DE2750109C2

DE2750109C2 - Vorrichtung zur kontaktlosen Messung linearer Wegstrecken, insbesondere des Durchmessers

Info

Publication number: DE2750109C2
Application number: DE19772750109
Authority: DE
Inventors: Detlef Ing.(grad.) 3405 Rosdorf Mallwitz
Original assignee: Spindler & Hoyer & Co 3400 Goettingen De GmbH
Current assignee: Spindler & Hoyer & Co 3400 Goettingen De GmbH
Priority date: 1977-11-09
Filing date: 1977-11-09
Publication date: 1991-03-07
Also published as: GB2007836B; FR2408815B1; GB2007836A; FR2408815A1; CH628425A5; DE2750109A1; JPS5469465A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung der in den Oberbegriffen der beiden Ansprüche angegebenen Art.

Eine derartige Vorrichtung ist aus einem Prospekt der Firma Dipl.-Ing. Bruno Richter »Optisches Durchmesser-Gerät Typ DO« bekannt. Dabei wird das zu messende Objekt in ein Meßfeld eingebracht, welches zwischen einer ersten senderseitigen Optik und einer zweiten, empfängerseitigen Optik angeordnet ist. Es ist eine Quelle zur,-.Erzeugung eines Lichtstrahles vorgesehen. Dieser lichtstrahl wird in bekannter Weise gebündelt end über eine Abtasteinrichtung geführt, die einen Drehspiegel aufweist. Innerhalb des Mt3feldes

ίο wird eine annähernd parallele Strahlenführung erzielt. Der abtastende Lichtstrahl wird von der Empfängeroptik auf eine Fotodiode geleitet. Dabei wird der Drehspiegel mit konstanter Drehfrequenz mit Laserlicht der Lichtquelle derart beaufschlagt daß das Objekt

ι j periodisch vom Laserstrahl überstrichen wird. Während der Laserstrahl das Objekt von Kante zu Kante überstreicht, wird mit Hilfe eines Oszillators eine Zeitmessung durchgeführt. Die Abmaße des Objektes werden sodann aus der Drehfrequenz des Drehspiegels

>o und der Abschattungszeit ermittelt Es können auch zwei Objekte in das Meßfeld eingebracht und nacheinander vermessen werden; ein Referenzobjekt wird jedoch nicht benutzt Voraussetzung für die Meßsicherheit ist eine konstante Beziehung zwischen Drehfrequenz und Oszillatorfrequenz. Die erhaltene Anzahl der Impulse ist proportional dem Durchmesser des zu messenden Objektes, streng genommen jedoch nur dann, wenn Optiken großen Durchmessers eingesetzt werden, die ohne Öffnungsfehler sind. Derartige

jo öffnungsfehlerfreie Optiken großen Durchmessers sind jedoch entsprechend teuer. Weiterhin ist nachteilig, daß der Drehspiegel in seiner Drehzahl sehr genau geregelt werden muß, und zwar in Abhängigkeit von der Frequenz des Oszillators. Die Abtast-Frequenz muß

J5 also stabilisiert werden, was einen erheblichen geräteseitigen Aufwand bedeutet.

Die bekannte Vorrichtung kann sinnvollerweise in kleinen Durchmesserbereichen von 0,25 bis 30 mm eingesetzt werden, beispielsweise beim Drahtziehen.

Für die Messung größerer linearer Wegstrecken, also bis etwa in den Bereich von 100 mm steigt der Aufwand für eine öffnungsfehlerfreie Optik unangemessen hoch an. Da sich jedoch Öffnungsfehler in der Regel nicht vollkommen vermeiden lassen, ist die bekannte

•ts Vorrichtung bei der Messung relativ großer linearer Wegstrecken entsprechend fehlerbehaftet.

Aus der DE-AS 12 38 224 ist eine Einrichtung zur Prüfung der Dicke fadenförmigen Materials bekannt, Diese Einrichtung arbeitet jedoch mit einem Schattenbild, d. h., es wird nicht das Objekt abgetastet, sondern das Bild des Objektes ausgemessen. Es versteht sich, daß bei dieser Messung alle die Fehler notwendigerweise das Ergebnis verfälschen müssen, die durch die Abbildung des Objektes als Objektbild entstehen. Durch Abzählen des Schattenbildes auf einem fotoelektrischen Wandler wird auf die Abmaße des Objektes geschlossen.

