DE2448611C3 - Anordnung zum berührungslosen Messen der Abmessung eines Meßobjekts - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnur .um berührungslosen Messen der Abmessungen eir Aeüobjekts, insbesondere zum Messen des Dup essers von Drähten in einer Drahtzieherei, unter jektion der Umrisse des Meßobjekts in einer Dimension mit Hilfe eines optischen Systems auf ein photoelektrisches Bauelement, dessen Ausgangssignal ein Maß für die interessierende Abmessung darstellt.

In der SW-PS 3 48 831 ist ein Verfahren zum berührungslosen Messen insbesondere eines bewegten Drahtes in einer Drahtzieherei beschrieben. Dieses bekannte Meßverfahren wird so durchgeführt, daß man von einer Lampe kommendes Licht in solcher Weise auf den zu messenden Draht fallen läßt, daß dessen Umrisse auf ein photoelektrisches Bauelement projiziert werden, das aus einer Anzahl von Photodioden besteht, deren Beleuchtung nacheinander im Takte einer Taktfrequenz abgetastet werden, worauf dann die von beleuchteten bzw. von nicht beleuchteten Photodioden kommenden Signale für die Aufzeichnung der Lage des Bildes der Umrisse des Meßobjektes, also des Drahtes, voneinander getrennt werden. Zwischen dem Draht und dem photoelektrischen Bauelement ist dabei ein Linsensystem angeordnet. Dieses Linsensystem bewirkt eine Projektion der Umrisse des Drahtes auf das nhotoelektrische Bauelement. In Weiterentwicklung dieses bekannten Verfahrens lassen sich durch eine telezentrische Blende Fehler unterdrücken, die sich aus Bewegungen des Lichtstrahls senkrecht zur optischen Achse des Linsensystems und senkrecht zur Längserstreckung des zu messenden Drahtes ergeben können.

In Durchführung des vorgenannten Verfahrens sowie mit Hilfe des gegenüber der vorliegenden Erfindung nicht vorbekannten Vorschlages der DT-OS 23 30415 und der bekannten Lehren der DT-OS 19 23 257 und 21 40 939 lassen sich die interessierenden Abmessungen des Meßobjektes durch Abtastung der Veränderung in der Lichtintensität zwischen dem Meßobjekt und dem Hintergrund mit Hilfe des pho !elektrischen Bauelements messen. Da jedoch die Lii._senoptiken bisher aus sphärischen Linsen bestehen, müs-en diese Linsen in dem Falle, daß Messungen an einem bcwegiten oder vibrierenden Draht vorgenommen werden sollen, abgedeckt werden, wobei diese Abdeckung in solcher Weise erfolgen sollte, daß nur ein schmaler Spalt frei bleibt, der vorzugsweise durch die Linsenmitte geht.

C andere möglici Art der Durchführung von Mes.'jngT "~ -»ewegteu jnd vibrierenden Meßobjekten besteht darin, zwis^r"..en der Linse und dem photoelektrischen Bauelement eine telezentrische Blende anzuordnen. Dies- .elezentrische Blende muß jedoch ebenso wie dk ,gedeckte Linse eine sehr kleine Apertur aufweise- und daher muß für die Beleuchtung des Meßobjektes eine Lichtquelle mit großer Beleuchtungsintensität verwendet werden, da anderenfalls die Zuverlässigkeit der Messung wegen des schlechten Signal/Rausch-Verhältnisses beeinträchtigt werdtn wür' Dies bedeutet jedoch, daß die nutzbare Länge de^r .chtquelle relativ kurz ausfällt.

/er vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe

gründe, eine Anordnung der eingangs erwähnten Art •ι der Weise auszubilden, daß sie ohne den Einbau spezieller optischer Bauteile Messungen an einem bewegten f ..r vibrierenden Meßobjekt unter Erfassung größerer Meßlängen ntlang des Meßobjektes und insbesondere an einem uu: einer Drahtzieherei kommenden Draht gestattet

Die gestellte Aufgabe wird ^rfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das optische Systei. ^:n erstes Teilsystem mit mindestens einer Zylinderlinse, iu. 'eiche die Erzeugenden der Zylinderfläche senkrecht zu der zu bestimmenden Abmessung gerichtet sind, und eine zwischen dieser Linse bzw. diesen Linsen einerseits und dem photoelektrischen Bauelement anderseits eingefügte Aperturblende enthält, die so angeordnet ist, daß grundsätzlich zu der zu bestimmenden Abmessung senkrechte Strahlen durch die Aperturblende hindurchgehen, wobei der Abstand zwischen der Aperturblende und dem photoelektrischen Bauelement so eingestellt ist, daß die Projektion des Meßobjekts auf die aktive Oberfläche des photoelektrischen Bauelements fällt.

