DE1949117C - Kontaktloses Abtastsystem - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein optisches Abtastsystem zur fortlaufenden Bestimmung tier geometrischen Form eines zu messenden Gegenstandes, insbesondere während dessen Herstellung in einer Drehhank, enthaltend eine Liehit|iielle zur Erzeugung eines parallelen Lichtstrahls, eine Suchlinse zum Sammeln des Lichtstrahls auf einem Punkt der Oberfläche des zu messenden Gegenstandes, einen im parallelen Lichtstrahl angeordneten, unter einem Winkel von etwa 45" geneigten halhdiirchlässigen Spiegel, durch welchen das von tier Oberfläche des Gegenstandes rellektierte Licht über eine Sammellinse auf eine in Richtung parallel zur optischen Achse des reflektierten Lichtstrahls schwingende Nadellochplatte zwecks Modulation der Intensität des reflektierten Lichtstrahls geworfen wird, wobei tlas di:^reh das Nadelloch modulierte Licht auf tinen Liehtliihler trifft, dessen elektrische Ausgangsgröße auf einen Phasendeteklor mit einem Servo-Meuerkreis gegeben wird, der einen Servomotor für ilen Antrieb eines das optische Abtastsystem tragenden, nach drei Koordinaten beweglichen Abiasttisches steuert.

Zur Bestimmung der geometrischen Abmessungen von Gegenständen können mechanische Abtaster benutzt werden. Dm eine hohe Meßgenauigkeit zu erhallen, muß der Durchmesser der Spitze eines tlerjirligcn mechanischen Abtasters sehr klein sein. Dies hat jetloch zur Folge, Jaß dii Oberfläche des Gegenstands leicht beschädigt werden kann. Nimmt man ■/.. B. an, daß der Abtaster e.,ie Spitze mit einem Durchmesser von K) μ hat, so ruft selbst eine Bcriihiiingskial't von einem Gramm auf tier Oberfläche des V\\ messenden Gegenstandes einen Druck von einigen hundert Kilogramm pro Ouailratzentimcler hervor, wodurch tlie Oberfläche ties Gegenstandes zersiörl «ulcr verkratzt werden kann.

Ls sind ferner optische Abtastsysiciiie hek-mut. welche anstalt ties mechanischen Abtasters einen Laserstrahl benutzen, durch welchen eine hohe Meß-Igcnauigkeit Ivi kurzen Meßzeiten ohne Beschädigung iler zu messenden Werkstückoberfläche erzielt und i(s. beispielsweise IEEE Journal of (Quantum Electronics. Volume OE-.1, Nr. II, S. 576 bis 5.S0, November l'J67). Derarlige Abtastsysleme sind z. B. außer für die Bestimmung der geometrischen I-orni von Modellen von Kraftfahrzeugen und für tlie Prüfung tier geometrischen Form und Oberflächcngenauigkeit χοή l'riizisionstcilen für die kontinuierliche Messung tier Abmessungen eines Werkstücks auf einer Drehbank geeignet, wobei bis zur Erreichung tier gewünschten Abmessungen die Drehbank nicht abgeschaltet zu werden braucht. Die bisher bekannten optischen Ablaslsysienie dieser Art haben jedoch den Nachteil, daß die Aiisgangsspannimg Null bei Abgleich nicht nur im Brennpunkt tier Suchlinse, sondern auch auf beiden Seilen entfernt vom Brennpunkt auftritt. Wenn somit tlas Abtastsystem sich auf einer dieser beiden Seiten befindet, ist das zugehörige Servosystem nicht mehr arbeitsfähig. Dciii/uiolge ist es bei einem derartigen Abtastsystem schwierig, die Suchlinse erneut in ihren Brennpunkt zu bringen.

Es ist somit Ziel der vorliegenden I rlinduiu, ein optisches Abtastsystem zur fortlaufenden Bestimmung der geometrischen Form eines zu messenden Gegenstandes zu schallen, welches diesen obengenannten Nachteil nicht aufweist und welches iin-.'.bhiiiiüiu von dem Absland zwischen einer Suchlinse und dem zu messenden Gegenstand vollkommen eindeutig abgleichbar ist.

LrlindtingsgeinäU wird dies dadurch erreicht, daß im Strahlengang zwischen dem halbdurchiässigen Spiegel und der Sammellinse ein weilerer halbdurchlässiger, unter einem Winkel von etwa 45' geneigter Spiegel zur Übertragung eines Teils iLs reflektierten Lichtstrahls auf einen zweiten Lichtfühler angeordnet ist, dessen Gleichspannungsausgangsgröße zu zwei

