DE10322907A1 - Vorrichtung zur Messung von Außen-, Innenabmessungen und Abständen von Messobjekten - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung von Abmessungen von Messobjekten (M) mit einer Lichtquelle (L¶1¶, L¶2¶, L¶3¶, L¶4¶) zur Beleuchtung einer Spaltblende (D), vor oder hinter der eine Spiraltschlitz-Scheibe (DS) angeordnet ist, wobei Spaltblende und Scheibe relativ zueinander drehbar sind und die Scheibe einen den Spalt der Spaltblende schneidenden Spiralschlitz (SS) aufweist, durch dessen Zusammenwirken mit dem Spalt eine Lochblende (LB) entsteht. Eine Auswerteeinrichtung, die die Zeit misst, in der die Lichtstrahlen das Messobjekt abtastet, ermittelt aus den gemessenen Zeiten Abmessungen. Um das Messobjekt gleichzeitig in verschiedenen räumlichen Ebenen oder in einer Ebene in verschiedenen Achsen abtasten zu können, sind mehrere, in Strahlrichtung gesehen, vor der Spiralschlitz-Scheibe (DS) um die Drehachse (A) radial angeordnete Spalte (D¶1¶, D¶2¶, D¶3¶, D¶4¶) in der Spaltblende (D) ausgebildet und ist für die Spalte eine gemeinsame Lichtquelle oder für jeden Spalt eine separate Lichtquelle (L¶1¶, L¶2¶, L¶3¶, L¶4¶), die Licht mit einer Wellenlänge oder mit unterschiedlichen Wellenlängen (lambda¶1¶, lambda¶2¶, lambda¶3¶, lambda¶4¶) oder mit frequenzmodulierten Amplituden aussenden, vorgesehen.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung von Außen-, Innenabmessungen und Abständen von Messobjekten gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Eine derartige Vorrichtung ist durch die DE 38 16 322 bekannt. Sie ist wegen der Ausnutzung nur einer Messfeldhälfte für kleine Messobjekte ausgelegt, wobei die optische Abtastung in nur einer Ebene und einer Messachse erfolgt. Die Messfrequenz ist durch die Drehzahl mechanischer Komponenten (Spiralschlitz-Scheibe) begrenzt.
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Vorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass Messobjekte gleichzeitig in verschiedenen räumlichen Ebenen oder in einer Ebene in verschiedenen Achsen abtastbar sind und/oder eine Vervielfachung der Messfrequenz erreichbar ist.
• Diese Aufgabe wird durch die Erfindung gemäß Anspruch 1 gelöst.
• Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der Aufgabenlösung sind in den Unteransprüchen angegeben.
• Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Bestimmung von Abmessungen und Abständen von Messobjekten auf ei ne Zeitmessung zurückgeführt. Es wird die Zeit gemessen, die ein Lichtpunkt benötigt, um eine bestimmte durch zwei Kanten oder dgl. begrenzte Strecke zu durchlaufen. Diese Strecke ist z. B. der Außendurchmesser oder der Innendurchmesser eines Messobjektes, kann aber auch der Abstand zweier Gegenstände sein. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird ein parallel zu sich verschiebbarer Strahl mittels einer Spaltblende und einer dahinter angeordneten drehbaren Scheibe erzeugt, die spiralig geschlitzt ist. Die Position des zu sich selbst verschobenen parallelen Strahls folgt dem Gesetz s = c · φ, wobei φ der Drehwinkel der Spiralenschlitz-Scheibe und c eine Konstante ist. Der Spiralschlitz blendet aus dem den Spalt D durchsetzenden Parallelbündel einen engen Lichtstrahl aus, der praktisch als Lichtpunkt erscheint. Durch Drehung der Scheibe DS verschiebt sich der eine Lochblende LB darstellende Schnittpunkt des Spiralschlitzes mit dem Spalt entlang dem Spalt. Dadurch bewegt sich der Lichtstrahl bzw. Lichtpunkt je nach Drehrichtung der Scheibe periodisch mit konstanter Geschwindigkeit von unten nach oben oder umgekehrt. Der Spiralschlitz gehorcht der Gleichung für eine archimedische Spirale mit dem Radius r = c · φ, mit c = v_L/ω, worin v_L die Geschwindigkeit der Lichtstrahl- bzw. Lichtpunktverschiebung, ω die Winkelgeschwindigkeit der sich drehenden Spiralschlitz-Scheibe DS und φ der Drehwinkel der Scheibe DS ist.
