DE4003390A1 - Vorrichtung zum erfassen der kontur eines werkstueckes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen der Kontur eines Werkstückes, insbesondere Drehteiles mittels eine kohärenten Lichtstrahles, der beim Auf­ treffen auf die Werkstück-Konturlinie auf einer Detektoranordnung ein Beugungsmuster erzeugt, umfassend eine den kohärenten Lichtstrahl aussendende Licht­ quelle, eine dieser zugeordnete Detektoranordnung mit einer Mehrzahl von lichtempfindlichen Detektoren und eine Auswerteeinrichtung zur Auswertung der von den De­ tektoren erzeugten Signale.

Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise aus dem Buch "Fertigungsmeßtechnik" von H. J. Warnecke und W. Dutschke, Springer-Verlag Berlin, 1984, Seite 292 und 293, bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der vorstehend genannten Art anzuge­ ben, mit der auf einfache Weise die Koordinaten der Konturlinie so ermittelt werden, daß sie unmittelbar zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung stehen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Detektoranordnung und die Lichtquelle an einer ge­ meinsamen Halterung angeordnet sind, die mit Hilfe von Stellvorrichtungen in einer zu der zu vermessenden Konturlinie parallele Ebene verstellbar ist, daß Mittel zur Positionsbestimmung der Halterung in der Bewegungs­ ebene vorgesehen sind, und daß eine Regelvorrichtung die Stellvorrichtungen in Abhängigkeit der Detektor­ signale derart steuert, daß der Lichtstrahl bei einer Bewegung der Halterung entlang der Konturlinie auf die­ ser verbleibt.

Wird beispielsweise die Halterung im wesentlichen pa­ rallel zur Achse eines Drehteiles verfahren, so sorgt die Regeleinrichtung dafür, daß der Meßstrahl immer in Berührung mit der Konturlinie, d. h. der sich bei der senkrechten Projektion des Werkstückes auf eine darunter liegende Ebene ergebenden Linie bleibt.

Gleichzeitig erfassen die Mittel zur Positionsbestimmung der Halterung die Koordinaten derselben bezüglich eines vorgegebenen Bezugspunktes, so daß sich aus diesen Koordinaten der Verlauf der Konturlinie errechnen läßt. Sind die Koordinaten der Achse des Werkstückes bekannt, so können hieraus ohne weiteres die Maße des Werkstückes ermittelt werden.

Vorzugsweise sind die Stellvorrichtungen von Schritt­ motoren gebildet. Dies hat den Vorteil, daß die Schrittmotoren nicht nur die Stellbewegung ausführen, sondern daß sich bei der Betätigung der Schrittmotoren durch Abzählen der Steuerschritte ausgehend von einem bestimmten Bezugspunkt auch die Position der Halterung bestimmen läßt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich insbeson­ dere zur Verwendung in Verbindung mit Werkzeug­ maschinen, in dem die Halterung an dem Werkzeughalter oder Träger einer numerisch gesteuerten Werkzeug­ maschine, beispielsweise einer Drehbank, befestigt ist.

