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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum optischen Erfassen von Umriss
und/oder Oberflächeneigenschaften
flächiger
Werkstücke
in einer Breitbandschleifmaschine.
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Aus
der
DE 34 02 104 A1 ist
eine Bandschleifmaschine bekannt, die einen eine Vielzahl von nebeneinander
angeordneten Druckschuhen aufweisenden, quer zur Förderrichtung
eines Werkstückes ausgerichteten
Druckbalken zum Andruck des Schleifbandes an die Werkstückoberfläche hat.
Die Andruckkraft jedes Druckschuhes ist dabei einzeln steuerbar
in Abhängigkeit
der Kontur des auf einem Transportband unter dem Schleifband durchlaufenden
Werkstückes.
Hierzu werden die Werkstücke
mit Detektoren, beispielsweise Laser-Lichtschranken berührungslos
ab getastet. Die Detektoren sind quer zur Transportrichtung des Werkstückes nebeneinander angeordnet,
wobei jedem Druckschuh des Druckbalkens mehrere mit ihm fluchtende
Detektoren zugeordnet sind.
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Die
optischen Detektoren ermöglichen
eine bessere Auflösung
als mechanische Tastelemente, sind jedoch in ihrer Vielzahl aufwendig
und unter den Betriebsbedingungen einer Schleifmaschine mit dem anfallenden
Schleifstaub störanfällig.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs
genannten Art anzugeben, die bei hoher räumlicher Auflösung einen
geringeren Aufwand erfordert und weniger störanfällig ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
ein längliches
balkenförmiges
Gehäuse,
das eine optische Abtastvorrichtung mit mindestens einer Lichtquelle
zur Erzeugung eines Taststrahles und einer Ablenkvorrichtung enthält, welche
den Taststrahl zwischen den Längsenden
des Gehäuses
hin- und herbewegt, und das in einer seiner Wände ein sich in Längsrichtung
des Gehäuses
erstreckendes Austrittsfenster für
den Taststrahl und ein hierzu paralleles Eintrittsfenster für den von
einem Werkstück
oder seiner Unterlage reflektierten Taststrahl hat, wobei in dem
Gehäuse
hinter dem Eintrittsfenster eine zeilenförmige Lichtempfangsanordnung
mit einer Vielzahl von optischen Sensoren angeordnet ist, sowie
eine mit der Lichtempfangsanordnung verbundene Auswerteeinheit,
der die Ausgangssignale der Lichtempfangsanordnung zuführbar sind.
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Bei
der erfindungsgemäßen Lösung sind
die empfindlichen optischen Elemente in dem Gehäuse geschützt untergebracht und damit
gegen die Umgebungseinflüsse
innerhalb der Schleifmaschine, insbesondere das Eindringen und Ablagern
von Schleifstaub geschützt.
An den glatten Fenstern des Gehäuses
kann sich der Schleifstaub schlechter halten. Außerdem können die Fenster leicht gereinigt
werden. Gleichzeitig kann mit dem wandernden Taststrahl die gesamte
Arbeitsbreite der Schleifmaschine kontinuierlich abgetastet werden,
so dass eine hohe räumliche
Auf lösung
möglich
ist, die im wesentlichen nur durch die Anordnung der optischen Sensoren
begrenzt wird.
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In
der Praxis kann die Genauigkeit der Abtastung durch die Aufweitung
des Taststrahles auf seinem Weg von der Ablenkvorrichtung zu dem Werkstück, die
Streuung des Lichtes des Taststrahles und Lichtreflexe beeinträchtigt werden.
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Diese
Probleme können
bei einer ersten Ausführungsform
dadurch behoben werden, dass die Ablenkvorrichtung einen Positionsgeber
umfasst, dessen Ausgangssignal eine Information zum Ermitteln der
Ablenkrichtung des Taststrahles enthält. Ist die Ablenkvorrichtung
beispielsweise von einem Drehspiegel gebildet, so kann dieser oder
sein Antrieb mit einem Winkelgeber gekoppelt sein.