• Ist die Scheibe DS gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung mit mehreren Spiralschlitzen ausgestattet, die zueinander einen äquidistanten Winkelabstand haben, so wird sich pro Scheibenumdrehung der Schnittpunkt des Spiralschlitzes mit dem Spalt mehrfach entlang des Spalts periodisch von unten nach oben bzw. von oben nach unten bewegen.
• Das vorgeschlagene Messverfahren ist linear, so dass für eine Linearisierung weder ein zusätzliches Geräteteil noch Softwareaufwand notwendig sind. Die Erfindung ermöglicht die gleichzeitige optische Abtastung des Messobjektes in verschiedenen räumlichen Ebenen bzw. in verschiedenen Achsen einer Ebene ohne größeren zusätzlichen technischen Aufwand. Es ist eine hohe Messgenauigkeit von ca. 1 μm möglich. Das Messobjekt kann an beliebiger Stelle im Messfeld angeordnet werden; das Messfeld entspricht etwa dem Doppelten des maximalen Abstandes des Spiralschlitzes vom Mittelpunkt des Spiralschlitzes bzw. der Spiralschlitz-Scheibe. Es besteht Linearität über das gesamte Messfeld und im gesamten Messbereich. Da die Schattenzeit erfindungsgemäß ermittelt wird und nicht die Lichtintensität außerhalb und innerhalb des Schattens, können transparente Objekte gemessen werden ohne Kenntnis des Transmissionsgrades. Die Messempfindlichkeit und die Messgenauigkeit bleiben unabhängig von der Größe der Messobjekte erhalten. Schon mit geringen technischen Maßnahmen zur Messfrequenzerhöhung ist eine relativ hohe Abtastfrequenz von ca. 1 kHz und mehr erreichbar. Die gesamte Messeinheit (Lichtquelle, Messfeld, Empfänger) kann prinzipiell sehr klein gebaut werden, eignet sich aber auch für die Vermessung von großen Messobjekten, z. B. Großrohre. An die Lichtfelderzeugung und die Lichtstrahldetektierung werden nur geringe Anforderungen gestellt, so dass die erfindungsgemäße Messvorrichtung preiswert herstellbar ist. Hauptanwendungen der Erfindung sind die Überwachung von Fertigungsvorgängen in der Metall, Kunststoff und Gummi verarbeitenden Industrie. Die erfindungsgemäße Messvorrichtung kann auch als Kontrollinstrument für hochgenaue Fertigung in der Werkstatt eingesetzt werden.
• Die Erfindung soll nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung, in der Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher erläutert werden.
• Es zeigen:
• 1 und 2 eine Seitenansicht und eine Hinteransicht von vier erzeugenden Systemen (Anordnung aus Lichtquelle, Spaltblende und Spiralschlitz-Scheibe), wobei die optischen Komponenten und der Strahlengang nur für zwei erzeugende Systeme (IV und III) schematisch dargestellt sind,
• 3 eine Anordnung der optischen Komponenten und des Strahlenganges in der Draufsicht bei einer Vervierfachung der Abtastrate,
• 4 schematisch einen Abtastrichtungswechsler,
• 5 Signalströme von Fotodioden bei einer Rechtsdrehung der Spiralschlitz-Scheibe mit Angabe der Periodendauer T = Umlaufzeit der Spiralschlitz-Scheibe und der Zeit t_d, in der der Abtastlichtstrahl den Durchmesser des Messobjektes überstreicht,
• 6 schematisch eine Ausführungsform zur Erhöhung der Anzahl der erzeugenden Systeme, die eine Scheibe mit vier Spiralschlitzen aufweist,
• 7 eine Seitenansicht einer Ausführungsform zur Messung mit vier erzeugenden Systemen in einer Ebene in vier Achsen,
• 8 eine Seitenansicht einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung mit vier erzeugenden Systemen in ei ner Ebene in zwei Achsen,
• 9 eine Draufsicht auf die den Lichtquellen abgewandte Seite (Hinteransicht) von vier erzeugenden Systemen bei der Ausführungsform nach 8,
• 10 eine Draufsicht auf die Vorrichtung nach den 8 und 9,
• 11 Ausgangssignale der Vorrichtung nach den 8-10,
• 12 eine Darstellung der Umfangskante vom Messfeldende bei vier erzeugenden Systemen,
• 13 eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erfassung von Außen- und Innenabmessungen,
• 14 eine Draufsicht auf die den Lichtquellen abgewandte Seite (Hinteransicht) der Vorrichtung nach 13,
• 15 eine Darstellung des zeitlichen Verlaufs der mit der Vorrichtung nach den 13 und 14 gewonnen Signale während eines Umlaufs der Spiralschlitz-Scheibe,
• 16 eine Einrichtung zur optischen Aufweitung der Abtastlichtstrahlen und
• 17 bei der Einrichtung nach 16 gewonnene Messsignale.
