DE3632336A1

DE3632336A1 - Entfernungsmessgeraet

Info

Publication number: DE3632336A1
Application number: DE19863632336
Authority: DE
Inventors: Makoto Sagara
Original assignee: Toshiba Machine Co Ltd
Current assignee: Shibaura Machine Co Ltd
Priority date: 1985-10-16
Filing date: 1986-09-24
Publication date: 1987-04-16
Also published as: US4756621A; DE3632336C2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Entfernungsmeßgerät und insbesondere ein Gerät zur Messung einer Entfernung zwischen zwei beabstandeten Punkten, um die Entfernung zwischen zwei relativ zueinander bewegbaren Teilen oder den Außen- oder Innendurchmesser eines zylindrischen Teils zu bestimmen.

Zur Automatisierung von Werkzeugmaschinen und zahlreichen verschiedenen industriellen Maschinen ist es notwendig, den Betrag oder das Ausmaß einer Relativverschiebung oder einer Entfernung zwischen zwei relativ zueinander bewegbaren Teilen, beispielsweise eines Maschinenbetts und eines Maschinentischs einer Werkzeugmaschine, genauestens zu erfassen.

Bekannte Geräte zur Messung des Ausmaßes der Relativbewegung, d. h. der Entfernung oder des Abstandes zwischen zwei relativ zueinander bewegbaren Teilen, umfassen Geräte, wie beispielsweise ein Inductosyn, in denen eine Skala und ein Läufer auf sich gegenüberliegenden Oberflächen von zwei bewegbaren Teilen befestigt sind, wobei ein Erregerstrom durch die Skala geführt wird und ein im Läufer induziertes elektrisches Signal dazu benutzt wird, das Ausmaß der Relativbewegung der beiden Teile zu erfassen. Ferner schließen derartige Meßgeräte Geräte ein, bei denen der Rotationswinkel eines Motors zur Bewegung eines Teiles relativ zu einem weiteren Teil mittels eines Resolvers oder Drehmelders erfaßt wird, um das Ausmaß der Relativbewegung der beiden Teile festzustellen.

In diesen Geräten ist es notwendig, eine bearbeitete Skala und einen Schieber auf den sich gegenüberliegenden Oberflächen der relativ zueinander bewegbaren Teile sehr genau zu befestigen. Darüber hinaus ist es zur Erhöhung der Meßgenauigkeit notwendig, die Skala mit einer so feinen Teilung wie nur irgend möglich präzise auszuarbeiten. Dies erfordert jedoch nicht nur einen großen Arbeits- und Zeitaufwand, sondern erhöht auch die Herstellungskosten. Weiterhin benötigt das letztgenannte Gerät eine komplizierte elektrische Verarbeitungsschaltung. Auch, wenn der Rotationswinkel des Motors genau gemessen wird, so treten doch Meßfehler aufgrund von Fehlern in der Nullstellung des Spiels und Freiraums des Geschwindigkeitsreduktionsmechanismusses und des durch den Motor angetriebenen Vorschubmechanismusses auf.

In der Vergangenheit wurde der Durchmesser, beispielsweise der Außendurchmesser eines großen Werkstückes, das durch eine Vertikaldrehmaschine bearbeitet wurde, mittels eines großen Mikrometers gemessen, das speziell für diesen Zweck angefertigt wurde. Oder es wurden Klötze auf sich diametral gegenüberliegenden Positionen des Werkstückes plaziert, und der Abstand zwischen den Blöcken mit einem Innenmikrometer gemessen. Jedoch ist ein derart großes Mikrometer schwer und kompliziert zu handhaben, wodurch sich eine geringe Meßgenauigkeit ergibt. Wird zudem das Innenmikrometer benutzt, ist es nicht nur außerordentlich schwierig, die Klötze mit ausreichender Genauigkeit in Kontakt mit dem Werkstück zu positionieren, sondern auch schwer, das Mikrometer genau anzulegen und damit zu verbinden.

Außer diesen Geräten gibt es ein weiteres Durchmessermeßgerät, in dem ein ein Werkstück tragender Tisch gedreht wird und eine Andruckwalze bekannten Durchmessers gegen die Umfangsfläche des Werkstückes derart gepreßt wird, daß der Durchmesser des Werkstückes berechnet werden kann, indem die Anzahl der Walzenumdrehungen ausgenutzt wird. Jedoch ist aufgrund des Schlupfes der Walze die Genauigkeit dieser Messung beeinträchtigt. Darüber hinaus würde bei Anpressen dieser Walze gegen die Oberfläche des Werkstückes dessen Oberfläche beschädigt, wenn das Werkstück aus einem relativ weichen Material hergestellt ist.

Bei Benutzung eines Innenmikrometers zur Messung des Innendurchmessers tritt mit wachsendem Innendurchmesser das gleiche Problem auf. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Gerät zur Messung einer Entfernung zwischen zwei beabstandeten Punkten zu schaffen, welches imstande ist, eine genaue Messung durchzuführen. Insbesondere soll ein Gerät geschaffen werden, das auch zur Messung der Relativbewegung oder Verschiebung zweier relativ zueinander bewegbarer Teile und der Innen- oder Außendurchmesser eines zylindrischen Körpers angewendet werden kann.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst.

Das erfindungsgemäße Gerät kann dazu benutzt werden, das Ausmaß der Relativbewegung von relativ zueinander bewegbaren Teilen, wie eines Bettes eines ein Werkstück tragenden Tisches, genau zu bestimmen, ohne hierzu eine präzise bearbeitete Skala zu benötigen.