ίο Verstärkungsrcgiern gegeben wird, von denen der eine Verstärkungrregler auch noch das Wechselspannungssignal und der andere Versiärkungsregler auch noch das Gleichspanniingssignal des durch einen Signalspalter in ein Weehselspannungs- und ein Gleichspannungssignal gespaltenen elektrischen Ausgangssignal des ersten Lichtfühleis erhält, und dali das vei stärkungsgeregelte Wechselspannungssignal auf den Phasendetektor zur Erfassung der Phase des Wechselspanniingssignals und das vcrstärkungsgere-

ao gelte Gleichspannungsignal auf einen Niveaubestimmiingskreis zur Festlegung des Ausgangsniveaus des Gleichspannungssignals gegeben wird, sowie daß die Ausgangsgröße des Phasendeteklors über einen Polaritätsbestimiiiungskreis zur Bestimmung der Polaritat der Ausgangsgröße auf '-inen Regelgenerator gegeben wird, an dessen zweiten Eingang der Niveaubestimmungskreis angeschlossen ist, und daß der Regelgcnerator auf das Ergebnis der durch die Niveau- und Polaritätsbestiir.mungskrcise durchgeführten Bestimmungen anspricht und ein Steuersignal an den Scrvostcuerkreis gibt.

Auf Grund dieser Merkmale wird somit im Rahmen tier vorliegenden Erfindung von einem Gegenstand reflektiertes, durch Linsen ausgerichtetes Licht durch ein schwingendes NadHloch in eine Wcchseluntl Gleichkoniponente umgesetzt, welche Komponenten nach Verstärkung durch the Lichtintensität geregelt werden. Die Polarität der erfaßten Phase der Wechselkomponente erlaubt zusammen mit tier Größe der Gleichkomponente tlie Bestimmung, ob sich tlas System innerhalb seines Arbeitsbereiches befindet. Befindet sich das System außerhalb ties Arbeitsbereiches, st) bewirken tlie in der Phase erfaßten Wecliselkomponente und die Gleiclikomponcntc, daß das System in den Arbeitsbereich eintritt. Wenn sich tlas System in seinem Arbeitsbereich befindet, wird es durch die Komponente, deren Phase erfaßt wird, so geregelt, daß es in seiner vorbestimmten Lage bleibt. Demzufolge ist tlas optische Abtastsystem gemaß der Erfindung in der Lage, unabhängig von der augenblicklichen Position, kontinuierlich dem Brennpunkt einer in dem Abtastsystem vorhandenen Suchlinse zu folgen.

Die Erfindung hat verschiedene Vorteile. Zum Beispiel übt das Abtastsystem immer seine Regelfunktion aus, so daß der offensichtliche Arbeitsbereich stark erweitert ist. Der Arbeitsbereich ist nämlich sowohl durch die Polarität der Ausgangsgröße eines im System enthaltenen Phasendeleklors als auch durch das Au^gangsniveau einer Gleichspannung bestimmt, welche in der Ausgangsgröße des Lichtfiihlers enthalten ist und deren Verstärkung automatisch auf Grund eines Teiles der vom gemessseiien Gegenstand reflektierten Lichlineiige geregelt wird.

Weitere Einzelheiten der Erfindung sollen in dem Folgenden au Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert und beschrieben werden, wobei auf die Zeichnung Bc/ug genommen ist; es zeigt

I ig, I eine scliemalisclie Ansicht eines optischen ist. Der Phaseiidetektor 30 ist mit einem S^}^¹'¹-"'"

Abiastsystems entsprechend dem Stand der Technik, kreis 32 veilnmden, der einen Serwiniotor >·* im '<-

F i g. 2 eine schemaiische Ansicht eines erliudungs- Antrieb des Ablasllisches 26 steuert, gemäßen optischen Abtastsystem*, Unter der Annuhme, daß der l'unkl aiii nun

I ig. 3 eine graphische Darstellung der Wellenform 5 Gegenstand 16 im Abstand der Brennweite Z₁ de

ik-i optischen Ausgangsgröße des Nadellochs in Linse 14 von der Linse 14 entlernl hegt, -iiitti ti

|-ig. I und 2 und die Wellcnlomien einer modulier- diese so, daß der Stiahl parallelen Lichts von iiti

len^uAiisgangsgriilie des Lichtlühlers in Fig. I und 2, Lichtquelle iO auf diesen Punkt übertragen wird uno

I-ig. 4 ein Schaltbild des Phascndeieklors nach daher eine maximale Lichtmenge durch das inüuu

!■ i g. 1 und 2, ,ο loch 20« geht. Wenn der Gegenstand 16 zur Linse ι·*

I-ig. 5 eine graphische Darstellung der Ausgangs- hin oder von ihr weg bewegt wird und hierdurch <-"-r

kennlinien des Phasendelektors nach Fig. 4, " Abstand zwischen beiden nicht mehr der »renn-

I-ig. 6 eine graphische Darstellung von Niveau- weite/, der Linse 14 entspricht, wird clic ^{illls UL}

kennlinien eines Gleichspaimungssignals infolge aus Nadelloch austretende Lichtmenge abnehmen. \>tui

tk-m Naddloch austretenden Lichts, ,₅ die Nadellochplalte 20 und damit ihr Nadel Io Ui - ii«

