DE3825228C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen des Außendurchmessers eines Drahtstifts mit einem Laserstrahl, ohne daß ein Kontakt mit dem Drahtstift stattfindet. Ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1, 2 bzw. 4, 5 sind aus der DE 27 50 109 A 1 bekannt.

Verfahren zum Messen des Außendurchmessers eines Stifts, eines Drahtstifts od. dgl. unter Anwendung eines Laser­ strahls sind z. B. in "Illustrations of Applications of Laser Beams" in Electronics Review, Ausgabe Januar-Juli 1980, beschrieben.

Gemäß einem der dort angegebenen bekannten Verfahren wird ein Objekt wie etwa ein Stift oder Drahtstift mit einem parallelen Laserstrahl abgetastet, und das Zeitintervall bis zur Unterbrechung des Laserstrahls durch das Objekt wird gemessen, um daraus den Außendurchmesser des Objekts zu errechnen. Gemäß einem weiteren dort angegebenen Ver­ fahren wird ein ein Objekt nicht abtastender Laserstrahl auf das Objekt gerichtet, und der Abstand zwischen Leucht­ punkten, die durch die Beugung des Laserstrahls auf einem Bildschirm entstehen, wird gemessen, um daraus den Außen­ durchmesser des Objekts zu errechnen.

Das erstgenannte bekannte Verfahren zum Messen des Außen­ durchmesser seines Drahtstifts durch Abtasten mit einem Laserstrahl wird im einzelnen unter Bezugnahme auf die Fig. 1 (A), 1 (B) sowie 2 (A) und 2 (B) erläutert, um das Verständ­ nis der Erfindung zu fördern.

Die Fig. 1 und 2 zeigen die Beziehung zwischen einem Laser­ lichtfleck 8 und einem Stift 6, dessen Außendurchmesser unbekannt ist und gemessen werden soll, und ferner die Be­ ziehung zwischen der Zeit und einer Ausgangsspannung eines Strahldetektors, wenn der Außendurchmesser des zu vermes­ senden Stifts 6 größer bzw. kleiner als der Durchmesser des Laserlichtflecks 8 ist.

Gemäß den Fig. 1 (B) und 2 (A) wird der Laserlichtfleck 8 durch nicht gezeigte Mittel so eingestellt, daß er mit vorbestimmter Geschwindigkeit z. B. von links nach rechts in Fig. 1 (A) bewegt wird. Ein Strahldetektor (nicht ge­ zeigt) ist hinter dem Stift 6 mit einer zwischengeschalte­ ten Optik (nicht gezeigt) positioniert und empfängt den Laserlichtfleck 8 während der Abtastung. Wenn der zur Abtastung bewegte Laserlichtfleck 8 von dem Stift 6 unter­ brochen wird, sinkt die Ausgangsspannung des Strahlemp­ fangselements, und wenn sich der Laserlichtfleck 8 vom Stift 6 wegbewegt, steigt die Ausgangsspannung des Strahl­ empfangselements. Wenn also der Außendurchmesser des Stifts 6 größer als der Durchmesser des Laserlichtflecks 8 ist, sinkt die Ausgangsspannung E des Strahlempfangselements stetig über die Abtastzeit des Laserlichtflecks 8, bis die Ausgangsspannung E auf ihr Null-Potential (Fig. 1 (B) sinkt, weil der Laserlichtfleck 8 von dem Stift 6 vollständig unterbrochen ist. Danach steigt die Ausgangsspannung E des Strahldetektors stetig an. Durch Messen des Zeitintervalls, in dem die Ausgangsspannung E des Strahldetektors niedriger als ein vorgegebener Wert, z. B. ½ ihres Höchstpegels E₀, ist, kann der Außendurchmesser des Stifts 6 auf der Grund­ lage des gemessenen Zeitintervalls errechnet werden.