Ferner kann das erfindungsgemäße Gerät zur Messung von Innen- oder Außendurchmessern eines großen hohlzylindrischen Teiles benutzt werden, ohne daß hierzu ein großes Innenmikrometer benötigt würde. Das erfindungsgemäße Gerät zur Messung einer Entfernung zwischen zwei beabstandeten Punkten weist auf:

Eine Lichtquelle zur Projektion von Licht auf eine einen dieser Punkte einschließende Oberfläche, eine Anordnung aus Elementen fotoelektrischer Umsetzungswirkung, die auf einer anderen, den anderen dieser beiden Punkte einschließenden Oberfläche, angeordnet sind und die von dieser diesen einen Punkt einschließenden Oberfläche reflektiertes Licht erfassen, um eine Flächenmusterinformation dieser diesen einen Punkt einschließenden Oberfläche zu erzeugen, eine Einrichtung zur Relativbewegung dieser beiden Oberflächen, eine Vorrichtung zur Extraktion charakterisierender Stellen dieser Flächenmusterinformation, eine Binärumsetzungsvorrichtung, die diese charakterisierenden Stellen zur Gewinnung einer Binärmusterinformation verarbeitet, eine erste Musterspeichervorrichtung zur Speicherung dieser Binärmusterinformation, eine zweite Musterspeichervorrichtung, die die Binärmusterinformation einer Flächenmusterinformation, welche vor dieser in dieser ersten Musterspeicherung gespeicherten Musterinformation von der Anordnung aus Elementen fotoelektrischer Umsetzungswirkung erfaßt worden ist, als Bezugsinformation speichert, und eine arithmetische Prozeßvorrichtung, die Vorrichtungen zur Berechnung einer Abweichung der in dieser ersten Musterspeichervorrichtung gespeicherten Musterinformation von diesem in der zweiten Musterspeichervorrichtung gespeicherten Bezugsmuster berechnet, eine Abweichungsspeichervorrichtung, die diese Abweichung akkumuliert und speichert, und weitere Vorrichtungen aufweist, die dieses in dieser zweiten Musterspeichervorrichtung gespeicherte Bezugsmuster mit dieser in dieser ersten Musterspeichervorrichtung gespeicherten Musterinformation aktualisieren. In einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Geräts wird dieses dazu benutzt, die Relativbewegung zwischen dem Maschinenbett einer Werkzeugmaschine und dem Maschinentisch zu messen, der ein Werkzeug trägt. Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das erfindungsgemäße Gerät dazu benutzt, den Außendurchmesser eines zylindrischen Körpers oder einen Außen- oder Innendurchmesser eines hohlen zylindrischen Teiles zu messen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

Fig. 1 - eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispieles des erfindungsgemäßen Geräts zur Messung einer Entfernung zwischen zwei beabstandeten Punkten,

Fig. 2 - eine seitliche Ansicht der optischen Anordnung in Richtung des Pfeils II aus Fig. 1,

Fig. 3 - ein Blockschaltbild, das eine Musterprozeßeinheit zeigt,

Fig. 4 - ein Flußdiagramm, das die Rechenabläufe für das Ausmaß der Verschiebung darstellt,

Fig. 5 und 6 - Graphen, die unterschiedliche Verfahren zur Bestimmung des Verschiebungsausmaßes verdeutlichen,

Fig. 7 - eine schematische Seitenansicht einer Vertikaldrehmaschine, die das erfindungsgemäße Gerät zur Durchmesserbestimmung enthält,

Fig. 8 - eine Teilansicht von oben gesehen, die die Beziehung zeigt, mit der ein Werkstück, eine Anordnung aus Elementen fotoelektrischer Umsetzungswirkung, eine Lichtquelle und eine Musterprozeßeinheit angeordnet sind, und

Fig. 9 - ein Blockschaltbild, das die elektrische Kopplung von verschiedenen, das erfindungsgemäße Gerät zur Durchmesserbestimmung bildenden Elemente darstellt.

Die Fig. 1 zeigt das erfindungsgemäße Entfernungsmeßgerät, das in diesem Ausführungsbeispiel auf eine Werkzeugmaschine angewandt ist, die ein Maschinenbett 1 und einen Maschinentisch 2 aufweist, der sich auf dem Bett 1 hin- und herbewegt, wie dies durch die Doppelpfeilmarkierung angedeutet ist. Die obere oder Gleitfläche des Bettes ist derart behandelt oder ausgebildet, daß die Leuchtdichte oder Helligkeit des von dieser Oberfläche reflektierten Lichtes in Gleitrichtung nicht einheitlich und gleichförmig ist. Beispielsweise sind hierzu Markierungen in Form von hellen und dunkeln Musterzeichnungen oder Farben auf der Oberfläche ausgebildet.

Wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist, ist eine Reihenanordnung 11 von Elementen fotoelektrischer Umsetzungswirkung 11 ₁- 11 _n auf dem Tisch 2 mit einem vorbestimmten Abstand zum Bett 1 angeordnet, wobei diese Elemente in Richtung der Relativbewegung zwischen dem Bett und dem Tisch nebeneinanderliegend angeordnet sind.

Ferner sind eine ausgedehnte, verlängerte Lichtquelle 12, die sich in Richtung der Relativbewegung erstreckt, und eine Kondensorlinse 13 vorgesehen, die das von der Oberfläche des Bettes 1 reflektierte Licht auf die fotoelektrischen Elemente 11 ₁-11 _n projiziert, die jeweils ein Ladungsspeicherelement, beispielsweise einen Fototransistor usw., enthalten. Infolgedessen wird ein Helligkeits- oder Leuchtdichtemuster der Oberfläche des Bettes 1 durch die n-Elemente 11 ₁ bis 11 _n der Anordnung 11 aus fotoelektrischen Elementen elektrisch erfaßt und zu einer in Fig. 1 gezeigten Musterprozeßeinheit 21 übertragen. Bezeichnet man den Abstand zwischen benachbarten fotoelektrischen Elementen mit δ, die Entfernung zwischen der Oberfläche des Bettes 1 und der Linse 13 mit L ₁ und den Abstand zwischen der Linse und den fotoelektrischen Elementen 11 ₁ bis 11 _n mit L ₂, so kann mit dieser Anordnung eine Auflösung von (L ₁/L ₂)δ erzielt werden.