I- ig. 7 eine graphische Darstellung der Ausgangs- stationär bleiben, wird sich die aus dem Nadcu ^

lemilinien des zweiten Liclufuhlers nach Fig. 2 und austretende Lichtmenge entsprechend der in 11· -

I- i g. 8 eine graphische Darstellung der Wellenform mit »Licht« bezeichnete.- Kurve andern, woüc. iu y

tines Steuersignals, welches durch das \v. I-ig. 2 ge- der Koordinatenachse die aus dem Nadeiiotn - »

/ei.'te System erzeugt wird. 20 austretende Lichtmenge und längs der Abs/issenacist

Γη F i g. 1 der Zeichnung ist ein konlaktloses Ab- die Abweichung y_t des Abslandes zw.seiiei uu

laslsysiem bekannten Aufbaus gezeigt. Fs besieht aus Ciegenstand 16 und der Suchlinse 14 von tier na

einer Lichtquelle 10, wie etwa einer Laservonich- weite/, der letzteren, gemessen in der oben »cscnr.t tunii zur Erzeugung eines Strahles parallelen Lichts, benen y-Richtung, aufgetragen ist. t-ner halb versilberten Platte oder einem halbdurch- 25 Die Abweichung y, ist positiv, wenn der uegeil-tssigen Spiegel 12, welcher unter einem Winkel von stand außerhalb der Brennweite/, und_ negativ, wtnii im wesentlichen 45 zur Achse des Strahles parallelen der Gegenstand innerhalb der Brennweite liegt. 1 ichts von der Lichtquelle 10 angeordnet ist. um den Wie oben beschrieben, schwingt das Nadelloch - <

I ichtstrahl zu übertragen, und einer Suchlinse 14 entlang der optischen Achse der Linse 1». auiis /um Sammeln des Lichtstrahles, welcher durch den 30 wenn daher der Abstand zwischen dem W^>n»^d»^u Spiegel 12 auf einen Punkt auf der Oberlläehe des zu 16 und der Suchlinse 14 gleich der »«'inwuic de „U-iulcn Gegenstandes 16 übertragen wird. Das auf Linse 14 gehalten wird, ist die aus dem Na el U einen Punkt des Gegenstands 16 gesammelte Lieht 20a austretende Lichtmenge in der Intuvsta oder ,„d ^u diesem in Richtung der Linse 14 reflektiert, Helligkeit moduliert, und der L.chtf uhler 22. wd one welche ihrerseits das reflektierte Licht in einen Strahl 35 Ausgangsgröße erzeugen, die en ·■teilend πυ tu, na,,:iclen Lichts ausrichtet. Dieser ausgerichtete Schwingfrequenz der NadellochplaUc 20 modul.tr ,der pa.allele Lichtstrahl wird /..mindest teilweise ist. Fig. 3 zeigt auch die m.t »Ausgang, bt£ hn u v„n eiern halbdurchlässigen Spiegel 12 in Richtung VVellenlc.rmen der modulierten Ausgan^robt , einer Sammellinse 18 reflektiert, deren optische Achse Lichtfühlers 20 bei verschiede en Niveau de u im wesentlichen senkrecht zu derjenigen der Such- 40 dem Nadelloch 20« austretenden L^h^^ ai>\ ^

.; 14 steht. Die Linse 18 dient da/u, das vom Außenseite der Kurve »Licht« und die cnts ireUu .

gc. .2 .ellektierte Licht in ihrem Brennpunkt zu ^«^SS Ä ^Z

"¹Ks Si-stem enthält ferner eine Nadellochpla.te 20 ihrerseits mit »Vibration« .^^"'J· _|lcnform

nnt einem Nadelloch 20«, welches normalerweise im .,5 Wie in F ι g. 3 gezeigt. ist die Au gangswt cn rm

Brennpunkt der Linse 18 angeordnet ist. und einen des Lieh.fühlers 22 in 'hase im. de r Sch*!, gurn^

; i.-htf .hler 22. ν ic etwa eine Foto/eile, der so ange- wellenform des Nadel ochs 20«, wenn du. Ab»u

«ilnet ist, daß er eine aus dem Nadelloch 20« aus- chung V₁ < 0, und die Gegenphase zu, ^"igung -

tretende Lich.menge empfängt. Die Nadelwehr U.U.: wellenform wenn y, ^ 0 ist. F-ur v, - ι nai

20 ist funktionell mit einem Vibrator 24 aus einem 50 Ausgangswellcn orm die doppc c !".quui/ Ut

später klarwerdenden Grund verbunden. Schwingungsweitenforni. We^er hat die Ausfeanjs

¹ Alle oben beschriebenen Teile mit Ausnahme des wellenform des Lichtfuhlcr 22 anc-™J"^^

