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Verfahren und Vorrichtung zum Auffinden der
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Position einer Werkstückfläche oder dergleichen Die Erfindung betrifft
ein berührungslos arbeitendes Werkstück-Meßsystem.
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Bei industriellen Montage- oder Rüstungsvorgängen ist es wünschenswert,
die Position einer Fläche zu kennen, um beispielsweise zu entscheiden, ob die Werkstückgröße
Spezifikationen innerhalb akzeptabler Toleranzen erfüllt. Ein derartiger Meßvorgang
muß schnell und genau in einer Umgebung ausgeführt werden, wo es oft unerwünscht
ist, einen körperlichen Kontakt mit dem Werkstück durchzuführen, insbesondere, wenn
das Werkstück rauhe Oberflächen und/oder rauhe Kanten aufweist, die die Präzision
und Wiederholbarkeit von Messungen reduzieren, die durch körperliches Berühren des
Werkstücks vorgellommen werden. Zusätzlich ist es wünschenswert, ein derartiges
Messen durch ein automatisiertes Gerät vorzunehmen, um die Meßgeschwindigkeit zu
erhöhen und Fehler im Vergleich zu manuellem Messen zu minimalisieren.
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Verschiedene Techniken wurden zur Durchführung von berührungslosen
Messungen von Teilen im industriellen Bereich vorgeschlagen, vgl. beispielsweise
Waters, J.P., "Gauging by Remote Image Tracking", Optical Engineering, Band 18,
Nr. 5, S.473-477, sC,tember-Oktober 1979, wo eine optische Dreiecksmessungstechnik
verwendet wird. Darin wird
vorgeschlagen, einen Lichtpunkt von einem
Meßkopf auf das zu messende Teil zu werfen. Ein Bild dieses Punktes wird auf.das
Zentrum eines Nachiauffotodetektors fokussiert.
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Wenn das Teil in einer Richtung senkrecht zu der Projektionsachse
bewegt wird, wird sich der fokussierte Punkt auf der Oberfläche des Fotodetektors
entsprechend der Änderung der Krümmung der Fläche des Teils bewegen. Verschiedene
Signale werden am Fotodetektorausgang erhalten und verwendet, um das System in eine
Nulleinstellung zu führen. Ein anderes Meßsystem wird in der US-PS 3,994,589 beschrieben,
bei dem der Abschnitt einer beleuchteten Stelle auf einer Werkstückoberfläche gemessen
wird, die durch eine vorbestimmte Öffnung erhalten wird, und bei dem dies als Anzeige
für die Position der beleuchteten Fläche verwendet wird.
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Obwohl solche Methoden in bestimmten Flächen zweckmäßig sein können,
besteht trotzdem ein Bedürfnis für ein genau, schnell, zuverlässig arbeitendes und
relativ billiges System zum Auffinden der Position eines Werkstücks relativ zu einem
Bezug Allgemein ist es Auf gabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren und eine
verbesserte Vorrichtung zum Auffinden der Position eines Werkstücks relativ zu einem
Bezug zu schaffen.
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Diese und weitere Aufyaben werden erfindungsgemäß erreicht durch
ein Verfahren zum Auffinden der Position einer Werkstückfläche oder dergleichen
relativ zu einem Bezug bestehend aus folgenden Schritten: a. Beleuchten einer Stelle
der Werkstückoberfläche mit einem Strahlungsenergiestrahl, b. Feststellen der Beleuchtung
in jedem Bereich einer Vielzahl von kleinen Bereichen der Werkstückoberfläche aus
Entfernung, c. Erzeugen entsprechender Ausgangssignale bezogen auf die festgestellten
Beleuchtungswerte in den entsprechenden kleinen Bereichen der Werkstückoberfläche,
d.
Konvertieren dieser Ausgangssignale in ein Testsignal, das eine Funktion der Differenz
der Gesamtbeleuchtung zwischen ausgewählten großen Bereichen der Werkstückoberfläche
ist, wobei die geometrischen Beziehungen zwischen dem Strahlungsenergiestrahl und
dem Werkstück derart sind, daß sich die beleuchtete Stelle längs der Werkstückoberfläche
mit der Bewegung dieser Oberfläche relativ zum Bezug längs einer Meßrichtung bewegt
und e. Erzeugen eines Bezugssignals und Kombinieren des Testsignals und des Bezugssignals
zum Erzeugen eines Meßsignals, das die Position der Werkstückoberfläche relativ
zum Bezug angibt.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Auffinden der
Position einer Werkstückoberfläche oder dergleichen relativ zu einem Bezug mit Mitteln
zum Beleuchten einer Stelle der Werkstückoberfläche mit einem Strahlungsenergiestrahl,
Mitteln zum Fernfeststellen der Beleuchtung jedes Bereichs einer Vielzahl von kleinen
Bereichen der Werkstückoberfläche, Mitteln zum Erzeugen entsprechender Ausgangssignale,
die zu den festgestellten Beleuchtungspegeln in den entsprechenden kleinen Bereichen
der Werkstückoberfläche in Bezug stehen, Mittel zum Konvertieren der Ausgangssignale
in ein Testsignal, das eine Funktion der Differenz der Gesamtbeleuchtung zwischen
ausgewählten großen Bereichen der Werkstückoberfläche ist, wobei die geometrischen
Beziehungen zwischen dem Strahlungsenergiestrahl und dem Werkstück derart sind,
daß die beleuchtete Stelle sich entlang der Werkstückoberfläche mit der Bewegung
dieser Oberfläche relativ zum Bezug längs einer Meßrichtung bewegt, und Mitteln
zum Erzeugen eines Bezugssignals und Kombinieren des Testsignals und des Bezugssignals
zum Erzeugen eines Meßsignals, das die Position der Werkstückoberfläche relativ
zum Bezug anzeigt.
