DD214920A1 - Anordnung zur beruehrungslosen, hochgenauen messung von laengen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Laengenmessung an gleichfoermig bewegten, beschleunigten oder ruhenden Messobjekten in Zeitintervallen. Ziel der Erfindung ist eine derartige Anordnung, mit der bei geringem Aufwand eine sehr genaue Messung des Abstandes zwischen zwei Kanten dieser Messobjekte moeglich ist. Ausgehend vom Ziel liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Abstaende zwischen den Kanten beruehrungslos und unabhaengig von der Bewegungsrichtung und der Bewegungsgeschwindigkeit der Messobjekte mit hoher Zuverlaessigkeit des Ergebnisses zu ermitteln. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe dadurch geloest, dass zwei Halbleiterabbildungseinrichtungen mit linearer Ordnung der Fotoplaetze mit gegenlaeufiger Ausleserichtung in einem Abstand zueinander, der etwa der Messlaenge entspricht, entlang der Bewegungsbahn der Messobjekte angeordnet sind, dass mindestens zeitweilig eine optische Abbildung je einer Messkante auf jeder Halbleiterabbildungseinrichtung vorhanden ist und dass zur logischen Verknuepfung in einer elektronischen Auswerteschaltung jeweils Paare von aequivalenten Grauwertsignalen vorgesehen sind.

Description

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Änordnung zur b.erührungslosen, hochgenauen Messung von Längen

Anwendungsgebiet der Erfindung

'.

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur berührungslosen Längenmessung, insbesondere zur hochgenauen Messung von Abständen zwischen zwei Kanten bewegter' Meßobjekte. Sie ist z.B. nutzbar in Meß- und Prüfautomaten, Sortierautomaten und in Zuführeinrichtungen an Montageautomaten. Die Meßobgekte können sich während des Meßvorganges gleichförmig oder beschleunigt bewegen und rasch aufeinander folgen. Die Erfindung ist weiterhin zur Messung oder überwachung von Querdimensionen an endlosen Halbzeugen (Bänder, Drähte, Fäden) während ihrer Herstellung oder Weiterverarbeitung anwendbar. Ebenfalls lassen sich Längenänderungen an ruhenden Körpern, z.B. aufgrund von Temperatureinflüssen, in vorzugebenden Zeitintervallen kontrollieren.

Der Meßbereich ist in großen Grenzen variierbar.

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- 2 Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Bei der automatisierten Fertigung und Prüfung von Maschinenteilen und -baugruppen ist es häufig notwendig,

.5 geometrische Abmessungen während der Bewegung schnell und genau zu erfassen. Es sind bereits technische Lösungen bekannt, die für derartige Meßaufgaben Halbleiterabbildungseinrichtungen, d.h. mit fotoempfindlichen Elementen (sog. Fotoplätzen) versehene Bildwandler, benutzen. "1-0 . . . . ' . . ;'.

So wird z.B. in der DE-OS 2948510 eine "Vorrichtung zur Messung der Querdimensionen eines fadenförmigen Gebildes" beschrieben, in der eine Halbleiterabbildungseinrichtung zur Maßverkörperung verwendet wird. Die dort beschriebene Erfindung ist für die Erfassung und Beseitigung you Garnfehlern mit Hilfe elektronischer Garnreiniger von Bedeutung. Als Querdimensionen werden Durchmesser und Querschnittsfläche des Garns verstanden. Die entsprechenden Signale werden von einer Haibleiterabbildungseinrichtung gewonnen, die quer zur. Laufrichtung des Garns angeordnet ist und auf die der Garndurchmesser.projiziert wird. In einer zugeordneten Meßschaltung wird das aufgenommene Garnsignal mit einem vorgegebenen Grundsignal verglichen; aus der Differenz werden Befehlssignale erzeugt. "

.25 Λ . ' .. :

Diese.Lösung läßt zwar\ eine berührungslose Längenmessung

zwischen .zwei Kanten zu. und ist auch zur Meßwerterfassung ;.; . . an bewegten Objekten geeignet;, .sie hat jedoch den Eachteil, daß die zu messende Länge in ihrer Gesamtheit auf die Fotoplätze der Halbleiterabbildungseinrichtung projiziert werden muß. Daraus ergibt sich bei der Erfassung von Objekten, deren geometrische Ausdehnung die Abmessungen der fotoempfindlichen Fläche der Halbleiterabbildungseinrichtung überschreitet, die Notwendigkeit einer optischen Maßverkörperungsvergrößerung, die eine Verminderung der.

