La présente invention a trait à un dispositif électro-optique d'exploration en vue de la vérification des dimensions d'une pièce usinée ou assemblée.
La technologie de fabrication moderne rend possibles la fabrication et l'assemblage de pièces à une vitesse extrêmement rapide de l'ordre de plusieurs milliers d'unités par minute. Toutefois, il n'existe pas de technique réalisable commercialement, capable de vérifier automatiquement et avec précision les dimensions des pièces fabriquées à la même vitesse, pour déterminer si elles satisfont à toutes les tolérances dimensionnelles.
La pratique courante, par conséquent, est de ne pas mesurer isolément des échantillons prélevés sur la chaîne de fabrication.
Mais les vitesses d'inspection réalisables sont inappropriées et ne supportent pas un programme d'inspection significatif lorsque la vitesse de fabrication est très élevée. Et même lorsque la vitesse d'échantillonnage est satisfaisante, elle ne procure pas l'assurance que chaque pièce satisfait à toutes les exigences dimensionnelles.
Dans les cas où la pièce fabriquée est prévue pour remplir une fonction critique, une inspection individuelle est obligatoire.
Des dispositifs classiques pour vérifier des pièces fabriquées, tels que micromètres, jauges de hauteur, indicateurs à cadran, impliquent tous un contact physique avec la pièce. La procédure
érification exige un opérateur entraîné et est souvent difficile e; pur nid du temps. La technique à comparateur largement utilisée, dans laquelle une silhouette de la pièce est projetée à une échelle agrandie sur un écran de référence, nécessite également un opérateur entraîné et est sujette à des erreurs de mesure dues à la fatigue oculaire, à une estimation médiocre, et à d'autres facteurs.
La vitesse de vérification à l'aide d'un comparateur optique est limitée par l'aptitude de l'opérateur à voir et évaluer l'image sur l'écran par rapport à un contour de référence.
Afin de pallier les limitations des procédures de vérification qui nécessitent des opérateurs humains, on a réalisé des dispositifs d'exploration électroniques sans contact, qui utilisent un dispositif électro-optique tel qu'un tube Vidicon ou un tube analyseur d'image. Ces tubes comportent une cathode sensible et sont agencés pour explorer une image de l'objet projetée sur ceux-ci pour produire un signal de sortie vidéo qui représente la dimension de l'objet exploré. Parmi les avantages obtenus grâce à l'emploi de dispositifs d'exploration électroniques, on peut citer les suivants:
A. Les dimensions peuvent être obtenues en un point éloigné de la pièce vérifiée sans le besoin d'un contact physique avec elle.
B. Les mesures peuvent être faites pour vérifier des dimensions de pièce qui ne sont pas facilement accessibles.
C. Des dimensions individuelles peuvent être mesurées à des vitesses très élevées.
D. Du fait qu'il n'est pas nécessaire de décaler physiquement l'objet pour effectuer des mesures en différents systèmes de coordonnées sur un seul objet, il n'y a effectivement aucun temps mort entre de telles mesures. Le temps pris pour passer d'un système de coordonnées au suivant est limité seulement par le temps de réponse du dispositif d'exploration électronique et est habituellement de l'ordre de quelques millisecondes.
E. La précision de mesure, exprimée en pourcentage de pleine échelle, est indépendante de la dimension de la pièce inspectée.
Une compensation pour des variations d'une dimension d'objet acceptable est effectuée simplement en modifiant l'agrandissement du système optique qui présente une image de l'objet à l'organe d'exploration.
En dépit des avantages inhérents aux systèmes d'exploration électronique pour vérifier des pièces usinées et autres objets fabriqués, les systèmes d'exploration électronique de type connu n'ont pas bénéficié d'un succès commercial important, car on ne peut pas se fier à de tels dispositifs pour effectuer des mesures précises. Une raison majeure de ce manque de succès est que les dispositifs existants sont incapables de compenser des distorsions rencontrées dans les circuits électroniques du dispositif et les nonlinéarités dans le balayage et dans l'optique.
Dans un dispositif d'exploration idéal dans lequel il n'y a aucune distorsion de l'optique ni dans les paramètres d'exploration, et dans lequel le temps est divisible indéfiniment sans ambiguité due au bruit du dispositif et autres variables, le dispositif est théoriquement capable de mesurer la dimension requise avec un degré quelconque de précision ou de résolution. Mais puisqu'un dispositif réel est inévitablement sujet à différentes distorsions et ambiguïtés, bruits et erreurs de quantification, la précision de la mesure est ainsi défavorablement affectée.
Pour supprimer ces inconvénients, le dispositif selon la présente invention comporte un organe électro-optique d'exploration possédant une face sensible à la lumière, des moyens optiques pour projeter un contour de la pièce à mesurer sur ladite face, un générateur d'exploration relié audit organe d'exploration pour produire des tensions d'exploration engendrant une exploration dont la position et la longueur peuvent être commandées pour définir un trajet d'exploration qui traverse les bords de l'image du contour de la pièce qui constituent les points terminaux d'une dimension à mesurer, de telle sorte que l'organe d'exploration délivre un signal vidéo représentant ladite dimension, une horloge électronique engendrant des impulsions périodiques à une vitesse constante,
des moyens pour appliquer ledit signal vidéo à ladite horloge pour déclencher le fonctionnement de celle-ci pour délivrer un train d'impulsions dans l'intervalle de temps entre lesdits points terminaux, un compteur relié à ladite horloge déclenchée pour compter le nombre d'impulsions dans ledit train pour fournir un comptage d'essai représentant ledit intervalle de temps, un registre de mémoire de valeur de référence, une matrice d'information d'entrée reliée audit générateur d'exploration pouvant être commandée et audit registre pour fournir,
en regard de chacune des différentes dimensions de pièce à mesurer une information audit générateur d'exploration pour produire une exploration le long d'un trajet d'exploration approprié à chaque dimension de pièce et pour fournir audit registre une information concernant les comptages appropriés aux dimensions nominales de chaque dimension de pièce, et des moyens comparant le comptage d'essai délivré par le compteur pour chaque exploration de mesure au comptage de référence dans ledit registre représentant la dimension nominale concernée, pour produire un signal de sortie représentatif de la disparité entre la dimension mesurée de la pièce et la dimension nominale.
Le programme numérique peut emmagasiner les coordonnées nominales de la dimension à mesurer et la plage de tolérance acceptable pour cette dimension. Le programme détermine si le dispositif de mesure agira de façon automatique par tout ou rien pour accepter ou rejeter les pièces ou bien si le dispositif triera des pièces en catégories distinctes selon la plage de tolérance à l'intérieur de laquelle les dimensions contrôlées se situent.
Le nombre de dimensions qui peuvent être mesurées sur une pièce donnée est limité seulement par la capacité de la mémoire qui conserve le programme. Lorsque des dimensions multiples sont mesurées sur une seule pièce, la machine peut être programmée pour accepter la pièce lorsque toutes les dimensions se trouvent à l'intérieur des tolérances assignées, ou lors du rejet de
la pièce pour une dimension hors tolérances, pour délivrer un
signal indiquant quelle dimension a été trouvée inacceptable. Ce
signal peut être utilisé pour trier des pièces des récipients distincts selon la dimension trouvée hors tolérances.
Le dispositif peut être utilisé pour accomplir plusieurs fonc
tions et, par exemple, les deux fonctions suivantes peuvent être
effectuées simultanément ou indépendamment:
A. Prise sur la chaîne, en temps réel. de décisions d'accepta
tion, de rejet, et de tri de pièces mesurées.
B. Fourniture de données complètes montrant les valeurs
mesurées de toutes les pièces examinées à un calculateur numé
rique correctement programmé. Coordonnés de cette manière. le dispositif de mesure et le calculateur peuvent déterminer et contrôler des tendances dimensionnelles et de tolérance qui surviennent au cours de la fabrication de pièces essayées, à l'intérieur de la fourchette acceptable de tolérances. Les données dérivées d'une telle analyse peuvent être utilisées pour déclencher un nouveau réglage des machines-outils, le changement ou la réparation d'outils de coupe, et en général pour prédire et ainsi éviter la fabrication de pièces ayant des dimensions hors tolérances.
Dans le cas où il s'agit d'opérations d'assemblage au lieu de pièces isolées, le problème de vérification est plus difficile à résoudre par des moyens classiques parce que, dans de nombreux cas, le processus d'assemblage ajoute des pièces qui rendent obscure la zone de l'ensemble qui a besoin d'être mesurée ou inspectée pour garantir que l'assemblage global a été réalisé correctement. Il arrive souvent que, du fait de cet obscurcissement, I'assemblage terminé ne peut pas être complètement inspecté pour s'assurer qu'il a été correctement assemblé, sans, tout d'abord, démonter l'unité. Un dispositif de vérification automatique peut être utilisé pour inspecter partiellement des assemblages terminés pour s'assurer que toutes les opérations d'assem
blage, préalables au point d'inspection, ont été faites correcte
ment.
Si de tels postes d'inspection sont introduits juste avant chaque opération d'assemblage qui rendra obscure une zone qui nécessite une inspection, I'assemblage tout entier peut être totale
ment inspecté sans la nécessité d'un démontage pour examiner les parties rendues obscures. En conséquence, I'invention a également
pour but de procurer des moyens pour mesurer partiellement ou
complètement des assemblages terminés, pour déterminer s'ils ont
été assemblés correctement jusqu'au stade où la mesure est effec
tuée.
Ces résultats sont obtenus au moyen d'un dispositif électro
optique en vue de la vérification des dimensions d'une pièce
usinée ou assemblée pour déterminer si la pièce satisfait à des
normes prédéterminées. Le dispositif comporte un organe
d'exploration électro-optique tel qu'un tube analyseur d'image
ayant une photocathode sur laquelle est projetée une image du
contour de la pièce mesurée. Des tensions d'exploration pour les
tubes sont engendrées par un générateur d'exploration pour créer
une exploration dont la forme, la position et la longueur peuvent
être commandées pour définir un trajet d'exploration qui traverse
les bords de l'image du contour de la pièce qui constituent les
points terminaux d'une dimension à déterminer, faisant ainsi
délivrer à l'organe d'exploration un signal vidéo représentatif de
celle-ci.
Le signal vidéo agit pour déclencher une horloge de précision,
telle qu'un oscillateur à cristal piézo-ésentatif de celle-ci des
impulsions périodiques, de sorte que l'horloge délivre un train
d'impulsions dans l'intervalle de temps entre les points terminaux.
Le nombre d'impulsions du train est compté pour fournir un
comptage d'essai représentant cet intervalle de temps. Une infor
mation concernant les valeurs nominales de plusieurs dimensions
à mesurer est fournie à un registre de mémoire de valeur de
référence, et le comptage d'essai est comparé au comptage de
valeur nominale approprié pour produire un signal de sortie
indiquant leur disparité. Ce signal détermine si la pièce doit être
acceptée ou rejetée. Des moyens d'étalonnage comportant une
grille d'étalonnage, dont l'image est projetée sur ladite photoca
thode à la place dudit contour de la pièce, servent à modifier les
tensions d'exploration pour corriger les non-linéarités optiques et
électroniques du dispositif par rapport à chaque dimension mesu
rée.
Des formes d'exécution particulières de l'invention seront
décrites ci-après, à titre d'exemples, avec référence aux dessins
annexés dans lesquels:
La fig. I est un schéma du dispositif optique servant à projeter
une image d'une pièce à vérifier ou de la grille d'étalonnage sur la
cathode sensible d'un ensemble d'exploration dans un dispositif électro-optique selon la présente invention, en vue de la vérification des dimensions de pièces.
La fig. 2 est un schéma-bloc du dispositif électronique destiné à commander la forme et la position de l'exploration, et à traiter l'information contenue dans le signal vidéo délivré par l'organe d'exploration représenté fig. I.
La fig. 3 représente graphiquement la relation existant entre les impulsions d'horloge déclenchées et le signal vidéo développé par le dispositif représenté fig. 2.
La fig. 4 est un schéma-bloc illustrant de façon détaillée certains éléments du dispositif représenté fig. 2 pour expliquer comment des signaux d'acceptation et de rejet sont délivrés, ainsi que des signaux représentant différents niveaux de tolérance.