Wenn dagegen der zu messende Außendurchmesser des Stifts 6 kleiner als der Durchmesser des Laserlichtflecks 8 ist, wird nicht der gesamte Laserlichtfleck 8 von dem Stift 6 unterbrochen. Daher sinkt die Ausgangsspannung E des Strahldetektors nicht unter einen vorgegebenen Pegel. D. h., die Ausgangsspannung E sinkt nicht auf einen Pegel, der unter der oben erwähnten vorgegebenen Spannung E₀/2 liegt, wie Fig. 2 (B) zeigt. In diesem Fall kann der Au­ ßendurchmesser des Stifts 6 nicht gemessen werden.

Wie vorstehend erläutert, kann mit dem bekannten Verfahren der Außendurchmesser des Stifts innerhalb eines zulässigen Meßbereichs einer zur Messung verwendeten Optik dann ge­ messen werden, wenn dieser Außendurchmesser größer als der Durchmesser des Laserlichtflecks ist. Es ist jedoch bisher nicht möglich, den Stiftaußendurchmesser zu messen, wenn dieser kleiner als der Durchmesser des Laserlichtflecks ist. Ferner ist es mit diesem Verfahren nicht möglich, den Stiftaußendurchmesser mit zufriedenstellender Präzision zu messen, selbst wenn der Pegel der vorgegebenen Spannung, die mit der Ausgangsspannung des Strahldetektors zu ver­ gleichen ist, so gewählt ist, daß eine Messung des Stift­ außendurchmessers möglich ist.

Aus der DE-27 50 109 A 1 sind ein Verfahren und eine Vor­ richtung zum Messen des Außendurchmessers eines Draht­ stifts mit den Merkmalen des Oberbegriffs der Ansprüche 1, 2 bzw. 4, 5 bekannt. Die dort beschriebene Vorrichtung ist zur Verhältnisbildung von Meßwerten zueinander ausgelegt, was einerseits hinsichtlich der Fehlerfortpflanzung nach­ teilig ist und was andererseits einen größeren apparati­ ven Aufwand bedingt.

Ferner ist hier zwingend erforderlich, daß der zu bestim­ mende Durchmesser des Drahtes kleiner ist als der des La­ serstrahls. Dadurch wird der Meßbereich stark einge­ schränkt.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfah­ rens und einer Vorrichtung, die den Außendurchmesser eines Drahtstabs bzw. -stifts mit hoher Präzision durch Abtasten mit einem Laserlichtfleck messen kann und die einen großen Meßbereich zwischen Drahtstiften mit großem und solchen mit sehr kleinem Außendurchmesser, der mit dem bekannten Verfahren nicht meßbar ist, umfaßt.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung mit den Merkmalen der Ansprüche 1, 2 bzw. 4, 5 gelöst. In den Unteransprü­ chen sind Merkmale bevorzugter Ausführungsformen der Er­ findung gekennzeichnet.

Wenn der zweite Stift, dessen Außendurchmesser bekannt und größer als der Durchmesser des Laserlichtflecks ist, eng neben dem ersten Stift, dessen Außendurchmesser unbekannt und zu messen ist, in der Abtastrichtung des Laserlicht­ flecks angeordnet ist, ist der Wert des tatsächlich gemes­ senen Außendurchmessers die Summe der Außendurchmesser des zweiten Stifts und des ersten Stifts. Der Außendurchmesser des zweiten Stifts ist größer als der Durchmesser des Laserlichtflecks. Daher ist ungeachtet des Werts des Außen­ durchmessers des ersten Stifts die Summe der Außendurch­ messer des zweiten und des ersten Stifts notwendigerweise größer als der Wert des Durchmessers des Laserlichtflecks, und der gemessene Wert der Summe ist hochgenau. Wenn also der Wert des bekannten Außendurchmessers des zweiten Stifts vom Meßwert der Summe subtrahiert wird, kann der unbekannte Außendurchmesser des ersten Stifts mit hoher Präzision errechnet werden.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 A, 1 B, 2 A und 2 B die Beziehung zwischen dem Außendurchmesser eines Drahtstifts und dem Durchmesser eines Laserlichtflecks sowie grafisch eine Ausgangs­ spannung eines Strahldetektors zur Veranschau­ lichung eines bekannten Verfahrens zur Messung des Außendurchmessers des Drahtstifts;

