DE4341098A1 - Optischer Abstandsmesser und Dickenmeßgerät mit solchen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Abstandmesser gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie ein Dicken­ meßgerät mit solchen Abstandmessern.

Ein Abstandsmesser, der unter Verwendung von moduliertem Laserlicht nach dem Laufzeitprinzip arbeitet, ist in der DE 30 34 831 C2 beschrieben. Bei ihm wird als Referenz­ signal, das als Bezugspunkt für die Phasenmessung des Meßstrahles verwendet wird, ein elektrisches Signal ver­ wendet, das aus der Laser-Modulatorschaltung ausgekop­ pelt wird.

Insbesondere unter Nicht-Laborbedingungen gibt es jedoch Störeinflüsse auf die Erzeugung des Laserstrahles, die zu einer unerwünschten zusätzlichen Phasenverschiebung des modulierten Laserlichtes führen und somit das Meßer­ gebnis verfälschen. Hierzu gehören insbesondere Tempera­ turveränderungen, denen der Laser auf Grund veränderlicher Umgebungstemperaturen oder sich ändernder Kühlbedingungen ausgesetzt ist.

Durch die vorliegende Erfindung soll daher ein optischer Abstandsmesser gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 so weitergebildet werden, daß die Verfälschung des Meßsignales durch externe Störgrößen vermindert ist.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch einen Abstandsmesser mit den im Anspruch 1 angegebenen Merk­ malen.

Bei dem erfindungsgemäßen Abstandsmesser findet eine spezielle Prismenplatteneinheit Verwendung, um aus dem auf das auszumessende Werkstück abgegebenen Laserstrahl ein Teilbündel abzuspalten, welches zur Gewinnung des Referenzsignales dient. Dieser Referenz-Laserstrahl wird auf einen Referenzdetektor gegeben, der gleiche Eigenschaften hat wie der Meßdetektor, also elektrisch vergleichbar ist und auch an vergleichbarer Stelle im Abstandsmesser angeordnet ist.

Dadurch, daß man den teildurchlässigen Meßspiegel an der Stoßstelle zwischen zwei Prismenplatten vorsieht, die zusammen eine Prismenplatteneinheit bilden, und zugleich die zusätzlichen Umlenkspiegel auf Abflachungen der Seiten der Prismenplatten vorsieht, erhält man ins­ gesamt eine kompakte, robuste und gut vor-einjustierbare Prismenplatteneinheit, die es gestattet, einen hochauf­ lösenden Abstandsmesser (Genauigkeit der Abstandsbestim­ mung von größenordnungsmäßig +/- 0,05 mm) so preisgün­ stig herzustellen, daß dieser Abstandsmesser als Stan­ dardprodukt für Steuerungen verwendet werden kann.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unter­ ansprüchen angegeben.

Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 2 ist im Hinblick auf eine einfache Strahlgeometrie und kom­ pakten Aufbau des Abstandsmessers von Vorteil.

Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 3 erleich­ tert die Handhabung der Prismenplatteneinheit und ge­ währleistet die bleibende Ausfluchtung der verschiedenen Spiegelflächen zueinander, so daß diese Spiegelflächen nicht viel größer zu sein brauchen als dem Durchmesser des Laserstrahles entspricht. Dies ist insbesondere für den Meßspiegel von Vorteil.

Bei einem Abstandsmesser gemäß Anspruch 4 kann man auf einfache Weise den auf das Werkstück gerichteten Laser­ strahl exakt auf die Achse des Meßdetektors legen. Man hat dann im von der Werkstückoberfläche zurückgeworfenen Laserlicht kein seitliches Auswandern bei nicht exakter Fokussierung des Laserstrahles auf die Werkstückoberfläche.

Gemäß Anspruch 5 läßt sich der Versatz des Laserstrahles in beliebiger Richtung auf einfache und präzise Weise einstellen.

