WO1991011680A1 - Device to establish the contour of a work-piece - Google Patents

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WO1991011680A1
WO1991011680A1 PCT/EP1991/000169 EP9100169W WO9111680A1 WO 1991011680 A1 WO1991011680 A1 WO 1991011680A1 EP 9100169 W EP9100169 W EP 9100169W WO 9111680 A1 WO9111680 A1 WO 9111680A1
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detectors
workpiece
holder
detector arrangement
contour
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PCT/EP1991/000169
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Inventor
Thomas Cerncic
Günther Danhofer
Georg Hillbrand
Original Assignee
Emco Maier Gesellschaft M.B.H.
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/08—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring diameters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/2433—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures for measuring outlines by shadow casting

Definitions

  • the invention relates to a device for detecting the contour of a workpiece, in particular a rotating part by means of a coherent light beam, which generates a diffraction pattern when it strikes the workpiece contour line on a detector arrangement, comprising a light source emitting the coherent light beam, a detector arrangement assigned to it with a plurality of light-sensitive detectors and an evaluation device for evaluating the signals generated by the detectors.
  • Such a device is known, for example, from the book "Manufacturing measurement technology 11 by HJ Warnecke and W. Dutschke, Springer-Verlag Berlin, 1984, pages 292 and 293.
  • the invention is based on the object of specifying a device of the type mentioned above, with which the coordinates of the Contour line are determined so that they are immediately available for further processing.
  • the detector arrangement and the light source are arranged on a common holder, which can be adjusted with the aid of adjusting devices in a plane parallel to the contour line to be measured, and means for determining the position of the holder in the movement plane are provided, and that a control device signals the adjusting devices in dependence of the Detektor ⁇ controlled such that the light beam die ⁇ upon movement of the bracket along the contour line on * ser remains.
  • the control device ensures that the measuring beam is always in contact with the contour line, i.e. which remains when the workpiece is projected vertically onto an underlying plane.
  • the means for determining the position of the holder detect the coordinates of the latter with respect to a predetermined reference point, so that the course of the contour line can be calculated from these coordinates. If the coordinates of the axis of the workpiece are known, the dimensions of the workpiece can easily be determined from this.
  • the actuating devices are preferably formed by stepper motors. This has the advantage that the stepper motors not only perform the actuating movement, but that when the stepper motors are actuated, the control steps are counted starting from one certain reference point also determines the position of the bracket.
  • the device according to the invention is particularly suitable for use in connection with machine tools, in which the holder is attached to the tool holder or carrier of a numerically controlled machine tool, for example a lathe.
  • the holder can be formed by a C-shaped bracket, on one leg of which the light source is arranged and on the other end of which the detector arrangement is arranged, so that in the installed state the holder engages around a workpiece clamped in the lathe.
  • the adjusting devices for the tool carrier can also be used directly for adjusting the holder of the measuring system. The position determination of the holder and thus the course of the measuring line can be tapped directly on the adjusting devices of the tool carrier slide and stored in the control of the numerically controlled lathe.
  • the device according to the invention can therefore be used as an additional device for existing numerically controlled machine tools in order to tap the dimensions of workpieces to be manufactured, for example from a sample piece, and to store them in the memory of the numerical control without additional programming effort.
  • a machined workpiece can be measured and checked without much additional effort.
  • the workpiece can remain in the processing machine, so that adjustment errors by removing the workpiece from the machine and readjusting the tool in the measuring device are avoided.
  • the detector arrangement comprises at least four detectors, for example photodiodes, which are opposed in pairs diagonally and at least approximately touch at the diagonal intersection, the light source and the detector arrangement being arranged relative to one another in such a way that the light beam is directed at the diagonal intersection is.
  • the beam illuminates all detectors in a uniform manner. Since the diffraction pattern that occurs when the measuring beam strikes the contour line is directed perpendicular to the contour line, it is expedient if the evaluation device evaluates the signal difference between the two detectors of a pair of detectors, since the diffraction pattern or the shadowing of individual detectors leads to an asymmetry in the Illumination of the detector surfaces and thus can lead to a signal difference that deviates from the idle state.
  • the signal difference deviating from the normal state in turn offers the possibility of adjusting the holder via the control device in such a way that this signal difference disappears or is adjusted to a predetermined value, so as to keep the light beam exactly on the contour line.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a
  • Fig. 5 is a schematic block diagram of the measuring device according to the invention.
  • Fig. 6 shows a more detailed circuit diagram of the
  • a lathe generally designated by 10, with a machine bed 12, a drive and control unit 14 with a chuck 16 and a tailstock 18.
  • a workpiece 20 is clamped between the chuck 16 and the tailstock 18.
  • a workpiece support generally designated 22, comprises a first slide 24 which can be adjusted parallel to the axis 30 of the workpiece by means of a schematically indicated adjusting spindle 26 and a stepper motor 28.
  • a carriage 32 is adjustably mounted perpendicular to the axis 30 and is adjustable with the aid of an adjusting spindle 34 and a stepper motor 36.
  • the two stepper motors 28 and 36 are controlled by a numerical controller housed in the drive unit 14, the respective instantaneous position of the carriage 32 resulting from the number of control steps starting from a specific reference point.
  • a C-shaped mounting bracket 38 is fastened on the slide 32, preferably with the brackets usually used to hold the tool Clamping devices.
  • the bracket 38 carries a laser 40 on one of its legs, preferably the upper one, and a detector arrangement 42 opposite it on the lower leg. The arrangement is such that the laser beam 44 emitted by the laser 40 and directed onto the detector arrangement 42 lowers is directed towards the plane spanned by the directions of movement of the stepper motors 28 and 36.
