CH662651A5

CH662651A5 - Optisch-elektrisches messverfahren zur erfassung von unrunden querschnitten insbesondere strangartiger gegenstaende und einrichtung zur durchfuehrung des verfahrens.

Info

Publication number: CH662651A5
Application number: CH264183A
Authority: CH
Inventors: Bernhard Dipl-Ing Brand; Bruno Dipl-Ing Richter
Original assignee: Richter Bruno Gmbh
Priority date: 1982-05-24
Filing date: 1983-05-16
Publication date: 1987-10-15
Also published as: DE3219389A1; GB8314347D0; GB2121956A; DE3219389C2; GB2121956B

Description

Die Erfindung betrifft ein optisch-elektrisches Messverfahren zur Erfassung von unrunden Querschnitten insbesondere strangartiger Gegenstände, bei welchem ein scharf gebündelter Lichtstrahl in einer Abtastebene verschwenkt wird, die Schwenkbewegung des Lichtstrahls innerhalb eines Messfeldes in eine Parallelverschiebungsbewegung umgeformt und der Lichtstrahl jenseits des Messfeldes auf einen Detektor hin abgelenkt wird, derart, dass der Lichtstrahl von einem Messfeld befindlichen Gegenstand während der Parallel-Verschiebungsbewegung für eine bestimmte, von der Grösse des Querschnittes in der Abtastrichtung abhängige und am Detektorausgangssignal messbare Zeit abgeschattet wird.

Messverfahren dieser Art sind der US-Patentschrift 3 765 774 oder der deutschen Patentschrift 2 849 252 entnehmbar. Sollen mit den bekannten Verfahren unrunde Querschnitte präzise ausgemessen werden, so ist es erforderlich, den zu vermessenden Gegenstand im Messfeld zu drehen, so dass beispielsweise ein Maximaldurchmesser und ein Minimaldurchmesser festgestellt werden kann.

In bestimmten Anwendungsfällen ist jedoch eine Drehung des zu messenden Gegenstandes nicht möglich, etwa bei der laufenden Fertigung von strangförmigen Gütern, welche nicht oder noch nicht in Längenabschnitte unterteilt sind. Als Beispiele seien hier Walzprofile, Strangpressprofile, gezogene Drähte und dergleichen genannt.

Durch die Erfindung soll also die Aufgabe gelöst werden, unrunde Querschnitte von insbesondere strangartigen Gegenständen auch dann präzise erfassen zu können, wenn diese Gegenstände zur Bestimmung der Querabmessung oder des Durchmessers in verschiedenen Richtungen willkürlich nicht beliebig um ihre Längsachse verdrehbar sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass bei mit Bezug auf die Umgebung unveränderter Orientie-

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rung des Querschnittes des Gegenstandes eine Abtastung in mehreren unterschiedlichen Richtungen vorgenommen wird.

Eine erfindungsgemässe Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist Gegenstand des Patentanspruchs 2.

Die Einrichtung erlaubt die Bestimmung des Durchmessers, oder, genauer gesagt, des Schattenmasses eines unrunden Querschnitt aufweisenden Gegenstandes in einer beliebigen Anzahl von Richtungen. Zweckmässig ist die Stellung der Schwenkhalterung relativ zu einer Gerätebasis mittels eines Winkelgebers bestimmbar, der zwischen der Schwenkhalterung und der Führung oder Lagerung vorgesehen ist, so dass einzelnen Querschnitts-Abmessungswerten bestimmte Winkelstellungswerte zugeordnet werden.

Eine weitere erfindungsgemässe Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist Gegenstand des Patentanspruchs 10.