La fig. 5 représente séparément la grille d'étalonnage.
La fig. 6 est un schéma-bloc des circuits en vue de calibrer le balayage de l'organe d'exploration au moyeu de la grille d'étalonnage.
La fig. 7 représente graphiquement les formes d'onde résultant de l'examen d'un bloc d'étalonnage placé sur la grille de calibration
Les fig. 8A, 8B, 8C, 8D, 8E, 8F, 8G représentent la manière dont certaines dimensions de pièce sont examinées par des sousprogrammes particuliers.
Les fig. 9A, 9B, 9C, 9D représentent la manière dont le rayon de courbure et le centre de courbure peuvent être déterminés par d'autres sous-programmes particuliers.
La fig. 10 représente schématiquement le dispositif d'exploration pour suivre des pièces à mesurer en mouvement.
Les fig. llA, 1 lB, 1 lC, 11D et îlE illustrent une technique de lumière collimatée pour contrôler l'illumination d'une pièce à mesurer.
La fig. 12 illustre une technique préférée de mesure de l'épaisseur d'un objet transparent.
La fig. 1 représente schématiquement un dispositif selon l'invention servant à l'examen d'un objet 3 afin d'engendrer une information vidéo à partir de laquelle on peut tirer les données intéressantes pour la mesure. L'objet 3 est représenté sous la forme d'une pièce usinée ayant une forme généralement rectangulaire dont le bord supérieur est muni d'un prolongement en forme de patte. On comprendra que cette forme est choisie simplement à titre d'illustration simplifiée et que, en pratique, L'objet peut avoir une configuration beaucoup plus complexe.
L'objet 3 est illuminé par une source de lumière intense convenable 1 dont les rayons sont focalisés sur l'objet par une lentille 2.
L'objet 3 est inséré dans le trajet s'étendant entre la source de lumière 1 et la photocathode sensible d'un ensemble d'exploration 11 ; par suite, c'est seulement le profil ou le contour de l'objet qui est projeté. La multitude de rayons projetés est représentée par des rayons de lumière 4 et 5 qui sont dirigés vers une lentille 7 et émergent de celle-ci en tant que rayons 8 et 9. Ces rayons frappent la surface photosensible de l'ensemble d'exploration 11 pour créer sur celui-ci une image 10. Cette surface prend la forme d'une photocathode dans un photomultiplicateur. Cette image projetée est une réplique du profil de l'objet 3 et, par conséquent, prend la forme d'une silhouette.
Interposée entre l'objet 3 et la lentille 7, se trouve une plaque inclinée, semi-réfléchissante 6 fonctionnant en tant que diviseur de faisceau qui sépare les rayons provenant de l'objet en deux faisceaux, I'un traversant successivement la plaque 6 et la lentille 7 et étant dirigé vers l'ensemble d'exploration, L'autre faisceau étant réfléchi par la plaque et étant négligé. En pratique, au lieu d'une plaque, on peut utiliser un cube diviseur de faisceau composé de deux prismes à angle droit réunis, I'hypothénuse d'un prisme étant revêtue d'une couche semi-réfléchissante. Une plaque mince semi-réfiéchissante est quelquefois contestée à cause de la création d'une image fantôme ou d'astigmatisme, à moins d'être utilisée avec des rayons de lumière parallèles.
Une seconde source de lumière est également combinée avec le diviseur de faisceau 6; la lumière de ladite source 20 est focalisée par une lentille 19 sur l'arrière du diviseur de faisceau à travers
une grille d'étalonnage transparente 18, les rayons frappant le diviseur de faisceau étant représentés par les rayons 16 et 17.
Lorsque la source de lumière 20 est allumée et la source de lumière 1 coupée, la grille illuminée, formée de lignes verticales et horizontales équidistantes s'entrecoupant, est présentée sur la photocathode de l'ensemble d'exploration 11. Ainsi, la photocathode voit, soit la silhouette de l'objet examiné, soit la grille d'étalonnage, selon la source de lumière qui est active.
Le photomultiplicateur compris dans l'ensemble d'exploration est, de préférence, du type analyseur d'image, dans lequel la photocathode. en réponse à la lumière incidente, émet des photoélectrons qui sont projetés sur le plan d'une ouverture de définition. Associé à cette ouverture, se trouve un multiplicateur d'électrons et un système de déviation pour dévier l'image électronique sur l'ouverture de définition, de telle manière que les différentes parties de l'image soient examinées selon la succession désirée.
Ainsi, le photomultiplicateur est muni d'un jeu de bobines de déviation, une pour la déviation verticale et l'autre pour la déviation horizontale, et d'une bobine de concentration. Un générateur d'exploration 12 délivre des tensions de déviation au jeu de bobine, et un générateur de concentration 13 fournit un courant à la bobine de concentration. Une alimentation de tension élevée 14 reliée au photomultiplicateur délivre à celui-ci les potentiels de fonctionnement nécessaires. Le signal de sortie de l'ensemble d'exploration 1 1 est appliqué à un préamplificateur et conformateur d'onde 15 dont la sortie vidéo représente l'image explorée de la silhouette de l'objet 3 ou la grille d'étalonnage 18, selon la source de lumière en service.
On se réfère à présent à la fig. 2. sur laquelle est représenté le dispositif électronique destiné à commander la forme et la position de l'exploration et à traiter l'information contenue dans le signal vidéo délivré par l'ensemble d'exploration 11. Le signal de sortie vidéo de l'ensemble d'exploration 11 est tout d'abord traité dans un amplificateur vidéo et conformateur d'onde 15 pour engendrer des signaux de départ et d'arrêt capables de mettre en oeuvre une horloge 21 de haute précision qui délivre des impulsions périodiques à une vitesse de répétition constante prédéterminee.
Le principe fondamental de mesure du dispositif est basé sur le comptage d'impulsions engendrées par l'horloge, chaque mesure délivrant un nombre sous forme numérique. Le comptage est égal au temps exprimé par le nombre d'impulsions d'horloge nécessaire à l'exploration calibrée pour couvrir la distance dans le plan image dont la dimension est mesurée. Ainsi, la dimension ellemême est directement exprimée sous forme numérique. En conséquence, toutes les décisions et toutes les communications avec des bureaux extérieurs au dispositif peuvent être faites sur une base purement numérique. Les tolérances. les niveaux de tri, les décisions d'acceptation et de rejet, et l'établissement de coordonnées sont tous déterminés numériquement.
La relation opératoire entre le signal vidéo mis en forme et l'horloge déclenchée 21 est représentée à la fig. 3. Une image projetée 10, qui est la silhouette de l'objet 3, apparaît sur la photocathode de l'ensemble d'exploration 11. comme représenté sur la partie supérieure de cette figure. Afin d'explorer cette image le long d'une ligne d'exploration 26 qui débute en un point déterminé par les coordonnées Xl-Ys et traverse l'image pour finalement se terminer au point X2-YI. une forme d'onde de tension 31 est engendrée pour produire la ligne d'exploration désirée. La forme d'onde 31 représente les variations de tension tracées en fonction du temps.
La relation en temps entre la forme d'onde de tension 31 et la ligne d'exploration 26 est représentée par des lignes de projection verticales 27, 28, 29 et 30 qui s'étendent entre celles-ci. A l'instant représenté par la ligne de projection 27, la tension d'exploration amène la ligne d'exploration 26 à son point de départ Xl-Yl. A un instant ultérieur, représenté par la ligne de projection 28, la
tension d'exploration amène la ligne d'exploration au point X2-Y qui est le bord antérieur du prolongement sous forme de patte de la silhouette de l'objet. A un instant plus tard, représenté par la ligne de projection 29, la tension d'exploration amène la ligne d'exploration au point X3-YI qui est le bord postérieur de la patte sur l'image.
Finalement, à l'instant représenté par la ligne de projection 30, la tension d'exploration amène la ligne d'exploration à son point de terminaison X4-Y1.
L'intersection de la ligne de projection 28 avec la tension d'exploration est indiquée par le point 32 sur la forme d'onde de tension, et l'intersection de la ligne de projection 29 avec cette forme est indiquée par le point 33. Ces deux points représentent le départ et l'arrêt d'une période durant laquelle l'organe d'exploration traverse la zone non éclairée ou silhouette du prolongement en forme de patte de l'image. Durant cette période, il se produit un signal vidéo qui subit une première inflexion à l'instant représenté par la ligne de projection 28 et une seconde inflexion à l'instant représenté par la ligne de projection 29.
Dans ce signal vidéo, tel que représenté par la forme d'onde 34, la partie positive représente la silhouette de l'objet dans la mesure explorée par la ligne 26, et la partie négative, sur l'autre côté de la partie positive, est représentative du fond éclairé.
La partie positive de la forme d'onde 34 représente un signal logique binaire UN qui déclenche le signal d'horloge (représenté par des impulsions continues 35) durant l'intervalle où l'exploration projetée traverse l'image à mesurer à partir du point X2-Y jusqu'au point X3-Yi. Les impulsions développées durant cet intervalle (représenté par le train d'impulsions 36) constituent le signal de sortie de l'horloge déclenchée 21 et sont appliquées à un compteur 22 (fig. 2). Ce compteur additionne le nombre d'impulsions dans le train 36 pour fournir un comptage exprimant la dimension mesurée par la ligne d'exploration 26.
Comme représenté à la fig. 2, le compteur 22 est relié à un jeu de circuits de comparaison 23 qui agissent pour comparer ce comptage à des valeurs de référence conservées dans un registre de mémoire 24. Ce registre accepte et reçoit la valeur nominale des dimensions à mesurer, leurs tolérances admissibles et les niveaux auxquels le tri doit avoir lieu.
Avec ces entrées disponibles en provenance du registre 24. les circuits de comparaison fonctionnent pour déterminer la relation entre les valeurs en mémoire dans le registre et les dimensions représentées numériquement par le compteur 22. Le signal de sortie des circuits de comparaison 23 prend la forme de signaux qui indiquent que l'objet examiné est à accepter ou à rejeter. Il indique également à quel niveau de tri l'objet doit être placé pour le cas où un autre tri, qui va au-delà d'une simple décision d'acceptation ou de rejet, est désiré.
L'information d'entrée représentée par une matrice d'entrée 25 est délivrée au dispositif pour indiquer les coordonnées X et Y le long desquelles des mesures sont à effectuer pour des dimensions particulières (dimensions 1 à n); L'angle d'exploration auquel ces mesures doivent être effectuées et la dimension nominale et les tolérances pour ces dimensions. En pratique, cette information peut être délivrée par une grande série d'interrupteurs numériques, tels que ceux du type à molette fabriqués par Electronic
Engineering Co. of Calif. On peut également utiliser un dispositif d'entrée similaire à un lecteur de cartes perforées IBM, un ruban de papier perforé ou un milieu d'enregistrement numérique similaire.
Un mini-calculateur et sa mémoire associée peuvent être utilisés dans le but de déliver l'information requise. On utilise normalement une ligne d'exploration droite selon un angle choisi pour couper perpendiculairement les bords de la dimension recherchée dont la longueur est déterminée en mesurant le temps qu'elle met à traverser la distance d'un bord à l'autre.
Les coordonnées X et les coordonnées Y le long desquelles des mesures doivent être effectuées et l'angle d'exploration de mesure sont fournis depuis la matrice 25 au générateur d'exploration 12.
Celles-ci servent à commander la position à laquelle l'exploration de mesure doit être effectuée dans le système de coordonnées, et l'angle auquel elle doit être effectuée. On détermine la longueur de l'exploration qui doit être utilisée pour faire la mesure au moyen de l'entrée dimension nominale dans le générateur d'exploration.
La fig. 4 représente la manière dont l'information provenant de l'horloge déclenchée 21 est utilisée par le compteur 22 conjointement avec les circuits de comparaison respectifs 23-1, 23-2, 23-3, 23-4 et 23-5 pour produire les signaux d'acceptation et de rejet ainsi que des signaux représentant différents niveaux (niveaux 1, 2, 3 et 4) pour trier par dimension.
