Verfahren und Einrichtung zur Prüfung einer Kantenlinie eines Körpers
Bei der Herstellung fester Gegenstände ist es manchmal erforderlich, bestimmte Kanten derselben auf ihre Lage gegenüber einer Bezugsebene oder auf einen vorgeschriebenen Formverlauf zu prüfen. Je nach Anwendungsfall kann dabeidie Kanbe linie selbst von Interesse sein, so z. B. beim Mündungsrand eines Gefässes, oder es kann von der Kantenlinie auf Lage und Form einer von ihr begrenzten Körperfläche geschlossen werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den selbsttätigen Ablauf solcher Prüfungen zu ermöglichen, wie es insbesondere zur Überwachung der Massenher stellung gleichartiger Gegenstände erforderlich ist. Dabei werden eine hohe Geschwindigkeit, geringe Beein trächtigung ides Materialflusses, hohe Genauigkeit und Sicherheit bei der Ausscheidung nicht toleranzhaltiger Stücke angestrebt.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prüfung einer eine Symmetrie aufweisenden Kantenlinie eines Körpers hinsichtlich ihrer Relativlage zu einer Bezugsebene sowie auf Formabweichungen. Dieses Verfahren ist dadurch gekenazeichneb, dass der Körper so bewegt wird, dass die Geschwindigiteu aller seiner Punkte parallel zur Bezugsebene sind, dass mit Ider Bewegung fortschreitend mehrere Paare von zueinander symmetrisch liegenden Stellen der Kantenlinie jeweils gleich- zeitig abgetastet werden,
urud dass die Relativlagen der einander paarweise zugeordneten Stellen zur Bezugsebene miteinander verglichen werden.
Ausserdem bezieht sich die Erfindung auf eine Prüfeinrichtung zur Durchführung des genannten Verfahrens, welche gekennzeichnet ist durch zwei beidseits einer Transporteinrichtung für den Körper angeordnete, auf gegenüberliegende Stellen der Kantenlinie gerichtete optische Abbildungsmittel zur Erzeugung von einander entsprechenden Bildern der beiden Stellen, elektrooptische Abtastmittel zur Erzeugung zweier den beiden Biidgrössen entsprechender elektrischer Signale, und elektrische Schaitmittel zum Vergleich, der genannten Signale.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Aus führungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung erläutert.
Fig. 1 zeigt schematisch und in perspektivischer Darstellung eine Prüfstation mit einem zylindrischen Körper als Prüfling,
Fig. 2 zeigt die Anordnung nach Fig. 1 im Grundriss, mit einer Variante bezüglich der elektrooptischen Abtastmittel,
Fig. 3 ist eine Te ; iansicht der Abtastmittel nach Fi gar 2,
Fig. 4 zeigt einen Teilquerschnitt, durch ein bei der Anordnung nach Fig. 2 und 3 verwendetes lichtleitendes Faserlündel,
Fig. 5, 6 und 7 sind Diagramme zur Gegenüberstel lang der anfallenden Signale bei verschiedenen Prüfungsfällen, und
Fig. 8 ist das Blockschema einer Schaltung für den Vergleich und die weitere Auswertung der elektrischen Signale.
Die Prüfeinrichtung nach Fig. 1 und 2 weist als Transporteinrichtung für den Prüfling 4 ein Förderband 1 auf, welches von einem Motor 2 angetrieben ist. Der auf dem Förderband 1 stehende Prüfling 4 ist zunächst der Einfachheit halber als zylindrischer Körper angenommen. An diesem ist zu prüfen, ob seine obere Randkante 6 zur Standfläche, des Körpers parallel liegt, zu dieser einen vorbestimmten Abstand einhält und die vorgeschriebene Kreisform aufweist. Aus den Prüfungsergebnissen kann im Falle eines vollen Körpers auf die Lage der Deckfläche geschlossen werden; es können aber auch die Lage und der Verlauf der Kantenlinie 6 selbst von Interesse sein, z. B. dann, wenn diese den Mündungsrand eines Gefässes bildet.
Als Bezugsebene für die Prüfung dient in diesem Fall die Standfläche des Körpers 4, die vorerst mit der Förderfläche des Bandes 1 als identisch betrachtet werden soll; es könnte jedoch auch irgendeine andere zu dieser Ebene parallele Ebene als Bezugsebene dienen.