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Weitere Aus gestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung
und den Ansprüchen zu entnehmen.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in den beigefügten Abbildungen
dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht und ein Blockdiagramm einer
Ausführungsform der Erfindung, Fig. 2 zeigt ein Blockdiagramm, das die Arbeitsweise
der Ausführungsform von Fig. 1 illustriert, Fig. 3 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung
der Betriebsweise, Fig. 4 zeigt ein detaillierteres Blockdiagramm für eine Ausführungsform
der Erfindung, Fig. 5 zeigt eine grafische Darstellung zur Erläuterung der Betriebsweise,
Fig. 6 zeigt ein Flußdiagramm zur Erläuterung eines Betriebsverfahrens, Fig. 7 zeigt
ein Flußdiagramm zur Erläuterung eines Teils von Fig. 6.
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In Fig. 1 ist ein Werkstück 1o mit einer Oberseite loa dargestellt,
das sich auf einer Plattform 12 befindet, die in einer vertikalen Ebene, angedeutet
durch Pfeile 12a, beweglich ist. Die Erfindung betrifft das Auffinden der Position
der Fläche loa relativ zu einem Bezug, der ein Punkt, eine Fläche oder eine Ebene,
wie durch 14 in Fig. 1 angedeutet,sein kann.
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Insbesondere soll der Abstand der Fläche loa längs einer Meßrichtung,
die in diesem Fall parallel zur Betrachtungsachse 22a verläuft, vom Bezug festgestellt
werden. Eine Strahlungsenergiequelle 16 erzeugt einen Strahl 18, der eine Stelle
20 auf der Werkstückoberfläche loa beleuchtet. Die geometrische Beziehung zwischen
dem Strahl 18 und Werkstückoberfläche loa ist derart, daß sich die Stelle 20 längs
der Werkstückoberfläche loa mit der Auf- und Abwärtsbewegung dieser Fläche längs
der Meßrichtung relativ zu der Bezugsebene 14 bewegt.
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Ein Meßgerät 22 betrachtet die Oberfläche loa längs der Betrachtungsachse
22a. Das Sichtfeld des Meßgeräts 22 umfaßt typischerweise einen Bereich, der größer
als die
beleuchtete Stelle 20 ist, und kann auch die gesamte Fläche
loa umfassen. Das Meßgerät 22 stellt die Beleuchtungsstärke an jedem einer Vielzahl
von kleinen Bereichen der Oberfläche loa fest und erzeugt entsprechende elektrische
Ausgangsignale, die zu den Beleuchtungsstärken dieser kleinen Bereiche in Bezug
gesetzt sind. Diese Ausgangssignale werden entweder zu Referenzsignalkreisen 24
oder zu Testsignalkreisen 26 in Abhängigkeit davon gegeben, ob das System geeicht
werden oder messen soll.
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Wenn das System geeicht werden soll, wird die Plattform 12 in eine
bekannte Position längs der Achse 12a bewegt. Beispielsweise kann die Plattform
12 über eine vertikale Welle 34 auf einen Hebeantrieb und Kodierer 36 montiert sein,
der die Plattform 12 längs der Achse 12a auf- und abwärts bewegt und elektrische
Signale erzeugt, die die Position der Plattform 12 anzeigen. Wenn die Plattform
12 sich in einer bekannten Position längs der Achse 12a befindet, wird ein Werkstück
bekannter Stärke längs der Betrachtungsachse auf der Plattform 12 angeordnet und
eine Stelle auf dem Werkstück durch die Quelle16 beleuchtet. Die elektrischen Ausgangssignale
vom Meßgerät 22 werden auf die Bezugssignalkreise 24 gegeben, wo sie in ein erstes
Eichsignal umgewandelt werden, das in bezug zu Differenzen in der Gesamtbeleuchtung
von größeren Bereichen der beleuchteten Fläche gesetzt ist. Ein ensprechendes zweites
Eichsignal wird erzielt, nachdem entweder das Bezugswerkstück bekannter Stärke durch
ein anderes Bezugswerkstück einer zweiten bekannten Stärke ersetzt oder die Plattform
12 auf- oder abwärts um eine bekannte Strecke bewegt wird. Das erste und zweite
Eichsignal werden miteinander kombiniert, um das gewünschte Bezugssignal zu erhalten.
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Wenn das System bereits geeicht worden ist und messen soll, enthalten
die Bezugssignalkreise 24 ein Bezugssignal,und die Ausgangssignale von dem Meßgerät
22 werden nur den Testsignalkreisen 26 zugeführt. Die Testsignalkreise
26
konvertieren die Ausgangssignale in ein Testsignal, das ein'e Funktion der Differenz
in der Gesamtbeleuchtung zwischen Bereichen der Oberfläche loa ist, welche Bereiche
wesentlich größer als die individuellen kleinen Bereiche sind, deren Beleuchtung
individuell durch das Meßgerät 22 gemessen wird. Die elektrischen Testsignale der
Kreise 26 und das vorher gespeicherte Bezugssignal von den Kreisen 24 werden in
Kombinatorkreisen 28 kombiniert, um ein Meßsignal zu erzeugen, daß die Position
der Werkstückoberfläche loa relativ zum Bezug 14 angibt. Das Meßsignal kann in einem
Meßsignalkreis 30 zur weiteren Verwendung gespeichert werden und/oder kann auf eine
Benutzungseinrichtung 32 zur Verwendung in Operationen gegeben werden, die in irgendeiner
Weise von einem Signal abhängen, das repräsentativ für die Position der Werkstückoberfläche
loa relativ zum Bezug 14 sind.