L'information de la matrice d'entrée 25 (fig. 2) est transférée à une série de registres de mémoire 24-1, 24-2, 24-3, 24-4 et 24-5 qui coopèrent respectivement avec la série de circuits de comparaison 23-1, 23-2, 23-3, 23-4 et 23-5. Le registre de mémoire 24-1 conserve la limite la plus basse en dessous de laquelle la pièce analysée est estimée non acceptable, tandis que le registre de mémoire 24-5 conserve la limite la plus élevée au-dessus de laquelle la pièce est estimée non acceptable. Les registres de mémoire intermédiaires 24-2, 24-3 et 24-4 conservent les niveaux intermédiaires dans des buts de tri.
Le signal de sortie de l'horloge déclenchée 21 est appliqué à un compteur 22 et le comptage atteint par le compteur à la fin de l'exploration est comparé dans des circuits de comparaison 23-1, 23-2, 23-3, 23-4 et 23-5 aux valeurs introduites dans les différents
registres de mémoire 24-1, 24-2, 24-3, 24-4 et 24-5. Si le comptage est inférieur à celui conservé dans le registre de mémoire 24-1, alors il est délivré, dans le fil de sortie repéré 22 < 24-1 du circuit de comparaison 23-1, un UN logique, indiquant que la dimension mesurée est en dessous de celle conservée dans le registre 24-1.
Si le signal de sortie du premier circuit de comparaison 23-1
indique que le comptage fourni par le compteur 22 est supérieur
au niveau conservé dans le registre 24-1, alors un signal de sortie
est délivré par le fil repéré 22 > 24-1. Ce signal est appliqué à la première porte 37-1 d'une série 37 de celles-ci qui délivre un UN logique représentatif du niveau 1.
Si la comparaison montre que la valeur dans le compteur 22
est supérieure à celle conservée dans le registre 24-2, alors le signal
de sortie du circuit de comparaison 23-2 qui est un UN logique et
qui apparaît sur le fil repéré 22 > 22-2, est appliqué à une seconde
porte 37-2 dont le signal de sortie est un UN logique représentatif du niveau 2. On notera que le signal de sortie UN logique du
circuit de comparaison 23-2 sur le fil 22 > 24-2 est lu en retour, en
tant que signal d'entrée de blocage sur la première porte 37-1,
pour produire un signal de sortie zéro logique, pour la dimension
qui est maintenant au niveau 2, et la logique doit indiquer ce fait
de façon non équivoque.
De façon similaire, le fil 22 > 24-3
applique un signal d'entrée de blocage à la seconde porte 37-2, le
fil 22 > 24-4 applique un signal d'entrée de blocage à la troisième porte 37-3 et le fil 22 24-5 applique un signal d'entrée de blocage
à la porte 37-4.
De façon similaire, des comparaisons sont faites avec des
valeurs conservées dans les registres 24-3, 24-4 et 24-5 pour déli
vrer un signal de sortie logique UN aux portes 37-3 et 37-4 repré
sentatives des niveaux 3 et 4, respectivement. Le niveau supé
rieur 5 est délivré dans le fil de sortie repéré 22 > 24-5 du circuit de
comparaison 23-5.
On se réfère à présent à la fig. 5 sur laquelle la grille d'étalon
nage 18 est représentée sous forme très simplifiée. On voit que la
grille est composée de lignes horizontales équidistantes (Y(2), Y(l),
Y(o), Y - Ici et Y( - 21) qui sont entrecoupées par des lignes verti
cales équidistantes (X(¯2s, X(¯ 1), X(oî, X(tî et X(2;. Ainsi le point
de coordonnées X(2)-Y(l) à la fig. 3 se trouve à une intersection de
ces lignes.
Un bloc 58 est placé à l'intersection de Y(2)-X(o) et des
blocs 57, 59, 60 et 61 sont placés à d'autres intersections. Ces
blocs rendent possibles des mesures servant à étalonner le gain et le décalage en courant continu de la circuiterie de balayage pour assurer que la position de balayage commandé est réellement celle utilisée pour faire la mesure.
En pratique, la grille d'étalonnage 18 aura beaucoup plus de lignes verticales et horizontales que celles représentées à la fig. 5.
Un nombre commode est cinquante lignes horizontales entrecoupant cinquante lignes verticales pour définir une grille qui, lorsqu'elle est projetée sur la photocathode de l'ensemble d'exploration, engendrera une image dont les dimensions sont approximativement 25 x 25 mm, et dans laquelle les lignes de la grille sont espacées de 0,5 mm les unes des autres.
Avec chacune de ces lignes de grille engendrant une image d'environ 0,07 mm de large, le multiplicateur utilisé déterminera la position des bords antérieur et postérieur de chaque ligne avec une précision de 0,002 mm, en utilisant une ouverture d'exploration d'un diamètre physique de 0,02 mm et des techniques d'accroissement de bord du type bien connu dans la technique.
Avec une linéarité fondamentale de l'organe d'exploration et de l'ensemble optique de l'ordre de 0,1%, un étalonnage effectué par une grille de 50 par 50 lignes du type décrit, en utilisant des techniques d'accroissement de bord pour définir la position du bord à une précision de 0,002 mm, on obtiendra un système qui peut être étalonné pour mesurer à une précision fondamentale de la grille de +0,01%.
Etant donné que des grilles sont commercialement disponibles avec des précisions approchant 0,001%, la précision du présent dispositif avec une grille de ce type commercial est effectivement 0,01%.
On se réfère à présent à la fig. 6, sur laquelle sont représentés, en schéma-bloc, les circuits pour étalonner le balayage au moyen de la grille d'étalonnage. La technique d'étalonnage rend nécessaire de positionner l'exploration à peu près à l'endroit auquel la mesure doit être faite et en illuminant ensuite la grille d'étalonnage, de sorte que l'image de celle-ci apparaisse sur la photocathode du tube analyseur d'image au lieu de la pièce à mesurer.
L'image de la grille est explorée dans une étendue couvrant à peu prés la même distance que celle de la dimension nominale de la pièce à mesurer. Le nombre de bords qui sont traversés sur la grille d'étalonnage par l'exploration indique le nombre d'impulsions d'horloge qui doivent être comptées entre le premier et le dernier bord de grille. Toute divergence entre le nombre réel d'impulsions d'horloge comptées et le nombre idéal qui devrait être reçu est utilisée pour étalonner le générateur de balayage, de sorte que les erreurs combinées de l'électronique, des non-linéarités de balayage et des non-linéarités de lentilles. sont compensées par la mesure réalisée dans la grille.
De plus, des mesures supplémentaires sont faites aux blocs 57 à 61 sur la grille d'étalonnage pour étalonner le gain et le décalage continu de la circuiterie de balayage pour assurer que la position de balayage choisie est réellement celle utilisée pour faire la mesure.
Le fonctionnement de la disposition d'étalonnage du générateur de balayage est le suivant:
Lorsque le balayage traverse l'image de la grille soit dans la direction X. soit dans la direction Y, des impulsions vidéo sont engendrées pour chaque croisement d'une ligne de grille. Ces impulsions de bord sont amplifiées et mises en formes par l'amplificateur vidéo et conformateur 15 (fig. 2) et sont appliquées simul tanément à une bascule 38, à un registre de référence de comptage de bord 40 et à une porte 39-1. En basculant la bascule 38, le premier bord vidéo provenant de l'amplificateur 15 ouvre également la porte 39-1.
La porte 39-1 permet à des bords vidéo ulté
rieurs de commander les dispositifs 43 de transfert au registre, de sorte qu'à chaque instant où un bord vidéo ultérieur au premier apparaît, le comptage provenant du compteur d'horloge 22 est transféré à travers le dispositif 43 au registre de mémoire 42.
Chaque bord vidéo, après le premier de ceux-ci, fait également
progresser le registre de référence de comptage de bord 40 de
sorte que ce registre contient le nombre d'impulsions d'horloge qu'un système étalonné parfaitement trouverait entre le premier bord vidéo et le niême bord vidéo. On notera que le nombre d'impulsions d'horloge qui apparaîtrait entre le premier et le niême bord vidéo est une partie de l'étalonnage fondamental du système et est, par conséquent, un nombre d'étalonnage câblé intérieurement.
La fin d'une exploration engendrée par le générateur d'exploration 12 est détectée par un détecteur de niveau 52 qui délivre un signal 53 qui est appliqué à la bascule 38 pour la restaurer. Ainsi, à la fin de l'exploration, avec la bascule 38 restaurée, le registre 40 conserve le comptage correct que le compteur d'horloge 22 aura engendré entre le premier et le niême bord vidéo. La différence algébrique entre le nombre mis en mémoire dans le registre de référence 40 et le nombre mis en mémoire dans le registre 42 est déterminée dans un dispositif soustracteur 41 dont le signal de sortie sur le fil 44 est une mesure de l'erreur en amplitude et en signe. Cette erreur est utilisée en tant que signal de correction de différence pour corriger le registre de mémoire de commande de balayage numérique 45 dans le générateur.
Le signal de sortie numérique du registre 45 est converti en une valeur analogique correspondante au moyen d'un convertisseur numérique analogique 46 dont le signal de sortie qui apparaît sur le fil 47 est appliqué au générateur de balayage 48, de sorte que le registre 45 agit pour commander la vitesse du balayage. En conséquence, la vitesse de balayage est corrigée, de sorte qu'en répétant le balayage d'étalonnage, le nombre mis en mémoire dans le registre 42 correspondrait maintenant, de façon précise, avec le nombre mis en mémoire dans le registre de référence 40.
Le dispositif est alors prêt à effectuer une mesure sur la pièce à mesurer aux coordonnées et à la longueur de balayage pour laquelle il vient d'être étalonné.
La procédure d'étalonnage ainsi décrite dicte le temps nécessaire pour explorer d'une ligne d'étalonnage à l'autre sur image de la grille d'étalonnage, mais elle n'étalonne pas la précision de position de la grille. Cet étalonnage est effectué en décalant un interrupteur de mode 49 de la position 49-1 séquentiellement à travers les positions 49-2, 49-3 et 49-3, et en s'arrêtant à chaque position pour un étalonnage de position. Le décalage de l'interrupteur de mode est effectué au moyen d'une commande de programme interne convenable.
A la position de mode 49-2, la forme d'onde de balayage est constituée par une tension sinusoïdale simple, telle que celle représentée par la forme d'onde 62 sur la fig. 7. La forme 63 représente une forme d'onde vidéo typique obtenue en effectuant l'exploration avec une tension de balayage sinusoïdale avec polarisation négative. La forme d'onde vidéo obtenue avec une polarisation positive est représentée par la forme 64, et avec une polarisation nulle par la forme d'onde vidéo 65.
La fig. 7 est particulièrement tracée pour un balayage et les formes d'onde résultant de l'examen d'un bloc d'étalonnage 59 placé aux coordonnées X(orY < o) sur la grille d'étalonnage 18. Des formes d'onde similaires peuvent être obtenues pour étalonner le balayage X sur les blocs 57 et 61, ou le balayage Y sur les blocs 58 et 60 en ajoutant un décalage continu à la forme d'onde sinusoïdale 62. Ces décalages continus positifs et négatifs sont ajoutés aux formes d'onde de balayage sinusoïdales aux positions 49-3 et 49-4 de l'interrupteur de mode.
La forme d'onde 65 est la forme d'onde vidéo obtenue lorsque l'exploration balaie symétriquement autour du bloc d'étalonnage 59. La symétrie de cette forme d'onde signifie qu'aucun décalage continu-résiduel n'existe dans le générateur de balayage 48, dans l'amplificateur de sommation 51 et dans l'amplificateur de sortie 57 qui lui est relié.
Si un décalage est constaté, comme indiqué par des formes d'onde asymétriques 63 et 64, l'amplitude et le sens du décalage sont déterminés en utilisant des techniques connues à cette fin, comme en détectant la phase de ces formes d'onde par rapport à la forme d'onde sinusoïdale 62. Le signal continu résultant d'une telle détection de phase produit un signal de contrôle de décalage 54 qui est injecté dans un amplificateur de sommation analogique 51 pour corriger le décalage, afin de produire une forme d'onde vidéo symétrique telle que celle représentée à la fig. 7 en tant que forme d'onde 65.
