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Optisches Drahtdickenmeßgerät Die Erfindung betrifft ein optisches
Drahtdickenmeßgerät, bei dem durch kohärentes Licht ein Beugungsbild des zu vermessenden
Drahtes erzeugt wird, das zur Messung der Drahtdicke verwendet wird.
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Es sind Anordnungen zur berührungslosen Drahtdickenmessung bekannt,
bei denen ein zu vermessender dünner Draht in den Strahlengang de.s Laserlichtstrahles
gebracht wird. Das an diesem Draht gebeugte Licht enthält eine Reihe von X Maxima
und Minima, deren Abstände der Drahtdicke umgekehrt proportional sind. us diesen
Abständen läßt sich oit die Drahtdicke bestimmen In der OS 1 623 230 wird vorgeschlagen,
die Maxima- bzw.
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Minimsabstände des Beugungsbildes durch eine rotierende Abtastvorrichtung
zu ermitteln, welche das am Draht gebeugte Licht in Abhängigkeit von der Rotationsgeschwindigkeit
der Abtastvorrichtung impulsförmig eine Detektor zufahrt. Die Abstände der Beugungsmaxima
bzw. -in1niP.?a er geben sich aus der Folgefrequenz der Impulse, die der Detek tor
empfängt.
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Da die Abstände der Maxima bzw. Minima sehr dicht nebeneinanderliegen,
sind zur Auswertung der Drahtdicke emp£indliche elektronische Geräte notwendig.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein optisches Drahtdickenmeßgerät anzugeben,
das den genannten Nachteil vermeidet.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Raumfrequenzfilter
mit dem Beugungsbild eines Drahtes mit Bezugsdurchmesser entsprechenden durchlässigen
und undurchlässigen Streifen, wobei die vom Filter durchgelassene vom Beugungsbild
abhängige Strahlungsintensität gemessen wird.
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Ein solches Drahtdickenmeßgerät eignet sich beispielsweise für eine
fortlaufende Toleranzüberwachung des Burchmessers des Drahtes bei dessen Herstellung.
In diesem Falle sind die durchlässigen und undurchlässigen Streifen des Filters
vorteilhafteie'ise von geraden Linien begrenzt und weisen feste Abstände auf, derart,
daß die Beugungsminima des Drahtes mit iezugsdurchmesser mit den durchlässigen Streifen
des Filters zusammenfallen. Die Abstände müssen so eingestellt werden, daß sie,
dem Sollwert der Drahtdicke des zu vermessenden Drahtes, d.h. aber bestimmten Abständen
der Beugungsmaxima bzw. -minima entsprechen.
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Im Strahlengang vor dem Filter ist insbesondere eine Optik zur Abbildung
des BeugungsbiUdes auf das Filter angeordnet.
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Will man eine Toleransüberwachung von Drähten durchführen, die unter
verschiedenen Winkeln im Strahlengang des Lichtes vorliegen, so müssen die durchlässigen
und undurchlässigen Streifen des Filters vorzugsweise von kreisförmig konzentrischen
Linien begrenzt sein und feste Abstände aufweisen, derart, daß die Beugungsminima
des Drahtes mit Bezugsdurchmessex mit den durchlässigen Streifen des Filters zusammenfallen,
falls der Istwert des zu messenden Drahtdurchmessers mit dem Sollwert übereinstimmt
In diesen beiden Fällen rogistriert der Detektor eine minimale Lichtintensität beim
Vorliegen eines Drahtes mit der Solldrahtdicke. Abweichungen von der Solldrahtdicke
ergeben
eine abgeänderte BeugungsfigurS welche sich. in einer erhöhten
ransmisaion des Lichtes durch das Filter bemerkbar macht und können von einem geeichten-Detektor
auch in der Größe festgehalten werden Das DrChtdickenmeBgerät ist jedoch auch ve;rwendbär'st
für einen Dickenmeßbereich zwischen mehreren/um und mehreren Millimetern. Dazu enthält
die Optik zur Abbildung des 3eugungsbildes auf das Filter vorteilhafterweise eine
Gummilinse mit variabler Brennweite, durch welche die Abstände der Beugungsminima
an die Abstände der durchlässigen Streifen angepaßt werden können.