• Gleiche und einander entsprechende Bauteile in den Figuren der Zeichnung sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
• Nach dem Grundprinzip der erfindungsgemäßen Messvorrichtung wird die Abtastrate durch die maximale Umdrehungsgeschwindigkeit der Spiralschlitz-Scheibe DS begrenzt. Die Abtastrate lässt sich dadurch steigern, dass die Anzahl m der erzeugenden Systeme erhöht wird. Es gilt
  Abtastungen/Sekunde = m · Umdrehungen/Sekunde.
• Die Anzahl m der erzeugenden Systeme kann dadurch erhöht werden, dass
• a) die Anzahl n der Spalten, die pro Umdrehung der Scheibe mit dem Spiralschlitz sich bewegende Lochblenden bilden und/oder
• b) die Anzahl k der Spiralschlitze, die pro Umdrehung der Scheibe mit einem Spalt sich bewegende Lochblenden bilden, erhöht wird.
• Nachfolgend soll beispielhaft die Vervierfachung der Abtastrate nach a) unter Bezug auf die 1-5 näher erläutert werden.
• Die 1-3 zeigen eine Vorrichtung zur Messung von Außen-, Innenabmessungen und Abständen von Messobjekten (M). Die Vorrichtung umfasst vier Lichtquellen L₁, L₂, L₃, L₄ und wenigstens ein Linsensystem (LS) zur Erzeugung eines Parallellichtbündels aus den Lichtstrahlen der Lichtquellen. Das Parallellichtbündel fällt auf eine Spaltblende D mit vier Spalten D_l, D₂, D₃, D₄ vor der in Lichtstrahlrichtung gesehen eine Spiralschlitz-Scheibe DS angeordnet ist, die um eine Drehachse A drehbar ist. Das Linsensystem (LS) zur Erzeugung eines parallelen Lichtbandes kann, wie in der 3 dargestellt, vor der Spaltblenden/Spiralschlitzscheiben-Anordnung (D/DS), aber auch dahinter angeordnet sein zur Parallelisierung der abtastenden Strahlen. Die Scheibe DS weist einen den Spalt der Spaltblende schneidenden Spiralschlitz SS auf, der die Form einer archimedischen Spirale hat, die der Gleichung r = c ∙ φ gehorcht, wobei r der Radius der Spirale, c der Quotient aus der Lichtstrahlabtastgeschwindigkeit bzw. Lichtpunktgeschwindigkeit v_L und der Winkelgeschwindigkeit ω der sich drehenden Scheibe (c = v_L/ω) und φ der Drehwinkel der Scheibe ist. Durch das Zusammenwirken von Spalt und Spiralschlitz entsteht eine Lochblende LB, die bei Drehung der Scheibe mit konstanter Drehzahl entlang dem Spalt mit konstanter Geschwindigkeit bewegt wird. Die Vorrichtung umfasst ferner vier Fotodioden F₁, F₂, F₃, F₄, auf welche die die Lochblende durchsetzenden und das Messobjekt abtastenden Lichtstrahlen AS gelenkt werden. Das Messobjekt M ist in Strahlrichtung gesehen vor der Lochblende angeordnet. Die Ausgangssignale der Fotodioden sind einer Auswerteeinrichtung (nicht dargestellt) zugeführt, die die Zeit misst, in der die Lichtstrahlen das Messobjekt abtasten und aus den gemessenen Zeiten, die diesen Zeiten proportionalen Außenabmessungen, Innenabmessungen und Abstände des Messobjektes bzw. der Messobjekte ermittelt.
• Die vier Spalte D₁, D₂, D₃, D₄ der Spaltblende D sind radial um die Drehachse A angeordnet. Für jeden Spalt ist eine Lichtquelle L₁, L₂, L₃, L₄ vorgesehen, die Licht mit lichtquellenspezifischen Merkmalen aussenden, z. B. Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen λ₁, λ₂, λ₃, λ₄ oder Licht einer Wellenlänge mit unterschiedlichen frequenzmodulierten Lichtamplituden LA₁, LA₂, LA₃, LA₄.
