用于测量孔内壁几何形状的装置和对应的方法与流程

此外，本发明涉及一种用于测量孔、钻孔和通道的内壁几何形状的方法，这些孔、钻孔和通道可选地是沉头的且特别是用于工件的螺纹、销和铆钉连接，其中，朝向内壁测量的至少一个光学传感器能够被引入钻孔中且通过进给/转动单元转动，其中，辅助件设置有通道且搁置在工件的表面上，所述传感器通过该通道被插入沉头部和/或孔中。

关于通用特征，要指出的是，这与测量孔、钻孔和通道的内壁有关，这些孔、钻孔和通道可能是沉头的或不是沉头的。当在本文中论述孔时，该术语应理解为任何材料凹部的同义词。最后，在本文中，测量是指对内壁的光学扫描。

在许多制造领域中，测量孔或钻孔变得越来越重要。用于螺纹、销和铆钉连接的孔的内径决定性地影响连接的后续强度，这是由于孔的未调整的直径或未精确测量的深度可能导致：或者无法引入螺钉、销或铆钉(孔过小)，或者无法适当地保持螺钉、销或铆钉(孔过大)。关于沉头螺钉和铆钉，螺钉或铆钉头也被认为是齐平的而不突出。因此，特别是例如在汽车或航空器工业中的涉及安全的螺纹和铆钉连接需要在拧入或铆接操作之前对孔的几何形状进行精确测量。

航空器构建进一步要求铆钉与航空器的外壳齐平，以避免会导致更高燃料消耗的空气湍流。

在用于测量孔的几何形状的领域中已知有不同的技术。例如，通过使用合适的支承件将距离传感器引入钻孔中，一个或若干个距离传感器可确定直径。传感器横向地测量至孔内壁的距离。通过使传感器随其支承件转动，可在整个周界上确定内径。常见的是使用两个或更多个传感器。这些传感器或者仅在一些位置处确定直径(而不转动)，或者这些传感器由于无需完全转动而更快地测量。如果，在测量期间，传感器的支承件朝向孔轴向运动，则可扫描孔的内表面并测量其几何形状。

在本领域中已知用于测量距离的不同技术。简易的距离扫描传感器(测量探针)需要大的构建空间且因此仅适用于大的孔。此外，这些传感器接触表面，从而可能导致损坏工件。为此原因，使用了非接触式测量技术，例如是电容或光学技术。

电容式测量的缺点在于测量点相对较大的尺寸，这仅允许获得粗略的平均值。因此，光学测量技术是优选的。特别合适的是激光距离传感器或光学共焦传感器，这些传感器允许接近点状测量，从而使得可能确定具有高空间分辨率的孔的几何形状。

从ep1754018a1中已知一种借助光学共焦传感器对孔的示意性测量。通过使用合适的光束偏转(镜面或棱镜)，传感器的测量光束横向地投射到孔的内壁上。通过转动传感器，孔的内壁被扫描。光学方法的优势包括：探针头部的非常小的尺寸和紧凑的构造，同时，光线经由光导件导入探针头部并在探针头部处偏转。传感器的剩余部件(光源、分光仪、评估单元等)可设置在孔的外部。借助这种布置，可在亚毫米级的区域中测量孔。

在现有技术中，可轻易地测量简易圆筒形孔。然而，如果孔是如对于螺纹或铆钉连接而言可能的情形那样沉头的，以避免螺钉或铆钉头部的任何突出，则现有技术无法使用。螺纹或铆钉连接常常用来连接两个或更多个工件，在沉头的情形中，螺钉或铆钉头需要是沉头的。