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Gemäß einer
zweiten Ausführungsform
ist dem Taststrahl ein Referenzstrahl zugeordnet, der innerhalb
des Gehäuses
auf eine zweite zeilenförmige Lichtempfangsanordnung
mit einer Vielzahl optischer Sensoren gerichtet und entlang derselben
mittels einer Ablenkvorrichtung synchron zu dem Taststrahl ablenkbar
ist, wobei die Ausgangssignale beider Lichtempfangsanordnungen einer
gemeinsamen Auswerteeinheit zuführbar
sind. Die Auswertung erfolgt nun in der Weise, dass das Signal der
ersten Lichtempfangsanordnung, die von dem Taststrahl getroffen
wird, nur dahingehend ausgewertet wird, dass überhaupt ein Werkstück vorhanden
ist. Die zweite Lichtempfangsanordnung, die von dem synchron mit dem
Taststrahl abgelenkten Referenzstrahl getroffen wird, liefert die
Ortsinformation, d.h. wo ein Werkstück auf der Unterlage erfasst
wurde. Da der Referenzstrahl nur innerhalb des balkenförmigen Gehäuses verläuft und
vorzugsweise direkt von der Ablenkvorrichtung auf die zweite Lichtempfangsanordnung gerichtet
ist, ist dieser Referenzstrahl unbeeinflusst von Streuung und anderen
Störungen,
so dass sein Auftreffort auf der zweiten Lichtempfangsanordnung wesentlich
präziser
lokalisiert werden kann als dies bei dem Taststrahl auf der ersten
Lichtempfangsanordnung möglicherweise
der Fall ist. Durch die Verknüpfung
beider Signale in der gemeinsamen Auswerteeinheit kann damit eine
von den äußeren Umgebungseinflüssen völlig unbeeinflusste,
präzise
Lokalisierung eines Werkstückes
auf der Unterlage erfolgen.
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Der
Taststrahl und der Referenzstrahl können von einer gemeinsamen
Lichtquelle abgeleitet werden. Einfacher und störungsfreier ist es aber, zur Erzeugung
des Taststrahles und des Referenzstrahles jeweils eine eigene Lichtquelle
vorzusehen.
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Um
den Taststrahl und den Referenzstrahl synchron abzulenken, ist es
zweckmäßig, wenn
der Taststrahl und der Referenzstrahl durch dieselbe Ablenkvorrichtung,
beispielsweise einen beiden Strahlen zugeordneten Drehspiegel, abgelenkt
werden.
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Vorzugsweise
ist zwischen dem Drehspiegel und dem Austrittsfenster zumindest
ein stationärer Spiegel
derart angeordnet, dass der abgelenkte Taststrahl unter einem vorgegebenen
Winkel aus dem Austrittsfenster des Gehäuses austritt. Damit erhält man eine
größere Freiheit
für die
Anordnung der Lichtquelle und der Ablenkvorrichtung innerhalb des Gehäuses. Der
Stationäre
Spiegel oder einer der stationären
Spiegel ist vorzugsweise verstellbar, um die Austrittsrichtung des
Taststrahles aus dem Austrittsfenster justieren zu können.
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Die
Lichtempfangsanordnungen sind zweckmäßigerweise jeweils von einer
Leiste photoelektrischer Elemente gebildet, die eine sehr hohe räumliche
Auflösung
ermöglichen.
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Die
Erfindung betrifft ferner eine Schleifmaschine, insbesondere eine
Breitbandschleifmaschine mit einer Werkstückauflagefläche, auf der flächige Werkstücke in einer
Transportrichtung durch die Schleifmaschine transportierbar sind,
mit einem parallel zur Transportrichtung umlaufenden Schleifband und
einem sich quer zur Transportrichtung über die Breite des Schleifbandes
erstreckenden Druckbalken mit einer Vielzahl von Andruckelementen,
die über eine
Steuereinrichtung unabhängig
voneinander ansteuerbar sind. Eine solche Breitbandschleifmaschine
ist an sich bekannt und braucht daher nicht näher erläutert werden. Erfindungsgemäß umfasst
die Schleifmaschine eine vorstehend beschriebene Vorrichtung zum
optischen Erfassen der Flächenkontur flächiger Werkstücke, wobei
sich das balkenförmige Gehäuse stromaufwärts des
Schleifbandes quer zur Transportrichtung über die Werkstückauflagefläche erstreckt,
so dass das Austrittsfenster und das Eintrittsfenster der Werkstückauflagefläche zugewandt sind,
und wobei die Auswerteeinheit mit der Steuereinrichtung verbunden
ist, so dass die erfasste Flächenkontur
in Steuersignalen zum Ansteuern der Andruckelemente des Druckbalkens
genutzt werden kann.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Überprüfen der Werkstückoberfläche beim Schleifen
flächiger
Werkstücke
in Schleifmaschinen, insbesondere Breitbandschleifmaschinen, bei
dem die Werkstückoberfläche mit
mindestens einem Lichtstrahl abgetastet und die Intensität des von
der Werkstückoberfläche reflektierten
Lichtstrahles erfasst wird, und bei dem die erfassten Intensitätswerte mit
Referenzwerten verglichen werden. Dabei kann die Überprüfung der
Werkstückoberfläche vor
dem schleifen erfolgen, um die Schleifparameter in Abhängigkeit
der Oberflächeneigenschaften
des Werkstückes
einzustellen. Mit der Abtastung der Werkstückoberfläche nach dem Schleifvorgang
kann das Schleifergebnis kontrolliert werden, indem man die ermittelten
Werte entweder mit vorgegebenen Sollwerten oder mit den vor dem
schleifen ermittelten Werten vergleicht.