Le gain continu de l'amplificateur de sommation analogique 51 et de l'amplificateur de sortie 57 combinés est étalonné en utilisant les blocs 57, 58, 60 et 61 sur la grille d'étalonnage.
Une tension continue prédéterminée est ajoutée à la forme d'onde sinusoïdale 62 pour produire des balayages d'étalonnage continus aux positions de mode 49-3 et 49-4. Une tension positive est ajoutée pour procurer un signal d'entrée d'étalonnage à la position 49-3 de l'interrupteur de mode; un signal d'entrée négatif est prévu pour procurer un signal d'entrée d'étalonnage à la position 49-3 de l'interrupteur de mode; en outre, un signal d'entrée négatif est prévu pour procurer un signal d'entrée d'étalonnage à la position 49-4 de l'interrupteur de mode.
Pour étalonner le balayage X, la forme d'onde sinusoïdale décalée positive balaiera l'image de la grille d'étalonnage autour du bloc d'étalonnage 61. Un gain continu correct est représenté par une forme d'onde vidéo symétrique telle que la forme d'onde 65. Un gain excessif est indiqué par une asymétrie telle que celle qui présente la forme d'onde vidéo 64, et un gain vidéo insuffisant est indiqué par une asymétrie, telle que celle qui présente la forme d'onde vidéo 63.
Un circuit de détection de phase identique à celui utilisé pour mesurer le décalage continu est utilisé pour déterminer l'amplitude et le sens de distorsions en gain. Les signaux d'erreur résultants, appliqués au fil de commande de gain positif 55 et au fil de commande de gain négatif 56, sont injectés dans l'amplificateur de sortie 57.
Par suite du manque de symétrie parfaite dans des circuits d'exploration normaux et leurs bobines associées, dans les champs magnétiques et dans les optiques, et également à cause du manque de symétrie ainsi imposé aux circuits de correction électroniques associés, il est normalement nécessaire de contrôler le gain positif et le gain négatif de la circuiterie représentée par l'amplificateur de sommation analogique 51 et l'amplificateur de sortie 57 et de prévoir des commandes de gain séparées pour les excursions positives et négatives, telles qu'indiquées respectivement par les entrées de commande 55 et 56.
Une information d'entrée délivrée par une source 25 (fig. 2) sert à fournir les coordonnées pour le départ de la source de tension continue d'exploration 50, et pour un détecteur de niveau de fin d'exploration 52. Des techniques d'entrée de multiplexage répondant à ce but sont bien connues dans la technique. Une information d'entrée, fournie au détecteur de niveau 52, procure un signal de détection indiquant lorsque la tension de balayage a atteint le point représentant l'extrémité de l'exploration telle que définie par la dimension nominale sur le fil approprié en provenance de la source d'information d'entrée 25.
Comme indiqué précédemment, le détecteur de niveau 52 délivre un signal qui agit pour restaurer la bascule 38 et ainsi commander un dispositif soustracteur 41 pour engendrer un signal de référence servant à corriger le registre de mémoire de commande de balayage numérique 45.
Les fig. 8A à 8E représentent l'aptitude du dispositif d'exploration à examiner l'extrémité d'une pièce cylindrique 74 dont le diamètre d'alésage interne et le diamètre externe représentent les diamètres interne (ID) et externe (OD) de la pièce. On suppose que l'on désire déterminer les coordonnées au centre de l'alésage circulaire et son diamètre interne. Pour trouver le diamètre interne, une série d'explorations de recherche horizontale, telles que celles représentées par les chiffres 75a, 75b, 75c, 75d et 75e sur la fig. 8A, sont effectuées d'un côté à l'autre du centre nominal, en commençant l'exploration 75a juste en dessous de la position la plus basse permise par une tolérance acceptable et en terminant avec une exploration 75e juste au-dessus de la position permise la plus élevée.
Le diamètre X de l'alésage est déterminé par la dimension la plus grande mesurée dans cette procédure de recherche. La coordonnée X du centre de l'alésage est représentée par la position de la bissectrice de la distance diamétrale ainsi déterminée.
Comme représentés fig. 8B, la coordonnée Y et le diamètre Y de l'alésage sont trouvés de façon similaire par un groupe d'explorations 76a à 76e. Les coordonnées du centre de l'alésage sont alors l'intersection du diamètre X le plus grand et du diamètre Y le plus grand qui viennent d'être mesurés.
Comme représentée fig. 8C, la circularité de l'alésage peut être déterminée en effectuant la mesure d'un grand nombre de diamètres 77 à travers le centre de l'alésage qui vient d'être établi.
Des variations dans les intersections avec la pièce d'un côté à l'autre d'un quelconque de ces diamètres indique un écart de circularité. D'une manière similaire, un écart de symétrie du diamètre extérieur de la pièce peut être mesuré, comme représenté à la fig. 8D, en mesurant un jeu de diamètres 78 à travers le centre par les procédures précédemment mentionnées, et en déterminant les longueurs de ces diamètres lorsqu'ils coupent la surface extérieure de la pièce.
La concentricité du diamètre intérieur et du diamètre extérieur peut être déterminée en effectuant une série d'explorations radiales 79, comme représenté à la fig. 8E, d'un côté à l'autre du diamètre interne et du diamètre externe pour mesurer l'épaisseur de paroi de la pièce. Des variations d'épaisseur sont directement représentatives de la concentricité des diamètres interne et externe.
On se réfère à présent à la fig. 8F sur laquelle est représenté le contour ondulé d'un pignon très grossier qui doit être mesuré. Le cercle 81 représente le diamètre de base du pignon, le cercle 83 représente le diamètre extérieur du pignon et le cercle 82 représente le diamètre de cercle primitif nominal du pignon. Une exploration sur ce diamètre nominal peut mesurer l'espacement dent-à-dent du pignon et les différents défauts relatifs à la configuration de pignon qui sont basés sur une erreur dent-à-dent.
D'une manière similaire, on peut effectuer des mesures le long du diamètre de cercle primitif d'une pièce filetée, telle qu'une vis qui, sur la fig. 8G, est représentée en coupe longitudinale. Les lignes parallèles 85 qui touchent les sommets des filets représentent le diamètre extérieur de la vis. Les lignes parallèles 87, qui touchent les fonds des filets, représentent le diamètre de base, tandis que les lignes parallèles 86 qui entrecoupent les filets repré
sentent le diamètre du cercle primitif. Une exploration courant le long des lignes 86 mesurera des variations dans le contour fileté le long de ce diamètre de cercle primitif. Cette mesure peut être effectuée pendant que la pièce est maintenue stationnaire ou tandis qu'elle tourne autour de son axe longitudinal.
Cette der
nière mesure permettra une description complète des variations
dans le contour du filet le long du diamètre de cercle primitif sur
toute la longueur de la pièce filetée pour 360' de rotation.
On se réfère à présent aux fig. 9A, 9B et 9C, sur lesquelles est
représentée une autre technique de mesure rendue possible par la
souplesse inhérente à une exploration par photomultiplication
pouvant être déviée. La courbe 88, dans ces figures, représente,
soit le diamètre interne, soit le diamètre externe d'une pièce dont
le rayon de courbure et dont le centre de courbure doivent être
établis. La forme d'onde exploratoire à la fig. 9A est représentée
par la forme d'onde 89, celle à la fig. 9B par la forme d'onde 90 et
celle à la fig. 9C par la forme d'onde 91. Ces formes d'onde
exploratoires sont constituées par une exploration ayant un rayon
de courbure connu et un centre de courbure connu. Superposée à
cette exploration incurvée, se trouve une composante à modula
tion de fréquence élevée.
L'exploration et la courbe inconnue 88 (fig. 9A) auront le
même rayon et centre de courbure seulement lorsque la totalité
des cycles à fréquence élevée de la composante de modulation est
coupée symétriquement par la courbe mesurée. Toutefois, la
courbe 89 de l'exploration est en désaccord avec la courbe 88 mesurée. La courbe 89 a un rayon de courbure plus grand, et l'intersection avec la courbe 88 débute par conséquent et s'arrête près du bas de la composante de modulation à fréquence élevée, comme indiqué aux points Mi et M2.
Avec référence à la fig. 9B, on voit que la courbe exploratoire 90 a un rayon de courbure plus petit que la courbe 88 de la pièce mesurée, et que son intersection avec la courbe de la pièce débute et s'arrête au sommet de la composante de modulation à fréquence élevée, comme indiqué par les points M3 et M4.
Sur la fig. 9C, la courbe exploratoire 91 a le rayon de courbure correct par rapport à la courbe 88 de la pièce mesurée, mais son centre est déplacé dans l'espace du centre de la courbe 88 de la pièce. Dans ces conditions, les intersections avec la composante de modulation à fréquence élevée débutent ainsi au bas, comme indiqué par le point Ms, et s'arrêtent au sommet, comme indiqué par le point M6.
Dans tous les exemples représentés sur les fig. 9A, 9B et 9C dans lesquelles la courbe exploratoire s'écarte, en ce qui concerne le rayon de courbure ou le centre de courbure, de la courbe de la pièce mesurée, la quantité et la direction de cet écart sont déterminées par des techniques bien connues dans l'art pour engendrer un signal d'erreur et de sens correspondants. Ce signal d'erreur agit pour commander une boucle d'asservissement fermée pour modifier le rayon de courbure et le centre de courbure de l'exploration pour adapter ceux-ci à ceux de l'exploration inconnue.
Dans des conditions relativement automatiques selon lesquelles il existe des problèmes minimaux de fourniture de la lumière, de présentation de la pièce au système et de réalisation des différentes mesures, le dispositif peut opérer à une vitesse rapide, telle que 100 explorations par seconde, chaque exploration effectuant une seule mesure dimensionnelle. Dans la plupart des cas, il peut être nécessaire ou souhaitable d'étalonner l'exploration et l'optique avant chaque mesure, de sorte que des 100 explorations par seconde, c'est-à-dire 10 ms seront prélevées en temps d'étalonnage et 10 ms affectées à la mesure réelle.
Le décalage de l'exploration d'une position de mesure à la suivante peut habituellement être effectué de façon presque négligeable, par suite, si 25 ms sont allouées à l'étalonnage, à la mesure et au déplacement de l'exploration à la position suivante, le dispositif est alors capable d'effectuer quarante mesures étalonnées avec précision par seconde.
Ceci est particulièrement utile dans les cas suivants:
A. Lorsqu'il est nécessaire d'effectuer un grand nombre de mesures sur une pièce usinée complexe, telle qu'une came façonnée excentriquement ou une pièce moulée de machine.
B. Lorsque des mesures multiples de la même dimension sont nécessaires dans une chaîne de fabrication à grande vitesse. Un exemple de ce cas est une chaîne produisant des roulements à rouleaux à une vitesse de cinq par seconde et où des exigences d'inspection imposent une mesure en plusieurs positions le long de la longueur du rouleau.
C. Lorsque des mesures de dimensions implicites sont nécessaires, telles que le diamètre de cercle primitif d'un filet ou d'un pignon. Dans ce cas, une surface de référence doit être établie.
Cette surface de référence doit être soigneusement placée par rapport à l'objet inconnu, et des mesures doivent être ensuite effectuées en des parties spécifiées de la surface de référence. A l'heure actuelle, des fils réels sont utilisés pour engendrer la surface de référence. Cette procédure tout entière peut être accomplie par un système sous la commande de programme de calculateur approprié, comprenant la génération et l'utilisation de fils électroniques en tant que références.
La surface de la pièce présentée au dispositif doit représenter les dimensions à mesurer et elle doit par conséquent être exempte de copeaux et autres résidus d'usinage. A part l'exigence de propreté, aucune préparation spéciale de surface n'est nécessaire, et le système fonctionnera avec une facilité égale sur des pièces dont les parties soit sont polies de façon brillante, soit ont un fini anodisé sombre ou noir.
I1 est possible d'utiliser l'organe d'exploration 11 et son optique associés dans des buts de reconnaissance de formes selon la technique décrite dans le brevet américain N" 3593286. Dans ce brevet, un tube photomultiplicateur pouvant être dévié est utilisé pour procurer une exploration d'une image optique d'un dessin pour établir un degré de similitude entre le dessin et un dessin de référence. Ainsi, L'organe d'exploration 1 1 fonctionne à la fois pour réaliser la mesure dimensionnelle d'une pièce et pour la reconnaissance de formes.
