DE4212438A1

DE4212438A1 - Anordnung zur Erzeugung eines lateralen Strahlversatzes bei Vorrichtungen zur trigonometrischen Distanzmessung

Info

Publication number: DE4212438A1
Application number: DE19924212438
Authority: DE
Inventors: Dirk Prof Dr Ing Jansen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-04-14
Filing date: 1992-04-14
Publication date: 1993-10-21

Description

1. Problemstellung und Stand der Technik

Die Erfindung betrifft Vorrichtungen, die nach dem Prinzip der trigonometrischen Triangulation die Entfernung zu einem Werkstück dadurch bestimmen, daß sie einen Lichtfleck auf die Oberfläche des Werkstücks werfen, der dort reflektiert und von einer unter einem Winkel zur Einfallsrichtung angeordneten Empfangsoptik aufgenommen und auf einem ortsempfindlichen Linearsensor abgebildet wird. Aus dem Ort auf dem Sensor, der elektrisch ausgelesen wird, kann auf die Distanz zwischen Meßkopf und Werkstück zurückgeschlossen werden. Anordnungen dieser Art sind in unterschiedlichen Ausführungen bekannt [G. Krattenmacher: Berührungslose Abstandsmessung Elektronik 5/1987, OS P 3615875.5, US-Pat. Nr. 4676869 vom 23.6.87 und US-Pat. Nr. 4899041 vom 6.2.90 u.a.], z. B. in der in Patentanmeldung P 4032361.7 ausgeführten Konfiguration der optischen Elemente, auf die hier Bezug genommen wird.

Beim Einsatz eines solchen Meßkopfs in einer Werkzeugmaschine besteht die Gefahr der Verschmutzung der optischen Elemente, wovor diese durch ein optisches Fenster und durch einen mechanischen Verschluß (Shutter) geschützt werden können, wie dies bereits in P 4032361.7 beschrieben ist.

Die bisher bekannten Ausführungen von Meßköpfen ermitteln nur die Distanz zum Werkstück, messen also nur in einer Achse. Bei einer Anwendung in einer Drehbank kann also nur der Durchmesser eines Zylinders bestimmt werden. Soll auch die Länge eines Zylinderabschnitts ermittelt werden, so kann dies aus dem Weg erfolgen, den der Revolver zwischen zwei abrupten Durchmesseränderungen, im folgenden als "Kanten" bezeichnet, zurücklegt. Um diese Kanten mit dem Meßkopf detektieren zu können, ist in der bisher bekannten Anordnung der Meßkopf sehr langsam mit hoher Genauigkeit über den fraglichen Ort zu bewegen. Wird eine Genauigkeit im Mikrometerbereich verlangt, ist eine intensive Kommunikation zwischen der Steuerung der Drehbank und dem Meßkopf erforderlich bzw. nur ein extrem langsamer Vorschub möglich.

2. Gegenstand der Erfindung

Es ist Gegenstand der Erfindung, diesen Abtastvorgang in Axialrichtung der Drehbank in den Sensor zu verlegen, wobei jetzt die Drehbank den Revolver mit dem Meßkopf auf die Sollposition der Kante positioniert, der wirkliche Ort der Kante sich damit in unmittelbarer Nähe befindet. Die Abtastung erfolgt nun durch Parallelversatz des Strahlengangs des Sensors um einen geringen Betrag (etwa +/-0,5 mm), was durch eine in den optischen Strahlengang eingefügte planparallele Glasplatte erfolgt (Bild 1 und Bild 2), welche über einen Antriebsmotor gedreht wird. Der Revolver der Drehbank muß damit nicht mehr bewegt werden und es ist keine Kommunikation über den Ort des Revolvers zwischen Drehbanksteuerung und Meßkopf erforderlich. Weiterhin wird der Meßvorgang dadurch maßgeblich beschleunigt und erheblich präziser, da Triangulationssystem und Versatzoptik eine mechanisch/optische Einheit bilden.

Erfindungsgemäß bildet die Glasplatte zugleich das optische Fenster und ist deshalb als optisches Filter ausgeführt, welches nur Strahlung passieren läßt, die im Wellenlängenbereich der Laserdiode liegt. Tageslicht und unterschiedliche Beleuchtungsverhältnisse in der Werkzeugmaschine stören deshalb nicht.

