DE1930111C3 - Optische Vorrichtung zum Messen der Bewegung von gegeneinander bewegten Teilen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung zum Messen der Bewegung von gegeneinander bewegten Teilen, von denen das bewegte mit einem Bereich von gegenüber seiner Umgebung unterschiedlichem Reflexionsvermögen ausgestattet ist, mit einer Licbtfaseroptik, die ein erstes, das bewegte Teil an der Abtaststelle mittels einer Lichtquelle beleuchtendes Bündel aus senkrecht zur Bewegungsrichtung zeilenförmig linear angeordneten Lichtleitfasern und ein zweites, die vom bewegten Teil an der Abtaststelle reflektierte, sich entsprechend der Bewegung verännie genannte optische Vorrichtung dient zur Aufnahme der Kurve 5 = / (/) von vorzugsweise Weinen mechanischen Teilen, um deren Bewegungsabläufe zu erkennen und zu analysieren und sie gegebenenfalls mit zugeordneten elektrischen Zeitfunktionen z.B. der Stromkurve eines Magneten, der das betreffende Teil bewegt in Zusammenhang zu bringen. Messun- «-n dieserArt sind in der Praxis notwendig, um den Eneraebedarf und -verlauf für eine gewünschte Bewegung richtig zu steuern und unerwünschte Bewegungsabläufe (beispielsweise Schwingungen) zu verhindern. _(Ι1.. . . ,

Ausder erhaltenen Kurve s = /d), die den zuruckeetegten Weg in Abhängigkeit von der Zeit wiedergibt lassen sich ferner im Bedarfsfall auch die Kurven ν (ti und b (t). also Geschwindigkeit und Beschleunigung in Abhängigkeit von der Zeit, ableiten

Eine optische Vorrichtung, die beruhrungsfrci und ohne Beeinflussung des zu messenden Teils arbeitet, ist zur Lage- und Längenmessung bekannt (deutsche Offcnlegungsschrift I 448 394). Sie besteht aus einer Reihe langgestreckter Strahlcnuhertragungselemente uie die Strahlung über ihre gesamte Lange durch Mehrfach-Innenreflexion übertragen, wobei die Autnehmeenden der Elemente jeweils einen langgestreckten Querschnitt besitzt 1 und in einer Reihenanordnung mit den Längsseiten parallel zueinander mit engem Abstand nebeneinander angeordnet sind, während die anderen Enden der Elemente jeweils einzeln Strahlungsempfängern gegenüberliegen, wobei die von einem Element übertragene Strahlung jeweils einen einzigen Strahlungsempfänger erreg!. Mit dieser Vorrichtung läßt sich zwar die Lage und die Länge eines strahlenaussendenden Korpers, /.. B eines rotglühenden Bleches, feststellen, nicht aber die Bewegung eines beliebigen mechanischen Teils η Abhängigkeit von der Zeit messen.

Für Bewegungsaufnahmen an schnellen Mechanismen ist eine optische Meßsonde nach dem Prinzip der Lichtschranke bekannt (Industrie-Anzeiger. Jg. 91. Nr. 4. Seite 24 bis 2ft). Bei ihr wird ein paralleles Lichtbundel über ein Prisma in einen Meßspalt gelenkt, in den eine am zu messenden Teil angebrachte Fahne eintaucht und mehr oder weniger große Teile des Lichtes ausblendet An der anderen Seite des Meßspaltes befindet sich ein zweites Prisma, das das restliche Licht auf eine Fotozelle lenkt. Diese Einrichtung setzt voraus, daß das /u messende Teil von beiden Seiten zugänglich ist; sonst muß es mit einer starr daran befestigten Fahne versehen werden, die das Gewicht des Teils und damit seine Bewegung verändert. Die Parallelisierung des Lichtes einerseits und seine Konzentration auf die Fotozelle andererseits erfordern neben den Prismen beiderseits des Meßspaltes weitere optische Systeme, die die Sonde so unförmig machen, daß damit nur an leicht zugänglichen Stellen, nicht aber im Innern von mechanischen Aufbauten gemessen werden kann.