Auch die aus der DE-OS 24 29 455 bekannte Einrichtung arbeitet nach dem Schattenbildverfahren,

6Q d, h. das zu messende Objekt wird in ein Meßfeld zwischen zwei Optiken eingebracht und mit einer Lichtquelle wird das Bild des Objektes auf einen fotoempfindlichen Empfänger geworfen. Im Meßfeld ist noch ein Strahlenteiler angeordnet, um durch eine wahlweise zu benutzende seitlich angebrachte zweite Lichtquelle mit einer entsprechenden Optik das Bild eines Eichgitters, also das Bild eines Referenzobjektes in das Meßfeld und damit auf den fotoempfindlichen

Empfänger einzuspiegeln, um auf diese Weise nacheinander das Bild des Objektes mit dem Bild des Referenzobjektes zu vergleichen. Auch hierbei treten selbstverständlich Abbildungsfehler zu Tage. Im übrigen ist auch hier der apparative Aufwand sehr groß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art, die also unter direkter Abtastung des Objektes arbeitet, so weiterzubilden, daß lineare Wegstrecken mit vergleichsweise geringem baulichen Aufwand, a5so ohne Frequenzstabilisierung und ohne die Notwendigkeit der Verwendung von öffnungsfehlerfreien Optiken, über große Meßbereiche ausreichend genau gemessen werden können.

Diese Aufgabe, wird durch die in den kennzeichnenden Teilen der beiden Ansprüche jeweils niedergelegten Merkmale gelöst Da das Objekt und das Referenzobjekt direkt abgetastet werden, entfallen Fehler, die durch die Schaffung eines Bildes des Objektes entstehen können, von vornherein. Aber auch Linsenfehler der verwendeten Optiken bei der Abtastung des Objektes und des Referenzobjektes können vernachlässigt werden, wenn gemäß Anspruch 1 sowohl das Objekt als auch das Referenzobjekt in gleicher Weise »fehlerhaft beaufschlagt werden«. Durch den Vergleich der beiden Abschattungszeiten dividieren sich diese Fehler durch sich selbst, d.h. sie haben keinen Einfluß auf das Meßergebnis. Wird beispielsweise ein Drehspiegel eingesetzt, so kann dessen Winkelgeschwindigkeit innerhalb großzügiger Toleranzgrenzen veränderbar sein. Eine Stabilisierung der Abtast-Frequenz ist nicht mehr erforderlich. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Abtastung des Objektes und des Referenzobjektes in sehr kurzer Zeit nacheinander, vorzugsweise innerhalb geringer Winkeländerung erfolgt, so daß auch die jeweilige Frequenz bei einer Messung nicht sehr unterschiedlich ist. Sollte sich diese Frequenz bis zur nächsten Messung ändern, so hat dies auch keinen Einfluß, da durch die Differenzbildung der Abschattungszeiten die Wirkung der Frequenz beseitigt wird.

Bei der Vorrichtung gemäß Anspruch 2 werden zwei voneinander getrennte Meßfelder vorgesehen. Beide Meßfelder sind mit jeweils getrennten, aber identischen Optiken und Fotoempfängern ausgestattet und werden von demselben abtastenden Lichtstrahl überstrichen. An beiden Fotoempfängern findet auch derselbe Oszillator Verwendung. Auch hierbei befinden sich die Meßfelder vorzugsweise nur über einen Winkelbereich eines spitzen Winkels getrennt voneinander, so daß Frequenzunterschiede zumindest vernachlässigbar klein sind. Es ist durchaus möglich, normale, d. h. öffnungsfehlerbehaftete Linsen für die jeweiligen Optiken einzusetzeti. Voraussetzung ist nur, daß einerseits die Empfängerlinsen und andererseits die Senderlinsen untereinander identische Eigenschaften besitzen. Dies läßt sich aber sehr leicht realisieren.

Die Vorrichtungen lassen sich auch für zweidimensional Messungen weiterbilden und dann einsetzen. Hierbei wird mit einem Lichtstrahl, vorzugsweise einem Laserstrahl, in zwei zueinander senkrechten Richtungen abgetastet oder das Objekt wird in der zur Bewegungsrichtung des abtastenden Lichtstrahls senkrechten Richtung schrittweise bewegt. Zur Steigerung der Meßgenauigkeit ist es möglich, ein Referenzobjekt mit solchen Abmessungen einzusetzen, die den zu messenden Abmessungsü des Objektes möglichst genau entsprechen. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß die größte Genauigkeit exa,U dort erreicht wird, wo der

Sollwert des zu messenden Objektes liegt.