Bei einem Abstandmesser gemäß Anspruch 1 dient entweder die Prismenplatteneinheit oder die Meßlinse zugleich als Fenster, welches das die restlichen Teile des Abstands­ messers umschließende Gehäuse dicht verschließt.

Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 7 ist im Hinblick auf kompakte Abmessungen des Abstandsmessers und einfache Montage desselben von Vorteil.

Abstandsmesser werden oft unter Umgebungsbedingungen eingesetzt, in denen sie Staub und anderen Verunreini­ gungen ausgesetzt sind. Mit der Weiterbildung der Erfin­ dung gemäß Anspruch 8 wird erreicht, daß die oft an schlecht zugänglichen Stellen angeordneten Abstandsmesser auch im Langzeitbetrieb zuverlässig arbeiten.

Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 9 ist im Hinblick auf ein sauberes Einjustieren der Achsen von Laser, Meßdetektor und Referenzdetektor von Vorteil.

Hierbei ist die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 10 im Hinblick auf niedrige Herstellungskosten des Ab­ standsmessers von Vorteil.

Bei einem Dickenmeßgerät, wie es im Anspruch 11 angegeben ist, kann man die Dicke einer metallischen oder nichtmetal­ lischen Materialbahn auch dann zuverlässig und präzise messen, wenn die Materialbahn nicht in einer exakt vorge­ gebenen Ebene läuft. Dabei ist durch die in den beiden Abstandsmessern zusätzlich vorgesehene Blende gewährleis­ tet, daß bei Fehlen einer Materialbahn zwischen den beiden Abstandsmessern oder beim Ausmessen der Dicke einer transparenten Materialbahn nicht Licht direkt vom Laser des einen Abstandsmessers auf den Meßdetektor des anderen Abstandsmessers fällt.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen optischen Ab­ standsmesser;

Fig. 2 eine Ansicht auf die Oberseite einer Prismenplat­ teneinheit des Abstandsmessers nach Fig. 1;

Fig. 3 einen vergrößerten axialen Schnitt durch einen Laser des Abstandsmessers nach Fig. 1, eine Justiereinrichtung für diesen sowie einen Strahlversatzgenerator;

Fig. 4 eine seitliche Ansicht einer abgewandelten Prismenplatteneinheit;

Fig. 5 eine Aufsicht auf die Unterseite der in Fig. 4 gezeigten Prismenplatteneinheit; und

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Dickenmeßge­ rätes mit zwei koaxialen Abstandsmessern ähnlich zu dem in Fig. 1 gezeigten.

In Fig. 1 ist mit 10 ein Werkstück bezeichnet, für welches der Abstand seiner Oberfläche von einer Bezugs­ ebene R gemessen werden soll. Hierzu wird ein insgesamt mit 12 bezeichneter Abstandsmesser verwendet, und für die Zwecke der vorliegenden Beschreibung sei angenommen, daß die Bezugsebene R mit der Stirnfläche des Abstands­ messers 12 zusammenfällt.

Der Abstandsmesser 12 hat ein becherförmiges, in der Praxis mit lösbarem Boden ausbildetes Gehäuse 14, von dessen Innenfläche eine Ringschulter 16 radial nach innen vorspringt. Letztere ist an zwei einander diame­ tral gegenüber liegenden Stellen mit zwei Ausnehmungen 18, 20 versehen.

Auf der Längsschulter 16 liegt eine insgesamt mit 22 bezeichnete Prismenplatteneinheit, die in Aufsicht ge­ sehen (vergleiche Fig. 2) kreisförmig ist und aus zwei im wesentlichen halbkreisförmigen Prismenplatten 24, 26 unter Verwendung eines optischen Kittes zusammenge­ fügt ist.