Die planparallele Platte ist in einen trommelförmigen Verschlußkörper eingebaut, der so ausgebildet ist, daß bei einer Drehung um 90 Grad das Austrittsfenster des Meßkopfes vollständig und dicht verschlossen ist (Bild 3). Damit ist die Optik vor Verschmutzung und Spitzwasser geschützt. Erst bei Aktivierung wird der Verschlußkörper zunächst um 80 Grad mit hoher Drehgeschwindigkeit gedreht, bis das optische Fenster frei ist und der Laserstrahl auf das Werkstück fallen kann. Mit verringerter, genau geregelter Drehzahl wird nun die Messung durchgeführt, bis die Stellung -10 Grad des Verschlusses erreicht ist.

Dies entspricht in etwa einem Parallelversatz des Strahlengangs von -0,5 mm bis +0,5 mm in Axialrichtung der Welle. Anschließend wird der Verschluß um -110 Grad wieder zurückgedreht und damit der Meßkopf gegen Verschmutzung gesichert.

Ein wichtiger Vorteil dieser Erfindung ist die Kombination von optischem Ablenkelement und Verschlußeinheit, wobei für beide Funktionen nur ein Antrieb benötigt wird. Damit läßt sich der Meßkopf sehr kompakt bauen. Einzelheiten sind im folgenden beschrieben.

3. Beschreibung der Erfindung an einem Beispiel

In Bild 1 ist der prinzipielle Aufbau eines Meßkopfs zur trigonometrischen Distanzmessung dargestellt, wobei die Anordnung der optischen Elemente der Anmeldung P 40 32 361.7 entspricht. Eine Laserdiode mit Kollimator (1) sendet einen nahezu parallelen, gebündelten Strahl durch die planparallele Platte (7) auf das Werkstück (4), typischerweise eine gedrehte Welle. Auf der Welle wird der Strahl reflektiert und der diffuse Reflex wird durch die Platte (7) von einem Objektiv (5) über ein Strahlungslenkungsprisma (6) auf einem linear Sensor (1) abgebildet. Als Linearsensor dient typischerweise eine Anordnung aus vielen Einzeldioden, die über Ladungstransferstrukturen elektronisch ausgelesen werden können (CCD-Sensor im folgenden genannt). Der CCD-Sensor wird von einer hier nicht näher dargestellten Elektronik dahingehend ausgelesen, daß der Ort der Abbildung des Lichtflecks ermittelt werden kann. Ändert das Werkstück seinen Durchmesser, so ändert sich auch die Distanz zwischen Meßkopf und Werkstückoberfläche, damit der Winkel unter dem der Reflex abgebildet wird. Hieraus ergibt sich ein veränderter Ort auf dem CCD-Sensor, was von der Elektronik ausgewertet wird.

Die planparallele Platte (7) ist um die Achse (8) drehbar gelagert. Eine Drehung um diese Achse bewirkt eine Ablenkung des Strahlengangs, wie in Bild 2 dargestellt. Dieses Bild zeigt die Aufsicht auf die optische Anordnung. Der Strahlengang außerhalb des Sensorkopfes wird durch Drehen der Platte (7) um den Winkel (9) um den kleinen Betrag (10) versetzt. Es ist dabei sowohl der Beleuchtungsstrahl als auch der Strahlengang durch das Objektiv in gleicher Weise getroffen.

Bild 3 oben zeigt die Fassung der planparallelen Platte in dem trommelförmigen Verschlußkörper. Ist der Verschlußkörper (3) gegenüber dem Gehäuse (11) gleich ausgerichtet, so kann das Licht des Lasers und das reflektierte Licht ungehindert ein- und austreten. Dies gilt auch für den Winkelbereich von hier z. B. +/-10 Grad. Wird der Verschlußkörper jedoch um 90 Grad gedreht, ist der Verschluß vollständig geschlossen, die optischen Elemente können durch von außen kommende Spritzer nicht verschmutzt werden (Bild 3 oben rechts). Im unteren Teil von Bild 3 ist eine typische Ausführung des Verschlußkörpers (13) mit eingesetzter planparallelen Platte (7) dargestellt. Für den Austrittsbereich des Laserstrahls ist nur eine kleine, ovale Öffnung (23) vorgesehen, darunter findet sich das relativ große Fenster (23) entsprechend der Eingangsapertur der Empfangsoptik. Dieser Verschlußkörper wird durch zwei Kugellager (22) und (24) gelagert. Der Austritt des Laserstrahls (23) ist zudem im Verschlußkörper innen geschwärzt, um Reflexionen zu vermeiden. Der geringe Durchmesser wirkt wie eine mechanische und optische Blende, so daß der Austrittspunkt des Laserstrahls aus dem Fenster durch seitlich auftreffende Spitzer nicht getroffen und damit nicht verschmutzt werden kann. Sollte es doch im Laufe der Zeit zu einer Belagbildung gekommen sein, werden die dadurch entstehenden diffusen Reflexe durch die optische Wirkung der Blendenröhre unterdrückt. Hierdurch sind optische Störungen durch ungewünschte Werkstückreflexe verhindert.