Die erfindungsgemäß ausgebildete Meßanordnung hat dem Vorteil, daß sich eine längere Meßlänge entlang des Meßobjektes, also beispielsweise eines aus einer Drahtzieherei kommenden Drahtes, verwenden läßt als in Anordnungen, die axialsymmetrische Linsen enthalten, und es bedarf aus diesem Grunde nicht des Einbaus von speziellen und kostspieligen optischen Bauteilen in die Meßanordnung.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind im einzelnen in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

In der Zeichnung isi die Erfindung beispielsweise

veranschaulicht; es zeigt

F i g. 1 eine Schemadarstellung einer erstem Ausführungsform der Meßanordnung,

F i g. 2 und 3 zwei Alternativausführungen der Meßanordnung (in gleichen Darstellungen),

F i g. 4 die Meßanordnung gemäß F i g. 3 in einer anderen Projektion und

F i g. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Meßanordnung (in gleicher Darstellung).

In F i g· 1 ist das Meßobjekt, dessen Abmessungen gemessen werden sollen, mit der Bezugszahl 1 bezeichnet. Dabei ist in diesem Falle als solches Meßobjekt ein Draht t angenommen, der in F i g. 1 im Querschnitt dargestellt ist. Der Draht 1 wird mit Hilfe einer Lichtquelle 2 beleuchtet, die ein Lichtbündel 7 emittiert. Dieses Lichtbündel 7 trifft auf den Draht 1, wobei ein Teil dieses Lichtbündels 7 abgeschirmt wird, so daß sich auf der der Lichtquelle 2 abgewandten Seite des Drahtes 1 zwei Teillichtbündel ergeben, die durch chs am Draht 1 vorbeigehende Licht gebildet werden, wobei ein imaginärer Querschnitt durch diese beiden Teillichtbündel einen abgeschirmten Gürtel zeigt, dessen Breite dem Durchmesser des Drahtes 1 entspricht. Die Teillichtbündel 8 gehen sodann durch eine Zylinderlinse 3 hindurch, wodurch sie in der in F i g. 1 dargestellten Weise auf eine spaltförmige Aperturblende 4 fokussiert werden.

Hinter der Aperturblende 4 ist ein photoelektrisches Bauelement 5 so angeordnet, daß die durch die Aperturblende 4 hindurchgehenden Teillichtbündel 8 in der Weise auf das photoelektrische Bauelement 5 treffen, daß die Umrisse des Drahtes 1 auf das plvtoelektrische Bauelement projiziert werden. Dabei ist in F i g. 1 das photoelektrische Bauelement 5 in zwei Abschnitte Sa bzw. 5b unterteilt. Diese Abschnitte 5a und 5b sind so angeordnet, daß der eine Umriß des Drahtes 1 auf den einen Abschnitt 5a und der andere Umriß des Drahtes 1 auf den anderen Abschnitt 5b projiziert werden. Auf diese Weise kann für den Fall, daß sehr dicke Drähte gemessen werden sollen oder daß die Optik die projiziei^ ' Imrisse des Drahtes weit voneinander auf das photoelektrische Bauelement 5 fallen läßt, der Vorteil erzielt werdei·, 'aß die lichtempfindlichen Oberflächen des photoele¹" ischen Bauelements 5 nur eine kleine Ausdehnung .nd um den Γ "reich aufzuweisen brauchen, wo zu erwarten ist, daß die l'mrisse des Drahtes 1 projiziert werden.

Das photoelektrische Bauelement 5 bzw. seine beiden Abschnitte 5a und 5fa können aus Photodiodenanordnumgen bestehen, wie sie handelsüblich sind und vielfach in integrierter Schaltungstech.-.ik hergestellt werden können und die sich in vielen Fällen außerdem mit elektronischen Ausleseeinrichtungen kombinieren lassen. In F i g. 1 ist in diesem Zusammenhang ein mit der Bezugszahl 6 bezeichneter Block dargestellt, der in dieser Weise eine elektronische Ausleseeinrichtung zusammen mit einer visuellen Ausleseeinrichtung oder auch nur diese letztere Einrichtung enthalten kann.