Eine zur Musterprozeßeinheit 21 aus Fig. 1 übertragene Flächenmusterinformation P wird mittels eines Verstärkers 22 (Fig. 3) verstärkt und dann einem A/D Wandler 23 zugeführt, der eine nicht dargestellte Binärumsetzungsvorrichtung enthält. Der A/D Wandler 23 setzt die ihm zugeführten analogen Signale in ein digitales Signal um und extrahiert charakterisierende und charakteristische Stellen derart, daß er diese Stellen in Binärmusterinformationen von 1 und 0 umsetzt, welche einer Mustererfassungsspeichervorrichtung 26 zugeführt werden, die als eine erste Musterspeichervorrichtung wirkt.

Der Ausdruck "Extraktion von den charakterisierenden Stellen" bedeutet nicht eine Umsetzung des von den n fotoelektrischen Elementen erzeugten analogen Signalen in eine digitale Wertmenge, die aus einer bestimmten Anzahl von Bits besteht. Vielmehr beinhaltet diese Extraktion einen spezifischen binärisierenden Prozeß, in dem nur charakterisierende Stellen eines Musters zwischen n fotoelektrischen Elementen in "1" umgesetzt werden, wohingegen die anderen Stellen in "0" umgesetzt werden. Dabei sind die folgenden Beispiele für charakteristische Stellen denkbar. Werden beispielsweise die Maximal- und Minimalwerte der Leuchtdichtinformation oder Helligkeitinformation des Musters in Abhängigkeit davon, ob diese Werte größer oder kleiner als ein vorgegebener Schwellwert sind, binär umgesetzt, so erhält man als Beispiele für charakterisierende Punkte oder Stellen Übergangsstellen von hell nach dunkel, von dunkel nach hell und die Mittenpositionen oder Mittenstellen von kontinuierlichen fotoelektrischen Elementen, die bei der Binärumsetzung hell werden, so wie die Mittenstellen von kontinuierlichen Elementen, die entsprechend dunkel werden. Als Beispiel wird ein von 16 fotoelektrischen Elementen gewonnenes Muster angenommen, das durch eine Helligkeitsinformation von 0 bis 15 (in 16 Stufen) dargestellt wird, wobei sich eine angenommene Helligkeitsinformation wie folgt ergibt:

P = (4, 6, 8, 9, 7, 4, 3, 2, 3, 5, 9, 12, 13, 10, 8 und 7).

Durch Extraktion und Binärumsetzung oder Binärisierung der charakteristischen Stellen in Abhängigkeit der Maximum- und Minimumstellen erhält man:

P = (0 0 0 1; 0 0 0 1; 0 0 0 0; 1 0 0 0; . . .)

als binäre Musterinformation Diese umsetzende Extraktion wird im folgenden näher erläutert. Die Fig. 5 zeigt einen Graphen, der die Variation des oben angegebenen Helligkeitspegels der Oberfläche darstellt. Durch Binärumsetzung des Helligkeitspegels bezüglich eines Schwellwertpegels von 6 gewinnt man:

0 0 0 1, 0 0 0 1, 0 0 0 0, 1 0 0 0.

Die 1 tritt also nur dann auf, wenn ein Helligkeitsmaximum oder -minimum vorliegt. Hierbei wird das Ausmaß der Abweichung von einem Bezugsmuster berechnet, indem diese Maximum- und Minimumwerte als Bezugswerte genommen werden, um die Entfernung zu gewinnen, indem die berechneten Werte angesammelt werden.

Fig. 6 zeigt ein weiteres Verfahren zur Bestimmung der Größe der Abweichung. Bei diesem Verfahren ist die von den fotoelektrischen Elementen gelieferte Helligkeitsinformation in positive und negative Zyklenhälften eingeteilt, wobei der Schwellwertpegel als Referenzpegel benutzt wird. Man gewinnt hierdurch die Binärfolge:

1 1 1 1, 0 0 0 0 0, 1 1 1, 0 0 0, 1 1 1, 0 0 0 0, . . . .

Diese Binärwerte werden mit der nächsten eingegebenen Information verglichen, Zuwachs- und Abklingstellen, d. h. Stellen, bei denen "1" auf "0" wechselt und "0" auf "1" wechselt, werden als Bezug genommen, um die Beträge der akkumulierten Abweichungen zur Erfassung der Entfernung zu bestimmen.

Die Binärmusterinformation, die durch die Extraktion charakterisierender Stellen gewonnen wurde und die in der Mustererfassungsspeichervorrichtung 26 gespeichert worden ist, wird, jedesmal, wenn eine Leseanweisung 24 der Speichervorrichtung 26 von einer arithmetischen Prozeßschaltung 27 zugeführt wird, ausgelesen und dieser arithmetischen Prozeßschaltung zugeführt. Diese arithmetische Prozeßschaltung vergleicht das Ausgangssignal der ersten Musterspeichervorrichtung oder -schaltung 26 mit dem Ausgangssignal einer zweiten oder Bezugsmusterspeichervorrichtung 28, um die Abweichung der Binärmusterinformation von diesem Bezugsmuster zu berechnen. Jedesmal, wenn die Berechnung der Abweichung erfolgt ist, wird der Inhalt der Bezugsmusterspeichervorrichtung 28 sequenziell auf die Musterinformation in der Mustererfassungsspeichervorrichtung 26 hin aktualisiert. Nach Beendigung einer Serie von Prozeßabläufen wird eine Leseanweisung für die nächste arithmetische Operation der Mustererfassungsspeichervorrichtung 26 von der Prozeßschaltung 27 zugeführt, so daß diese erste Musterspeichervorrichtung 26 wiederum die Musterinformation in die Prozeßschaltung 27 überträgt.