Zu beiden Seiten der Transporteinrichtung und symmetrisch zur Durchlaufbahn Ides Prüflings 4 ist je eine optische Abbildungseinrichtung angeordnet. Jede dieser Einrichtungen weist einen Lichtsender 10 bzw. 10' mit Glühlampe 12, Sammeloptik 14 und Austrittsblende 16 auf. Ein vertikaler Schlitz 17 bzw. 17' in jeder Blende blendet einen schmalen Parallellichtstrahl 18 bzw. 18' aus, der auf eine gegenüberliegende Abbildungsoptik 20, 20'gerichtet ist, hinter der sich ein Lichtempfänger 22, 22' befindet.
Beide Strahlen 18, 18' stehen senkrecht zur Durchlaufrichtung des Prüflings 4, und sie liegen möglichst in der gleichen Vertikalebene, so dass ihr Ab stand a in der Durchlaufrichtung g praktisch Null ist (in der Fig. 2 ist ein geringer solcher Abstand a der besseren Darstellung wegen eingezeichnet worden). Die optischen Achsen der beiden Abbildungseinrichtungen sind ferner gegenüber der Horizontalen um einen gleichen, relativ kleinen Winkel a geneigt, wobei sie auf der Seite des Lichtsenders 10, 10' tiefer oder höher liegen als die Kantenlinie 6.
Der in Durchlaufrichtung liegende Durchmesser 8 des Prüflings 4 teilt die (ideal kreisförmig und horizontal angenommene) Kantenlinie 6 in zwei symmetrische Halbkreise. Diese bestehen somit aus Paaren von zu dem Durchmesser 8 symmetrisch liegenden Punkten A, A', B, B', C, C'. Bei der Symmetrie der beiden Abbildungs- einrichtungen und zu diesen symmetrischem Durchlauf des Körpers 4 sind nun die Strahlen 18, 18'jeweils auf solche Punktepaare, z. B. A, A', gerichtet, und es entstehen auf den Lichtempfängern 22, 22' jeweils gleichzeitig entsprechende, untereinander gleiche Abbildungen 24, 24' dieser Punkte. Bei seitlich verschobenem Durchlauf des Körpers 4 ergeben sich zwar Differenzen zwischen den beiden Abbildungen, die jedoch um so geringer sind, je kleiner der Neigungswinkel a der Strahlen ist.
Die erwähnte Neigung der Strahlen 18, 18' in Verbindung mit dvm Verlauf der Kantenlinie 6 bewirkt aber, dass während des Durchlaufs des Körpers 4 die Abbildungen 24, 24' von aufeinanderfolgenden Punkten A, B, C bzw. A', B', C'unterschiedlich ausfallen, weil sich ihre Lage innerhalb der Strahlen 18, 18' ändert, oder mit anderen Worten, weil die Kantenlinie 6 einen variablen Teil der vertikalen Breite der Strahlen 18, 18' ausblendet.
Die beiden in Fig. 1 schematisch dargestellten Licht empfänger 22, 22' enthalten je eine e elektrooptische Ab- tasteinrichtung, welche zwei den beiden Bildgrössen entsprechende elektrische Signale P, P' erzeugen. Es kann sich dabei um einen intensitätsmässigen Zusammenhang handeln, derart, dass die Intensität des elektrischen Signals jeweils der Bildhöhe entspricht. Für die weitere Signalauswertung besonders vorteilhaft ist jedoch eine periodische Abtastung der Bildgrössen mittels zweier relativ zu den Bildern bewegter Spaltanordnungen, welche in Verbindung mit je einem photoelektrischen Wandler zwei Impulssignale erzeugen, wobei die Impulsdauer jeweils der Bildgrösse entspricht.
Die Prüfung der Kantenlinie 6 beruht nun auf dem Vergleich der elektrischen Signale P, P' für mehrere aufeinanderfolgende Punktepaare A, A', B, B', C, C'. Die dauernde Gleichheit dieser Signale bedeutet, dass die Kantenlime 6 zur Bezugsebene parallel liegt und zur Achse 8 symmetrisch verläuft, während dem unterschiedliche Signale auf eine Abweichung von diesen Eigenschaften hinweisen. Zudem kann aus dem Absolutwert eines der Signale an einer bestimmten Stelle während des Durchlaufs, vorzugsweise in der Mitte, auf den Abstand der Kantenlinie 6 von der Bezugsebene geschlossen werden.
Eine besonders günstige Anordnung zur elektrooptischen Abtastung der beiden Abbildungen ist in Fig.