  • the detector arrangement 42 comprises four photodiodes with a square light incidence surface, which in turn are arranged in a square and oriented in such a way that two diodes lying opposite one another with a diagonal parallel to the axis 30 and the other two with their diagonal perpendicular to the axis 30 are directed.
  • the laser 40 and the detector arrangement 42 are aligned relative to one another such that the laser beam 44 falls on the diagonal intersection of the detector arrangement 42 when the measuring arrangement is at rest.
  • the diodes are numbered in the manner shown in FIG. 2.
  • Detectors 1 and 2 form one pair of detectors and diodes 3 and 4 form the other pair of detectors.
  • the measuring beam 44 lies outside the cylindrical workpiece 2. This means that all four detector fields are illuminated uniformly by the measuring beam. The difference between the two detectors of a pair is either set to zero or to a predetermined output value.
  • the measuring beam is moved towards the contour of the workpiece (FIG. 3) and touches it, the diffraction pattern shown schematically in FIG. 3 is produced. Due to the linear diffraction pattern and the partial shading of the detectors, the detectors 1 and 2 illuminated non-uniformly. Your differential voltage changes. In the case of detectors 3 and 4, on the other hand, the lighting changes, but symmetrically for both detectors, so that the difference in turn remains the same. The voltage differences present in this state between the detectors of each pair of detectors can be taken as a reference value to which the measuring beam is to be adjusted in order to follow the contour line.
  • FIG. 4 shows yet another image that results when the measuring beam strikes a section of the contour line that is oriented obliquely to the workpiece axis.
  • the line-shaped diffraction pattern is basically perpendicular to the contour line. In this case there is not only an asymmetry between the detectors 1 and 2, but also between the detectors 3 and 4.
  • the beam diameter, the wavelength and the specific signal pattern of the detectors 1 to 4 can then be used Repeated measurements with a movement parallel to the workpiece axis calculate the course of the contour line.
  • the diameter of the workpiece can be determined by mirroring this contour line course on the workpiece axis.
  • the measuring method can also be used on non-rotationally symmetrical workpieces.
  • FIG. 5 shows the functional principle of the circuit shown in more detail in FIG. 6.
  • the outputs of the two detectors of each detector pair are each fed to an operational amplifier 46 or 48, which forms a voltage difference and amplifies it if necessary.
  • a regulator 50 regulates the voltage at the individual photodetectors so that the voltage difference at the outputs 46 and 48 becomes zero.
  • This control loop serves to control environmental influences such as themselves eliminating changing ambient lighting.
  • the outputs of the operational amplifiers 46 and 48 are also connected via switches 52 and 54 to eight comparators 56 which, by comparing the amplified differential voltages with predetermined voltage values, create a bit pattern which is fed to a computing device 58. This calculates the coordinates of the measuring beam in the manner described above and causes the transmission of control pulses to the stepper motors 28 and 36.
  • a clock generator 60 ensures that either the switches 52, 54 are alternately closed, so that a measurement is carried out can, or that the switches 52 and 54 are opened and switches 62 and 64 are closed, via which the controlled system for calibration of the detectors is closed. Furthermore, the clock generator 60 actuates a pulse generator 68 for controlling the laser diode 40.
  • FIG. 6 shows the evaluation circuit in somewhat more detail.
  • the photodiodes 1, 2, 3 and 4 are each connected in series with a MOSFET T1, T2, T3 and T4 via a resistor R1, R2, R3 and R4. These MOSFETs serve as adjustable resistors.
  • the photodiodes 1 and 2 serving as detectors are each connected via an operational amplifier 70 or 72 and a resistor R5 or R6 to the operational amplifier 46 which forms and amplifies a voltage difference.
  • the photodiodes 3 and 4 are connected to the operational amplifier 46 via operational amplifiers 74 and 76 and resistors R7 and R8, respectively.
  • Two operational amplifiers 78 and 80 regulate the voltage of detector 1 and detector 3, respectively, to -1.8 volts.
  • An operational amplifier 82 connected to the output of the differential amplifier 48 and an operational amplifier connected to the differential amplifier 46 84 regulate the output voltage of the two differential amplifiers 46 and 48 to zero volts.
  • the latter operational amplifiers 82 and 84 together form the controller 50.
  • the laser diode 40 is switched off.
  • the switches 62 and 64 at the output of the operational amplifiers 82 and 84 and switches 86 and 88 at the output of the operational amplifiers 78 and 80 are closed, so that the detectors 1 to 4 can be calibrated.
  • the clock signal changes to logic 1, whereupon the switches 86 and 88, 62 and 64 are opened. After opening these switches, the voltage stored in the capacitors C1 to C4 causes the MOSFETs T1 to T4 to behave like free resistors.
  • switches 52 and 54 are closed.
  • the capacitors C5 and C6 are each charged to 40 times the differential voltage between the detectors of the respective pair of detectors.
  • the voltages of the capacitors C5 and C6 are compared via four comparators 90 to 96 and 98 to 104 with set switching thresholds.
  • the switches 52 and 54 open again with the falling edge of the clock signal.
  • the bit pattern created at the outputs of the comparators 90 to 104 is fed to the computing device 58, which evaluates it in the manner described above.
  • switches 52 and 54 are opened, switches 86, 88, 62 and 64 close and the cycle begins again.
  • the circuit arrangement described above can be implemented as an independent circuit or as part of a numerical control of a machine tool in these be integrated.
