DE1623236A1 - Kontaktlose Messeinrichtung zur Bestimmung der Form von Gegenstaenden - Google Patents
Kontaktlose Messeinrichtung zur Bestimmung der Form von GegenstaendenInfo
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Description
Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha in Tokyo/Japan
Kontaktlose Meßeinrichtung zur Bestimmung der Form von
Gegenständen
Die Erfindung bezieht sich auf eine kontaktlose Meßeinrichtung zur Bestimmung der Form von Gegenständen.
Soll die Form eines Gegenstandes in einem dreidimensionalen Koordinatensystem dargestellt werden, so besteht ein sehr einfaches
Verfahren darin, die Entfernungen zwischen jedem. Punkt der Oberfläche des Gegenstandes und jeder der drei senkrechten
Bezugsebenen mit einem Maßstab zu messen. Dies kann mit Hilfe von bekannten mechanischen Meßverfahren genau erfolgen« Bei diesen
mechanischen Meßverfahren wird jedoch eine Sonde verwendet, die das Objekt berührt, wodurch die Form des Gegenstandes bestimmt
wird. Dies findet eine Begrenzung in der Härte des Gegenstandes, und es ist außerdem schwierig, eine kontinuierliche Mes·
sung zu erzielen. Ferner erfordert ein derartiges Meßverfahren eine verhältnismäßig lange Zeit«
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine neue und verbesserte
Meßeinrichtung zur Bestimmung der Form eines Gegenstandes zu schaffen, bei der keine mechanische Sonde in Berührung mit der
Oberfläche des Gegenstandes gebracht wird, so daß die vorstehend genannten Nachteile vermieden werden.
Ferner soll gemäß der Erfindung durch Verwendung optischer Ein-
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richtungen eine neue und verbesserte kontaktlose Meßeinrichtung zur Bestimmung der Form eines Gegenstandes geschaffen werden.
Außerdem soll eine neue und verbesserte kontaktlose Meßeinrichtung
geschaffen werden, mit der die dreidimensionale Form eines Gegenstandes auf einfache Weise genau bestimmt werden kann.
Es soll ferner eine neue und verbesserte kontaktlose Meßeinrichtung
zur Bestimmung der Form eines Gegenstandes unter Verwendung einer Laseranordnung geschaffen werden.
Dies und anderes in der Beschreibung Dargestellte wird mit Hilfe der Erfindung erreicht, die eine kontaktlose Meßeinrichtung zur
Bestimmung der Form eines Gegenstandes betrifft. Sie enthältoptische Einrichtungen zur Erzeugung von parallelen Lichtstrahlen;
erste Linsenanordnungen zur Herstellung eines Lichtpunktes auf der Oberfläche des Gegenstandes aus den parallelen Lichtstrahlen,
die den von dem Punkt reflektierten Teil des Lichts parallel bündeln (kollimieren); zweite Linsenanordnungen zum
Bündeln der parallelgebündelten Strahlen aus von der Oberfläche des Gegenstandes reflektiertem Licht; elektronische Oszillatoreinrichtungen;
Empfangseinrichtungen mit einer mit Hilfe der "elektronischen Oszillatoreinrichtungen parallel zur optischen
Achse der zweiten Linsenanordnungen schwingenden Vorrichtung mit einem punktförmigen Loch, um Verschiebungen der durch die
zweiten Linsenanordnungen gebündelten Lichtstrahlen bezüglich ihrer geringsten Weite zu bestimmen; auf die Empfangseinrichtungen
ansprechende Phasenvergleichseinrichtungen zur Erzeugung
"bad 209809/0387
eines Signals, dessen Polarität von der Richtung der Verschiebung
des Lichtpunktes vom Brennpunkt der ersten Linsenaiiordnungen abhängt;
sowie Hilfsvorrichtungen, die die Lage der ersten Linsenanordnungen "bezüglich dem Gegenstand in Abhängigkeit vom Signal
der Phasenvergleichseinrichtung derart steuern, da/3 der Abstand zwischen den ersten Linsenanordnungen und dem Gegenstand konstant
bleibt.