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Gemäß Fig. 2 und 3 besitzt das Meßgerät 22 zum Messen der Beleuchtung
beispielsweise ein rechteckiges Sichtfeld 22b (Fig. 3), wobei dieses Sichtfeld 22b
in vier gleiche Quadranten get:eilt ist, die mit Ko bis K3 bezeichnet sind.
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Die beleuchtete Stelle oder Fleck 20 ist typischerweise zwischen diesen
vier Quadranten ungleich aufgeteilt. Der Zweck des Meßgeräts 22 zum Messen der Beleuchtung
bei dieser Ausführungsform der Erfindung besteht darin, elektrische Ausgangssignale
zu liefern, die die Beleuchtungspegel an entsprechenden Punkten oder Bildelementen
repräsentieren, die den kleinen Bereichen innerhalb des Sichtfeldes 22b entsprechen.
Diese Bildelemente können gleichförmig innerhalb des Sichtfeldes 22b verteilt und
beispielsweise in Form eines 128 x 128-Feldes von solchen Bildelementen angeordnet
sein. Nimmt man an, daß ein genügender Unterschied zwischen der Umgebungsstrahlungsenergie
und dem Strahlungsenergiestrahl 18 (entweder in der Intensität oder in der Art der
Strahlungsenergie) vorhanden ist, erzeugt das Meßgerät 22 eine Art von elektrischen
Ausgangssignalen für Bildelemente, die sich in dem Sichtfeld 22b, jedoch außer-
halb
des beleuchteten Flecks 20 befinden, sowie eine andere Art von elektrischen Ausgangssignalen
für Bildelemente, die innerhalb des beleuchteten Flecks 20 liegen.
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Ein Beispiel für ein geeignetes Meßgerät 22 ist ein Festkörper-Feldabtaster,
hergestellt von der General ElectricCorporation unter dem Namen G.E. 2200 Camera.
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Ein weiteres Beispiel ist ein "Image Dissector"-Gerät, das eine gleichzeitige
Abtastung mit wahlfreiem Zugriff seines Gesichtsfeldes in dem Sinne liefert, daß
irgendein Punkt innerhalb des Gesichtsfeldes zu irgendeiner Zeit zugänglich ist.
Ein weiteres Beispiel ist ein "Vidicon"-Gerät, das ein Bild seines Gesichtsfeldes
mit einem Elektronenstrahl abtastet und eine vorbestimmte Abtastsequenz besitzt.
Ein besonderes Beispiel ist ein optisches Gerät, das von Schlumberger/EMR Photoelectric
unter der Bezeichnung Model 658/659 Series erhältlich ist. Ein solches Gerät kann
beispielsweise ein elektrisches Ausgangssignal mit niedrigem Spannungspegel für
ein Bildelement außerhalb des beleuchteten Flecks 20 und einen höheren Spannungspegel
für ein Bildelement innerhalb des Flecks 20 liefern, um auf diese Weise ein elektrisches
Ausgangssignal für jeden der abgetasteten Punkteoder kleinen Bereiche des 128 x
128-Feldee zu liefern.
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Jedes elektrische Ausgangs signal liegt in Form eines elektrischen
8-bit-Signals vor, das 256 Helligheitsstufen repräsentiert, wobei die dezimale 0
minimale Helligkeit und die dezimale 255 maximale Helligkeit repräsentiert. Der
Satz von 128 x 128 elektrischen Ausgangssignalen des Meßgeräts 22 kann, muß jedoch
nicht mit einem Schwellenwert bei 38 (Fig. 2) verglichen werden, so daß beispielsweise
die Signale vom Meßgerät 22, die unterhalb eines bestimmten Spannungspegelwertes
liegen, als Signale betrachtet werden, während solche, die oberhalb eines bestimmten
Spannungswertes liegen, als 1-Signale betrachtet werden. Alternativ können sie als
256-Werte-Signale verbleiben und als solche in nachfolgenden Verarbeitungsstufen
behandelt werden. Al-
ternativ kann weiterhin der Ausgang des Meßgeräts
22 (beispielsweise G.E. Camera 220), der ein Analogsignal ist, durch Vergleich mit
einem Schwellenwert direkt in Signale umgewandelt werden, die eine 1 oder eine 0
für jeden Feldpunkt oder kleinen Bereich darstellen, ohne einen 8-bit-Analog-Digital-Konverter
zu verwenden.