• Bei der Vorrichtung nach den 1-3 sind somit vier erzeugende Systeme I, II, III und IV vorgesehen. Jedes erzeugende System besteht aus einer Lichtquelle, einem Spalt der Spaltblende und der gemeinsamen Spiralschlitz-Scheibe DS.
• Der Abtastlichtstrahl des erzeugenden Systems III wird mit Spiegeln S₄ und S₅ sowie der Abtastlichtstrahl des erzeugenden Systems IV mit Spiegeln S₁, S₂ und S₃ in die Strahlebene des erzeugenden Systems I gespiegelt. Die optischen Komponenten der erzeugenden Systeme I und II sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Die optischen Komponenten und der Strahlengang für das erzeugende System II sind achsensymmetrisch zum System IV angeordnet.
• Die 3 zeigt, dass für eine Vervierfachung der Abtastrate vier Lichtquellen mit lichtquellenspezifischen Merkmalen, z. B. mit den Wellenlängen λ₁, λ₂, λ₃, λ₄ verwendet werden. Der Abtastlichtstrahl des erzeugenden Systems I mit der Wellenlänge λ₁ wird mit Hilfe eines Spiegels S₁₂ und über einen Spiegel S₁₀ auf einen Abtastrichtungswechsler AW gelenkt. Der Abtastrichtungswechsler besteht gemäß 4 aus einem rechtwinklig gleichschenkligen Prisma P, auf dessen Hypotenusenfläche H der Abtastlichtstrahl AS senkrecht fällt, dessen Abtastrichtung LR₁ durch 180°-Knickung des Strahlenweges umgekehrt wird. Der in seiner Abtastrichtung umgekehrt aus dem Prisma austretende Abtastlichtstrahl wird durch zwei unter einem Winkel von 90° gegeneinander geneigte Spiegel S₆ und S₇ auf eine Parallelspiegelanordnung S₈, S₉ gelenkt, die den in seiner Abtastrichtung umgekehrten Abtaststrahl (Abtastrichtung LR₂) in die Ebene des einfallenden Abtastlichtstrahls umlenkt, also wieder in die Strahlebene des Systems I. Der Strahl passiert in Richtung Messobjekt teildurchlässige Spiegel S₁₄, S₃ und S₁₈.
• Als Abtastrichtungswechsler können auch eine Stablinse, bei der die Brennweiten und Hauptpunkte im Unendlichen liegen und sich die Strahlen im Zentrum der Linse schneiden, oder eine teleskopische Einrichtung verwendet werden.
• Der Abtastlichtstrahl des erzeugenden Systems III mit der Wellenlänge λ₃ wird mit Spiegeln S₁₁ und S₁₃ in eine Parallelspiegelanordnung S₄, S₅ gelenkt, vgl. 1 und 3, angehoben und mit Spiegeln S₁₅ sowie S₁₄ in die Strahlebene des Systems I gespiegelt. Die Abtastlichtstrahlen der erzeugenden Systeme II und IV mit den Wellenlängen λ₂ und λ₄ gelangen ebenfalls (siehe 1-2) mittels Spiegel S₁₆, S₁₇, S₁₈ sowie S₁, S₂ und S₃ in die Strahlebene des Systems I. Alle vier Abtastlichtstrahlen überstreichen das Messobjekt M an der gleichen Stelle in einem Zeitabstand von T/4. Hinter dem Messobjekt werden die Strahlen der vier sich exakt überlagernden Messfelder mittels einfacher Linsenoptik L auf Punktgröße fokussiert. Sind die sender- bzw. lichtquellenspezifischen Merkmale unterschiedliche Wellenlängen, so werden diese mit Hilfe von Spiegeln S₁₉, S₂₀ und S₂₁, deren Reflexion wellenlängenabhängig ist, gemäß den Wellenlängen separiert und auf Fotodioden F₁, F₂, F₃ und F₄ gelenkt. Sind die lichtquellenspezifischen Merkmale unterschiedliche frequenzmodulierte Lichtamplituden, so erfolgt die Signalseparierung elektronisch mittels Frequenzweichen hinter der Diode, die Licht aller vier Sender bzw. Lichtquellen empfängt, in der elektronischen Auswerteeinrichtung. Die Signalströme der Fotodioden bzw. nach der Frequenzseparierung in der Auswerteeinrichtung sind in der 5 dargestellt. Es ist ersichtlich, dass im T/4-Zeitabstand ein Messwert, der der Schattenzeit t_d proportional ist, erzeugt wird. Bei einer Rechtsdrehung der Spiralschlitz-Scheibe DS werden die Durchmessersignale nacheinander von den erzeugenden Systemen III, IV, I, II, III, IV, I usw. erzeugt. Wenn in der Praxis eine Durchmesserermittlung genügt, bei der die abtastenden Strahlen der einzelnen erzeugenden Systeme jeweils voneinander um einige Millimeter objektseitig axial versetzt sein dürfen, genügt die Messung mit Licht nur eines Merkmals, beispielsweise nur einer Wellenlänge. Das Messfeld kann verdoppelt werden, indem gemäß 6 das Messfeld zwischen F₁₈ und dem Messgut in 3 mittels eines Strahlenteilers senkrecht zur Längsachse des Messgutes auf einen Spiegel gelenkt wird, der das zweite Messfeld (x₂) an das erste Messfeld (x₁) angrenzend in die Messachse des ersten Messfeldes spiegelt. In diesem Fall sind die in 3 empfängerseitig dargestellten Komponenten zu verdoppeln und die Signale mit gleichen Lichtquellenmerkmalen (λ) als Ausgangssignal des Durchmessers dλ = x_1'λ + x_2'λ zusammenzufassen, wobei x_1'λ und x_2'λ abgetastete Objektstrecken sind.
