本发明涉及一种用于测量工件的平坦表面相对于旋转轴线的轴向摆动或正交误差的方法，以及涉及一种相应的测量组件。
特别地，本发明在用于测量机械部件(例如汽车发动机)的尺寸形状或位置参数的测量组件中发现有利但非排他性的应用，以下描述将在不失一般性的情况下作出明确的参考。
背景技术
一种用于测量工件或机械部件的已知测量组件包括固定框架、电动旋转保持机构，电动旋转保持机构安装在固定框架上，以将工件保持在其轴向间隔开的两个端部处，并使工件绕轴线旋转，平行于轴线的纵向引导件，电动可移动框架，电动可移动框架适于沿纵向引导件平移，并且包括具有布置在工件的相对侧上的两个臂的叉，以及横向于自己的轴、安装在可移动框架上以获取工件的线性图像的光电探针。
特别地，光电探针包括：发光器，其布置在可移动框架的臂上，以便发射平行于与工件轴线正交的平面的光束；以及线性图像传感器，其布置在可移动框架的另一臂上，以便与发光器对准，以根据阴影投射技术获取工件的图像。
测量组件还包括电子控制单元，该电子控制单元被配置为根据操作者可选择的多个操作顺序来控制旋转保持机构、可移动框架和光电探针，以检查工件的各种尺寸、形状或位置特征或参数。这些参数之一是工件的平坦表面相对于其旋转轴线的正交误差，也称为轴向tir(总指示读数)或轴向摆动。
轴向摆动的检查或测量过程通常包括以下步骤：
-使工件绕其自身轴线旋转，以便将其布置成以360°旋转均匀分布的一系列角位置；
-在每个角位置处，执行工件的光学扫描以及获得图像，同时在沿着平行于轴的扫描方向移动光电探针；
-基于通过每次光学扫描获得的图像，确定沿着所述扫描方向、工件的平坦表面的位置；以及
-根据平坦表面的所有位置计算轴向摆动。
在以一定角位置执行的单个光学扫描中，光电传感器沿着平行于工件轴线的扫描方向、以预定速率获取一系列线性图像，并将这些图像组合成单个二维图像。
上述检查过程具有相当长的周期时间的明显缺点，因为需要平行于工件轴线执行大量扫描，即，扫描每个角位置。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种用于测量机械件的平坦表面的轴向摆动的方法，该方法具有短的周期时间，并且同时易于实施且实施起来成本低廉。
本发明的另一个目的是提供一种用于执行这种方法的测量或检查组件。
根据本发明，提供了一种用于测量工件的平坦表面相对于旋转轴线的轴向摆动的方法，以及一种用于测量工件的平坦表面相对于旋转轴线的轴向摆动的组件，如所附权利要求中限定。
附图说明
现在将参照附图描述本发明，附图示出了非限制性实施例，其中：
-图1是根据本发明的用于测量机械部件的参数的组件的透视图，该组件被配置为实现用于测量工件的平坦表面的轴向摆动的方法；
-图2是图1的组件的一部分的不同透视图；
-图3以示意性方式示出了根据本发明的用于测量轴向摆动的方法的相位的性能；
-图4示出了根据本发明的用于测量轴向摆动的方法的中间结果的示例；以及
-图5示出了根据本发明的用于测量轴向摆动的方法的另一中间结果的示例。
具体实施方式
在图1中，用附图标记1表示用于测量工件2的各种参数的测量或检查组件。在图1的特定示例中，工件2是盘形部分，其包括限定对称轴线并且是轴3的一部分的平坦表面22。参考图1，测量组件1包括：固定框架4；电动旋转保持机构5，安装在固定框架4上用于轴向保持轴3以及工件2，并使其绕旋转轴线6旋转，旋转轴线6例如与工件2的对称轴线重合；固定框架4上的纵向引导件7，其沿平行于旋转轴线6的z方向延伸；具有滑块8的可移动支撑件，其适于沿着z方向在纵向引导件7上平移，并且包括叉9，其具有相对于旋转轴线6布置在相对侧上的两个臂10和11，以及光电传感器12，光电传感器12安装在叉9上，以获得工件2的、横向于旋转轴线6的线性图像。
在图1所示的示例中，旋转保持机构5是包括具有活顶尖13的主轴箱和具有死点14的尾架的类型，该死点14适于将轴3保持在其轴向端部3a和3b处。与固定框架4一体的电机15适于使活顶尖13旋转，而死点14可以空转。优选地，旋转保持机构5布置成使得旋转轴线6是竖直的。滑块8优选地经由螺纹联结件(未示出)运动地联结到与固定框架4一体的另一个电机16。