Bei einer derartigen Anordnung ist zwar die Anzahl der Richtungen, in welchen Durchmesser oder Schattenmasse bestimmbar sind, begrenzt, doch besteht der Vorteil, dass die Messergebnisse gleichzeitig für eine Auswertung zur Verfügung stehen, da eine mechanische Schwenkbewegung nicht abgewartet werden muss.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind im übrigen Gegenstand der abhängigen Ansprüche, deren Inhalt hierdurch ausdrücklich zum Bestandteil der Beschreibung gemacht wird, ohne an dieser Stelle den Wortlaut zu wiederholen. Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen :

Fig. 1 Eine schematische Abbildung einer optisch-elektrischen Messeinrichtung zur Erfassung unrunder Querschnitte von strangartigen Gegenständen mit einem verschwenkbaren Abtastsystem und

Fig. 2 eine andere Ausführungsform einer optisch-elektrischen Messeinrichtung zur Erfassung von unrunden Querschnitten mit mehreren stillstehenden Abtastsystemen.

Die Messeinrichtung nach Figur 1 enthält eine an einer Gerätebasis 1 befestigte, sich über einen Winkel von etwa 270° erstreckende Führungsbahn 2, in der eine etwa C-för-mige oder hufeisenförmige Schwenkhalterung 3 verschwenkbar oder drehbar gelagert ist, wie in Figur 1 durch den Pfeil P und eine strichpunktiert angegebene Schwenkstellung der Schwenkhalterung 3 bei 4 deutlich gemacht ist.

Längs der Führungsbahn 2 erstreckt sich ein Zahnkranz 5 mit Innenverzahnung, in welche das Antriebsritzel 6 eines Antriebsmotors 7 eingreift, der an der Schwenkhalterung 3 befestigt ist. Dem Antriebsmotor 7 kann über eine Leitung 8 sowie über ein von der Schwenkhalterung 3 zu Schalteinrichtungen auf der Seite der Gerätebasis 1 führendes flexibles Kabel 9 elektrische Energie zugeführt werden, derart, dass die Schwenkhalterung 3 durch den Antriebsmotor in eine jeweils gewünschte Schwenkstellung bewegt wird.

Auf dem in Figur 1 rechts liegenden Schenkel der Schwenkhalterung 3 ist eine Quelle für einen scharf gebündelten Lichtstrahl, beispielsweise ein Laser 10 montiert, dessen Ausgangsstrahl 11 auf einen Drehspiegel 12 trifft, der von einem Spiegelmotor 13 in Umdrehung versetzt wird. Der Drehspiegel 12 und der Spiegelmotor 13 befinden sich ebenso wie der Laser 10 auf der Schwenkhalterung 3. Der von dem Drehspiegel 12 in einer Abtastebene verschwenkte, reflektierte Lichtstrahl trifft auf eine Kollimatorlinse 14, welche die Schwenkbewegungen des Lichtstrahls in eine Parallel-Verschiebungsbewegung umformt, derart, dass die Abtastlichtstrahlen parallel zueinander ein zwischen den Schenkeln der Schwenkhalterung 3 gelegenes Messfeld 15 überstreichen, wenn der Drehspiegel 12 in Umdrehung versetzt ist.

Auf der von der Kollimatorlinse 14 entfernten Seite des Messfeldes 15 treffen die Abtastlichtstrahlen auf eine Sammellinse 16, welche an dem in Figur 1 links liegend dargestellten Schenkel der Schwenkhalterung 3 montiert ist und die Abtast-Lichtstrahlen auf einen Detektor 17 fokussiert, der sich ebenfalls auf dem betreffenden Schenkel der Schwenkhalterung 3 befindet. Die Detektor-Ausgangssignale werden über eine Leitung 18 und das zuvor bereits erwähnte flexible Kabel 9 Auswerteinrichtungen zugeleitet.

Schliesslich befindet sich auf der Schwenkhalterung ein Abtastkopf 19, welcher optische Rastermarken 20 der Führungsbahn 2 abtastet und Ausgangssignale über eine Leitung 21 und das flexible Kabel 9 Auswerteinrichtungen auf der Seite der Gerätebasis zuführt.