Die Stoßfläche 28 zwischen den beiden Prismenplatten verläuft unter einem Winkel von 45° zur Achse des Ab­ standsmesser 12 geneigt und trägt in einem mittigen Bereich einen aufgedampften teildurchlässigen Meßspie­ gel 36. Parallel zur Stoßfläche 28 verlaufend ist an der in Fig. 1 links gelegenen Seite der Prismenplatte 24 eine Abschrägung 32 vorgesehen, die in Ihrer Mitte mit einem aufgedampften Umlenkspiegel 34 versehen ist.

Bei ihrem in Fig. 1 rechts gelegenen Ende ist die Prismenplatte 26 mit einer Abschrägung 36 versehen, die in einer zur Ebene der Abschrägung 32 senkrechten Ebene liegt und bei Ihrer Mitte mit einem aufgedampften Um­ lenkspiegel 38 versehen ist.

Die Umlenkspiegel 34 und 38 reflektieren 100% des auf sie auffallenden Lichtes, während der Meßspiegel 30 einen Reflexionsfaktor von 93% hat, somit 7% des auffallenden Lichtes hindurchtreten läßt.

Im Inneren des Gehäuses 14 ist eine Platine 40 ange­ ordnet, die im links gelegenen Bereich eine Laserein­ heit 42 trägt, deren Aufbau unter Bezugnahme auf Fig. 3 später genauer beschrieben wird. Diese erzeugt einen Laserstrahl 44, der einen Strahlversatzgenerator 46 durchquert, welcher ebenfalls unter Bezugnahme auf Fi­ gur 3 noch genauer beschrieben werden wird. Der Laser­ strahl gelangt dann über den Umlenkspiegel 34 auf die Mitte des Meßspiegels 30 und wird gegen die Oberfläche des Werkstückes 10 gerichtet.

Das von der Werkstückoberfläche reflektierte Laserlicht wird durch eine Meßlinse 48, die unter Zwischenschaltung eines Distanzringes 50 über der Prismenplatteneinheit 22 angeordnet ist und durch einen Haltering 52 in ihrer Lage fixiert ist, auf einen Meßdetektor 54 fokussiert, der ebenfalls auf der Platine 40 angeordnet ist. Der entsprechende Strahlengang ist strichpunktiert wiederge­ geben.

Das den Meßspiegel 30 durchsetzende Laserlicht gelangt über den zweiten Umlenkspiegel 38 unter eine Fokussier­ linse 56 auf einen Referenzdetektor 58, der gleichen Aufbau aufweist wie der Meßdetektor 54 und neben diesem auf der Platine 40 angeordnet ist.

Die Platine 40 trägt ferner eine Betriebsschaltung 60 für die Lasereinheit 42, welche den Laserstrahl 44 mit sehr hoher Frequenz, in der Praxis zum Beispiel 279 MHz moduliert. Das Ausgangssignal des Referenzdetektors 58 hat eine fest vorgegebene Phasenlage zum Laserlicht, welches über den Meßspiegel 30 an das Werkstück 10 abge­ geben wird. Das Ausgangssignal des Meßdetektors 54 hat dagegen eine Phasenlage, die sich gemäß dem Abstand der Werkstückoberfläche vom Abstandsmesser 12 ändert, und eine insgesamt mit 62 bezeichnete Auswerteelektronik berechnet aus den beiden Ausgangssignalen von Meßdetek­ tor 54 und Referenzdetektor 58 ein elektrisches Signal, welches dem Abstand der Werkstückoberfläche von der Bezugsebene R zugeordnet ist. Einzelheiten derartiger Auswerteschaltungen sind an sich bekannt und brauchen hier nicht im einzelnen beschrieben zu werden.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich, gehört zur Lasereinheit 42 eine Platine 64, die radial verschiebbar auf einer Schulter 66 angeordnet ist, die auf einem Halteflansch 68 des Gehäuses 14 ausgebildet ist. In Umfangsrichtung verteilte Blattfedern 70 sorgen für ein Fixieren der Platine 64 in der jeweils eingestellten Lage durch Reib­ schluß.