Derartige Photodiodenanordnungen bestehen aus einer Vielzahl von Photodioden, die sehr nahe neben- &ⁿ einander angeordnet sind. Die elektronische Ausleseeinrichtung ist mit einer solchen Photodiodenanordnung kombiniert und in ein und derselben Umhüllung untergebracht. Diese elektronische Ausleseeinrichtung enthält ein Schieberegister, das sicherstellt, daß die Photodioden nacheinander in einer bestimmten Reihenfolge abgetastet werden. Von einem solchen pho-Bauelement in Kombination mit einer Ausleseeinrichtung kann ein Signal abgenommen werden, das einer visuellen Ausleseeinrichtung und/oder einem Fehlerindikator zugeführt werden kann, der wiederum ein akustisches oder optisches Alarmsignal auslösen kann, falls die gemessenen Abmessungen des Meßobjektes in der einen oder anderen Richtung von bestimmten zuvor festgelegten Werten abweichen.

Wie oben erwähnt, werden die Umrisse des Drahtes 1 mit Hilfe der Zylinderlinse 3 auf das photoelektrische Bauelement 5 projiziert. Diese Zylinderlinse 3 gestattet die Anwendung einer längeren Meßlänge entlang des Drahtes 1. Dies bringt den Vorteil mit sich, daß es keiner Abdeckung der Apertur der Optik bedarf, da alle Anteile des durch die Optik hindurchgehenden Lichtes nach der Zylinderlinse 3 gleichgerichtet sind, die das Licht so zu einem Lichtbündel bricht, daß sich im Abstand ihrer Brennweite, wo die spaltförmige Aperturblende 4 angeordnet ist, ein dünner Lichtstrahl ergibt. Die Aperturblende 4 wiederum hat zur Folge, daß nur das Licht, das am Draht 1 parallel gerichtet ist, auf das photoelektrische Bauelement 5 auftrifft. Dieses parallele Lichtbündel ist senkrecht zu dem zu messenden Durchmesser des Drahtes 1 gerichtet. Die Abtasteinrichtungen können in weitgehend willkürlichem Abstand hinter der Aperturblende 4 angeordnet werden, und mit Hilfe der Zylinderlinse 3 läßt sich eine intensivere Beleuchtung dieser Abtasteinrichtungen als bei bisher bekannten Meßanordnungen erzielen, und entsprechend ergibt sich auch eine bessere Erkennungsfähigkeit, und die Lichtquelle muß nicht eine so große Lichtleistung aufbringen, wie dies bei den bekannten Anordnungen erforderlich ist.

In F i g. 2 ist eine etwas abgewandelte Ausführungsform für die Meßanordnung nach F i g. 1 dargestellt. Das Meßobjekt, dessen Abmessungen gemessen werden sollen, trägt wiederum die Bezugszahl 1, und auch im Falle von F i g. 2 ist als solches Meßobjekt ein Draht 1 angenommen.

Eine Lichtquelle 9 emittiert auf den Draht 1 gerichtetes Licht. Zwischen dieser Lichtquelle 9 und dem Draht 1 ist ein Kondensor 10 angeordnet. Dieser Kondensor 10 besteht aus einer axialsymmetrischen Linse. Hinter dem Draht 1 ist eine Zylinderlinse 11 angeordnet. Die entsprechende Zylinderlinse 3 in F i g. 1 ist eine Plankonvexlinse, die Zylinderlinse 11 dagegen weist zwei konvexe Oberflächen auf. Diese unterschiedliche Ausbildung der Zylinderlinsen ist für die Grundidee der Erfindung nicht wesentlich, sie kann jedoch von gewisser praktischer Bedeutung sein, wie unten noch näher ausgeführt wird. Die Aperturblende 4, das photoelektrische Bauelement 5 sowie die elektronische Ausleseeinrichtung 6 gleichen bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 den entsprechenden Bauteilen in F i g. 1, mit der einzigen Ausnahme, daß das photoelektrische Bauelement 5 in F i g. 2 als eine einzige Einheit dargestellt ist.

Der Kondensor 10 in der Meßanordnung nach F i g. 2 hat die gleiche Funktion wie bei entsprechenden Anordnungen in üblichen und bekannten Projektoren.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 3 dient als Lichtquelle 12 eine röhrenförmig ausgebildete Lampe, die beispielsweise eine Fluoreszenzlampe sein kann. Das von dieser Lichtquelle 12 abgestrahlte Licht ist auf ein in seinen Abmessungen zu bestimmendes Meßobjekt gerichtet, das auch in diesem Falle ein Draht 1 ist. Zwischen diesem Draht 1 und der Lichtquelle 12 ist ein Kondensor 13 in Form einer Zylinderlinse angeordnet.