光学距离传感器通常被规定成表面相对于测量光束成直角布置或垂直于测量光束布置。表面相对于测量方向的倾斜越强，可能发生的测量误差就越大。这也使得确定沉头部的几何形状变得复杂。边缘是另一个问题。由于测量点具有特定尺寸，故而在边缘上的过渡部中，测量点部分地位于边缘的一侧上，且部分地位于边缘的另一侧上，从而可能导致不明确的测量结果。这适用于上边缘上的沉头部(朝向工件的表面)以及从沉头部至孔中的过渡部。通常，这也使得无法确定沉头部的深度的确切值，这是由于无法以足够的精度来测量其起始点和进入孔中的过渡部的缘故。由此，无法精确地确定孔的深度，这是由于该测量值还取决于沉头部的上边缘的确切确定的缘故。

使用高精度光学传感器、特别是光学共焦传感器来测量沉头部的另一缺点是其小的测量范围。沉头部的起始点可位于测量范围外部，从而使得无法确定起始点(沉头部至工件表面的过渡部)。这使得同样不可能测量沉头部的深度或确定沉头部的长度。

本领域中解决这种问题的尝试涉及使用辅助件，该辅助件与传感器机械地连接。已知的辅助件构造成套管或环的形式且通过弹簧安装在工件上。将辅助件安装在工件上限定了在测量沉头部/孔时可参照的明确位置。辅助件的内径被选择使得其置于传感器的测量范围中。当将测量布置安装在工件上时，首先将辅助件安装到工件上。传感器感测辅助件的内径。随着传感器被朝向孔进给，传感器到达并识别辅助件的边缘。如果辅助件完全搁置在工件上，则辅助件的边缘与沉头部的上边缘关联。基于该零点可确定沉头部的长度、至孔的过渡部的边缘，并可选地确定孔的深度。

但即使使用辅助件，也会引发额外的问题：

无法确切地确定辅助件的边缘，这是由于边缘常常无法被光学传感器以足够的精度来检测的缘故。当沉头部的直径位于工件的表面上传感器的测量范围外时是特别不利的，这是由于传感器会在边缘上“观察到无穷大”的缘故。通常，在该位置处产生畸变或过量噪波，从而无法获得对于边缘的清楚且有效的读数。通常，不可能通过使用机械加工来制造充分明确限定的边缘。

通过使测量装置居中，或如果沉头部的直径大致对应于辅助件的直径，则所测量的至辅助件和至工件的距离大致相等，从而使得难于确切地区分并确定边缘。

考虑到前述内容，本发明意在构造并改进一种用于测量孔、钻孔和通道内壁几何形状的装置，以提供高度精确的测量结果，这些孔、钻孔和通道可选地是沉头的。该装置还应易于组装。此外，将公开根据本发明的装置的对应应用方法。

关于根据本发明的装置，通过权利要求1的特征解决了以上问题，根据权利要求1的特征，该装置的特征在于，辅助件的内壁设置有结构，且传感器在穿过辅助件的同时扫描所述结构。

关于根据本发明的方法，通过并列权利要求9的特征解决了以上问题，其中，通用方法的特征在于，辅助件的内壁设置有结构，且传感器在穿过辅助件时扫描所述结构，且通过将曲线、例如直线、圆弧或在几何形状方面易于描述的其他形状拟合于读数并通过随后计算其交点来确定过渡点、特别是亮度、材料和/或表面光洁度的差异，其中，交点限定了过渡点。

为了本发明所意于的用途，不一定仅采用基于距离的方法。替代地或附加地，可能以类似的方式使用其他特征，比如亮度、光泽度、色彩、材料和/或表面光洁度。可通过传感器感测状态过渡，且随后可评估其位置。例如可通过使用具有可分辨的亮度等级或不同的光漫射的不同材料，还通过例如用激光器、通过涂覆或后处理在表面上施加标记，比如线、圆、棋盘状图案或其他标记，来获得来自表面的不同强度的信号。由于具有几何形状特征，可借助来自被检测的过渡部的被感测强度信号推断辅助件的端部。接着，通常通过不是一个几何形状匹配而是对若干个这种过渡部取平均来实现稳定。此外，如果存在足够数量的过渡部，则还可能使用似然测量来防止可能在早期误认过渡部。不一定要绝对精确地制造所采用的特征。足够的是，传感器在校准步骤中测量辅助件。基于距离和基于亮度的方法可组合以进一步改善结果的精度。

