DE2744130A1

DE2744130A1 - Vorrichtung zum beruehrungsfreien messen des abstandes einer oberflaeche eines objektes von einer bezugsebene

Info

Publication number: DE2744130A1
Application number: DE19772744130
Authority: DE
Inventors: Viktor Dr Ing Bodlaj
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1977-09-30
Filing date: 1977-09-30
Publication date: 1979-04-12
Also published as: GB2007062B; US4212534A; FR2404860B1; BE870893A; GB2007062A; IT7828168A0; JPS5458459A; NL7809875A; IT1099196B; FR2404860A1

Description

AKTIENGESELLSCHAFT -* Unser Zeichen Berlin und München VPA 77 P 7 1 6 8 BRD

Vorrichtung zum berührungsfreien Messen des Abstandes einer Oberfläche eines Objekts von einer Bezugsebene

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art ist bereits in der DT-OS 25 08 836 beschrieben worden. Bei dieser Vorrichtung sind zusätzlich ein Strahlteiler, der einen Teil des Lichtstrahles abzweigt und zwei weitere Fotodetektoren mit Visierlinie vorhanden. Diese Fotodetektoren sind so angeordnet, daß sie vom abgezweigten Teilstrahl getroffen werden, wobei die Visierlinie eines Jeden Fotodetektors parallel zum treffenden Teilstrahl ausgerichtet ist.

Diese bekannte Vorrichtung dient dazu, die Ablenkgeschwindigkeit des Lichtstrahles zu stabilisieren, wodurch eine bleibende hone Meßgenauigkeit erreicht werden soll.

Zu diesem Zweck wird die bekannte Vorrichtung so betrieben, daß laufend der zeitliche Abstand zwischen dem Zeitpunkt, bei dem der eine und dem Zeitpunkt, bei dem der andere der beiden weiteren Fotodetektoren vom abgezweigten Teilstrahl getroffen wird, überwacht und bei Abweichung dieser Zeitdifferenz von einem Sollwert der Strahlablenker nachgeregelt wird.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, mit der es möglich ist,

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den richtigen Meßabstand unabhängig von der Ablenkgeschwindigkeit des Lichtstrahls zu bestimmen.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein Zeitmeßgerät vorgesehen ist, mittels welchem Jeweils innerhalb einer Zeitspanne, in der der Lichtstrahl in einem Richtungssinn abgelenkt wird und darin die diffus reflektierende Oberfläche überstreicht, folgende Zeitdifferenzen meßbar sind:

a) die Zeitdifferenz ^t_R, die der Lichtstrahl von einer

ersten vorgebbaren festen Richtung des Lichtstrahls bis zu einer zweiten vorgebbaren festen Richtung oder umgekehrt, je nach Strahlablenkrichtung, benötigt,

b) die Zeitdifferenz Δ t-η. von der zweiten Richtung bis zu einer dritten vorgebbaren festen Richtung oder umgekehrt,

c) die Zeitdifferenz At^ von der dritten Richtung bis zu dem Zeitpunkt, bei dem der Fotodetektor anspricht oder umgekehrt,

daß ein Rechenwerk vorgesehen ist, in welches zur Ermittlung des Abstandes die ermittelten Zeltdifferenzen /!tr,, A z und A t, als variable Rechengrößen eingebbar sind und daß dieses Rechenwerk mit der Rechenvorschrift

programmiert ist, wobei A, B, C, c, <* , /S vorrichtungsbedingte Konstanten und TT die Ludolf'sehe Zahl sind, die als feste Rechengrößen vorliegen.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung gehen aus weiteren Unteransprüchen hervor.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Figur näher

erläutert.

Die Figur zeigt in schematischer Darstellung das vollständige ο

Ausführungsbeispiel. In der Figur ist die Lichtquelle, die den ^

scharf gebündelten Lichtstrahl erzeugt, mit 12 und der Strahl- *~

ablenker zum Ablenken des Lichtstrahles mit 10 bezeichnet. σ>

Der abgelenkte Lichtstrahl überstreicht wiederholt den Winkel o> bereich _n< In diesem Winkelbereich ist auch das Objekt 13 so angeordnet, daß seine diffus reflektierende Oberfläche vom

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Lichtstrahl überstrichen wird. Der Lichtstrahl wird im übrigen · in einer Ebene abgelenkt. Der Fotodetektor ist mit 17 bezeichnet und so ausgerichtet, daß seine Visierlinie in der Ebene, in der der Lichtstrahl abgelenkt wird, liegt und die diffus reflektierende Oberfläche 131 trifft.

Mit 41, 42 und 43 sind die erste, zweite und dritte vorgebbare feste Richtung bezeichnet.