• Gemäß oben angegebener Formel (Abtastungen/sec = m · Umdrehungen/sec) lässt sich durch eine Erhöhung der Zahl m der erzeugenden Systeme eine weitere Steigerung der Abtastrate erzielen unter der Bedingung, dass die Spalten auf dem Umfang der der Spiralschlitz-Scheibe vorgelagerten Spaltblende (D) voneinander einen äquidistanten Abstand haben. Die Anzahl der erzeugenden Systeme lässt sich dadurch erhöhen, dass weitere Spalte in der Spaltblende strahlenförmig von der Achse A ausgehend im gleichen Bogenmaßabstand voneinander vorgesehen werden. Dabei ist die Anzahl der erzeugenden Systeme gleich der Anzahl der Spalte. Zusätzliche erzeugende Systeme können die Funktionen und Einsatzbreite der beschriebenen Vorrichtung erheblich erweitern, z. B. durch die Erfassung von Außenabmessungen in verschiedenen Ebenen oder in verschiedenen Achsen einer Ebene und die Kombination aus Erhöhung der Messfrequenz und der Messachsen, wobei gilt:
  Anzahl der erzeugenden Systeme m = i · j
  mit i = die für die Messfrequenzerhöhung erforderliche Anzahl der erzeugenden Systeme = Multiplikationsfaktor der Grundmessfrequenz (Umdrehungen/sec) und j = die für die Erhöhung der Anzahl der Messachsen oder Messebenen erforderliche Anzahl der erzeugenden Systeme.
• Nachfolgend soll die Vervielfachung der Abtastrate mit Hilfe einer Scheibe, die entsprechend der Variante b), vgl. S. 6, Zn. 19–21, k Spiralschlitze aufweist, erläutert werden.
• Der Spiralschlitz in der Scheibe DS wird mathematisch beschrieben mit r = c · φ (1) und es gilt c = v_LP/ω. Wenn für die Lichtpunktgeschwindigkeit v_LP = h_Lmax · n/60 [m/sec] (n = Umdrehungen/min) und für die Kreisfrequenz ω = 2π · n/60 [sec] eingesetzt wird, gilt r = (h_Lmax/2π) · φ (2) mit der Steigung c = h_Lmax/2π; h_Lmax = maximaler Lichtpunkthub.
• Die Entfernung des Lichtpunktes vom Spiralmittelpunkt ist maximal nach einer Scheibenumdrehung φ = 2π, so dass gilt r_max = h_Lmax. Werden k Spiralschlitze in der Scheibe DS vorgesehen, die einen äquidistanten Drehwinkelabstand φ_k voneinander haben, und r_max = h_Lmax schon nach φ = 2π/k erreicht werden soll, so muss gelten rmax = (k · hLmax/2π) · 2π/k und die Spiralgleichung lautet für 0 ≤ φ ≤ 2π/k r = (k · hLmax/2π) · φ (3) Z. B. sind für eine Vervierfachung der Abtastrate 4 äquidistante Spiralen in der Scheibe erforderlich (6), die gemäß (3) eine 4-fache Steilheit c = 2 · h_Lmax/π aufweisen. In 6 wird der maximale Lichtpunkthub um den Nabenradius a/2 verkürzt. Funktionell ergeben sich pro Umdrehung der Scheibe und pro Spalt k bzw. im Beispiel 4 Abtaststrahlen erzeugende Systeme. Werden Spalten n und Spiralschlitze k wie oben angegeben funktionell kombiniert, so gilt: Abtastungen/sec = k · n · Umdrehungen/sec.