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Bei 40 in Fig. 2 wird der Ausgang des Meßgeräts 22 über einen Bereich
K summiert, so daß hier Signale erzeugt werden, von denen jedes zum Gesamtbeleuchtungspegel
in einem entsprechenden der Bereiche oder Quadranten Kg bis K3 (Fig. 3) in Bezug
gesetzt ist. Wie angegeben, können die vier Summen K in bezug auf den direkten 8-bit-Ausgang
des Meßgerätes 22 oder in Form des dadurch Schwellwertvergleich erhaltenen Ausgangs
von 38 ausgedrückt sein. Wenn die Oberfläche loa des Werkstücks 10 betrachtet wird,
daß sie in oder parallel zur X-Y-Ebene ist und wenn, wie in Fig. 3 dargestellt ist,
das Gesichtsfeld des Meßgeräts 22 betrachtet wird, als in ein Feld von 0 bis 127
sowohl in der X- als auch in der Y-Richtung unterteilt zu sein, wie dargestellt,
ist die Bereichssumme Ko die Summe der Intensitäten der Bildelemente mit Koordinaten
X von 0 bis 63 und Y von 0 bis 63 , während die Summe K1 die Summe der Intensitäten
der Bildpunkte mit Koordinaten X von 0 bis 63 und Y von 64 bis 127, die Summe K2
die Summe der Intensitäten der Bildpunkte für Koordinaten X von 64 bis 127 und Y
von o bis 63 und die Summe K3 die Summe der Intensitäten der Bildpunkte mit Koordinaten
X von 64 bis 127 und Y von 64 bis 127 ist. Bei 42 werden vorläufige Signale Rg und
R1 als entsprechende Funktionen der Bereichssummen K erzeugt. Beispielsweise kann
das vorläufige Signal Rg die Summe der vier Signale K sein, während das Signal R1
die Summe der Signale Kg und K1 minus der Summe der Signale K2 und K3 sein kann.
Bei 64 wird das Verhältnis der vorläufigen Signale R1 und Rg er zeugt, um hierdurch
das oben erwähnte elektrische Testsignal zu erzeugen, wobei bei 46 dieses elektrische
Testsignal mit einem ersten
Bezugssignal m aus einem Speicher 47
kombiniert tbeispielsweise multipliziert oder gewichtet) wird, um ein Meßsignal
zu erzeugen. Dieses Meßsignal kann (muß jedoch nicht) auf 48 gegeben werden, wo
es mit einem zweiten Bezugssignal aus einem Speicher 49 kombiniert (beispielsweise
addiert) wird.
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Dieses zweite Bezugssignal repräsentiert die Höhe der Plattform 12,
wie sie beispielsweise den Hebeantrieb und Kodierer 36 geliefert wird. Das resultierende
Meßsignal kann (muß jedoch nicht) bei 50 gespeichert werden. Es wird bei 52 verwendet.
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Eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung, die vorstehend
im Zusammenhang mit den Fig. 1 bis 3 diskutiert wurde, ist in Fig. 4 dargestellt.
Ein Abtastfeld 54 besitzt 128 x 128 Zellen entsprechend den 128 x 128 Bildpunkten
des Bildfeldes, das im Zusammenhang mit Fig. 3 diskutiert wurde.
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Daher entspricht die Abtastfeldzelle, die mit 0,0 bezeichnet ist,
dem Bildelement mit den X-,Y-Koordinaten 0,0, die Abtastfeldzelle, die mit 1,0 bezeichnet
ist, dem Bildelement in Fig. 3 mit den X-,Y-Koordinaten 1,0 usw. Jede der Zellen
des Abtastfeldes 54 speichert ein elektrisches Ausgangssignal, das zum Beleuchtungspegel
an seinem entsprechenden Bildelementaif der Oberfläche des Werkstücks in Bezug gesetzt
ist, wie es durch das Meßgerät 22 gemessen und gegebenenfalls in der Schwellenwerteinrichtung
38 mit einem Schwellenwert verglichen ist, wie oben im Zusammenhang mit Fig. 2 diskutiert
wurde. Die Zellen des Abtastfeldes 54 können Speicherregister sein, oder das gesamte
Abtastfeld kann ein 128 x 128 Random-Speicher sein, wobei jede Zelle beispielsweise
eine Kapazität von 8-bit aufweist, und die Zellen geeignet vom Ausgang des Meßgeräts
22 (gegebenenfalls unter Zwischenschaltung des Schwellwertkreises) geladen werden.
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Wenn die elektrischen Ausgangssignale für das gesamte Feld von 128
x 128 Bildelementen in dem Abtastfeld 54 gespeichert sind, werden die In:zalte des
Abtastfeldes in einer geeigneten Ordnung ausgelesen und auf einen Multiplexer 56
gegeben.
Der Multiplexer 56 speist wahlweise Akkumulatoren 58, 60, 62 und 62, von denen jeder
die ihm zugeführtendLektrischen Ausgangssignale akkumuliert (beispielsweise durch
Addieren aller ihm zugeführten 8-bit-Signale). Insbesondere speist der Multiplexer
56 den Akkumulator 58 mit den Inhalten nur derjenigen Zellen des Abtastfeldes 54,
die X-Koordinaten von 0 bis 63 und Y-Koordinaten von 0 bis 63 haben. Unter Berücksichtigung
der Ausführungen im Zusammenhang mit den Fig. 2 und 3 ist es ersichtlich, daß das
akkumulierte Signal im Akkumulator 58 der Berichssumme für den Bereich K in Fig.
3 entspricht. Ähnlich wird der Akkumulator 60 von dem Multiplexer 56 mit den Inhalten
nur derjenigen Zellen des Abtastfeldes 54 versorgt, die X-Y-Koordinaten entsprechend
dem Bereich K1 aufweisen. Entsprechend versorgt der Multiplexer 56 die Akkumulatoren
62 und 64 mit den Inhalten der Zellen des Abtastfeldes 54, so daß die akkumulierten
Signale der Bereichssumme K2 bzw.