图2中还示出了光电探针12，其是叉9的顶部透视图，其上安装有所有部件，并且包括适于发射可见光或红外辐射的平行光束18的发光器17，并且以这样的方式布置在叉9的臂10上，使得束18平行于与旋转轴线6垂直的平面。光电探针12还包括线性图像传感器19(图2)，其布置在臂11上，从而与发光器17对准，并且因此平行于与旋转轴线6垂直的平面定向，用于根据阴影投射技术获取工件2的图像。
发光器17和线性图像传感器19设置有相应的远心或双远心光学器件，以确保光束18的光线彼此平行。线性图像传感器19是已知类型并且包括对可见光或红外辐射敏感的元件阵列，其沿着线布置，以便获取仅具有一个像素宽度的线性图像。
测量组件1包括电子控制单元20，其配置成控制电机15和16以及光电传感器12，以便实现本发明的测量轴向摆动或tir的方法，如下面详细描述的。
在预备步骤中，控制单元20被编程为沿z方向搜索叉9所被必须放置其上的初始位置(或高度)。这个预备步骤包括：
-工件2的具有低扫描速率的快速光学扫描，即沿z方向具有相对大量的前进步骤的扫描，其中，控制单元20控制电机16和光电传感器12，以获得工件2的未知轮廓，以及
-根据所获取的轮廓对控制单元20进行随后的编程，使得控制单元20自身控制马达16，以将叉9定位在待检查工件2的区域的邻近处，该区域的邻近处包括待测量的平坦表面22。
特别地，操作者在所获取的工件2的轮廓中定位参考项目以及参考项目与待检查区域之间的初始距离，然后对控制单元20进行编程，以考虑参考项目和该初始距离。控制单元20被配置为控制马达16和光电传感器12，以便搜索参考项目并将光电传感器12定位在距参考项目的初始距离处。实质上，根据上述参考项目和初始距离确定叉19沿着z方向必须所处的初始位置。
在这一点上，与轴向摆动的测量更紧密相关的步骤开始。
第一光学扫描由光电传感器12执行，而通过控制电机16使得工件2不旋转，即工件2的光学扫描，工件2安置在某个角位置θo，使得叉9、随后光电探针12相对于工件2、沿z方向相对平移预定幅度的步幅(与线性图像传感器19的像素的尺寸可相比)，其与线性图像传感器19的像素的大小的数量级相同。
通常，在非旋转工件的第一次光学扫描期间，叉9和工件2之间的相对平移的步幅的幅度由在时间上间歇和规则的平移限定，即根据第一恒定时间步。可替选地，相对平移的步幅具有恒定的预定幅度。优选地，平移步骤具有比线性图像传感器19的像素的尺寸更小的幅度。例如，如果线性图像传感器19的像素具有7×7微米的尺寸，则步幅基本上等于3微米。非旋转工件的第一次光学扫描沿着z方向、延伸穿过待检查的工件2的平坦表面22周围的足够大的区域。
通过非旋转工件的第一次光学扫描，获得平行于与旋转轴线6垂直的平面并沿z方向分布的一系列第一线性图像。图3示出了根据平行于轴线6的视图，该视图简化并且相对于图1和2以放大比例示出了工件2的侧面部分和线性图像的位置(用附图标记21表示)，通过第一次光学扫描非旋转工件获得的顺序。随着工件2和光电探针12之间沿z方向的相对位置变化，从获取的第一线性图像获得图像传感器19的某个像素的第一光强度趋势l1。附图标记23表示所述像素在图像21中的位置。特别地，获得图像传感器19的所有像素的光强度趋势，并且其中，选择呈现光强度的最大变化的趋势。根据有利的替代解决方案，在图像传感器19的所有像素的光强度趋势中，选择最显著的那些，例如具有超过某个相对可变性阈值的光强度变化的那些，以及获得第一光强度趋势l1作为已被选择的这种最显著的平均值。例如，相对可变性阈值是所有像素的光强度趋势之间的最大光强度变化的预定百分比。
图4是第一光强度趋势l1相对于图像传感器19的像素的示例的曲线图，其居中地布置在传感器自身的半部分中。第一光强度趋势l1作为数据表存储在电子控制单元20的内部存储器中。
在这一点上，限定位置范围zm，其中，第一光强度趋势l1具有单调趋势，并且平坦表面22的相对位置zr被确定为位置范围zm的中间位置。