Die Zähleinrichtung besitzt zwei Speicher. Der eine Speicher ist für die frequenzmodulierte Abschattungszeit durch das Objekt und der andere Speicher für die durch denselben Oszillator frequenzmodulierte Abschattungszeit durch das Referenzobjekt bestimmt Eine Auswerteeinheit für den Vergleich der beiden Abschattungszeiten und die Ermittlung der zu messenden linearen Wegstrecke an dem Objekt ist nachgeschaltet

Die Erfindung wird anhand zweier Vorrichtungen weiter beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 die prinzipielle Anordnung der Einzelteile der Vorrichtung in einer ersten Ausführungsform und

Fig.2 die prinzipielle Anordnung der Einzelteile einer Vorrichtung in einer zweiten Ausführungsform.

In F i g. 1 ist eine erste Ausführungsform der Vorrichtung mit ihren wesentlichen Einzelteilen in prinzipieller Weise dargestellt Mittels einer nicht gezeigten Lichtquelle wird ein gebündelter Lichtstrahl 7 erzeugt, der mit Hilfe eines Drehspiegels 8, der mit der Winkelgeschwindigkeit 9 um eine A ::hse rotiert, in das Meßfeld (3,3') reflektiert wird. Dieser Lichtstrahl 6 fällt auf eine erste Optik 1 der Vorrichtung, an die sich ein Meßfeld 3 bis hin zu einer zweiten Optik anschließt Ein Fotoempfänger 5 ist nachgeschaltet In dem Meiifeld 3 ist das zu messende Objekt 4 angeordnet Daneben, davor oder dahinter, relativ zu der Ablenkrichtung des abtastenden Lichtstrahls ist ein weiteres Meßfeld 3' vorgesehen, in dem ein Referenzobjekt 4' fixiert iüt Auch hier findet eine erste Optik 1' und eine zweite Optik 2' Verwendung. Ebenso ist ein Fotoempfänger 5' nachgeschaltet Die Optiken 1 und Γ besitzen gleiche Eigenschaften. Ebenso besitzen auch die Optiken 2 und 2' gleiche Eigenschaften. Öffnungsfehler sind nicht nachteilig.

Die den beiden Fotoempfängern 5 und 5' nachgeschaltete Auswerteeinheit 10 weist einen einzigen Oszillator 11 und zwei Speicher 12 und 12' auf. Nachgeschaltet ist eine Einrichtung 13 zum Vergleich der beiden Abschattungssignale und Erstellen eines der zu messenden Wegstrecke entsprechenden Ausgangssigj-als und eine beispielsweise digitale Anzeige 14 zur Sichtbarmachung des Meßergebnisses.

Die Vorrichtung gemäß F i g. 1 arbeitet min wie folgt:

Das Meßobjekt 4 wird in das Meßfeld 3 eingebracht bzw. durchläuft das Meßfeld 3. Das Reierenzobjekt 4' wird in dem Meßfeld 3' fixiert Sein Durchmesser ist bekannt. Der abtastende Lichtstrahl 6 überstreicht kurz nacheinander sowohl das Objekt 4 als auch das Referenzobjekt 4'. In beiden Fällen wird die jeweilige Abschattungszeit von dem Fotoempfänger 5 und 5' registriert, mit Hilfe, des identischen Oszillators 11 frequenzmoduliert und die jeweilige Abschattungszeit bzw. -signal in den Speicher 12 bzw. 12' gegeben. Da der Durchmesser des Referenzobjektes 4' genauestens bekannt ist, kann durch einfache Verhältr.isbildung an der Einrichtung 13 und mit Hilfe des bekannter Durchmessers des Referenzobjektes 4' der zu messende Durchmesser an dem Objekt 4 ermittelt und angezeigt werden. Da die beiden Meßfelder 3 und 3' nur in einem relativ kleinen spitzen Winkel voneinander verschieden angeordnet sind, ist nicht zu erwarten, daß eine Frequenzänderung des Drehspiegels 8 v/ährend dieses Winkelbereiches eintritt. Jedenfalls ist eine derartige Frequenzänderung vernachlässigbar klein. Im übrigen ist die Frequenz dea Drehspiegel 8 völlig unabhängig von der Frequenz des Oszillators 11.