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K3 entsprechen.
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Die Akkumulatoren 58 bis 64 sind mit Addierkreisen 68 und 70 in der
dargestellten Weise verbunden. Insbesondere empfängt der Addierkreis 68 die direkten
Ausgänge aller vier Akkumulatoren, um hierdurch an seinem Ausgang ein Signal, das
mit Ro bezeichnet ist, wie vorstehend im Zusammenhang mit den Figuren 2 und 3 ausgeführt
wurde, während der Addierkreis 70 direkt mit dem Ausgang der Akkumulatoren 58 und
60, jedoch mit den Ausgängen der Akkumulatoren 62 und 64 über entsprechende Inverter
69 und 71 verbunden ist, um auf diese Weise an seinem Ausgang ein mit R1 bezeichnetes
Signal zu erzeugen (vgl. Ausführungen im Zusammenhang mit den Fig. 2 und 3).
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Ein Divisionskreis 72 teilt das Signal R1 durch das Signal Rot um
an seinem Ausgang ein Signal X zu erzeugen, das das elektrische Testsignal darstellt,
das im Zusammenhang mit Fig. 2 und 3 erwähnt ist. Das früher diskutierte elektrische
Bezugssignal wird über einen Kreis 74, der eine
Speichereinrichtung
74a für das Signal m und eine Speichereinrichtung 74b für ein Signal b aufweisen
kann, das dasselbe wie das Höhenangabesignal ist, das im Zusammenhang mit Block
49 von Fig. 2 diskutiert wurde, zugeführt. Das elektrische Testsignal vom Ausgang
des Dividierkreises 72 und das elektrische Bezugssignal vom Kreis 74 werden miteinander
kombiniert, wie in Fig. 4 dargestellt ist, nämlich durch einen Multiplizerkreis
76, der das Testsignal X mit dem Bezugssignal m multipliziert, und das resultierende
Produktsignal mX in einen Addierkreis 78 gibt, der den Inhalt der Speichereinrichtung
74b zu dem Produktsignal mX addiert.
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Der Ausgang des Addierkreises 78 ist ein Signal Z, das das Meßsignal
darstellt, das die Position der Werkstückoberfläche relativ zu einem Bezug angibt.
Dieses Meßsignal wird auf eine Verwendungseinrichtung 80 gegeben, die gegebenenfalls
geeignete Speichermöglichkeiten aufweisen kann.
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Unter Bezugnahme auf Fig. 5 kann die Signifikanz des Bezugssignals
m und seines Hubhöhenkomponentensignals b verstanden werden, indem die Beziehung
zwischen dem Meßsignal Z und der Position des beleuchteten Flecks 20 längs der X-Achse
als linear betrachtet und durch eine Linie 82 in einem Koordinatensystem veranschaulicht
wird, indem die Vertikalachse der Abstand längs der Betrachtungsachse 22a (Fig.
1) und die Horizontalachse die Größe des Testsignals X am Ausgang des Dividierkreises
72 (Fig. 4)ist. Wenn die Steigung m der Linie 82 bekannt ist, besitzt irgendein
beliebiger Punkt auf der Geraden 82 eine Z'-Koordinate, die das Produkt der Steigung
m und der X-Koordinate dieses Punktes ist. Wenn die Koordinate Z' dieses Punktes
als ein vertikaler Abstand von irgendeinem beliebigem horizontalen Bezug auszudrücken
ist, der nicht ein Abstand vom Ursprung des Koordinatensystems ist, ist ein Höhensignal
b zu addieren. Nimmt man aus Einfachheitsgründen an, daß die Achse Z' in Fig. 5
und der Ausgang des Addie rkreises 78 in Fig. 4 in gleichen
Einheiten
sind, besteht ein Weg zum Ableiten der notwendigen Werte der Signale m und b darin,
eine Werkstückoberfläche in einer bekannten Höhe ZO' anzuordnen und ein Testsignal
XO am Ausgang des Dividierkreises 72 zu erzeugen, wobei dieses Testsignal X0 in
einer geeigneten Speichereinrichtung (nicht dargestellt) gespeichert wird. Die Werkstückoberfläche
wird dann auf eine andere bekannte Höhe Z1' bewegt und ein anderes Testsignal X1
vom Ausgang des Dividierkreises 72 erhalten und geeignet gespeichert. Die Testsignalkomponenen
m und b werden dann entsprechend folgender Gleichungen erhalten: m = (ZO - Z1 )/(XO
- X1) (1) b = (Z11x0 - ZO x1)/(XO X1) (2) Die Signale X0 und X1 sind die entsprechenden
Ausgänge des Dividierkreises 72 (Fig. 4) für zwei bekannte Positionen einer Werkstückoberfläche.
Die Signale ZO' bzw. Z1' stellen diese beiden bekannten Positionen dar (in bezug
auf eine gewählte Bezugshöhe). Die Bezugssignalkomponenten m und b werden in einer
geeigneten Weise entsprechend den obigen Gleichungen erhalten und können durch geeignete
Bemessungskonstanten gewichtet werden, um diese mit den Einheiten in Ubereinstimmung
zu bringen, in denen das Meßsignal Z auszudrücken ist.
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Dann werden elektrische Signale als Funktion der abgeleiteten Werte
von m und b erzeugt und in den Speichereinrichtungen 74a bzw. 74b in Form von elektrischen
Signale gespeichert.
