DE3910840A1 - Vorrichtung zum abtasten und/oder pruefen von koerperoberflaechen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abtasten und/oder Prüfen von Körperoberflächen mit einem Sender elektromagnetischer Wellen und einem Empfänger der vom Körper reflektierten Wellen.

Solche Vorrichtungen werden z.B. in der Getränkeindustrie verwendet, um die Mündungen von mittels eines Förderbandes transportierten Flaschen zu Prüfen. Hierbei werden regelmäßig Vorrichtungen mit rotierenden Köpfen mit erheblichem Gewicht eingesetzt, durch welche die Trennung der eingefallenen Wellen von den reflektierten erfolgt. Die Köpfe sind an Wellenleiter angeschlossen. Durch den Einsatz solcher Köpfe ist nicht nur die obere Grenze für die Transportgeschwindigkeit der Flaschen vorgegeben, sondern auch die Genauigkeit, mit welcher die Prüfung der Flaschen erfolgt. Dies ergibt sich aus der Tatsache, daß bei einer bestimmten Drehzahl der Köpfe, die auf die Köpfe wirkende Zentrifugalkraft so groß ist, daß sie zur Zerstörung der Köpfe führen kann.

Ausgehend von dem obigen Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäße Vorrichtung ohne unangemessenen konstruktiven Aufwand so weiterzubilden, daß bei Erhöhung der Meßgenauigkeit die Transportgeschwindigkeit der Körper und somit die Erhöhung der Stückzahl der Prüflinge innerhalb einer bestimmten Zeiteinheit vergrößert werden kann.

Die gestellte Aufgabe wird bei der Vorrichtung der eingangs genannten Art durch einen zwischen dem Sender und dem Körper angeordneten sowie schwenk- und/oder drehbaren Reflektor für die Wellen gelöst, dessen Reflektionsfläche von der Drehachse des Reflektors unter einem Winkel β verschieden von 90° geschnitten ist.

Man erkennt, daß die Erfindung jedenfalls dann verwirklicht ist, wenn nicht mehr der Sender bzw. der Empfänger rotiert, sondern vielmehr der eine sehr geringe Masse aufweisende Reflektor. Handelt es sich bei dem Sender um einen Laser, dessen gebündelter Strahl einen sehr geringen Durchmesser aufweisen kann, dann ist es möglich, den Reflektor im wesentlichen punktartig auszubilden. Ein solcher Reflektor kann bei hoher Genauigkeit mit sehr geringem Maße hergestellt werden. Dieser Reflektor kann dabei auch so ausgebildet sein, daß seine Reflektionsfläche nicht nur um die Rotationsachse drehbar, sondern auch schwenkbar einstellbar ist, wobei die Schwenkachse eine etwa rechtwinklig zur Rotationsachse verlaufende Achse sein kann.

Weitere zweckmäßige und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Eine besonders zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß zwischen dem Sender und dem Reflektor ein halbdurchlässiger Spiegel mit einer zum Reflektor zugekehrten Spiegelfläche angeordnet ist, der die vom Körper sowie dem Reflektor reflektierenden Wellen zum Empfänger zumindest teilweise reflektiert. Der vom Sender abgebende Laserstrahl passiert den Spiegel, von wo aus er zum Reflektor, dann auf die Körperoberfläche und wieder zurück über den Reflektor zum Spiegel gelangen kann. Da der Spiegel halbdurchlässig ist, wird das vom Körper und dem Reflektor auf den Spiegel reflektierende Licht zumindest teilweise dem Empfänger zugeführt. Der Empfänger ist mit einem Analysator verbunden, der die ihm zugeführten Informationen auswertet. Werden Flaschen geprüft, die unbeschädigt sind, dann weisen die vom Empfänger empfangenen Laserstrahlen bestimmte Werte auf. Wird dagegen eine Mündung einer beschädigten Flasche geprüft, dann wird der Laserstrahl auf der beschädigten Stelle der Flasche gestreut, so daß nur ein Teil der vom Sender abgesandten Strahlen vom Empfänger empfangen werden. Diese Wellen haben auch eine andere Charakteristik, die Abweichungen signalisiert.

Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung sieht vor, daß zwischen dem Reflektor und dem Körper ein Ablenkungskörper oder Spiegel angeordnet ist, der die vom Reflektor zum Körper hin abgestrahlten Wellen auf bestimmte Bereiche des Körpers und von dort zum Reflektor und dem Empfänger zurück reflektiert. Hierbei ist es zweckmäßig, wenn der Spiegel die Innenfläche eines Hohlkörpers mit einer durchgehenden Öffnung bildet. Im Rahmen dieses Erfindungsgedankens ist es besonders vorteilhaft, wenn der Innenumriß des Querschnittes des Hohlkörpers in seinem Reflektionsbereich ähnlich dem Abtast- und Prüfbereich des Körpers ist. Dabei ist es besonders zweckmäßig, wenn der Innenraum des Hohlkörpers die Form eines Kegel- oder Pyramidenstumpfes hat. Dieser Körper ist in axialer Richtung verstellbar und hat die Aufgabe, die abgetastete Stelle beim Körper als eine geschlossene Kurve darzustellen. Bei einer hohen Drehzahl des Reflektors bilden die vom Ablenkungskörper abgestrahlten Wellen den Mantel eines Kegels bzw. Kegelstumpfes.

Handelt es sich um eine Vorrichtung zum Prüfen von Mündungen bei Flaschen, die z.B. auf einem Förderband mit einer bestimmten Transportgeschwindigkeit befördert werden, dann ist es zweckmäßig, wenn die Rotationsgeschwindigkeit des Reflektors und somit die Umlaufgeschwindigkeit der reflektierenden Wellen auf dem Körper ein Mehrfaches der Transportgeschwindigkeit der Flaschen beträgt. Sollen hierbei z.B. etwa 100 000 Flaschen innerhalb einer Stunde geprüft werden, dann beträgt die Drehzahl des Reflektors mehr als 100 000 U/min.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Vorrichtung zum Prüfen von Mündungen bei Flaschen, die von einer Transporteinrichtung befördert werden,

Fig. 2 eine Anordnung des Senders, des Körpers und des Empfängers zueinander,

Fig. 3 eine weitere Anordnung der einzelnen Teile zueinander innerhalb einer Vorrichtung,

Fig. 4 den mit IV bezeichneten Teil nach Fig. 2 vergrößert dargestellt und

Fig. 5 den in Fig. 3 dargestellten Ablenkungskörper vergrößert dargestellt.

In den Figuren ist eine Vorrichtung 10 zum Abtasten und/oder Prüfen von Körperoberflächen dargestellt. Die auf dem Förderband 14 angeordneten Flaschen 12 werden in Richtung des Pfeiles 17 transportiert.

Der in Fig. 2 dargestellte schematische Aufbau der Vorrichtung läßt erkennen, daß die Vorrichtung im wesentlichen aus einem Sender 20 elektromagnetischen Wellen und einem Empfänger 24 der vom Körper 12, hier eine Flasche, reflektierenden Wellen 16 besteht. Zwischen dem Sender 20 und dem Körper 12 ist ein drehbarer Reflektor 28 für die Wellen angeordnet, dessen Reflektionsfläche 29 (vgl. Fig. 4) von der Drehachse 30 des Reflektors 28 unter einem Winkel β verschieden von 90° geschnitten ist. Der Reflektor 28 befindet sich an der Stirnseite eines Trägers 27, der über Lagerkörper 31 und 32 und eine Welle 2 an einen Antrieb 52 angeschlossen ist. Bei dem Antrieb 52 kann es sich z.B. um eine Gasturbine oder einen elektromagnetischen Antrieb handeln, d.h. um eine Antriebsvorrichtung, die eine sehr hohe Drehzahl des Reflektors 28 ermöglicht.