Fig. 3 eine bei einer Ausführungsform der Erfindung verwendete Optik;

Fig. 4 A und 4 B die Beziehung zwischen dem Außendurchmesser eines Drahtstifts und dem Durchmesser eines Laserlichtflecks bzw. eine Grafik der Aus­ gangsspannung eines Strahldetektors bei der Ausführungsform der Erfindung nach Fig. 3;

Fig. 5 A und 5 B eine weitere Ausführungsform des Verfahrens zur Messung des Außendurchmessers eines Draht­ stifts; und

Fig. 6 noch eine weitere Ausführungsform der Erfin­ dung zur Messung des Außendurchmessers mehre­ rer Drahtstifte mit unbekanntem Außendurch­ messer.

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Messung des Außendurchmessers eines Stifts unter Abtastung mit einem Laserstrahl erläutert.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform des Verfahrens. Fig. 4(A) zeigt die Beziehung zwischen einem Laserlichtfleck, einem ersten Stift mit zu messendem unbekanntem Außendurchmesser und einem angrenzenden zweiten Stift, dessen Außendurch­ messer bereits bekannt und größer als der Durchmesser des Laserlichtflecks ist. Fig. 4(B) zeigt die Beziehung zwi­ schen der Zeit und einer Ausgangsspannung eines Strahl­ detektors.

Gemäß Fig. 3 umfaßt eine Vorrichtung zur Implementierung einer Ausführungsform des Meßverfahrens eine Laserlicht­ quelle 1, einen Drehspiegel 2, der in eine durch den Pfeil bezeichnete Richtung umläuft, eine konvexe Linse 3 zur Strahlprojektion, eine den Strahl kondensierende konvexe Linse 4 und einen Strahldetektor 5, z. B. ein Ladungs­ speicherelement bzw. CCD. Ein erster Stift 6, dessen Au­ ßendurchmesser unbekannt und zu messen ist, und ein zwei­ ter Stift 7, dessen Außendurchmesser bereits bekannt und größer als der Durchmesser eines Laserlichtflecks 8 ist, sind in Kontakt miteinander in gleicher Richtung wie die Abtastrichtung S des Laserlichtflecks 8 angeordnet. Der Strahldetektor 5 ist ausgangsseitig über einen Verstärker mit einem Rechenwerk 10 verbunden, das seinerseits mit einer Anzeigeeinheit 11 verbunden ist.

Bei der so aufgebauten Vorrichtung wird der von der Laser­ lichtquelle 1 ausgehende Laserlichtfleck 8 vom Drehspiegel 2 reflektiert und auf die strahlprojizierende konvexe Linse 3 gerichtet und bewegt sich während der Rotation des Dreh­ spiegels 2 auf einer Bahn, die vom Rand der Linse 3 durch die Mitte der konvexen Projektionslinse Linse 3 geht. Der Laserlichtfleck 8, der die konvexe Projektionslinse 3 durchsetzt hat, führt eine Parallelbewegung zwischen der konvexen Projektionslinse 3 und der Kondensorlinse 4 aus und wird nach Durchsetzen der konvexen Kondensorlinse 4 vom Strahldetektor 5 empfangen. Der erste Stift 6 mit unbe­ kanntem Außendurchmesser und der zweite Stift 7 mit be­ reits bekanntem Außendurchmesser sind aneinanderstoßend zwischen den beiden konvexen Linsen 3 und 4 in der glei­ chen Richtung wie die Abtastrichtung des Laserlichtflecks 8 angeordnet. Wenn daher der Abtast-Laserlichtfleck 8 die Positionen, an denen sich die beiden Stift 6 und 7 befin­ den, kreuzt, wird er von diesen Stiften 6 und 7 unterbro­ chen. In diesem Fall ist die Bewegungsgeschwindigkeit des Laserlichtflecks 8, der sich zwischen der konvexen Projek­ tionslinie 3 und der konvexen Kondensorlinse 4 bewegt, fixiert, und der Laserlichtfleck 8 tastet den ersten und den zweiten Stift 6 und 7 von links nach rechts in Fig. 4 (A) ab.