Gegenstands 16 sind auf cim-m beweglichen Ablast- der Abwc.chung y abha g-g^ Amp^« de- Oc _

tisch 26 in drei orthogonalen Richtungen beweglich gesagt erschein cm ' "^nkt'^? iv„ , f iedcr Seite

wmmmmmm

,eich «. einem G.nd in S«n₌, v_c„eu,. *, H » * J, ί'Γρο^ηΤΙΐ, in A

Die Phasenerfassung der Ausgangswcllciiform des Liehtfühlers 22 kann durch einen Phasendetektor 30. wie in Fig. 4 gezeigt, erfolgen. Die gezeigte Anordnung enthält einen Transformator 7 mit einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung mit Mittelanzapfung, die mit einem Paar Transistoren Q_t und (A, verlninden ist. Die Emitterelektroden der beiden Transistoren sind jeweils mit einem der äußeren Enden der Sekundärwicklung des Transformators \ erblinden, während die Kolleklorclektroden zusammen über einen l.astwidcrstand W, mit der Mittclaiv zapfung der Sekundärwicklung verbunden sind. Ober entsprechende Basiswiderstände R_t und R, ist jede Basis der Transistoren Q₁ und C?... mit einer Bezugsklemme verbunden. Um eine augenblickliche Polarität einer Spannung über jeder Windung des Transformators 7 anzuzeigen, wird die konventionelle Pimklniethodc benutzt. Die Mittclanzapfung der Sekundärwicklung des Transformators ist außerdem über einen /tV-Glcichrichler oder Filter, der aus einem Reihenwiderstand R und einem Parallelkondensator Γ besteht, mit einer Alisgangsklemme verbunden.

Wenn die Bezugsklemme durch den Steuerkreis 2R einen rechteckigen Bezugsinipiils erhält, wird entsprechend der Polarität des Impulses einer der Transistoren Q₁ oder Q, auf FIN und der andere auf AUS geschaltet In F ig. 4 sind die Bczugsimpulse neben der Bezugsklcmme gezeigt. Im Beispiel sind die Transistoren Q₁ und ()., als PNP- und NPN-Transistoren gezeigt, welche durch einen positiven Bezugsimpuls Al¹S bzw. FIN geschaltet und durch einen solchen negativen Impuls FIN bzw. AUS geschaltet werden. Wenn ein dem Bezugsimpuls phascngleiches Eingangssignal, wie es in F i g. 4 neben dem F.ingang dargestellt ist. über den F.ingang an die Primärwicklung lies Transformators T gelegt wird, entsteht eine positive Spannung am Ausgang. Wenn jedoch ein zum Bezugsimpuls gegenphasiges Fingangssignal an die Primärwicklung des Transformators angelegt wird, entsteht eine negative Spannung am Ausgang. Die Aiisgangsspannung des Phasendetcktors 30 ist in F" i g. 5 gezeigt.

In F i g. 5 ist längs der Ordinatenachse die Ausgangsspannung des Phasendetektors 30 aufgetragen. Die Abszis^enachse hat die gleiche Bedeutung wie in Fi c. 3. ausgenommen, daß die Abszisse in der Größe durch die Brennweite/, der Suchlinse 14 zunimmt. Wie in F i g. 5 gezeigt, erzeugt der Phascndetcktor 30 eine Nullspannung für v, - 0. wenn sich der Gegenstand 16 in der Entfernung/, von der Linse 14 befindet. Dies kommt daher, weil das Ausgangssignal des Lichtfühlcrs 22. wie im Zusammenhang mit F i g. 3 beschrieben, für y, = 0 in der Frequenz verdoppelt wird. Der Phasendetektor 30 ist dann so entworfen und angeordnet, daß ein Eingangssignal mit der doppelten Frequenz gegenüber dem Bezugssignal eine !Seilspannung hervorruft.

In I" i ti. 5 sind verschiedene Kurven mit den Bczugszeichen a. b und c zu sehen. Es wird nun angenommen, daß der Phasendetektor 30 eine Ausgangsgröße wie die Kurve «in Fi g. 5 aufweist. Es wird weiter angenommen, daß die optische Ausgangsgröße der Lichtquelle 10 aus irgendeinem Grund um z. B. etwa den Faktor 3 abgenommen hat. Dies hat zur Folge, daß die Lichtmenge, welche von dem Gegenstand 14 reflektiert wird und somit durch das Nadelloch 20« austritt, auf eine Menge abnimmt, die etwa einem Drittel tier ursprünglichen Lichtmenge entspricht. Die Ausgangsspannung am Phascndeteklor 30 wird daher etwa ein Drittel der Ausgangsspanniing sein, die auftrat, ehe die Intensität oder Helligkeit der Lichtquelle geändert wurde. Diese Spannung ist in der Kurve c in I i g. 5 gezeigt.