Es wird nun ein Meßvorgang näher beschrieben. Es sei dabei angenommen, daß der Lichtstrahl von links nach rechts, also in Richtung des Pfeiles 18 abgelenkt wird. Zu einem Zeitpunkt t_D nimmt er die Richtung 41.ein. Zu diesem Zeitpunkt wird das Zeitmeßgerät zur Messung der Zeitdifferenz α t„ in Gang gesetzt. Zum Ingangsetzen des Zeitmeßgerätes dient ein Strahlteiler 24, der im Winkelbereich, den der Lichtstrahl überstreicht, angeordnet ist und der einen Teilstrahl abzweigt, sowie drei weitere Fotodetektoren 25, 25' und 25'' mit Visierlinie, die jeder einer der drei festen Richtungen 41 bis 43 zugeordnet ist. Dabei ist jeder dieser drei weiteren Fotodetektoren so angeordnet und ausgerichtet, daß er nur Licht vom in die zugeordnete Richtung ausgerichteten Lichtstrahl aus der Richtung seiner Visierlinie empfängt.

Zum Zeitpunkt t_R wird also der Fotodetektor 25 vom Teilstrahl getroffen, wodurch er anspricht und ein Startsignal für das Zeitmeßgerät 2 abgibt.

Hat der Lichtstrahl die Richtung 42 erreicht, spricht der zugeordnete Fotodetektor 25' an. Sein Signal hält einerseits das Zeitmeßgerät an, wobei die bis dahin gemessene Zeitdifferenz Δ t_R angibt, andererseits wird das Zeitmeßgerät erneut in Gang gesetzt. Derselbe Vorgang wiederholt sich, wenn der Lichtstrahl die dritte Richtung 43 erreicht hat. Die bis dahin gemessene Zeitdifferenz ist die Zeitdifferenz A ^t2'DA' ^{Hat der Llcht}~ strahl den Punkt auf der diffus reflektierenden Oberfläche 131 erreicht, den die Visierlinie 171 des Fotodetektors 17 betrifft, spricht dieser an und hält das Zeitmeßgerät ein letztes Mal in diesem Meßvorgang an. Die gemessene Zeit ist die Zeit-

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differenz ^t...

Alle drei Zeitdifferenzen üt_R, /\ "^DA "¹^ ^d ^{werden als} variable Rechengrößen in das Rechenwerk 1 eingegeben, welches mit der Rech envorschrift

programmiert ist. A, B,C, c, oL , β sind vorrichtungsbedingte

Konstanten und 7Γ ist die Ludolf'sehe Zahl. Diese Konstanten

können beispielsweise als feste Rechengrößen im Rechenwerk abgespeichert sein.

Als Rechenwerk eignet sich vorteilhaft ein Digitalrechner, insbesondere ein Mikroprozessor. Es ist dabei zweckmäßig, wenn die als variable Rechengrößen einzugebenden Zeitdifferenzen in digitaler Darstellung vorliegen würden. Zu diesem Zweck ist es zweckmäßig, wenn das Zeitmeßgerät zumindest einen auf einen festen Anfangswert rückstellbaren und parallel auslesbaren Zähler umfaßt, welcher durch das Signal des Fotodetektors 25 startbar, durch die Signale der Fotodetektoren 25' und 25'^f Jeweils zunächst anhaltbar und parallel auslesbar und danach wieder startbar und durch das Signal des Fotodetektors 17 anhaltbar und parallel auslesbar ist. Die an den Parallelausgängen jetzt in digitaler Darstellung vorliegenden Zeitdifferenzen können so nacheinander zur Verarbeitung ins Rechenwerk gegeben werden. Die genaue Zeit der Zeitmessung wird von der Taktperiode des Zähltaktes mitbestimmt und kann über diese auch variiert werden.

Das Ergebnis der Rechnung gibt den Meßabstand richtig an, wenn die Konstanten folgendermaßen gewählt werden:

A = Abstand der Bezugsebene vom Strahlablenker (siehe Figur)

B = ( JJ₂) .φ$**)) «bei 4t_ZDAound At_Ro

vorgebbare Anfangszeiten sind und V der gesamte Winkelbereich ist, den der Lichtstrahl überstreicht, C = 27"v£ · Δ t_R ", wobei v? eine vorgebbare Anfangsfrequenz ist,

c a4/'nfJrv_e ^ß/Atg_e ) wobei t_ß = &£/ζτη?₀ und θ_ζ vorzugsweise 120° bzw. - 60° gewählt wird, je nach dem, ob sich der Lichtstrahl beim Beginn einer Messung zum Fotodetektor 17 hin

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bzw. von ihm fortbewegt.

txL ist der Winkel zwischen der zweiten bestimmten Richtung und der Normalen der Bezugsebene und /3 der Winkel zwischen der Visierlinie des Fotodetektors 17 und dieser Normalen. Die Bezugsebene verläuft stets paralle zur diffus reflektierenden Oberfläche und der Schnittpunkt, bei dem sich die zweite bestimmte Richtung und die Visierlinie des Detektors 17 schneiden, liegt stets auf der Bezugsebene.