根据本发明的装置操作如下：

测量装置沿轴向安装在沉头部/孔上。测量装置内的传感器朝向沉头部/孔运动，并测量至辅助件的内部的距离。

辅助件的形状可被选择为合适的。旋转对称形式是有利的，这是由于它们可通过转动被轻易地生产的缘故。辅助件在内部上具有一个或多个被限定的结构，这些被限定的结构被距离传感器在穿过其中时扫描。通过测量来获知或确定结构沿轴向至辅助件的边缘的距离。可通过使用cnc数据精确地制造结构而获知该距离。

替代辅助件的精确制造，所述辅助件的结构和确切位置也可在制造之后借助测量和校准被确定。

距离传感器用于随着例如沿z方向进给而感测结构。例如，在进给运动期间由距离传感器提供的读数可取决于参照传感器的读数被记录并存储。这将产生沿z方向的距离传感器的值对。相同情况适用于其他被感测特征，比如亮度。与标准值相比，辅助件的边缘和结构的绝对位置和定向可从距离传感器的读数确定。一旦如下所述确定结构，就将获知边缘的确切位置。获知从结构至边缘的距离允许确切限定边缘沿轴向的位置。因此，当安装辅助件时，辅助件的边缘以及因此沉头部的上边缘的位置是已知的。

关于该结构的构造存在不同可能性：

该结构可为辅助件的内孔中的台阶部。有利的是，辅助件在台阶部的每侧上的内径被选择使得不超过距离传感器的测量范围。这防止了距离传感器“观察到无穷大”。以此方式，在台阶部的每侧上生成有效读数，从而允许非常精确地确定轴向位置。如果添加附加台阶部，且每个台阶部具有不同内径或表面光洁度的过渡，则可增加测量精度，这是由于可执行特定统计(平均、似然测试)的缘故。

特别有利的是，结构包括坡道或斜坡。在旋转对称布置中，结构就对应于圆锥形。尽管由于过渡部不是锐利台阶部且对于倾斜表面的测量一般是不利的，故而这使得确定边缘更为困难，但该缺点可通过在多个测量点之间拟合直线被平衡。首先，在沿恒定内径的进给运动期间记录读数。由于噪波或其他测量误差，测量内径倾向于是不精确的。通过使用读数，可能以已知的方式拟合直线，从而使得可能确定内径的确切值。随着进给运动继续，沿倾斜表面记录到其他读数。再次，以类似方式拟合直线。通过两个直线的交点确定过渡部。由于直线包含已被平均的读数，故而可高精度地确定交点。这允许简易地且有效地补偿信号丢失或畸变，信号丢失或畸变倾向于发生在平直块段与倾斜块段之间的过渡点处或发生在辅助件或孔的边缘上。斜坡被限定使得传感器仍然生成足够有效读数，同时能以足够的精度用数学方法确定交点。

例如通过在辅助件中在第一斜坡后包含具有恒定内径的新的平直块段，该可能性可被进一步扩大。还可能使用多个斜坡和平直块段的组合。这允许拟合更多直线，这些直线的交点可高精度地确定，从而提高了确定边缘的总体精度。

通过将直线拟合成多个分段平直部分(斜坡、内径、沉头部)，可例如使用数学方法或通过由计算机执行的评估来确切地确定交点。在极为普通的形式中，该结构可包括任何几何形状，比如圆弧。接着，必须以合适的方式、例如通过多项式插值或通过样条插值来拟合读数。

以对于辅助件相同的方式，通过将曲线拟合于读数来确定孔、沉头部或肩部的轮廓。这允许确定孔/沉头部的几何形状特征。特别地，在过渡点处，可能确定确切位置，这是由于典型特征通过数学方法(拟合、交点计算等)而不是参照被噪波或信号丢失影响的传感器信号被确切地确定的缘故。

