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DE4032361A1 - Dia. and distance measuring head for lathe - uses triangulation principle with measuring illuminating beam and optical axis of imaging optics forming angle of 30 deg. - Google Patents

Dia. and distance measuring head for lathe - uses triangulation principle with measuring illuminating beam and optical axis of imaging optics forming angle of 30 deg.

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DE4032361A1
DE4032361A1 DE19904032361 DE4032361A DE4032361A1 DE 4032361 A1 DE4032361 A1 DE 4032361A1 DE 19904032361 DE19904032361 DE 19904032361 DE 4032361 A DE4032361 A DE 4032361A DE 4032361 A1 DE4032361 A1 DE 4032361A1
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Germany
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sensor
optics
optical
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laser
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DE19904032361
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Dirk Prof Dr Ing Jansen
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    • B23Q17/00Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools
    • B23Q17/24Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools using optics or electromagnetic waves
    • B23Q17/2452Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools using optics or electromagnetic waves for measuring features or for detecting a condition of machine parts, tools or workpieces
    • B23Q17/2471Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools using optics or electromagnetic waves for measuring features or for detecting a condition of machine parts, tools or workpieces of workpieces
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
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Abstract

A laser diode with a collimator produces a thin, straight illuminating beam. Imaging optics (3) intercept the diffuse laser beam reflected from the workpiece (2) for imaging on position sensitive electro-optical sensor (5) in the form of a CCD linear line sensor using a large number of photo-sensitive detectors in a row. Their signals are evaluated by processing electronics. The beam path can be so deflected by a 90 deg. prism that the linear sensor is centrally arranged at right angles to the illumination axis. The focal length of the optics is selected so that the longest as well as the shortest distance to be measured leads to a sharp image of the laser sport being produced on the linear sensor. A 1 : 1 ratio of the distance measuring range is produced on the length of the photosensitive sensor. ADVANTAGE - Requires no cable connection. Sharp imaging over complete measuring range for accurate evaluation. Resistant to temp. changes.

Description

1. Problemstellung1. Problem

Auf numerischen Drehmaschinen werden heute Wellen und andere Drehteile mit hoher Geschwindigkeit und Präzision hergestellt. Da die verwendeten Werkzeuge einem Verschleiß unterliegen, kann trotz gleicher Zustellung der erzeugte Drehdurchmesser nicht immer garantiert werden. Ein Nachmessen des Werkstücks nach der Herstellung außerhalb der Maschine in einer speziellen Meßvorrichtung ist deshalb heute üblich, um gegebenenfalls Korrekturen der Einstellung oder einen Austausch der Schneidplatten zu veranlassen.Numerical lathes today produce shafts and other turned parts at high speed and precision made. Since the tools used are subject to wear, can same delivery of the turning diameter generated are not always guaranteed. A remeasurement of the Workpiece after manufacture outside the machine in a special measuring device is therefore common today to make adjustments or replace the inserts if necessary to initiate.

Eine zusätzliche Meßvorrichtung könnte enfallen, wenn ein Vermessen des Werkstücks mit hoher Präzision bereits auf der Maschine erfolgt. Hierzu wird ein Distanzmeßgerät benötigt, welches einerseits die nötige Meßauflösung aufweist, andererseits so robust ausgeführt ist, daß es wie ein Werkzeughalter auf dem Revolver der Maschine angeordnet werden kann. Die Messung sollte zudem berührungslos erfolgen, um auch bei rotierendem Werkstück einen Meßwert zu bekommen. Da in vielen Fällen eine Kabelzuführung zum Revolver nicht zulässig oder sehr störend wäre, soll das Distanzmeßgerät über eine autarke Versorgung und kabellose Datenübertragung verfügen.An additional measuring device could be omitted if the workpiece was measured with high precision already done on the machine. For this, a distance measuring device is required, which on the one hand has the necessary Has measurement resolution, on the other hand is so robust that it is like a tool holder on the The machine's turret can be arranged. The measurement should also be done without contact in order to to get a measured value with a rotating workpiece. Since in many cases a cable feed to Turret would not be permissible or very annoying, the distance measuring device should have an independent supply and wireless data transmission.