Ce double usage de l'organe d'exploration nécessite une adjonction relativement petite dans l'électronique associée au système et permet encore les caractéristiques additionnelles suivantes qui sont de grande valeur dans un dispositif de mesure de pièces:
(A) La pièce à mesurer n'a pas besoin d'être orientée de façon précise afin d'effectuer les mesures désirées. Avec l'organe d'exploration fonctionnant en tant que dispositif d'entrée d'un corrélateur, d'une façon connue en elle-même, l'information vidéo ainsi engendrée peut être utilisée pour aligner l'exploration sur lignage déplacée ou tournée de la pièce à mesurer.
Aucun déplacement mécanique n'est nécessaire pour l'opera- t 5n, ar l'alignement d'exploration est effectué électroniquement SelOn ia technique connue précédemment mentionnée. Avec l'e;:ploration alignée de cette manière, les coordonnées de l'exploration de mesure sont décalées et tournées en leur appliquant les mêmes tensions de correction de décalage et de rotation, développées en utilisant l'organe d'exploration selon un mode de corrélation. il en résulte que le motif d'exploration de mesure est tourné et translaté au degré approprié pour l'image déplacée dans son champ de vision.
(B) Par l'utilisation de techniques de compensation de déplacement d'image, selon la technique antérieure précédemment mentionnée, on peut suivre un objet se déplaçant à travers le champ de vision. Ceci est d'une importance particulière pour réaliser des mesures sur des pièces convoyées sur une bande de convoyage, car la mesure peut alors être faite sur la pièce durant la période tout entière où la pièce demeure à l'intérieur du champ de vision du dispositif. Il est également utile de mesurer des pièces qui peuvent tourner par roulement d'un côté à l'autre de ce champ de vision, ce qui facilite ainsi la mesure des diamètres de billes ou cylindres et rend possible d'effectuer des mesures similaires qui pourraient être identiques indépendamment de l'orientation de la pièce.
Grâce à cette technique de poursuite, on peut mesurer des faux-ronds et autres écarts de symétrie sans le besoin de déterminer la lecture de tous les indicateurs ou lectures similaires. La technique la plus simple pour effectuer cette mesure est représentée sur la fig. 10 dans laquelle une pièce 69, se déplaçant d'un côté à l'autre d'une surface plate 66, est observée par deux organes d'exploration distincts 67 et 71.
Un organe d'exploration 71 qui répond à une image engendrée par des rayons lumineux 73 projetés sur elle par une lentille 72, suit la pièce, tandis qu'elle se déplace d'un côté à l'autre du champ de vision de la manière décrite dans le brevet antérieur précité. L'autre organe d'exploration 67, utilisant une lentille 68 et des rayons lumineux 70 pour effectuer la mesure, est asservi à l'organe d'exploration de poursuite au moyen de signaux d'entrée délivrés depuis l'organe d'exploration de poursuite aux entrées de commande 54-1 et 54-2, fig. 5.
Ainsi, lorsqu'il est asservi à la poursuite, L'organe d'exploration de mesure 67 voit l'image de la pièce en mouvement stabilisée à l'intérieur de son domaine d'exploration, et il effectue des mesures juste comme s'il n'y avait aucun déplacement réel de l'image. On notera que la nature de la technique d'étalonnage décrite ici permet à l'exploration de mesure d'etre étalonnée à chaque nouvelle position de l'exploration, simplement en utilisant un échantillon de référence et un circuit de maintien entre le corrélateur/explorateur de poursuite et les entrées de commande 54-1 et 54-2 (fig. 5) de l'organe d'exploration de mesure.
Lorsqu'on effectue l'étalonnage, les circuits d'échantillonnage et de maintien sont mis dans le mode maintien , de sorte que l'étalonnage peut avoir lieu avec une exploration statique approximativement à la position à laquelle il sera pour les mesures.
Ensuite, le circuit d'échantillonnage et de maintien est mis dans le mode échantillonnage dans lequel l'exploration de mesure se verrouille sur l'exploration de poursuite, stabilisant ainsi l'image en déplacement par rapport à l'exploration de mesure. Avec des circuits du type bien connu dans la technique, les constantes de temps sont telles que le mode de maintien pour l'étalonnage et le mode de balayage pour la poursuite peuvent être réalisés avec une rapidité suffisante pour permettre au fonctionnement global du système de progresser à sa vitesse normale de mesure.
Il est fréquemment souhaitable d'être à même de choisir différents plans dans l'espace objet pour engendrer l'image à mesurer sur la face de l'ensemble d'exploration. Jusqu'ici certaines techniques ont été utilisées pour faire ceci dans une mesure limitée. En particulier, une lumière collimatée peut être utilisée pour permettre une quantité limitée de commande, ainsi qu'on l'explique maintenant à propos de la fig. 11. La fig. lIA est un cylindre creux 92 de configuration tubulaire représenté en coupe transversale. La fig. 1 lB est le même cylindre représenté en vue en bout. Le diamètre interne n'est pas un cylindre parfait, la section supérieure est quelque peu plus épaisse au point B, et la section inférieure est quelque peu plus épaisse au point E.
Ainsi qu'on le voit à la fig. 1 1 C, une lumière collimatée 93 utilisée pour mesurer le diamètre interne de ce cylindre est interceptée aux points B et E. L'image engendrée, en faisant passer le faisceau de rayons collimatés à travers le diamètre interne de ce cylindre, indiquerait un diamètre interne plus petit que le diamètre gauche (AD) ou le diamètre droit (CF).
il est fréquemment nécessaire d'obtenir soit le diamètre AD, soit le diamètre CF, tout en illuminant le diamètre interne du cylindre avec une lumière à partir de la gauche du cylindre.
L'image doit être vue avec un organe d'exploration placé sur la droite du cylindre, avec une optique appropriée entre le côté droit du cylindre et l'organe d'exploration, pour engendrer les images voulues. Sur la fig. 1 il, pour voir le diamètre CF tout en illuminant le cylindre de la gauche, il est nécessaire de faire diverger les rayons lumineux 94 d'une manière contrôlée. L'angle de divergence peut être déterminé géométriquement. La divergence doit être assez grande de sorte que les rayons qui émergent du côté droit du diamètre intérieur du cylindre ont été interceptés par le diamètre intéressant, à savoir le diamètre CF, et non par un diamètre qui est quelque peu à gauche du diamètre intéressant.
D'une façon similaire, pour choisir le diamètre AD qui est sur la face illuminée du cylindre, il est nécessaire d'utiliser une illumination avec un degré contrôlé de convergence comme illustré à la fig. Il E. La quantité de convergence peut être déterminée géométriquement; la condition étant que les rayons 95 émergeant du côté droit du diamètre interne du cylindre soient interceptés seulement par le diamètre AD et non par la surface à la droite de AD.
Un autre problème de mesure qui se pose en pratique, pour lequel aucune solution pratique n'existe à ce jour, est celui de la mesure de l'épaisseur d'un matériau transparent tel qu'une plaque de verre 97, comme représentée à la fig. 12. Si la configuration physique du matériau à mesurer le permet, des techniques similaires à celles utilisées pour le métal peuvent être employées.
Celles-ci comprennent des micromètres, des jauges de hauteur.
etc. Toutefois, il est courant d'engendrer des formes de verre avec des configurations de paroi hautement compliquées et fréquemment fermées. Le problème est particulièrement aggravé par le fait que la génération de ces formes est normalement faite par un processus de soufflage ou d'affaissement durant lequel il est extrêmement difficile de contrôler l'épaisseur de paroi du verre travaillé.
Il est nécessaire, afin d'assurer la résistance globale de l'objet résultant, de déterminer l'épaisseur de paroi de l'objet terminé.
Un procédé de réalisation de telles mesures de façon non destructive, dans des conditions de production pratiques selon l'invention, implique l'envoi d'un rayon entrant de lumière 96 vers la plaque de verre 97, dont l'épaisseur est à mesurer, de sorte que deux réflexions soient engendrées. Un rayon réfléchi, indiqué par la référence 99, résulte d'une première réflexion superficielle, et le second rayon réfléchi, identifié par la référence 98, est une seconde réflexion de surface (souvent appelée fantôme).
Il est tout à fait évident, en examinant la géométrie représentée à la fig. 12, que pour un angle donné entre un rayon entrant 96, et la première surface de la plaque de verre 97, la distance, entre les deux rayons réfléchis 98 et 99, est une mesure directe de l'épaisseur de la plaque. La technique d'exploration pour effectuer la mesure décrite ci-dessus est directement applicable à la mesure de la distance entre ces rayons réfléchis afin de fournir un procédé commercial réalisable de mesure d'épaisseur de verre.
The present invention relates to an electro-optical scanning device for verifying the dimensions of a machined or assembled part.
Modern manufacturing technology makes it possible to manufacture and assemble parts at an extremely fast rate of the order of several thousand units per minute. However, there is no commercially feasible technique capable of automatically and accurately checking the dimensions of parts manufactured at the same speed to determine whether they meet all dimensional tolerances.
Common practice, therefore, is not to measure samples taken from the production line in isolation.
But the achievable inspection speeds are inappropriate and do not support a meaningful inspection program when the manufacturing speed is very high. And even when the sampling speed is satisfactory, it does not provide assurance that each part meets all the dimensional requirements.
In cases where the manufactured part is intended to perform a critical function, an individual inspection is mandatory.
Conventional devices for checking manufactured parts, such as micrometers, height gauges, dial indicators, all involve physical contact with the part. The procedure
erification requires a trained operator and is often difficult; pure nest of time. The widely used comparator technique, in which a silhouette of the part is projected at an enlarged scale on a reference screen, also requires a trained operator and is prone to measurement errors due to eye strain, poor estimation, and other factors.
The speed of verification using an optical comparator is limited by the operator's ability to see and evaluate the image on the screen against a reference contour.
In order to overcome the limitations of the verification procedures which require human operators, non-contact electronic scanning devices have been realized which use an electro-optical device such as a Vidicon tube or an image analyzer tube. These tubes have a sensitive cathode and are arranged to scan an image of the object projected onto them to produce a video output signal which represents the dimension of the object being scanned. Among the advantages obtained through the use of electronic scanning devices, the following may be mentioned:
A. Dimensions can be obtained at a point remote from the checked part without the need for physical contact with it.
B. Measurements can be made to verify room dimensions that are not readily accessible.
C. Individual dimensions can be measured at very high speeds.
D. Because it is not necessary to physically shift the object to perform measurements in different coordinate systems on a single object, there is effectively no dead time between such measurements. The time taken to move from one coordinate system to the next is limited only by the response time of the scanning device and is usually on the order of a few milliseconds.
E. The measurement accuracy, expressed as a percentage of full scale, is independent of the size of the part inspected.
Compensation for variations in an acceptable object size is effected simply by changing the magnification of the optical system which presents an image of the object to the scanner.
Despite the advantages inherent in electronic scanning systems for verifying machined parts and other artifacts, electronic scanning systems of known type have not enjoyed significant commercial success because they cannot be trusted. such devices for making precise measurements. A major reason for this lack of success is that existing devices are unable to compensate for distortions encountered in the device's electronic circuitry and for nonlinearities in scanning and optics.
In an ideal scanning device in which there is no distortion of the optics or in the scanning parameters, and in which the time is divisible indefinitely without ambiguity due to device noise and other variables, the device is theoretically capable of measuring the required dimension with any degree of precision or resolution. But since an actual device is inevitably subject to various distortions and ambiguities, noise and quantization errors, the measurement accuracy is thus adversely affected.
To eliminate these drawbacks, the device according to the present invention comprises an electro-optical scanning unit having a light sensitive face, optical means for projecting an outline of the part to be measured on said face, an scanning generator connected said exploration member to produce exploration voltages generating an exploration whose position and length can be controlled to define an exploration path which crosses the edges of the image of the contour of the part which constitute the end points of 'a dimension to be measured, such that the exploration member delivers a video signal representing said dimension, an electronic clock generating periodic pulses at a constant speed,
means for applying said video signal to said clock to trigger operation thereof to output a train of pulses in the time interval between said end points, a counter connected to said triggered clock for counting the number of pulses in said train to provide a test count representing said time interval, a reference value memory register, an input information matrix connected to said controllable scan generator and to said register to provide,
next to each of the different part dimensions to be measured information to said scanning generator to produce an exploration along an exploration path appropriate to each dimension of part and to provide to said register information concerning the counts appropriate to the dimensions nominal values of each part dimension, and means comparing the test count delivered by the counter for each measurement scan to the reference count in said register representing the nominal dimension concerned, to produce an output signal representative of the disparity between the measured part dimension and nominal dimension.
