DE2124444A1

DE2124444A1 - Verfahren zum Bestimmen der Dicke oder Breite von Werkstücken

Info

Publication number: DE2124444A1
Application number: DE19712124444
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl.-Ing.; Klement Ekkehard Dr. rer. nat; 8000 München; Röß Dieter Dr. rer. nat 8033 Planegg; Rosenberger Dieter Dr. rer. nat 8000 München. P Eschler
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1971-05-17
Filing date: 1971-05-17
Publication date: 1972-11-30
Also published as: FR2137940A1; CA997926A; FR2137940B1; IT955352B; SE382865B; NL7206592A; LU65361A1; DE2124444B2; DE2124444C3; BE783614A; GB1392325A

Description

Verfahren zum Bestimmen der Dicke oder Breite von Werkstücken

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum schnellen berührungsfreien Messen der Dicke oder Breite von ebenen Werkstücken. Diese Abmessungen werden digitalisiert ausgegeben. Es eignet sich daher ein Digitalrechner, mit dem schnell bewegte Werkstücke in Fertigungsprozessen gesteuert werden können.

Es ist bekannt, Dickenmessungen mit Hilfe von Röntgenstrahlen oder radioaktiven Präparaten vorzunehmen. Eine Dickenmessung über 100 mm hinaus ist jedoch hierdurch nicht möglich; außerdem muß mit einer langen Meßzeit gerechnet v/erden.

Eine weitere Möglichkeit, Abmessungen von Werkstücken zu bestimmen, ist die auf optischem Wege, die berührungslose Bestimmungen d,er Abmessungen gestattet. Die Auslege schrift 1 548 361 bezieht sich auf eine Anordnung, bei der das Meßo.bjekt aus zwei parallelen Strahlenbündeln Teile der Bündel-Querschnitte ausblendet. Die Restbündel werden über rotierende das Licht durchlassende Öffnungen geleitet, unter denen Detektoren fest angeordnet sind. Die Zeitdauer, während der diese Detektoren einen Lichteinfall registrieren, ist dann ein Maß für die Abmessungen des Werkstücks. Infolge der rotierenden Teile dieser Anordnung ist jedoch die Genauigkeit der Messung gering.

In der Offenlegungsschrift 1 803 285 wird ebenfalls ein optisches Dickenmeßverfahren erläutert, das allerdings nur zur Messung der Dicke von transparenten Folien oder Platten geeignet ist. Es verwertet einen unter 45° auf die Folien oder Platten auffallenden Strahl, der an der Oberseite und an der

VPA 9/712/0107a WR/The

* 209849/0299

-2-

Unterseite des Meßobjektes reflektiert wird, aus deren gemessenen Abstand die Dicke bestimmt werden kann.

Bekannt ist weiterhin eine Meßvorrichtung zur Bestimmung der Breite von Werkstücken. Sie ist in der OS 1 548 292 beschrieben. Ein selbstleuchtendes Werkstück oder ein nicht selbstleuchtendes Werkstück, das dann an den Kanten beleuchtet wird, sendet in der Nähe der Kanten, deren Abstand gemessen werden soll, Strahlen in zwei Detektoren. Auf dem Weg dorthin werden sie durch einen rotierenden Spiegel in Strahlungsimpulse umgewandelt, wobei die Impulsformen von W den Diskontinuitäten des Lichtes, die an den Kanten entstehen, herrühren. Aus der Breite der Impulse läßt sich dann die Breite des Werkstücks bestimmen. Diese Vorrichtung ist jedoch nur geeignet, Abweichungen von einer Sollbreite des Werkstückes zu überwachen. Die Anordnung muß genau nach der Sollbreite des Werkstücks hergestellt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, digitalisierte Längenmeßverfahren anzugeben, die insbesondere bei automatisierten Pertigungsprozessen anwendbar sind und ganz allgemein die berührungsfreie Abmessung der Breite oder Dicke, beispielsweise auch von schnell bewegten oder undurchsichtigen Werkstücken gestatten.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß von oberhalb des Werkstücks angeordneten akustooptischen Lichtablenkern, Laserstrahlen auf der Oberfläche des Werkstücks schrittweise abgelenkt werden, dort diffus reflektiert werden und von in einigem Abstand von der Oberfläche angeordneten Detektoren registriert werden, die nur Licht aus je einer Richtung aufnehmen können, und daß die Abmessungen aus der Zeitdifferenz zwischen dem Beginn der Strahlablenkung und dem Detektorsignal bestimmt werden.