Auf der Vorderseite der Platine 64 ist ein Laserdiodenge­ häuse 72 vorgesehen, in welchem sich die in der Zeichnung nicht wiedergegebene, den Meßlichtlaser darstellende Laserdiode befindet, deren Licht durch eine vom Gehäuse 72 getragene Linse 74 in ein Parallelstrahlenbündel umgesetzt wird.

Zum präzisen Einstellen der Lage des erzeugten Laserstrah­ les übergreift ein Justierarm 76 mit einer Öffnung 78 spielfrei das Gehäuse 72. Der Justierarm 76 ist über einen ersten schematisch angedeuteten Feingewindetrieb 80 in zur Zeichenebene von Fig. 3 senkrechter Richtung verlagerbar und durch einen zweiten, schematisch bei 82 gezeigten Feingewindetrieb in in Fig. 3 vertikaler Richtung verlagerbar. Diese insgesamt mit 84 bezeichnete Justiereinheit ist lösbar am Halteflansch 68 angebracht und kann nach Verriegeln der Platine 64 in der gewünsch­ ten Sollstellung (zum Beispiel durch Verkleben, wie bei 86 angedeutet oder durch Verschrauben) abgenommen werden, um die Platine 64 eines weiteren Abstandsmessers 12 einzujustieren.

Wie ebenfalls aus Fig. 3 ersichtlich, ist das optisch aktive Element des Strahlversatzgenerators 46 eine plan­ parallele transparente Platte 88, die auf einem abge­ flachten und mit einem Fenster 90 versehenen mittleren Abschnitt einer Welle 92 angeordnet ist. Letztere ist in einem Ring 94 drehbar gelagert, der seinerseits in einem Lagerring 96 läuft, der vom Gehäuse 14 getragen ist.

Ein Ende der Welle 92 ist durch einen Längsschlitz 98 des Lagerringes 96 hindurchgeführt und trägt einen Be­ tätigungshebel 100. In den Ring 94 ist ein zweiter Be­ tätigungshebel 102 eingesetzt, welcher einen in Umfangs­ richtung verlaufenden Längsschlitz 104 des Lagerringes 96 durchsetzt.

Auf diese Weise kann die Platte 88 um zwei zueinander senkrechte Achsen unabhängig verkippt werden, so daß man den Laserstrahl 44 in seitliche Richtung einstellen kann. Damit ist es möglich, die Richtung, in welcher der Laserstrahl 44 gegen das Werkstück 10 gesandt wird, exakt in die Achse des Meßdetektors 54 zu legen.

Es versteht sich, daß man in Abwandlung der oben beschrie­ benen Lasereinheit 42 auch nur eine der beiden Einrich­ tungen zum Ausfluchten des Laserstrahles vorsehen kann, also entweder den Strahlversatzgenerator 46 oder die Ju­ stiereinheit 84 weglassen kann. Der Strahlversatzgenerator 46 ist zum feinfühligen Ausjustieren kleinen Strahlver­ satzes besonders gut geeignet.

Es versteht sich ferner, daß die Meßdetektoren 54 und 58 beide (ggf. auch nur einer) ebenfalls mit einer Justier­ einrichtung auf die ihnen zugeordnete Sollachse einstell­ bar sind, wobei wegen des geringeren Aufwandes vorzugsweise eine mechanische Justiereinheit 84 verwendet wird.

Die Fig. 4 und 5 zeigen eine abgewandelte Prismen­ platteneinheit 22, deren zusammengekittete Prismenplatten 24, 26 in Aufsicht gesehen jeweils rechteckig sind, im übrigen aber ähnliche Geometrie haben und ähnlich mit einem Meßspiegel 30 und Umlenkspiegeln 34, 38 versehen sind, wie obenstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 schon erläutert. Die in den Fig. 4 und 5 gezeigten Prismenplatteneinheit dient zugleich als ebenes Abschlußfenster für das Gehäuse 14. Die Meßlinse 48 ist auf die Unterseite der Prismenplatteneinheit 22 aufgekittet.