  • the latter case offers, in a particularly simple and inexpensive manner, the possibility of using the measuring device according to the invention in a machine tool without the workpiece having to be removed from the machine tool. In this way, the measuring process or the machining process can be carried out on the same machine without moving the workpiece.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
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  • Machine Tool Sensing Apparatuses (AREA)

Abstract

A device to establish the contour of a workpiece (20), particularly a turned part, by means of a coherent beam of light (44) which produces a diffraction pattern on an arrangement of detectors when it falls on the contour of the workpiece, comprises a light source (40) which emits the coherent beam of light (44), an associated array of detectors (42) comprising a plurality of light-sensitive detectors and an analysis means to analyse the signals produced by the detectors. The detector array (42) and the light source (40) are mounted in the same support (38) which can be moved in a plane parallel to the contour to be measured with the aid of adjusting devices (28, 36). Means are provided to determine the position of the support (38) in the plane of movement. A regulator (58) controls the adjusting devices (36, 28) so that the beam of light (44) remains on the contour when the support (38) is moved along it.

Description

Vorrichtung zum Erfassen der Kontur eines Device for detecting the contour of a
WerkstückesWorkpiece
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen der Kontur eines Werkstückes, insbesondere Drehteiles mittels eine kohärenten Lichtstrahles, der beim Auf- treffen auf die Werkstück-Konturlinie auf einer Detektoranordnung ein Beugungsmuster erzeugt, umfassend eine den kohärenten Lichtstrahl aussendende Licht¬ quelle, eine dieser zugeordnete Detektoranordnung mit einer Mehrzahl von lichtempfindlichen Detektoren und eine Auswerteeinrichtung zur Auswertung der von den De¬ tektoren erzeugten Signale.The invention relates to a device for detecting the contour of a workpiece, in particular a rotating part by means of a coherent light beam, which generates a diffraction pattern when it strikes the workpiece contour line on a detector arrangement, comprising a light source emitting the coherent light beam, a detector arrangement assigned to it with a plurality of light-sensitive detectors and an evaluation device for evaluating the signals generated by the detectors.
Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise aus dem Buch "Fertigungsmeßtechnik11 von H.J. Warnecke und W. Dutschke, Springer-Verlag Berlin, 1984, Seite 292 und 293, bekannt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der vorstehend genannten Art anzuge¬ ben, mit der auf einfache Weise die Koordinaten der Konturlinie so ermittelt werden, daß sie unmittelbar zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung stehen.Such a device is known, for example, from the book "Manufacturing measurement technology 11 by HJ Warnecke and W. Dutschke, Springer-Verlag Berlin, 1984, pages 292 and 293. The invention is based on the object of specifying a device of the type mentioned above, with which the coordinates of the Contour line are determined so that they are immediately available for further processing.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Detektoranordnung und die Lichtquelle an einer ge¬ meinsamen Halterung angeordnet sind, die mit Hilfe von Stellvorrichtungen in einer zu der zu vermessenden Konturlinie parallele Ebene verstellbar ist, daß Mittel zur Positionsbestimmung der Halterung in der Bewegungs¬ ebene vorgesehen sind, und daß eine Regelvorrichtung die Stellvorrichtungen in Abhängigkeit der Detektor¬ signale derart steuert, daß der Lichtstrahl bei einer Bewegung der Halterung entlang der Konturlinie auf* die¬ ser verbleibt.This object is achieved in that the detector arrangement and the light source are arranged on a common holder, which can be adjusted with the aid of adjusting devices in a plane parallel to the contour line to be measured, and means for determining the position of the holder in the movement plane are provided, and that a control device signals the adjusting devices in dependence of the Detektor¬ controlled such that the light beam die¬ upon movement of the bracket along the contour line on * ser remains.
Wird beispielsweise die Halterung im wesentlichen pa¬ rallel zur Achse eines Drehteiles verfahren, so sorgt die Regeleinrichtung dafür, daß der Meßstrahl immer in Berührung mit der Konturlinie, d.h. der sich bei der senkrechten Projektion des Werkstückes auf eine darunter liegende Ebene ergebenden Linie bleibt. Gleichzeitig erfassen die Mittel zur Positionsbestimmung der Halterung die Koordinaten derselben bezüglich eines vorgegebenen Bezugspunktes, so daß sich aus diesen Koordinaten der Verlauf der Konturlinie errechnen läßt. Sind die Koordinaten der Achse des Werkstückes bekannt, so können hieraus ohne weiteres die Maße des Werkstückes ermittelt werden.If, for example, the holder is moved essentially parallel to the axis of a turned part, the control device ensures that the measuring beam is always in contact with the contour line, i.e. which remains when the workpiece is projected vertically onto an underlying plane. At the same time, the means for determining the position of the holder detect the coordinates of the latter with respect to a predetermined reference point, so that the course of the contour line can be calculated from these coordinates. If the coordinates of the axis of the workpiece are known, the dimensions of the workpiece can easily be determined from this.