.VPA 9/712/0l07a -5-

209849/0299

212AA44

Bei dem Verfahren das sich vorzugsweise für die Dickenmessung eignet, wird ein von dem ersten Endpunkt einer zur Werkstücksoberflache parallelen Bezugsstrecke ausgesandter lichtstrahl auf einen Punkt der Werkstücksoberfläche, dessen Abstand von der Bezugsstrecke gemessen werden soll, gerichtet, wird von dort diffus reflektiert und gelangt zu einem am zweiten Endpunkt der Bezugsstrecke angeordneten Empfänger. Weiterhin wird symmetrisch bezüglich der horizontalen Mittellinie des Werkstücks ein von dem ersten Endpunkt einer zweiten ebenfalls zur Werkstücksoberflache parallelen Bezugsstrecke (zweiter) ausgesandter Lichtstrahl auf einen Punkt auf der entgegengesetzten Seite der Werkstücksoberfläche gerichtet, dort diffus reflektiert und gelangt zu einem am zweiten Endpunkt der zweiten Bezugsstrecke angeordneten Empfänger, der nur Licht registriert, das aus einer bestimmten Richtung einfällt. Meßfehler, die entstehen, wenn das Werkstück seine Lage relativ zu den Bezugsstrecken verändert, können durch die zweite Meßanordnung auf der anderen Seite des Werkstücks vermieden werden.

■Vorteilhafterweise werden aus den bekannten Winkeln zwischen den ausgesandten bzw. den zurückgeworfenen Lichtstrahlen und den beiden Bezugsstrecken sowie aus den bekannten Längen der Bezugsstrecken die Abstände der beiden Umlenkpunkte a\if dem Werkstück von den beiden Bezugsstrecken elektronisch bestimmt und aus diesen beiden Abständen die Dicke ebenfalls elektronisch bestimmt.

Bei dem zweiten Verfahren, das sich vorteilhafterweise zur Breitenmessung eignet, werden zwei Laserstrahlen von je einem akustooptischen Lichtablenker, die oberhalb der die Breite des Werkstücks festlegenden Kanten angeordnet sind, senkrecht zu den Kanten des Werkstücks abgelenkt und von zwei ebenfalls oberhalb des Werkstücks angeordneten Detektoren registriert, wenn sie am Werkstück diffus reflektiert worden sind.

VPA 9/712/0107a ' -4-

209»49/0299

Bei bekanntem Abstand der beiden Ablenker wird die Breite des Werkstücks insbesondere, aus der Zeitdifferenz zweier Impulse bestimmt,, die die beiden Detektoren erzeugen, wenn ^; die beiden Lichtstrahlen gerade die.Werkstückkanten schneiden. . "·■""-

Anhand der Figuren soll die Erfindung näher erläutert werden. Die Fig.1 zeigt eine Anordnung zum Vermessen der Dicke von Werkstücken, ■ . :, - --.-_;:>;·./". - : ' -

die Pig.2 zeigt, eine Anordnung zum Vermessen hauptsächlich der Breite von Werkstücken,

w die Pig.3-zeigt Diagramme.zum Bestimmen der Breite aus den Signalen an den Detektoren.

Die Figur 1.zeigt, wie die Dicke eines Materialstücks 22 gemessen wird,, das auf einem Fließband vorbei transportiert wird und deshalb seine Lage verändert und.das deshalb in zwei verschiedenen Positionen gezeichnet ist. Ein Lasersender 1, der aus Laseroszillator 2 und einer Ablenkeinheit 3 besteht, sendet vom Punkt 9 aus Licht schrittweise in verschiedene Richtungen in der Zeichenebene, die an den Punkten 5 auf der einen Seite.des Werkstücks 22 diffus reflfek-tiert werden, bis einer der, Strahlen gerade durch die Öffnungen fc und 4 des Empfängers 7 hindurchgelangt und dahinter registriert werden kann. Dazu wird der aus dem Lasersender austretende Strahl durch den. akustooptischen Lichtablenker 3 derart abgelenkt, daß er längs Geraden, die alle in einer durch die Bezugslinie 8 verlaufenden Ebene liegen, sich ausbreitet. Läßt man nämlich durch einen Kristall Schallwellen hindurchlaufen, was durch Anregung über einen- piezoelektrischen Kristall möglich.ist, dann wird ein ebenfalls durch den Kristall laufender Lichtstrahl proportional-der Schallfrequenz abgelenkt. Ablenker 3 und Empfänger 7 liegen auf einer horizontalen Bezugslinie 8, so daß ein Dreieck 9_f 5, 10 mit der Höhe entsteht. Auf der anderen Seite des Werkstücks 22 liegt eine