Es sind Meßfühler bekannt, die mit Hilfe von induktiven Wegaufnehmern die erforderliche Meßauflösung realisieren. Die Verwendung dieser Aufnehmer setzt jedoch immer einen mechanischen Kontakt mit dem Werkstück voraus, was eine Verwendung bei Rotation ausschließt.Measuring sensors are known which use inductive displacement sensors to provide the required measurement resolution realize. However, the use of these transducers always makes mechanical contact with the Workpiece ahead, which excludes use in rotation.

Es sind ferner Distanzaufnehmer nach dem optischen Triangulationsprinzip bekannt, bei denen das Werkstück durch einen Laserstrahl beleuchtet und die Position des Leuchtflecks auf einen positionsempfindlichen Detektor direkt abgebildet wird. Diese Aufnehmer sind zur Messung von Distanzen auf optischem Wege prinzipiell geeignet, von der Meßgenauigkeit jedoch meist nicht ausreichend und aufgrund ihres Aufbaus zu groß, um sie auf die Größe eines Werkstückhalters zu integrieren. Die positionsempfindlichen Halbleiterdetektoren ermöglichen zudem nur die Ermittlung eines Summensignals des Lichtflecks, das Signal ist temperaturabhängig und bedarf mehrfacher Kompensation.Distance sensors based on the optical triangulation principle are also known, in which the workpiece illuminated by a laser beam and the position of the light spot on a position sensitive Detector is imaged directly. These sensors are used to measure distances optically suitable in principle, but usually not sufficient in terms of measuring accuracy and due to its structure large to integrate them to the size of a workpiece holder. The position sensitive semiconductor detectors also only allow the determination of a sum signal of the light spot, the signal is temperature-dependent and requires multiple compensation.

Alle diese Aufgaben verfügen in den bekannten Ausführungen über umfangreiche Kabelanschlüsse, die nicht ohne weiteres durch Datenübertragungskanäle ersetzt werden können.All of these tasks in the known designs have extensive cable connections, which are not can be easily replaced by data transmission channels.

2. Gegenstand der Erfindung2. Subject of the invention

Die Erfindung verwendet eine Anordnung des Triangulationsprinzips, welches aus der Geodäsie hinlänglich zur Bestimmung von Entfernungen bekannt ist, auf die Messung der Distanz Werkstück-Sensor an. Hierbei wird das Werkstück durch einen feinen Laserstrahl, der durch eine in der Meßachse angeordnete Laserdiode mit Kollimator (Abb. 1) erzeugt wird, beleuchtet. Das auf der Oberfläche diffus reflektierte Licht wird von einer unter dem Winkel von 30 Grad zur Meßachse angeordneten Abbildungsoptik aufgenommen und über ein Prisma auf dem CCD-Zeilensensor abgebildet. Durch Wahl des ausgezeichneten Winkels von 30 Grad für die Mitte des Meßbereichs und ein 90 Grad Prisma ergibt sich auf Grund der Abbildungsgeometrie eine Schärfeebene, die senkrecht zur Meßachse steht. Bei geeigneter Wahl der Optik-Brennweite und ev. Justage des Prismas kann erreicht werden, daß die Mitte des CCD-Sensors mit der Meßachse zusammenfällt, wodurch sich eine sehr kompakte und fertigungsmäßig günstige Anordnung aller optischen Komponenten ergibt. Ferner läßt sich eine angenähert 1 : 1 Abbildung des zu messenden Meßbereichs auf den Sensor erreichen, was zu einer hohen Meßauflösung beiträgt.The invention uses an arrangement of the triangulation principle, which is well known from geodesy for determining distances, for measuring the distance between workpiece and sensor. The workpiece is illuminated by a fine laser beam, which is generated by a laser diode with a collimator ( Fig. 1) arranged in the measuring axis. The light diffusely reflected on the surface is picked up by imaging optics arranged at an angle of 30 degrees to the measuring axis and imaged on the CCD line sensor via a prism. By choosing the excellent angle of 30 degrees for the center of the measuring range and a 90 degree prism, the image geometry results in a sharpness plane that is perpendicular to the measuring axis. With a suitable choice of the optical focal length and possible adjustment of the prism it can be achieved that the center of the CCD sensor coincides with the measuring axis, which results in a very compact and inexpensive arrangement of all optical components. Furthermore, an approximately 1: 1 mapping of the measuring range to be measured onto the sensor can be achieved, which contributes to a high measuring resolution.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung ist sichergestellt, daß die Abbildung des Laserflecks auf dem Sensor für alle Entfernungen innerhalb des Meßbereichs scharf ist und damit eine genaue Auswertung erlaubt.In the arrangement according to the invention it is ensured that the imaging of the laser spot on the sensor is sharp for all distances within the measuring range and thus allows an exact evaluation.