Wird der Vektor einer in der Mustererfassungsspeichervorrichtung 26 gespeicherten Musterinformation, d. h. der Musterinformation, die gerade infolge der augenblicklichen Abtastung in der Speichervorrichtung gespeichert worden ist, mit P (p ₁, p ₂, . . . p _n) bezeichnet und der Vektor eines in der Bezugsmusterspeichervorrichtung 28 gespeicherten Bezugsmusters, d. h. des Bezugsmusters, das durch die vorhergehende Abtastung erneuert worden ist, mit P′ (p ₁′, p ₂′, . . . p′ _n), so berechnet die Einheit 27 die Abweichung in Übereinstimmung mit einem in Fig. 4 gezeigten Flußdiagramm.

Dabei werden in einem Schritt 100 Anfangsbedingungen i = 1, D = 0 und M = 0 eingestellt, wobei i eine Elementnummer, D das Ausmaß der Abweichung jeder charakterisierenden Stelle, ausgedrückt in Einheiten einer Zwischenelementbeabstandung und M die Zahl der charakterisierenden Stellen angibt. Im Schritt 101 wird i um eins inkrementiert. In einem Schritt 102 wird festgestellt, ob i kleiner als die Gesamtzahl n der fotoelektrischen Elemente ist. Im Schritt 103 wird festgestellt und geprüft, ob ein Wert P(i), der beim i-ten Element festgestellt worden ist und in einen Binärwert umgewandelt worden ist, "0" ist oder nicht. Ist das Ergebnis dieser Abfrage JA, so wird der Programmablauf zurück auf Schritt 101 geführt. Ist andererseits das Ergebnis dieser Abfrage nicht "0", d. h. "1", so wird im Schritt 104 festgestellt, ob P′(i-1), der Wert, der im Bezugsmusterspeicher 28 gespeichert ist, "1" ist oder nicht. Ist P′(i-1) = "1", so wird gefolgert, daß die charakterisierende Stelle um ein Element in a (+) Richtung verschoben worden ist, und in einem Schritt 107 wird dem Betrag der Verschiebung D 1 hinzuaddiert. Ergibt die im Schritt 104 durchgeführte Abfrage, daß P′(i-1) nicht gleich "1" ist, d. h. "0", dann wird in einem Schritt 105 geprüft, ob P′(i+1) gleich "1" ist oder nicht. Ist das Ergebnis dieser Abfrage "1", so wird gefolgert, daß die charakterisierende Stelle sich um ein Element in a (-) Richtung verschoben hat, und in einem Schritt 108 wird "1" von D subtrahiert. Wenn P′(i+1) nicht gleich "1", d. h. gleich "0", oder wenn im Schritt 107 1 zu D addiert worden ist, wird in einem Schritt 109 1 zur Anzahl M der charakterisierenden Stelle hinzuaddiert. Nach diesem Programmschritt wird auf Schritt 101 zurückgesprungen.

Nimmt i nach Wiederholung der obigen Schritte im Schritt 106 den Wert n an, wird die Summe D des Verschiebungsbetrages durch die Anzahl M der charakterisierenden Stellen dividiert, um einen mittleren Wert für die Verschiebung D zu gewinnen.

Nach Beendigung der Berechnung des Verschiebungsbetrages vom Erfassungsmuster P mit Bezug auf das Bezugsmuster P′ wird der Mittelwert der Verschiebung DD im Abweichungsspeicher (oder in der Verschiebungsspeichervorrichtung) 29 gespeichert, und der Inhalt des Bezugsmusters P′ wird aktualisiert oder auf das Erfassungsmuster P geändert, und es wird die nächste Leseanweisung 24 dem Mustererfassungsspeicher 26 zugeführt.

Entsprechend wird in dem Fall, in dem der Tisch 2 bezüglich des Bettes 1 stationär ist, der Inhalt der Verschiebungsspeichervorrichtung 29 nicht aktualisiert oder geändert, da die Lage der charakterisierenden Stellen des Erfassungsmusters P und des Bezugsmusters P′ koinzidieren, d. h. übereinstimmen. Wird der Tisch 2 jedoch in bezug auf das Bett 1 bewegt, ändert sich der Inhalt der Verschiebungsspeichervorrichtung 29 entsprechend der Bewegungsrichtung, da die charakterisierenden Stellen des Erfassungsmusters P und des Bezugsmusters P′ entsprechend dem Ausmaß der Relativbewegung verschoben werden.

Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, wird bei der Relativbewegung des Tisches 2 bezüglich des Bettes 1 der Gesamtbetrag der Relativverschiebung in der Verschiebungsspeichervorrichtung gespeichert, und der gespeicherte Wert wird in einen Wert, ausgedrückt in den Maßeinheiten, umgewandelt, welcher auf einer Anzeige- oder Displayvorrichtung, die nicht dargestellt ist, dargestellt wird oder beispielsweise zur Benutzung als Steuerdate in eine numerisch gesteuerte Vorrichtung eingegeben wird.

In dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wird eine optische Musterinformation hinsichtlich der Bettoberflächenbeschaffenheit mittels der Anordnung 11 aus Elementen fotoelektrischer Umsetzung in ein elektrisches Signal umgeformt, und die Binärmusterinformation mit Bezug auf die charakterisierende Stelle wird mit einem Bezugsmuster verglichen, welches bei der letzten vorhergehenden Abtastung aktualisiert worden ist, wodurch der Verschiebungsbetrag der Erfassungsmusterinformation in bezug auf das Bezugsmuster gewonnen wird. Infolgedessen ist es nicht notwendig, eine präzise bearbeitete Skala auf der Oberfläche eines Gegenstandes vorzusehen, wie im Beispiel des Inductosyn. Darüber hinaus kann die Gesamtkonstruktion des erfindungsgemäßen Geräts im Gegensatz zum erwähnten Resolver erheblich vereinfacht werden, da die verwendete Prozeßschaltung nicht kompliziert ist.