2 dargestellt. Die beiden von den Objektiven 20, 20' erzeugten Bilder werden hier mitbels lichtleitender Faserbündel 30, 30' zu einer rotierenden Abtastscheibe 32 geleitet. Die Fig. 4 zeigt stark vergrössert einen Teil des Querschnittes bzw. einer Stirnfläche eines solchen Lichtleiters . Dieser ist aus einer grossen Zahl von feinen, parallel ausgerichteten, vorzugsweise in einer einzigen Reihe liegenden und durchgehenden Glasfasern aufgebaut, die an den beiden Stirnflächen eines Faserbündels an einander entsprechenden Stellen des Bündelquerschnittes liegen. Durch Totalreflexion innerhalb der einzelnen Fasern wird bei dieser Anordnung das an der einen Stirnseite des Bündels entworfene Bild auf die andere Stirnseite übertragen.
Mit diesen Stirnseiten 38, 38' enden die Bündel 30, 30' an diametral gegenüberliegenden Stellen einer Scheibe 32, welche von einem Synehronmotor 34 angetrieben ist und zwei radiale, um
1800 versetzte Spalte 36 aufweist. Jedem Faserbündel 30, 30' ist auf der andern Seite der Abtastscheibe 32 ein photoeiektrischer Wandler 40, 40', z. B. ein Photoelement, zugeordnet. Der Breitenanteil der Stirnflächen 38, 38', über welchen Licht austritt, entspricht der Bildgrösse und damit der Relativlage der jeweils abgetasteten entsprechenden Punkte der Kantenlinie 6.
Die An ordnung g ist so getroffen, dass bei rotierender Scheibe 32 beide Spalte 36 jeweils gleichzeitig am Anfang einer Stirnfläche 38, 38'eintreffen. An den Wandlern 40, 40' entstehen dann bei Durchlauf der Spalte 36 zwei elek tische Impulse, deren Dauer der betreffenden Bildgrösse entspricht. Hier ist zu erwähnen, dass durch geeignete schaltungstechnische Massnahmen natürlich auch die Breite des unbeleuchteten Teils der Faserbündel 30, 30' entsprechend den vom Körper 4 abgedeckten Anteilen der Strahlen 18, 18' ausgenützt werden könnte.
Ein Unterschied in der Dauer der (jeweils gleichzei tig beginnenden) Impulse der Signale P, P' deutet auf eine entsprechend unterschiedliche Relativlage der gleichzeitig abgetasteten Stellen hin. Entgegen der Anordnung nach Fig. 3 könnten beide Stirnflächen 38, 38' der Faserbündel auch unmittelbar radial nebeneinander angeordnet sein und einen einzigen photoelektrischen Wandler beleuchten; sie würden dabei gleichzeitig von einem einzigen durchlaufenden Spalt 36 abgetastet. Dabei wünden die Teilsignale, herrührend von den beiden Faserbündeln 30 und 30', bereits im Wandler miteinan- der kombiniert, und es würde eine Differenz der beiden Bilder einen Intensitätssprung von der vollen auf etwa die halbe Signalintensität bewirken.
Die Dauer der halben Intensitätsstufe wäre wiederum ein Mass für die unterschiedliche Lage des abgetasteten Punktepaars.
Es wäre selbstverständlich auch möglich, die von den Objektiven 20, 20' entworfenen Bilder mit Hilfe von Prismen oder Spiegeln auf eine gemeinsame Abtastscheibe 32 zu übertragen. Die Verwendung von lichtleitenden Faserbündeln 30, 30' zu diesem Zweck bietet allerdings beträchtliche Vorteile, indem die gegenseitige Justierung stark vereinfacht wird.
Je nach der gewählten Abtastfrequenz (Drehzahl der Scheibe 32) kann die Zahl der beim Durchlauf des Prüflings 4 abgetasteten Punktepaare recht hoch sein, es ist ohne weiteres eine lückenlose > Abtastung der Kantenlinie möglich. Wegen der bei einem zylindrischen oder ähnlichen Körper am Anfang und am Ende des Durchlaufs auftretenden schleifenden Schnitte zwischen den Lichtstrahlen und der Kantenlinie beschränkt man sich auf einen mittleren Abschnitt b (Fig. 2), welcher die ge nannten Bereiche ausschliesst. Dieser Umstand wird später in dieser Beschreibung in anderem Zusammenhang nochmals betrachtet.
