DE19746662A1

DE19746662A1 - Meßanordnung zum berührungslosen Erfassen der Innenkontur von Hohlräumen mit einer Lichtquelle

Info

Publication number: DE19746662A1
Application number: DE1997146662
Authority: DE
Inventors: Dirk Dipl Ing Berndt; Norbert Dr Ing Bauer
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1997-06-26
Filing date: 1997-10-23
Publication date: 1999-02-18

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßanordnung zum berührungslosen Erfassen der Innenkontur von Hohlräumen mit einer Lichtquelle, die die Messung nach dem Lichtschnittverfahren durchführt.

In der DE 197 27 226 ist eine Meßanordnung zum berührungslosen Erfassen einer dreidimensionalen Raumform der Innenkontur einer Brillenfassungsnut beschrieben, bei der die Nut mit einem fächerförmig aufgespannten Lichtstrahl überfahren wird, dessen an der Nutoberfläche reflektierte Lichtanteile erfaßt und mit Hilfe einer Aus werteeinheit nach den Gesetzmäßigkeiten eines Lichtschnittverfahrens ausgewertet werden. Die in der vorstehend zitierten Druckschrift beschriebene Meßanordnung sieht eine Lichtquelle, die vorzugsweise als Laser ausgebildet ist, vor, deren Strah lengang schräg auf die Innenkontur der zu vermessenden Brillenfassungsnut ge richtet ist. Die an der Innenseite der Brillenfassungsnut reflektierten Lichtanteile wer den mit Hilfe einer optischen Umlenkeinheit, vorzugsweise einem Umlenkprisma, in eine Detektoreinheit abgebildet, in der die reflektierten Lichtanteile detektiert und mittels einer Auswerteeinheit ausgewertet werden. Das auf dem Prinzip der Trian gulation basierende Lichtschnittverfahren, auf das im übrigen zur weiteren Erläute rung auf die vorstehend zitierte Druckschrift verwiesen wird, erlaubt die Abstandsbe stimmung einzelner Konturpunkte entlang einer linienhaft beleuchteten Oberflächen kontur und entspricht der Auswertung einer zweidimensionalen Bildaufnahme. Zur Vermessung der dreidimensionalen Raumform der Brillenfassungsnut ist eine Rela tivbewegung zwischen der Lichtquelle, der Detektoranordnung mit entsprechend op tischen Abbildungssystem zu dem zu vermessenden Meßkörper notwendig. Die auf die spezielle Vermessung von Brillenfassungsnuten abgestimmte Meßanordnung läßt sich jedoch nicht allgemein zur berührungslosen Vermessung von Hohlräumen, wie beispielsweise Bohrungen und Innengewinden, verwenden, zumal Hohlräume in beliebiger Ausführungsform über eine Tiefe verfügen, die mit der bekannten Vor richtung nicht erfaßt werden kann.

Die derzeit bekannten Verfahren und Vorrichtungen zum Vermessen derartiger Hohl räume wie Bohrungen und Innengewinde lassen sich wie folgt darstellen:

Es sind tastende bzw. berührende Verfahren bekannt, bei denen die Innenkontur von Hohlräumen mit Tastsensoren abgefahren werden, wobei eine Meßgenauigkeit im Mikrometerbereich erreicht werden kann. Nachteilhaft bei den taktilen Meßverfahren ist jedoch der hohe Zeitbedarf, der für die Erfassung der gesamten Innenkontur eines Hohlraumes notwendig ist. Darüber hinaus unterliegen taktile Meßsensoren aufgrund ihres mechanischen Aufbaus einer hohen Empfindlichkeit und Anfälligkeit, die eine sehr große Sorgfalt beim Umgang erfordern. Schließlich sind zusammenhängende Flächen oder Konturen aufgrund der nur begrenzten bzw. nur quasi punktuellen Tastkopfgeometrie nur unvollständig erfaßbar (E. Lemke, "Fertigungsmeßtechnik", 1992).