Es sei darauf hingewiesen, daß die Messung unabhängig von der Ablenkrichtung erfolgen kann. Es kann also eine Messung erfolgen, wenn der Strahl in Richtung des Pfeiles 18 abgelenkt wird und unmittelbar darauf eine, wenn er entgegengesetzt abgelenkt wird, wobei jetzt zuerst Δ t,, dann Z\t-_DA und zuletzt

Δ t„ gemessen wird, während es vorher gerade umgekehrt war.

Die vergleichsweise höchste Meßrate erreicht man, wenn bei jeder Hin- und Rückbewegung des Lichtstrahles eine Messung erfolgt.

Eine hohe Meßgenauigkeit kann erreicht werden, wenn mehrere Messungen durchgeführt werden und über die Meßergebnisse gemittelt wird.

Es können auch mehrere Messungen gleichzeitig durchgeführt werden, wenn nicht nur ein Tripel von bestimmten Richtungen verwendet wird. Zweckmäßig ist es dabei, wenn als Signalgeber Fotodetektoren mit zwei oder mehreren Visierlinien verwendet werden, je nach dem wieviele Tripel vorgegeben sind.

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Claims

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Patentansprüche

M .) Vorrichtung zum berührungsfreien Messen des Abstandes einer diffus reflektierenden Oberfläche eines Objektes von einer Bezugsebene, umfassend eine Lichtquelle, die einen scharf gebündelten Lichstrahl erzeugt, einen Strahlablenker zum Ablenken des Lichtes und damit wiederholten Überstreichen der diffus reflektierenden Oberfläche, einen Fotodetektor, der innerhalb eines vorgebbaren Winkelbereiches nur auf Licht, das aus einer bestimmten Richtung zu ihm gelangt (Fotodetektor mit Visierlinie) anspricht, und der so ausgerichtet ist, daß seine Visierlinie auf die diffus reflektierende Oberfläche ausgerichtet ist und von dem die Oberfläche überstreichenden Lichtstrahl zumindest bereichsweise geschnitten wird, dadurch gekennzeichnet , daß ein Zeitmeßgerät (2) vorgesehen ist, mittels welchem jeweils innerhalb einer Zeitspanne, in der der Lichtstrahl in einem Richtungssinn abgelenkt wird und darin die diffus reflektierende Oberfläche überstreicht, folgende Zeitdifferenzen meßbar sind:

a) die Zeitdifferenz Δt_R, die der Lichtstrahl von einer ersten vorgebbaren festen Richtung (41) des Lichtstrahles bis zu einer zweiten vorgebbaren festen Richtung (42) oder umgekehrt, je nach Strahlablenkrichtung,

b) die Zeitdifferenz Δ ^tqa ^{von der} zweiten Richtung bis zu einer dritten vorgebbaren festen Richtung (43) oder umgekehrt ,

c) die Zeitdifferenz Δ t^ von der dritten Richtung bis zu dem Zeitpunkt, bei dem der Fotodetektor anspricht oder umgekehrt,

daß ein Rechenwerk (1) vorgesehen ist, in welches zur Ermittlung des Abstandes die ermittelten Zeitdifferenzen ^n» Δ t-j.. und Zl t. als variable Rechengrößen eingebbar sind und daß dieses Rechenwerk mit der Rechenvorschrift

programmiert ist, wobei A, B, C, c, X , /S vorrichtungsbedingte Konstanten und 7r die Ludolf'sehe Zahl sind, die als feste Rechengrößen vorliegen.

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2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für das Zeitmeßgerät drei Signalgeber (25, 25', 25^fl) vorgesehen sind, die jeder einer der drei festen Richtungen zugeordnet ist und ein Signal liefert, wenn der Lichtstrahl in die zugeordnete Richtung zeigt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Signalgeber ein Fotodetektor mit zumindest einer Visierlinie ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das programmierte Rechenwerk ein Digitalrechner ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Digitalrechner ein Mikroprozessor ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3 und 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeitmeßgerät zumindest einen auf einen festen Anfangswert rückstellbaren und parallel auslesbare Zähler umfaßt, welcher innerhalb der Zeitspanne durch das Signal des Signalgebers, der der ersten Richtung zugeordnet ist, startbar und/oder anhaltbar und parallel auslesbar, durch die Signale der Signalgeber, die der zweiten und dritten Richtung zugeordnet sind, zunächst anhaltbar und parallel auslesbar und danach startbar und durch das Signal des Fotodetektors, der Licht von der diffus reflektierenden Oberfläche empfängt danhaltbar und parallel auslesbar und/oder startbar ist.

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