Einrichtung zum Bestimmen von Abmessungen an Körpern
Bei der Herstellung fester Gegenstände müssen sehr oft bestimmte Abmessungen derselben auf ihre Masshaltigkeit geprüft werden. Insbesondere dann, wenn es sich um die Produktion grosser Stückzahlen handelt, ist es wichtig, dass die Masskontrolle beim Verlassen der Produktions- oder Bearbeitungsmaschine ohne wesentliche Beeinträchtigung des Materialflusses durchgeführt werden kann. Als Beispiel sei die Herstellung von Massenprodukten erwähnt, wo es sich darum handelt, aus grossen Stückzahlen selbsttätig, rasch und mit hoher Genauigkeit jene Körper auszuscheiden, die bezüglich einer oder mehrerer Abmessungen den jeweiligen Toleranzbedingungen nicht entsprechen.
Zu überwachende Grössen sind beispielsweise der Durchmesser, die Länge, die Planität von Flächen, Flächenquerschnitte, Abweichungen von der Querschnittsform, die Konizität von Mantelflächen oder deren Winkellagen usw.
Eine mechanische Masskontrolle beispielsweise mittels Tastfühlern, Grenzlehren u. dgl. verträgt sich schlecht mit einer kontinuierlichen Fliessbandproduktion, da die Gegenstände hierfür in der Regel einzeln am Fliessband angehalten und nach der Prüfung wieder beschleunigt werden müssen. Es ist deshalb eine berührungslose Massbestimmung erforderlich, welche den freien Durchlauf der Körper durch die Messstelle in keiner Weise behindert und auch die Prüflinge keiner mechanischen Beanspruchung oder gar Schlägen aussetzt, wobei anderseits auch die Messeinrichtung keinerlei Abnützung unterIiegt.
Für gewisse Aufgaben der Produktionsüberwachung, z. B. die Überwachung der Breite von Blechbändern oder des Durchmessers von Kabeln, Drähten od. dgl., sind Messeinrichtungen bekannt, die mit zwei auf Konturbereiche des zu messenden Körpers zu richtenden Strahlenbündeln arbeiten, in denen der Körper einen seiner Abmessung entsprechenden Teil des Querschnittes der Strahlenbündel ausblendet; diese Messeinrichtungen sind ausserdem mit einer zwecks Abtastung der beiden Bündel relativ zu diesen bewegten Spaltanordnung mit zugeordneten Detektormitteln zur Erzeugung eines elektrischen Impulssignals sowie mit elektrischen Auswertemitteln für das Impulssignal versehen.
Die erforderliche Relativbewegung kann dabei entweder durch Bewegung der Spaltanordnung, der Körper oder der Strahlenbündel bzw. der Strahlenquellen erzeugt werden. Praktisch in allen Fällen ist hierbei eine mechanische Führung der Körper erforderlich, damit die erwähnte Relativbewegung in einem genau definierten Ausmass bleibt. Eine solche Führung widerspricht aber der genannten Forderung nach ungehindertem Durchlauf der Körper.
Eine besondere Schwierigkeit ergibt sich, wenn die zu messenden Körper unregelmässige und unkontrollierbare Querbewegungen ausführen oder wenn sie in der Richtung der zu bestimmenden Abmessung selbst, z. B. auf einem Förderband quer zu den Strahlenbün deln durch die Messeinrichtung transportiert werden.
In diesen Fällen versagen die bekannten Anordnungen vollständig, weil die Eigenbewegung der Körper sich in unbestimmter Weise der definierten Relativbewegung überlagert und das Messergebnis stark verfälscht.
Mit der vorliegenden Erfindung, die von einer Anordnung der vorgenannten Art ausgeht, werden Messungen an Körpern ermöglicht, die Eigenbewegungen in Richtung der zu bestimmenden Abmessung ausführen, und es wird gleichzeitig die Forderung nach völlig ungehindertem Durchlauf der Körper erfüllt.