Ferner sind berührungslos arbeitende Verfahren bekannt, die unter Einsatz faserop tischer Sensoren auf dem Prinzip der Rückstreuung die Innenkontur von Hohlräumen erfassen vermögen.

So geht bspw. aus dem Buch von Tilo Pfeifer "Optoelektronische Verfahren zur Mes sung geometrischer Größen in der Fertigung", 1993, hervor, daß die Innenkontur von Hohlräumen mittels faseroptischer Abstandssensoren durch Abstandsbestimmung oder Näherungsmessung auf Grund der bekannten Kennlinie des faseroptischen Sensors gemessen wird. Dabei bestehen faseroptische Sensoren aus einer Sende faser und einer oder mehreren Empfangsfasern. Variiert der Abstand zwischen dem Auskoppelende des Sensors und der Meßoberfläche, so wird die an der Fotodiode gemessene, von der Intensität des dort ankommenden Lichts abhängige Spannung verändert.

Zwar ist es möglich, mit den bekannten faseroptischen Sensoren auch sehr unzu gängliche Bereiche innerhalb von Hohlräumen zu erreichen und diese entsprechend zu vermessen, doch beschränkt sich bislang die Meßauflösung derartiger Sensoren auf maximal 1 mm. Im übrigen ist die Meßgenauigkeit und -auflösung sehr stark von der Oberflächenbeschaffenheit sowie der Farbe des zu vermessenden Meßobjektes abhängig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßanordnung zum berührungslosen Erfassen der Innenkontur von Hohlräumen derart anzugeben, daß die Innenkontur von Hohlräumen möglichst rasch und vollständig von der Meßanordnung erfaßt wird, die überdies eine bessere Meßauflösung aufweisen soll, als es mit Hilfe der be kannten Tastköpfe bzw. faseroptischen Sensoren möglich ist.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird mit der Meßanordnung gemäß Anspruch 1 gelöst. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft ausgestaltende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, eine Meßanordnung, die nach dem Licht schnittverfahren arbeitet und in der DE 197 27 226 beschrieben ist, derart auszuge stalten, daß eine Vermessung der Innenkontur von Hohlräumen, wie beispielsweise Bohrungen oder Innengewinde, möglich ist.

Die erfindungsgemäße Meßanordnung zum berührungslosen Erfassen der Innen kontur von Hohlräumen sieht eine Lichtquelle vor, deren Lichtstrahl auf die Innen kontur mittels eines optischen Umlenksystems ablenkbar ist, ein optisches Abbil dungssystem, das das an der Innenkontur reflektierte Licht auf eine Detektoreinheit abbildet und weist ebenso eine Auswerteeinheit zum Erfassen der Innenkontur auf, die nach dem Lichtschnittverfahren arbeitet. Erfindungsgemäß ist die Lichtquelle, das optische Umlenksystem sowie das optische Abbildungssystem gemeinsam um eine Achse drehbar gelagert ausgeführt, so daß all jene für die Lichtabtastung erforderli chen Komponenten der Meßanordnung relativ zum feststehenden Hohlraum gedreht werden können.

Durch die Drehung von Lichtquelle und optischen Abbildungssystemen relativ zum Hohlraum wird der linienhaft aufgefächerte Lichtstrahl angulär um die Drehachse der Anordnung auf die Innenkontur des Hohlraumes gerichtet, an der die reflektierten Lichtanteile durch das optische Abbildungssystem vorzugsweise koaxial zur Dreh achse in die Detektoreinheit abgebildet werden.

Da die Länge des auf die Innenkontur des Hohlraumes auftreffenden, aufgefächerten Lichtstrahls nur von begrenzter Größe ist und somit den gesamten Hohlraum durch einmalige Rotation um 360° nicht vollständig erfaßt, sind wenigstens das optische Umlenk- und Abbildungssystem derart linear beweglich ausgebildet, daß durch ent sprechende lineare Verstellung relativ zur Achse des Hohlraumes die Innenkontur des gesamten Hohlraumes schichtweise nach und nach vollständig erfaßt werden kann.