Vorzugsweise sind die Stellvorrichtungen von Schritt¬ motoren gebildet. Dies hat den Vorteil, daß die Schrittmotoren nicht nur die Stellbewegung ausführen, sondern daß sich bei der Betätigung der Schrittmotoren durch Abzählen der Steuerschritte ausgehend von einem bestimmten Bezugspunkt auch die Position der Halterung bestimmen läßt.The actuating devices are preferably formed by stepper motors. This has the advantage that the stepper motors not only perform the actuating movement, but that when the stepper motors are actuated, the control steps are counted starting from one certain reference point also determines the position of the bracket.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich insbeson¬ dere zur Verwendung in Verbindung mit Werkzeug¬ maschinen, in dem die Halterung an dem Werkzeughalter oder Träger einer numerisch gesteuerten Werkzeug¬ maschine, beispielsweise einer Drehbank, befestigt ist. So kann die Halterung beispielsweise von einem C- förmigen Bügel gebildet sein, an dessen einem Schenkel die Lichtquelle und an dessen anderem Ende die Detektoranordnung angeordnet ist, so daß die Halterung im eingebauten Zustand ein in der Drehbank ein¬ gespanntes Werkstück umgreift. Bei dieser Lösung können die Stelleinrichtungen für den Werkzeugträger unmittel¬ bar auch zur Verstellung der Halterung des Meßsystems Verwendung finden. Die Positionsbestimmung der Halterung und damit der Verlauf der Meßlinie kann un¬ mittelbar an den Stellvorrichtungen des Werkzeugträger¬ schlittens abgegriffen und in der Steuerung der nume¬ risch gesteuerten Drehbank gespeichert werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann daher als Zusatzein¬ richtung zu bereits bestehenden numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen eingesetzt werden, um die Maße von zu fertigenden Werkstücken beispielsweise an einem Muster¬ stück abzugreifen und ohne zusätzlichen Programmierungsaufwand in dem Speicher der numerischen Steuerung abzuspeichern. Desgleichen kann ohne großen zusätzlichen Aufwand ein bearbeitetes Werkstück vermes¬ sen und kontrolliert werden. Das Werkstück kann dabei in der Bearbeitungsmaschine verbleiben, so daß Justier¬ fehler durch Herausnehmen des Werkstückes aus der Ma¬ schine und Neujustieren des Werkzeuges in der MeßVorrichtung vermieden werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Detektσranordnung mindestens vier Detektoren, bei¬ spielsweise Photodioden, die sich paarweise diagonal gegenüberliegen und sich im Diagonalenschnittpunkt mindestens annähernd berühren, wobei die Lichtquelle und die Detektoranordnung relativ zueinander derart an¬ geordnet sind, daß der Lichtstrahl auf den diagonalenschnittpunkt gerichtet ist. Im Ruhezustand oder meßfreien Zustand beleuchtet also der Strahl alle Detektoren in gleichförmiger Weise. Da das beim Auf- treffen des Meßstrahles auf die Konturlinie entstehende Beugungsbild senkrecht zu der Konturlinie gerichtet ist, ist es zweckmäßig, wenn die Auswerteeinrichtung jeweils die Signaldifferenz der zwei Detektoren eines Detektorpaares auswertet, da das Beugungsbild oder die Abschattung einzelner Detektoren zu einer Unsymmetrie bei der Beleuchtung der Detektorflächen und damit zu einer von dem Ruhezustand abweichenden Signaldifferenz führen kann. Die von dem Normalzustand abweichende Signaldifferenz bietet wiederum die Möglichkeit, über die Regeleinrichtung die Halterung so zu verstellen, daß diese Signaldifferenz verschwindet oder auf einen vorgegebenen Wert eingeregelt wird, um so den Lichtstrahl genau auf der Konturlinie zu halten.The device according to the invention is particularly suitable for use in connection with machine tools, in which the holder is attached to the tool holder or carrier of a numerically controlled machine tool, for example a lathe. For example, the holder can be formed by a C-shaped bracket, on one leg of which the light source is arranged and on the other end of which the detector arrangement is arranged, so that in the installed state the holder engages around a workpiece clamped in the lathe. In this solution, the adjusting devices for the tool carrier can also be used directly for adjusting the holder of the measuring system. The position determination of the holder and thus the course of the measuring line can be tapped directly on the adjusting devices of the tool carrier slide and stored in the control of the numerically controlled lathe. The device according to the invention can therefore be used as an additional device for existing numerically controlled machine tools in order to tap the dimensions of workpieces to be manufactured, for example from a sample piece, and to store them in the memory of the numerical control without additional programming effort. Likewise, a machined workpiece can be measured and checked without much additional effort. The workpiece can remain in the processing machine, so that adjustment errors by removing the workpiece from the machine and readjusting the tool in the measuring device are avoided. According to a preferred embodiment, the detector arrangement comprises at least four detectors, for example photodiodes, which are opposed in pairs diagonally and at least approximately touch at the diagonal intersection, the light source and the detector arrangement being arranged relative to one another in such a way that the light beam is directed at the diagonal intersection is. In the idle state or measurement-free state, the beam illuminates all detectors in a uniform manner. Since the diffraction pattern that occurs when the measuring beam strikes the contour line is directed perpendicular to the contour line, it is expedient if the evaluation device evaluates the signal difference between the two detectors of a pair of detectors, since the diffraction pattern or the shadowing of individual detectors leads to an asymmetry in the Illumination of the detector surfaces and thus can lead to a signal difference that deviates from the idle state. The signal difference deviating from the normal state in turn offers the possibility of adjusting the holder via the control device in such a way that this signal difference disappears or is adjusted to a predetermined value, so as to keep the light beam exactly on the contour line.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, welche in Verbin¬ dung mit den beigefügten Zeichnungen die Erfindung an¬ hand eines Ausführungsbeispieles erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung einerFurther features and advantages of the invention result from the following description, which explains the invention with reference to an exemplary embodiment in conjunction with the accompanying drawings. Show it: Fig. 1 is a schematic representation of a
Drehbank mit einem eingespannten Werkstück und der auf dem Werkzeugsupport oder -halter angeord¬ neten MeßVorrichtung,Lathe with a clamped workpiece and the measuring device arranged on the tool support or holder,
Fig. 2 bis 4 schematische Darstellungen zur Erläu¬ terung des Meßprinzips,2 to 4 are schematic representations to explain the measuring principle,
Fig. 5 ein schematisches Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung undFig. 5 is a schematic block diagram of the measuring device according to the invention and
Fig. 6 ein detaillierteres Schaltbild derFig. 6 shows a more detailed circuit diagram of the
Auswerteschaltung.Evaluation circuit.