Anhand der Diagramme Fig. 5 bis 7 soll nun der Verlauf der Signale P und P' während des Durchlaufs des Prüflings betrachtet werden, wie er sich bei verschiedenen Lagen und Eigenschaften der abgetasteten Kantenlinie ergibt. Wie erwähnt, ist die Signalgrösse während des Durchlaufs des Körpers 4 entsprechend der abgetasteten Bildgrösse variabel. Liegt die Kantenlinie 6 planparallel zur Bezugsebene, so sind jedoch die beiden Signale P und P' über den gesamten ausgewerteten Bereich b unter sich gleich gross, und es ergibt sich ein Verlauf 45, 45' für beide Signale etwa gemäss Fig. 5.
Die Maximalgrösse P8 des einen oder anderen Signals, die sich in der Mitte des Durchlaufs einstellt, ist ein Mass für den Abstand der Kantenlinie von der Bezugsebene. Eine Einsattelung (oder Rippe) der Kantenlinie äussert sich in einer vorübergehenden Abweichung 46 der beiden Signale voneinander. Liegt hingegen die Kan tenlinie 6 nicht in einer zur Bezugsebene planparallelen Ebene, so sind die Signale P, P' im wesentlichen während des ganzen Durchlaufs des Prüflings voneinander verschieden. Es ergibt sich etwa ein Verlauf 47, 47' gemäss Fig. 6, wenn die Kantenlinie z. B. sattelförmig verzogen ist. Es besteht dann eine Signaldifferenz A P, die höchstens vorübergehend verschwindet, wenn die beiden Kurven einander schneiden.
Wenn die Kantenlinie 6 zwar in einer Ebene, jedoch nicht parallel zur Bezugsebene liegt, so verlaufen die Signalkurven gemäss 49, 49', Fig. 7, d. h. die Kurven schneiden einander nicht und sind dauernd voneinander verschieden.
Es ist eine einzige Fehlersituation denkbar, die sich nicht in einer Signaldifferenz A P äussert. Dies ist dann der Fall, wenn die Kantenlinie 6 in einer schiefen Ebene liegt, wobei der höchste und der tiefste Punkt zufällig mit dem in Durchlaufrichtung liegenden Durchmesser 8 zusammenfallen. Um diesen Fall ebenfalls zu erfassen, ist es von Vorteil, die Prüfung mit einer um einen gewissen Winkel verdrehten Lage des Prüfüngs zu wiederholen, wobei auch erreicht wind, dass die beim ersten Durchlauf ausserhalb der Zone b liegen ! den Rand- zonen ebenfalls abgetastet und auf allfällige Ein sprünge oder Rippen geprüft werden.
Das Blockschaltbild Fig. 8 zeigt ein Beispiel einer elektrischen Schaltung zum Vergleich und zur weiteren Auswertung der Impulssignale P und P', wie sie von der Abtasteinrichtung nach Fig. 3 erzeugt werden. Die beiden Impulssignale P und P' gelangen über die Leitungen 50 bzw. 52 auf eine Torschaltung 54, welche die Diffe renz ider beiden Eingangssignale bildet, d. h. an der r Aus- gangsleitung 56 erscheint ein Signal nur dann, wenn der Signazzustand an den beiden Eingängen 50 und 52 un terschiedlich ist. Das Differenzsignial in der Leitung 56 wird einer zweiten Torschaltung 58 zugeleitet.
Eine Zeitbasisschaltung 60 erzeugt eine Taktimpuisfolge, die einerseits über die Leitung 62 den Antrieb 34 der Abtastscheibe 32 synchronisiert und anderseits über die Leitung 64 die Torschaltung 58 im Takt der einzelnen Abtastungen öffnet. Dadurch wird die zeitliche Aufein anderfolge der abgetasteten Punktepaare während des Durchlaufs des Prüflinge bestimmt. Die durch die Tor schaltung 58 laufend hindurchgeleiteten, den einzelnen P unktepaaren zugeordneten Differenzsigniale gelangen über die Leitung 59 in eine Zeitzählschialtung 66.
An dieser ist bei 68 ein Toleranzwert einstellbar, welcher die noch zulässige Dauer der einzelnen Differenzsignale und damit den zulässigen Lageunterschied der Punktepaare festlegt. Überschreiten die Differenzsignale den eingestellten Toleranzwert, so gelangt ein Ausgangssignal von der Zeitzählschaltung 66 über die Leitung 70 auf einen Auswertekreis 80.