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Als Alternative zu der im Zusammenhang mit den Fig. 1 bis 4 diskutierten
Ausführungsform kann die Erfindung als Spezialmaschine ausgeführt werden, die bei
der Konfiguration von Fig. 1 einen speziell programmierten Digitalcomputer anstelle
der Schaltkreise 24 bis 30 aufweist. Irgendein geeigneter Computer kann verwendet
werden, beispielswiese geeignete Anordnungen der Nova- oder Eclipse-Familien von
Systemen der Data General Corporation.
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Das Verfahren zum Auffinden der Position einer Werkstückoberfläche
relativ zu einem Bezug, wenn das Bezugssignal bestehend aus seinen Komponenten m
und b bekannt ist, ist in Fig. 6 dargestellt. Es wird angenommen, daß die elektrischen
Ausgangssignale, die durch das Meßgerät 22 geliefert werden, zugänglich sind, und
jedes durch die Indices i und j identifiziert sind, von denen jeder von 1 bis 128
läuft.
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Anfänglich wird ein Schritt 150 normalerweise durchgeführt, in dem
das System in den Zustand versetzt wird, eine Messung basierend auf der Bewegung
des beleuchteten Flecks 20 längs der X-Richtung oder längs einer anderen Richtung
auszuführen.
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Zur Vereinfachung wird hier nur eine Bewegung längs der X-Richtung
diskutiert, jedoch ist es ebenso möglich, daß das System alternativ mit einer Bewegung
des Flecks 20 längs der Y-Richtung arbeiten kann. Für eine solche Bewegung längs
der Y-Richtung ist R1 gleich (K0+K2)-(K1+K3). Auch ist es möglich, daß das System
mit einer Bewegung längs der Diagonalrichtung arbeiten kann, in welchem Fall R1
gleich (Ko+K3) .(K1+K2) ist. Beim Schritt 152 des Verfahrens wird jede der Variablen
K(O) bis K(3) auf 0 und ebenfalls jeder der Indices i und j auf 0 gesetzt.In der
gleichen Stufe werden Werte für die Bezugssignalkomponenten m und b vorgesehen.
In den Stufen 154 und 156 werden die Indices j bzw. i um 1 vergrößert, um so die
elektrischen Ausgangssignale für das Bildelement der X-Y-Koordinanten 0,0 einzustellen.
In der Stufe 160 wird die Variable X(O) gleich der Summe ihres vorherigen Wertes
und des elektrischen Ausgangssignals des Abtastfeldes identifiziert durch die laufenden
Werte der Indices i und j gesetzt. Entsprechend werden die Variablen K(1), K(2)
und K(3) wie angegeben gesetzt. In der Stufe 162 wird ein Test durchgeführt, um
festzustellen, ob der Indix i den Wert 64 erreicht hat. Wenn die Antwort nein ist,
bedeutet dies, daß das System Bildelemente betrachtet, die sich links (in Fig. 3)
der entsprechenden rechten Ränder der entsprechenden Quadranten befinden, und der
Index i wird in Stufe 156 um 1 vergrößert
und Stufe 160 wiederholt.
Wenn die Antwort auf die Abfrage in Stufe 16.2 ja ist, wird eine Abfrage in Stufe
164 durchgeführt, um festzustellen, ob der Indix j den Wert 64 erreicht hat, d.h.
um festzustellen, ob das System den Unterrand der entsprechenden Quadranten von
Fig, 3 erreicht hat.
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Wenn die Antwort nein ist, wird der Indix i in 166 auf 0 gesetzt,
um zu den linken Rändern der entsprechenden Quadranten von Fig. 3 zurückzukehren,
während der Indix j in Stufe 154 um 1 erhöht wird und das System erneut beginnt,
die Stufen 156, 160, 162 und 164 zu durchlaufen. Wenn die Antwort auf die Abfrage
in Stufe 164 positiv ist, vollzieht das System den Schritt 168, wo die Variablen
Rg und R1 auf die entsprechend angegebenen Größen gesetzt werden. Im Schritt 170
wird das Testsignal X wie angegeben abgeleitet und Schritt 172 das Meßsignal Z wie
angegeben erzielt. Das Meßsignal aus dem Schritt 172 wird bei 174 auf eine Verwendungseinrichtung
gegeben. Das System schreitet dann bei 176 zur nächsten Werkstückoberfläche fort,
um deren Posi.tion relativ zu einem Bezug aufzufinden. Das System ist so ausgebildet,
daß es sich aelbst abschaltet, wenn keine zu behandelnden Oberflächen mehr vorhanden
sind.