So kann die Halterung beispielsweise von einem C­ förmigen Bügel gebildet sein, an dessen einem Schenkel die Lichtquelle und an dessen anderem Ende die Detektoranordnung angeordnet ist, so daß die Halterung im eingebauten Zustand ein in der Drehbank ein­ gespanntes Werkstück umgreift. Bei dieser Lösung können die Stelleinrichtungen für den Werkzeugträger unmittel­ bar auch zur Verstellung der Halterung des Meßsystems Verwendung finden. Die Positionsbestimmung der Halterung und damit der Verlauf der Meßlinie kann un­ mittelbar an den Stellvorrichtungen des Werkzeugträger­ schlittens abgegriffen und in der Steuerung der nume­ risch gesteuerten Drehbank gespeichert werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann daher als Zusatzein­ richtung zu bereits bestehenden numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen eingesetzt werden, um die Maße von zu fertigenden Werkstücken beispielsweise an einem Muster­ stück abzugreifen und ohne zusätzlichen Programmierungsaufwand in dem Speicher der numerischen Steuerung abzuspeichern. Desgleichen kann ohne großen zusätzlichen Aufwand ein bearbeitetes Werkstück vermes­ sen und kontrolliert werden. Das Werkstück kann dabei in der Bearbeitungsmaschine verbleiben, so daß Justier­ fehler durch Herausnehmen des Werkstückes aus der Ma­ schine und Neujustieren des Werkzeuges in der Meßvorrichtung vermieden werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Detektoranordnung mindestens vier Detektoren, bei­ spielsweise Photodioden, die sich paarweise diagonal gegenüberliegen und sich im Diagonalenschnittpunkt mindestens annähernd berühren, wobei die Lichtquelle und die Detektoranordnung relativ zueinander derart an­ geordnet sind, daß der Lichtstrahl auf den Diagonalenschnittpunkt gerichtet ist. Im Ruhezustand oder meßfreien Zustand beleuchtet also der Strahl alle Detektoren in gleichförmiger Weise. Da das beim Auf­ treffen des Meßstrahles auf die Konturlinie entstehende Beugungsbild senkrecht zu der Konturlinie gerichtet ist, ist es zweckmäßig, wenn die Auswerteeinrichtung jeweils die Signaldifferenz der zwei Detektoren eines Detektorpaares auswertet, da das Beugungsbild oder die Abschattung einzelner Detektoren zu einer Unsymmetrie bei der Beleuchtung der Detektorflächen und damit zu einer von dem Ruhezustand abweichenden Signaldifferenz führen kann. Die von dem Normalzustand abweichende Signaldifferenz bietet wiederum die Möglichkeit, über die Regeleinrichtung die Halterung so zu verstellen, daß diese Signaldifferenz verschwindet oder auf einen vorgegebenen Wert eingeregelt wird, um so den Lichtstrahl genau auf der Konturlinie zu halten.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, welche in Verbin­ dung mit den beigefügten Zeichnungen die Erfindung an­ hand eines Ausführungsbeispieles erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Drehbank mit einem eingespannten Werkstück und der auf dem Werkzeugsupport oder -halter angeord­ neten Meßvorrichtung,

Fig. 2 bis 4 schematische Darstellungen zur Erläu­ terung des Meßprinzips,

Fig. 5 ein schematisches Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung und

Fig. 6 ein detaillierteres Schaltbild der Auswerteschaltung.

In Fig. 1 erkennt man eine allgemein mit 10 bezeich­ nete Drehbank mit einem Maschinenbett 12, einer Antriebs- und Steuereinheit 14 mit einem Spannfutter 16 und einem Reitstock 18. Zwischen dem Spannfutter 16 und dem Reitstock 18 ist ein Werkstück 20 eingespannt. Ein allgemein mit 22 bezeichneter Werkstücksupport umfaßt einen ersten Schlitten 24, der mittels einer schema­ tisch angedeuteten Stellspindel 26 und eines Schritt­ motors 28 parallel zur Achse 30 des Werkstückes ver­ stellbar ist. Auf dem Schlitten 24 ist ein Schlitten 32 senkrecht zur Achse 30 verstellbar gelagert und mit Hilfe einer Stellspindel 34 und eines Schrittmotors 36 verstellbar. Die beiden Schrittmotoren 28 und 36 werden von einer in der Antriebseinheit 14 untergebrachten numerischen Steuerung angesteuert, wobei sich aus der Anzahl der Steuerschritte ausgehend von einem bestimmten Bezugspunkt die jeweilige momentane Position des Schlittens 32 ergibt.

Auf dem Schlitten 32 ist ein C-förmiger Halterungsbügel 38 befestigt, und zwar vorzugsweise mit den üblicherweise zur Halterung des Werkzeuges vorhandenen Spannmitteln. Der Bügel 38 trägt an einem seiner Schenkel, vorzugsweise dem oberen, einen Laser 40 und ihm gegenüber an dem unteren Schenkel eine Detektoranordnung 42. Die Anordnung ist so getroffen, daß der von dem Laser 40 ausgesandte und auf die Detektoranordnung 42 gerichtete Laserstrahl 44 senk­ recht zu der von den Bewegungsrichtungen der Schritt­ motoren 28 und 36 aufgespannten Ebene gerichtet ist.