Der Laser 10, der Drehspiegel 12 und der Spiegelmotor 13, die Linsen 14 und 16 und der Detektor 17 wirken in an sich bekannter Weise derart zusammen, dass der Abtast-Licht-strahl von einem im Messfeld 15 befindlichen Gegenstand 22 während der Parallel-Verschiebungsbewegung des Abtast-Lichtstrahles für eine bestimmte, von der Grösse des Querschnittes in der Abtastrichtung abhängige und am Ausgangssignal des Detektors 17 messbare Zeit abgeschattet wird. Aus der Drehgeschwindigkeit des Spiegelmotors 13 und dem zeitlichen Verlauf der Detektorsignale des Detektors 17 kann in der Auswerteinrichtung 23 die Abmessung des Querschnittes des Gegenstandes 22 in Abtastrichtung berechnet werden. Das Ergebnis wird in der Anzeigeeinrichtung 24 angezeigt oder registriert. Gleichzeitig erfolgt eine Anzeige oder Registrierung eines Winkelwertes, der aus den Ausgangssignalen des Abtastkopfes 19 ermittelt wird und der angibt, in welcher Stellung sich die Schwenkhalterung 3 relativ zur Gerätebasis 1 befunden hatte, als eine Abtastung des Gegenstandes 22 und eine Aufzeichnung eines entsprechenden Durchmesserwertes erfolgte. In dieser Weise lassen sich beliebig viele Richtungen des Querschnittes des Gegenstandes 22 bezüglich des Schattenmasses untersuchen, wobei eine Zuordnung zu dem jeweiligen Schattenmass aufgezeichnet wird.

Der Abtastkopf 19 kann in Abwandlung gegenüber der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform auch kapazitive oder induktive Rastermarken abtasten. Auch ist es möglich, mit der Ausgangswelle des Antriebsmotors 7 einen Drehmelder zu koppeln, um der Winkelstellung der Schwenkhalterung 3 gegenüber der Gerätebasis 1 entsprechende Signale zu bilden.

Weiter kann die Führungsbahn 2 auch in anderer Weise ausgebildet sein und beispielsweise einen rohrflanschartigen Ansatz der Schwenkhalterung 3 umfassen, welcher von der Berandung derjenigen Gehäuseteile der Schwenkhalterung 3 in Axialrichtung wegsteht, welche das Messfeld 15 begrenzen. Der Rohransatz kann eine der Unterbrechung der Führungsbahn 2 entsprechende Öffnung aufweisen, um das Messfeld 15 von einer Seite zugänglich zu halten, so dass langgestreckte, strangartige Gegenstände 22 in das Messfeld 15 eingebracht werden können, ohne dass ein zugängliches Ende des Gegenstandes 22 zur Verfügung steht, welches durch eine ringartige Anordnung durchgefädelt werden müsste.

Verlässt der strangartige Gegenstand 22 in einer kontinuierlichen Vorschubbewegung eine Produktionsmaschine oder eine Bearbeitungsmaschine, beispielsweise eine Strangpressmaschine, so ist dafür Sorge zu tragen, dass die Schwenkhalterung zur Bestimmung mehrerer Durchmesserwerte oder Schattenmasse in verschiedenen Richtungen sehr rasch in die jeweils erforderliche Schwenkstellung gebracht wird, damit die gemessenen und angezeigten Durchmesser-

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werte oder Schattenmasse sich mindestens näherungsweise auf ein und den selben Querschnitt beziehen.

Ist dies bei hohen Vorschubgeschwindigkeiten des bezüglich seines Querschnittes zu messenden Gegenstandes nicht möglich, so erweist sich eine Messeinrichtung gemäss Figur 2 als zweckmässig. Die Einrichtung gemäss Figur 2 enthält, jeweils in fester oder festlegbarer Lage relativ zu einer nicht dargestellten Gerätebasis ein dem zuvor beschriebenen Messsystem entsprechendes Messsystem mit einem Laser 10, einem Drehspiegel 12, einem Spiegelmotor 13, der Kollimatorlinse 14, der Sammellinse 16 und dem Detektor 17. Aufgrund ihrer Anordnung bestimmen die genannten Teile dieses Messsystems eine erste Abtastrichtung mit Bezug auf einen hinsichtlich seines Querschnittes zu vermessenden Gegenstand 22.

