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Abstandsmeßeinri chtuna
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Abstandsmeßeinrichtung zum Bestimmen
des Abstandes zwischen einer in einem Lichtstrahlengang angenommenen Referenzlinie
und einem Meßobjekt, bei der im Lichtstrahlengang ein abstandsabhängig verschiebbarer
Meßgeber zur Erfassung der Referenzlinie vorgesehen ist.
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Mit diesem Oberbegriff wird auf eine Meßvorrichtung Bezug genommen,
wie sie beispielsweise aus der Deutschen Offenlegungsschrift 25 05 391 bekannt ist.
Zum genauen Nachführen bewegter, durch Kräfte von einer vorgegebenen Sollage abweichender
Werkzeugmaschinenteile in die Sollage, z.B. eines unter Bearbeitungskräften des
Fräsers stehenden Werkzeugschlittens einer Portalfräsmaschine, wird bei der bekannten
Anordnung ein Laserstrahlgeber benutzt, der an einem der Abweichung nicht unterwofenen
Maschinenteil angebracht ist und dessen gebündelter Laserstrahl auf einen Konvexspiegel,
z.B.
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in Form eines Kreiszylinders, am nachzuführenden Maschinenteil gerichtet
ist. Ein Detektor im Bereich des vom Konvexspiegel reflektierten und durch diesen
divergierten Laserstrahls, bestehend aus einer Abbildungsebene mit mehreren in einer
Brückenschaltung angeordneten Fotoelementen oder Fototransistoren, gibt bei Abweichung
des nachzuführenden Maschinenteils von der Achse des Laserstrahls in positiver oder
negativer Richtung elektrische Steuersignale gegensinniger Polarität ab, die unter
Zwischenschaltung eines Verstärkers auf eine Nachlaufsteuerung zur Sollistkorrektur
des nachzuführenden Maschinenteils einwirken. Mit dieser bekannten Meßvorrichtung
sind also Abweichungen
erfaßbar, die innerhalb des Bereiches des
Lichtstrahlganges liegen, d.h. keinen zu großen Abstand von der Achse (Referenzlinie)
haben.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine präzise
und einfache Meßeinrichtung zu schaffen, mit der ohne weiteres auch größere Abstandsveränderungen
ohne Nachjustierung des Lichtstrahlenganges erfaßt werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mit dem senkrecht
zum Lichtstrahlgang in Schwingungen versetzten Meßgeber ein Wegaufnehmer gekuppelt
ist, und daß das beim Erfassen der Referenzlinie vorliegende Ausgangssignal des
Wegaufnehmers als Maß für den Abstand dient. Durch die Trennung zwischen Erfassung
der Referenzlinie und Wegmessung ist es nicht mehr notwendig, den Strahlgang laufend
den Veränderungen des Abstandes anzupassen. Man erhält dadurch ein relativ einfaches
und zuverlässiges Gerät, das ohne weiteres für die Fraxis tauglich ist.
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Als Wegaufnehmer können induktive Aufnehmer verschiedenster Bauart,
ohmsche oder kapazitive Aufnehmer, inkrementale oder auch codierte Aufnehmer bekannter
Bauweise verwendet werden. Als Antrieb für die Schwingbewegung können Exzenterantriebe,
magnetische pneumatische, hydraulische undZoder sonstige Schwinger benutzt werden.
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Zum Erfassen einer Referenzlinie kann eine dem Meßgeber zugeordnete
Fotodetektoranordnung im Lichtstrahlgang verwendet werden, die z.B. aus zwei Fotodetektoren
besteht, deren Ausgangsspannungen gleich groß werden, wenn die aktiven Flächen beider
Elemente gleich beleuchtet sind oder es können sogenannte "positionsabhängige"
Fotodetektoren
benutzt werden, deren Ausgangssignak proportional zum Abstand des Lichtfleckes vom
Mittelpunkt des Detektors sind.
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Zum Erfassen der Referenzlinie kann zusdtzlich auf in an sich bekannter
Weise im Meßgeber ein Strahlteiler für den durch einen Laser erzeugten Lichtstrahl
gang angeordnet und dessen Mittelachse über eine Fotodiodenanordnung erfaßt werden.
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Eine besondere vorteilhafte Ausbildung eines egaufnehmers ist ein
linearer Wegaufnehmer, dessen Kern den Strahlteiler trägt. In e ner abgewandelten
Variante kann der Abstand zwischen Referenzlinie und Meßobjekt auch über elastische
Elemente bestimmt werden, an denen der Meßgeber aufgehängt wird. Die Auslenkung
der elastischen Elemente kann dabei über die Dehnung der Elemente oder über die
erforderliche Auslenkkraft bestimmt werden.
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Durch die vorstehend genannte Anordnung ist also ohne weiteres die
Entfernung zwischen einer Werkstückoberfläche und einem bestimmten Punkt des Lichtstrahlganges,
z.B. der Strahlmitte erfaßbar. Beispiele für derartige Meßaufgaben können z.B. die
Bestimmung der Durchbiegung eines Trägers bei Temperaturänderungen oder Walzendurchbiegungen
bei Belastung sein.