Zur Erläuterung des Meßprinzips wird auf die Fig. 2 bis 4 Bezug genommen. Die Detektoranordnung 42 umfaßt vier Photodioden mit quadratischer Lichteinfallsfläche, die wiederum zu einem Quadrat angeordnet und so orien­ tiert sind, daß zwei paarweise sich gegenüberliegende Dioden mit einer Diagonale parallel zur Achse 30 und die beiden anderen mit ihrer Diagonale senkrecht zur Achse 30 gerichtet sind. Der Laser 40 und die Detektor­ anordnung 42 sind relativ zueinander so ausgerichtet, daß im Ruhezustand der Meßanordnung der Laserstrahl 44 auf den Diagonalenschnittpunkt der Detektoranordnung 42 fällt. Für die weitere Erläuterung sind die Dioden in der in der Fig. 2 ersichtlichen Weise nummeriert. Die Detektoren 1 und 2 bilden ein Detektorpaar und die Dioden 3 und 4 bilden das andere Detektorpaar.

In Fig. 2 liegt der Meßstrahl 44 außerhalb des zylindrischen Werkstückes 2. Damit werden alle vier Detektorfelder von dem Meßstrahl gleichförmig beleuch­ tet. Die Differenz zwischen den beiden Detektoren eines Paares ist entweder auf den Wert Null oder auf einen vorgegebenen Ausgangswert eingestellt.

Wird der Meßstrahl an die Kontur des Werkstückes heran­ gefahren (Fig. 3) und berührt diese, so entsteht das in der Fig. 3 schematische dargestellte Beugungsbild.

Durch das linienförmige Beugungsbild und die teilweise Abschattung der Detektoren werden die Detektoren 1 und 2 ungleichförmig beleuchtet. Ihre Differenzspannung verändert sich. Bei den Detektoren 3 und 4 dagegen än­ dert sich zwar die Beleuchtung, jedoch symmetrisch für beide Detektoren, so daß die Differenz wiederum gleich groß bleibt. Die in diesem Zustand vorhandenen Spannungsdifferenzen zwischen den Detektoren jedes Detektorenpaares können als Bezugswert genommen werden, auf den der Meßstrahl einzuregeln ist, um der Kontur­ linie zu folgen.

Fig. 4 zeigt schließlich noch ein weiteres Bild, das sich ergibt, wenn der Meßstrahl auf einen schräg zur Werkstückachse gerichteten Abschnitt der Konturlinie stößt. Das linienförmige Beugungsmuster ist grundsätz­ lich senkrecht zur Konturlinie gerichtet. In diesem Falle ergibt sich nicht nur eine Unsymmetrie zwischen den Detektoren 1 und 2, sondern auch zwischen den De­ tektoren 3 und 4. Aus dem Strahldurchmesser, der Wel­ lenlänge und dem spezifischen Signalmuster der Detekto­ ren 1 bis 4 läßt sich dann durch wiederholtes Messen bei einer Bewegung parallel zur Werkstückachse der Ver­ lauf der Konturlinie errechnen. Durch Spiegelung dieses Konturlinienverlaufes an der Werkstückachse können die Durchmesser des Werkstückes ermittelt werden. Das Meßverfahren ist grundsätzlich auch auf nichtrotations­ symmetrische Werkstücke anwendbar.