Auch kann sich die Oberfläche ties Gegenstandes 16 ändern in bezug auf den Reflcktionsgrad. die Farbe und oder eine Neigung des gemessenen Oberllächenteils unter einem Winkel gegenüber einer Bezugsebene von Punkt zu Punkt. Solche Änderungen rufen ebenfalls eine Änderung der Ausgangsspannung des l'hasendetektors 30 empor.

Wenn der Abtasttiseh 26 in der y-Richlung bets wegt wird, um den Abstand zwischen dem Gegenstand 16 und der Suchlinsc 14 zu ändern, entsteht am Phasendetektor 30 eine Ausgangsspannung, die einer solchen Kurve folgt, wie sie in Fig. 5 gezeigt ist. Die AusgangsspaniHing wird dann einem Servostcuerkreis 32 zugeführt, um einen Servomotor 34 zu steuern. Der Servomotor 34 hat die Funktion, den Abstand zwischen der Linse 14 und dem Gegenstand 16 auf einer vorherbestimmten festen Größe zu halt«'..

Um die geometrische Form des Gegenstands 16 zu bestimmen, wird der Abtasttiseh 26 mit einer vorbestimmten festen Geschwindigkeit in der λ-Richtung bewegt und setzt hierbei den Abstand zwischen dem Gegenstand 16 und der Linse 14 in eine Bewegung

des Tisches in der y-Richtung um. wobei eine Messung der geometrischen Form des Gegenstandes 16 vorgenommen wird. Hierauf wird der oben beschriebene Vorgang in der r-Richtiing wiederholt

Das dargestellte System ist dadurch ernstlich nachteilig, daß der Phasendetektor verschiedene Ausgangsspannungen für die gleiche Entfernung der Bewegung des Abtasttisches vom Gegenstand erzeugen kann, wobei eine derartige Ausgangsspanniing tatsächlich abhängt vom Material des gemessenen Ge-

4" gcnstandcs. vom Neigungswinkel des gemessenen Bereiches gegenüber einer Bezugsebene usw. Zusätzlich erzeugt der Phasendetektor eine Nullspannung nicht nur für den Fall, daß der Gegenstand im Brennpunkt der Suchlinsc 14 liegt, sondern auch dann.

wenn er auf beiden Seiten vom Brennpunl·¹ entfernt in einem Bereich liegt, wie er in F i g. 5 schraffiert gezeichnet ist.

Aus F i g. 5 ist weiter zu sehen, daß der Phasendelektor für zwei verschiedene Entferniincen z.vvi-

5p sehen dem Gegenstand 16 und der Linse 14 die gleiche Ausgangsgröße erzeugt. Dies führt zur Zweideutigkeit bei der Bestimmung der Entfernung.

Es ist leicht zu verstehen, daß das System automalisch aufeinanderfolgende Punkte suchen muß. die von der Linse 14 den Abstand der Brennweite/, haben und hierbei diesen Punkten automatisch folgen muß. Wenn das System jedoch einmal in einen Bereich eingetreten ist. der einem der schraffierten Bereiche in F i g. 5 entspricht, wird der zugehörige Servomechanismus angehalten. Für die konventionellen kontaktlosen Abtastsvstcme. wie in Fiel gezeigt, ist es schwierig gewesen. Punkte im Abstand der Brennweite von der Suchlinse zu suchen, nachdem sie in einem Bereich eingetreten waren, der einem der schraffierten Bereiche in Fig. 5 entsprach.

Die Erfindung bezweckt die Vermeidung der

obengenannten Nachteile unJ der Schwierigkeit, das Svstem stabil und wnksam in kontinuierlicher Weise

Io

so 7.U betreiben, daß aufeinanderfolgend genaue Punkte gesucht werden, die von der Suchlinse den Abstand deren Brennweite haben.

In Fig. 2 bezeichnen gleiche Bezugszeichen in bizug auf F i g. 1 identische Teile. Es ist hier eine Aiufülmingsform des kontaktloscn Abtastsystems entsprechend der Erfindung gezeigt. Zusätzlich zu den Teilen 10 bis 22 von Fig. 1 enthalt diese Anordnung einen halbdurchlässigen Spiegel 40 ähnlich dem Spiegel 12. eine Sammellinse 42 und einen I.ichtfülilcr 44 ähnlich dem I.ichtfühlcr 22 auf dem Abtasttisch 26. Der Spiegel 40 ist unter einem Winkel von im wesentlichen 45 zur optischen Achse der Linse 18 angeordnet, um einen Teil des vom Spiegel 12 reflektierten parallelen Lichtstrahls in Richtung der Sammellinse 18 zu übertragen und den verbleibenden Teil des parallelen Strahls in Richtung der Linse 42. die ihrerseits diesen Teil auf dem Lichtfühler 44 sammelt Wie in F i g. I moduliert die schwingende Nadellochplatte 20 die durch ihr Nadelloch 20a gehende Lichtmenge mit ihrer Schwingungsfrequenz. Der Lichtfühler 22 erzeugt daher eine Ausgangsgröße, die eine Wechsclspannungskomponente, moduliert mit der Schwingungsfrequenz der Nadellochplatte 20. und eine Glcichspannungskomponente. veränderlich entsprechend dem Abstand zwischen dem Gegenstand 16 und der Suchlinsc 14. enthält. Die Wechselspannungskomponente kann im folgenden »Wechsclsignal« und die Glcichspannungskomponente »Gleichsignal« genannt werden.