The digital program can store the nominal coordinates of the dimension to be measured and the acceptable tolerance range for that dimension. The program determines whether the measuring device will act automatically on an all-or-nothing basis to accept or reject the coins or whether the device will sort coins into separate categories according to the tolerance range within which the controlled dimensions lie.
The number of dimensions that can be measured on a given part is limited only by the capacity of the memory that holds the program. When multiple dimensions are measured on a single part, the machine can be programmed to accept the part when all dimensions are within the assigned tolerances, or when rejecting the part.
the part for a dimension out of tolerance, to deliver a
signal indicating which dimension was found unacceptable. This
signal can be used to sort parts from separate containers according to the dimension found out of tolerance.
The device can be used to accomplish several functions
tions and, for example, the following two functions can be
carried out simultaneously or independently:
A. Catch on the channel, in real time. of decisions to accept
tion, rejection, and sorting of measured parts.
B. Provision of complete data showing values
measured from all the parts examined with a numbered computer
risk correctly programmed. Coordinated in this way. the measuring device and the calculator can determine and monitor dimensional and tolerance trends which occur during the manufacture of tested parts, within the acceptable range of tolerances. The data derived from such an analysis can be used to trigger re-adjustment of machine tools, change or repair of cutting tools, and in general to predict and thus prevent the fabrication of parts having dimensions out of tolerance.
In the case where it is assembly operations instead of isolated parts, the verification problem is more difficult to solve by conventional means because, in many cases, the assembly process adds parts that obscure the area of the assembly that needs to be measured or inspected to ensure that the overall assembly has been performed correctly. It often happens that, due to this obscuration, the completed assembly cannot be completely inspected to ensure that it has been properly assembled, without first taking the unit apart. An automatic verifier can be used to partially inspect completed assemblies to ensure that all assembly operations
installation, prior to the inspection point, have been made correct
is lying.
If such inspection stations are introduced just before each assembly operation which will obscure an area which requires inspection, the entire assembly may be complete.
ment inspected without the need for disassembly to examine the obscured parts. Accordingly, the invention has also
for the purpose of providing means for partially measuring or
completely of completed assemblies, to determine if they have
been assembled correctly until the point at which measurement is effected.
killed.
These results are obtained by means of an electro device
optics for checking the dimensions of a part
machined or assembled to determine if the part meets
predetermined standards. The device comprises an organ
electro-optical scanning such as an image analyzer tube
having a photocathode onto which is projected an image of the
contour of the measured part. Exploration tensions for
tubes are generated by an exploration generator to create
an exploration whose shape, position and length can
be ordered to define an exploration path that crosses
the edges of the image of the contour of the part which constitute the
end points of a dimension to be determined, thus making
deliver to the exploration unit a video signal representative of
this one.
The video signal acts to trigger a precision clock,
such as a piezo-crystal oscillator indicative of it
periodic pulses, so that the clock delivers a train
of pulses in the time interval between the end points.
The number of train pulses is counted to provide a
test count representing this time interval. An infor
statement concerning the nominal values of several dimensions
to be measured is supplied to a memory register with a value of
reference, and the test count is compared to the test count
nominal value suitable to produce an output signal
indicating their disparity. This signal determines whether the part should be
accepted or rejected. Calibration means comprising a
calibration grid, the image of which is projected onto said photoca
thode instead of said contour of the part, are used to modify the
scanning voltages to correct optical non-linearities and
electronic device with respect to each measured dimension
ree.
Particular embodiments of the invention will be
described below, by way of example, with reference to the drawings
appended in which:
Fig. I is a diagram of the optical device used to project
an image of a part to be checked or of the calibration grid on the
sensitive cathode of an exploration assembly in an electro-optical device according to the present invention, with a view to verifying the dimensions of parts.
Fig. 2 is a block diagram of the electronic device intended to control the shape and position of the exploration, and to process the information contained in the video signal delivered by the exploration member shown in FIG. I.
Fig. 3 graphically represents the relationship between the triggered clock pulses and the video signal developed by the device shown in FIG. 2.
Fig. 4 is a block diagram illustrating in detail certain elements of the device shown in FIG. 2 to explain how acceptance and rejection signals are delivered, as well as signals representing different tolerance levels.
Fig. 5 shows separately the calibration grid.
Fig. 6 is a block diagram of the circuits with a view to calibrating the scanning of the scanning member at the hub of the calibration grid.
Fig. 7 graphically represents the waveforms resulting from the examination of a calibration block placed on the calibration grid
Figs. 8A, 8B, 8C, 8D, 8E, 8F, 8G show how certain part dimensions are considered by particular subprograms.
Figs. 9A, 9B, 9C, 9D show how the radius of curvature and the center of curvature can be determined by other particular routines.
Fig. 10 schematically represents the exploration device for following moving parts to be measured.
Figs. 11A, 11B, 11C, 11D, and 11E illustrate a collimated light technique for controlling the illumination of a part to be measured.
Fig. 12 illustrates a preferred technique for measuring the thickness of a transparent object.
Fig. 1 schematically represents a device according to the invention used for examining an object 3 in order to generate video information from which data of interest for the measurement can be drawn. The object 3 is represented in the form of a machined part having a generally rectangular shape, the upper edge of which is provided with an extension in the form of a tab. It will be understood that this shape is chosen simply by way of simplified illustration and that, in practice, the object can have a much more complex configuration.
The object 3 is illuminated by a suitable intense light source 1 whose rays are focused on the object by a lens 2.
The object 3 is inserted into the path extending between the light source 1 and the sensitive photocathode of an exploration assembly 11; consequently, it is only the profile or the contour of the object which is projected. The multitude of projected rays is represented by rays of light 4 and 5 which are directed towards a lens 7 and emerge from it as rays 8 and 9. These rays strike the photosensitive surface of the scanning assembly 11 to create an image 10 thereon. This surface takes the form of a photocathode in a photomultiplier. This projected image is a replica of the profile of object 3 and, therefore, takes the form of a silhouette.
Interposed between the object 3 and the lens 7 is an inclined, semi-reflective plate 6 functioning as a beam splitter which separates the rays coming from the object into two beams, one passing successively through the plate 6 and the lens 7 and being directed towards the exploration unit, the other beam being reflected by the plate and being neglected. In practice, instead of a plate, one can use a beam splitter cube composed of two prisms at right angles joined together, the hypothenuse of a prism being coated with a semi-reflecting layer. A thin semi-reflexive plate is sometimes disputed due to the creation of a ghost image or astigmatism, unless used with parallel rays of light.
A second light source is also combined with the beam splitter 6; light from said source 20 is focused by a lens 19 on the back of the beam splitter through
a transparent calibration grid 18, the rays hitting the beam splitter being represented by rays 16 and 17.
When the light source 20 is on and the light source 1 is off, the illuminated grid, formed of intersecting equidistant vertical and horizontal lines, is presented on the photocathode of the scanning assembly 11. Thus, the photocathode sees , either the silhouette of the examined object, or the calibration grid, depending on the light source which is active.
The photomultiplier included in the exploration assembly is preferably of the image analyzer type, in which the photocathode. in response to the incident light, emits photoelectrons which are projected onto the plane of a defining aperture. Associated with this aperture is an electron multiplier and a deflection system for deflecting the electronic image onto the defining aperture, so that the different parts of the image are examined in the desired sequence.
Thus, the photomultiplier is provided with a set of deflection coils, one for vertical deflection and the other for horizontal deflection, and a focusing coil. A scan generator 12 supplies deflection voltages to the coil set, and a focus generator 13 supplies current to the focus coil. A high voltage supply 14 connected to the photomultiplier delivers to the latter the necessary operating potentials. The output signal of the exploration assembly 1 1 is applied to a preamplifier and wave shaper 15 whose video output represents the explored image of the silhouette of the object 3 or the calibration grid 18, according to the light source in use.
Reference is now made to FIG. 2. on which is represented the electronic device intended to control the shape and the position of the exploration and to process the information contained in the video signal delivered by the exploration unit 11. The video output signal of the scanning assembly 11 is first processed in a video amplifier and waveform shaper 15 to generate start and stop signals capable of implementing a high precision clock 21 which delivers periodic pulses at a speed of predetermined constant repetition.
The fundamental measuring principle of the device is based on the counting of pulses generated by the clock, each measurement delivering a number in digital form. The count is equal to the time expressed by the number of clock pulses necessary for the calibrated exploration to cover the distance in the image plane whose dimension is measured. Thus, the dimension itself is directly expressed in numerical form. As a result, all decisions and communications with offices outside the facility can be made on a purely digital basis. The tolerances. sort levels, accept and reject decisions, and coordinate establishment are all determined numerically.
The operational relationship between the shaped video signal and the triggered clock 21 is shown in FIG. 3. A projected image 10, which is the silhouette of the object 3, appears on the photocathode of the scanning assembly 11. as shown in the upper part of this figure. In order to explore this image along an exploration line 26 which starts at a point determined by the coordinates X1-Ys and crosses the image to finally end at the point X2-YI. a voltage waveform 31 is generated to produce the desired scan line. Waveform 31 represents the voltage variations plotted against time.
The time relationship between the voltage waveform 31 and the scan line 26 is represented by vertical projection lines 27, 28, 29 and 30 which extend between them. At the instant represented by the projection line 27, the exploration voltage brings the exploration line 26 to its starting point Xl-Yl. At a later instant, represented by the projection line 28, the
exploration tension brings the line of exploration to point X2-Y which is the anterior edge of the extension in the form of a leg of the silhouette of the object. At a later instant, represented by the projection line 29, the scanning voltage brings the scanning line to point X3-YI which is the posterior edge of the leg on the image.
Finally, at the instant represented by the projection line 30, the scanning voltage brings the scanning line to its termination point X4-Y1.
The intersection of projection line 28 with the scan voltage is indicated by point 32 on the voltage waveform, and the intersection of projection line 29 with this shape is indicated by point 33. These two points represent the start and stop of a period during which the scanning device crosses the unlit area or silhouette of the leg-shaped extension of the image. During this period, a video signal is produced which undergoes a first inflection at the instant represented by the projection line 28 and a second inflection at the instant represented by the projection line 29.
In this video signal, as represented by waveform 34, the positive part represents the silhouette of the object to the extent explored by line 26, and the negative part, on the other side of the positive part, is representative of the illuminated background.
The positive part of waveform 34 represents a binary logic signal ONE which triggers the clock signal (represented by continuous pulses 35) during the interval where the projected scan passes through the image to be measured from the point X2-Y to point X3-Yi. The pulses developed during this interval (represented by the pulse train 36) constitute the output signal of the triggered clock 21 and are applied to a counter 22 (Fig. 2). This counter adds up the number of pulses in train 36 to provide a count expressing the dimension measured by scanning line 26.
As shown in fig. 2, the counter 22 is connected to a set of comparison circuits 23 which act to compare this count with reference values stored in a memory register 24. This register accepts and receives the nominal value of the dimensions to be measured, their admissible tolerances. and the levels at which sorting should take place.
With these inputs available from register 24. the comparison circuits function to determine the relationship between the values in memory in the register and the dimensions digitally represented by the counter 22. The output signal from the comparison circuits 23 takes the form of signals which indicate that the examined object is to be accepted or rejected. It also indicates at what sorting level the object should be placed in the event that further sorting, which goes beyond a simple accept or reject decision, is desired.
The input information represented by an input matrix 25 is supplied to the device to indicate the X and Y coordinates along which measurements are to be made for particular dimensions (dimensions 1 to n); The scan angle at which these measurements should be made and the nominal size and tolerances for these dimensions. In practice, this information can be delivered by a large series of digital switches, such as those of the thumbwheel type manufactured by Electronic.