Fig. 5 zeigt das Funktionsprinzip der in Fig. 6 näher dargestellten Schaltung. Die Ausgänge der beiden Detek­ toren jedes Detektorpaares werden jeweils einem Operationsverstärker 46 bzw. 48 zugeführt, der eine Spannungsdifferenz bildet und ggf. verstärkt. Ein Reg­ ler 50 regelt die an den einzelnen Photodetektoren lie­ gende Spannung wiederum so, daß die Spannungsdifferenz an den Ausgängen 46 und 48 zu Null wird. Diese Regel­ schleife dient dazu, Umgebungseinflüsse wie die sich ändernde Umgebungsbeleuchtung zu eliminieren. Die Aus­ gänge der Operationsverstärker 46 und 48 sind im übri­ gen über Schalter 52 und 54 mit acht Komparatoren 56 verbunden, die durch Vergleich der verstärkten Differenzspannungen mit vorgegebenen Spannungswerten ein Bit-Muster erstellen, das einer Rechenvorrichtung 58 zugeführt wird. Diese errechnet in der oben be­ schriebenen Weise die Koordinaten des Meßstrahles und veranlaßt die Aussendung von Steuerimpulsen an die Schrittmotoren 28 und 36. Ein Taktgenerator 60 sorgt dabei dafür, daß abwechselnd entweder die Schalter 52, 54 geschlossen sind, so daß eine Messung durchgeführt werden kann, oder daß die Schalter 52 und 54 geöffnet und Schalter 62 und 64 geschlossen werden, über welche die Regelstrecke zur Eichung der Detektoren geschlossen wird. Ferner betätigt der Taktgenerator 60 einen Impulsgenerator 68 zur Steuerung der Laserdiode 40.

Fig. 6 zeigt die Auswerteschaltung nun etwas detail­ lierter. Die Photodioden 1, 2, 3 und 4 sind jeweils über einen Widerstand R1, R2, R3 bzw. R4 in Reihe mit einem MOSFET T1, T2, T3 bzw. T4 geschaltet. Diese MOSFETs dienen als einstellbare Widerstände. Die als Detektoren dienenden Photodioden 1 und 2 sind jeweils über einen Operationsverstärker 70 bzw. 72 und einen Widerstand R5 bzw. R6 mit dem eine Spannungsdifferenz bildenden und verstärkenden Operationsverstärker 46 verbunden. Die Photodioden 3 und 4 sind über Operationsverstärker 74 bzw. 76 und Widerstände R7 bzw. R8 mit dem Operationsverstärker 46 verbunden.

Zwei Operationsverstärker 78 und 80 regeln die Spannung des Detektors 1 bzw. des Detektors 3 auf jeweils -1,8 Volt. Ein mit dem Ausgang des Differenzverstärkers 48 verbundener Operationsverstärker 82 und ein mit dem Differenzverstärker 46 verbundener Operationsverstärker 84 regeln die Ausgangsspannung der beiden Differenzverstärker 46 und 48 auf Null Volt. Die letztgenannten Operationsverstärker 82 und 84 bilden zusammen den Regler 50. Während des Low-Pegels des Taktsignals des Taktgenerators 60 ist die Laserdiode 40 ausgeschaltet. Gleichzeitig sind die Schalter 62 und 64 am Ausgang der Operationsverstärker 82 bzw. 84 sowie Schalter 86 und 88 an dem Ausgang der Operations­ verstärker 78 bzw. 80 geschlossen, so daß die Eichung der Detektoren 1 bis 4 durchgeführt werden kann. Wenn sich das System eingeschwungen hat, wechselt das Takt­ signal auf logisch 1, worauf die Schalter 86 und 88, 62 und 64 geöffnet werden. Nach dem Öffnen dieser Schalter bewirkt die in den Kondensatoren C1 bis C4 gespeicherte Spannung, daß sich die MOSFETs T1 bis T4 wie freie Wi­ derstände verhalten.

Gleichzeitig werden die Schalter 52 und 54 geschlossen.

