DE3825228C2 - - Google Patents
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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.
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