存在不同可能性来以有利的方式配置并改善本发明的启示，这些可能性一方面来自于权利要求1的并列权利要求，另一方面来自以下参考附图对本发明的优选示例性实施例的描述。还将与参考附图对所涉及的本发明的示例性实施例的描述相关联地描述启示的总体优选配置和改进。在附图中：

图1示出了两个工件的连接中的几何比例关系的示意图；

图2示出了使用现有技术的光学传感器的测量操作的示意图；

图3示出了具有辅助件的测量装置的特定构造/布置的示意图；

图4示出了根据图3中的测量装置的测量值曲线图表；

图5a示出了根据本发明的装置的辅助件的示例性实施例的示意图；

图5b示出了根据本发明的装置的另一辅助件的示例性实施例的示意图；

图5c示出了根据本发明的装置的另一辅助件的示例性实施例的示意图；

图6示出了根据本发明的装置的另一辅助件的示例性实施例的示意图；

图7示出了根据本发明的装置的另一辅助件的示例性实施例的示意图；

图8示出了根据本发明的装置的另一辅助件的示例性实施例的示意图；

图9示出了在传感器的进给路线上的测量装置的示意图，其在引入孔中之前在圆锥部的边缘上运动；以及

图10示出了根据图9中的测量装置的测量值曲线图表。

图1示出了两个工件2、3的连接中的几何比例关系1。所述孔4具有沉头部5，以防止螺钉或铆钉头部延伸超过工件表面。在所述沉头部5的上边缘上可设有小肩部6。可测量多个几何形状特征：肩部的深度7或沉头部的深度8、肩部的直径10或孔的直径9、沉头部的角度α11、或者两个被连接工件的总厚度。需要验证读数来避免在后续拧入或铆接过程中被安装的螺钉或铆钉突出到表面上方或在钻孔中安放得过深。这些条件对于螺纹或铆钉连接的稳定性和耐久性而言是关键的。

图2示出了对孔4的内径9的测量过程。测量装置12包括传感器13，该传感器13通过进给/转动单元(出于方便起见未示出)被引入钻孔中并在其中转动。通过传感器13的一次或多次转动，可通过用测量光束14扫描来测量孔4的内径9。通过使用进给单元，可在孔4的若干个深度位置处进行这种测量。

图3示出了具有传感器13和辅助件15的测量装置12，在测量装置12的进给期间，辅助件15借助弹簧16被推靠于工件2的表面。接着，传感器13被插入穿过辅助件15进入沉头部5或孔4中。在进给运动期间，记录辅助件15的轮廓以及沉头部5和肩部6的轮廓。

图4示出了图3中的测量值曲线。区域a描绘了辅助件15的内轮廓ab。区域b对应于肩部6，区域c对应于沉头部5，区域d对应于孔4。在a与b之间的过渡部(过渡部17，辅助件的边缘至工件的上边缘)以及b与c之间的过渡部(过渡部18，从肩部6至沉头部5)处可清楚见到读数的畸变。这些读数不能被参照用于确切地确定边缘或过渡部的位置。

图5a示出了辅助件15的示例性构造。在辅助件内部上，例如通过旋转机加工有台阶部19。所述台阶部的边缘19具有至辅助件的边缘20的已知距离21。朝向边缘在所述台阶部之后的内径9被选择为不超出传感器13的测量范围。因此，测量光束14给出了有效读数。

图5b示出了辅助件15的另一示例性构造。在辅助件15的内部上，表面结构表明纹理的变化。在此，描绘了亮度的变化。在上部分15a中，内表面是亮的，而另一方面在下部分15b中，内表面是暗的。在位置19处发生变化，使得所述位置具有至辅助件15的边缘的已知距离21。传感器13例如通过评估强度信号来识别边缘19上的表面光洁度的变化。类似地，其他结构可固附至内部，其他结构例如是色彩变化或光泽度变化。这通过图5c中的示例来示出。