Fig. 4 (B) zeigt die Ausgangsspannung E des Strahldetektors 5, das den eine solche Abtastung durchführenden Laserlicht­ fleck 8 empfängt. Da der Außendurchmesser des zweiten Stifts 7 größer als der Durchmesser des Laserlichtflecks 8 ist, sinkt die Ausgangsspannung E des Strahldetektors 5 zwangsläufig auf ihr Nullpotential (Fig. 4 (B)). Das heißt, die Ausgangsspannung E des Strahldetektors 5 fällt zwangs­ läufig auf einen Pegel, der unter einem Schwellenwert liegt, der der halben maximalen Ausgangsspannung E₀ entspricht. Daher kann der Wert der Summe der Außendurchmesser der beiden Stifte 6 und 7 gemessen werden, wenn das Zeitintervall, in dem die Ausgangsspannung E des Strahldetektors 5 niedriger als der Schwellenwert E₀/2 ist, von dem Rechenwerk 10 errechnet wird. Wenn dann der Wert des bekannten Außendurchmessers des zweiten Stifts 7 in dem Rechenwerk 10 von dem Meßwert der Summe der Außen­ durchmesser subtrahiert wird, kann der unbekannte Außen­ durchmesser des ersten Stifts 6 errechnet werden. Somit kann gemäß dieser Ausführungsform der Außendurchmesser des ersten Stifts 6 auch dann gemessen werden, wenn er kleiner als der Durchmesser des Laserlichtflecks 8 ist. Ferner kann der unbekannte Außendurchmesser des ersten Stifts 6 auch ohne Anwendung des zweiten Stifts 7 in ähnlicher Weise wie beim Stand der Technik entsprechend Fig. 1 gemessen werden, wenn er größer als der Durchmesser des Laserlichtflecks 8 ist. In diesem Fall ist die meßbare Grenze des Außendurchmessers des Stifts 6 nahezu die gleiche wie diejenige des Durchmessers der Projektions­ und der Kondensorlinsen 3 und 4. Das Ausgangssignal des Rechenwerks 10 wird der Anzeigeeinheit 11, z. B. einer Kathodenstrahlröhre, zugeführt, die den Außendurchmesser des ersten Stifts 6 zur Anzeige bringt. Das Rechenwerk 10 kann ein elektronischer Rechner oder irgendeine andere geeignete Rechenschaltung sein.

Bei der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform ist der erste Stift 6, dessen Außendurchmesser nicht bekannt ist, eng benachbart dem zweiten Stift 7 angeordnet, dessen Außendurchmesser bereits vorher genau gemessen wurde.

Die Fig. 5 (A) und 5 (B) zeigen eine Abwandlung der ersten Ausführungsform, wobei der erste Draht oder Stift 6 und der zweite Draht oder Stift 7 in Vorwärtsbewegungsrichtung X des Laserlichtflecks voneinander beabstandet sind. In Fig. 5 (A) weisen diese Stifte 6 und 7 einen Mittenabstand L voneinander auf.

Bei einer solchen Anordnung der Stifte wird der unbekannte Außendurchmesser d des ersten Stifts 6 auf der Grundlage des bekannten Außendurchmessers D des zweiten Stifts 7 mit dem nachstehend erläuterten Verfahren gemessen.

Erst werden gemäß Fig. 5 (A) der erste und der zweite Stift 6 und 7 in einer solchen gegenseitigen Beziehung angeordnet, daß sie einander in der Abtastrichtung S, die zu der Vorwärtsbewegung X des Laserlichtflecks im wesent­ lichen orthogonal ist, überlappen, und eine Abmessung A einer sochen Stiftanordnung wird gemessen. Diese Abmessung A kann errechnet werden durch Multiplikation der Abtast­ geschwindigkeit des Laserlichtflecks mit der Periode Δ T, in der die Ausgangsspannung E des Strahldetektors den Pe­ gel E₀/2 gemäß Fig. 4 (B) hat. Dann wird gemäß Fig. 5 (B) eine Abmessung B gemessen, nachdem der zweite Stift 7 nur um den gleichen Betrag wie sein Außendurchmesser D in eine der Abtastrichtung S entgegengesetzte Richtung verschoben wurde. Auf der Basis der Meßwerte A und B wird der unbe­ kannte Außendurchmesser d des ersten Stifts 6 gemäß der folgenden Rechenformel errechnet:

d = A + B - 2 D.