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Auflösungsgenauigkeit und damit der Meßgenauigkeit zur Folge hat* Liegt bei bewegten Objekten die Bewegungsgröße in der Größenordnung der Veraorbeitungsgeschwindigkeit der aufgenommenen Informationen, kommt es zur Verwaschung der Objektabbildung auf der fotoempfindlichen Fläche bzw. zu . weiteren Ließungenauigkeiten.

Aus den dargestellten Gründen ist diese Lösung zur berührung si ο sen, hochgenauen Messung von Abständen zwischen zwei Kanten von Objekten, die in ihrer Ausdehnung sehr viel größer sind als die fotoempfindliche Fläche einer Halbleiterabbildungseinrichtung und die sich mit einer Geschwindigkeit bewegen, die der Auslesegeschwindigkeit der Halbleiterabbildungseinrichtung nahe kommt, nicht geeignet.

Ziel der Erfindung .

Das Ziel.der Erfindung ist eine Anordnung zur:Längenmessung, mit der eine sehr genaue Ermittlung des Abstandes zwischen zwei Kanten eines Objektes möglich ist. Die Anordnung soll mit geringem technischen Aufwand realisierbar und in hochproduktiven Maschinen und Anlagen nutzbar sein.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Ausgehend vom Ziel liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur hochgenauen Längenmessung zu schaffen, die berührungslos arbeitet und die in der Lage ist, geometrische Abstände zwischen zwei Kanten von Meßobjekten, unabhängig von deren Bewegung, zu erfassen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe unter Verwendung einer optischen Strahlungsquelle, von Halbleiterabbildungseinrichtungen mit zellenförmig angeordneten Fotoplätzen, deren

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aufgenommene Informationen als Grauwertsignal in einer vorgegebenen Richtung ausgelesen werden, und einer elektronischen Auswerteschaltung dadurch gelöst, daß zwei Halbleiterabbildungseinrichtungen in Richtung ihrer J'otoplatzzeilen, jedoch mit gegenläufiger .Ausleserichtung in einem Abstand zueinander, der etwa der zu messenden Länge entspricht, entlang der Bewegungsbahn der MeßObjekte angeordnet sind, daß beide Halbleiterabbildungseinrichtungen . in Bezug auf die optische Strahlungsquelle und die Bewegungsbahn der Meßobjekte so ausgerichtet.sind, daß mindestens zeitweilig zur gleichen Zeit eine optische Abbildung je einer Meßkante auf einer Halbleiterabbiidungseinrichtung vorhanden ist und daß zur logischen Verknüpfung in der elektronischen Auswerteschaltung jeweils

T5 zwei, paarweise während der gleichzeitigen Bedeckung beider Halbleiterabbildungseinrichtungen durch ein Meßobjekt entstehende äquivalente Grauwertsignale vorgesehen sind. Im Verlauf der optischen Strahlung können zwischen den Halbleiterabbildungseinrichtungen und dem Meßobjekt optische Elemente zur Umlenkung der Strahlen angeordnet sein.

In der elektronischen Auswerteschaltung sollten zwei Videosignalaufbereitungsschaltungen zur Verstärkung der beiden äquivalenten Grauwert signale., eine Signalverknüpfungsschaltung, eine Anzeigeeinheit sowie: ein Taktsystem und eine Stromvers.orgungseinheit vorhanden sein.

Die Vorteile dieser technischen Lösung liegen vor allem darin, daß Messungen an Objekten, die soY/ohl kleiner als auch größer als die Halbleiterabbildungseinrichtung sein können, möglich sind, daß sich die Meßobjekte in Ruhestellung oder in Bewegung befinden können, wobei es : unkritisch ist, ob die Bewegung gleichförmig oder be-

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schleunigt erfolgt, und daß die Messung von Quer- oder Längsdimensionen der Objekte in Bezug auf ihre Bewegungsrichtung erfolgen kann.