光电探针12移动并放置在平坦表面22的相对位置zr内，并被控制以执行旋转工件的第二光学扫描，更具体地，旋转保持机构5使得工件2以预定幅度的角度步幅、例如围绕旋转轴线6旋转360°角时的工件2的光学扫描。通常，根据第二恒定时间步，在旋转工件的第二光学扫描期间，工件2的角度旋转步幅的幅度由规则的时间上间歇的旋转限定。可替选地，在旋转工件的第二光学扫描期间，工件2的角度旋转步幅具有恒定的预定幅度。
通过旋转工件的第二光学扫描，获得沿z方向在相同高度或位置处(更具体地，在平坦表面的相对位置zr处)的一系列第二线性图像。所获取的顺序的线性图像与围绕旋转轴线6的工件2的相应角位置θn相关联。工件2的旋转改变由图像传感器19的每个像素接收的光强度。从通过旋转工件的第二光学扫描获得的第二线性图像，随着工件2的角位置θ变化，获得了像素23的第二光强度趋势l2，并且从第二光强度趋势，如下获得至少两个强度值。
对第二光强度趋势l2进行滤波，以去除由于工件的表面不规则性、更具体地说是表面22的表面不规则性引起的光变化峰值。例如经由稳健的样条滤波器高达十五次谐波、或通过傅立叶滤波器，来执行第二光强度趋势l2的滤波。图5是相对于图4的第一光强度趋势l1的相同像素的可能的第二光强度趋势l2和相应的滤波后的一系列光强度值的曲线图，其用参考标号i2f表示。
类似于第一光强度趋势l1，第二光强度趋势l2和滤波后的一系列光强度值l2f作为相应的数据表存储在电子控制单元20的内部存储器中。
在滤波后的一系列光强度值l2f中，选择最大光强度值lmax和最小光强度值lmin(图5)。最大光强度值和最小光强度值lmax和lmin用作第一光强度趋势l1的输入数据，以从后者中选择最大位置值zmax和最小位置值zmin，二者分别对应于最大光强度值lmax和最小光强度值lmin(图4)。轴向摆动或轴向tir被计算为最大位置值zmax和最小位置值zmin之间的差。
可能发生的是，最大光强度值lmax或最小光强度值lmin对应于第二光强度趋势i2饱和的部分，即，检测到的光强度基本恒定的部分，根据某个第一公差，并且，根据第二公差，它基本上等于对应于“全光”的光强度值，或者分别对应于这样的光强度值，该光强度值对应于“全黑”，因为工件2的角位置θ在改变。这意味着执行非旋转工件的第二光学扫描的工件2的位置不是最佳位置。在这种情况下，分别对应于最大光强度值lmax和最小光强度值lmin的最大位置值zmax或最小位置值zmin落在位置范围zm之外。在这种情况下，光电探针12在跳出位置范围zm、分别在最大位置值zmax的方向上移动，或者在最小位置值zmin的方向上移动，并且停止在平坦表面的新的相对位置zr中，其通过求和或者分别从旧的相对位置zr减去等于位置范围zm的一半的量来确定，并且被控制以执行对旋转工件的进一步的第二次光学扫描，以获得进一步的图像，在该图像上随后重复上述过程，以获得新的最大位置值zmax和/或新的最小位置值zmin。
该过程包括确定平坦表面的新的相对位置zr，对应于新的相对位置zr执行的旋转工件的进一步的第二光学扫描，以及从通过旋转工件的第二光学扫描获得的图像而获得的新的最大位置值zmax和最小位置值zmin，该过程被重复，直到第二光强度趋势l2没有饱和特性。
根据本发明的另一个实施例(在图中未示出)，在第二光强度趋势l2的整个范围内的一系列光强度值被用作第一光强度趋势l1的输入数据，以从后者中选择对应的一系列相应位置值，其被过滤以去除对应于由于工件2的表面(更具体地是表面22)不规则性引起的光强度变化峰值变化的位置变化峰值，从而获得过滤的一系列位置值l1f。即使在这种情况下，例如，经由直到第十五谐波的稳健样条滤波器或通过傅立叶滤波器来执行对一系列位置值的滤波。根据滤波的一系列位置值l1f，选择最大位置值zmax和最小位置值zmin。
根据本发明的测量方法和相应的测量组件1的主要优点是：通过使用能够根据阴影投射技术获取线性图像的光电探针12，通过光学装置，显著减少测量工件2的平坦表面22的轴向摆动的时间。实际上，根据本发明的方法仅需要对工件2进行两次光学扫描，即在沿着平行于工件2的旋转轴线6的z方向移动光电探针12的同时对非旋转工件进行第一次光学扫描，以及当光电探针12静止在某一位置并且工件2围绕旋转轴线6完成一圈时，旋转工件2的第二次光学扫描。