Der Ausgang des Lichtfühlers 22 wird auf einen Signalspalter 46 gegeben, welcher außerhalb des Abtasttisches 26 angeordnet ist. Hier wird die Ausgangsgröße in ein Wech-.ei und Gleichsignal gespalten. Die Wechsel- und Gleichsignale von dem Signalspal-'..T 46 werden dann auf ein Paar Verstärkungsregler 48 bzw. 50 gegeben, wo ihre Verstärkungsfaktoren, wie später zu beschreiben ist. geregelt werden. Das ■erstärkungsgercgelte Wechselsignal wird auf den I'b;isendetektor30 gegeben, wo seine Phase in der L'l.'ichen Weise wie im Zusammenhang mit Fig. 3 um! 4 beschrieben mit dem Ergebnis erfaßt wird, daß .nc Ausgangsgröße, wie in Fig. 5 gezeigt, entsteht. Die Ausgangsgröße des Phasendetektors 30 wird über einen Servosteuerkreis 32 auf einen Servomotor 34 begeben, um die Bewegung des Abtasttisches 26 in ii bleichen Weise wie vorher beschrieben zu steuern. Andererseits ruft das dem Verstärkungsregler s0 η. führte Gleichsignal eine verstärkungsgeregelte Λ L.jangsgmße hervor, wie sie in F i g. ο gezeigt ist. v.,.!-.ei längs der Ordinatenachsc die Ausgangsgroße angetragen ist und die Abszissenachse die gleiche B. !cutting wie in F i c 5 hat.

i m die Verstärkungen der Verstärkungsregler 48 und 50 zu regeln, wird der Lichtfühlcr 44 mit ihnen uilMindcn. Genauer ausgedrückt nimmt der Lichtfühler 44 den gesamten aus der Linse 42 austretenden Lichtstrahl auf. um eine Gleichausgangsgmßc zu cr/euccn. die proportional der von dem Gegenstand 16 reflektierten Lichtmenge ist. Diese Ausgangsgroße ist in Fig. 7 gezeigt, wobei die Koordinaten- und Abszissenachsen die gleiche Bedeutung wie in Γ ι g. > und 'S haben.

in Fig. 5. fi und 7 ist zu bemerken, daß du: dargestellten Spannuncsniveaiis E₁. E₁,. E., <^s- ,.'.^ \/: ZV. E,'. /·.' (s. Fi μ-6). /·-·,"· *ϊ'· ^Λ·. Ο. »-.g.7) μ.' vorgewählt sind, daß folgende Beziehung. gilt:^ Das bedeutet, daß unter der Annahme, daß sich die Gleichspannung aus dem Lichtfühlcr 44 z. B. auf dem Niveau E.," oder auf einer mit < " bezeichneten Linie (s. Fig. 7) befindet, die Verstärkungsreglcr 48 und 50 so in der Verstärkung geregelt werden, daß der Phasendetektor 30 eine Ausgangsspannung des Niveaus E., oder der mit c (s. Fig. 5) bezeichneten Kurve folgend abgibt und gleichzeitig der Verstärkungsrcgler 50 eine Ausgangsspannung aiii dem ίο Niveau f.,' oder der Kurve r' (s. Fig. 6) folgend entsprechend der Änderung des Abstandes zwischen dem Gegenstand 16 und der Suchlinse 14 erzeugt.

Es wild nun angenommen, daß das System hei einem Spannungsniveau E₁ betrieben werden soll und daß die Ausgangsgröße des Lichtfühlers 44 sich aus irgendeinem Grund vom Niveau E.," auf ein hohes Niveau E₁" geändert hat. Unter diesen Bedingungen werden mittels der Ausgangsspannung des Lichtfühlers 44 die Verstärkungen der Vcrstärkungsregler 48 und 50 so geregelt, daß der Phasendetektor 30 eine im Niveau verminderte Ausgangsspannung der Größe /·."., statt E₁ aufweist, während gleichzeitig die Ausgangsgröße des Verstärkungsregh.'rs 50 in ihrem Niveau von der Größe E₁' auf /·..,' abnimmt. Ahnlieh werden für den Fall, daß das vein dem Lichtfiihler 44 erzeugte Spannungsniveau kleiner als die Größe E.," wird die niedrigeren Niveaus auf E., und E₁' angehoben. Derart werden die Ausgangsgrößen der Verstärkungsregler 48 und 50 so geregelt, daß an den Ausgängen des Phasendetektors 30 und des Vcrstärkungsreglers 50 eine Ausgangsspannung entsteht, die den Kurven c Ivw. r'. wie in Fig. 5 und 6 gezeigt, kontinuierlich folgt.

