DE1473780A1

DE1473780A1 - Einrichtung zur beruehrungslosen Messung von Konturen

Info

Publication number: DE1473780A1
Application number: DE19651473780
Authority: DE
Inventors: Schaufuss Dr-Ing Erich
Original assignee: BBC BROWN BOVERI and CIE; Brown Boveri und Cie AG Germany
Current assignee: BBC BROWN BOVERI and CIE; BBC Brown Boveri AG Germany
Priority date: 1965-12-30
Filing date: 1965-12-30
Publication date: 1969-03-13
Also published as: FR1506196A

Description

BROWN, BOVERI & CIE * .1 ^ ?

Mannheim, den 24.12.65

Man MANNHEIM PatA

U73780

Mp.-Nr. 742/65

Hinrichtung zur berührungslosen Messung von Konturen

In der Industriefertigung ist häufig die Aufgabe gestellt, die komplizierten Profilformen eines modellmäßig hergestellten Körpers auf zeichnerische Unterlagen zu übertragen. Die Aufgabe kann auch dahingehend abgewandelt sein, den Modellkörper unmittelbar als Sollgröße für die Steuerung einer Werkzeugmaschine heranzuziehen. Derartige Vorgänge sind an sich bekannt und in den Kopiersteuerungen bereits verwirklicht. Hier werden mit Hilfe eines Baststiftes die Modellprofile vorwiegend mechanisch abgetastet und die Tastbev/egungcn mittels zwischengeschalteter Kachlaufsteuerungen auf das V/erkseug übertragen. Es ist weiter bekannt, die Abtastung des Modellkörpers berührungslos etwa mit Hilfe eines Lichtstrahles vorzunehmen- Ähnliche Aufgabenstellungen liegen beispielsweise bei ^T./alzwerken vor, wo zur Prüfung der HaIb-

etv/a
zeugprodukte,eines Blechbandes fortlaufend die Bandbreite mit Hilfe eines oszillierenden Lichtstrahles geprüft und das Istmaß mit einem Sollwert (Norm-Haß)verglichen wird. Abweichungen von dieser Norm können mittelbar zur Steuerung der V/als cnverstellung im Sinne einer Fehlerkorrektur benutzt werden.

.Jn ist eine Anordnung bekannt (DAS 1 178 234), bei der mit Hilfe eines Drehspiegels ein Lichtstrahl zeilenweise über die zu prüfenden Gegenstände bewegt wird. In einer Speicheranordnung wird der Verlauf der Ausgangssignale des fotoelektrisch^-·! LnpfängerK bei der Abtastung eines fehlerfreien Gegenstandes als Sollwert eingespeichert. Bei der Abtastung des zu prüfenden Gegenstandes v/ird der ermittelte Istwert ständig rait diesem Sollwert verglichen. Derartige bekannte Einrichtungen sind mit befriedigender Meßgenauigkeit nur bei vor-

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wiegend prismatischen Objekten anwendbar. Bei beliebig geformten Körpern, beispielsweise bei Autokarosserien, versagen diese Methoden, denn sie sind nicht imstande, eine orthogonale Verschiebung des Meßfühlers zu steuern. Hierfür bedarf es einer Einrichtung, die die genaue Koinzidenz des Brennpunktes auf der Oberfläche des Meßobjektes feststellt und außerdem die Unterscheidung treffen kann, in welche Richtung der Brennpunkt abweicht.

Diesem Nachteil will die Erfindung abhelfen. Sie bezieht sich auf eine Einrichtung zur berührungslosen Messung der Konturen von Meßobjekten mit Hilfe eines in drei Raumrichtungen verschiebbaren optischen Meßfühlers und einer vom Meßfühler gesteuerten Nachführeinrichtung und ist dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfühler aus zwei konzentrisch angeordneten optischen Systemen mit unterschiedlichen Brennweiten besteht, die mittels einer Kondens verrichtung über vorgeschaltete Filter mit verschiedenfarbigem Licht beleuchtet werden, und daß ein Bündel optischer Glasfasern vorgesehen ist, das das vom Meßobjekt reflektierte Licht einem farbempfindlichen Lichtdetektor zuführt.

In der Figur ist das Prinzip des erfindungsgemäßen Meßfühlers dargestellt.

Eine punktförmige Lichtquelle 1 (z.B. eine Glühlampe) erzeugt ein Mischlicht, das mittels einer Kondensoroptik 2, beispielsweise einem Hohlspiegel, die Form eines parallelen Lichtbündels annimmt. In diesem Bündel sind zwei konzentrisch angeordnete Lichtfilter 3 und 4 eingeschaltet. Davon ist das Filter 3 für grünes Licht und das Filter 4 für rotes Licht durchlässig (oder umgekehrt). Unmittelbar nach den Lichtfiltern ist ein mit dem Lichtbündel kollimiertes konzentrisches Linsensystem, bestehend aus der Ringlinse 5 und der Zentrallinse 6 vorgesehen. Die Durchmesser der Einzellinsen decken sich mit den entsprechenden Durchmessern der vorgeschalteten Farbfilter. Die Brennweite

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der ringförmigen Linse 5 ist größer als diejenige der inneren Linse 6. Der Brennweitenunterschied soll mit Rücksicht auf die Meßgenauigkeit des Meßfühlerabstandes von der Oberfläche des Meßobjektes 8 gering sein, beispielsweise 1 mm. Es ist weiterhin ein Glasfaserbündel 11 vorgesehen, dessen plane Eingangs flache 12 genau in der optischen Achse des Linsensysteme andet. Das andere Ende des Glasfaserbundeis 11 ist in je eine Hälfte aufgespalten. Die planen Ausgangsflächen dieser Bündelhälften sind durch zwei Farbfilter 13_f14 abgedeckt und werden von zwei nebeneinander angeordneten Linsen 15,16 auf zv/ei fotoelektrische Wandler 17,18 (Fotowiderstände, Fotodiode- oder transistoren, Fotoelemente, Fotozellen usw.) abgebildet.