Bs besteht die Möglichkeit, während des Vorbeiganges, eines bewegten Meßobjektes vor der Meßstelle den Abstand zwischen zwei Kanten mehrfach zu messen und die Ergebnisse dieser Meßserie zu mitteln, so daß die Meßsicherheit erhöht wird. Selbst bei unscharfen oder ausge-10. brochenen Kanten sind relativ genaue Messungen möglich. Auch eine Rotationsbewegung des Meßobjektes um seine Längsachse ist denkbar und würde unter Umständen die Meßgenauigkeit erhöhen.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen

zeigen . .

Pig. 1 Die erfindungsgemäße Anordnung der Halbleiterabbildungseinrichtungen in Bezug mit Meßobjekt und optische Strahlungsquelle

Fig. 2 Die Anordnung eines optischen Elementes im Verlauf der. optischen Strahlung

Pig. 3 Die Abstufung der Grauwerte während einer

Messung 30

Pig. 4 Eine Variante der elektronischen Auswerteschaltung

In Pig. 1 sind in Richtung des von einer Strahlungsquelle (nicht dargestellt) kommenden parallelen Lichtes 1 ein

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Meßobjekt 2 und zwei CCD-Zeilen 3,4 mit den Fotoplätzen 3.1. bis 3,η und 4.1. bis 4.η angeordnet. Die Fotoplätze 3.1. bis 3.n, 4.1. bis 4.η sind parallel zur Bewegungsrichtung R des Meßobjektes 2 und senkrecht zur Einfallsrichtung des Lichtes 1 so ausgerichtet, daß sie gegenläufigausgelesen werden können. Dabei entspricht der Abstand a dem Sollwert der .Länge 1, gemessen zwischen den Kanten 5 und 6 des Meßobjektes 2. .

Aufgrund der unterschiedlichen Bestrahlungsdauer entstehen in Abhängigkeit von der Bewegungsgeschwindigkeit des Meßobjektes 2 in den einzelnen Fotoplätzen 3.1. bis 3.n, 4.1. bis 4.η differenzierte Grauwertsignale g (vgl. Figur 2). Diese Grauwerte liegen für eine Anzahl von Fotoplätzen, die von der Streuung des Lichtes 1 und von der Bewegungsgeschwindigkeit des Meßobjektes 2 beeinflußt wird, zwischen gmin und ginax. In der Darstellung betrifft das die Werte der Fotoplätze 3·4., .3.5, 3.6 sowie 4*3, 4.4, 4.5, deren Abstufung als flankengleiche Abbildungsverwaschungen der Kanten 5 und 6 zu deuten ist.

Wird ein geeigneter Grauwert gs als Schwelle gewählt, so läßt sich für.jeden Zeitpunkt, zu dem eine Abbildung der Kante 5 auf Fotoplätzen der CCD-Zeile 3 und der Kante 6 auf Fotoplätzen der CCD-Zeile 4 vorhanden ist, ein Paar äquivalenter Grauwertsignale gs finden, das - bezogen auf die Positionen der entsprechenden Fotoplätze - Informationen über die Lagen der Kanten 5 und 6 liefert. In der Figur beziehen sich die Lagen der Kanten 5 und 6 auf die Fotoplatze 3·5 und 4.4. Durch Verknüpfung dieser Lageinformationen mit dein Abstand a wird die Länge 1 des Meßobjektes 2 ermittelt.

Die Bewegungsgeschwindigkeit des Meßobjektes 2 hat zwar Einfluß auf die Steilheit der flankengleichen Abbildungs-

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verwaschungen, jedoch nicht auf die Beziehung der Kantenlagen zu den entsprechenden Fotoplatzpositionen, da sich mit der Geschwindigkeit beide Planken gleichermaßen ändern. Aus diesem Grund sind Bewegungsgeschwindigkeit und Bewegungsrichtung des Meßobjektes 2 ohne Bedeutung für das Meßergebnis.

In der Regel wird die Bewegungsgeschwindigkeit sehr viel kleiner sein als die mögliche Auslesegeschwindigkeit der CCD-Zeilen 3 und 4, so daß während des Vorbeiganges eines. Meßobjektes 2 an der Meßstelle für eine Vielzahl von Zeitpunkten die Kantenlagen und damit die Länge 1 ermittelt werden kann. Die Erfassung und Auswertung solcher Meßreihen in einer elektronischen Auswerteschaltung nach Pigur 4 gewährleistet eine präzise Längenmessung. Selbst wenn die Kanten des Meßobjektes 2 unscharf oder z.B. aus-. gebrochen sind, ist durch diese Vielzahl von Messungen ein noch relativ genaues Ergebnis möglich. Auch die Rotation des ,Meßobjektes 2 um seine Längsachse ist denkbar und kann

u. U-. die Meßgenauigkeit erhöhen.