Da das erfindungsgemäße Entfernungsmeßgerät insbesondere derart aufgebaut ist, daß es eine optische Musterinformation der Oberfläche eines Gegenstandes erfaßt, so kann die Meßoberfläche in einem solchen Zustand sein, daß die Helligkeit und Leuchtdichte des reflektierten Lichts in Richtung der Relativbewegung der Oberflächen nicht einheitlich ist. Beispielsweise kann hierzu die Oberfläche mit regelmäßigen oder unregelmäßigen Markierungen überzogen sein. Im einfachsten Fall kann das Muster der Rauheit oder Grobkörnigkeit, wie es nach Bearbeitung einer Oberfläche vorliegt, ausgenutzt werden. Infolgedessen ist es nicht notwendig, sich relativ bewegende Teile fein zu bearbeiten. Da darüber hinaus das erfindungsgemäße Meßgerät in keiner Weise in Kontakt mit den sich bewegenden Gegenständen gerät, besteht keinerlei Gefahr der Oberflächenbeschädigung, wodurch insbesondere auch bei aus weichem Material hergestellten Gegenständen eine hoch genaue Messung gewährleistet ist.

Da darüber hinaus die mittels der entsprechenden Elemente der Anordnung 11 aus Elementen fotoelektrischer Umsetzung erfaßten analogen Signale durch Extraktion charakterisierender Stellen in eine Binärmusterinformation umgeformt werden, ist der darauffolgende Prozeßablauf einfach, und die Berechnung des Abweichungsbetrages zwischen dem Bezugsmuster P′ und dem Erfassungsmuster P kann mit hoher Geschwindigkeit erfolgen.

Da darüber hinaus eine Linse 13 vorgesehen ist, die das von der Oberfläche des Bettes auf die Anordnung 11 fotoelektrischer Elemente reflektierte Licht mit vorbestimmtem Vergrößerungsfaktor fokussiert, kann ferner eine hohe Auflösung, ausgedrückt durch (L ₁/L ₂) δ, erzielt werden.

Im beschriebenen Ausführungsbeispiel wurden die charakterisierenden Stellen mittels des A/D Wandlers 23 extrahiert, jedoch kann diese Extraktion ebenso gut von der arithmetischen Prozeßschaltung 27 ausgeführt werden. Ferner kann in Abhängigkeit vom Aufbau des A/D Wandlers die Leseanweisung 24 dem Verstärker 22 oder auch dem A/D Wandler 23 zugeführt werden. Obwohl in der vorhergehenden Beschreibung zur Vereinfachung vom Betrag der Verschiebung zwischen den charakterisierenden Stellen des Bezugsmusters P′ und des Erfassungsmusters P angenommen wurde, daß dieser Verschiebungsbetrag jeweils einem Maximum der Breite eines Elementes entsprach, kann ebenso gut eine Verschiebung erfaßt werden, die größer als ein Element ist, indem P′(i-2) mit P′(i+2) usw. im Flußdiagramm nach Fig. 4 verglichen wird.

Im Flußdiagramm aus Fig. 4 wurde der mittlere Betrag der Verschiebung DD durch Division des Verschiebungsbetrages durch die Gesamtzahl M charakterisierender Stellen gewonnen. Wird jedoch M durch eine Konstante ersetzt, so kann die Divisionsoperation D/M ausfallen, wodurch sich die Rechenzeit verkürzt.

Das beschriebene Ausführungsbeispiel erfaßte den Betrag oder das Ausmaß der Relativbewegung zweier sich gradlinig bewegender Körper. Wird im Gegensatz hierzu die Anordnung 11 aus Elementen fotoelektrischer Umsetzung um die Umfangsfläche eines drehbaren Teils angeordnet, so können auch die Bewegungsentfernung, das Ausmaß der Umfangsflächenbewegung oder der radialen Verschiebung des Drehkörpers gemessen werden. Es ist einigermaßen schwierig, die Elemente entlang einer äußeren oder inneren Umfangsfläche genau anzuordnen. Darüber hinaus ist es notwendig, die Anordnung der Meßelemente für jeweils unterschiedliche zu messende Durchmesser zu verändern, was entsprechend unpraktisch ist. Jedoch kann sogar bei Benutzung gradlinig angeordneter Elemente der Meßfehler minimal werden, solange das mittlere dieser Elemente nahe der Meßoberfläche angeordnet ist. Es ist auch möglich, den Durchmesser eines zylindrischen Drehkörpers oder Drehteiles zu gewinnen, indem die bei der Rotation des Drehkörpers zurückgelegte Distanz der Umfangsbewegung gemessen wird, d. h. die Länge des Umfangs des Drehteils, die dann durch π geteilt wird.

Wenn N Anordnungen 11 aus Elementen fotoelektrischer Umsetzung vorgesehen werden und diese Anordnungen parallel, jeweils um 1/N der Beabstandung zwischen benachbarten Elementen in Richtung der Relativbewegung verschoben, angeordnet werden, kann die Auflösung um das N-fache verbessert werden.

Anstatt für das mit einer erfaßten Musterinformation zu vergleichende Bezugsmuster ein einziges aktualisiertes und bei der jeweils vorhergehenden Abtastung gespeichertes Bezugsmuster zu verwenden, können auch mehrere Bezugsmuster, die zuvor aktualisiert worden sind, gespeichert werden, wobei durch Vergleich jedes dieser Bezugsmuster mit einer Erfassungsmusterinformation die Musteranalyse genauer ausführbar ist.

Werden mehrere Elemente fotoelektrischer Umsetzung matrixartig angeordnet, so können darüber hinaus auch zweidimensionale Relativbewegungen meßtechnisch erfaßt werden.

Das beschriebene Ausführungsbeispiel war zur Erfassung der Relativbewegung zwischen einem Maschinenbett 1 und einem Maschinentisch 2 zu einer Werkzeugmaschine ausgelegt, es ist jedoch möglich, das erfindungsgemäße Entfernungsmeßgerät auf jeden Fall anzuwenden, bei dem zwei Teile relativ zueinander bewegt werden und der Abstand zwischen diesen beiden Teilen im wesentlichen auf einem konstanten Wert gehalten wird.

In den Fig. 7, 8 und 9 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem das erfindungsgemäße Entfernungsmeßgerät dazu verwendet wird, den Innen- oder Außendurchmesser eines zylindrischen Teils zu messen.