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Die Drahtdicke in einem größeren Meßbereich läßt sich vorteilhafterweise
auch dann bestimmten, wenn die Grenzen der durchlässigen und undurchlässigen Streifen
einen Verlauf mit unterschiedlichen Abständen aufweisen und Mittel vorgesehen sind,
um, das Filter und das Beugungsbild in Bezug zueinander zu bewegen. Diese Abstände
mV.ssen dann der jeweiligen Drahtdleke angepaJ3t werden. Die variablen Abstände
lassen sich insbesondere dadurch realisieren, daß die durchlässigen und undurchlässigen
Streifen einen y = 1/x-Verlauf aufweisen. Es ist in diesem Falle von Vorteil, das
Filter mit dem y = 1/x-VerlauS auf dem Filter fest anzuordnen und das Beugungsbild
über das Filter zu bewegen. Zu dem Zeitpunkt, zu dem eine minimal durchgelassene,
Intensität gemessen wird, kann an einer am Filter angebrachten Meßskala die Drahtdicke
abgelesen werden. Bei Anordnen einer linearen Meßskala am Filter kann, die Bewegung
des 3eugungsbildes über das Filter gleichmäßig erfolgen.
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Von Vorteil ist es auch, wenn der y = 1/x-VerlauS der durchlässigen
und undurchlässigen Streifen des Filters auf einemkreisförmigen Filter angeordnet
ist und das Filter gedreht wird.
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Einzelheiten folgen an- Hand der Ausführungsbeispiele in der Figurenbeschreibung.
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Figur 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Drahtdickenmeßgerätes,
Figur 2 eine weitere Ausfahrungsform des Drahtdickenmeßgerätes, Figur 3 ein Smpfangsdiagramm,
Figur 4 einen Empfängerteil eines Drahtdickenmeßgerätes für ein Filter mit veränderter
Bereichsweite, Figur 5 das zugehörige Filter und-Figur 6 ein Filter auf einer rotierenden
Scheibe.
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In der Figur' 1 ist der prinzipielle Aufbau des Drahtdiekenmeßgerätes
dargestellt, bei dem als wesentliches Merkmal ein Filter verwendet wird. Ein Lasersender,
z.B. ein Helium-Neon-Laser 1 emittiert einen Laserstrahl 2, der durch eine Optik
3 aufgeweitet wird. In dem aufgeweiteten Strahl 4 ist der Draht 5, dessen Durchmesser
zu vermessen ist, in der Brennebene einer Linse 6 angeordnet. Diese Linse 6 bildet
die senkrecht zur Zeichnungsebene geradlinig verlaufenden Beugungsmaxima 7 des durch
den Draht 5 erzeugten Beugungsbildes auf den undurchlässigen Streifen 8 des Filters
9 ab. Die undurchlässigen Streifen 8 und die dazwischenliegenden durchlässigen Streifen
10 des Filters 9 sind symmetrisch zur optischen Achse der Anordnung ausgebildet.
Diese Streifen durchziehen das Filter senkrecht zur Zeichnungsebene und entweder
geradlinig oder kreisförmig und konzentrisch mit dem Mittelpunkt in der optischen
Achse. Die Geometrie der Streifen des Filters ist so ausgebildet, daß für eine Solldrahtdicke
des zu vermessenden Drahtes 5 dessen Beugungsmaxima 7 auf die Mitten der undurchlässigen
Streifen 8 des Filters 9 fallen. Sind die durchlässigen und undurchlässigen Streifen
des Filters kreisförmig ausgebildet, so lassen sich Vermessungen von Drähten durchführen,
die im Strahlengang 4 des Laserlichtes
unter beliebigen Winkeln
senkrecht zur optischen Achse vorliegen. Im Strahlengang hinter dem Filter 9 ist
ein Photomultiplier 11 angeordnet, welcher die gesamte vom Filter 9 transmittierte
Lichtintensität, nämlich die Lichtintensität aller transmittierten Minima des Beugungsbildes
des Drahtes 5, aufnimmt.