Die erfindungsgemässe Messeinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Spaltanordnung mindestens ein Paar von einander zugeordneten und synchron bewegten Spalten aufweist und dass die Bewegung der beiden Spalte jedes Paares relativ zu den Strahlenbündeln gegensinnig, d. h. bei beiden Bündeln gleichzeitig vom verbleibenden Teil nach dem ausgeblendeten Teil des Bündelquerschnittes oder umgekehrt, gerichtet ist.
Wie weiter unten erläutert, werden bei dieser erfindungsgemässen Anordnung die Bewegungen der Körper während der Abtastung durch die Spaltanordnung zum grössten Teil oder sogar vollständig auskompen siert, so dass sie die Messung nicht beeinflussen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform, bei welcher die beiden Strahlenbündel den Körper aus entgegengesetzten Richtungen beaufschlagen, kann ferner erreicht werden, dass das Messergebnis auch unabhängig ist von der Lage der Körper in Richtung der Strahlen, also quer zur vorerwähnten Bewegungsrichtung.
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Einrichtung wird nachstehend im Zusammenhang mit der Zeichnung erläutert.
Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Anordnung in schematischer Darstellung,
Fig. 2 ist eine Ansicht der Spaltanordnung mit den beiden Bündelquerschnitten,
Fig. 3 zeigt einen Teilschnitt durch ein lichtleitendes Faserbündel in stark vergrössertem Masstab, und
Fig. 4 ist ein Impulsdiagramm zur Erläuterung des Prinzips der Impuls auswertung.
In Fig. 1 ist der Prüfling mit 10 bezeichnet, beispielsweise ein Zylinder, dessen Durchmesser bestimmt werden soll. Auf die Endbereiche des zu bestimmenden Durchmessers sind zwei Strahlenbündel 14a, 14b gerichtet, vorzugsweise parallele Lichtstrahlen aus den Strahlenquellen 12a, 12b, in welchen Glühlampe und Bündelungsoptik angedeutet sind. Beim vorliegenden Beispiel wird der Körper 10 durch die beiden Bündel 14a, 14b aus entgegengesetzten Richtungen beaufschlagt.
Entsprechend der zu bestimmenden Abmessung blendet der Prüfling 10 in jedem Strahlenbündel einen Teil des Bündelquerschnittes aus ( Schattenbildung durch Reflexion und Absorption), und anhand der verbleibenden Teile 15a, 15b der Bündelquerschnitte wird mittels einer Spaltanordnung 20 und zugeordneten Strahlendetektoren 32 in weiter unten erläuterter Weise der Durchmesser des Körpers 10 ermittelt. Vorzugsweise werden die Strahlenbündel in nicht näher dargestellter Weise in Richtung der Zylinderachse (senkrecht zur Zeichnungsebene) auf eine geringe Ausdehnung begrenzt, um den Durchmesser auf einer definierten Höhenlage abzutasten.
Die Spaltanordnung 20 weist eine rotierende Scheibe 22 auf, die auf einer Achse 26 sitzt und von einem Motor 24 mit konstanter Drehzahl angetrieben wird. Die Scheibe 22 weist eine Anzahl radialer Spalte 28, 30 auf, die paarweise diametral gegenüberliegend angeordnet sind; gemäss Fig. 2 sind hier also zwei um 900 gegeneinander versetzte Spaltpaare 28, 30 vorhanden.
In bestimmter, weiter unten beschriebener Weise werden die beiden Bündel 14a, 14b bzw. die verbleibenden, nicht ausgeblendeten Teile 15a, 15b der Bündelquerschnitte auf der Spaltscheibe 22 abgebildet, und zwar im Radialbereich der Spalte 28, 30 an feststehenden, diametral gegenüberliegenden Stellen. An diesen Stellen, jedoch hinter der Scheibe 22 sind auch zwei Strahlendetektoren 32, im vorliegenden Fall zwei photoelektrische Wandler, angeordnet (Fig. 2). Beim Vorbeilauf eines Spaltes, z. B. 28, an einer dieser Stellen tritt Licht aus dem verbleibenden Querschnittsteil des betreffenden Bündels, z. B. 15a, auf den zugeordneten Detektor 32, welcher dadurch ein elektrisches Impulssignal abgibt. Die Dauer dieses Impulses entspricht bei vorgegebener Durchlaufgeschwindigkeit des Spaltes der Breite des betreffenden Teils 15a.