Ferner ist ein Abstandsaufnehmer bekannt, der aus einer Lichtquelle und einer lichtempfindlichen Anordnung sowie zwei Bündeln von Lichtleitern besteht, von denen das eine zur Lichtquelle und das andere zur lichtempfindlichen Anordnung führt und beide an

abtastung

nebeneinander angeordnet sind (brift 1 062967). Der Abstandsauf nehwinzige Verlagerungen. Schwingunlische Spannungen an einem Prüfling dessen Oberflächenbeschaffenheit zu Bewegung von Drehteilen aufzuneh- em Zweck muß das Gerät in einem Minvonj Prüfling, der des>ien Maximalhub , so angeordnet werden, daß die Lichtleiter teile in Bewegungsrichtung des Prüflings ;i einer Lageänderung des Prüflings sich zwischen diesem und den Lichtleitern Aufnahme von Bewegungsabläufen ist jnung nicht geeignet, daß sie sich wegen adsbedingung schwer justieren läßt und nur limeter Hub erlaubt und da ferner der Zu- _ zwischen dem Abstand einerseits und erlichtempfindlichen Anordnung daraufhin Strom andererseits nicht linear ist. und Faksimileübertragungen ist es ebennt, Lichtleiter einzusetzen, die zur Parallelvon Faksimiles in einer Reihe untereinander angeordnet werden (USA-Patentschrift \ 751 584).

Daneben ist eine Einrichtung zum Messen der Größe oder Geschwindigkeit von Gegenständen bekannt, die mit senkrecht zur Bewegungsrichtung des tu messenden Teils angeordneten Lichtleitfasern arbeitet. Das zu messende Teil ist in Bewegungsrichtung abwechselnd mit reflektierenden und nicht-reflektielenden Flächen versehen, und die Lichtleitfasern sind derart angebracht, daß ihre Hndflachen eine in Bewegungsrichtung des zu messenden Teils verlaufende Kette bilden, wobei sich jeweils eine Gruppe von Lichtleitfasern, die zu einer Lichtquelle führen, und eine Gruppe von Lichtleitfasern, die zu einer lichtempfindlichen Anordnung führen, miteinander abwechseln und die Anzahl der Lichtleitfasern pro Gruppe so gewählt ist, daß die räumliche Ausdehnung jeder Lichtleitfasergruppe gerade der Länge jeder reflektierenden und nicht-reflektierenden Fläche entspricht (schweizerische Patentschrift 468 629). Beim Vorbeibewegen des zu messenden Teils an der Lichtleitfaserkette gibt die lichtempfindliche Anordnung ein zyklisches Signal ab, dessen Maxima da liegen, wo die reflektierenden Flächen den lichtaussendenden Lichtleitfasern gegenüberstehen, und dessen Minima die Positionen bezeichnen, wo die nicht-reflektierenden Rächen den genannten Lichtleitfasern gegenüberstehen. Durch Frequenzmessung ist die Geschwindigkeit der Bewegung und durch Auszählen der Maxima oder Minima der zurückgelegte Weg zu ermitteln. Die Funktion s (t). also der genaue Bewegungsablauf etwa zwischen einem Maximum und einem Minimum, kann durch diese Anordnung nicht aufgenommen werden, da sie nur Hell-Dunkel-Aufeinanderfolgen meldet.