In Fig. 7 ist eine Seitenansicht einer großformatigen vertikalen Drehmaschine oder Drehbank gezeigt, die das erfindungsgemäße Gerät zur Messung des Durchmesser inkorporiert. Es ist ein mittels eines Antriebsmechanismusses 52 rotierter Tisch 53 auf einem Bett 51 angebracht. Der Tisch 53 trägt ein hohlzylindrisches Werkstück 54, und ein Einzelumdrehungserfasser 55 ist so angeordnet, daß er der Umfangsfläche des Werkstückes gegenüberliegt. Der Einzelumdrehungserfasser 55 ist über einen nicht dargestellten Träger am Bett befestigt und gesichert und weist einen nicht dargestellten Schalter auf, der mittels einer Projektion oder einer Markierung 53 A betätigt wird, die an einem Punkt der Umfangsfläche des Tisches 53 ausgebildet ist.

Vertikale Ständer 56 sind beidseitig zum Bett 51 vorgesehen und haltern eine Querschiene 57 so, daß diese in vertikaler Richtung bewegbar ist. Ein Werkzeughalter oder Werkzeugschlitten 58 ist auf dieser Querschiene 57 in horizontaler Richtung gleitbar angeordnet. Ein Erfassungskopfs 59 ist am unteren Ende eines Meißelhalters oder Werkzeugstößels 58 A, der vom Werkzeugschlitten 58 getragen wird, so befestigt, daß er der Außenfläche des Werkstückes 54 gegenüberliegt. Die Oberfläche des Werkstückes ist derart behandelt, daß die Helligkeit von an dieser Umfangsfläche reflektiertem Licht in Umfangsrichtung nicht einheitlich und gleichförmig ist, wenn das Werkstück 54 und der Erfassungskopf bei Benutzung einer Lichtquelle gleichförmiger Helligkeit gedreht werden. Beispielsweise sind dunkle und helle Markierungen, die Licht in Umfangsrichtung nicht einheitlich reflektieren, auf der Umfangsfläche angeordnet.

Wie aus der Fig. 8 hervorgeht, weist der Erfassungskopf 59 eine Anordnung 61 aus Elementen fotoelektrischer Umsetzung auf, die längs des Außenumfangs eines Werkstückes 54 und mit einem vorbestimmten Abstand zu diesem Werkstück angeordnet sind, und enthält eine Lichtquelle 62 in Form einer geraden Röhre. Die Anordnung 61 aus Elementen fotoelektrischer Umsetzung oder kurz fotoelektrischen Elementen ist aus n fotoelektrischen Elementen 61 ₁-61 _n aufgebaut, die gleichbeabstandet in Umfangsrichtung angeordnet sind. Das Helligkeits- oder Leuchtdichtemuster der Umfangsfläche wird mittels dieser n fotoelektrischen Elemente 61 ₁-61 _n erfaßt und zur Musterprozeßeinheit 71 übertragen. Wie bereits im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben wurde, kann eine Auflösung von (L ₁/L ₂) δ erzielt werden, wenn eine Linse zwischen dem Werkstück 54 und der Anordnung 61 aus fotoelektrischen Elementen angeordnet wird.

Nach Fig. 9 wird eine zur Musterprozeßeinheit 71 übertragene Information P mittels eines Verstärkers 72 verstärkt und dann auf einen A/D Wandler 73 gegeben, der eine Vorrichtung zur Binärumsetzung aufweist, die ein eingegebenes Analogsignal zum selben Zeitpunkt in ein Digitalsignal umsetzt, zu dem diese Vorrichtung zur Binärumsetzung charakterisierende Stellen extrahiert, und eine Binärmusterinformation aus "1" und "0" bildet, die daraufhin in einer ersten Musterspeichervorrichtung 76 gespeichert wird, welche als Mustererfassungsspeichervorrichtung wirkt. Die Extraktion der charakterisierenden Stellen ist bereits im Zusammenhang mit den Fig. 5 und 6 beschrieben worden.

Die derart in der Mustererfassungsspeichervorrichtung 76 gespeicherte Binärmusterinformation wird jedesmal, wenn dieser Speichervorrichtung eine Leseanweisung 74 zugeführt wird, in eine arithmetische Prozeßschaltung 77 ausgelesen. Die arithmetische Prozeßschaltung 77 vergleicht die ausgelesene Musterinformation mit einem in einer zweiten oder Bezugsmusterspeichervorrichtung 78 gespeicherten Bezugsmuster, um den Unterschied dieser Muster zu berechnen. Das in der Bezugsmusterspeichervorrichtung 78 gespeicherte Bezugsmuster wird jedesmal, wenn die Berechnung des Unterschiedes oder der Abweichung zwischen diesen Mustern abgeschlossen ist, aufeinanderfolgend auf die Musterinformation in der Mustererfassungsspeichervorrichtung 76 aktualisiert. Nach Abschluß einer Serie von Prozeßschritten wird die Leseanweisung 74 für die nächste Berechnung von der arithmetischen Prozeßeinheitsschaltung 77 in gleicher Weise wie im ersten Ausführungsbeispiel der Mustererfassungsspeichervorrichtung 76 zugeführt.