In Fig. 6 ist ein Dickenmeßgerät für metallisches oder nichtmetallisches Bandmaterial wiedergegeben, welches zwei Abstandsmesser 12A und 12B aufweist, die abgesehen von den unten angegebenen Abwandlungen dem Abstandsmesser nach den Fig. 1-3 entsprechen. Die Abstands-Ausgangs­ signale der beiden Abstandmesser 12A und 12B werden auf die beiden Eingänge eines Addierkreises 105 gegeben. Dessen Ausgangssignal und eine weiteres Signal H, das dem Abstand der beiden Referenzebenen RA und RB der Abstands­ messer 12A und 12B entspricht, werden auf die beiden Eingänge eines Subtrahierkreises 106 gegeben, dessen Ausgangssignal somit der Dicke der Materialbahn (Werkstück 10) entsprechen, und dies ungeachtet von Lageschwankungen des mehr oder weniger flexiblen und nicht exakt in einer bestimmten Ebene geförderten Materialbandes.

Die beiden Abstandsmesser 12A und 12B sind koaxial und mit ihren Meßlinsen 48 zueinander gewandt angeordnet. Um zu vermeiden, daß der vom Abstandsmesser 12A ausge­ sandte Laserstrahl direkt auf den Meßdetektor 54 des Abstandsmessers 12B trifft, und umgekehrt, ist auf die Unterseite der Prismenplatte 26 unter der Stoßfläche 28 jeweils eine lichtundurchlässige Blende 108 aufgebracht, zum Beispiel aufgedampft.

Um die Vorderseite der Meßlinse 48 auch im Dauerbetrieb von Staub und anderen Verunreinigungen freizuhalten, ist der Haltering 52 mit einem innen liegenden Ringkanal 110 ausgebildet, der über eine Leitung 112 mit einer Druckluftquelle in Verbindung steht. Auf der Unterseite hat der Haltering 52 eine Mehrzahl vom Ringkanal 110 ausgehender Nuten 114, die zusammen mit der Vorderseite der Meßlinse 48 eine Vielzahl feiner radialer Düsen vorgeben, die insgesamt einen tangential zur Linsenober­ fläche gerichteten Luftvorhang erzeugen, der mit abneh­ mendem Abstand zur Linsenachse zunehmend von der Linsen­ oberfläche wegläuft.

Claims (11)

1. Optischer Abstandsmesser, mit einer durch einen modulierten Laser (42) gebildeten Meßlichtquelle, mit einem Meßspiegel (30) zum Umlenken des von der Meß­ lichtquelle erzeugten Laserstrahles (44) gegen die Ober­ fläche eines zu messenden Werkstückes (10), mit einer Meßlinse (48) zum Fokussieren des von der Werkstückober­ fläche reflektierten Laserlichtes auf einen Meßdetektor (54), der auf der Achse der Meßlinse (48) angeordnet ist, mit einem Referenzsignalgenerator, der ein der Phasenlage des vom Laser (42) abgegebenen Laserlichtes zugeordnetes Referenzsignal erzeugt, und mit einer Auswerteelektronik (62), welche basierend auf dem Phasenunterschied zwischen den Ausgangssignalen von Meßdetektor (54) und Referenz­ signalgenerator ein dem Abstand des vom Laserstrahl getroffenen Punktes der Werkstückoberfläche von einer Bezugsebene (R) zugeordnetes Abstandssignal bereitstellt, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßspiegel (30) auf der Stoßfläche (28) zweier bündig verbundener Prismen­ platten (24, 26) vorgesehen ist und für die Laserstrahlen teilweise durchlässig ist, und daß die Prismenplatten (24, 26) an ihren von der Stoßfläche (28) abliegenden Rändern mit Abschrägungen (32, 36) und Umlenkspiegeln (34, 38) versehen sind, von denen ein erster Umlenkspiegel (34) den Laserstrahl von der Laserachse auf die Mitte des Meßspiegels (30) und der zweite Umlenkspiegel (38) den vom Meßspiegel durchgelassenen Teil des Laserstrahles auf einen Referenzdetektor (58) umlenkt, der gleiche Eigenschaften aufweist, wie der Meßdetektor (54).

