Einrichtung zur berührungslosen Messung von Konturen In der Industriefertigung ist häufig die Aufgabe gestellt, die komplizierten Profilformen eines modell- mässig hergestellten Körpers auf zeichnerische Unterla- g <B>-</B> e n zu übertragen. Die Aufgabe kann auch <RTI
ID="0001.0017"> dahinge- hend abgewandelt sein, den Modellkörper unmittelbar als Sollgrösse für die Steuerung einer Werkzeugma schine heranzuziehen. Derartige Vorgänge sind an sich bekannt und in den Kopiersteuerungen bereits verwirk licht. Hier werden mit Hilfe eines Raststiftes die Modellprofile vorwiegend mechanisch abgetastet und die Tastbewegungen mittels zwischengeschalteter Nach laufsteuerungen auf das Werkzeug übertragen. Es ist weiter bekannt, die Abtastung des Modellkörpers berüh rungslos etwa mit Hilfe eines Lichtsrahles vorzunehmen.
Ähnliche Aufgabenstellungen liegen beispielsweise bei Walzwerken vor, wo zur Prüfung der Halbzeugpro- dukte, etwa eines Blechbandes, fortlaufend die Band breite mit Hilfe eines oszillierenden Lichtstrahles ge prüft und das Istmass mit einem Sollwert (Norm-Mass) verglichen wird. Abweichungen von dieser Norm kön nen mittelbar zur Steuerung der Walzenverstellung im Sinne einer Fehlerkorrektur benutzt werden. Es ist eine Anordnung bekannt (DAS 1<B>178</B> 234), bei der mit Hilfe eines Drehspiegels ein Lichtstrahl zei lenweise über die zu prüfenden Gegenstände bewegt wird.
In einer Speicheranordnung wird der Verlauf der Ausgangssignale des photoelektrischen Empfängers bei der Abtastung eines fehlerfreien Gegenstandes als Soll wert eingespeichert. Bei der Abtastung des zu prüfen den Gegenstandes wird der ermittelte Istwert ständig mit diesem Sollwert verglichen. Derartige bekannte Einrichtungen sind mit befriedigender Messgenauigkeit nur bei vorwiegend prismatischen Objekten anwend bar.
Bei beliebig geformten Körpern, beispielsweise bei Autokarosserien, versagen diese Methoden, denn sie sind nicht imstande, eine orthogonale Verschiebung des Messfühlers zu steuern. Hierfür bedarf es einer Einrichtung, die die genaue Koinzidenz des Brenn punktes auf der Oberfläche des Messobjektes feststellt und ausserdem die Unterscheidung treffen kann, in welche Richtung der Brennpunkt abweicht.
Diesem Nachteil will die Erfindung abhelfen. Sie bezieht sich auf eine Einrichtung zur berührungslosen Messung der Konturen von Messobjekten mit Hilfe eines in drei Raumrichtungen verschiebbaren optischen Messfühlers und einer vom Messfühler gesteuerten Nachführeinrichtung und ist dadurch gekennzeichnet, dass der Messfühler aus zwei konzentrisch angeordne ten optischen Systemen mit unterschiedlichen Brenn weiten besteht, die mittels einer Kondensvorrichtung über vorgeschaltete Filter mit verschiedenfarbigem Licht beleuchtet werden, und dass ein Bündel optischer Glasfasern vorgesehen ist, das das vom Messobjekt reflektierte Licht einem farbempfindlichen Lichtdetek tor zuführt.
In der Figur ist ein Ausführungsbeispiel des erfin- dungsgemässen Messfühlers dargestellt.
Eine punktförmige Lichtquelle 1 (z. B. eine Glüh lampe) erzeugt ein Mischlicht, das mittels einer Kon- densoroptik 2, beispielsweise einem Hohlspiegel, die Form eines parallelen Lichtbündels annimmt. In die sem Bündel sind zwei konzentrisch angeordnete Licht filter 3 und 4 eingeschaltet. Davon ist das Filter 3 für grünes Licht und das Filter 4 für rotes Licht durchläs sig (oder umgekehrt). Unmittelbar nach den Lichtfil tern ist ein mit dem Lichtbündel kollimiertes konzen trisches Linsensystem, bestehend aus der Ringlinse 5 und der Zentrallinse 6 vorgesehen. Die Durchmesser der Einzellinsen decken sich mit den entsprechenden Durchmessern der vorgeschalteten Farbfilter.
Die Brennweite der ringförmigen Linse 5 ist grösser als diejenige der inneren Linse 6. Der Brennweitenunter- schied soll mit Rücksicht auf die Messgenauigkeit des Messfühlerabstandes von der Oberfläche des Messob- jektes 8 gering sein, beispielsweise 1 mm. Es ist weiter hin ein Glasfaserbündel 11 vorgesehen, dessen plane Eingangsfläche 12 genau in der optischen Achse des Linsensystems endet. Das andere Ende des Glasfaser bündels 11 ist in je eine Hälfte aufgespalten.