In Figur' 4 ist die Möglichkeit der elektronischen Auswertung dargestellt. Die von den CCD-Zeilen 3,4 kommenden Signale, die mit einer vom iaktsystem 8 vorgegebenen Frequenz ausgelesen werden, liegen an je einer Signalaufbereitung 7, in denen eine Schweiiwertbewertung zur ge- . . nauen Positionsbestimmung der Kanten 5 und 6 vorgenommen wird, an und werden nach ihrer Aufbereitung einer Verknüpfungseinheit 10 zugeführt. Hier erfolgt die logische Verknüpfung beider Signale mit der Information "Abstand a" zu einer Information über die Länge 1 des Meßobjektes 2. Zur Ausgabe des Meßergebnisses ist eine Anzeigeeinheit 11 vorgesehen. Das Hetzteil 9 liefert die notwendigen . . Spannungen.

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Der Meßbereich ist in der praktischen Ausführung mit dem Abstand a in Abhängigkeit von der Länge 1 des Meßobjektes in großen Grenzen variierbar.. Im dargestellten Beispiel wird die untere Grenze durch die Einbaumaße der GGD-Zeilen 3,4 bestimmt. Eine Erweiterung des Meßbereiches wäre denkbar, durch die .Einordnung eines optischen Prismas 12 gemäß Figur 2 in den Verlauf der optischen Strahlung.

Andere Beispiele für Anwendungsfälle sind die Messung oder Prüfung von Querdimensionen an langen oder endlosen Meßobjekten mit Bewegung senkrecht zur Bewegungsrichtung R und die Längenmessung an ruhenden Objekten in zeitlichen Intervallen.

In Pällen, in denen die Länge 1 definitiv bekannt ist, kann auch eine Messung der Bewegungsgeschwindigkeit vorgenommen werden.

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Claims (4)

• · I Erfindurijgsarisprucix

1. Anordnung zur berührungslosen, hochgenauen Messung von Längen zwischen zwei Kanten bewegter Meßobjekte unter Verwendung einer optischen Strahlungsquelle, von Halbleiterabbildungseinrichtungen mit zellenförmig angeordneten Potopiätzen, deren aufgenommene Informationen als Grauwertsignale in einer vorgegebenen Richtung ausgelesen werden und einer elektronischen Auswerteschaltung,: gekennzeichnet dadurch, daß zwei Halbleiterabbildungseinrichtungen in.Richtung ihrer Fotoplatzzeilen, jedoch mit gegenläufiger Ausleserichtung in einem Abstand voneinander, der etwa der zu messenden Länge entspricht,entlang der· Bewegungsbahn des Meß-Objektes angeordnet sind, daß beide Halbleiterabbildungseinrichtungen in Bezug auf die optische Strahlungsquelle und axe Bewegungsbahn der Meßobjekte so ausgerichtet sind, daß mindestens zeitweilig zur gleichen Zeit eine optische Abbildung je einer Kante auf einer Halbleiterabbildungseinrichtung vorhanden ist und daß zur logischen Verknüpfung in der elektronischen Auswerteschaltung Jeweils zwei, paarweise während der gleichzeitigen Bedeckung beider Halbleiterabbildungseinrichtungen durch ein Meßobjekt entstehende äquivalente Grauwertsignale vorgesehen sind.

2. Anordnung zur berührungslosen, hochgenauen Messung von Längen nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß im Verlauf der optischen Strahlung ζτ/isehen dem Meßobjekt.

und den Halbleiterabbildungseinrichtungen optische Elemente zur Umlenkung der Strahlen angeordnet sind«

3· Anordnung zur berührungslosen, hochgenauen Messung von Längen nach Punkt- 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß

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in der elektronischen Auswerteschaltung zwei Video-, Signalaufbereitungsschaltungen zur Verstärkung der beiden äquivalenten Grauwertsignale, eine Signalverknüpfungsschaltung, eine Anzeigeeinheit sowie ein Taktsystem und eine Stromversorgungseinheit vorhanden sind. .

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4'Seiten'Zeichnungen

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