Funktionsverlaufs, dem Schwerpunkt des Funktionsverlaufs, der Gesamtfläche des
Funktionsverlaufs, der Fläche
einer Vertiefung im Funktionsverlauf und/oder dem Verhältnis der
Fläche
des Funktionsverlaufs in einem vorbestimmten Bereich zu der gesamten
Fläche
des Funktionsverlaufs abgeleitet wird. Die bekannte Vorrichtung
zur Erfassung und Bewertung der räumlichen Verteilung einer eingespritzten
Substanz, bei der mittels einer optischen Aufnahmeeinrichtung ein
Bild der durch eine Öffnung
eingespritzten Substanz aufgenommen wird, ist gekennzeichnet durch
einen photoelektrischen Wandler zur Aufnahme des Bildes der durch
die Öffnung
eingespritzten Substanz, eine Videosignal-Ausgabeeinheit zur Abtastung
des Bildes am photoelektrischen Wandler und Erzeugung eines der
Helligkeit des jeweiligen Abtastpunktes entsprechenden Videosignals,
eine Abfrageeinheit zur Abfrage des Videosignals entsprechend der
jeweiligen Abtastpunkte und Abgabe eines digitalen Signals, eine
Digital-Datenspeichereinheit zur Speicherung der Helligkeitsdaten,
die von der Abfrageeinheit in Form des digitalen Signals entsprechend
der jeweiligen Abtastpunkte abgegeben werden, eine Recheneinheit
zur Berechnung einer mittleren Helligkeit an einzelnen, zu einer
im Bild vorgegebenen Schnittlinie senkrecht stehenden Liniensegmenten
festgelegter Länge
durch Abfragen der zugehörigen
Videosignale und Bilden einer Linien-Helligkeitsverteilungsfunktion des Bildes
entlang der vorgegebenen Schnittlinie und eine Ausgabeeinheit zur
Ausgabe der Linien-Helligkeitsverteilungsfunktion.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahrten 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.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
ein Verfahren zur Bestimmung des Durchmessers eines Lochs, insbesondere
Aussparung oder Bohrung, in einem Werkstück, wobei 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, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass der Durchmesser
des Lochs aus dem Durchmesser des Strahls bestimmt wird.
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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, wobei 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, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass 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
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Die
Aufgabe wird ferner erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zur
Bestimmung des Durchmessers eines Lochs, insbesondere Aussparung
oder Bohrung, in einem Werkstück,
mit einem 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, welche gekennzeichnet ist durch
- – 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.
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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, mit einem 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, welche gekennzeichnet ist durch
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.
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Das
Loch kann insbesondere eine zylindrische oder im wesentlichen zylindrische
oder eine konische Bohrung sein.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Ferner
brauchen die durch die Einlaufkante des Lochs und die durch die
Auslaufkante des Lochs aufgespannten Flächen nicht notwendig kongruent 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.
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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.
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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.
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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.
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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 ist gemäß einer
Ausführungsform der
Erfindung die Sensoreinrichtung eine solche mit einem begrenzten
Tiefenschärfebereich.
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Die
Tiefe des Tiefenschärfebereichs
geht hierbei selbstverständlich
als Meßunsicherheit
in die Entfernungsbestimmung ein; diese Meßunsicherheit läßt sich
jedoch auf verschiedene Weisen sehr klein halten.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 der Bohrung im Werkstück-Koordinatensystem
bestimmt werden; hierbei wird von der Voraussetzung ausgegangen, daß die Krümmung des
Strahls vernachlässigbar
ist.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 Langsachse 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
ein 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.
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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.
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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 Sperrmechaniusmus auf, mittels welchem alle bis auf
eines der Löcher
verstopfbar oder verschließbar
sind.
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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.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnung, in welcher zeigen:
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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 Langsachse rotierbar ist.
Auf das Werkstück
ist ein Werkstück-Koordinatensystem WKS
bezogen, dessen z-Achse
mit der Längsachse des
Werkstücks 1 zusammenfällt.
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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.
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Mittels
der Hochdruckpumpe 11 und einem Schlauch 10 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.
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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 Flüssigkeitsruck in mehreren Stufen
oder stufenlos einstellbar. Der Meßtisch 14 ist mittels
eines nicht gezeigten Verstellmechanismusses 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.
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Die 2 bis 6 zeigen
je ein von der CCD-Kamera von 1 geliefertes
2D-Bild, auf welchem
jeweils ein Strahlbild abgebildet ist.
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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 Langsachse
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 des 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.
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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.
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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
B' (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 B' ein
Bezugspunkt P' 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 B' 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' kann 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