Abb. 4 zeigt die oben dargestellten Elemente im Zusammenwirken, wobei hier auch das Getriebe (12) und die Antriebseinheit (19, 20, 21) dargestellt sind. Die Antriebseinheit besteht aus dem eigentlichen Motor (19), einem Untersetzungsgetriebe (20) und einem Impulsgeber (21). Es kann genausogut auch ein Schrittmotor verwendet werden. Nicht dargestellt ist zudem ein Endschalter, der die 90-Grad-Stellung des Verschlusses erkennt. Die Winkelpositionen des Verschlusses werden durch Auszählen der Impulse des Impulsgeber bestimmt, der Endschalter definiert den absoluten Beginn (Zählerstand = Null). Für den Antrieb des Verschlusses und die Ermittlung der Winkelstellung sich zahlreiche andere bekannte Lösungen möglich, auf die hier nicht weiter eingegangen werden soll.

Claims

1. Optische Anordnung bei einer Vorrichtung zur Messung von Distanzen und Erfassung von Werkstückkanten nach dem trigonometrischen Verfahren, bestehend aus einer Laserdiode mit Kollimatoroptik, welche ein Werkstück punktförmig beleuchtet, einer Abbildungsoptik, die den diffusen Reflex auf dem Werkstück über ein Prisma auf einen Linear-CCD-Senso abbildet, angeordnet in einer Konfiguration wie z. B. in der Patentanmeldung Aktenzeichen P 40 32 361.7 beschrieben, dadurch gekennzeichnet, daß in den Strahlengang zwischen Meßkopf und Werkstück eine planparallele Glasplatte eingefügt ist, die in einer Achse senkrecht zum Beleuchtungsstrahl gelagert drehbar ist, so daß mit der Drehung dieser Platte eine parallele Ablenkung des Strahls und zugleich des reflektierten Strahls quer zur Richtung der Distanzmessung erfolgt, wobei mittel zum Abtrieb dieser Drehung und Mittel zur Ermittlung des Drehwinkels vorhanden sind, wodurch der Ort des Auftreffpunkts des Laserstrahls auf dem Werkstück um kleine jedoch sehr genau definierte Wege senkrecht zur Achse der Distanzmessung verschoben werden kann.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die planparallele Platte zugleich als optisches Fenster dient und in einen trommelförmigen Verschlußkörper eingelassen ist, der bei einer Drehung von etwa 90 Grad einen nahezu vollständigen Verschluß des Sensorkopfes und damit Schutz gegen Feuchtigkeit und Spritzwasser gewährleistet, während er in der Stellung von etwa -10 Grad bis etwa +10 Grad den Strahlengang für die Laserbeleuchtung des Werkstücks und die Aufnahme des reflektierten Lichtes vollständig freigibt, wobei in diesem Winkelbereich eine praktisch lineare Beziehung zwischen Drehwinkel und Strahlablenkung besteht.

3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die planparallele Platte im optischen Sinne als Filter ausgebildet ist und nur Wellenlängen in einem definierten, begrenzten Wellenlängenbereich passieren läßt, der der Wellenlänge der von der Laserdiode ausgesendeten Strahlung entspricht, so daß der Sensorkopf im wesentlichen nur Strahlung empfängt, die von der Laserdiode stammt.

4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die planparallele Platte durch einen Elektromotor über ein Getriebe angetrieben wird und der Motor über einen elektrischen Impulsgeber verfügt und durch Zählen der vom Impulsgeber abgegebenen Impulse die Winkelstellung der Platte ermittelt wird und durch Messung der Impulsfrequenz die Drehgeschwindigkeit der Platte bestimmt wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der trommelförmige Verschlußkörper so ausgebildet ist, daß auf der Austrittsseite des Laserstrahls eine enge, tiefe, innen geschwärzte Bohrung vorgesehen ist, welche als mechanische und optische Blende wirksam ist und das optische Fenster an der Stelle des Durchtritts des Laserstrahls vor Spritzern und Verschmutzung schützt und sicherstellt, daß der am Fensteraustritt auf Grund von Verschmutzung diffus gestreute Teil der Laserstrahlung von keinem weiteren Ort des Werkstücks reflektiert in die Empfangsoptik gelangen kann.