Zur Messung der Amplitude und anderer charakteristischer Größen (Frequenz und Phase) eines in einer Ebene schwingenden Systems ist eine Anordnung bekannt, bei der ein Lichtbündel auf das schwingende Intern gerichtet ist und das System an seiner Oberfläche innerhalb des Auftreffbereichs des Lichtbündels eine das Licht reflektierende Fläche bestimmter geo-Tnetrischer Gestalt aufweist, die so beschaffen ist, daß der reflektierte Teil des Lichtbündels abhängig von der Amplitude bzw. der Phase und Frequenz ist (deutsche Auslegeschrift 1073 211). Hier ist eine aufwendige optische Anordnung sowohl zur Lichtbündelung auf das System als auch zur Aufnahme des reflektierten Uchts erforderlich, die den ungehinderten Zugang einer größeren Apparatur zu dem zu messenden Teil voraussetzt. Außerdem ist zwar die Schwingungsamplitude bzw. -Frequenz oder -Phase erfaßbar, nicht erfaßbar sind aber die Momentwerte des Bewegungsablaufs, z. B. bis zum Erreichen der Amplitude, da wegen dci Nichtpunktförmigkeit realer Lichtquellen und der dadurch verursachter ungleichmäßigen Lichtstärkeverteilung auf dem zu messenden System keine lineare Beziehung zwischen Weg und Lichtstärke herstellbar ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Beweis gungsabläufe in jedem Moment der Bewegung zu erfassen, also die Weg-Zeit-Funktion exakt zu messen, wobei die bewegten Teile sich beliebig schnell und beliebig weit aus ihrer Ruhelage entfernen können und wobei die Meßsonde berührungsfrei arbeitet, das ao Meßobjekt nicht beeinflußt und auch Messungen an schwer oder einseitig zugänglichen Stellen, z. B. an einem inmitten einer Reihe weiterer Tasthebel angeordneten Tastenhebel einer Tastatur, gestattet.

Ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs be- »5 schriebenen Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch eine räumliche Orientierung der zellenförmig linear angeordneten Lichtleitfasern gegenüber dem bewegten, gegenüber seiner Umgebung unterschiedliches Reflexionsvermögen aufweisenden Bereich und eine geometrische Form dieses Bereichs derart, daß die Anzahl der das Licht an die die Lichtmenge aufnehmende Anordnung zurückführenden Lichtleitfasern innerhalb einer Zeile zu jedem Zeitpunkt der Stellung des bewegten Teils in linearer Zu-Ordnung entspricht.

Die Lichtleitfasern können auf Grund ihrer Biegsamkeit um Ecken und durch Spalte geführt werden. Durch die Leitleitfasern des ersten Bündels wird das zu messende bewegte Teil beleuchtet, und die Lichtleitfasern des zweiten Bündels führen die von diesem Teil reflektierte Lichtmenge einer lichtempfindlichen Anordnung, beispielsweise einer Fotozelle, Fotodiode oder einem Fotowiderstand i\x. Durch die lineare Anordnung der Lichtleitfasern beider Bündel nebeneinander ist an der lichtempfindlichen Anordnung ein Meßwert abnehmbar, der jeweils der Ausdehnung des gerade an der Meßstelle befindlichen Teils des auf dem Meßobjekt angebrachten definierten Bereichs von gegenüber seiner Umgebung unterschiedlichem Reflexionsvermögen entspricht. Ein derartiger Bereich kann einfach durch Aufkleben eines dünnen weißen oder glänzenden Papiers auf das Meßobjekt geschaffen werden. Die Meßwerterfassung wird, da nach obigem der von der lichtempfindlichen Anordnung gelieferte Wert der Ausdehnung des gerade abgetasteten Abschnitts entspricht, besonders einfach, wenn dieser Bereich nicht gleichmäßig, z. B. quadratisch ist, sondern seine Schnitte senkrecht zur Bewegungsrichtung wachsende oder abnehmende Längen ergeben. Eine Ausgestaltung der Erfindung ist deshalb dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich unterschiedlichen Reflexionsvermögens entsprechend der zu messenden Funktion ausgebildet ist, d. h. zur Aufnahme einer linearen Funktion dreieckförmig, zur Aufnahme eines Winkels in Form einer geometrischen Figur von mit dem Winkel zunehmender Breite und zur Aufnahme einer quadratischen oder anderen nichtlinearen Funktion mit entsprechenden nichtli-

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nearen Begrenzungslinien. telbar der Ausdehnung des zu diesem Zeitpunkt vor