In Figur 1 erkennt man eine allgemein mit 10 bezeich¬ nete Drehbank mit einem Maschinenbett 12, einer Antriebs- und Steuereinheit 14 mit einem Spannfutter 16 und einem Reitstock 18. Zwischen dem Spannfutter 16 und dem Reitstock 18 ist ein Werkstück 20 eingespannt. Ein allgemein mit 22 bezeichneter Werkstücksupport umfaßt einen ersten Schlitten 24, der mittels einer schema¬ tisch angedeuteten Stellspindel 26 und eines Schritt¬ motors 28 parallel zur Achse 30 des Werkstückes ver¬ stellbar ist. Auf dem Schlitten 24 ist ein Schlitten 32 senkrecht zur Achse 30 verstellbar gelagert und mit Hilfe einer Stellspindel 34 und eines Schrittmotors 36 verstellbar. Die beiden Schrittmotoren 28 und 36 werden von einer in der Antriebseinheit 14 untergebrachten numerischen Steuerung angesteuert, wobei sich aus der Anzahl der Steuerschritte ausgehend von einem bestimmten Bezugspunkt die jeweilige momentane Position des Schlittens 32 ergibt.1 shows a lathe, generally designated by 10, with a machine bed 12, a drive and control unit 14 with a chuck 16 and a tailstock 18. A workpiece 20 is clamped between the chuck 16 and the tailstock 18. A workpiece support, generally designated 22, comprises a first slide 24 which can be adjusted parallel to the axis 30 of the workpiece by means of a schematically indicated adjusting spindle 26 and a stepper motor 28. On the carriage 24, a carriage 32 is adjustably mounted perpendicular to the axis 30 and is adjustable with the aid of an adjusting spindle 34 and a stepper motor 36. The two stepper motors 28 and 36 are controlled by a numerical controller housed in the drive unit 14, the respective instantaneous position of the carriage 32 resulting from the number of control steps starting from a specific reference point.
Auf dem Schlitten 32 ist ein C-förmiger Halterungsbügel 38 befestigt, und zwar vorzugsweise mit den üblicherweise zur Halterung des Werkzeuges vorhandenen Spannmitteln. Der Bügel 38 trägt an einem seiner Schenkel, vorzugsweise dem oberen, einen Laser 40 und ihm gegenüber an dem unteren Schenkel eine Detektoranordnung 42. Die Anordnung ist so getroffen, daß der von dem Laser 40 ausgesandte und auf die Detektoranordnung 42 gerichtete Laserstrahl 44 senk¬ recht zu der von den Bewegungsrichtungen der Schritt¬ motoren 28 und 36 aufgespannten Ebene gerichtet ist.A C-shaped mounting bracket 38 is fastened on the slide 32, preferably with the brackets usually used to hold the tool Clamping devices. The bracket 38 carries a laser 40 on one of its legs, preferably the upper one, and a detector arrangement 42 opposite it on the lower leg. The arrangement is such that the laser beam 44 emitted by the laser 40 and directed onto the detector arrangement 42 lowers is directed towards the plane spanned by the directions of movement of the stepper motors 28 and 36.
Zur Erläuterung des Meßprinzips wird auf die Figuren 2 bis 4 Bezug genommen. Die Detektoranordnung 42 umfaßt vier Photodioden mit quadratischer Lichteinfallsfläche, die wiederum zu einem Quadrat angeordnet und so orien¬ tiert sind, daß zwei paarweise sich gegenüberliegende Dioden mit einer Diagonale parallel zur Achse 30 und die beiden anderen mit ihrer Diagonale senkrecht zur Achse 30 gerichtet sind. Der Laser 40 und die Detektor¬ anordnung 42 sind relativ zueinander so ausgerichtet, daß im Ruhezustand der Meßanordnung der Laserstrahl 44 auf den Diagonalenschnittpunkt der Detektoranordnung 42 fällt. Für die weitere Erläuterung sind die Dioden in der in der Figur 2 ersichtlichen Weise nummeriert. Die Detektoren 1 und 2 bilden ein Detektorpaar und die Dioden 3 und 4 bilden das andere Detektorpaar.To explain the measuring principle, reference is made to FIGS. 2 to 4. The detector arrangement 42 comprises four photodiodes with a square light incidence surface, which in turn are arranged in a square and oriented in such a way that two diodes lying opposite one another with a diagonal parallel to the axis 30 and the other two with their diagonal perpendicular to the axis 30 are directed. The laser 40 and the detector arrangement 42 are aligned relative to one another such that the laser beam 44 falls on the diagonal intersection of the detector arrangement 42 when the measuring arrangement is at rest. For further explanation, the diodes are numbered in the manner shown in FIG. 2. Detectors 1 and 2 form one pair of detectors and diodes 3 and 4 form the other pair of detectors.
In Figur 2 liegt der Meßstrahl 44 außerhalb des zylindrischen Werkstückes 2. Damit werden alle vier Detektorfelder von dem Meßstrahl gleichförmig beleuch¬ tet. Die Differenz zwischen den beiden Detektoren eines Paares ist entweder auf den Wert Null oder auf einen vorgegebenen Ausgangswert eingestellt.In FIG. 2, the measuring beam 44 lies outside the cylindrical workpiece 2. This means that all four detector fields are illuminated uniformly by the measuring beam. The difference between the two detectors of a pair is either set to zero or to a predetermined output value.