VPA 9/712/0107a · -5-

209 849.7029.9-

symmetrische Anordnung vor. Von einem zweiten Lasersender 12, der aus einem Laseroszillator 6 und einer Ablenkeinheit 19 besteht, laufen von einem Punkt 20 einer zweiten horizontalen Bezugslinie 17 in schrittweise abgelenkten Richtungen in der Papierebene Laserstrahlen auf das Werkstück 22 zu, die auf der Seite des Werkstücks 22, die den Punkten 5 gegenüberliegt, in den Punkten 13 diffus reflektiert werden und durch äwei Blenden 14 und 21 eines an4er Bezugslinie 17 angeordneten Empfängers 15 hindurchgelangen und dann registriert werden, wenn die durch die Blenden 14 und 21 bestimmte Richtung des einfallenden Strahls vorliegt. Es entsteht auf dieser Unterseite wieder ein Dreieck 20, 14, 13 mit der Höhe 16.

Für die Bestimmung der Höhen 11 und 16 genügt es, nur den Winkelet/ bei 9 und den Winkel fs bei 20 aus den piezoelektrischen Wandleransteuerungen zu messen. Da die Winkel, die die am Werkstück 22 abgelenkten und in den Empfängern 7 und 15 registrierten Strahlen mit den Bezugslinien 8 bzw. 17 bilden, fest und bekannt sind und somit in den beiden Dreiecken 9, 5, 10 und 20, 14, 13 je zwei Winkel und die Seite 9, 10 bzw. 20, 14 bekannt sind, lassen sich daraus die Abstände 11 und 16 aus der Ablenkrichtung der Ablenker elektronisch bestimmen. Der Laserstrahl wird nämlich über viele Positionen schrittweise abgelenkt und jedem Zeitpunkt wird eine bestimmte Lichtstrahlrichtung zugeordnet. Jeder Lichtstrahlrichtung ist dann ein bestimmter Abstand des Werkstücks von den Bezugslinien eindeutig zugeordnet, so daß die im Zeitpunkt der Detektorsignale steckendeielektronischen Informationen in einem elektronischen Rechner nur umgesetzt zu werden brauchen. Zur Bestimmung der Dicke des Werkstücks 22 werden dann ebenfalls elektronisch die Abstände 11 und 16 vom Abstand 18 άδ.» Bezugslinien 8 und 17 subtrahiert..

VPA 9/712/0107a -6-

209B4 9/0299

Durch die in der Figur 2 gezeigte Anordnung läßt sich vorteilhafterweise die Breite eines Werkstückes messen. Sie zeigt einen Lasersender 23, der nach zwei entgegengesetzten Richtungen Laserstrahlung aus%ndet, die durch die TJmlenkprismen 24 und 25 auf die beiden Lichtablenker 26 und 27 gerichtet sind. Von hier werden die beiden Strahlen senkrecht zu den beiden Kanten 28 und 29 des Werkstücks 30, die die Breite des Werkstücks 30 bestimmen, abgelenkt. Solange die beiden Strahlen noch auf die Werkstücksoberfläche auftreffen, werden sie dort diffus reflektiert und gelangen in die Detektoren 31 und 32, die dieses Licht re-P gistrieren. Werden die beiden Strahlen über die Werkstückskanten 28 und 29 hinaus abgelenkt, so können sie nicht mehr in die Detektoren 31 und 32 gelangen. Die Breite des Werkstücks 30 wird nun durch den Zeitpunkt bestimmt, in dem die auf das Werkstück fallenden Lichtstrahlen gerade die Kanten 28 und 29 erreichen. Dies wird anhand der Figuren 3 bis 6 näher erläutert.

Die Figuren 3 bis 6 zeigen vier Diagramme, in denen in Fig.3 die Ablenkfrequenz des Ablenker s 26 ^> 26 über der Zeit t aufgetragen ist. Infolge des treppenförmigen Anstiegs der Frequenz wird der aus dem Ablenker 26 austretende Lichtstrahl schrittweise abgelenkt. In der Figur 4 ist das am Detektor empfangene Lichtsignal I 31 gegen die Zeit t aufgetragen. Während der Zeit Δ t 1 läuft der abgelenkte Lichtstrahl an der Kante 28 vorbei nach außen, so daß kein Signal empfangen wird. Erst wenn der Lichtstrahl die Oberfläche des Werkstücks 30 erreicht, registriert der Detektor 31 ein Signal.