Die Linearbeweglichkeit der optischen Abbildungssysteme relativ zum zu vermes senden Hohlraum kann beispielsweise über eine teleskopartige ausgebildete Halte rung erfolgen, oder aber die gesamte Meßanordnung nebst Lichtquelle und Detek toreinheit können linearbeweglich relativ zum Hohlraum gemeinsam mit den opti schen Elementen verschoben werden.

Auf diese Weise ist es möglich, die Innenkontur von Hohlräumen, wie beispielsweise Bohrungen oder Innengewinde, mit der für Lichtschnittverfahren üblichen Meßge nauigkeit, die im Mikrometerbereich und darunter liegt, zu erfassen. Überdies ist die Erfassung durch Rotation der Meßanordnung um eine Drehachse und entsprechen de Linearverschiebung zur Erfassung des gesamten Hohlraumes in sehr kurzer Zeit möglich.

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsge dankens anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die einzige Zeichnung exemplarisch beschrieben.

Die einzige Figur zeigt einen prinzipiellen Meßaufbau zum berührungslosen Erfassen der Innenkontur von Hohlräumen 1, die in dem dargestellten Beispiel eine in einem Block B eingebrachte Bohrung 1 betrifft. Die Meßanordnung sieht eine Lichtquelle 2 vor, die als Laser ausgebildet ist und eine Strahloptik aufweist, die den Laserstrahl zu einem linienhaften, fächerförmigen Lichtstrahl formt.

Mittels eines optischen Umlenkelementes 3, das als 90°-Prisma ausgebildet ist, wird der Lichtstrahl senkrecht nach unten auf das optische Umlenkelement, das als 90° Umlenkprisma oder Spiegel ausgebildet ist, abgebildet. Das optische Umlenkelement 3 sowie das optische Umlenksystem 4 sind in einem tubusförmigen Gehäuse 5 un tergebracht, das über zwei Öffnungen 6 und 7 verfügt, über die der Laserstrahl von der Lichtquelle 2 auf das optische Umlenkelement 3 sowie von dem optischen Um lenksystem 4 auf die Innenkontur des Hohlraumes 1 gelangt.

Nur aus Gründen der besseren Darstellbarkeit ist der Tubus 5 samt optischem Um lenksystem 4 und optischem Abbildungssystem 8, die gemeinsam auf einer Träger platte 9 innerhalb des Tubuses 5 angeordnet sind, außerhalb des Hohlraumes 1 dar gestellt. Zur Vermessung der Innenkontur des Hohlraumes 1 ist der Tubus 5 wenig stens mit seiner Austrittsöffnung 7, d. h. mit den optischen Umlenk- und Abbildungs systemen, in das Innere des Hohlraumes 1 zu versenken, um die Innenkontur des Hohlraumes 1 zu vermessen.

Die Lichtquelle 2 sowie der gesamte Tubus 5 samt optischem Umlenkelement 3, op tischem Umlenksystem 4 sowie optischem Abbildungssystem 8 sind drehbar um eine Achse A gelagert, die im dargestellten Fall mit der Symmetrieachse des Hohlraumes 1 zusammenfällt.

Durch Vertikalbewegungen der gesamten Meßanordnung kann wenigstens die Aus trittsöffnung 7 in das Innere des Hohlraumes 1 verbracht werden und in diesen eine bestimmte Stellung relativ zur Achse A einnehmen. Zur Abtastung der Innenkontur des Hohlraumes werden die Lichtquelle 2 samt Tubus 5 vollständig um 360° gedreht, so daß die Innenkontur des Hohlraumes ringförmig gemäß der Länge des Licht schnittes "abgescannt" wird. Die Drehung der einzelnen Komponenten relativ zum Hohlraum 1 kann entweder manuell mit Hilfe eines Drehknopfes 10 oder auch moto risch angetrieben erfolgen. Auch sind an der Meßanordnung Verstellmöglichkeiten 11 und 12 vorgesehen, die die Meßanordnung in einer Ebene senkrecht zur Sym metrieachse des Hohlraumes verschieben. Auf diese Weise kann zusätzlich zur Drehbewegung um die Drehachse A die Meßanordnung entsprechend der Kontur des zu erfassenden Hohlraumes derart abgefahren werden, so daß der Abstand zwi schen Innenkontur des Hohlraumes zu Tubusaustrittsfenster konstant eingehalten werden kann.