Die pla- nen Ausgangsflächen dieser Bündelhälften sind durch zwei Farbfilter 13, 14 abgedeckt und werden von zwei nebeneinander angeordneten Linsen 15, 16 auf zwei photoelektrische Wandler 17, 18 (Photowiderstände, Photodiode- oder transistoren, Photoelemente, Photo zellen usw.) abgebildet.
Befindet sich die Oberfläche des Messobjektes 8 zwischen den beiden Teilbrennpunkten, so wird in der optischen Achse ein Mischlicht von rot und grün auf treten. Das reflektierte Mischlicht wird von dem Glas faserbündel 11 aufgenommen und weiter geleitet, so dass die Ausgangsflächen in den Farben des Mischlich tes leuchten. Die nachgeschalteten Lichtfilter 13, 14 entsprechen in ihrer Lichtdurchlässigkeit genau den Vorschaltfiltern 3 und 4. Demgemäss erscheinen die Ausgangsflächen der Bündelhälften in einem roten bzw. grünen Licht. Bei einer bestimmten Stellung der Objektoberfläche zwischen den beiden Brennpunkten 9 und 10 ist die Intensität der beiden farbigen Lichtan teile gleich gross.
Die in den photoelektrischen Wand lern erzeugten Spannungen sind dann ebenfalls gleich gross und heben sich in der Wirkung auf eine nachge ordnete Steuer- oder Regelanordnung auf. Ändert sich der Abstand des Messfühlers vom Messobjekt, dann wird die Intensität der einen Farbkomponente zu- und die der anderen abnehmen. Entsprechend wird von den Ausgängen des Bündels geliefertes Licht nach der Fil terung eine ungleiche Lichtintensität aufweisen, die dementsprechend auch zu ungleichen Spannungen der photoelektrischen Wandler führt. Es entsteht eine Dif ferenzspannung, die einer (nicht dargestellten) Nach laufsteuerungseinrichtung und gegebenenfalls einer Kopiersteuerung zugeführt wird.
Die Nachlaufeinrich- tung sorgt nun für eine orthogonale Verschiebung des Messfühlers so lange, bis die Lichtintensität der zwei verschiedenfarbigen, auf die Objektoberfläche fokus sierten Lichtbündel gleich gross ist, d. h. bis die Ober fläche zwischen den eng benachbarten Brennpunkten verläuft.
Es ist zweckmässig, die Farben der Filter so zu wählen, dass sie der spektralen Empfindlichkeit der photoelektrischen Wandler 17, 18 entsprechen. Am besten dürften sich langwellige Farben, z. B. orange, kirschrot, infrarot, hierfür eignen. Zwecks Ausschal tung des von äusserem Streulicht herrührenden Fehlers soll die Intensität der Lichtquelle 1 so bemessen sein, dass die grünen und roten Lichtflecken am Messort immer eine grössere Lichtstärke als das äussere Streu licht aufweisen. In einer Variante der erfindungsgemässen Einrich tung kann das Linsensystem 3 und 4 aus mehreren hintereinander liegenden und verstellbar angeordneten Einzelsystemen bestehen. Hier lässt sich der Abstand der Brennpunkte verändern und damit eine einstellbare Auflösung und Genauigkeit erreichen.
Zur Überwachung der Lichtquelle 1 ist eine weitere Photozelle 19 vorgesehen, die ausserdem einen zusätz lichen Zweck erfüllt. Liegt nämlich der Messfühler gänzlich ausserhalb des Messbereiches, dann liefert die Photozelle 19 zunächst eine Steuerspannung für die Nachführeinrichtung, die eine Annäherung des Mess- fühlers an das Messobjekt bewirkt. Übersteigt die Spannung der Photozellel7 diejenige der Photozelle 19, so tritt mit Hilfe einer an sich bekannten Ablö- seeinrichtung die erstere an die Stelle der zweiten.
Bei Ausfall der Glühlampe 1 wird die ganze Anlage abge schaltet und eventuell ein Signal betätigt.
Device for the non-contact measurement of contours In industrial production, the task is often to transfer the complicated profile shapes of a model produced body onto a drawing base. The task can also be <RTI
ID = "0001.0017"> be modified in such a way that the model body can be used directly as a setpoint for controlling a machine tool. Such processes are known per se and already light in the copy controls. Here, with the help of a locking pin, the model profiles are mainly scanned mechanically and the scanning movements are transferred to the tool by means of intermediate follow-up controls. It is also known to carry out the scanning of the model body without contact, for example with the aid of a light beam.