Die Genauigkeitsgrenze der Lichtfaseroptik ist dort der Meßstelle befindlichen reflektierenden Bereichs, erreicht, wo das Auflösungsvermögen der Lichtleitfa- Weist das Meßobjekt also nicht parallele, sondern sern aufhört. Eine Weiterbildung der Erfindung über- beispielsweise aufeinander zulaufende Begrenzungsschreitet diese Grenze einfach dadurch, daß zwischen 5 kanten auf, steigt oder fällt der an der Fotodiode 4 dem bewegten Teil und dem gemeinsamen Ende bei- abnehmbare Strom während einer Bewegung des der Bündel von zellenförmig linear angeordneten Meßobjekts im gleichen Maße, wie sich die reflektie-Lichtleitfasern optische Mittel vorgesehen sind, die rende Fläche an der Meßstelle ändert. Im allgemeinen den auf dem bewegten Teil angebrachten, gegenüber kann man bei den Meßobjekten keine bestimmte seiner Umgebung unterschiedliches Reflexionsver- w Form voraussetzen; deshalb wird das Meßobjekt mit mögen aufweisenden Bereich auf dem gemeinsamen einem reflektierenden Bereich versehen, der eine für Ende beider Bündel von Lichtleitfasern abbilden. die Meßwerterfassung besonders geeignete Form hat. Diese zusätzlichen optischen Mittel bewirken vor- Dies wird an Hand der in F i g. 2 und 3 gezeigten Anzugsweise eine Vergrößerung des auf dem bewegten Wendungsbeispiele beschrieben. Teil befindlichen Bereichs unterschiedlichen Refle- i5 In Fig. 2 ist als Meßobjekt ein Tastenhebel 5 mit xionsvermögens. einem Ansatz 5a dargestellt, der sich in Pfeilrichtung

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile beste- auf und ab bewegt. Um den Ablauf dieser Bewegung hen insbesondere darin, daß durch einfache Mittel und zu erfassen, ist der Ansatz 5 a mit einem Dreieck 6 ohne schwierige Einstellarbeiten genaue Messungen aus weißer Farbe oder aufgeklebtem weißen Papier von Bewegungsabläufen einschließlich aller Momen- «° versehen. Ihm gegenüber wird die Lichtfaseroptik mit tanwerte, auch an schwer zugänglichen Stellen und ihrem Ende α. wie gestrichelt angedeutet, angebracht, ohne Eingriff in diese Abläufe, möglich sind, daß fer- Der Tastenhebel befindet sich dabei in seiner (oberen) ner durch entsprechende Ausgestaltung des reflektie- Ruhestellung. In dieser Position gelangt noch kein renden Bereichs nicht nur lineare Funktionen, son- Licht /ur Fotodiode 4 und erzeugt dort dementspredern auch deren Ableitungen sowie Kreisfunktionen »5 chend auch keinen Strom Beim Niederdrücken dcv unmittelbar als Meßwerte erhalten werden und dar- Tastenhebels 5 bewegt sich sein Ansät? 5a mit dem stellbar sind. Durch die Form des reflektierenden Be- Dreieck 6 nach unten, und im gleichen Maße, wie der reichs können auch Nichtlinearitäten, die z. B. bei der reflektierende Bereich vor der Meßstelle zunimmt, die Lichtmenge aufnehmenden Anordnung vorhan- wachst auch der von der Fotodiode 4 gelieferte Strom, den sein könnten, kompensiert werden. Außerdem ist 30 Bei gleichförmigem Ablauf der Bewegung stiege dicdie optische Vorrichtung gemäß der Erfindung sta- ser Strom linear an. bei Unregelmäßigkeiten im Betisch eichbar, so daß sie stets vergleichbare Ergebnisse wegungsablauf sind diese unmittelbar aus den Abwciliefert. chungen des Fotodiodenstroms von einem linearen

Im folgenden wird die Erfindung an Hand eines Anstieg zu erkennen. Auf einem angeschlossenen Osin den Fig. 1 bis 3 gezeigten Ausführungsbeispiels 35 ziHographen. der den Stromverlauf wiedergibt, ist dabeschrieben und in ihrer Wirkungsweise erläutert Es mit der Bewegungsablauf direkt abzulesen. Wenn der stellen dar Hebel 5 mit Ansatz 5a nicht von Hand, sondern übci

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel für die Lichtfaser- einen Magneten ο ä. bewegt wird, läßt sich gleichzeioptik, tig der Verlauf des Antriebsstroms oszillographisch

Fig. la eine vergrößerte Darstellung des rechten 40 abbilden und so eine Zuordnung von Antrieb und BeTeils von Fig. 1. wegung erhalten.