Die vertikale Verschiebung der Meßanordnung relativ zur Innenkontur des Hohlrau mes 1 kann entweder mit Hilfe der gesamten Meßanordnung durchgeführt werden oder nur mit Hilfe einer geeigneten teleskopartigen Einrichtung, die lediglich das opti sche Umlenk- und Abbildungssystem relativ zur Lage des optischen Umlenkele mentes 3 und der Lichtquelle 2 bewegt.

Bezugszeichenliste

1

Hohlraum

2

Lichtquelle

3

Optisches Umlenkelement

4

Optisches Umlenksystem

5

Tubus

6

,

7

Tubusöffnungen

8

Optisches Abbildungssystem

9

Trägerplatte

10

Dreheinrichtung

11

,

12

Verstelleinrichtungen
B Block.

Claims

1. Meßanordnung zum berührungslosen Erfassen der Innenkontur von Hohlräu men mit einer Lichtquelle, deren Lichtstrahl auf die Innenkontur mittels eines opti schen Umlenksystems ablenkbar ist, einem optischen Abbildungssystem, das das an der Innenkontur reflektierte Licht auf eine Detektoreinheit abbildet, sowie einer Aus werteeinheit zum Erfassen der Innenkontur, die nach dem Lichtschnittverfahren ar beitet, wobei die Lichtquelle, das optische Umlenksystem und das optische Abbildungssy stem gemeinsam um eine Drehachse drehbar gelagert sind.

2. Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens das optische Umlenk- und Abbildungs system relativ zur Innenkontur des Hohlraumes linearbeweglich ausgebildet sind.

3. Meßanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die Lichtquelle, das optische Umlenk- und Abbildungssystem in einer Ebene senkrecht zur Drehachse relativ zur Innenkontur des Hohlraumes beweglich gelagert ist.

4. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßanordnung derart positionierbar ist, daß die Drehachse mit einer Symmetrieachse des Hohlraumes zusammenfällt.

5. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle seitlich zur Drehachse angeordnet ist und deren Licht mittels eines optischen Umlenkelementes axial oder koaxial zur Drehachse in Richtung des optischen Umlenksystems umlenkbar ist.

6. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Abbildungssystem das an der Innen kontur reflektierte Licht axial oder koaxial zur Drehachse in Richtung zur Detek toreinheit ablenkt.

7. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Drehvorrichtung vorgesehen ist, an der die Lichtquelle und ein Abstandhalter angebracht ist, an dem das optische Umlenk- und Abbildungssystem vorgesehen ist.

8. Meßanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstandhalter teleskopartig ausgebildet ist.

9. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßanordnung zur Erfassung der Innenkontur Bohrungen und Innengewinden verwendet wird.

10. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Umlenksystem und das optische Abbil dungssystem als eine Einheit ausgebildet sind.

11. Meßanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die ein 90°-Umlenkprisma oder ein Spiegel ist.

12. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Umlenk- sowie Abbildungssystem je weils als 90°-Umlenkprisma oder als Spiegel ausgebildet sind.

13. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Umlenkeinheit derart orientiert ist, daß der Lichtstrahl schräg auf die Innenkontur, vorzugsweise unter einem Winkel von 45° auftrifft.

14. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinheit eine CCD-Messkamera ist.

15. Meßanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die CCD-Messkamera eine Matrixkamera ist, die in Zeilen und Spalten angeordnetes Lichtsensoren aufweist.