Das eine Signal, z. B. P', wird zwecks Prüfung der Absoluthöhe der Kantenlinie 6 einer zweiten Zeitzählschaltung 72 zugeleitet. Dies, erhält zwei einstellbare Tolerauzwerte 74 und 75, welche die zulässigen Höhen abweichungen nach oben und unten festlegen. Eine Ab weichung von diesem Toleranzbereich bewirkt ein Ausgangssignal der Zeitzählschaltung 72, welches über die Leitung 76 in den Auswertekreis 80 gelangt.
Der Auswertekreis 80 erhält über die Eingangsleitung 82 laufend ein Signal, welches ein Mass für die Durchlaufgeschwindigkeit des Prüflings 4 darstellt. Es kann sich hierbei um einen von Hand einstellbaren Wert handeln oder um ein von einem (nicht dargestellten) Geber selbsttätig erzeugtes Signal, welcher Geber von der Transporteinrichtung für die Prüflinge abhängig ist.
Über die Leistung 84 wird ferner dem Auswertekreis 80 ein Impuls signal zugeleitet, das von einem (nicht dargestellten) mechanischen oder berührungslosen Taster (z. B. Lichtschranke) erzeugt wird und den Durchlauf der Vorderkante des Prüflings an einer bestimmten Stelle bezüglich der Prüfeinrichtung anzeigt. Aus den über die Leitungen 82 und 84 eintreffenden Informationen ist der Auswertekreis 80 in der Lage, Beginn und Dauer des Abtastbereich, es b sowie den Zeitpunkt zur Prüfung des Messwertes für die Absoluthöhe (Signal P*, Fig. 5) zu bestimmen.
Aus der Gesamtheit der an den Leitungen 70, 76, 82 und 84 eingegebenen Informationen ermittelt der Auswertekreis 80 schliesslich die gewünschten Kriterien betreffend Planparallelität, Vor handensein von Einsattelungen oder Rippen sowie Höhenlage der abgetasteten Kantenlinie 6. Diese Kriterien erscheinen an den Ausgangsleitungen 86, 88 und 90.
Für eine e einwandfreie Prüfung ist es wichtig, dass die Relativbewegung zwischen dem Prüfling und der Prüfeinrichtung genau in Richtung der Bezugebene, also z. B. parallel zur Bodenfläche des Körpers 4 erfolgt.
Statt den Körper etwa gemäss Fig. 1 auf einem Förderband mitzuführerr, könnte dies auch so erreicht werden, dass der Körper über eine ruhende Tischfläche geschoben wird. In diesem Fall ist aber im allgemeinen die Gefahr grösser, dlass der reinen Verschiebungsbewegung störende Schlingerbewegungen überlagert werden.
Unter einer Bewegung in Richtung der Bezugsebene ist jedoch nicht nur eine Translationsbewegung zu verstehen: Bei allen punktsymmetrischen Kantenli- nien kann die paarweise Abtastung von symmetrisch ge genüberliegenden Stellen auch anlässlich einer Rotation erfolgen, wobei die Drehachse durch den Symmetriepunkt der Kantenlinie geht und zur Bezugsebene senkrecht steht.
Ausser der am Beispiel nach Fig. 1 betrachte- ten kreisförmigen Kantenlinie 6 mit dem Kreiszentrum als Symmetriepunkt kommt diese Art der Abtastung beispielsweise für elliptisch Kantenlinien in Betracht, wobei der Symmetriepunkt durch den SchnittPunkt der beiden Extremachsen gegeben ist. Bei transiatorischer Bewegung und Ausnützung der Achsensymmetrie muss die Verschiebung in Richtung einer Symmetrieachse der Kantenlinie erfolgen. Während beim Kreis somit jeder beliebige Durchmesser als Symmetrieachse betrachtet werden kann und es nicht auf die Drehlage ankommt, trifft dies z.
B. bei einer Ellipse nur für die grosse und die kleine Achse zu. Zusamm nfassend lässt sich sagen, dass punktsymmetrische Kantenlinien sich sowohl in Drehbewegung als auch in Verschiebung abtasten lassen, während für Kantenlinien, welche nur Achsensymmetrie aufweisen (z. B. Eiform), nur eine Verschiebung in Frage kommt. Schliesslich sei erwähnt, dass das beschriebene Prüfverfahren sich nicht nur für gekrümmte, sondern auch für gerade bzw. eckige Kantenlinten eignet.