Die Berechnung der Abweichung wird entsprechend der anhand des Flußdiagrammes aus Fig. 4 beschriebenen Art und Weise durchgeführt. Wenn das Werkstück 54 sich im Stillstand befindet und die Positionen des Erfassungsmusters P und des Bezugsmusters P′ jeweils übereinstimmen, so wird infolgedessen der Inhalt der Abweichungsspeichervorrichtung 79 nicht aktualisiert. Wird das Werkstück 54 gedreht, so weicht die Lage der charakterisierenden Stelle des Werkstückes 54 von der des Bezugsmusters P′ entsprechend dem Ausmaß der Drehbewegung des Werkstückes ab, so daß der Inhalt der Abweichungsspeichervorrichtung 79 entsprechend der Drehrichtung des Werkstückes variiert. So kann auf diese Weise mit Drehung des Werkstückes die bei der Drehung zurückgelegte Entfernung der Umfangsfläche des Werkstückes 54 akkumuliert und in der Abweichungsspeichervorrichtung 79 gespeichert werden. Der in der Abweichungsspeichervorrichtung 79 gespeicherte Wert wird zurückgestellt, wenn dieser Speichervorrichtung 79 von einer Rückstell/Halteschaltung 80 ein Rückstellsignal oder Resetsignal zugeführt wird. Andererseits wird der Wert gehalten, wenn ein Haltesignal zugeführt wird. Das Ausgangssignal der Abweichungsspeichervorrichtung 79 wird in einer Durchmesserberechnungseinheit 81 durch die Konstante π dividiert, und das Divisionsergebnis wird auf einer Displayvorrichtung oder Anzeigevorrichtung 82 angezeigt. Die Rückstell/Halteschaltung 80 erzeugt ein Resetsignal, wenn der Einzelumdrehungserfasser 55 erstmalig betätigt wird, wohingegen ein Haltesignal erzeugt wird, wenn der Einzelumdrehungserfasser zum zweiten Mal betätigt wird.

Daher wird, wenn der Tisch 53 mittels des Antriebsmechanismusses 52 gedreht wird und während die Bewegungsdistanz der Umfangsfläche des Werkstückes 54 in der Abweichungsspeichervorrichtung 79 gespeichert wird, wenn der Einzelumdrehungserfasser 55 zum ersten Mal betätigt wird, die Abweichungsspeichervorrichtung 79 durch ein von der Rückstell/Halteschaltung 80 ausgegebenes Rückstell- oder Resetsignal zurückgestellt, d. h. beispielsweise auf 0 gesetzt. Wird der Tisch 53 weiterhin gedreht, so wird die Bewegungsdistanz der Umfangsfläche des Werkstückes nach diesem Rückstellen akkumuliert und in der Abweichungsspeichervorrichtung 79 gespeichert. Nach Beendigung einer Umdrehung des Tisches 53 wird der Einzelumdrehungserfasser 55 auf EIN geschaltet, so daß der Inhalt der Abweichungsspeichervorrichtung 79 von einem Haltesignal der Rückstellhalteschaltung 80 gehalten wird. Der derart gehaltene Wert wird durch die Konstante π dividiert und der auf diese Weise berechnete Außendurchmesser des Werkstückes wird auf der Displayvorrichtung 82 dargestellt.

Entsprechend diesem modifizierten Ausführungsbeispiel wird die optische Musterinformation der Umfangsfläche eines zylindrischen Werkstückes 54 unter Benutzung einer Anordnung 51 aus fotoelektrischen Elementen in ein elektrisches Signal umgeformt, eine aus binärisierenden charakteristischen Stellen gebildete Musterinformation wird mit einem Bezugsmuster verglichen, das zum Zeitpunkt der vorhergehenden Abtastung aktualisiert und gespeichert wurde, um auf diese Weise eine Abweichung der Erfassungsmusterinformation vom Bezugsmuster zu gewinnen, wobei diese Abweichung während einer Umdrehung des Werkstückes akkumuliert, d. h. angespeichert wird und der akkumulierte Wert durch die Konstante π dividiert wird, um den Außendurchmesser des Werkstückes zu bestimmen. Infolgedessen ist es möglich, schnell und bequem eine genaue Messung durchzuführen, ohne ein großes und schweres Mikrometer oder ein Innenmikrometer zu benützen.

Da die optische Musterinformation der Umfangsfläche des Werkstückes erfaßt wird, ist es lediglich notwendig, die Oberfläche derart zu behandeln, daß die Helligkeit oder Leuchtdichte von dieser Oberfläche reflektierten Lichts in Umfangsrichtung nicht einheitlich und gleichmäßig ist. Hierzu kann die Oberfläche beispielsweise mit gleichmäßigen oder ungleichmäßigen Markierungen überzogen werden. Ist die Umfangsfläche grobkörnig oder rauh, so kann das infolgedessen auftretende Muster benützt werden, ohne daß die Oberfläche zusätzlich behandelt wird. Da darüber hinaus das Meßgerät eine auszumessende Oberfläche nicht berührt, besteht keine Gefahr der Oberflächenbeschädigung. Im Vergleich zum Meßverfahren, bei dem eine Meßwalze gegen die auszumessende Oberfläche gepreßt wurde, ist die Meßgenauigkeit der erfindungsgemäßen Anordnung zudem in keiner Weise durch irgendwelche Schlupfeffekte dieser Meßwalze beeinträchtigt. Infolgedessen können auch bei aus relativ weichen Materialien hergestellten Werkstücken hochgenaue Messungen ohne Beschädigung des Werkstückes ausgeführt werden.

Da die charakterisierenden Punkte analoger, mittels entsprechender Elemente der Anordnung aus fotoelektrischen Elementen erfaßter Signale extrahiert werden und binär umgesetzt werden, um eine Binärmusterinformation zu gewinnen, ist zudem die Nachverarbeitung besonders einfach, und die Berechnung des Unterschiedes zwischen dem Bezugsmuster P′ und dem Erfassungsmuster P kann mit hoher Geschwindigkeit durchgeführt werden. Sämtliche der im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen Vorteile sind demnach auch mit dem modifizierten Ausführungsbeispiel erzielbar.

Das mit einer erfaßten Musterinformation zu vergleichende Bezugsmuster ist nicht auf ein einziges, zur Zeit der vorhergehenden Abtastung aktualisiertes und gespeichertes Bezugsmuster beschränkt. Werden mehrere von Bezugsmustern, die zuvor aktualisiert und gespeichert wurden, verwendet und sämtliche dieser Bezugsmuster mit einer erfaßten Musterinformation verglichen, so kann die Musteranalyse genauer durchgeführt werden. Wird das Werkstück mehrere Male gedreht, der Betrag oder das Ausmaß der Bewegung der Umfangsfläche pro Umdrehung bestimmt und der Durchmesser des Werkstückes durch Division dieses Betrags oder Ausmaßes durch π ermittelt, so kann die Genauigkeit der Messung weiterhin verbessert werden.