Die Kondensatoren C5 und C6 werden jeweils auf die 40­ fache verstärkte Differenzspannung zwischen den Detek­ toren des jeweiligen Detektorenpaares aufgeladen. Die Spannungen der Kondensatoren C5 und C6 werden jeweils über vier Komparatoren 90 bis 96 bzw. 98 bis 104 mit eingestellten Schaltschwellen verglichen. Mit der ab­ fallenden Flanke des Taktsignales öffnen sich die Schalter 52 und 54 wieder. Das an den Ausgängen der Komparatoren 90 bis 104 entstehende Bit-Muster wird der Rechenvorrichtung 58 zugeführt, die es in der oben be­ schriebenen Weise auswertet. Mit dem Öffnen der Schal­ ter 52 und 54 schließen sich die Schalter 86, 88, 62 und 64 und der Zyklus beginnt von neuem.

Die vorstehend beschriebene Schaltungsanordnung kann als eigenständige Schaltung ausgeführt oder als Teil einer numerischen Steuerung einer Werkzeugmaschine in diese integriert sein. Der letztere Fall bietet auf be­ sonders einfache und günstige Weise die Möglichkeit, die erfindungsgemäße Meßvorrichtung in einer Werkzeug­ maschine einzusetzen, ohne daß hierzu das Werkstück aus der Werkzeugmaschine entfernt werden muß. Auf diese Weise kann der Meßvorgang oder der Bearbeitungsvorgang an derselben Maschine ohne ein Umsetzen des Werkstückes durchgeführt werden.

Claims (8)

1. Vorrichtung zum Erfassen der Kontur eines Werkstük­ kes (20), insbesondere Drehteiles mittels eine kohärenten Lichtstrahles (44), der beim Auftreffen auf die Werkstück-Konturlinie auf einer Detektor­ anordnung ein Beugungsmuster erzeugt, umfassend eine den kohärenten Lichtstrahl (44) aussendende Lichtquelle (40), eine dieser zugeordnete Detektoranordnung (42) mit einer Mehrzahl von lichtempfindlichen Detektoren 1 bis 4 und eine Auswerteeinrichtung zur Auswertung der von den De­ tektoren 1 bis 4 erzeugten Signale, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Detektoranordnung (42) und die Lichtquelle (40) an einer gemeinsamen Halterung (38) angeordnet sind, die mit Hilfe von Stellvorrichtungen (28, 36) in einer zu der zu vermessenden Konturlinie parallelen Ebene ver­ stellbar ist, daß Mittel zur Positionsbestimmung der Halterung (38) in der Bewegungsebene vorgese­ hen sind, und daß eine Regelvorrichtung (58) die Stellvorrichtungen (36, 28) derart steuert, daß der Lichtstrahl (44) bei einer Bewegung der Halterung (38) entlang der Konturlinie auf dieser verbleibt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Stellvorrichtungen von Schrittmotoren (28, 36) gebildet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Halterung (38) an dem Werkzeugträger (22) einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine befestigt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Halterung (38) von einem C-förmigen Bügel gebildet ist, an dessen einem Schenkel die Lichtquelle (40) und an dessen anderem Schenkel die Detektoranordnung (42) angeordnet ist, und daß die Halterung (38) an dem Werkzeugträger (22) einer numerisch gesteuerten Drehbank so angeordnet ist, daß sie ein in der Drehbank eingespanntes Werkstück (20) umgreift.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Detektoranordnung (42) mindestens vier Detektoren 1 bis 4 umfaßt, die sich paarweise diagonal gegenüberliegen und sich im Diagonalenschnittpunkt mindestens annä­ hernd berühren, wobei die Lichtquelle (40) und die Detektoranordnung (42) relativ zueinander derart angeordnet sind, daß der Lichtstrahl (44) auf den Diagonalenschnittpunkt gerichtet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die Auswerteeinrichtung jeweils die Signaldifferenz der zwei Detektoren (1, 2 bzw. 3, 4) eines Detektorpaares auswertet.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Regelvorrichtung die Stell­ vorrichtungen (28, 36) derart steuert, daß die Signaldifferenz jedes Detektorpaares konstant bleibt bzw. einen vorgegebenen Wert einhält.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß zur Vermessung von Drehteilen die Diagonale des einen Detektorpaares (1, 2) parallel zur Werkstückachse (30) und die an­ dere Diagonale senkrecht zu dieser gerichtet ist.