Bezeichnet man die Impulsdauer entsprechend dem einen Teil 15a mit p, die Impulsdauer entsprechend dem andern Teil 15b mit q und die Zeitdauer, welche der Gesamtbreite D (Fig. 1) über beide Strahlenbündel entspricht, mit T, so ergibt sich gemäss dem Diagramm nach Fig. 4 der gesuchte, der Abmessung d entsprechende Wert t aus der Beziehung t = T-(p + q) + K; der konstante Wert K berücksichtigt dabei den Umstand, dass die Abtastung sich räumlich und zeitlich nicht über die gesamte Länge der Abmessung erstreckt, sondern nur über deren Endbereiche. Die Summierung der Impulssignale p und q und die weitere Auswertung gemäss der obigen Beziehung erfolgt in einer elektrischen Auswerteschaltung 34. Die Berücksichtigung der Abtastgeschwindigkeit bzw. der Drehzahl der Spaltscheibe 22 ist in Fig. 1 durch die punktierte Linie 36 angedeutet.
Je nach Bedarf kann das Messergebnis direkt in Längeneinheiten in einer Anzeigeeinrichtung 38 wiedergegeben werden. Es kann aber auch weiter verarbeitet werden, etwa in einer logischen Auswerteschaltung 40, welche auf Grund wählbarer Toleranzeingaben über Gut oder Ausschuss entscheidet und entsprechende Steuervorgänge beim Weitertransport des Prüflings auslöst.
Ausser sichtbarem Licht sind grundsätzlich auch andere Strahlenarten anwendbar, wie z. B. elektromagnetische Strahlung anderer Wellenlänge, Partikelstrahlen usw., wobei selbstverständlich die Art der Detektoren 32 sich nach der gewählten Strahlenart zu richten hat.
Bei bekannten Einrichtungen ähnlicher Art erfolgt die Abtastung der beiden Endbereiche der Abmessung hintereinander und gleichsinnig, d. h. von der einen Hellzone in die ausgeblendete Dunkelzone und aus dieser heraus in die andere Hellzone. Dieser Umstand bewirkt die eingangs erwähnte Verfälschung der Messung, wenn der Prüfling während der Abtastung eine Eigenbewegung quer zu den Strahlenbündeln ausführt, also in Richtung des Pfeiles A in Fig. 1. Die vorliegende erfindungsgemässe Messeinrichtung behebt nun diesen Messfehler dank der besonderen Gestaltung der Abtastanordnung, bei der die Abtastung der beiden Strahlenbündel jeweils paarweise gleichzeitig durch zwei einander zugeordnete, synchron bewegte Spalte 28 bzw. 30 erfolgt, und wobei die Bewegung der Spalte relativ zu den Strahlenbündeln gegensinnig, d. h. bei beiden Bündeln z.
B. vom verbleibenden Teil 15a, 15b (Hellzone) nach dem ausgeblendeten Teil (Dunkelzone) des Bündelquerschnittes gerichtet ist. Diese Anordnung geht aus der Fig. 2 klar hervor: Beim angegebenen Drehsinn treffen beide Spalte eines Paares, z. B. 28, gleichzeitig am äusseren Rand der Hellzone 15a bzw.
15b ein. Sie durchlaufen hierauf die Hellzone und anschliessend die ausgeblendete Dunkelzone.