Außerdem enthält die Meßanordnung nach Fig.3 eine Zylinderlinse 14, auf die eine spaltförmige Aper-

turblende 4, eine Zylinderlinse 15 und schließlich ein nur schematisch durch eine Linie angedeutetes photoelektrisches Bauelement 5 und die elektronische Ausleseeinrichtung folgen.

In F i g. 4 ist die Meßanordnung von F i g. 3 in einer um 90° gegenüber der Darstellung in F i g. 3 verdrehten Projektion gezeigt. Die Bezugssymbole sind wiederum die gleichen wie in der Darstellung in Fig. 3. Außerdem ist in F i g. 4 außer dem photoelektrischen Bauelement 5 die elektronische Ausleseeinrichtung 6 dargestellt.

Bei gleichzeitiger Betrachtung der Darstellungen in F i g. 3 und 4 wird der Zweck der verschiedenen Linsen offensichtlich. Der als Zylinderlinse ausgebildete Kondensor 13 bricht das von der Lichtquelle 12 abgestrahl- te Licht in der Weise, daß die Lichtbündel grundsätzlich parallel gerichtet sind, wenn sie den Draht 1 passieren. Diese Brechung erfolgt auf lediglich einem Niveau, und daher kann die Ausdehnung der Lichtquelle 12 in der Längsrichtung des Drahtes 1 eine Lichtfläche erzeugen, die in dieser Richtung weit ausgedehnt ist, da diese Erstreckung durch den Kondensator 13 nicht beeinflußt wird. Weder die Länge noch die Schmalheit des Lichtbündels in der Längsrichtung des Drahtes 1 wird durch die Zylinderlinse 14 merklich beeinflußt. Auf der anderen Seite wird dieser lange und schmale Lichtstreifen durch die Zylinderlinse so gebrochen, daß der auf das photoelektrische Bauelement 5 auftreffende Lichtfleck nur eine geringe Ausdehnung in der Längsrichtung des Drahtes 1 zeigt. Auf diese Weise kann der Vorteil der Verwendung einer größeren Meßlänge an den Draht 1 ausgenutzt werden, so daß die von dieser gesamten Länge stammende Information auf eine schmale Photodiodenanordnung konvergiert wird. Auf diese Weise kann die Beleuchtung des photoelektrischen Bauelemems gesteigert werden.

In F i g. 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Meßanordnung dargestellt. Das Meßobjekt, dessen Abmessungen bestimmt werden sollen, ist wieder mit der Bezugszahl 1 bezeichnet. In Übereinstimmung mit den oben beschriebenen Anordnungen ist hinter dem Meßobjekt 1 eine Zylinderlinse 3 angeordnet, auf die eine spaltförmige Aperturblende 4 und ein nur schematisch dargestelltes photoelektrisches Bauelement 5 mit einer elektronischen Ausleseeinrichtung fol- gen.

Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen ist die Lichtquelle so angeordnet, daß das Meßobjekt einen Teil des von der Lichtquelle abgestrahlten Lichtes abdeckt, worauf dann die Breite des abgedeckten Bereichs als ein Maß für die interessierende Abmessung des Meßobjektes dient Bei der in F i g. 5 dargestellten Meßanordnung sind dagegen zwei Lichtquellen mit Abdeckungsschirmen 16 so angeordnet, daß sie die dem photoelektrischen Bauelement 5 zugewandte Seite des Meßobjekts 1 beleuchten. Dadurch wird das von den Lichtquellen kommende Licht am Meßobjekt 1 zur Zylinderlinse 3 und durch die Aperturblende 5 hindurch auf das photoelektrische Bauelement 5 reflektiert

In Verbindung mit den verschiedenen dargestellten Ausführungsformen ist erwähnt worden, daß als Strahlungsquelle für die Beleuchtung des Meßobjektes eine Lampe dienen soll. Mit dem Begriff Lampe verbindet sich im allgemeinen der Gedanke an die Abstrahlung von sichtbarem Licht, jedoch sei darauf hingewiesen, daß sich auch Strahlungsquellen, die ultraviolettes oder infrarotes Licht abstrahlen, ohne weiteres für die Zwekke der Erfindung verwenden lassen. Ebenso können Lampen verwendet werden, die einen bestimmten spezifischen Frequenzbereich aus dem sichtbaren Licht emittieren. In diesem letzten Falle kann das photoelektrische Bauelement mit einem Filter versehen werden, das alle übrige Strahlung, außer der von der jeweiligen Lichtquelle abgestrahlten und in der Meßanordnung ausgenutzten Strahlung, zirückhält.