Die Verwendung eines CCD-Zeilendetektors mit einer großen Zahl von Einzelelementen, deren Raster durch die Herstelllgeometrie fest liegt, ermöglicht darüber hinaus eine genaue Auswertung des Bildpunktmusters, welche über die reine Integration hinausgehen kann. Die Anordnung ist zudem weitgehend unempfindlich gegen Temperaturänderungen. The use of a CCD line detector with a large number of individual elements, the raster of which the manufacturing geometry is fixed, also enables an exact evaluation of the pixel pattern, which can go beyond pure integration. The arrangement is also largely insensitive against temperature changes.  

Der Meßkopf ist ferner erfindungsgemäß mit einer Elektronik ausgestattet, die die aufgenommenen Werte des CCD-Sensors digitalisiert, in ein sequentielles Datenformat bringt und über eine optische Datenstrecke (Leistungs-LED oder Laserdiode) abstrahlt.The measuring head is also equipped according to the invention with electronics that record the recorded values of CCD sensors digitized, brought into a sequential data format and over an optical data link (Power LED or laser diode) emits.

Die Versorgung der Elektronik erfolgt erfindungsgemäß durch Batterien bzw. Akkumulatoren, so daß keine Kabelzuführung erforderlich ist.According to the invention, the electronics are supplied by batteries or accumulators, so that none Cable entry is required.

Die Messung wird initialisiert durch ein optisches Signal, welches erfindungsgemäß durch einen im Meßkopf enthaltenen optischen Detektor empfangen und in der Steuerelektronik verarbeitet wird.The measurement is initialized by an optical signal, which according to the invention is given by a measurement head contained optical detector received and processed in the control electronics.

Der äußere Aufbau entspricht erfindungsgemäß in den Dimensionen und in der mechanischen Schnittstelle einem Werkzeughalter, so daß eine Anordnung auf dem Revolver einer numerischen Drehbank problemlos möglich ist. Die Gehäuseausführung ist präzise, um eine mit einem Werkzeug vergleichbare Reproduzierbarkeit zu erhalten. Der Meßbereich ist ausreichend groß, um vor der Messung eine Referenz anfahren zu können (Drehmaschine, Revolverposition), die so gewählt wird, daß alle weiteren Messungen des Werkstücks ohne Repositionierung der Revolver-Vorschubachse möglich sind, was Positionierungenauigkeiten dieser Achse ausschließt.According to the invention, the external structure corresponds in dimensions and in the mechanical interface a tool holder, so that an arrangement on the turret of a numerical lathe is easy is possible. The housing design is precise to ensure reproducibility comparable to a tool to obtain. The measuring range is large enough to be able to approach a reference before the measurement (Lathe, turret position), which is selected so that all further measurements of the workpiece without Repositioning of the turret feed axis is possible, causing positioning inaccuracies of this axis excludes.

Zum Schutz vor Spänen und der Kühlmittelflüssigkeit ist das optische Fenster des Gehäuses erfindungsgemäß durch einen dichten Verschluß während des Drehvorgangs geschützt. Erst bei Empfang eines entsprechenden Kommandos wird der Verschluß durch einen elektromotorischen Antrieb entfernt und die Optik freigegeben. Das Kühlmittel muß während der Messung ausgeschaltet sein. Nach der Messung wird die Optik wieder dicht verschlossen.To protect against chips and the coolant liquid, the optical window of the housing is according to the invention protected by a tight seal during the turning process. Only when receiving a corresponding one Commands are removed by an electric motor drive and the optics Approved. The coolant must be switched off during the measurement. After the measurement, the optics tightly closed again.