• Anhand der 7 soll eine Vorrichtung zur gleichzeitigen Erfassung von Außenabmessungen in verschiedenen Ebenen bzw. einer Ebene in verschiedenen Achsen beschrieben werden. Jedes Abtaststrahlen erzeugende System der Messvorrichtung kann zur Messung von Außenabmessungen in einer Ebene herangezogen werden, so dass allgemein gilt: Anzahl der Messebenen bzw. Messachsen = Anzahl der erzeugenden Systeme.
• Anhand der 7 soll gezeigt werden, wie mit vier Abtaststrahlen erzeugenden Systemen I-IV in einer Ebene vier Rohrdurchmesser in vier Achsen gemessen werden können, beispielsweise zur Messung der Ovalität eines Rohres. Die Abtastlichtstrahlen erzeugenden Systeme I, II, III und IV sind kenntlich gemacht durch Spalte D₁, D₂, D₃ und D₄ der Spaltblende D sowie der Spiralschlitz-Scheibe DS. Licht des Systems I fällt auf Spiegel S_{I 1}, S_{I 2} und S_{I 3} und einen Strahlenteiler (50% Transmission) S_{I 4'}, der den Strahl mit Hilfe eines Spiegels S_{I 5} auf Messfelder x₃ und x₄ aufteilt. Licht des Systems II wird mittels eines Spiegels S_{II 1} auf eine Spiegelkombination S_{II 2}/S_{II 3} gelenkt, die die Strahlen parallel zur Spiralschlitz-Scheibe und dann lotrecht auf einen Spiegelhalterungsring SR und das Messobjekt M ausrichtet (s. auch 9). Der Spiegel S_{II 4} lenkt den abtastenden Strahl auf einen Strahlenteiler S_{II 5}, der den Strahl mit Hilfe eines Spiegels S_{II 6} auf Messfelder x₅ und x₆ aufteilt. Licht des Systems III wird mittels Spiegel S_{III 1}, S_{III 2} und S_{III 3} auf einen Strahlenteiler S_{III 4} gelenkt, der das Licht mit Hilfe eines Spiegels S_{III 5} auf Messfelder x₇, und x₈ aufteilt. Licht des Systems IV wird mittels eines Spiegels S_{IV 1} auf eine Spiegelkombination S_{IV 2}/S_{IV 3} gelenkt, die analog der Spiegelkombination S_{II 2}/S_{II 3} den Strahl auf einen Strahlenteiler S _{IV 4'} lenkt, der über einen Spiegel S_{IV 5} den Strahl auf Messfelder x₁ und x₂ aufteilt. Die Strahlen werden mit Fotoelementen bzw. Linsen-Fotodiodensystemen DA_{I 1}, DA_{I 2}, DA_{II 1}, DA_{II 2}, DA_{III 1}, DA_{III 2}, DA_{IV 1} und DA_{IV 2} im Bereich der Messfelder x₁–x₈ detektiert, wobei die römischen Indices auf die Abtaststrahlen erzeugenden Systeme I bis IV Bezug nehmen. Die Anordnung ist vorzugsweise so gewählt, dass vier Messfeldpaare x₁, x₂; x₃, x₄; x₅, x₆; x₇, x₈ gebildet sind, die etwa kreisförmig angeordnet sind, wobei benachbarte Messfeldpaare um einen Winkel von 45° gegeneinander versetzt angeordnet sind. Die Messobjektdurchmesser aus den winklig versetzten Messfeldern ergeben sich zu

  

  wobei x_1' bis x_{8 '} die jeweiligen abgetasteten Objektstrecken sind und a der vorgegebene Spaltabstand ist, vgl. auch 8 und 9.
• Bei der Vorrichtung nach 7 wird die Lichtleistung durch die Strahlteiler halbiert, was bei Verwendung von La serlicht unproblematisch ist.
• Anhand der Vorrichtungen nach den 8-12 wird gezeigt, wie vier Abtaststrahlen erzeugende Systeme I-IV zur Messung zweier Rohrdurchmesser in einer Ebene in zwei Messachsen verwendet werden können, was sinnvoll sein kann bei Lichtquellen mit geringer Lichtleistungsdichte, wenn beispielsweise keine Laser eingesetzt werden.