Similar tasks exist, for example, in rolling mills, where to test the semi-finished products, such as a sheet metal strip, the strip width is continuously checked with the aid of an oscillating light beam and the actual size is compared with a target value (standard size). Deviations from this standard can be used indirectly to control the roller adjustment in the sense of error correction. An arrangement is known (DAS 1 178 234) in which a light beam is moved line by line over the objects to be tested with the aid of a rotating mirror.
The course of the output signals of the photoelectric receiver when a defect-free object is scanned is stored as a target value in a memory arrangement. When the object to be checked is scanned, the determined actual value is constantly compared with this nominal value. Known devices of this type can only be used with satisfactory measuring accuracy for predominantly prismatic objects.
These methods fail with bodies of any shape, for example car bodies, because they are unable to control an orthogonal displacement of the measuring sensor. This requires a device that determines the exact coincidence of the focal point on the surface of the measurement object and can also make the distinction in which direction the focal point deviates.
The invention aims to remedy this disadvantage. It relates to a device for non-contact measurement of the contours of objects to be measured with the aid of an optical measuring sensor that can be moved in three spatial directions and a tracking device controlled by the measuring sensor and is characterized in that the measuring sensor consists of two concentrically arranged optical systems with different focal lengths, which be illuminated by means of a condensing device via upstream filters with light of different colors, and that a bundle of optical glass fibers is provided, which feeds the light reflected from the measurement object to a color-sensitive light detector.
In the figure, an embodiment of the measuring sensor according to the invention is shown.
A point light source 1 (for example an incandescent lamp) generates mixed light which, by means of condenser optics 2, for example a concave mirror, takes on the shape of a parallel light beam. In this sem bundle two concentrically arranged light filters 3 and 4 are turned on. Of these, the filter 3 for green light and the filter 4 for red light is durchläs sig (or vice versa). Immediately after the Lichtfil tern a collimated with the light beam concentric lens system, consisting of the ring lens 5 and the central lens 6 is provided. The diameters of the individual lenses coincide with the corresponding diameters of the upstream color filters.
The focal length of the annular lens 5 is greater than that of the inner lens 6. The difference in focal length should be small, for example 1 mm, with regard to the measuring accuracy of the measuring sensor distance from the surface of the measuring object 8. A glass fiber bundle 11 is also provided, the planar input surface 12 of which ends precisely in the optical axis of the lens system. The other end of the glass fiber bundle 11 is split into half.
The flat exit surfaces of these bundle halves are covered by two color filters 13, 14 and are imaged by two lenses 15, 16 arranged next to one another on two photoelectric converters 17, 18 (photo resistors, photo diodes or transistors, photo elements, photo cells, etc.).
If the surface of the measurement object 8 is between the two partial focal points, a mixed light of red and green will appear in the optical axis. The reflected mixed light is absorbed by the glass fiber bundle 11 and passed on so that the output surfaces glow in the colors of the mixed light. The light filters 13, 14 connected downstream correspond exactly in terms of their light transmittance to the upstream filters 3 and 4. Accordingly, the exit areas of the bundle halves appear in a red or green light. At a certain position of the object surface between the two focal points 9 and 10, the intensity of the two colored Lichtan parts is the same.
The voltages generated in the photoelectric wand are then also of the same size and have an effect on a subsequent control or regulating arrangement. If the distance between the sensor and the measurement object changes, the intensity of one color component will increase and that of the other will decrease. Accordingly, light delivered from the outputs of the bundle will have an unequal light intensity after filtering, which accordingly also leads to unequal voltages of the photoelectric converters. A differential voltage arises, which is fed to an after-run control device (not shown) and possibly a copy control.
The tracking device now ensures an orthogonal displacement of the measuring sensor until the light intensity of the two differently colored light bundles focused on the object surface is the same, ie. H. until the surface runs between the closely spaced focal points.
It is useful to choose the colors of the filters so that they correspond to the spectral sensitivity of the photoelectric converters 17, 18. Long-wave colors, e.g. B. orange, cherry red, infrared, are suitable for this. For the purpose of eliminating the error resulting from external scattered light, the intensity of the light source 1 should be such that the green and red light spots at the measurement location always have a greater light intensity than the external scattered light. In a variant of the device according to the invention, the lens system 3 and 4 can consist of several individual systems that are arranged one behind the other and are adjustable. The distance between the focal points can be changed here and an adjustable resolution and accuracy can be achieved.
To monitor the light source 1, a further photocell 19 is provided, which also fulfills an additional purpose. If the measuring sensor lies completely outside the measuring range, the photocell 19 first supplies a control voltage for the tracking device, which causes the measuring sensor to approach the measuring object. If the voltage of the photocell 7 exceeds that of the photocell 19, the former takes the place of the second with the aid of a known detachment device.
If bulb 1 fails, the entire system is switched off and a signal may be activated.