3. Beschreibung der Erfindung3. Description of the invention

Abb. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Licht einer Laserdiode mit Kollimator (1) fällt auf das Werkstück (2), eine in der Maschine aufgespannte, möglicherweise rotierende Welle. Eine Abbildungsoptik (3) sammelt das diffus reflektierte Licht des Laserflecks und bildet es über ein Prisma (7) auf dem CCD- Zeilensensor (5) ab. Dabei werden die Punkte des Meßbereichs (6) 1, 2, 3 auf die entsprechenden Punkte 1′, 2′, 3′ abgebildet. Fig. 1 shows an embodiment of the invention. The light from a laser diode with collimator ( 1 ) falls on the workpiece ( 2 ), a possibly rotating shaft spanned in the machine. An imaging optics ( 3 ) collects the diffusely reflected light from the laser spot and images it via a prism ( 7 ) on the CCD line sensor ( 5 ). The points of the measuring range ( 6 ) 1, 2, 3 are mapped to the corresponding points 1 ', 2', 3 '.

Die Optik ist in einem lichtdichten Gehäuse (4) untergebracht, welches im folgenden als Sensorkopf bezeichnet werden soll.The optics are housed in a light-tight housing ( 4 ), which will be referred to below as the sensor head.

Abb. 2 zeigt den Aufbau des Sensorkopfes (11) auf dem Revolver (10) einer Drehmaschine. Die mechanische Verbindungsschnittstelle (12) ist nur angedeutet. Seitlich am Sensorkopf sind ein optischer Transmitter (LED) (13) und ein optischer Empfänger (14) angeordnet, um Steuerbefehle einer hier nicht weiter geschilderten Steuerelektronik zu empfangen bzw. Daten an diese abzusenden. Der Sensorkopf wird über Batterie bzw. Akku versorgt (15). Fig. 2 shows the structure of the sensor head ( 11 ) on the turret ( 10 ) of a lathe. The mechanical connection interface ( 12 ) is only indicated. An optical transmitter (LED) ( 13 ) and an optical receiver ( 14 ) are arranged on the side of the sensor head in order to receive control commands from control electronics (not described further here) or to send data to them. The sensor head is powered by the battery ( 15 ).

Auf der Seite der Meßoptik verfügt der Sensorkopf (11) über einen dichten mechanischen Verschluß (9), dessen Einzelheiten hier nicht näher dargestellt werden sollen. Hier ist auch ein wellenlängenselektives Filter als Schutzfenster angeordnet, dessen Wellenlänge auf die Wellenlänge des Lasers abgestimmt ist, so daß Fremd- und Umgebungslicht weitgehend unterdrückt werden.On the side of the measuring optics, the sensor head ( 11 ) has a tight mechanical closure ( 9 ), the details of which are not to be shown here. A wavelength-selective filter is also arranged here as a protective window, the wavelength of which is matched to the wavelength of the laser, so that ambient and ambient light are largely suppressed.

Die Anordnung ist ausgelegt für einen Arbeitsabstand, der in etwa dem Arbeitsabstand mit Drehmeißel entspricht. Die Art der Signalverarbeitung und Signalauswertung zur Ermittlung der Distanz ist nicht Gegenstand dieser Erfindung und wird deshalb hier nicht weiter erläutert. Elektronische Anordnungen, die dies leisten, sind in zahlreichen Ausführungen bekannt.The arrangement is designed for a working distance that is approximately the working distance with a turning tool corresponds. The type of signal processing and signal evaluation to determine the distance is not an issue of this invention and is therefore not further explained here. Electronic devices that do this perform, are known in numerous versions.

Claims (5)