Die Erfindung wird anhand der folgenden Beschreibung in Zusammenhang
mit den Figuren näher erläutert.
Pig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer kontaktlpsen Meßeinrichtung
gemäß der Erfindung.
Pig. 2.zeigt die Teilansicht einer abgewandelten Lichtquelle, wie
sie in der Einrichtung gemäß Pig. 1 verwendet werden kann.
Die in Pig. 1 dargestellte kontaktlose Meßeinrichtung zur Bestimmung
der Form eines Gegenstandes enthält eine bewegbare Platte 10, die in vorbestimmter Richtung bewegt werden kann, in diesem
Pail in horizontaler Richtung, wie im folgenden beschrieben werden wird, Auf der Platte 10 sind eine als elektrische Lampe 12
(die vorzugsweise monochromatisches Licht abgibt) dargestellte Lichtquelle, eine Lochplatte 14 mit einer punktförmigen Öffnung
15 vor der Lichtquelle 12, eine konvexe Linse 16 zur Erzeugung
von parallelen Lichtstrahlen aus dem von der Lichtquelle 12 emittierten
und durch die punktförmige Öffnung 15 hindurchgetretenen
Licht sowie eine andere konvexe Linse 18 mit einer Brennweite f..
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fluchtend mit der Linse 16 angeordnet. Die konvexe Linse 18 ist
gegenüber dem zu messenden Gegenstand 20 angeordnet, der von nicht gezeigten Haltevorrichtungen gehalten wird. Sie dient zum
Bündeln der parallelen Lichtstrahlen im Abstand f... Befindet
sich irgendein Punkt auf der Oberfläche des Gegenstandes 20 auf der optischen Achse der Linsen 16 und 18 im Abstand f.. von der
Linse 18, so werden die 4ie- parallelen Lichtstrahlen mit Hilfe
der Linse 18 genau auf diesem Punkt fokussiert. Zwischen den konvexen Linsen .16 und 18 ist eine halbversilberte Platte 22
unter einem Winkel von 45 zur optischen Achse beider Linsen angeordnet. Ihr Zweck wird im folgenden näher erläutert.
Es sei angenommen, daß der Gegenstand nicht den größten Teil des auffallenden Lichts absorbiert und daß er nicht ein idealer
Spiegel ist, der das auf die Oberfläche fallende Licht in alle Richtungen reflektiert. Befindet sich der Punkt der Oberfläche
des Gegenstandes, auf den das Licht fällt, im Abstand f. von der
Linse 18,oder wird das Licht genau auf dem Punkt fokussiert, so
wird das reflektierte Licht durch die Linse 18 in parallele Strahlen umgewandelt, und diese treffen auf die halbversilberte
Platte 22, die einen Teil der auffallenden Lichtstrahlen senkrecht zur optischen Achse der beiden Linsen 16 und 18 (in Pig. 1 )
nach unten reflektiert. Um die durch die Platte 22 reflektierten parallelen Lichtstrahlen zu bündeln, ist eine kovexe Linse
24 mit der Brennweite fp auf der Platte angeordnet.
Wie in Fig. 1 zu erkennen, ist eine Schwingerlochplatte 26 mit
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einer punktförmigen Öffnung 27·derart auf der Platte 10 angeordnet,
daß die punktförmige Öffnung 27 sich immer in der optischen
Achse der Linse 24 befindet. Ein Schwinger 28 ist mit der Schwingerlochplatte 26 verbunden, um diese mit geringer Amplitude und
Torbestimmter Frequenz derart zu bewegen, daß die punktförmige . Öffnung 27 parallel zur optischen Achse der Linse 24 schwingt,
während sie in der optischen Achse gehalten wird. Vorzugsweise hat die punktförmige Öffnung 27 einen Durchmesser, der gleich
oder kleiner als die geringste Breite der von der Linse 24 gebündelten
Lichtstrahlen ist. Ferner ist die Schwingerlochplatte . 26 normalerweise derart angeordnet, daß der Brennpunkt der Linse
24 im Schwingungsmittelpunkt der punktförmigen Öffnung 27 liegt. Daraus folgt, daß bei leichter Verschiebung des beleuchteten
Punktes auf der Oberfläche des Gegenstandes aus dem Brennpunkt der Linse 18 in der einen oder der anderen Richtung der entsprechende
von der Linse 24 gebündelte Lichtpunkt auf der optischen Achse dieser Linse entweder zum Schwingungsmittelpunkt
hin oder von diesem fort bewegt wird.