Wird der Meßstrahl an die Kontur des Werkstückes heran¬ gefahren (Figur 3) und berührt diese, so entsteht das in der Figur 3 schematische dargestellte Beugungsbild. Durch das linienför ige Beugungsbild und die teilweise Abschattung der Detektoren werden die Detektoren 1 und 2 ungleichförmig beleuchtet. Ihre Differenzspannung verändert sich. Bei den Detektoren 3 und 4 dagegen än¬ dert sich zwar die Beleuchtung, jedoch symmetrisch für beide Detektoren, so daß die Differenz wiederum gleich groß bleibt. Die in diesem Zustand vorhandenen Spannungsdifferenzen zwischen den Detektoren jedes Detektorenpaares können als Bezugswert genommen werden, auf den der Meßstrahl einzuregeln ist, um der Kontur¬ linie zu folgen.If the measuring beam is moved towards the contour of the workpiece (FIG. 3) and touches it, the diffraction pattern shown schematically in FIG. 3 is produced. Due to the linear diffraction pattern and the partial shading of the detectors, the detectors 1 and 2 illuminated non-uniformly. Your differential voltage changes. In the case of detectors 3 and 4, on the other hand, the lighting changes, but symmetrically for both detectors, so that the difference in turn remains the same. The voltage differences present in this state between the detectors of each pair of detectors can be taken as a reference value to which the measuring beam is to be adjusted in order to follow the contour line.
Figur 4 zeigt schließlich noch ein weiteres Bild, das sich ergibt, wenn der Meßstrahl auf einen schräg zur Werkstückachse gerichteten Abschnitt der Konturlinie stößt. Das linienförmige Beugungsmuster ist grundsätz¬ lich senkrecht zur Konturlinie gerichtet. In diesem Falle ergibt sich nicht nur eine Unsymmetrie zwischen den Detektoren 1 und 2, sondern auch zwischen den De¬ tektoren 3 und 4. Aus dem Strahldurchmesser, der Wel¬ lenlänge und dem spezifischen Signalmuster der Detekto¬ ren 1 bis 4 läßt sich dann durch wiederholtes Messen bei einer Bewegung parallel zur Werkstückachse der Ver¬ lauf der Konturlinie errechnen. Durch Spiegelung dieses Konturlinienverlaufes an der Werkstückachse können die Durchmesser des Werkstückes ermittelt werden. Das Meßverfahren ist grundsätzlich auch auf nichtrotations- symmetrische Werkstücke anwendbar.Finally, FIG. 4 shows yet another image that results when the measuring beam strikes a section of the contour line that is oriented obliquely to the workpiece axis. The line-shaped diffraction pattern is basically perpendicular to the contour line. In this case there is not only an asymmetry between the detectors 1 and 2, but also between the detectors 3 and 4. The beam diameter, the wavelength and the specific signal pattern of the detectors 1 to 4 can then be used Repeated measurements with a movement parallel to the workpiece axis calculate the course of the contour line. The diameter of the workpiece can be determined by mirroring this contour line course on the workpiece axis. The measuring method can also be used on non-rotationally symmetrical workpieces.
Figur 5 zeigt das Funktionsprinzip der in Figur 6 näher dargestellten Schaltung. Die Ausgänge der beiden Detek¬ toren jedes Detektorpaares werden jeweils einem Operationsverstärker 46 bzw. 48 zugeführt, der eine Spannungsdifferenz bildet und ggf. verstärkt. Ein Reg¬ ler 50 regelt die an den einzelnen Photodetektoren lie¬ gende Spannung wiederum so, daß die Spannungsdifferenz an den Ausgängen 46 und 48 zu Null wird. Diese Regel¬ schleife dient dazu, Umgebungseinflüsse wie die sich ändernde Umgebungsbeleuchtung zu eliminieren. Die Aus¬ gänge der Operationsverstärker 46 und 48 sind im übri¬ gen über Schalter 52 und 54 mit acht Komparatoren 56 verbunden, die durch Vergleich der verstärkten Differenzspannungen mit vorgegebenen Spannungswerten ein Bit-Muster erstellen, das einer Rechenvorrichtung 58 zugeführt wird. Diese errechnet in der oben be¬ schriebenen Weise die Koordinaten des Meßstrahles und veranlaßt die Aussendung von Steuerimpulsen an die Schrittmotoren 28 und 36. Ein Taktgenerator 60 sorgt dabei dafür, daß abwechselnd entweder die Schalter 52, 54 geschlossen sind, so daß eine Messung durchgeführt werden kann, oder daß die Schalter 52 und 54 geöffnet und Schalter 62 und 64 geschlossen werden, über welche die Regelstrecke zur Eichung der Detektoren geschlossen wird. Ferner betätigt der Taktgenerator 60 einen Impulsgenerator 68 zur Steuerung der Laserdiode 40.FIG. 5 shows the functional principle of the circuit shown in more detail in FIG. 6. The outputs of the two detectors of each detector pair are each fed to an operational amplifier 46 or 48, which forms a voltage difference and amplifies it if necessary. A regulator 50 regulates the voltage at the individual photodetectors so that the voltage difference at the outputs 46 and 48 becomes zero. This control loop serves to control environmental influences such as themselves eliminating changing ambient lighting. The outputs of the operational amplifiers 46 and 48 are also connected via switches 52 and 54 to eight comparators 56 which, by comparing the amplified differential voltages with predetermined voltage values, create a bit pattern which is fed to a computing device 58. This calculates the coordinates of the measuring beam in the manner described above and causes the transmission of control pulses to the stepper motors 28 and 36. A clock generator 60 ensures that either the switches 52, 54 are alternately closed, so that a measurement is carried out can, or that the switches 52 and 54 are opened and switches 62 and 64 are closed, via which the controlled system for calibration of the detectors is closed. Furthermore, the clock generator 60 actuates a pulse generator 68 for controlling the laser diode 40.