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Die im Zusammenhang mit Fig. 6 diskutierte Spezialmaschine kann verwendet
werden, um die Komponenten m und b des Bezugssignals, die der Stufe 152 zugeführt
werden, abzuleiten. Dies erfolgt nach einer mit Kalibrieren bezeichneten Methode,
die in Fig. 7 dargestellt ist. Ein Weg, diese Methode auszuführen, besteht in dem
Anordnen einer Bezugswerkstückfläche in einer bekannten Position, in der der beleuchtete
Fleck sich im Zentrum des Gesichtsfeldes des Meßgerätes 22 befindet. In dieser Position
ist der elliptische Fleck 20, der in Fig. 3 dargestellt ist, auf den Schnittpunkt
der gestrichelten Linien zentriert, die die vier Quadranten Ko bis K3 trennen. Die
Methode beginnt minim Schritt loo, der ähnlich zum Schritt 150 ist, der im Zusammenhang
mit Fig. 6 diskutiert wurde. AUb Einfachheitsgründen sei angenommen, daß die Eichung
vorzunehmen ist, bei der sich der
Fleck 20 längs der X-Achse bewegt,
d.h. CALH in Block loo, wonach der Schritt 1o2 folgt, in dem ein Index n auf Null
gesetzt wird, um anzuzeigen, daß dieser Ablauf dem Fall entspricht, wo sich der
beleuchtete Fleck im Zentrum des Gesichtsfeldes des Meßgerätes 22 befindet. Im Schritt
104 wird jede der Variablen K(O) bis K(3) auf Null gesetzt und ebenso die Indices
i und j. Beim Schritt 1o6 wird der Index j um 1 erhöht und beim Schritt 1o8 der
Index i um 1 erhöht.
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Beim Schritt 11o werden die Variablen K(O) bis K(3) entsprechend den
entsprechenden Quadranten Kg bis K3 wie angegeben zahlenmäßig ausgedrückt und in
Stufe 112 eine Abfrage aus geführt, um herauszufinden, ob der Index i einen Wert
von 64 erreicht hat, d.h. herauszufinden, ob der rechte Rand der relevanten Quadranten
erreicht ist. Wenn die Antwort negativ ist, erfolgt Rückkehr zum Schritt 108, um
den Index i um 1 zu erhöhen, wonach erneut die Schritte 110 und 112 durchlaufen
werden. Wenn die Antwort bei 112 positiv ist, folgt der Schritt 114, um herauszufinden,
ob der Index j den Wert von 64 erreicht, d.h. herauszufinden, ob der Unterrand der
relevanten Quadranten erreicht worden ist.
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Wenn die Antwort negativ ist, wird der Index i im Schritt 116 auf
Null zurückgesetzt, und es erfolgt Rückkehr zum Schritt 106, um den Index j um 1
zu erhöhen und erneut die Schritte 1o8 bis 114 durchzuführen. Wenn die Antwort beim
Schritt 114 positiv ist, geht es bei 118 weiter, um die Variablen R(O) und R(1)
basierend auf den angegebenen Beziehungen zu den Variablen K(O) bis K(3) zu bestimmen.
Im Schritt 120 wird eine Abfrage durchgeführt, um aufzufinden, ob der Index n 0
ist. Wenn die Antwort positiv ist, bedeutet dies, daß der Fall behandelt wird, bei
dem der beleuchtete Fleck sich im Zentrum des Sichtfeldes des Meßgerätes 22 befindet,
wonach zu Schritt 122 übergegangen wird, wo die Variable X(O) basierend auf der
angegebenen Beziehung bestimmt und der Index n um 1 erhöht wird. Danach erfolgt
Schritt
124, wo eine Abfrage durchgeführt wird, um festzustellen, ob der vorher bestimmte
Wert der Variablen X(O) innerhalb eines bestimmten schmalen Bereiches um 0 liegt.
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X(O) sollte gleich 0 sein (innerhalb von Systemtoleranzen), da der
beleuchtete Fleck 20 im Zentrum des Sichtfeldes sein sollte, während die Differenz
zwischen der Beleuchtung seiner linken Hälfte und derjenigen seiner rechten Hälfte
0 sein sollte. Wenn die Antwort im Schritt 124 negativ ist, wird die Höhe der Bezugswerkstückoberfläche
erneut justiert, um zu versuchen, den Fleck 20 besser zu zentrieren, und das System
kehrt zu Schritt 1o2 zurück. Wenn die Antwort beim Schritt 124 positiv ist, kehrt
das System zum Schritt 104 zurück (jedoch hat der Index n nunmehr den Wert 1, um
anzugeben, daß die Bezugswerkstückoberfläche sich in eine andere bekannte Position
begeben hat.) Das System vollführt dann Schritt 120, wie oben diskutiert, jedoch
um Zusammenhang mit der neuen Position der Bezugswerkstückoberfläche. Da der Wert
des Index n nun 1 ist, ist die Antwort beim Schritt 120 negativ, und das System
vollführt Schritt 126, wo die Größen Z(O) und Z(1) zugeführt werden. Die Größen
Z(O) und Z(1) sind entsprechend die bekannten Positionen der Bezugswerkstückoberfläche,
wenn der Index n 0 war und wenn der Index n 1 war. Beim Schritt 128 werden die Größen
X(1), m und b basierend auf den angegebenen Beziehungen bestimmt und der Eichvorgang
endet, da die Werte für die beiden Komponenten m und b des elektrischen Bezugssignals
erhalten wurden. Die Komponenten m und b des Bezugssignals werden beim Schritt 152
von Fig. 6 verwendet oder als elektrische Signale in Speichereinrichtungen 74a bzw.
74b des Systems von Fig. 4 gespeichert.