Auf der Platte 10 ist eine lichtempfindliche Einrichtung, beispielsweise
eine Fotozelle, zur Aufnahme des durch die punktförmige Öffnung 27 hindurchtretenden Lichts angeordnet.
Wie in Fig. 1 zu erkennen, ist dicht an der Platte 10 eine weitere
bewegbare Platte 32 vorgesehen. Während die Platte 10 entlang
der y-Achse des in Fig. 1 gezeigten dreidimensionalen Koordinatensystems
bev/egbar ist t kann die Bewegung der Platte 32 entlang
der x- oder der z-Achse oder entlang beider Achsen erfolgen,
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Die Platten können von Hand oder mit nicht gezeigten Antriebseinrichtungen bewegt werden. ,.,
Auf der zweiten Platte 32 ist ein elektronischer Oszillator 34 zur Erzeugung einer sinusförmigen elektrischen Schwingung angeordnet,
die den Schwinger 28 und damit die Schwingerlochplatte
betätigt. Ferner ist auf der Platte 32 eine Phasenvergleichseinrichtung 36 mit einem Paar, Eingängen vorgesehen, die jeweils von
der lichtempfindlichen Einrichtung 30 und dem Oszillator 34 gespeist werden. Die Phasenvergleiehseinrichtung 36 dient zum Vergleich des Ausgangssignals der lichtempfindlichen Einrichtung
mit dem Ausgangssignal des Oszillators 34, wodurch ein Gleichspannungssignal erzeugt wird, dessen Polarität in Abhängigkeit
von der Verschiebung des beleuchteten Punktes auf der Oberfläche des Gegenstandes vom Brennpunkt der Linse 18 in der einen oder
der anderen Richtung entlang der y-Achse positiv oder negativ
ist.
Genauer gesagt, wenn ein beleuchteter Punkt auf der Oberfläche des Gegenstandes 20 einen Abstand von der Linse 18 hat, der
gleich deren Brennweite f^ ist, so haben die entsprechenden
durch die Linse 24 hindurchtretenden Lichtstrahlen im Schwingungsmittelpunkt, um den die punktförmige Öffnung 27 schv/ingt, einen minimalen Durchmesser. Dies.bewirkt, daß das Ausgangssignal der Fotozelle 30 keine Komponente der Grundfrequenz, mit
gleich deren Brennweite f^ ist, so haben die entsprechenden
durch die Linse 24 hindurchtretenden Lichtstrahlen im Schwingungsmittelpunkt, um den die punktförmige Öffnung 27 schv/ingt, einen minimalen Durchmesser. Dies.bewirkt, daß das Ausgangssignal der Fotozelle 30 keine Komponente der Grundfrequenz, mit
der die punktförmige Öffnung 27 schwingt, enthält, wodurch die
Phasenvergleichseinrichtung 54 ein Nullsignal abgibt.
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Wird der "beleuchtete Punkt auf der Oberfläche des Gegenstandes
20 andererseits etwas aus dem Brennpunkt der linse 18 in der
einen oder anderen Richtung entlang der y-Achse verschoben, so wird der minimale Durchmesser der durch die Linse 24 gebündelten
Strahlen entsprechend zu einem Punkt hin verschoben, der be züglich dem Schwingungsmittelpunkt in der einen oder anderen
Richtung entlang der x-Achse und auf der optischen Achse der Linse 24 verschoben ist. Gleichzeitig tritt ein Anteil der
Grundfrequenz im Ausgangssignal der Fotozelle 30 auf. Dieses
Ausgangssignal hat je nach Verschiebungsrichtung des beleuchteten
Punktes auf der Oberfläche des Gegenstandes eine Phasendifferenz zum Ausgangssignal des elektronischen Oszillators 34
von 0 oder TT, wodurch am Ausgang der Phasenvergleichseinrichtung 36 ein positives oder negatives Signal auftritt.