Wie Fig. 2 ferner erkennen läßt, befindet sich zwischen dem Sender 20 und der Reflektionsfläche 29 ein halbdurchlässiger Spiegel 22 mit einer zum Reflektor 28 zugekehrten Spiegelfläche, der die vom Körper 12 sowie dem Reflektor 28 zum Empfänger 24 reflektierten Wellen zumindest teilweise reflektiert. Ferner läßt Fig. 2 erkennen, daß zwischen dem Reflektor 28 und dem Körper 12 ein Ablenkungskörper 40 angeordnet ist, der die vom Reflektor 28 zum Körper 12 hin abgestrahlten Laserstrahlen 16′ auf bestimmte Bereiche der Flasche 12 und von dort zum Reflektor 28 zurück reflektiert. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel handelt es sich beim Ablenkungskörper 40 um einen Hohlkörper, dessen Innenraum als ein Kegelstumpf ausgebildet ist. Dieser Ablenkungsgkörper besitzt ein Gewinde 42, so daß er im Gehäuseabschnitt 48 in Richtung des Doppelpfeiles 44 verstellbar ist. Durch die axiale Verstellung des Ablenkungskörpers 40 wird auch der Reflektionspunkt 68 verstellt, so daß der Einfallwinkel γ größer bzw. kleiner wird.

Die Erfindung beruht daher auf zwei Tatsachen: zum einen wird von der Erkenntnis ausgegangen, daß die Transportgeschwindigkeit der Flaschen (z.B. 10 km/Stunde) im Vergleich zur Geschwindigkeit des Lichtes (300 000 km/Sekunde) verschwindend klein ist. Der vom Sender 20 abgestrahlte Laserstrahl wird daher ohne einen nennenswerten Einfluß der Transportgeschwindigkeiten der Flasche zum Sender 24 zurückgestrahlt. Da auch die Transportgeschwindigkeit der Flasche mit Bezug auf die Rotationsgeschwindigkeit des Reflektors 28 verschwindend klein ist, können die vom Körper reflektierten Laserstrahlen eine geschlossene Kurve beschreiben, die mit der Idealkurve (Mündung der Flasche) annähernd identisch ist. Die zwei wesentlichen Faktoren, die die Meßergebnisse beim Stand der Technik entscheidend verzerrt haben, wurden dadurch eliminiert.

In Fig. 2 ist ferner erkennbar, daß der vom Sender 20 ausgestrahlte Laserstrahl 16 den halbdurchlässigen Spiegel 27 passiert und vom Reflektor 28 als Strahl 16′ auf die Innenwandung 46 des Ablenkungskörpers 40 reflektiert wird. Von dort aus wird er im Punkt 68 so reflektiert, daß er auf die Stirnseite 50 der Mündung 18 der Flasche 12 gelangen kann.

Von der Stirnseite wird er dann als Laserstrahl 16′′ zurückreflektiert und passiert den gleichen Weg wie der Laserstrahl 16′. Ein Teil des Strahles 16′′ wird vom Spiegel 22 in Richtung Empfänger 24 umgelenkt, während ein anderer Teil zum Sender 20 gelangen kann.

Der Reflektor 28 ist um seine Drehachse 30 verdrehbar, und zwar mit einer hohen Geschwindigkeit, die mehr als 120 000 U/min betragen kann. Da der Innenumriß des Querschnittes des Ablenkungskörpers 40 im Reflektionsbereich kreisrund ist, tasten die Laserstrahlen 16′ eine kreisrunde Kurve ab, die auf der Stirnseite 50 der Mündung 18 gezeichnet wird. Der Innenumriß des Querschnittes beim Ablenkungskörper könnte selbstverständlich auch ellipsen- oder n-eckförmig sein, so daß die abgetastete Kurve auf dem Körper die Form einer Ellipse bzw. eines n-Eckes besitzt. Bei dem Reflektor 28 handelt es sich um einen Spiegel, dessen Reflektionsfläche 29 nur wenige mm² betragen kann. Diese Reflektionsfläche 29 ist von der Drehachse 30 unter einem Winkel β geschnitten, während der Laserstrahl 16 die Achse 30 unter einem Winkel α schneidet. Der Neigungswinkel der Reflektionsfläche 29 ist durch den Winkel β definiert.