Engineering Co. of Calif. Alternatively, an input device similar to an IBM punch card reader, punched paper tape or similar digital recording medium can be used.
A mini-computer and its associated memory can be used in order to deliver the required information. A straight scan line is normally used at a chosen angle to intersect the edges of the desired dimension perpendicularly, the length of which is determined by measuring the time it takes to cross the distance from edge to edge.
The X coordinates and Y coordinates along which measurements are to be made and the measurement scan angle are provided from matrix 25 to scan generator 12.
These are used to control the position at which the measurement scan should be performed in the coordinate system, and the angle at which it should be performed. The length of the scan that must be used to make the measurement is determined by means of the nominal dimension input in the scan generator.
Fig. 4 shows how the information from the triggered clock 21 is used by the counter 22 in conjunction with the respective comparison circuits 23-1, 23-2, 23-3, 23-4 and 23-5 to produce the acceptance and rejection signals as well as signals representing different levels (levels 1, 2, 3 and 4) to sort by dimension.
The information of the input matrix 25 (fig. 2) is transferred to a series of memory registers 24-1, 24-2, 24-3, 24-4 and 24-5 which respectively cooperate with the series of. comparison circuits 23-1, 23-2, 23-3, 23-4 and 23-5. Memory register 24-1 maintains the lowest limit below which the scanned coin is deemed unacceptable, while memory register 24-5 retains the highest limit above which the coin is deemed unacceptable. acceptable. Intermediate memory registers 24-2, 24-3, and 24-4 hold intermediate levels for sorting purposes.
The output signal of the triggered clock 21 is applied to a counter 22 and the count reached by the counter at the end of the scan is compared in comparison circuits 23-1, 23-2, 23-3, 23 -4 and 23-5 to the values introduced in the different
memory registers 24-1, 24-2, 24-3, 24-4 and 24-5. If the count is less than that kept in the memory register 24-1, then it is delivered, in the output wire marked 22 <24-1 of the comparison circuit 23-1, a logical UN, indicating that the measured dimension is below that kept in register 24-1.
If the output signal of the first comparison circuit 23-1
indicates that the count provided by counter 22 is greater
at the level kept in register 24-1, then an output signal
is delivered by the wire marked 22> 24-1. This signal is applied to the first gate 37-1 of a series 37 thereof which delivers a logical UN representative of level 1.
If the comparison shows that the value in counter 22
is greater than that kept in register 24-2, then the signal
output of the comparison circuit 23-2 which is a logic ONE and
which appears on the wire marked 22> 22-2, is applied to one second
gate 37-2, the output signal of which is a logic UN representative of level 2. Note that the logic UN output signal of the
comparison circuit 23-2 on wire 22> 24-2 is read back, in
as a blocking input signal on the first gate 37-1,
to produce a logical zero output signal, for the dimension
which is now at level 2, and logic should indicate this fact
unequivocally.
Similarly, wire 22> 24-3
applies a blocking input signal to the second gate 37-2, the
wire 22> 24-4 applies a blocking input signal to the third gate 37-3 and wire 22 24-5 applies a blocking input signal
at gate 37-4.
Similarly, comparisons are made with
values kept in registers 24-3, 24-4 and 24-5 for deli
send a logic output signal UN to gates 37-3 and 37-4 shown
Sentatives of levels 3 and 4, respectively. The upper level
laughter 5 is delivered in the output wire marked 22> 24-5 of the
comparison 23-5.
Reference is now made to FIG. 5 on which the standard grid
swimming 18 is shown in a very simplified form. We see that the
grid is composed of equidistant horizontal lines (Y (2), Y (l),
Y (o), Y - Here and Y (- 21) which are intersected by verti lines
equidistant shims (X (¯2s, X (¯ 1), X (oî, X (tî and X (2 ;. Thus the point
of coordinates X (2) -Y (l) in fig. 3 is at an intersection of
these lines.
A block 58 is placed at the intersection of Y (2) -X (o) and the
blocks 57, 59, 60 and 61 are placed at other intersections. These
The blocks enable measurements to calibrate the DC gain and offset of the scan circuitry to ensure that the commanded scan position is actually that used to make the measurement.
In practice, the calibration grid 18 will have many more vertical and horizontal lines than those shown in FIG. 5.
A convenient number is fifty horizontal lines intersecting fifty vertical lines to define a grid which, when projected onto the photocathode of the scanning assembly, will generate an image the dimensions of which are approximately 25 x 25 mm, and in which the grid lines are spaced 0.5mm apart from each other.
With each of these grid lines resulting in an image approximately 0.07mm wide, the multiplier used will determine the position of the anterior and posterior edges of each row to an accuracy of 0.002mm, using a scanning aperture of a physical diameter of 0.02 mm; and edge enhancement techniques of the type well known in the art.
With a fundamental linearity of the scanning unit and of the optical assembly of the order of 0.1%, a calibration carried out by a 50 by 50 line grid of the type described, using techniques of increase of edge to set the edge position to an accuracy of 0.002mm, a system will be obtained that can be calibrated to measure at a fundamental grid accuracy of + 0.01%.
Since grids are commercially available with accuracies approaching 0.001%, the accuracy of the present device with a grid of this commercial type is effectively 0.01%.
Reference is now made to FIG. 6, on which are shown, in block diagram, the circuits for calibrating the scan by means of the calibration grid. The calibration technique makes it necessary to position the scan roughly where the measurement is to be made and then illuminate the calibration grid, so that the image of it appears on the photocathode of the image analyzer tube instead of the part to be measured.
The image of the grid is scanned in an extent covering approximately the same distance as that of the nominal dimension of the part to be measured. The number of edges that are crossed on the calibration grid by scanning indicates the number of clock pulses that should be counted between the first and the last grid edge. Any discrepancy between the actual number of clock pulses counted and the ideal number that should be received is used to calibrate the sweep generator, so that the combined errors of electronics, sweep nonlinearities, and non -Lens linearities. are compensated by the measurement made in the grid.
Additionally, additional measurements are made at blocks 57-61 on the calibration grid to calibrate the gain and DC offset of the scan circuitry to ensure that the selected scan position is actually that used to make the measurement.
The operation of the sweep generator calibration layout is as follows:
As the scan passes through the grid image in either the X direction or the Y direction, video pulses are generated for each crossing of a grid line. These edge pulses are amplified and shaped by the video and shaping amplifier 15 (fig. 2) and are applied simultaneously to a flip-flop 38, to an edge count reference register 40 and to a gate 39-1. . By flipping flip-flop 38, the first video edge from amplifier 15 also opens gate 39-1.
Door 39-1 allows additional video edges
Each time a video edge subsequent to the first appears, the count from clock counter 22 is transferred through device 43 to memory register 42.
Each video edge, after the first of these, also does
advance the edge count reference register 40 from
so that this register contains the number of clock pulses that a perfectly calibrated system would find between the first video edge and the nth video edge. Note that the number of clock pulses that would appear between the first and the ninth video edge is part of the fundamental system calibration and is, therefore, an internally wired calibration number.
The end of an exploration generated by the exploration generator 12 is detected by a level detector 52 which delivers a signal 53 which is applied to the flip-flop 38 to restore it. Thus, at the end of the exploration, with the flip-flop 38 restored, the register 40 keeps the correct count that the clock counter 22 will have generated between the first and the nth video edge. The algebraic difference between the number stored in the reference register 40 and the number stored in the register 42 is determined in a subtractor device 41 whose output signal on wire 44 is a measure of the error in amplitude and in sign. This error is used as a difference correction signal to correct the digital scan control memory register 45 in the generator.
The digital output signal from register 45 is converted to a corresponding analog value by means of a digital to analog converter 46, the output signal of which appears on wire 47 is applied to the scan generator 48, so that register 45 operates to control the sweep speed. As a result, the sweep rate is corrected so that by repeating the calibration sweep, the number stored in register 42 would now precisely match the number stored in reference register 40. .
The device is then ready to perform a measurement on the part to be measured at the coordinates and at the sweep length for which it has just been calibrated.
The calibration procedure thus described dictates the time required to scan from one calibration line to another on the calibration grid image, but it does not calibrate the positional accuracy of the grid. This calibration is performed by shifting a mode switch 49 from position 49-1 sequentially through positions 49-2, 49-3 and 49-3, and stopping at each position for a position calibration. The shift of the mode switch is effected by means of a suitable internal program control.
At mode position 49-2, the sweep waveform is a simple sinusoidal voltage, such as that shown by waveform 62 in FIG. 7. Shape 63 shows a typical video waveform obtained by scanning with a sinusoidal sweep voltage with negative bias. The video waveform obtained with positive polarization is represented by shape 64, and with zero polarization by video waveform 65.
Fig. 7 is particularly plotted for a sweep and the waveforms resulting from examining a calibration block 59 placed at coordinates X (orY <o) on the calibration grid 18. Similar waveforms can be obtained to calibrate the X scan on blocks 57 and 61, or the Y scan on blocks 58 and 60 by adding a DC offset to the sine waveform 62. These positive and negative DC offsets are added to the DC shapes. Sine sweep wave at mode switch positions 49-3 and 49-4.
Waveform 65 is the video waveform obtained as the scan sweeps symmetrically around calibration block 59. The symmetry of this waveform means that no DC-residual offset exists in the generator. sweep 48, in the summing amplifier 51 and in the output amplifier 57 which is connected to it.
If an offset is found, as indicated by asymmetric waveforms 63 and 64, the magnitude and direction of the shift is determined using techniques known for this purpose, such as by detecting the phase of these waveforms by with respect to the sine waveform 62. The DC signal resulting from such a phase detection produces an offset control signal 54 which is fed into an analog summing amplifier 51 to correct the offset, to produce a d-shape. symmetrical video wave such as that shown in FIG. 7 as waveform 65.
The DC gain of the combined analog summing amplifier 51 and output amplifier 57 is calibrated using blocks 57, 58, 60 and 61 on the calibration grid.
A predetermined DC voltage is added to sine waveform 62 to produce continuous calibration sweeps at mode positions 49-3 and 49-4. A positive voltage is added to provide a calibration input signal at position 49-3 of the mode switch; a negative input signal is provided to provide a calibration input signal at position 49-3 of the mode switch; furthermore, a negative input signal is provided to provide a calibration input signal at position 49-4 of the mode switch.
To calibrate the X scan, the positive shifted sine waveform will sweep the image of the calibration grid around the calibration block 61. Proper continuous gain is represented by a symmetrical video waveform such as 65. Excessive gain is indicated by asymmetry such as that exhibiting video waveform 64, and insufficient video gain is indicated by asymmetry, such as exhibiting video waveform 63.
A phase detection circuit identical to that used to measure DC offset is used to determine the magnitude and direction of gain distortions. The resulting error signals, applied to the positive gain control wire 55 and the negative gain control wire 56, are fed into the output amplifier 57.
Due to the lack of perfect symmetry in normal scanning circuits and their associated coils, in magnetic fields and in optics, and also because of the lack of symmetry thus imposed on the associated electronic correction circuits, it is normally necessary to control the positive and negative gain of the circuitry represented by the analog summing amplifier 51 and the output amplifier 57 and to provide separate gain controls for the positive and negative excursions, as indicated by the inputs respectively 55 and 56.
Input information from a source 25 (Fig. 2) is used to provide the coordinates for the start of the scanning DC voltage source 50, and for an end of scan level detector 52. Multiplexing input serving this purpose is well known in the art. Input information, provided to level detector 52, provides a detection signal indicating when the sweep voltage has reached the point representing the end of the sweep as defined by the nominal size on the appropriate wire from the input information source 25.
As previously indicated, level detector 52 outputs a signal which acts to restore latch 38 and thereby control a subtractor 41 to generate a reference signal to correct digital scan control memory register 45.
Figs. 8A-8E show the ability of the scanning device to examine the end of a cylindrical workpiece 74 whose inner bore diameter and outer diameter represent the inner (ID) and outer (OD) diameters of the workpiece. It is assumed that one wishes to determine the coordinates of the center of the circular bore and its internal diameter. To find the internal diameter, a series of horizontal search explorations, such as those represented by the numbers 75a, 75b, 75c, 75d and 75e in FIG. 8A, are performed side to side of nominal center, starting scan 75a just below the lowest position allowed by an acceptable tolerance and ending with a 75th scan just above position highest allowed.