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Die
folgende Beschreibung erläutert
in Verbindung mit den beigefügten
Figuren die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen. Es zeigen
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1 eine
schematische Darstellung einer Breitbandschleifmaschine mit einer
Vorrichtung zum optischen Erfassen der Flächenkontur flächiger Werkstücke,
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2 einen
schematischen Querschnitt durch die Erfassungsvorrichtung gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung,
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3 einen
schematischen Querschnitt durch die Erfassungsvorrichtung gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung, und
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4 einen
der 3 entsprechenden Schnitt durch die Erfassungsvorrichtung
gemäß einer dritten
Ausführungsform
der Erfindung.
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Die
in der 1 schematisch dargestellte Breitbandschleifmaschine
umfasst ein die Werkstückauflagefläche bildendes
Transportband 10, auf dem ein Werkstück 12 in Richtung
des Pfeiles A transportiert werden kann. Oberhalb des Transportbandes 10 ist
ein Schleifaggregat 14 angeordnet mit einem Schleifband 16,
das über
eine Antriebswalze 21, eine Umlenkrolle 20 und
eine Spannrolle 18 geführt
ist und sich in Blickrichtung auf die 1 quer über die
Breite des Transportbandes 10 erstreckt. Das Schleifaggregat 16 umfasst
auch einen Druckbalken 22, der in bekannter Weise aus einer
Vielzahl von Andruckelementen oder Druckschuhen besteht, die quer
zur Transportrichtung A nebeneinander angeordnet sind und über eine
Steuereinrichtung 24 einzeln und unabhängig voneinander ansteuerbar sind,
um das Schleifband 16 entsprechend der Kontur des Werkstückes 12 an
dessen Oberfläche
anzudrücken.
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Um
die Kontur des Werkstückes
und dessen Lage auf dem Transportband 10 zu erfassen, ist stromaufwärts des
Schleifaggregates 14 ein Scannerbalken 26 angeordnet,
der sich ebenfalls quer über
die Breite des Transportbandes 10 erstreckt und dessen
Aufbau und Funktion nun anhand der 2 näher erläutert werden
sollen.
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2 zeigt
den Scannerbalken 26 in einem senkrecht zum Transportband 10 gerichteten
und die Transportrichtung A einschließenden Schnitt. Der Scannerbalken 26 hat
ein annähernd
quaderförmiges
Gehäuse 28 mit
einer Bodenplatte 30 und einer Abdeckhaube 32.
Nahe der Deckfläche
der Haube 32 innerhalb des Gehäuses 26 und in dessen
Längsmitte
befindet sich die von einem Laser gebildete Lichtquelle 34.