Fig. 2 und 3 Ausführungsbeispiele der optischen Beim Loslassen des Tastenhebel 5 bewegt sich dct Vorrichtung für zwei verschiedene Anwendungsfalle. Ansät? 5a wieder nach oben. Dabei erscheint zunächst

Die in F i g. 1 gezeigte Lichtfaseroptik besteht aus die Basis des Dreiecks 6 und dann ein ständig abnehzwei Bündeln 1 und 2 von einzelnen Lichtleitfasern 45 mender Bereich an der Meßstelle a. der einen ent-1/1 ... η und 2/1 ... η bekannter Bauart. sprechend absinkenden Strom durch die Fotodiode 4

Das Bündel 1 liegt mit seinem Ende b an einer zur Folge hat. Auch hier prägen sich Schwingungen Lichtquelle 3 und führt deren licht zum Ende α.das u. dgl. des Tastenhebels 5 unmittelbar in Abweichunan die Meßstelle gebracht wird. Das Bündel 2 leitet gen des Fotodiodenstroms von einer linear fallender die an der Meßstelle, also an seinem Ende α aufge- so Kurve aus.

nommene reflektierte Lichtmenge zu einer Foto- Wenn, wie in Fig. 3 angedeutet ist. die Bewegung

diode 4, die unmittelbar am Ende b des Bändels 2 eines rotierenden Meßobjekts 7 aufzunehmen ist angeordnet ist. Dabei sind die Lichtlettfasern 1 /1... η wird an Stelle eines Dreiecks ein reflektierender Be und 2/1 ... η beider Bündel 1 and 2 am Ende α so ge- reich 8 von der Gestalt eines um eine gedachte kon führt, daß sich - linear angeordnet - jeweils eine 55 zentrische Mittellinie 9 gekrümmten Dreiecks au Faser aus dem Bündel 1 neben einer Faser aus dem dem Meßobjekt 7 angebracht, um die gleichen Ergeb Bündel 2 befindet. Diese Anordnung ist in Fig. la nissc wie beim vorhergehenden Beispiel zu erhal vergrößert wiedergegeben. ten.

Über die Fasern 1/1.. .n wird das jeweilige Meß- Die Form des reflektierenden Bereichs ist auch ii

objekt beleuchtet, während die Fasern 2/1.. η das 60 anderen Fällen leicht dem Anwcndungsfall anzupas vom Meßobjekt reflektierte Licht der Fotodiode 4 zu- sen. Soll eine lineare Funktion, beispielsweise di führen. Die Fotodiode 4 hefen einen Kurzschluß- Weg-Zeit-Funktion, aufgenommen werden, ist de. strom, der linear von der Stärke des auf sie fallenden reflektierenden Bereich einfach die Form zu geber reflektierten Lichts anhängt. Da gemäß Fig. 1 a die die bei gleichmäßiger Bewegung einen linearen Απ Fasern 1/1.. η und 2/1.. .n beider Bündel 1 und 2 65 stieg oder Abfall des Fotodiodenstroms zur Folg am Ende α über die gesamte Meßstelle gleichmäßig hätte. Auf diese Weise lassen skit auch Ntchthneariti verteilt sind, entspricht der von der Fotodiode 4 zu ten in der Kennlinie der Fotodiode 4 durch entspn jedem Zeitpunkt gelieferte Kurzschlußstrom unmit- chcndc Kantenkrümmung des reflektierenden B*

reichs 6 bzw. 8 ausgleichen.

In manchen Fällen mag nicht der Weg, sondern die Geschwindigkeit oder auch die Beschleunigung des bewegten Teils Soder 7 interessieren. Beide Angaben lassen sich aus der Weg-Zeit-Funktion mathematisch oder elektrisch ableiten und können im letzteren Falle unmittelbar auf dem Oszillographen dargestellt werden.