Der Einfallwinkel des Laserstrahles 16′ nimmt Werte zwischen ω und ω ein. Soll nun die Abtastkurve groß sein, dann wird der Winkel β größer gewählt bzw. der Ablenkkörper 40 nach außen verstellt. Im anderen Falle wird der Winkel β kleiner gewählt und der Ablenkkörper nach innen versetzt. Das gleiche ist durch Änderung des Winkels α erreichbar, den die Welle 16 bzw. ihre Verlängerung 92 mit der Achse 30 definiert. Eine weitere Änderung des durch Wellen 16′ und 16′′ definierten Strahlungskegels ist durch die Veränderung des Abstandes des Einfallpunktes 100 von der Drehachse 30 möglich. Insgesamt kann daher festgestellt werden, daß auf die Ausdehnung des Laserstrahles folgende Parameter entscheidenden Einfluß haben: die Winkel α, β und w sowie der Abstand des Ablenkungsköpers 40 vom Reflektor 28 und der Abstand des Einfallpunktes 100 von der Achse 30.

In Fig. 3 und 5 ist eine Anordnung dargestellt, die sich von der in Fig. 2 dargestellten im wesentlichen dadurch unterscheidet, daß ein zusätzlicher Spiegel 21 vorgesehen ist.

Dadurch ist es möglich, den Sender 20 an einer anderen Stelle des Gehäuses 10 anzuordnen.

Claims (13)

1. Vorrichtung zum Abtasten und/oder Prüfen von Körperoberflächen mit einem Sender elektromagnetischer Wellen und einem Empfänger der vom Körper reflektierten Wellen, gekennzeichnet durch einen zwischen dem Sender (20) und dem Körper (12) angeordneten sowie schwenk- und/oder drehbaren Reflektor (28) für die Wellen, dessen Reflektionsfläche (29) von der Drehachse (30) des Reflektors (28) unter einem Winkel (β) verschieden von 90° geschnitten ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Sender (20) und dem Reflektor (28) ein teildurchlässiger Spiegel (22) mit einer zum Reflektor (28) zugekehrten Spiegelfläche angeordnet ist, der die vom Körper (12) sowie dem Reflektor (28) reflektierten Wellen (16′′) zum Empfänger (24) zumindest teilweise reflektiert.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Reflektor (28) und dem Körper (12) ein Ablenkungskörper (40) oder Spiegel angeordnet ist, der die vom Reflektor (28) zum Körper (12) hin abgestrahlten Wellen (16′) auf bestimmte Bereiche des Körpers (12) und von dort zum Reflektor (28) und dem Empfänger (24) zurück reflektiert.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel die Innenfläche des als Hohlkörper ausgebildeten Ablenkungskörper (40) mit einer durchgehenden Öffnung bildet.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenumriß des Querschnittes des Hohlkörpers (40) in seinem Reflektionsbereich ähnlich dem Abtast- und Prüfbereich des Körpers (12) ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum des Hohlkörpers die Form eines Kegel­ oder Pyramidenstumpfes besitzt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper achsensymmetrisch und in seiner Achsrichtung verstellbar ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Symmetrieachse (91) des Ablenkungskörpers (40) die Drehachse (30) des Reflektors (28) unter einem Winkel (Φ) schneidet und mit der Achse eines gedachten und durch die vom Reflektor (28) reflektierten Wellen (16′, 16′′) definierten Kegels identisch ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand des Ablenkungskörpers (40) vom Reflektor (28) sowie der Winkel (α), den die Welle (16) mit der Drehachse (30) definiert, und der Neigungswinkel (= 90°-β) so gewählt sind, daß die Wellen (16′, 16′′) von der Spiegelfläche (46) reflektiert sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel (w) der Spiegelfläche (46) so gewählt ist, daß die von ihr reflektierte in Richtung Körper (12) reflektierten Wellen etwa parallel zu der Symmetrieachse (91) des Ablenkungskörpers (40) verlaufen.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 mit einem Gehäuse, in dem der Sender und der Empfänger untergebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper (40) mit dem Gehäuse (10) über ein Gewinde (42) verbunden ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zum Prüfen von Mündungen bei Flaschen, die z.B. von einem Förderband mit einer bestimmten Transportgeschwindigkeit befördert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotationsgeschwindigkeit des Reflektors (28) und somit die Umlaufgeschwindigkeit der reflektierten Wellen (16) auf dem Körper (12) ein Mehrfaches der Transportgeschwindigkeit der Flaschen (12) beträgt.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 für eine Transporteinrichtung für Flaschen, mit der innerhalb einer Stunde etwa 100 000 Flaschen geprüft werden können, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl des Reflektors (38) mehr als 100 000 U/min beträgt.