Das Ausgangssignal der Phasenvergleichseinrichtung 36 wird dem
Hilfsverstärker 38 zugeführt und verstärkt. Das verstärkte Signal
betätigt einen Servomotor 40 in durch die Polarität bestimmter Richtung, wodurch die Platte 10 in entsprechender Rich
tung bewegt wird, bis der beleuchtete Punkt auf der Oberfläche
des Gegenstandes mit dem Brennpunkt der Linse 18 zusammenfällt.
Ss liegt dann der minimale Durchmesser der durch die Linse 24 gebündelten Lichtstrahlen im Schwingungsmittelpunkt der punktförmigen
Öffnung 27. Gleichzeitig verschwindet der Anteil der Grundfrequenz aus dem Ausgangssignal der lichtempfindlichen
Einrichtung 30, und die Phasenvergleichseinrichtung 36 erzeugt das ITullsignal, wodurch der Servomotor 40 und damit die Platte '
10 gestoppt werden. Daher bleibt die Platte 10 in-ihrer Stel-
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lung, in der der beleuchtete Punkt auf der Oberfläche des Gegenstandes
20 im Brennpunkt der Linse 18 liegt. Es ist klar, daß die Stellung der Platte 10 bezüglich einer bestimmten Bezugsebene,
beispielsweise der-Linse 18, mit geeigneten Meßeinrichtungen,
beispielsweise Maßstab- und ^eigereinrichtungen, leicht
gemessen werden kann.
Die Platte 32 kann zusammen milyÜer Platte 10 entlang der x- oder
der y-Achse in meßbaren Schritten bewegt und das vorstehend beschriebene
Verfahren wiederholt werden, bis die ganze Oberfläche des Gegenstandes 20 mit Hilfe des durch die Linse 18 gebündelten
Lichtpunktes abgetastet ist. Auf diese Weise wird die dreidimensionale Form des Gegenstandes 20 bestimmt.
Fig. 2 zeigt eine Abwandlung der optischen Einrichtung zur Erzeugung
paralleler Lichtstrahlen. Diese Einrichtung kann an die
Stelle der Lichtquelle 12, der Lochplatte 14 und der Linse 16
in Fig. 1 treten. Sie enthält einen bekannten Dauerstrich-Gaslaser 42 und ein Paar konvexer Linsen 44 und 45 zur Erzeugung
paralleler Lichtstrahlen. Das Paar Linsen 44 und 45 kann als umgekehrtes Fernrohr aufgefaßt werden. Die vom Laser 42 ausgesendeten
parallelen Lichtstrahlen werden nahe der Linse 44 durch diese gebündelt. Die gebündelten Lichtstrahlen werden durch die
andere Linse 45 wieder in parallele Lichtstrahlen umgewandelt und der- in Fig. 1 dargestellten Linse zugeführt.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Einrichtung werden die chromatischen
Abbildungsfehler der gemäß der Erfindung -benutzten Lin-
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sen "bedeutungslos, da das vom Laser 42 ausgesendete Licht gegenüber
dem von der Einrichtung gemäß Fig. 1 ausgesendeten sehr gut monochromatisch ist. Ferner weisen, wie bekannt, die vom Laser
42 ausgesendeten Lichtstrahlen einen sehr hohen Grad von Parallele
tat auf. Diese Lichtstrahlen werden zusätzlich durch das umgekehrte Fernrohr 44-45 in. parallele Lichtstrahlen umgeformt, so
daß die Parallelität noch verbessert wird. Dies ermöglicht den Linsen 18 und 24,die zugehörigen Lichtstrahlen zu einem kleinen
Punkt zu bündeln, wodurch die Genauigkeit der Messung vergrößert wird. Ferner wird durch die Helligkeit des vom Gaslaser ausgesendeten
Lichts von der lichtempfindlichen Einrichtung 30 ein
Ausgangssignal mit größerem.Signal—Rausch-Verhältnis erzeugt,
wodurch ebenfalls die Genauigkeit der Messung erhöht wird.