Es sei nun angenommen, dass während dieses Abtastvorganges der Prüfling 10 sich in Richtung des' Pfeiles A in Fig. 1 von oben nach unten bewegt. Dabei wird die Hellzone 15a breiter, d. h. in Fig. 2 gesehen verschiebt sich die Grenze der Zone 15a (rechts) nach oben. Gleichzeitig wird die Hellzone 15b um den gleichen Betrag schmaler, und in Fig. 2 verschiebt sich die Grenze der Zone 15b (links) entsprechend ebenfalls nach oben. Die erwähnte Verschiebung der Grenze nach oben läuft aber im Falle der Zone 15a im gleichen Sinne wie die Bewegung des Spaltes 28 (rechts), während sie bei der Zone 15b der Bewegung des Spaltes 28 (links) entgegen läuft.
Dies bedeutet, dass bei der beschriebenen Anordnung die Eigenbewegung des Prüflings 10 kompensiert wird; die Kompensation ist vollständig, wenn beide Spalte des Paares die betreffende Zonengrenze gleichzeitig überschreiten, d. h. wenn der Prüfling in diesem Augenblick gleiche Teile in beiden Bündeln ausblendet. Die analoge Wirkung ergibt sich natürlich, wenn der Körper sich in Fig. 1 von unten nach oben bewegt, oder wenn der Drehsinn der Scheibe 22 gegenüber Fig. 2 umgekehrt ist, wenn also beide Spalte von der Dunkelzone in die Hellzone des betreffenden Bündels übertreten.
Die beschriebene, wirksame Kompensation schafft erst die Möglichkeit, die Messung bei freiem Durchlauf des Prüflings quer zu den Strahlenbündeln in Richtung des Pfeiles A vorzunehmen, oder bei Durchlauf z. B. eines Kabels senkrecht zur Zeichnungsebene, welches unkontrollierbare Querschwingungen ausführt.
Würde der Prüfling, entgegen der Darstellung in Fig. 1, in herkömmlicher Weise mit beiden Strahlenbündeln von der gleichen Seite her angestrahlt, so ergäbe sich ein weiterer Fehlereinfluss bei unbestimmter Lage des Prüflings in Richtung der Strahlen, d. h. in Richtung des Pfeiles B, Fig. 1. Der Grund liegt darin, dass mit üblichen Mitteln erzeugte Strahlenbündel nicht ideal parallel sind, sondern immer eine gewisse Divergenz aufweisen. Die Messunsicherheit lässt sich allenfalls durch Anwendung der Lasertechnik mit entsprechendem Aufwand klein genug halten.
Die dargestellte Anordnung bietet jedoch eine sehr vorteilhafte Möglichkeit, um bei geringeren Anforderungen an die Parallelität der Strahlenbündel den zuletzt genannten Fehler praktisch auszuschalten. Es sind zu diesem Zweck die Strahlenquellen 12a, 12b so aufgestellt, dass ihre Strahlenbündel 14a, 14b aus entgegengesetzten Richtungen auf den Körper 10 gerichtet sind. Unter der Voraussetzung, dass die Achsen der beiden Bündel parallel liegen, wird nun die Messung unabhängig von der Lage des Prüflings in bezug auf die Strahlenquellen. Eine weitere Möglichkeit ergibt sich, indem man, wie in Fig. 1 schematisch angedeutet, in beide Strahlengänge Abbildungsoptiken 16a, 16b einfügt.
Auf die Parallelität der Strahlen innerhalb der Strahlenbündel kann dann überhaupt verzichtet werden, da bei Verschiebung des Körpers 10 in Richtung B die Summe der Bildgrössen konstant bleibt.
Zur Abtastung der beiden Strahlenbündel bzw. deren Hellzonen könnten diese mit Hilfe von reflektierenden Flächen, z. B. von Spiegeln oder Prismen auf die gemeinsame Spaltanordnung gelenkt werden. Die Fig. 1 veranschaulicht eine andere, sehr elegante Möglichkeit hierfür. Es werden hier zwei lichtleitende Faserbündel 18a, 18b verwendet, deren eine End- oder Stirnfläche je von einem Strahlenbündel 14a bzw. 14b beaufschlagt wird und die mit ihrer andern Stirnfläche der Spaltscheibe 22 gegenüberliegen.