Ausser dem erwähnten Messsystem sind noch zwei weitere Messsysteme relativ zur Gerätebasis fest bzw. festlegbar montiert, deren Bauteile genau so bezeichnet sind wie diejenigen des zuerst erwähnten Messsystems, jedoch zusätzlich den Bezugsbuchstaben a bzw. b tragen. Diese weitere Messsysteme bestimmen Abtastrichtungen an dem zu untersuchenden Gegenstand 22, welche zu der durch das erste Messsystem bestimmten Abtastrichtung Winkel von 60° bzw. 120° einschliessen. In bestimmten Fällen kann es vorteilhaft sein, wenn die Abtastrichtungen Winkel von 90° und 135° miteinander bilden.

Haben die zu vermessenden strangartigen Gegenstände elliptischen Querschnitt, so lassen sich durch die Bestimmung dreier Schattenmasse mit Abtastrichtungen, welche bekannte Winkel miteinander einschliessen, der grösste und der kleinste Durchmesser, also die Hauptachsen der Ellipse, und ihre Winkellage relativ zu einer Bezugsrichtung in geeigneten Auwerteinrichtungen berechnen.

Während in Figur 2 den einzelnen Messsystemen einzelne

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Laser 10,10a und 10b zugeordnet sind, wobei die Ausgangsstrahlen der Laser 10a und 10b über Spiegel 25 bzw. 26 auf die jeweils zugehörigen Drehspiegel gelenkt werden, kann auch ein einzelner Laser zur Beaufschlagung sämtlicher

5 Drehspiegel dienen, wozu sein Ausgangsstrahl über Strahlteilmittel und Reflexionsmittel den Drehspiegeln zugeführt wird, was jedoch nicht im einzelnen gezeigt ist.

Während bei der Einrichtung nach Figur 2 der grösste und der kleinste Durchmesserwert aus den Messungen an einem io Querschnitt bekannter und definierter geometrischer Gestalt berechnet werden können, lassen sich der grösste und der kleinste Messwert bei der Einrichtung nach Figur 1 aus einer Vielzahl von Messwerten selektieren, welche während einer Schwenkbewegung der Schwenkhalterung 3 über 180° 15 anfallen. Hierzu wird in an sich bekannter Weise ein Kompe-ratorausgangssignal dazu verwendet, ein Register aufzuda-tieren, wenn ein folgender Messwert gegenüber einem vorausgegangenen Messwert grösser ist und ein anderes Register aufzudatieren, wenn ein Messwert gegenüber einem voraus-20 gegangenen Messwert kleiner ist.

Den beschriebenen Messeinrichtungen ist der Vorteil gemeinsam, dass keine gesonderten Einrichtungen zur Manipulation des zu vermessenden Gegenstandes erforderlich sind, welche die Oberfläche des Gegenstandes beschädigen könnten, welche die Zugänglichkeit des Messfeldes einschränken und welche, soll der Gegenstand 2 in Richtung seiner Längsachse bewegt werden, vergleichsweise kompliziert ausgebildet werden müssen.

so Es sei noch erwähnt, dass die einzelnen Messsysteme geringfügig in Richtung der Längsachse des Gegenstandes 22 relativ zueinander versetzt angeordnet sein können, wenn die Messwerte sich nicht unbedingt auf ein und dieselbe Querschnittsebene beziehen müssen.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Optisch-elektrisches Messverfahren zur Erfassung von unrunden Querschnitten insbesondere strangartiger Gegenstände, bei welchem ein scharf gebündelter Lichtstrahl (11) in einer Abtastebene verschwenkt wird, die Schwenkbewegung des Lichtstrahls innerhalb eines Messfeldes (15) in eine Parallel-Verschiebungsbewegung umgeformt und der Lichtstrahl jenseits des Messfeldes auf einen Detektor (17) hin abgelenkt wird, derart, dass der Lichtstrahl (11) von einem im Messfeld (15) befindlichen Gegenstand (22) während der Parallel-Verschiebungsbewegung für eine bestimmte, von der Grösse des Querschnittes in der Abtastrichtung abhängige und am Detektorausgangssignal messbare Zeit abgeschattet wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei mit Bezug auf die Umgebung unveränderter Orientierung des Querschnittes des Gegenstandes (22) eine Abtastung in mehreren unterschiedlichen Richtungen vorgenommen wird.