Die vorgenannten Ausführungsformen betreffen die Messung des Außendurchmessers eines einzelnen Drahtstifts mit Kreisquerschnitt. Es ist aber ersichtlich, daß die Erfin­ dung in gleicher Weise für einen Drahtstift oder -stab mit Viereckquerschnitt anwendbar ist.

Ferner kann die Erfindung mit einer Anordnung aus mehreren Stiften angewandt werden, wie sie z. B. auf Steckverbindern mit Anschlußstiftmatrix und Sockeln für integrierte Schalt­ kreise vorgesehen sind. Wenn also mehrere Stifte 6 auf einem Sockel gemäß Fig. 6 (der sechs Stifte aufweist) an­ geordnet sind, kann nicht nur der Außendurchmesser der Stifte 6 gemessen werden, sondern es kann auch festgestellt werden, ob diese Stifte 6 exakt auf einer Geraden L ausge­ richtet sind. Wenn ein Verbiegen eines der vom Sockel hoch­ stehenden Stifte erfaßt wird, gilt der Sockel als Ausschuß.

Bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform dienen der Drehspiegel und die beiden konvexen Linsen als Optik zur Abtastung mit dem Laserlichtfleck. Die Erfindung umfaßt aber auch eine Modifikation, bei der diese die Optik bil­ denden beiden Linsen durch zwei Parabolspiegel ersetzt sind.

Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß mit dem Verfahren und der Vorrichtung nach der Erfindung unter Anwendung eines zur Abtastung dienenden Laserstrahls ein großer Bereich von Stiftaußendurchmessern, die zwischen einem großen Außendurchmesser, der eine zulässige Meßgrenze einer Optik ist, und sehr kleinen Außendurchmessern, die kleiner als der Durchmesser des Laserlichtflecks sind, liegen, mit hoher Genauigkeit meßbar ist, ohne daß ein Meßkontakt mit den Stiften stattfindet.

Claims (7)

1. Vorrichtung zum Messen des Außendurchmessers eines Drahtstiftes mit einer Laserlichtquelle (1) und einer Abtastoptik (2, 3), die einen parallel zu sich selbst bewegten Abtaststrahl erzeugt, der den Durchmesser ei­ nes ersten zu vermessenden Drahtstiftes (6) abtastet, mit einem zweiten Drahtstift, dessen Durchmesser in Ab­ tastrichtung bekannt und größer als der Durchmesser des Abtaststrahls in Abtastrichtung ist, mit einer Optik (4), die den Abtaststrahl auf ein Empfangselement (5) fokussiert und mit einer Einheit (10), die den Außen­ durchmesser des ersten Drahtstiftes auf der Basis des elektrischen Ausgangssignals (E) des Empfangselements (5) errechnet, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Drahtstifte derart angeordnet sind, daß sie einen zusammenhängenden, sich nicht überlappenden Schatten werfen und der Durchmesser des ersten Draht­ stiftes (6) durch Subtraktion des bekannten Durchmes­ sers vom Meßwert des Schattens in der Einheit (10) berechnet wird.