Figur 6 zeigt die Auswerteschaltung nun etwas detail¬ lierter. Die Photodioden 1, 2, 3 und 4 sind jeweils über einen Widerstand Rl, R2, R3 bzw. R4 in Reihe mit einem MOSFET Tl, T2, T3 bzw. T4 geschaltet. Diese MOSFETs dienen als einstellbare Widerstände. Die als Detektoren dienenden Photodioden 1 und 2 sind jeweils über einen Operationsverstärker 70 bzw. 72 und einen Widerstand R5 bzw. R6 mit dem eine Spannungsdifferenz bildenden und verstärkenden Operationsverstärker 46 verbunden. Die Photodioden 3 und 4 sind über Operationsverstärker 74 bzw. 76 und Widerstände R7 bzw. R8 mit dem Operationsverstärker 46 verbunden.FIG. 6 shows the evaluation circuit in somewhat more detail. The photodiodes 1, 2, 3 and 4 are each connected in series with a MOSFET T1, T2, T3 and T4 via a resistor R1, R2, R3 and R4. These MOSFETs serve as adjustable resistors. The photodiodes 1 and 2 serving as detectors are each connected via an operational amplifier 70 or 72 and a resistor R5 or R6 to the operational amplifier 46 which forms and amplifies a voltage difference. The photodiodes 3 and 4 are connected to the operational amplifier 46 via operational amplifiers 74 and 76 and resistors R7 and R8, respectively.
Zwei Operationsverstärker 78 und 80 regeln die Spannung des Detektors l bzw. des Detektors 3 auf jeweils -1,8 Volt. Ein mit dem Ausgang des Differenzverstärkers 48 verbundener Operationsverstärker 82 und ein mit dem DifferenzVerstärker 46 verbundener Operationsverstärker 84 regeln die Ausgangsspannung der beiden DifferenzVerstärker 46 und 48 auf Null Volt. Die letztgenannten Operationsverstärker 82 und 84 bilden zusammen den Regler 50. Während des Low-Pegels des Taktsignals des Taktgenerators 60 ist die Laserdiode 40 ausgeschaltet. Gleichzeitig sind die Schalter 62 und 64 am Ausgang der Operationsverstärker 82 bzw. 84 sowie Schalter 86 und 88 an dem Ausgang der Operations¬ verstärker 78 bzw. 80 geschlossen, so daß die Eichung der Detektoren 1 bis 4 durchgeführt werden kann. Wenn sich das System eingeschwungen hat, wechselt das Takt¬ signal auf logisch 1, worauf die Schalter 86 und 88, 62 und 64 geöffnet werden. Nach dem Öffnen dieser Schalter bewirkt die in den Kondensatoren Cl bis C4 gespeicherte Spannung, daß sich die MOSFETs Tl bis T4 wie freie Wi¬ derstände verhalten.Two operational amplifiers 78 and 80 regulate the voltage of detector 1 and detector 3, respectively, to -1.8 volts. An operational amplifier 82 connected to the output of the differential amplifier 48 and an operational amplifier connected to the differential amplifier 46 84 regulate the output voltage of the two differential amplifiers 46 and 48 to zero volts. The latter operational amplifiers 82 and 84 together form the controller 50. During the low level of the clock signal of the clock generator 60, the laser diode 40 is switched off. At the same time, the switches 62 and 64 at the output of the operational amplifiers 82 and 84 and switches 86 and 88 at the output of the operational amplifiers 78 and 80 are closed, so that the detectors 1 to 4 can be calibrated. When the system has settled, the clock signal changes to logic 1, whereupon the switches 86 and 88, 62 and 64 are opened. After opening these switches, the voltage stored in the capacitors C1 to C4 causes the MOSFETs T1 to T4 to behave like free resistors.
Gleichzeitig werden die Schalter 52 und 54 geschlossen. Die Kondensatoren C5 und C6 werden jeweils auf die 40- fache verstärkte Differenzspannung zwischen den Detek¬ toren des jeweiligen Detektorenpaares aufgeladen. Die Spannungen der Kondensatoren C5 und C6 werden jeweils über vier Komparatoren 90 bis 96 bzw. 98 bis 104 mit eingestellten Schaltschwellen verglichen. Mit der ab¬ fallenden Flanke des Taktsignales öffnen sich die Schalter 52 und 54 wieder. Das an den Ausgängen der Komparatoren 90 bis 104 entstehende Bit-Muster wird der Rechenvorrichtung 58 zugeführt, die es in der oben be¬ schriebenen Weise auswertet. Mit dem Öffnen der Schal¬ ter 52 und 54 schließen sich die Schalter 86, 88, 62 und 64 und der Zyklus beginnt von neuem.At the same time, switches 52 and 54 are closed. The capacitors C5 and C6 are each charged to 40 times the differential voltage between the detectors of the respective pair of detectors. The voltages of the capacitors C5 and C6 are compared via four comparators 90 to 96 and 98 to 104 with set switching thresholds. The switches 52 and 54 open again with the falling edge of the clock signal. The bit pattern created at the outputs of the comparators 90 to 104 is fed to the computing device 58, which evaluates it in the manner described above. When switches 52 and 54 are opened, switches 86, 88, 62 and 64 close and the cycle begins again.