• Erzeugende Systeme I und III erzeugen Abtastlichtstrahlen AS, deren Abtastrichtung in einer senkrechten Ebene senkrecht zur Achse A der Spiralschlitz-Scheibe DS verläuft, siehe 8 und 9. Bei Rechtsdrehung der Spiralschlitz-Scheibe ist die Laufrichtung vom Scheibenmittelpunkt A von innen nach außen gerichtet, vgl. 8, 9. Fotodioden F₁ und F₂, die etwa mit dem radial inneren Ende der Spalte D₁ und D₃ der Spaltblende D ausgerichtet sind, bilden bei Belichtung durch jeweils einen Strahl der erzeugenden Systeme I und III die Startzeiten der abtastenden Strahlen elektrisch ab. Der Abtastvorgang beider Systeme endet, wenn der jeweilige Abtaststrahl AS die Oberfläche des Messobjektes M gerade überstreicht und ein Fotoelement DA₁ bzw. DA₂, das in Strahlrichtung gesehen hinter dem Messobjekt M angeordnet ist, belichtet, vgl. B.
• Die Zeitdifferenz zwischen Start und Ende des Abtastvorgangs ist bei bekannter konstanter Abtastgeschwindigkeit (Laufgeschwindigkeit des Lichtpunktes) proportional den Strecken x₃ und x₄ , vgl . 9 .
• Die Strahlen der erzeugenden Systeme II und IV werden mit den Spiegeln S_l0' und S_11' auf die Spiegel S_3' und S_4' gelenkt. von dort gelangen die Strahlen auf die Spiegel S_1' und S_2'. Ein Spiegel S_9' lenkt die Strahlen, die von S_2' kommen, rechtwinklig in die Messebene unterhalb des Spie gels S_9' um und die Strahlen, die vom Spiegel S_1' kommen, werden über Spiegel S_6' und S_7' auf den Spiegel S_8' umgelenkt, der die Strahlen rechtwinklig in die Messebene unterhalb des Spiegels S_8' umlenkt, so dass das doppelte Messfeld unter den Spiegeln S_8' und S_9' überstrichen wird. Die Abtastrichtung dieser Strahlen verläuft senkrecht zur Abtastrichtung der Strahlen der Systeme I und III. Fotodioden F₃ und F₄ (8), die in Abtastrichtung am Ende der Abtastwege in einem vorgegebenen Abstand a zueinander angeordnet sind, übermitteln jeweils die Endzeitpunkte der Abtastvorgänge, so dass bis zum Belichten von Fotoelementen DA₃ und DA₄, die in Strahlrichtung gesehen hinter dem Messobjekt M angeordnet sind, die Strecken x₁ sowie x2 abgetastet werden. Bei einem bekannten Fotodiodenabstand a zwischen F₁ und F₂ bzw. F3 und F₄ errechnet sich der Messobjekt-Durchmesser d_l in der horizontalen Ebene und der Messobjekt-Durchmesser d₂ in der vertikalen Ebene zu

  

  wobei die kleinen Objektdurchmesser etwas größer als a sein müssen. Ist der Objektdurchmesser gleich oder kleiner als a und ist a kleiner als eine Spaltlänge LS₁, LS₂, LS₃ und/oder LS₄, so reicht das Messfeld eines erzeugenden Systems zur Bestimmung des Durchmessers aus. Der Fotodiodenabstand a ist gleich der Differenz aus dem Doppelten maximalen Abstand des Spiralschlitzes vom Spiralschlitz-Mittelpunkt und dem Doppelten des maximalen Lichtpunkthubes, was dem Abstand der beiden diametral bezüglich der Drehachse A einander gegenüber angeordneten Spalte D₁, D₃ und D₂, D₄ entspricht. Der maximale Lichtpunkthub entspricht der Länge eines Spaltes. Die Messung der vier Radien erfolgt im Zeitabstand von T/4, wobei T die Zeit pro Spiralschlitz-Scheibenumdrehung ist. Bei einer Nenndrehzahl von 24.000 min^–1 würde der zeitliche Versatz der Messvorgänge T/4 = 626 μsec betragen.
• Jedes Fotoelement der Fotoelemente DA₁–DA₄ kann durch eine Linse und eine Fotodiode ersetzt werden, auf die die Linse das Licht fokussiert.