2. Vorrichtung zum Messen des Außendurchmessers eines Drahtstiftes mit einer Laserlichtquelle (1) und einer Abtastoptik (2, 3), die einen parallel zu sich selbst bewegten Abtaststrahl erzeugt, der den Durchmesser eines ersten zu vermessenden Drahtstiftes (6) abtastet, mit einem zweiten Drahtstift, dessen Durchmesser in Ab­ tastrichtung bekannt und größer als der Durchmesser des Abtaststrahls in Abtastrichtung ist, mit einer Optik (4), die den Abtaststrahl auf ein Empfangselement (5) fokussiert und mit einer Einheit (10), die den Außen­ durchmesser des ersten Drahtstiftes auf der Basis des elektrischen Ausgangssignals (E) des Empfangselements (5) errechnet, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheit (10) den Durchmesser d des ersten Drahtstifts (6) berechnet als die Summe aus der Diffe­ renz zwischen einer Schattenbreite A, gemessen bei sich teilweise überlappenden Schatten des ersten und des zweiten Drahtes und dem Durchmesser D des zweiten Drah­ tes und der Differenz zwischen einer zusammenhängenden Schattenbreite B, die sich ergibt, wenn der zweite Draht gegenüber der ersten Stellung um eine Durchmes­ serbreite D in Abtastrichtung querverschoben wird, und dem Durchmesser des zweiten Drahtstiftes D.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Drahtstift (6 und 7) in einer Richtung, die zur Abtastrichtung (S) im wesent­ lichen orthogonal ist, voneinander beabstandet sind.

4. Verfahren zum Messen des Außendurchmessers eines Draht­ stifts, mit folgenden Schritten:

• - Umformen (2, 3) eines von einer Laserlichtquelle (1) ausgehenden Laserlichtstrahls in einen parallel zu sich selbst bewegten Abtaststrahl;
• - Anordnen eines ersten Drahtstiftes (6) mit unbekann­ tem Durchmesser und eines zweiten Drahtstiftes (7) mit bekanntem Außendurchmesser in Abtastrichtung (S), der größer ist als der Durchmesser des Abtaststrahls in dieser Richtung;
• - Erfassen des den ersten und den zweiten Drahtstift (6, 7) kreuzenden Laserstrahls unter Erzeugung eines entsprechenden elektrischen Ausgangssignals (E); und
• - Errechnen (10) des Außendurchmessers des ersten Drahtstifts (6) auf der Basis des elektrischen Aus­ gangssignals (E),

dadurch gekennzeichnet, daß der erste Drahtstift (6) und der zweite Drahtstift (7) so angeordnet sind, daß sie einen zusammenhängen­ den, nicht überlappenden Schatten bilden und der unbe­ kannte Durchmesser des Drahtstifts (6) durch Subtrak­ tion des bekannten Durchmessers vom Meßwert des Schat­ tens berechnet wird.

5. Verfahren zum Messen des Außendurchmessers eines Draht­ stifts, mit folgenden Schritten:

• - Umformen (2, 3) eines von einer Laserlichtquelle (1) ausgehenden Laserlichtstrahls in einen parallel zu sich selbst bewegten Abtaststrahl;
• - Anordnen eines ersten Drahtstiftes (6) mit unbekann­ tem Durchmesser und eines zweiten Drahtstiftes (7) mit bekanntem Außendurchmesser in Abtastrichtung (S), der größer ist als der Durchmesser des Abtaststrahls in dieser Richtung;
• - Erfassen des den ersten und den zweiten Drahtstift (6, 7) kreuzenden Laserstrahls unter Erzeugung eines entsprechenden elektrischen Ausgangssignals (E); und
• - Errechnen (10) des Außendurchmessers des ersten Drahtstifts (6) auf der Basis des elektrischen Aus­ gangssignals (E), dadurch gekennzeichnet, daß
• - der erste und der zweite Drahtstift in einem ersten Schritt so angeordnet werden, daß sich ihre Schatten teilweise überlappen,
• - diese erste Schattenbreite A und der Durchmesser D des zweiten Drahtstifts (7) voneinander subtrahiert werden,
• - der zweite Drahtstift um eine Durchmesserbreite in Tastrichtung verschoben wird, um mit dem ersten Drahtstift eine zweite zusammenhängende Schattenbrei­ te B zu erzeugen;
• - von dieser zweiten Schattenbreite B der Durchmesser D des zweiten Drahtstiftes subtrahiert wird, und
• - die Summe der beiden Differenzen (A-D; B-D) gebildet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Drahtstift (6 und 7) in einer zur Abtastrichtung (S) im wesentlichen orthogo­ nalen Richtung voneinander beabstandet sind.