Die vorstehend beschriebene Schaltungsanordnung kann als eigenständige Schaltung ausgeführt oder als Teil einer numerischen Steuerung einer Werkzeugmaschine in diese integriert sein. Der letztere Fall bietet auf be¬ sonders einfache und günstige Weise die Möglichkeit, die erfindungsgemäße MeßVorrichtung in einer Werkzeug¬ maschine einzusetzen, ohne daß hierzu das Werkstück aus der Werkzeugmaschine entfernt werden muß. Auf diese Weise kann der Meßvorgang oder der Bearbeitungsvorgang an derselben Maschine ohne ein Umsetzen des Werkstückes durchgeführt werden. The circuit arrangement described above can be implemented as an independent circuit or as part of a numerical control of a machine tool in these be integrated. The latter case offers, in a particularly simple and inexpensive manner, the possibility of using the measuring device according to the invention in a machine tool without the workpiece having to be removed from the machine tool. In this way, the measuring process or the machining process can be carried out on the same machine without moving the workpiece.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Patent claims
1. Vorrichtung zum Erfassen der Kontur eines Werkstük- kes (20) , insbesondere Drehteiles mittels eine kohärenten Lichtstrahles (44) , der beim Auftreffen auf die Werkstück-Konturlinie auf einer Detektor¬ anordnung ein Beugungsmuster erzeugt, umfassend eine den kohärenten Lichtstrahl (44) aussendende Lichtquelle (40) , eine dieser zugeordnete Detektoranordnung (42) mit einer Mehrzahl von lichtempfindlichen Detektoren 1 bis 4 und eine Auswerteeinrichtung zur Auswertung der von den De¬ tektoren 1 bis 4 erzeugten Signale, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß die Detektoranordnung (42) und die Lichtquelle (40) an einer gemeinsamen Halterung (38) angeordnet sind, die mit Hilfe von Stellvorrichtungen (28, 36) in einer zu der zu vermessenden Konturlinie parallelen Ebene ver¬ stellbar ist, daß Mittel zur Positionsbestimmung der Halterung (38) in der Bewegungsebene vorgese¬ hen sind, und daß eine RegelVorrichtung (58) die Stellvorrichtungen (36, 28) derart steuert, daß der Lichtstrahl (44) bei einer Bewegung der Halterung (38) entlang der Konturlinie auf dieser verbleibt.1. Device for detecting the contour of a workpiece (20), in particular a rotating part, by means of a coherent light beam (44), which generates a diffraction pattern when it strikes the workpiece contour line on a detector arrangement, comprising a coherent light beam (44) emitting light source (40), a detector arrangement (42) associated therewith with a plurality of light-sensitive detectors 1 to 4 and an evaluation device for evaluating the signals generated by detectors 1 to 4, characterized in that the detector arrangement (42) and the light source (40) is arranged on a common holder (38) which can be adjusted with the aid of adjusting devices (28, 36) in a plane parallel to the contour line to be measured, that means for determining the position of the holder (38) in the plane of movement are provided, and that a control device (58) controls the adjusting devices (36, 28) in such a way that the light beam (44 ) when the holder (38) moves along the contour line remains on the latter.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich¬ net, daß die Stellvorrichtungen von Schrittmotoren (28, 36) gebildet sind.2. Device according to claim 1, characterized gekennzeich¬ net that the actuating devices of stepper motors (28, 36) are formed.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß die Halterung (38) an dem Werkzeugträger (22) einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine befestigt ist. 3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized ge indicates that the holder (38) on the tool carrier (22) of a numerically controlled machine tool is attached.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich¬ net, daß die Halterung (38) von einem C-förmigen Bügel gebildet ist, an dessen einem Schenkel die Lichtquelle (40) und an dessen anderem Schenkel die Detektoranordnung (42) angeordnet ist, und daß die Halterung (38) an dem Werkzeugträger (22) einer numerisch gesteuerten Drehbank so angeordnet ist, daß sie ein in der Drehbank eingespanntes Werkstück (20) umgreift.4. The device according to claim 3, characterized gekennzeich¬ net that the holder (38) is formed by a C-shaped bracket, on one leg of the light source (40) and on the other leg of the detector arrangement (42) is arranged, and that the holder (38) on the tool carrier (22) of a numerically controlled lathe is arranged so that it engages around a workpiece (20) clamped in the lathe.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche l bis 4, da¬ durch gekennzeichnet, daß die Detektoranordnung (42) mindestens vier Detektoren 1 bis 4 umfaßt, die sich paarweise diagonal gegenüberliegen und sich im Diagonalenschnittpunkt mindestens annä¬ hernd berühren, wobei die Lichtquelle (40) und die Detektoranordnung (42) relativ zueinander derart angeordnet sind, daß der Lichtstrahl (44) auf den Diagonalenschnittpunkt gerichtet ist.5. Device according to one of claims l to 4, da¬ characterized in that the detector arrangement (42) comprises at least four detectors 1 to 4, which are opposed in pairs diagonally and touch at least approximately at the diagonal intersection, the light source (40 ) and the detector arrangement (42) are arranged relative to one another in such a way that the light beam (44) is directed at the diagonal intersection.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich¬ net, daß die Auswerteeinrichtung jeweils die Signaldifferenz der zwei Detektoren (1,2 bzw. 3,4) eines Detektorpaares auswertet.6. The device according to claim 5, characterized gekennzeich¬ net that the evaluation device evaluates the signal difference of the two detectors (1, 2 or 3, 4) of a pair of detectors.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß die RegelVorrichtung die Stell¬ vorrichtungen (28, 36) derart steuert, daß die Signaldifferenz jedes Detektorpaares konstant bleibt bzw. einen vorgegebenen Wert einhält.7. Apparatus according to claim 5 or 6, characterized ge indicates that the control device controls the actuating devices (28, 36) in such a way that the signal difference of each detector pair remains constant or maintains a predetermined value.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, da¬ durch gekennzeichnet, daß zur Vermessung von Drehteilen die Diagonale des einen Detektorpaares (1,2) parallel zur Werkstückachse (30) und die an¬ dere Diagonale senkrecht zu dieser gerichtet ist. 8. Device according to one of claims 5 to 7, da¬ characterized in that the measurement of turned parts, the diagonal of a pair of detectors (1,2) parallel to the workpiece axis (30) and the other diagonal is directed perpendicular to this.
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