Wenn das zu untersuchende Teil 5 bzw. 7 sehr klein ist und einen entsprechend kleinen reflektierenden Bereich 6 bzw. 8 verlangt, kann davor ein nicht dargestelltes Objektiv angeordnet werden, das das Dreieck 6 (8) vergrößert auf dein Bündelende α abbildet. Ohne ein derartiges Objektiv sind Bewegungen von wenigen Millimetern in der Praxis noch sehr gut aus-

wertbar, mit zusätzlichen Objektiven gelangt man um einige Größenordnungen darunter.

Die beschriebene Anordnung ist statisch eichbar, und zwar entweder bei voller Reflexion durch entsprechende Einstellung des dann erhaltenen Maximalwerts des von der Fotodiode 4 gelieferten Stroms bzw. einer daraub,gewonnenen Spannung oder umgekehrt bei minimaler Reflexion. Zur Überprüfung dei Linearität lassen sich selbstverständlich auch beliebig

ίο viele Zwisrhenwerte statisch kontrollieren, indem bei einem definierten Weg die zugeordnete Ausgangsspannung auf Proportionalität geprüft wird. Diese Eichung gilt dann auch für den dynamischen Fall. Aul diese Weise werden stets vergleichbare Ergebnisse

hoher Genauigkeit erzielt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims (3)

1 930 ΠΙ Patentansprüche:

1. Optische Vorrichtung zum Messen der Bewegung von gegeneinander bewegten Teilen, von denen das bewegte mit einem Bereich von gegenüber seiner Umgebung unterschiedlichem Reflexionsvermögen ausgestattet ist, mit einer Lichtfaseroptik, die ein erstes, das bewegte Teil an der Abtaststelle mittels einer Lichtquelle beleuchten- « des Bündel aus senkrecht zur Bewegungsrichtung zellenförmig linear angeordneten Lichtleitfasern und ein zweites, die vom bewegten Teil an der Abtastzeile reflektierte, sich entsprechend der Bewegung verändernde Ljchtmeage aufnehmen- ¹S des Bündel aus senkrecht zur Bewegungsrichtung zellenförmig linear angeordneten Lichtleitfasern enthält, und mit einer diese veränderliche Lichtmenge aufnehmenden Anordnung, gekennzeichnet durch eine räumliche Orientierung »° der zellenförmig linear angeordneten Lichtleitfasern (1/1 ...«, 2/1.. .n) gegenüber dem bewegten, gegenüber seiner Umgebung unterschiedliches Reflexionsvermögen aufweisenden Bereich, und eine geometrische Form dieses Bereiches derart, »5 daß die Anzahl der das Licht an die die Lichtmenge aufnehmende Anordnung (4) zurückführenden Lichtleitfasern (2/1.. .n) innerhalb einer Zeile zu jedem Zeitpunkt der Stellung des bewegten Teils in linearer Zuordnung entspricht.

2. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich unterschiedlichen Rcflexionsvennögens entsprechend der zu messenden Funktion ausgebildet ist, d. h. zur Aufnahme einer linearen Funktion dreieckförmig (6 in Fi g. 2), zur Aufnahme eines Winkels

in Form einer geometrischen Figur von mit dem Winkel zunehmender Breite \& in F i g. 3) und zur Aufnahme einer quadratischen oder anderen nichthnearen Funktion mit entsprechenden nichtlinearen Begrenzungslinien.

3. Optische Vorrichtung nach den Ansprüchen I und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem bewegten Teil (S bzw. 7) und dem gemeinsamen Ende (β) beider Bündel (1, 2) von zellenförmig linear angeordneten Lichtleitfasern optische Mittel vorgesehen sind, die den auf dem bewegten Teil angebrachten, gegenüber seiner Umgebung unterschiedliches Reflexionsvermögen aufweisenden Bereich (6 bzw. 8) auf dem gemeinsamen Ende (α) beider Bündel von Lichtleitfasern abbilden.

dernde lichtmenge aufnehmendes Bündel aus senkrecht zur Bewegungsrichtung zeüenforrnig linear angeordneten Lichtleitfasern enthält, und mit einer diese veränderliche Lichtmenge aufnehmenden Anord-