Der Lichtquelle 34 ist ein Drehspiegel 36 zugeordnet,
der über
einen Antrieb 38 angetrieben wird, um so den von der Lichtquelle 34 ausgehenden Taststrahl 40 mit
einer von der Anzahl der Facetten des Drehspiegel 36 und
der Drehgeschwindigkeit des Antriebes 38 abhängenden
Frequenz über
die Länge
des Gehäuses 26 hin
abzulenken. Dem Drehspiegel 36 sind wiederum zwei zueinander
parallele und sich über
die Länge
des Gehäuses 26 erstreckende
stationäre
Spiegel 42 und 44 zugeordnet, die einander zugewandt
sind und einen Abstand voneinander haben, so dass sie den auf den
Drehspiegeln 36 einfallenden Taststrahl 40 in
mehreren Schritten hin und her reflektieren, wie dies in 2 durch
den zickzackförmigen
Strahlengang angedeutet ist. Nahe der Bodenplatte 30 ist
ein justierbarer Spiegel 46 angeordnet, der sich ebenfalls über die
gesamte Länge des
Gehäuses 26 erstreckt
und um eine Achse 48 geneigt werden kann. Er lenkt den
Taststrahl 40 durch ein Austrittsfenster 50 in
der Bodenplatte 30. Das Austrittsfenster ist von einem
sich über
die Länge
der Bodenplatte erstreckenden Spalt 52 gebildet, der durch
eine transparente Platte 54 abgedeckt ist, die an die Bodenplatte 30 angeschraubt
ist.
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Nahe
dem anderen Längsrand
der Bodenplatte 30 ist ein Eintrittsfenster 56 für den reflektierten Taststrahl
vorgesehen, das in der gleichen Weise wie das Austrittsfenster 50 von
einem länglichen
Spalt 58 in der Bodenplatte gebildet ist, der durch eine
an diese angeschraubte transparente Platte 60 abgedeckt wird.
Hinter dem Eintrittsfenster ist eine die Lichtempfangsanordnung
bildende Fotodiodenleiste 62 angeordnet.
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Der
Taststrahl 40 wird mit Hilfe des Justierspiegels 46 so
durch das Austrittsfenster 50 gelenkt, dass er beim Auftreffen
auf ein Werkstück 12 durch das
Eintrittsfenster 56 hindurch auf die Fotodioden 64 der
Fotodiodenleiste 62 trifft, sofern die Dicke des Werkstückes 12 einen
vorgegebenen Wert mit einer gewissen Toleranz nicht über- oder unterschreitet. Trifft
der Taststrahl dagegen auf das Transportband 10, d.h. die
Werkstückauflagefläche, so
erreicht der von dieser reflektierte Strahl nicht den Spalt 58 und somit
auch nicht die Fotodiodenleiste 62, wie dies durch die
gestrichelten Linien angedeutet ist. Somit können die Flächenkonturen des Werkstückes 12 und
seine Lage auf dem Transportband 10 erfasst werden. Die
Fotodiodenzeile 62 ist über
eine Auswerteeinheit 66 mit der Steuervorrichtung 24 verbunden, die
dann aufgrund der von der Fotodiodenzeile 62 bzw. der Auswerteeinheit 66 gelieferten
Signa le bestimmt, welche Segmente des Druckbalkens 22 angesteuert
werden müssen,
um das Schleifband in der gewünschten
Weise an die Oberfläche
des Werkstückes 12 anzudrücken. Hierzu
werden die von der Auswerteeinheit 66 erhaltenen Signale
in der Steuervorrichtung verstärkt,
um Steuersignale zum Ansteuern der Segmente des Druckbalkens zu
erhalten.
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Die
von dem Scannerbalken gelieferten Signale können in der Auswerteeinheit 66 auch
bezüglich
ihrer Intensität
ausgewertet werden. Dies liefert eine Information über die
lokale Beschaffenheit der Werkstückoberfläche, z.B.
die Rauhigkeit, die Struktur und Farbe derselben. Diese Information
kann dann genutzt werden, um die Schleifparameter wie Schleifdruck
und Schleifgeschwindigkeit gezielt zu verändern, um ein optimales Schleifergebnis
zu erhalten.
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Ein
weiterer Scannerbalken 26 der vorstehend beschriebenen
Art kann auch in Transportrichtung des Werkstückes hinter dem Schleifaggregat 14 angeordnet
sein. Auch hier können
die von der Auswerteeinheit 66 erhaltenen Signale vor ihrer
Verstärkung
bezüglich
ihrer Intensität
ausgewertet werden. Dies liefert eine Information über das
Reflektionsvermögen
der Werkstückoberfläche und
erlaubt durch Vergleich mit Referenzwerten eine Aussage über die Qualität der Werkstückoberfläche nach
dem Schleifvorgang und damit über
das Schleifergebnis beziehungsweise über die Abnutzung der Schleifmittel.