Die Ausgangsgröße des Vcrstärkungsreglers 50. welche dem Gleichsignal entspricht, wird einem Niveaubestimmungskreis 52 zugeführt, wo üir Niveau mit einem Bezugsniveau verglichen wird. Um die Zweideutigkeit bei der Bestimmung des Abstandes zwischen dem Gegenstand 16 und der Suchlinsc 14 zu vermeiden, ist das System so vorgewählt, daß einnerhalb des Bereichs arbeitet, welcher einem Bereich der Ausgangsgröße des Phasendetektors von einer Spitze zur anderen der Kurven in F i g. 5 entspricht. Dieser Arbeitsbereich ist in F i g. 5, fi und als durch ein Paar vertikaler gestrichelter Linien durch die Punkte v, J₁ ^L Y₁ und bzw. V₁ J_x V₁ bestimmt gezeigt. Wie in den Figuren klar zu seller, ändert sich die Ausgangsgröße innerhalb des obengenannten Bereiches als eine im wesentlichen lineare Funktion des Abstandes zwischen dem Gegenstand 16 und der Linse 14.

Wenn der Arbeitsbereich des Systems wie ober

beschrieben einmal bestimmt worden ist. wird in Niveaiibestimmungskreis 52 vorzugsweise ein solche; Bcz.ugsspannungsnivea'j festgelegt, wie es. wie ii F i g. 6 gezeigt, einer Linie durch die Schnilipunku

der vertikal gestrichelten Linien mit der Kurve c mit dem Niveau E.,' entspricht. Das Niveau E₁' ein

spricht der oben beschriebenen geforderten Verstar kung des Systems. Wie in F i g. 6 gc/eiet. sind dii Kurven symmetrisch in bezug auf eine vertikal· Linie durch einen Punkt ν /,. so daß Bezugsniveai

durch eine längsgcstrichelte Linie parallel zur (')rdi

natenachse und bezeichnet mit der Bc/ugsgrößc E

dargestellt wird.

Wenn das dem Niveaiibestimmungskreis 52 /iiue führte Signal als von höherem Niveau als d:iv Be zugsniveaii E₄ bestimmt wird, entsteht am Augean

ties kreises 52 eine positive Ausgangsgröße, welche anzeigt, dall tlas System im Arbeitsbereich betrieben wird. Wenn umgekehrt das Niveau des dem Kreis 52 zügeliihrten Signals kleiner als das Bezugsniveaii /:, ist. gibt tier Kreis eine negative Ausgangsgröße ab und zeigt so an. daß das System außerhalb des Arbeitsbereiches betrieben wird.

Andererseits ist der Ausgang des Phasendetektors 30 immer an einem Punkt der Kurve c mit dem Niveau /·.'., wie in F i g. 5 gezeigt, el. h.. er kann ent- m sprechend dem Abstantl zwischen dem Gegenstand 16 und der Linse 14 positiv oder negativ sein. Es ist daher erforderlich, daß die Polarität des Ausgangs bestimmt wirtl. Aus diesem Grunde ist tier Phasendetektor 30 mit einem Polaritiitsbestimmungskreis 54 ,₅ verbunden. Wenn der Niveaubestimmungskreis 52 bestimmt hat. daß das System außerhalb ties Arbeitsbereiches ist und wenn der Ausgang des Phasendetektors 30 positiv ist. erzeugt der Polaritiitsbestimmungskreis 54 ein positives Ausgangssignal, welehes anzeigt, daß sich der Abtasttisch 26 in einer Lage belindet. in welcher seine Abweichung I Y von einem Punkt y, J₁ in der v-Richtung kleiner als (/, V₁) ist. el. h.. daß sich der Fisch nahe der linse 14 und außerhalb ties Arbeitsbereiches befindet. Unter diesen Umständen erzeugt ein Regelgenerator 56. der von dem Polaritiitsbestimmungskreis 54 gespeist wirtl. eine Regelspannung, um den Servosteuerkreis 32 so zu regeln, tlaß tier Abiasttisch 26 durch ilen Servomotor 34 von tier Linse 14 wegbewegt wirtl. bis er in seinen Arbeitsbereich eintritt.

Wenn im Gegensatz dazu der Ausgang des Phasendetektors 30 negativ ist. erzeugt tier Polar,tiilshestimmimgskreis 54 eine negative Ausgangsspanmm;'.. welche anzeigt, tlaß sich der Abtasttisch 26 von der _3S Linse 14 entfernt und außerhalb des Arbeitsbereiches befindet. Dies bewirkt, daß der Generator 56 eine Regelspannung abgiiii. welche eine umgekehrte Polarität gegenüber dem vorausgegangenen Fall hat. wodurch tier Abtasttisch 26 durch den Servomotor 34 in ₄„ Richtung der Linse 14 bewegt wirtl. bis er in seinen Arbeitsbereich eintritt, ohne daß tier Servosteuerkreis direkt vom Phasendetektor 30 beeinflußt wirtl.