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Der Fleck 20 braucht nicht im Zentrum des Gesichtsfeldes des Meßgerätes
22 zu liegen, um das Signal m im Schritt 120 genau zu erhalten; es ist jedoch wünschenswert,
daß der Fleck 20 etwa im Zentrum des Gesichtsfeldes liegt, wenn das Signal b (Schritt
128) abgeleitet wird. Es ist ferner wünschenswert, daß der Fleck 20 gänzlich innerhalb
des Gesichtsfeldes des Meßgerätes 22 zu jeder Zeit liegt,
zu der
das Meßgerät 22 Beleuchtungsmessungen vornimmt. Ein Test hierfür kann in das im
Zusammenhang mit Fig. 6 beschriebene Verfahren ebenso wie in das im Zusammenhang
mit Fig. 7 beschriebene Verfahren eingebaut werden. Beispielsweise umfaßt dieser
Test ein Überprüfen der Ränder des Gesichtsflides des Meßgerätes 22 in bezug auf
die Anwesenheit von Punkten oder kleinen Bereichen mit hoher Intensität (d.h.
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beleuchtet). Ein solcher Test umfaßt das Überprüfen aller Bildelemente
mit den X-Koordinaten von 0 und 127 (siehe Fig.3) und aller Bildelemente mit Y-Koordinaten
von 0 und 127.
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Wenn eine bestimmte Anzahl, beispielsweise 5, von benachbarten Bildelementen
als beleuchtet gefunden werden, bedeutet dies, daß der Fleck 20 sich möglicherweise
bis auf die Außenseite des Gesichtsfeldes des Gerätes 22 erstreckt. (Es ist wünschenswert,
dies nur dann zu schließen, wenn eine bestimmte Anzahl von benachbarten Bildelementen
beleuchtet werden, um auf diese Weise Fehler aufgrund von gelegentlicher sporadischer
Anzeige eines beleuchteten Bildelementes zu vermeiden.) Wenn diese Tests herausfinden,
daß in der Tat der beleuchtete Fleck 20 sich aus dem Gesichtsfeld des Meßgeräts
22 herauserstreckt, wird ein Fehlerzustand in geeigneter Weise angezeigt, so daß
eine Justierung des Systems entsprechend vorgenommen werden kann, beispielsweise
indem der beleuchtete Fleck 20 kleiner gemacht und/oder horizontal verschoben wird.
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Die Komponente b des Bezugssignals kann als Darstellung einer Nominalhöhe,
d.h. der Höhe der Plattform 12, betrachtet werden und kann in anderer Weise als
oben diskutiert abgeleitet werden. Das System kann ferner so ausgebildet werden,
daß es mit mehr als einem Wert für die Komponente b arbeitet. Beispielsweise können;wei
Werte für die Komponente b in geeigneten Speicherkreisen gespeichert werden, wobei
einer eine untere Höhe der Plattform und der andere eine höhere Höhe repräsentiert.
Das Signal b, das die untere Höhe repräsentiert, kann im Zusammenhang mit
dickeren
Werkstücken verwendet werden, wenn sch die Plattform 12 in ihrer unteren öhe befindet,
während die andere Komponente b im Zusammenhang mit dünneren Werkstücken verwendet
werden kann, wenn sich die Plattform 12 in ihrer höheren Höhenlage befindet. Natürlich
kann dies auch auf mehr als zwei Werte für die Komponente b ausgedehnt werden.
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Das Signal R1 (siehe Fig. 6, Schritt 168 und Fig. 7, Schritt 118)
kann betrachtet werden als die ungerade Komponente niedrigster Ordnung einer Walsh-Hadamard-Reihe,
die das Gesichtsfeld des Meßgerätes 22 repräsentiert, während ungerade Komponenten
höherer Ordnung dieser Reihe anstelle von oder zusätzlich zu der ungeraden Komponenten
niedrigster Ordnung, die im einzelnen in der vorstehenden Beschreibung diskutiert
wurde, verwendet werden können. Anstelle eines Bildelementfeldes von 128 x 128 kann
auch irgendeine andere niedrigere oder höhere Anzahl von Bildelementen verwendet
werden, wobei das Feld auch nicht quadratisch sein muß.
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Das Meßsignal am Ausgang des Addierkreises 78 in der Ausführungsform
der Fig. 4 oder erhalten bei Schritt 172 des Verfahrens gemäß Fig. 6 kann verwendet
werden, zum eine geeignete Schirmbild- (und/oder Aufzeichnungs-) Einrichtung zu
betreiben, etwa einen CRT-Bildschirm oder einen Analog-oder Digitalsignal-Recorder.
Natürlich kann das Meßsignal auf das Format entsprechend der Bildschirm- oder Aufzeichnungseinrichtung
in bekannter Weise konvertiert werden. Typischerweise wird das Meßsignal als Steuersignal
durch eine Verwendungseinrichtung verwendet, die bespielsweise einen Schwellenwertkreis
umfaßt, der das Meßsignal empfängt und ein Zurück weisungs"-Signal erzeugt, wenn
die Messung sich unterhalb eines bestimmten Wertes befindet, und ein "Annahme"-Signal
erzeugt, wenn das Meßsignal sich oberhalb dieses Schwellenwertes befindet. Die Verwendungseinrichtung
kann ferner einen elektromechanischen Arm umfassen, der auf ein "Zurückweisungssignal
anspricht, um das entsprechende Werkstück in einen Behälter zu fördern, während
er bei einem "Annahme"-Signal das
entsprechende Werkstück in einen
anderen Behälter befördert.
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Alternativ wird die Verwendungseinrichtung als Sortiereinrichtung
verwendet, die das Meßsignal empfängt und die Werkstücke in verschiedene Kategorien
entsprechend verschiedenen unterschiedlichen Bereichen des Meßsignals sortiert.
Natürlich sind andere Anordnungen möglich und liegen im Rahmen der Erfindung.
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