1. Anordnung zur berührungslosen Messung von Abständen und Durchmessern an Drehmaschinen durch optische Triangulation, enthaltend
  • a) eine Laserdiode mit Kollimator, die einen dünnen parallelen Beleuchtungsstrahl erzeugt,
  • b) eine Abbildungsoptik, die den auf dem Meßobjekt diffus reflektierten Laserstrahl auf einem positionsempfindlichen elektrooptischen Sensor abbildet,
  • c) einen positionsempfindlichen Sensor, ausgebildet als CCD-Linear-Zeilensensor mit einer großen Anzahl von lichtempfindlichen, in einer Reihe angeordneten Detektoren, deren Signale durch eine Verarbeitungselektronik erfaßt und ausgewertet werden.
1. Arrangement for the contactless measurement of distances and diameters on lathes by optical triangulation, containing
  • a) a laser diode with a collimator that generates a thin parallel illuminating beam,
  • b) imaging optics which images the laser beam diffusely reflected on the measurement object on a position-sensitive electro-optical sensor,
  • c) a position-sensitive sensor, designed as a CCD linear line sensor with a large number of light-sensitive detectors arranged in a row, the signals of which are detected and evaluated by processing electronics.
dadurch gekennzeichnet, daß
  • d) Beleuchtungsstrahl und optische Achse der Abbildungsoptik einen Winkel von 30 grad bilden,
  • e) der Strahlengang durch ein 90 grad Reflektionsprisma so gefaltet wird, daß der Linearsensor senkrecht zur Beleuchtungsachse mittig angeordnet werden kann,
  • f) die Brennweite der Optik so gewählt wird, daß sowohl die größte als auch die kürzeste zu messende Distanz noch zu einer scharfen Abbildung des Laserflecks auf dem Linearsensor führt,
  • g) sich durch diese oben beschriebenen Maßnahmen in etwa eine 1 : 1 Abbildung des Distanzmeßbereichs auf die lichtempfindliche Sensorlänge ergibt.
characterized in that
  • d) the illumination beam and the optical axis of the imaging optics form an angle of 30 degrees,
  • e) the beam path is folded through a 90 degree reflection prism so that the linear sensor can be arranged in the center perpendicular to the axis of illumination,
  • f) the focal length of the optics is selected so that both the largest and the shortest distance to be measured still result in a sharp image of the laser spot on the linear sensor,
  • g) this measures approximately a 1: 1 mapping of the distance measuring range to the photosensitive sensor length.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
  • a) das Gehäuse in äußerer Form und der mechanischen Aufnahme einem Werkzeughalter nachgebildet ist, wie er für numerisch gesteuerte Revolver-Drehmaschinen und Bearbeitungszentren üblicherweise verwendet wird,
  • b) das Gehäuse über eine mechanische Anordnung verfügt, die einen dichten Verschluß der Optik gegen Verschmutzung und Kühlflüssigkeit gewährleistet und die auf ein entsprechendes Signal hin geöffnet bzw. geschlossen werden kann.
2. Arrangement according to claim 1, characterized in that
  • a) the exterior of the housing and the mechanical receptacle is modeled on a tool holder, as is usually used for numerically controlled turret lathes and machining centers,
  • b) the housing has a mechanical arrangement which ensures a tight seal of the optics against dirt and coolant and which can be opened or closed in response to a corresponding signal.
3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß
  • a) die vom Sensor erfaßten Signale über eine optische Datenverbindung an einen Steuerrechner digital übertragen werden, wobei Maßnahmen zur Überprüfung und Sicherstellung der Datensicherheit angewendet werden,
  • b) die vom Steuerrechner kommenden Kommandos zum öffnen des Schutzdeckels, zur Auslösung der Messung usw. ebenfalls optisch übertragen werden,
  • c) das Gehäuse dazu optische Fenster aufweist, um die für die Datenübertragung erforderlichen Signale der internen Elektronik zugänglich zu machen.
3. Arrangement according to claim 1 and 2, characterized in that
  • a) the signals detected by the sensor are digitally transmitted to a control computer via an optical data connection, measures for checking and ensuring data security being used,
  • b) the commands coming from the control computer for opening the protective cover, for triggering the measurement, etc. are also transmitted optically,
  • c) the housing has optical windows to make the signals required for data transmission accessible to the internal electronics.
4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
  • die Stromversorgung der Sensorelektronik sowie des Schutzmechanismus durch einen Akkumulator bzw. eine Batterie erfolgt, so daß keine Kabelverbindung zum Sensor erforderlich ist.
4. Arrangement according to claim 1 to 3, characterized in that
  • the sensor electronics and the protective mechanism are supplied with power by an accumulator or a battery, so that no cable connection to the sensor is required.
DE19904032361 1990-10-12 1990-10-12 Dia. and distance measuring head for lathe - uses triangulation principle with measuring illuminating beam and optical axis of imaging optics forming angle of 30 deg. Withdrawn DE4032361A1 (en)

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