Nachdem der Niveaubestimmungskreis 52 bestimmt hat. daß sich tlas System innerhalb seines Arbeitsbereiches befindet, steuert die Ausgangsgröße des Phasendetektors 30 direkt den Servosteuerkreis 32. um den Abtastlisch 26 in der bereits beschriebenen Weise in seiner Position zu halten, weiche durch V₁ f. dargestellt ist.

F1 g. S. bei der längs der Ordinatcnachse das Spaiinungstiiveau und längs der Abszissenachse tier Abstand zwischen Gegenstand und Suchlinse aufgetragen ist. zeigt eine Wellenform der Regelspannung, v-.c sie durch das vorliegende Svstem erzeugt wird. l)ie Teile T-V und L-Q tier Wellenform zeigen die Spannungsniveaus. welche durch den Regelgenerator 56 erzeugt werden, wenn der Niveaubestimmiingskreis 52 bestiinmi hat. daß sieh das System außerhalb lies Arbeitsbereiches befindet. Der Teil P-O-Q zeigt «las Spannungsniveau, das direkt vom Phaseneletektor ίο erzeugt wird, wenn der Niveaubestimmungskreis 52 bestimmt hat. daß sich das System innerhalb seines Arbeitsbereiches befindet. Der Teil P-O-Q geht weich in die benachbarten Enden der Teile T-V und \'-Q über. Die gestrichelten Linien RP und SQ zeigen das Spannungsniveau, welches durch den Spannungstleteklor 30 erzeugt wird, wenn tlie Niveau- und Polaritätsbestimmungskreise 52 bzw. 54 mit ihren zugehörigen Teilen nicht vorhanden sind.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Optisches Abtastsystem zur fortlaufenden Bestimmung der geometrischen Form eines zu messenden Gegenstandes, insbesondere während dessen Herstellung in einer Drehbank, enthaltend eine Lichtquelle zur Erzeugung eines parallelen Lichtstrahls, eine Suchlinse zum Sammeln des Lichtstrahls auf einem Punkt der Oberlläche de*· zu messenden Gegenstandes, einen im parallelen Lichtstrahl angeordneten, unter einem Winkel \on etwa 45 geneigten halbdurchlässigen Spiegel, durch welchen das von der Oberfläche des Gegenstandes reflektierte Licht über eine Sammellinse auf eine in Richtung parallel zur optischen Achse des rellektierten Lichtstrahls schwingende Nadellochplatte zwecks Modulation der Intensität de*, rellektierten Lichtstrahls geworfen wird, wobei tlas durch das Nadelloch modulierte Licht aiii einen Lichtfühler tritTl, dessen elektrische Ausgangsgröße auf einen Phasendetektor mit einem Servosteuerkreis gegeben wird, der einen Servo motor für den Antrieb eines tlis optische Abtastsystem tragenden, nach drei Koordinaten beweglichen Abtasttisches steuert, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang zwischen dem halbdurchlässigen Spiegel (12) und dei Sammellinse (18) ein weiterer halbdurchlässiger unter einem Winke! von etwa 45 geneigtei Spiegel (40) zur Übertragung eines Teils des 'reflektierten Lichtstrahls auf ei..en zweiten Licht fühler (44) angeordnet ist. dessen Gleichspannungsausgangsgröße zu zwei Yerstärkungsregiert: (48 bzw. 50) gegeben wird, von de.ien der Verstärkungsregler (48) auch noch das Wechselspannungssignal und der Ycrstärkiingsregler (50 auch noch das Gleichspannungssienal des diireleinen Signalspalter (46) m ein Wechselspannungs und ein Gleichspanniingssignal gespaltenen elektrischen Ausgangssignal des ersten Liehtfühler-(22) erhall, und daß tlas verstärkungsgeregelk Wechselspannungssisinal aiii' den Phasendete"ktor (30) zur Erfassung der Phase des WeehseNpanmmgssignais und das veivärkungseeresielk Gleichspannungssign.il auf einen Niveaubestimmungskreis (52) zur Festlegung des Auscaiiüsniveaus des Gleichspannung-,enals gegeben wird sowie daß die Ausgangsgröße des Phasendetektor-(30) über einen PolaritäNhcstimmungskreis (54 zur Bestimmung der Polarität tier Aus^angscrößc auf einen Regelgenerator (56) gegeben wird, ar dessen_zweiten Eingang der Niuraubestimmumiskreis (*i) angeschlossen ist. und daß der Regel· generator (56) auf das Ergebnis der durch \\\t Niveau- und Polaritätsbesümmungskreise (5-1 bzw. 52) durchgeführten Bestimmunger. ansprichi und ein Steuersignal an den Servosteuerkreis (32 gibt.

   Hierzu 2 Blatt Zeichnungen