根据图5c，辅助件15的内表面通过色彩(上部分15a、下部分15b)用各部分之间变化的亮－暗过渡部来构建。至辅助件15的边缘20的距离可从过渡部19‘、19“、19“‘、19““的已知位置确定。

图6示出了辅助件15的另一示例性构造。在辅助件的内部上机加工有两个台阶部19‘、19“。第一台阶部的边缘(19‘)具有至辅助件15的边缘20的已知距离21‘，第二台阶部的边缘19“具有至辅助件的边缘的已知距离21“。

图7示出了辅助件15的另一示例性构造。在辅助件内部上，例如通过旋转机加工有斜坡(圆锥部)22。至所述圆锥部22的过渡部的边缘19具有至辅助件的边缘20的已知距离21。

图8示出了辅助件15的另一示例性构造。在辅助件内部上，例如通过旋转机加工有斜坡(圆锥部)22，该斜坡(圆锥部)22再次邻接具有恒定直径23的区域。至圆锥部22的过渡部的第一边缘19‘具有至辅助件15的边缘20的已知距离21‘，过渡部的第二边缘19“具有至辅助件的边缘的第二已知距离21“。通过将直线分段拟合于读数，获得了可高精度地确定的两个交点19‘、19“。

图9示出了在传感器13的进给路线上在引入孔中之前在圆锥部的边缘上的测量布置。在该不利的情形中，肩部6的直径约与辅助件的边缘上的斜坡22的直径尺寸相同。当传感器13经过时，对辅助件的边缘20的检测会变得困难甚至不可能。通过将直线拟合成分段平直部分(斜坡、内径、沉头部)，可确切地确定交点并因而确定被测物体的起始点。

图10示出了当传感器被进给进入孔中时测量的示例性结果。可在测量信号中见到噪波，这一方面是由于辅助件或孔/沉头部的表面特性，另一方面是由于传感器本身。在平直块段与倾斜块段之间的过渡点中，例如在辅助件上的位置24处或在辅助件与沉头部25之间的过渡点处，信号丢失或畸变特别清楚。通过将直线分段拟合于测量点，可实现平整和平滑。在对于上平直部分中的辅助件的读数中，拟合有直线26，且在随后的倾斜部分中，拟合有第二直线27。于是，直线的交点提供了过渡点19“的确切位置。这允许确定确切交点，从而使得可能精确地确定边缘20的位置。类似地，辅助件28的下圆筒形部分中的拟合线与圆锥部分的拟合线相交，从而限定过渡点19‘。

从cad数据或通过校准获知的过渡点19‘、19“的确切位置因而允许确定辅助件的边缘的确切位置。因此，在将辅助件安装在沉头部上时还确定了沉头部的上边缘的确切位置。

类似情况适用于沉头部5和孔4，在沉头部5和孔4处拟合有直线29、30，其交点建立了过渡点31且因此建立了沉头部的端部。

关于本发明的启示的附加有利构造，请参考本说明书的整个部分以及所附权利要求，以避免重复。

最后，要明确指出的是，上述本发明的启示的示例性实施例仅用于示出所要求保护的启示而不是将其限定为示例性实施例。

附图标记列表

1几何比例关系

2工件

3工件

4孔

5孔的沉头部

6沉头部的上边缘上的肩部

7肩部的深度

8沉头部的深度

9孔的直径、内径

10肩部的直径

11角度α

12测量装置

13传感器

14测量光束

15a辅助件、上部分

15b辅助件、下部分

16弹簧

17区域a与区域b之间的过渡部

18区域b与区域c之间的过渡部

19,19‘,19“‘台阶部、边缘

20辅助件的边缘

21,21‘,21“至辅助件边缘的距离

22斜坡、圆锥部

23具有恒定直径的区域

24位置

25辅助件与沉头部之间的过渡点

26第一直线

27第二直线

28直线

29直线

30曲线、直线

31过渡点