Fig. 3 zeigt schematisch in stark vergrössertem Massstab einen Ausschnitt aus einer solchen Stirnfläche. Die Lichtleiter 18a, 18b sind aus einer grossen Zahl von feinen, parallel ausgerichteten, durchgehenden Glasfasern aufgebaut, die je an den beiden Stirnflächen eines Faserbündels an einander entsprechenden Stellen des Bündelquerschnittes liegen. Durch Totalreflexion innerhalb der einzelnen Fasern wird bei dieser Anordnung die Lichtverteilung am Eingang der Bündel weitgehend unverändert auf den Ausgang übertragen, und die auf diese Weise mit unveränderter Breite übertragenen Hellzonen lassen sich durch die Spaltanordnung abtasten. Die Anwendung solcher lichtleitender Faserbündel macht die Aufstellung der Spaltanordnung praktisch unabhängig von der Lage der Strahlenquellen und vom Durchlauf der Körper 10.
In jedem Fall ist natürlich darauf zu achten, dass der eine Bündelquer schnitt bezogen auf die Drehrichtung der Spaltscheibe, gegenüber dem andern Querschnitt um 1800 verdreht auf der Scheibe abgebildet wird, damit die Abtastung gegensinnig entsprechend Fig. 2 erfolgt.
Für die elektrische Signalauswertung kann eine ört liche oder zeitliche Rasterung der beiden den Prüfling streifenden Strahlenbündel 14a, 14b vorteilhaft sein.
Die Impulssignale der Detektoren 32 bestehen dann aus Impulsfolgen mit bestimmter Wiederholungsfrequenz und variabler Impulszahl, und das Messresultat ergibt sich durch Auszählen der Impulszahlen bzw. der Rasterelemente .
Eine örtliche Rasterung kann man z. B. erreichen, indem an geeigneter Stelle eine Strichplatte (Gitter) in den Strahlengang eingefügt wird. Bei Verwendung von Lichtleitern 18a, 18b können deren einzelne Fasern direkt die Rasterelemente bilden, falls sie mit regelmässiger Teilung innerhalb des Bündelquerschnittes angeordnet sind. Im Falle dieser örtlichen Rasterung ist die Auszählung der Rasterelemente nicht an einen bestimmten zeitlichen Ablauf gebunden, es erübrigt sich somit die durch die Linie 36 in Fig. 1 angedeutete Beeinflussung der Auswertemittel in Abhängigkeit von der Spaltbewegung.
Zur zeitlichen Rasterung, die ebenfalls Impulsfolgen entsprechend der Breite der Hellzonen 15a, 15b ergibt, können impulsmodulierte Lichtquellen verwendet werden, oder es können die Strahlengänge periodisch, z. B. durch rotierende Blendenscheiben, unterbrochen werden. In diesen Fällen ist der Einheitswert der Rasterelemente bzw. der ausgezählten Impulse durch eine eindeutige zeitliche Abhängigkeit zwischen der Modulationsfrequenz und der Spaltbewegung bestimmt, d. h. es ist eine gegenseitige Synchronisierung erforderlich.
Die Scheibe 22 kann natürlich auch eine andere Zahl von Spaltpaaren aufweisen. Auch wäre eine Abtastung mit gleichförmig geradlinig bewegten Spaltpaaren anstatt mit der rotierenden Scheibe denkbar. Im übrigen kommt es nur auf eine Relativbewegung zwischen den Hellzonen und der Splaltanordnung an, es können also auch die Zonen gegenüber einem stillstehenden Spaltpaar bewegt werden.
Die beschriebene, berührungslos arbeitende Messeinrichtung lässt sich in vielfältiger Weise und insbesondere auch bei der Produktionsüberwachung in Fliessbandanlagen anwenden. An zylindrischen Körpern können durch mehrfache Bestimmung der Durchmesser bei rotierendem Prüfling auch Abweichungen vom Kreisquerschnitt festgestellt werden. Es können im gleichen Durchlauf auch zwei oder mehrere Abmessungen in verschiedener Höhenlage bestimmt werden, gleichgültig ob mit gleichem oder unterschiedlichem Sollwert.