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3 zeigt
eine abgewandelte Ausführungsform
der Erfindung, wobei die mit der Ausführungsform gemäß 2 übereinstimmenden
Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.
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Der
Taststrahl 40 erfährt
bei seinem Weg von dem Drehspiegel 36 über die Spiegel 42, 44 und 46 eine
gewisse Aufweitung. Ferner wird das Licht des Taststrahles an dem
Werkstück
noch gestreut und durch Lichtreflexe „verunreinigt". Dies führt dazu, dass
der Lichtfleck, den das von dem Werkstück reflektierte Licht auf der
Fotodiodenzeile 62 erzeugt, relativ breit ist, so dass
die Ortsinformation nicht so präzise
ist, wie sie aufgrund der Bauart der Fotodiodenzeile eigentlich
sein könnte.
Dieses Problem wird durch die Ausführungsform gemäß 3 dadurch gelöst, dass
der Drehspiegel 36 bzw. sein Antrieb 38 mit einem
Winkelgeber 65 gekoppelt ist, dessen Ausgangssignal der
Auswerteschaltung 66 zugeführt wird und eine Information über die
Richtung des Taststrahles 40 liefert.
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Bei
der Ausführungsvariante
nach 4 ist anstelle des Winkelgebers neben der den
Taststrahl erzeugenden Lichtquelle 34 ist eine weitere
Lichtquelle 68 vorgesehen, die einen Referenzstrahl 70 erzeugt,
der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
parallel zu dem von der Lichtquelle 34 erzeugten Taststrahl
gerichtet ist und von dem Drehspiegel 36 synchron mit dem
Taststrahl 40 abgelenkt wird. Der Referenzstrahl 70 fällt direkt
oder gegebenenfalls über
ein weiteres Umlenkelement auf eine zweite Lichtempfangsanordnung,
die ebenfalls von einer Fotodiodenleiste 72 gebildet ist.
Da der Referenzstrahl 70 keinerlei Störeinflüssen unterliegt und ohne Umwege
von dem Drehspiegel 36 auf die Fotodiodenleiste 72 fällt, ist
er noch schart gebündelt,
so dass sein Auftreffort auf der Fotodiodenleiste 72 präzise bestimmt
werden kann. Da der Referenzstrahl 70 synchron mit dem
Taststrahl 40 abgelenkt wird, lässt sich damit präzise der
Ort bestimmen, auf den der Taststrahl 40 auf der Fotodiodenleiste 62 auftreffen
müsste,
wenn er diese scharf gebündelt
und ohne äußere Störungen erreichen
würde.
In der Auswerteschaltung 66 werden somit die Signale beider
Fotodiodenzeilen 62 und 72 ausgewertet. Das Signal
der Fotodiodenleiste 62 wird lediglich dahingehend ausgewertet,
ob der Taststrahl ein Werkstück
getroffen hat oder nicht. Der Ort, wo das Werkstück von dem Taststrahl getroffen
wurde, d.h. wo sich das Werkstück
auf dem Transportband 10 befindet, wird dagegen aus den
Signalen der Fotodiodenzeile 72 ermittelt, die von dem
Referenzstrahl 70 getroffen wird. Damit kann die Kontur
und Lage des Werkstückes 12 auf
dem Transportband 10 mit hoher örtlicher Auflösung und
Genauigkeit völlig
unbeeinflusst von äußeren Einflüssen bestimmt
werden.
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Es
ist noch zu ergänzen,
dass bei den Ausführungsformen
gemäß den 3 und 4 die
mit einzelnen Fenstern versehene Bodenplatte 30 durch eine
transparente Bo denplatte 30 ersetzt wurde. Ferner ist an
der Unterseite des Scannerbalkens 26 eine Rammschutzplatte 74 angeschraubt,
welche den Scannerbalken vor Stößen durch
die in der 3 von rechts einlaufenden Werkstücke schützen soll
und eine Grenzdicke der Werkstücke
definiert. Ferner dient dieser Rammschutz dazu, Reflexionen vom Transportband
auszublenden. Der Rammschutz kann dabei in seiner Lage einstellbar
sein, um gezielt bestimmte Strahlen auszublenden.