2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Schwenkhalterung (3), welche um den zu untersuchenden Gegenstand (22) herum verschwenkbar gelagert ist und eine Lichtquelle (10) für die Erzeugung des gebündelten Lichtstrahls (11), trägt auf einer Seite des Messfeldes (15) ein Drehspiegel (12) zur Erzeugung der Schwenkbewegung des Lichtstrahls (11) und Kollimationsmittel (14) zur Erzeugung der Parallel-Abtastbewegung und auf der anderen Seite des Messfeldes (15) Fokussierungsmittel (16) zur Ablenkung des Lichtstrahls auf den Detektor hin vorgesehen sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkhalterung (3) so ausgebildet ist, dass mindestens in einer bestimmten Schwenkstellung das Messfeld (15) einseitig frei zugänglich ist, wobei eine kreisförmige Führung zur Lagerung (2) der Schwenkhalterung sich über mehr als 180° erstreckt.

4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkhalterung (3) mittels eines Antriebs (6,7) verschwenkbar ist.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellung der Schwenkhalterung (3) relativ zu einer Gerätebasis (1) mittels eines Winkelgebers (19,20) bestimmbar ist, der zwischen der Schwenkhalterung (3) und der Führung (2) oder Lagerung vorgesehen ist, so dass einzelnen Querschnitts-Abmessungswerten bestimmte Winkelstellungswerte zugeordnet werden.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkelgeber einen Abtastkopf (19) zur Abtastung optischer Rastermarken (20) aufweist.

7. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkelgeber einen Abtastkopf zur Abtastung kapazitiver oder induktiver Rastermarken enthält.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Anschlussleitungen (18,21) bzw. Steuerleitungen des Drehspiegelantriebs (13) und/oder des bzw. eines Winkelgeber-Abtastkopfes (19) und/oder des Detektors (17) über ein flexibles Kabel (9) von der Schwenkhalterung (3) zu einer Auswerteinrichtung (23) geführt sind.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Anschlussleitungen des Drehspiegelantriebs (13) und/oder des bzw. eines Winkelgeber-Abtast-kopfes ( 19) und/oder des Detektors ( 17) zu einer Schleifring-anordnung zwischen der Schwenkhalterung (3) und der Gerätebasis (1) geführt sind.

10. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mehrere Messsysteme, eine Lichtquelle für die Erzeugung eines durch Strahlteil-und Reflexionsmittel sämtlichen Messsystemen zugeführten Lichtstrahls oder mehrere je einem der Messsysteme zugeordnete Lichtquellen (10,10a, 10b), wobei jedes Messsystem einen Drehspiegel (12, 12a, 12b) zur Erzeugung der Schwenkbewegung des Lichtstrahls, Kollimationsmittel (14, 14a, 14b) zur Erzeugung der Parallel-Abtastbewegung und Fokussierungsmittel (16,16a, 16b) zur Ablenkung des Lichtstrahls auf den Detektor (17,17a, 17b) aufweist, und die Kol-limations-(14,14a, 14b) und Fokussierungsmittel (16,16a, 16b) der Messsysteme ortsfest um das Messfeld verteilt angeordnet sind, so dass die Kollimations- und Fokussierungsmittel (14, 16; 14a, 16a; 14b, 16b) jedes Messsystems einander in Bezug auf den Querschnitt des zu untersuchenden Gegenstands (22) gegenüberliegen und jedes Messsystem den ihm zugeordneten Lichtstrahl in einer anderen Richtung durch das Messfeld lenkt als die übrigen Messsysteme.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorenausgangssignale und der Drehspiegeldrehgeschwindigkeit entsprechende Signale der Messsysteme gleichzeitig auswertbar sind.

12. Einrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass drei Messsysteme vorgesehen sind, und dass die einer Abmessung des Gegenstandsquerschnittes in einer bestimmten Richtung entsprechenden Signale der Messsysteme einem Rechenwerk (23) zuleitbar sind.

13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass Auswertschaltungen zur Bestimmung eines Maximaldurchmessers und eines Mini-maldurchmessers des Gegenstandsquerschnittes vorgesehen sind.