2. Optischer Abstandsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Umlenkspiegel (34) und der Meßspiegel (30) parallel zueinander ausgerich­ tet sind und der zweite Umlenkspiegel (38) in einer Ebene liegt, die unter rechtem Winkel auf der Ebene des ersten Umlenkspiegels (34) steht.

3. Optischer Abstandsmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Prismen­ platten (24, 26) durch einen optischen Kitt zu einer Prismenplatteneinheit (22) verbunden sind.

4. Optischer Abstandsmesser nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Laser (44) und dem ersten Umlenkspiegel (34) ein Strahlver­ satzgenerator (46) angeordnet ist.

5. Optischer Abstandsmesser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlversatzgenerator (46) eine planparallele Platte (88) sowie eine kardanische Lagerung (92-96) für dieselbe aufweist.

6. Optischer Abstandsmesser nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die beiden Prismenplatten (24, 26) gebildete Einheit (22) oder die Meßlinse (48) ein Fenster bildet, welches die offene Seite eines becherförmigen Gehäuses (14) ver­ schließt, in welchem der Laser (42), der Meßdetektor (54), der Referenzdetektor (58) und die Auswerteelek­ tronik (62) untergebracht sind.

7. Optischer Abstandsmesser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßlinse (48) und die Pris­ menplatteneinheit (22) im wesentlichen die gleiche Rand­ kontur haben und hintereinander liegend unter Zwischen­ schaltung eines Distanzringes (50) an einer Ringschulter (16) des Gehäuses (14) abgestützt sind.

8. Optischer Abstandsmesser nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch einen vor dem Fenster ange­ ordneten Düsenring (114), der mit einer Druckgasquelle verbindbar ist und einen das Fenster überdeckenden Gas­ vorhang erzeugt.

9. Optischer Abstandsmesser nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser (42) und/oder der Meßdetektor (54) und/oder der Referenz­ detektor (58) auf einer entgegen Reibschluß verschieb­ baren Platine (64) angeordnet ist und durch einen Fein- Koordinatentrieb (84) in seiner Stellung einjustierbar ist.

10. Optischer Abstandsmesser nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Fein-Koordinatentrieb (84) abnehmbar ist und der Laser (42) und/oder Meßdetektor (54) und/oder der Referenzdetektor (58) nach dem Ein­ justieren in seiner Lage bleibend fixiert, zum Beispiel verklebt (86) ist.

11. Dickenmeßgerät für metallische und nichtmetallische Materialbahnen, dadurch gekennzeichnet, daß er zwei koaxial angeordnete Abstandsmesser (12) nach einem der Ansprüche 1-10 aufweist, von denen der eine mit der Vorderseite, der andere mit der Rückseite der Material­ bahn (10) zusammenarbeitet, daß eine Rechenschaltung (105, 106), vorgesehen ist, welche das Ausgangssignal des einen Abstandsmessers (12A) zum Ausgangssignal des anderen Abstandsmessers (12B) hinzuaddiert und das Summensignal von einem dem Abstand der Referenzebenen (RA, RB) der Abstandsmesser (12A, 12B) entsprechenden Signal (H) abzieht, und daß die beiden Abstandsmesser (12A, 12B) jeweils im Strahlengang zwischen dem Meßspiegel (30) und dem Meßde­ tektor (54) liegend eine Blende (108) aufweisen, deren Durchmesser mindestens geringfügig größer ist als der Durchmesser des Laserstrahles, welchen der andere Abstands­ messer bei fehlender oder transparenter Materialbahn (10) am Ort der Blende (108) erzeugt.