Die erfindungsgemäße Einrichtung hat verschiedene Vorteile. Beispielsweise
wird ein=kontinuierliche, kontaktlose Messung erreicht.
Die Meßzeit kann im Vergleich zu bekannten Verfahren erheblich verringert werden. Ferner wird das Verfahren gemäß der
Erfindung nicht durch die Härte, Form und Größe des zu messenden Gegenstandes beschränkt, wenn dieser nur nicht eine zu große
Menge des auffallenden Lichtes absorbiert.
Obv/ohl die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben wurde, sind zahlreiche Abwändlungen und Veränderungen möglich,
die alle unter die Erfindung fallen.
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Claims (5)
1. Kontaktlose Meßeinrichtung zur Bestimmung der Form eines Gegenstandes,
gekennzeichnet durch
optische Einrichtungen (12, 14, 15, 16) zur Erzeugung paralleler
Lichtstrahlen,'
erste Linsenanordnungen (18) zur Herstellung eines Lichtpunktes
auf der Oberfläche des Gegenstandes (20) aus den parallelen Lichtstrahlen und zum parallelen Bündeln des vom Punkt auf
der Oberfläche reflektierten Lichtes,
zweite Linsenanordnungen (24) zum Bündeln der parallelgebündelten Strahlen aus von der Oberfläche des Gegenstandes (20)
reflektiertem Licht,
elektronische Oszillatoreinrichtungen (34)»
Empfangseinrichtungen (30) mit einer mit Hilfe der elektronischen Oszillatoreinrichtungen (34) parallel zur optischen Achse
der zweiten Linsenanordnungen (24) schwingenden Vorrichtung (28) mit einer punktförmigen Öffnung (27), zum Bestimmung von Verschiebungen
der durch die zweite Linsenanordnung (24) gebündelten Lichtstrahlen bezüglich ihrer geringsten Weite,
auf die Empfangseinrichtungen (30) ansprechende Phasenvergleichseinrichtungen
(36) zur Erzeugung eines Signals, dessen Polarität von der Richtung der Verschiebung des Lichtpunktes
vom Brennpunkt der ersten Linsenanordnungen (18) abhängt, und
Hilfsvorrichtungen (38, 40), die die Stellung der ersten Linsenanordnungen (18) bezüglich dem Gegenstand—(20») in Abhängig-
bad
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keit vom Signal der Phasenvergleich^ einrichtung (36) derart
steuern, daß der Abstand -zwischen den ersten Linsenanordnungen
(18) und dem Gegenstand (20) konstant bleibt.
2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der punktförmigen Öffnung (27) höchstens gleich
- der minimalen Weite der von den zweiten Linsenanordnungen (24) gebündelten Lichtstrahlen ist.
3. Meßeinrichtung nach Anspruch 1.oder 2, dadurch gekennzeichnet;
daß der Schwingungsmittelpunkt der Vorrichtung (28) mit des Brennpunkt der.zweiten Linsenanordnungen (24) zusammenfällt
O
4. Meßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die optischen Einrichtungen (Pig.2) einen Laser (42) enthalten.
5. Meßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die ersten Linsenanordnungen (18) und die aus lichtempfindlichen Einrichtungen zur Aufnahme
des durch die Öffnung (27) gelangten Lichtes bestehenden Empfangseinrichtungen (30) auf einer in vorbestimmter Richtung
bewegbaren ersten Platte (10) angeordnet sind, daß die Phasenvergleichseinrichtungen
(36) auf einer zweiten in beiden Richtungen senkrecht zur vorbestimmten Richtung bewegbaren Platte
(32) angeordnet sind und daß die auf dieser zweiten Platte (32) angebrachten Vorrichtungen (38, 40) die erste Platte (10)
in Abhängigkeit vom Signal der Phasenvergleichseinrichtungen (36) bewegen, um den Abstand zwischen den ersten Linsenanordnungen
(18) und dem Gegenstand (20) konstant zu halten.
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