In Fig. 2 ist eine weitere Ausführungsform der

Vorrichtung dargestellt. Hierbei werden im Unterschied zu Fig. I lediglich die identischen Optiken I, 1' bzw. 2, 2' eingesetzt, so daß ein einziges MeBfeld 3, 3' geschaffen ist. in welches sowohl das Objekt 4 als auch das Referenzobjekt 4' eingebracht werden. In diesem [•'alle ist zusätzlich eine Logik 15 erforderlich, die die beiden Abschattungssignale unterscheidet und eine Speicherung in dem jeweils zugehörigen Speicher 12 bzw. 12' bewirkt. Die Arbeitsweise dieser Vorrichtung ist ansonsten analog.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur kontaktlosen Messung linearer Wegstrecken, insbesondere des Durchmessers faden-, draht-, stangen- oder röhrenförmiger Objekte, mit einer Lichtstrahlenquelle, einer Einrichtung zum Ablenken dieses Lichtstrahles zur Abtastung, einem zwischen einer ersten und einer zweiten Optik liegenden Meßfeld für das Objekt, über das der abtastende, scharf gebündelte Lichtstrahl geführt wird, einem der zweiten Optik nachgeschalteten Fotoempfänger zum Registrieren der Abschattungszeit des abtastenden Lichtstrahls, einer einen Oszillator aufweisenden Zähleinrichtung und gegebenenfalls einer digitalen Anzeige, dadurch gekennzeichnet, daß im Meßfeld (3, 3') in Ablenkrichtung des abtastenden Lichtstrahles ein Referenzobjekt (4') im Abstand neben dem Objekt (4) vorgesehen ist, daß dem Fotoempfänger (5, 5') eine Logik <(Tt3) zum Unterscheiden der beiden vom Objekt (4) und Referenzobjekt (4') bewirkten Abschattungszeiten sowie je ein Speicher (12, 12') zur Aufnahme der von dem Oszillator (11') frequenzmodulierten zeitabhängigen Abschattungssignale des abtastenden Lichtstrahls über das Referenzobjekt (4') und über das Objekt (4) nachgeordnet sind, und daß eine Einrichtung (13) zum Vergleich der beiden Abschattungssignale und Erstellen eines der zu messenden Wegstrecke entsprechenden Ausgangssignals vorgesehen ist.

2. Vorrichtung zur kontaktlosen Messung linearer Wegstrecken, insbesondere des Durchmessers faden-, draht-, stangen- oder röhrenförmiger Objekte, mit einer Lichtstrahlenquelle, einer Einrichtung zum Ablenken dieses Lichtstrahles zu*. Abtastung, einem zwischen einer ersten und einer zweiten Optik liegenden Meßfeld für das Objekt, über das der abtastende, scharf gebündelte Lichtstrahl geführt wird, einem der zweiten Optik nachgeschalteten Fotoempfänger zum Registrieren der Abschattungszeit des abtastenden Lichtstrahls, einer einen Oszillator aufweisenden Zähleinrichtung und gegebenenfalls einer digitalen Anzeige, dadurch gekennzeichnet; daß durch eine weitere erste und zweite Optik (1', 2') ein gesondertes Meßfeld (3') für ein Referenzobjekt (4') vorgesehen ist, daß diese Optiken (V, 2') gleiche Abbildungseigenschaften wie die beiden Optiken (1, 2) des Meßfeldes (3) für das Objekt (4) aufweisen, daß auch der zweiten Optik (2') des Meßfeldes (3') für das Referenzobjekt (4') ein Fotoempfänger (5') nachgeschaltet ist, daß jedem Fotoempfänger ein Speicher (12,12') zur Aufnahme der von dem Oszillator (11) frequenzmodulierten zeitabhängigen Abschattungssignale des abtastenden Lichtstrahls über das Referenzobjekt (4') und über das Objekt (4) nachgeordnet ist, und daß eine Einrichtung (13) zum Vergleich der beiden Abschattungssignale und Erstellen eines der zu messenden Wegstrecke entsprechenden Ausgangssignals vorgesehen ist.