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Ändert Qich der Durchmesser des Drahtes 5, so verschieben sich auch
die Beugungsmaxima 7 auf der Filterebene, wodurch dann eine größere Lichtintensität
auf den Photomultiplier gelangt. Da die Minimaabstände dem Durchmesser des Drahtes
5 umgekehrt proportional sind, würde die vom Photomultiplier 11 registrierte Gesamtliehtintensität
bei Zunahme des Durchmessers des Drahtes 5 zunächst anwachsen, dann wieder abnehmen
und beim Vorliegen des doppelten Durchmessers sowie jeweils bei mehrfachen Durehmessern
des Drahtes 5 weitere Minima anzeigen Dieses rRnsmissLonsverhalten ist für zwei
Filter, die sich durch verschiedene Abstände der durchlässigen und undurchv lässigen
Streifen unterscheiden, in der Figur 3 flin einem Diagramm dargestellt. Sie zeigt
die Transmission des Beugungsbildes von Drähten mit zunehmendem Durc'emesser d für
zwei ver schiedene Streifenabstande der Filter Die Kurve a gilt für ein Filter mit
größeren, die Kurve b für ein Filter mit ger,ingeren Streifenabständen.
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Im folgenden wird nun an Hand der Figuren 2 und 3 ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung beschrieben, das es gestattet, bei' der Produktion von dünnen Drähten
die vorzeichenrichtige Größe der Abweichung von einer Solldrahtdicke festzustellen.
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Dabei-zeigt die in der Figur 2 dargestellte Anordnung einen speziellen
Empfangsteil des Drahtdiekenmeßgerätes. Statt des in der Figur 1 beschriebenen Filters
mit seinem symmetrischen Aufbaubezüglich der Abstände der durchlässigen und undurehlässigen
Streifen
wird hier ein Filter verwendet, das aus zwei Teilen besteht. Die Streifenabstände
im unten gezeiehneten Teil des Filters sind geringer als die im oben gezeichneten
Teil des Filters. H:nter dlesen beiden Teilen des Filters sind zwei Photomultiplier
12 und 13 angeordnet. Da die Intensitätsmaxima 7 des Beugungsbildes jedoch genau
symmetrisch zur optischen Achse verlaufen, werden die beiden Photomultiplier 12
und 13 unterschiedliche Transmissionsintensitäten regiF-trieren. Sind die durchlässigen
und undurchlässigen Streifen-so ausgebildet, daß für eine zu überwachende SQ11-drahtdicke
do die von den Photomultipliern 12 und 13 regi-« strierten Intensitäten Toa und
Tob gleich sind, dann läßt sich die Differenz dieser beiden Intensitäten #T = Tα
- Tb als Abweichung vom Sollwert O anzeigen (s. Figur 3). Bei kleineren Drahtdurchmessern
d1 bzw.
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größeren Drahtdurchmessern d2 werden die Abweichungen vorzeiehenrichtig
wiedergegeben und können nach einer Eichung des Anzeigegeräts quantitativ bestimmt
werden. -¢ Mit dieser Anordnung können beispielsweise Drähte mit Durchmessern von
200/um überwacht werden und Abweichungen von bis zu + 251um von dieser Drahtstärke
bestimmt werden.
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Bei Anpassung der Streifenabstände an eine Solldrahtdicke zeigt eine
Erhöhung der Mi'nimalintensität die Abweichung der Drahtdicke an.
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Wird anstelle der Linse 6 eine Gummilinse gesetzt, mit der die Abstände
der Intensitätsminima variiert werden können, dann kann mit der Gummilinse das Beugungsbild
solange verändert werden, bis es mit den Streifenabständen des Filters übereinstimmt,
d.h.
bis der Photomultiplier 11 eine minimale Intensität registriert. Durch einen entsprechenden
Antriebläßt sich ein linearer Zusammenhang zwischen der Sinstel, lung der Gummilinse
und der Drahtdicke erzielen.