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Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels sei
die Erfindung naher erläutert; es zeigen Figur 1 das Prinzip der Meßvorrichtung,
Figur 2 das Ausgangssignal des Vegaufnehmers und des Meßgebers, Figur 3 die Anwendung
der Anordnung zur Bestimmung der Durchbiegung eines Trägers und
Figur
4 eine abgewandelte Wegmessung mit Hilfe von Dehnungsmeßelementen.
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Es besteht die Aufgabe, den Abstand a zwischen der Oberfläche eines
Werkstückes 1 und der Mittelachse 21 (Referenzlinie) eines durch einen nicht gezeigten
Laser erzeugten Strahlganges 2 zu bestimmen. Der Laser möge dabei ortsfest justiert
sein.
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Auf der Oberfläche des Werkstückes 1 wird ein Abtastkopf 3 verschoben,
auf dem der feststehende Spulenteil 41 eines induktiven Wegaufnehmers 4 angeordnet
ist. Der Kern 43 des induktiven Wegaufnehmers 4 ist mit einem Meßgeber 5 zur Erfassung
der Mittelachse 21 gekuppelt.
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Dieser Meßgeber 5 besteht aus einem optischen Strahlteiler 51, der
das einfallende Licht in zwei auf die fest angeordneten Fotoelemente 52 fallende
Teile zerlegt. Trifft die Mittelachse 21 genau auf die Spitze des Strahlteilers
51, so sind die Ausgangssignale der Fotoelemente 52 gleich groß, so daß sich bei
einer Gegeneinanderschaltung dieser Fotoelemente 52 das Ausgangssignal "on ergibt.
Dieses Ausgangssignal "O" dient zur Festlegung des Zeitpunkts, in dem Referenzlinie
21 und Spitze des Strahlteilers 51 übereinstimmen.
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Der Kern 42 des induktiven Wegaufnehmers 4 und damit der Strahlteiler
51 wird nun durch einen Exzenterantrieb 6 in Schwingungen x senkrecht zum Lichtstrahlgang
2 versetzt. Damit ergibt sich beispielsweise die in Figur 2 über die Zeitdauer J
der Drehbewegung des Exzenterantriebes 6 dargestellte Ausgangsspannung Ux am Ausgang
des feststehenden Spulenteiles 41 des Wegaufnehmers 4. In dem Augenblick, in dem
die Spitze des Strahlteilers 51 die Referenzlinie 21 durchläuft, z.B.
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zu den durch die Foto elemente 52 erfaßten Zeitpunkten t1 und t2 in
Figur 2 unten, wird das jeweilige Ausgangssignal des Wegaufnehmers 4 in einer Elektronik
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und der Momentanwert Um gespeichert. Ergibt sich nun infolge
einer Verschiebung des Abtastkopfes 3 auf der Werkstückoberfläche eine Veränderung
des Abstandes zwischen feststehendem und bewegtem Teil des Meßwertaufnehmers 4,
so wird beim tTulldurchgang des Strahlteilers der jeweils auftretende Momentanwert
der Ausgangsspannung des Wegaufnehmers sich ebenfalls ensprechend verndern, wie
z R.
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zum Zeitpunkt t2 ersichtlich. Daraus folgt, daß sich zwischen den
Zeitpunkten t1 und t2 auch der Abstand a verändert haben muß. Dieser Abstand a setzt
sich nämlich zusammen: =Xref +X +X a = wobei Xref und x1 konstant sind.
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Mit anderen Worten, die über die Veränderung des Abstandes Xm erfaßte
änderung kann also aL Maß für die Enderung von a und damit zur Bestimmung des jeweils
aktuellen Abstand a verwendet werden.
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Figur 3 zeigt die beispielsweise Verwendung dieses Meßprinzips zur
Bestimmung der Durchbiegung eines Trägers.
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Wie ersichtlich, ist hier der Abtastkopf 3 auf einem Wagen 9 angeordnet,
der auf dem Träger 8 verfahrbar ist.
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Durch die beschriebene Meßvorrichtung kann nun der jeweilige Abstand
a von der Oberfläche des Trägers zur Referenzlinie 21 des Lichtstrahlganges 2 bestimmt
werden und zwar mit sehr hoher Genauigkeit.
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Figur 4 zeigt eine gewisse Abwandlung des Wegaufnehmers und zwar ist
hier der Meßgeber 5 über zwei elastische Biegefedern 11 und 12 mit einem Rahmen
10 verbunden, der seinerseits wieder entsprechend den Veränderungen des Abstandes
nach oben oder unten verschoben wird. Bei dieser Anordnung wird der Auslenkungsweg
beim Erfassen der
Referenzlinie über Sensoren 13 zur Bestimmung
der elastischen Dehnungen oder über Sensoren 14 zur Bestimmung der für diese Auslenkung
erforderlichen Anzugskraft erfaßt.
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Anhand der vorstehenden Beschreibung wurde das Meßprinzip erläutert;
hinsichtlich der Geber,der Schwingungsantriebe und auch der Auswertung und Speicherung
des Meßsignals sind verschiedenartige Modifikationen denkbar, wobei das Grundprinzip
der vorliegenden Erfindung, nämlich die Trennung zwischen Erfassung einer Referenzlinie
und dem dazugehörigen Tffeg beibehalten wird.
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4 Figuren 6 Patentansprüche