Befindet sich die Oberfläche des Meßobjektes 8 zwischen den beiden ieilbrennpunkten,wird in der optischen Achse ein Kischlicht von rot und grün auftreten. Das reflektierte Mischlicht wird von dem Glasfaserbündel 11 aufgenommen und weiter geleitet, so daß die Ausgangsflächen in den Farben des Mischl/^ichtes leuchten. Die nachgeschalteten Lichtfilter 13*14 entsprechen in ihrer Lichtdurchlässigkelt genau den Vorschaltfiltern 3 und 4. Demgemäß erscheinen die Ausgangsflächen der Bündelhälften in einem roten bzw. grünen Licht. Bei einer bestimmten Stellung der Objektoberfläche zwischen den beiden Brennpunkten 9 und 10 ist die Intensität der beiden farbigen Lichtanteile gleich groß. Die in den fotoelektrischen Wandlern erzeugten Spannungen sind dann ebenfalls gleich groß und heben sich in der Wirkung auf eine nachgeordnete Steuer-oder Regelanordnung auf. Ändert sich der Abstand des Meßfühlers vom lleßobjekt, dann wird die Intensität der einen Farbkomponente zu- und die der anderen abnehmen. Entsprechend wird von den Ausgängen des Bündels gelieferte Licht nach der Filterung eine ungleiche Lichtintensität aufweisen, die dementsprechend auch zu ungleichen Spannungen der fotoelektrischen Wandler führt. ' Es entsteht eine Differenzspannung, die einer (nicht dargestellten) nachlauf ti teuerungsei nrichtuii^ und gegebenenfalls einer '

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Kopiersteuerung zugeführt wird. Die Nachlaufeinrichtung sorgt nun für eine, orthogonale Verschiebung des Meßfühlers solange, bis die Lichtintensität der zwei verschiedenfarbigen, auf die Objektoberfläche fokussierten Lichtbündel gleich groß ist, d.h., bis die Oberfläche zwischen den eng benachbarten Brennpunkten verläuft.

Es ist zweckmäßig, die Farben der Filter so zu wählten, daß sie der spektralen Empfindlichkeit der fotoelektrischen Wandler 17,18 entsprechen. Am besten dürften sich langwellige Farben, z.B. orange, kirschrot, infrarot,hierfür eignen. Zwecks Ausschaltung des von äußerem Streulicht herrührenden Fehlers soll die Intensität der Lichtquelle 1 so bernssen sein, daß die grünen und roten Lichtflecken am Meßort immer eine größere Lichtstärke als das äußere Streulicht aufweisen.

In einer Variante der erfindungsgemäßen Einrichtung kann das Linsensystem 3 und 4 aus mehreren hintereinander liegenden und verstellbar angeordneten Einzelsystemen bestehen. Hier läßt sich der Abstand der Brennpunkte verändern und damit eine einstellbare Auflösung und Genauigkeit erreichen.

Zur Überwachung der Lichtquelle 1 ist eine weitere Fotozelle vorgesehen, die außerdem einen zusätzlichen Zweck erfüllt. Liegt nämlich der Meßfühler gänzlich außerhalb des Meßbereich--„ dann liefert die Fotozelle 19 zunächst eine Steuerspannung für die Nachführeinrichtung, die eine Annäherung des Meßfühlers an das Meßobjekt bewirkt. Übersteigt die Spannung der Fotozelle 17 diejenige der Fotozelle 19, so tritt mit Hilfe einer an sich bekannten Ablöse einrichtung die erstere an die Sx._;^le der zweiten. Bei Ausfall der Glühlampe 1 wird die ganze Anlage abgeschaltet und eventuell ein Signal betätigt.

Anstelle von zweifarbig gefiltertem Licht kann auch einfarbiges Licht benutzt werden, wenn zwei verschiedene Muster auf die Oberfläche des Meßobjektes projiziert werden. Diese Muster können mittels gelochter Masken nach Art eines Diapositives erhalten und anstelle der Farbfilter angeordnet werden.

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Claims

- 5 - 742/65 H73780 Patentansprüche:

1. Einrichtung zur berührungslosen Messung der Konturen von Meßobjekten mit Hilfe eines in drei Baumrichtungen verschiebbaren optischen Meßfühlers und einer vom Meßfühler gesteuerten Nachführeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfühler aus zwei konzentrisch angeordneten optischen Systemeimit unterschiedlichen Brennweiten bestellt, die mittels einer Kondensor-vorrichtung über vorgeschaltete Filter mit verschiedenfarbigem Licht beleuchtet werden

und daß ein Bündel optischer Glasfasern vorgesehen ist, das das vom Meßobjekt reflektierte Licht einem farbempfindlichen Lichtdetektor zuführt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der farbempfindliche Lichtdetektor aus zwei optischen
Systemen gleicher Brennweite besteht, die über je ein
Filter voa je einer Hälfte des Glasfaserbündels beleuchtet werden und daß für jedes System ein fotoelektrischer Wandler, beispielsweise ein Fotowiderstand, Fotodiode
oder Fotozelle,vorgesehen ist.

3. iäinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung einer Zusatzspannung für die Nachführsteuerung und zur Überwachung der Lichtquelle eine besondere Fotozelle vorgesehen ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der Filter zv/ei rait unterschiedlichen Mustern
gelochte: Masken vorgesehen sind, die entsprechend den
beiden konzentrischen optischen Systemen konzentrisch
analog einem Diapositiv angeordnet sind.

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