Die dargestellten Meßanordnungen eignen sich besonders zum Messen der Abmessungen eines Drahtes in einer Drahtzieherei. Ein solcher Draht ist ein bewegtes und vibrierendes Meßobjekt, und er weist häufig eine so hohe Temperatur auf, daß er infrarote Strahlung emittiert. Ein solcher Draht kann daher in bestimmter Fällen selbst als Strahlungsquelle bzw. Licht quelle herangezogen werden, und es bedarf dann kei ner gesonderten Lichtquelle oder Strahlungsquelle.

Bei den dargestellten und oben beschriebenen Ausführungsbeispielen ist jede Zylinderlinse als eine Einzellinse dargestellt. In manchen Fällen kann es jedoch in Anwendung der entsprechenden optischen Gesetzmäßigkeiten von Vorteil sein, mehrere nahe beieinander angeordnete Zylinderlinsen zu verwenden. Dabei können die gekrümmten Oberflächen dieser Zylinderlinsen nach der gleichen Richtung weisen oder einander entgegengesetzt sein, wobei die entsprechende Auswahl davon abhängt, was dem jeweiligen Einsatzfall am besten angepaßt ist.

Die Gestalt der einzelnen Zylinderlinsen wird unter anderem durch den Abstand zwischen den einzelnen Bauteilen der Meßanordnung bestimmt. Bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen sind die Zylinderlinsen im allgemeinen als Plankonvexlinsen dargestellt. In einem Falle jedoch ist eine Zylinderlinse dargestellt, die zwei konvexe Oberflächen mit im wesentlichen gleichem Krümmungsradius aufweist. In bestimmten Fällen kann es jedoch auch vorteilhaft sein, Zylinderlinsen zu verwenden, die zwei konvexe Oberflächen aufweisen, wobei jedoch die eine dieser Oberflächen erheblich stärker gekrümmt ist als die andere. Außerdem ist es im allgemeinen vorzuziehen, die Zylinderlinsen so zu drehen, daß ihre am stärksten gekrümmte Oberfläche in die Richtung weist, wo die Strahlen am weitestgehenden parallel verlaufen.

In jedem einzelnen Falle müssen bei der Ausbildung der ZylinderUnsen die Abmessungen der Meßanord nung in Betracht gezogen werden. Hierbei sind wirt schaftliche Überlegungen wesentlich, da es in vieler Fällen vorteilhaft ist eine genormte Konstruktion zi verwenden.

Die dargestellten Ausfühmngsbeispiele enthalten je weils spaltförmige Aperturblenden, es ist jedoch aucl ohne weiteres möglich, scheibenförmige Aperturblen den zu verwenden, obwohl die zuvor erwähnte Bauar iüi allgemeinen vorzuziehen ist

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Anordnung zum berührungslosen Messen der ^vTiessungen eines Meßobjekts, insbesondere zum

Mesi. des Durchmessers von Drähten in einer Drahtzien».. ' unter Projektion der Umrisse des Me objekts in c. . - Dimension mit Hilfe eines optischen Systems aut %. photoelektrisches Bauelement, dessen Ausgangssi^ »I ein Maß für die interessierencK Abmessung darsis ..t. dadurch gekennzeichnet, daß das optib. " System ein erstes ieilsystem mit mindestens eint Zylinderlinse (3; 11; 13; ί4), ßr welche die Erzeugenden der Zylinderfläche senkrecht zu der zu bestimmenden Ab- '5 messung gerichtet sind, und f »ne zwischen dieser Linve bzw. diesen Linsen e> erseits und dem photoelektrischen Bauelement (5) anderseits eingefügte Aperturblende (4) enthält, .j'e so angeordnet ist, daß grundsätzlich zu der zu bestimmenden Abmessung senkrechte Strahlen durch die Aperturbiende hindurchgehen, wobei der Abstand zwischen der Ap... turblende und dem photoele=. Tischen Bauelement so eingestellt ist, 3 die Projektion des Meßobjekts (1) auf die aktive Oberfläche des photoelektrisehen Bauelements fällt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System zusätzlich ein zweites, zwischen der Aperturblende (4) und dem photoelektrischen Bauelement (5) angeordnetes Teilsystem enthält, das eine Zylinderlinse (15) enthält, die um 90° gegen die Zylinderlinse(n) (3; 11; 13; 14) des ersten Teilsystems verdreht ist.

3. Anordnung nach Anrieh 1 oder :.\ dadurch gekennzeichnet, daG Jie aktive ."'""he des photoelektrischen Bauelements (5) 1:1 zwei rti.^nitte (5a, 56) unterteilt ist und die Umrisse des MeßobjeMS (1) auf jeden dieser Abschnitte projiziert werden.