The diameter X of the bore is determined by the largest dimension measured in this search procedure. The X coordinate of the center of the bore is represented by the position of the bisector of the diametral distance thus determined.
As shown in fig. 8B, the Y coordinate and Y diameter of the bore are similarly found by a group of runs 76a through 76e. The coordinates of the center of the bore are then the intersection of the largest diameter X and the largest diameter Y which have just been measured.
As shown in fig. 8C, the circularity of the bore can be determined by measuring a large number of diameters 77 through the center of the bore just established.
Variations in the intersections with the part from side to side of any of these diameters indicate a deviation from circularity. In a similar way, a symmetry deviation of the outer diameter of the workpiece can be measured, as shown in fig. 8D, measuring a set of diameters 78 through the center by the previously mentioned procedures, and determining the lengths of these diameters as they intersect the exterior surface of the work.
The concentricity of the inner diameter and the outer diameter can be determined by carrying out a series of radial explorations 79, as shown in FIG. 8E, across the inner diameter and outer diameter to measure the wall thickness of the part. Variations in thickness are directly representative of the concentricity of the internal and external diameters.
Reference is now made to FIG. 8F showing the wavy outline of a very coarse pinion gear that needs to be measured. Circle 81 represents the base diameter of the pinion, circle 83 represents the outside diameter of the pinion, and circle 82 represents the nominal pitch circle diameter of the pinion. A scan on this nominal diameter can measure the tooth-to-tooth spacing of the pinion and the various defects relating to the pinion configuration which are based on a tooth-to-tooth error.
In a similar way, measurements can be made along the pitch circle diameter of a threaded part, such as a screw which, in fig. 8G, is shown in longitudinal section. The parallel lines 85 which touch the tops of the threads represent the outside diameter of the screw. The parallel lines 87, which touch the bottoms of the threads, represent the base diameter, while the parallel lines 86 which intersect the threads represented
feel the diameter of the pitch circle. A scan running along lines 86 will measure variations in the thread contour along this pitch circle diameter. This measurement can be performed while the part is held stationary or as it rotates around its longitudinal axis.
This der
nth measure will allow a full description of the variations
in the contour of the thread along the pitch circle diameter on
the entire length of the threaded piece for 360 'of rotation.
Reference is now made to FIGS. 9A, 9B and 9C, on which is
another measuring technique made possible by the
flexibility inherent in exploration by photomultiplication
can be deviated. The curve 88, in these figures, represents,
either the internal diameter or the external diameter of a part whose
the radius of curvature and whose center of curvature must be
established. The exploratory waveform in fig. 9A is shown
by the waveform 89, that in FIG. 9B by waveform 90 and
that in fig. 9C by waveform 91. These waveforms
exploratory are constituted by an exploration having a radius
of known curvature and a known center of curvature. Superimposed on
this curved exploration, is a component to modula
tion of high frequency.
The exploration and the unknown curve 88 (fig. 9A) will have the
same radius and center of curvature only when the whole
cycles at high frequency of the modulation component is
symmetrically cut by the measured curve. However, the
curve 89 of the exploration does not agree with the curve 88 measured. Curve 89 has a larger radius of curvature, and the intersection with curve 88 therefore begins and ends near the bottom of the high frequency modulation component, as indicated at points Mi and M2.
With reference to fig. 9B, it is seen that the exploratory curve 90 has a smaller radius of curvature than the curve 88 of the measured part, and that its intersection with the curve of the part begins and stops at the top of the high frequency modulation component , as indicated by points M3 and M4.
In fig. 9C, the exploratory curve 91 has the correct radius of curvature with respect to the curve 88 of the measured part, but its center is displaced in space from the center of the curve 88 of the part. Under these conditions, the intersections with the high frequency modulation component thus start at the bottom, as indicated by the point Ms, and stop at the top, as indicated by the point M6.
In all the examples shown in FIGS. 9A, 9B and 9C in which the exploratory curve deviates, with respect to the radius of curvature or the center of curvature, from the curve of the measured part, the amount and direction of this deviation is determined by techniques well known in the art to generate an error signal and corresponding direction. This error signal acts to control a closed servo loop to modify the radius of curvature and the center of curvature of the scan to adapt these to those of the unknown scan.
Under relatively automatic conditions where there are minimal problems with delivering the light, presenting the part to the system, and performing the various measurements, the device can operate at a rapid speed, such as 100 scans per second, each scan performing a single dimensional measurement. In most cases, it may be necessary or desirable to calibrate the scan and optics before each measurement, so that 100 scans per second, i.e. 10 msec will be taken in time. calibration and 10 ms assigned to the actual measurement.
Shifting the scan from one measurement position to the next can usually be done almost negligibly, therefore, if 25 ms is allotted for calibration, measurement, and movement of the scan to the position. next, the device is then able to perform forty calibrated measurements with precision per second.
This is particularly useful in the following cases:
A. When it is necessary to perform a large number of measurements on a complex machined part, such as an eccentrically shaped cam or a machine molded part.
B. When multiple measurements of the same dimension are required in a high speed production line. An example of this case is a chain producing roller bearings at a speed of five per second and where inspection requirements dictate measurement at several positions along the length of the roller.
C. When implicit dimensional measurements are required, such as the pitch circle diameter of a thread or pinion. In this case, a reference surface must be established.
This reference surface must be carefully placed relative to the unknown object, and measurements must then be taken at specified parts of the reference surface. Currently, real threads are used to generate the reference surface. This entire procedure can be accomplished by a system under the control of an appropriate computer program, including the generation and use of electronic wires as references.
The surface of the part presented to the device must represent the dimensions to be measured and it must therefore be free of chips and other machining residues. Other than the cleanliness requirement, no special surface preparation is necessary, and the system will operate with equal ease on parts whose parts are either brightly polished or have a dark or black anodized finish.
It is possible to use the scanning member 11 and its associated optics for pattern recognition purposes according to the technique described in US Pat. No. 3,593,286. In this patent, a deflectable photomultiplier tube is used to provide an exploration of an optical image of a drawing to establish a degree of similarity between the drawing and a reference drawing. Thus, the exploration member 1 1 functions both to carry out the dimensional measurement of a part and for pattern recognition.
This dual use of the scanning device requires a relatively small addition in the electronics associated with the system and still allows the following additional features which are of great value in a part measuring device:
(A) The part to be measured does not need to be precisely oriented in order to make the desired measurements. With the exploration member functioning as the input device of a correlator, in a manner known per se, the video information thus generated can be used to align the exploration with the shifted or rotated lineage. the part to be measured.
No mechanical displacement is necessary for the 5n operation, as scanning alignment is performed electronically according to the known technique mentioned above. With the e;: ploration aligned in this way, the coordinates of the measurement scan are shifted and rotated by applying the same offset and rotation correction voltages to them, developed using the scan member according to a mode. correlation. as a result, the measurement scan pattern is rotated and translated to the appropriate degree for the displaced image in its field of view.
(B) Through the use of image displacement compensation techniques, according to the aforementioned prior art, one can follow a moving object through the field of view. This is of particular importance for making measurements on parts conveyed on a conveyor belt, as the measurement can then be made on the part during the entire period when the part remains within the field of view of the device. . It is also useful to measure parts which can rotate by rolling from one side of this field of view to the other, thus facilitating the measurement of the diameters of balls or cylinders and making it possible to make similar measurements which could be identical regardless of the orientation of the part.
Using this tracking technique, runouts and other deviations in symmetry can be measured without the need to determine the reading of any indicators or similar readings. The simplest technique for performing this measurement is shown in fig. 10 in which a part 69, moving from one side to the other of a flat surface 66, is observed by two separate exploration members 67 and 71.
An exploration member 71 which responds to an image generated by light rays 73 projected on it by a lens 72, follows the part, as it moves from one side of the field of view to the other in the same way. described in the aforementioned prior patent. The other exploration member 67, using a lens 68 and light rays 70 to perform the measurement, is slaved to the tracking exploration member by means of input signals delivered from the exploration member of continue at control inputs 54-1 and 54-2, fig. 5.
Thus, when it is slaved to the tracking, the measuring exploration member 67 sees the image of the moving part stabilized within its exploration domain, and it takes measurements just as it does. there was no real displacement of the image. Note that the nature of the calibration technique described here allows the measurement scan to be calibrated at each new position in the scan, simply by using a reference sample and a hold circuit between the correlator / scanner. and the control inputs 54-1 and 54-2 (fig. 5) of the measuring exploration device.
When performing the calibration, the sample and hold circuits are put into the hold mode, so that the calibration can take place with a static scan at approximately the position it will be at for measurements.
Next, the sample and hold circuit is put into the sample mode in which the measurement scan locks to the track scan, thereby stabilizing the moving image with respect to the measurement scan. With circuits of the type well known in the art, the time constants are such that the hold mode for calibration and the scan mode for tracking can be achieved with sufficient rapidity to allow overall system operation to progress. at its normal measuring speed.
It is frequently desirable to be able to choose different planes in model space to generate the image to be measured on the face of the scanning assembly. Heretofore certain techniques have been used to do this to a limited extent. In particular, collimated light can be used to allow a limited amount of control, as will now be explained in connection with FIG. 11. FIG. 11A is a hollow cylinder 92 of tubular configuration shown in cross section. Fig. 11B is the same cylinder shown in end view. The internal diameter is not a perfect cylinder, the upper section is somewhat thicker at point B, and the lower section is somewhat thicker at point E.
As can be seen in FIG. 1 1 C, a collimated light 93 used to measure the internal diameter of this cylinder is intercepted at points B and E. The image generated, by passing the beam of collimated rays through the internal diameter of this cylinder, would indicate a diameter internal smaller than left diameter (AD) or right diameter (CF).
it is frequently necessary to obtain either the diameter AD or the diameter CF while illuminating the internal diameter of the cylinder with a light from the left of the cylinder.
The image should be viewed with a scanning device placed on the right of the cylinder, with appropriate optics between the right side of the cylinder and the scanning device, to generate the desired images. In fig. 1 11, to see the diameter CF while illuminating the cylinder from the left, it is necessary to diverge the light rays 94 in a controlled manner. The angle of divergence can be determined geometrically. The divergence should be large enough so that the radii which emerge from the right side of the inner diameter of the cylinder have been intercepted by the diameter of interest, i.e. the diameter CF, and not by a diameter which is somewhat to the left of the diameter of interest.
Similarly, to choose the diameter AD which is on the illuminated face of the cylinder, it is necessary to use illumination with a controlled degree of convergence as shown in fig. It E. The amount of convergence can be determined geometrically; the condition being that the rays 95 emerging from the right side of the internal diameter of the cylinder are intercepted only by the diameter AD and not by the area to the right of AD.
Another measurement problem which arises in practice, for which no practical solution exists to date, is that of measuring the thickness of a transparent material such as a glass plate 97, as shown in Fig. fig. 12. If the physical configuration of the material to be measured allows, techniques similar to those used for the metal may be employed.
These include micrometers, height gauges.
etc. However, it is common practice to generate glass shapes with highly complicated and frequently closed wall configurations. The problem is particularly aggravated by the fact that the generation of these shapes is normally done by a blowing or sagging process during which it is extremely difficult to control the wall thickness of the worked glass.
In order to ensure the overall strength of the resulting object, it is necessary to determine the wall thickness of the finished object.
A method of performing such measurements in a non-destructive manner, under practical production conditions according to the invention, involves sending an incoming ray of light 96 to the glass plate 97, the thickness of which is to be measured, so that two reflections are generated. A reflected ray, indicated by the numeral 99, results from a first surface reflection, and the second reflected ray, identified by the numeral 98, is a second surface reflection (often referred to as a phantom).
It is quite obvious, by examining the geometry shown in fig. 12, that for a given angle between an incoming ray 96, and the first surface of the glass plate 97, the distance, between the two reflected rays 98 and 99, is a direct measure of the thickness of the plate. The scanning technique for performing the measurement described above is directly applicable to the measurement of the distance between these reflected rays in order to provide a feasible commercial method of measuring glass thickness.