In der Figur 5 ist wiederum die Ablenkfrequenz des Ablenkers 27 V 27 gijen die Zeit t aufgetragen, die ebenfalls treppenförmig verläuft. Der Detektor 32 empfängt nach einer

VPA 9/712/0107a -7-

209H49/Ü299

~⁷~ 212U44

Zeit £\- t2 (Pig. .6L, Diagramm, in dem die Signalhöhe I 32 gegen die Zeit t aufgetragen ist) das hier eingezeichnete Signal. Im allgemeinen v/erden die von den Ablenkern 26 und 27 -weitergeleiteten Lichtstrahlen die beiden Werkstückskanten 28 und 29 zu verschiedenen Zeiten erreichen. Aus dieser Zeitdifferens £± t läßt sich nun die Breite des Werkstücks 30 aus der Formel B = b_Q + K . ^S. t "bestimmen. b_Q bedeutet dabei den Abstand der beiden Lichtablenker 26 und

Die akustooptischen Lichtablenker sind wegen ihrer beinahe trägheitslosen elektronischen Ansteuerung zum direkten Kontakt mit einem Digitalrechner sehr gut geeignet. Die.Verfahren ermöglichen also eine digitalisierte Ausgabe der Meßinformationen und erlauben Kurszeitmessungen von weniger als 1 Millisekunde.

4 Patentansprüche
£ Figuren

■j- Γ-

VPA 9/712/0107a ' ~ -8-

209849/0299

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum schnellen berührungsfreien Messen der Dicke oder Breite von Werkstücken, dadurch g e k e η η zeichnet , daß von oberhalb des Werkstücks angeordneten akustooptischen Lichtablenkern, Laserstrahlen schrittweise über die Oberfläche des Werkstücks geführt werden, dort diffus reflektiert werden und von in einem Abstand

von der Oberfläche angeordneten Detektoren registriert werden, die nur Licht aus je einer Richtung aufnehmen können und daß die Abmessungen aus der Zeitdifferenz zwischen dem w Beginn der Strahlablenkung und dem Detektorsignal bestimmt werden.

2. Verfahren zur Dickenmessung nach Anspruch 1, wobei ein von einem ersten Endpunkt einer zur Werkstücksoberfläche parallelen Bezugsstrecke ausgesandter Lichtstrahl auf einen Punkt der einen Werkstücksoberflache gerichtet wird, dessen Abstand von der Bezugsstrecke gemessen werden soll, dort diffus reflektiert wird und zu einem am zweiten Endpunkt der Bezugsstrecke angeordneten Empfänger gelangt, der nur Licht registriert, das aus einer bestimmten Richtung*einfällt und wobei weiterhin symmetrisch zur horizontalen Mittel-

fe linie des Werkstücks ein vom ersten Endpunkt einer zweiten . zur Werkstücksoberfläche parallelen Bezugsstrecke ausgesandter zweiter Lichtstrahl auf einen Punkt auf der entgegengesetzten Seite .der Werkstücksoberfläche gerichtet wird, dort diffus reflektiert wird und zu einem am zweiten Endpunkt der zweiten Bezugsstrecke angeordneten Empfänger gelangt, der ebenfalls nur Licht registriert, das aus einer bestimmten Richtung einfällt, dadurch gekennzeichnet , daß aus den bekannten Winkeln zwischen den ausgesandten bzw. den zurückgeworfenen Lichtstrahlen und den beiden Bezugsstrecken sowie den bekannten Längen der beiden Bezugsstrekken auf beiden Seiten des Werkstücks die Abstände der beiden

VPA 9/712/O1O7a _2og849/0299 -9-

Umlenkpunkte auf dem Werkstück von den "beiden Bezugsstrecken elektronisch bestimmt werden und daß aus diesen "beiden Abständen und dem bekannten Abstand der Bezugsstrecken die Dicke ebenfalls elektronisch bestimmt wird.

3. Verfahren zur Breitenmessung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß zwei Laserstrahlen von je einem akustooptischen Lientablenker, die oberhalb der die Breite des Werkstücks festlegenden Kanten angeordnet sind, senkrecht zu den Kanten des Werkstücks abgelenkt werden und von zwei ebenfalls oberhalb des Werkstücks angeordneten Detektoren registriert werden, wenn sie am Werkstück diffus reflektiert worden sind.

4. Verfahren nach Anspruch 3» dadurch gekenn ζ eich net , daß bei bekanntem Abstmd der beiden Ablenker die Breite des Werkstücks aus der Zeitdifferenz zweier Impulse bestimmt wird, die die beiden Detektoren erzeugen, wenn die beiden Lichtstrahlen gerade die Werkstuckskaiiten schneiden.

VPA 9/712/0107a

2098A9/0299