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Bei Filtern der in den Figuren 5 und 6 gezeigten Art ist eine Drabtdickenmessung
innerhalb eines großen Meßbereiches möglich.
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Das in der Figur 5 gezeigte Filter hat einen symmetrischen y = 1/x-Verlauf
der durchlässigen und undurchlässigen Streifen 10 und 8. Es wird im Strahlengang
so angeordnet, daß die optische Achse auf der y-Achse zu liegen kommt. Das Beugungsbild
des Drahtes muß punktförmig ausgebildet werden, wobei die Intensitätsmaxima 14,
die auf einer Geraden parallel zur x-Achse liegen, so lange in y-Richtung bewegt
werden, bis die Beugungsmaxima 14 genau mit den undurchlässigen Streifen 8 übereinstimmen.
Dann wird nämlich ein hinter dem Filter angeordneter Photomultiplier eine minimale
Intensität registrieren. Zu diesem Zeitpunkt kann an einer seitlich des Filters
angebrachten Meßskala 15 die Drahtdicke abgelesen werden.
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Die Meßskala 15 ist linear unterteilt, da der Streifenverlauf des
Filters nach einer yv 1/x-Funktion ausgebildet ist und die Abstände der Beugungsmaxima
der Drahtdicke umgekehrt proportional sind.
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Das Beugungsbild des Drahtes kann man beispielsweise mittels eines
Spiegels entlang der y-Achse über das Filter verschieben.
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Die Figur 4 zeigt ein weiteres Ausführungebeispiel eines Empfangsteiles
der in der Figur 1 prinzipiell dargestellten Anordnung. Die von der Linse 6 fokussierten
Intensitätsmaxima 7 werden durch einen Spiegel 16 durch Drehung um eine Achse 17
auf das Filter 9 geleitet. Der hinter dem Filter 9 angeordnete PhotomultOplser 11registriert
dann eine minimale Intensität,
wenn die Intensitätsmaxima des Beugungsbildes
genau auf die undurchlässigen Streifen des Filters fallen.
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Die Figur 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Filter,
mit dem Drahtdicken in einem größeren Meßbereich vermessen werden können. Dieses
Filter ist kreisförmig ausgebildet und hat ebenfalls einen y = 1/X-Verlauf der durchmassigen
und undurchlässigen Streifen. Es sind zwei Kurvenscharen der Streifen. auf zwei
Hälften des Filters um 1800 versetzt angeordnet. Die wiederum auf einer'Geraden
liegenden Intensitätsmaxima 14 der Beugùngsfigur fallen dann für eine bestimmte
Drahtdicke genau auf die undurchlässigen Streifen, wenn das Filter um einen bestimmten
Winkel um die Achse 18 gedreht worden ist. Die von dieser Winkelstellung abhängige
Drahtdicke kann auf einer Meßskala 19 abgelesen oder durch einen angekoppelten Drehmelder
angezeigt werden.
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Die Vorlage der in den Figuren 5 und 6 dargestellten Filter kann auf
einer NC-Maschine gezeichnet und das Filter dann durch Verkleinerung in Ätztechnik
hergestellt werden. Bei Streifenabständen zwischen 50 um und 5 mm kann dann ein
Dickenmeßbereich zwischen etwa 5/11m und einem halben mm vermessen werden.
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Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Anordnung ist auch die Vermessung
oder Töleranzüberwachung von anderen einfachen Gegenstasden, wie Blenden, Scheiben
oder Drahtwendeln möglich.
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Die an solchen Gegenständen entstehenden komplizierten Beugungsfiguren
erfordern ein Filter, das man durch Belichten einer Photoplatte mit der entsprechenden
Beugungsfigur erhält.
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6 Figuren 9 Patentansprüche