Es ist ferner klar ersichtlich, daß die erfindungsgemäße Aufgabe auch erzielt werden kann, indem die Anordnung aus fotoelektrischen Elementen über das Werkstück rotiert wird. Ferner kann der Innendurchmesser des Werkstückes gemessen werden, indem die Anordnung aus fotoelektrischen Elementen entlang der Innenoberfläche eines hohlen zylindrischen Teiles angeordnet wird. Da es jedoch schwierig ist, die Elemente längs der Innen- oder Außenumfangsfläche des hohlen zylindrischen Teiles bogenförmig anzuordnen, und da es darüber hinaus notwendig ist, die Anordnung der Elemente bei Änderung des zu messenden Durchmessers entsprechend zu variieren, könnten auch linear angeordnete Elemente benutzt werden, solange das Elemente im Mittelpunkt dieser Anordnung nahe an der zu messenden Oberfläche angeordnet ist. Die vorliegende Erfindung wurde zwar am Beispiel eines mittels einer großen Vertikaldrehmaschine bearbeiteten Werkstückes primär erläutert, jedoch kann das erfindungsgemäße Gerät auch zur Messung von Innen- und Außendurchmessern irgend eines zylindrischen Drehwerkstückes verwendet werden.

Claims

:Patensprüche

1. Gerät zur Messung einer Entfernung zwischen zwei beabstandeten Punkten, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Gerät aufweist:
eine Lichtquelle (12; 62) zur Projektion von Licht auf eine einen dieser Punkte einschließende Oberfläche;
eine Anordnung (11; 61) aus Elementen fotoelektrischer Umsetzungswirkung, die auf einer anderen, den anderen dieser beiden Punkte einschließenden Oberfläche angeordnet sind und die von dieser diesen einen Punkt einschließenden Oberfläche reklektiertes Licht erfassen, um eine Flächenmusterinformation dieser diesen einen Punkt einschließenden Oberfläche zu erzeugen;
eine Einrichtung zur Relativbewegung dieser beiden Oberflächen;
eine Vorrichtung zur Extraktion charakterisierender Stellen (21; 71) dieser Flächenmusterinformation;
eine Binärumsetzungsvorrichtung (23; 73), die diese charakterisierenden Stellen zur Gewinnung einer Binärmusterinformation verarbeitet;
eine erste Musterspeichervorrichtung (26; 76) zur Speicherung dieser Binärmusterinformation;
eine zweite Musterspeichervorrichtung (28; 78), die die Binärmusterinformation einer Flächenmusterinformation, welche vor dieser in dieser ersten Musterspeichervorrichtung gespeicherten Musterinformation von der Anordnung aus Elementen fotoelektrischer Umsetzungswirkung erfaßt worden ist, als Bezugsmuster speichert;
und eine arithmetische Prozeßvorrichtung (27; 77), die Vorrichtungen zur Berechnung einer Abweichung dieser in dieser ersten Musterspeichervorrichtung gespeicherten Musterinformation von diesem in der zweiten Musterspeichervorrichtung gespeicherten Bezugsmuster berechnet eine Abweichungsspeichervorrichtung (29; 79), die diese Abweichung akkumuliert und speichert, und weitere Vorrichtungen aufweist, die dieses in dieser zweiten Musterspeichervorrichtung gespeicherte Bezugsmuster mit dieser in dieser ersten Musterspeichervorrichtung gespeicherten Musterinformation aktualisieren.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Gerät dazu benutzt wird, die relative Verschiebung zwischen einem Bett (1), einer Werkzeugmaschine und einem auf diesem Bett gleitbaren Tisch (2) zu messen, und daß diese Anordnung (11) aus Elementen fotoelektrischer Umsetzungswirkung auf diesem Tisch derart angebracht ist, daß diese Anordnung der Oberfläche dieses Bettes gegenüber liegt.

3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß diese Oberfläche des Bettes so behandelt ist, daß sie dieses Projektionslicht in die Richtung der Relativbewegung dieses Bettes (1) und dieses Tisches (2) nicht einheitlich reflektiert.

4. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß diese Oberfläche Markierungen unterschiedlicher Farben oder Leuchtdichten aufweist.

5. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Gerät dazu benutzt wird, um den Außen- oder Innendurchmesser eines Hohlzylinderwerkstückes (54) zu messen, welches mittels eines von einem Vertikalkopf (58 A) einer Vertikaldrehmaschine gehalterten Werkzeuges bearbeitet wird, und daß diese Anordnung (61) aus Elementen fotoelektrischer Umsetzungswirkung von diesem Vertikalkopf derart gehaltert ist, daß diese Anordnung der Außen- oder Innenumfangsfläche dieses Werkstückes gegenüber liegt.

6. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß diese Außen- oder Innenumfangsfläche derart behandelt ist, daß auf diese Außen- oder Innenumfangsfläche projiziertes Licht in Umfangsrichtung nicht einheitlich ist.

7. Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß dunkle und helle Markierungen auf dieser Außen- oder Innenumfangsfläche vorgesehen sind.

8. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Gerät ferner einen Einzelumdrehungserfasser (55), der eine Umdrehung dieses Werkstückes (54) feststellt, eine an diesen Einzelumdrehungserfasser angeschlossene Rückstell/Halteschaltung (80), eine Anzeigevorrichtung (82), eine Durchmesserberechnungsvorrichtung (81), die zwischen diese Abweichungsspeichervorrichtung (79) und diese Anzeigevorrichtung (82) geschaltet ist, und Einrichtungen aufweist, die das Ausgangssignal dieser Rückstell/Halteschaltung dieser Abweichungsspeichervorrichtung und dieser Anzeigevorrichtung zuführen.