• Anhand der 11 und 12 soll noch die Messung der Abstände zwischen Objektkanten und Messfeldgrenzen erläutert werden. Gemäß den 8-10 stellen sich die Ausgangssignale der Fotoelemente DA₁–DA₄ der Systeme I–IV wie in der
• 11 gezeigt dar. Die Messlängen L_S der erzeugenden Systeme I-IV betragen:

  

  Die Größen c_l bis c₄ sind die Abstände zwischen den Messfeldrändern und den Objektkanten. Sie sind gegeben für die Systeme I und III durch die Zeitdifferenzen t_{max I} – t₁ und t_{ma III} – t₃. Für die Systeme II und IV sind die Zeitdifferenzen t₂ – t₀ und t₄ – t₀ mit t₀ = 0 gegeben. Die Größen c₁ bis c₄ ergeben sich dann wie folgt:

  

  wobei t_max die Laufzeit des Lichtpunktes bzw. des Abtastlichtstrahls über die gesamte Spaltlänge ist.
• In der 12 sind die Umfangskanten vom Messfeldende bei vier erzeugenden Systemen I-IV auf dem Umfang mit n/4-Abstand dargestellt. Eine vollständige Erfassung des Umfangsabstandes vom Messfeldende ist möglich, wenn bei vier erzeugenden Systemen die Messvorrichtung um π/4 auf einer Kreisbahn um den Kreuzungspunkt der Mittellinien des horizontalen Messfeldes II und IV und des vertikalen Messfeldes I und III als Mittelpunkt geschwenkt wird.
• Wenn die Spalten D₁-D₄ der Spaltblende D der Abtaststrahlen erzeugenden Systeme I-IV der oben beschriebenen Vorrichtung mit flächigen Empfängerdioden versehen werden, können Innen- und Außenabmessungen auch im Reflexionsverfahren in einem Messvorgang, d. h. während einer Umdrehung der Spiralschlitz-Scheibe DS, ermittelt werden.
• Die 13 und 14 zeigen eine Ausführungsform der Vorrichtung, mit der mit zwei Abtaststrahlen erzeugenden Systemen I und III die Außen- und Innendurchmesser sowie die Wandstärken von Rohren in einer Ebene gemessen werden können.
• Die erzeugenden Systeme I und III mit Lichtquellen L₁ und L₂ erzeugen Abtastlichtstrahlen AS mit der Abtastrichtung parallel zur Achse (A) der Spiralschlitz-Scheibe DS. Die Abtastlichtstrahlen treffen auf die Stirnseite eines Messobjektes (M), hier eines Rohres, vgl. 13. Eine Spaltblende D mit Spalten D₁, D₂ ist in Strahlrichtung gesehen hinter der Spiralschlitz-Scheibe DS angeordnet. Die Spalte D₁ und D₂ sind mit flächigen Empfängerdioden FF₁ und FF₂ umgeben. Die am Objektmaterial reflektierten Abtastlichtstrahlen der erzeugenden Systeme I und III treffen auf die die Spalten D₁, D₂ umgebenden Empfängerdioden FFi und FF₂ und erzeugen während des Reflexionsvorganges Ausgangssignale mit der Signaldauer t_1I bis t_2I und t_2I bis t_2III, vgl. 15.
• Auf einer unter einem Winkel α zur die Spalte D₁, D₂ verbindenden Gerade G₂ verlaufenden Geraden G₁ durch die Drehachse A der Spaltblende D sind beiderseits der Drehachse jeweils eine Lochblende LB₁ und LB₂ in der Spaltblende ausgebildet. Die Lochblenden LB₁, LB₂ weisen einen vorgebbaren Abstand 1 = a/2 – r_max/((90 – α)/360) von der Drehachse A auf, mit r_max = maximaler Abstand des Spiralschlitzes vom Spiralschlitz-Mittelpunkt bzw. von der Drehachse A und α = vorgebbarer Winkel zwischen der die Lochblenden verbindenden Gerade G₁ und der die Spalte D₁, D_Z verbindenden Gerade G₂. Bei α = 45° beträgt der Abstand a/2 – r_max/8 vom Mittelpunkt der Spiralschlitz-Scheibe mit a = Abstand der Spalte D₁ und D₂, vgl. 14. Die Lochblenden erzeugen mit Hilfe des Spiralschlitzes SS und Leuchtdioden LD₁ und LD₂ in Fotodioden F₁ und F₂ elektrische Impulse, die die Startzeitpunkte t = 0 der Abtastvorgänge über die Spaltlängen b der Spalte D₁, D₂ markieren. Die Abtastgeschwindigkeit v_L ist mit v_L = r_max · n/60 [m/Sekunde] bekannt; n ist die Zahl der Umdrehungen der Spiralschlitz-Scheibe pro Minute, r_max in [m]. Beginn und Ende der Reflexionszeiten sind gemäß 15 für System I mit t_1I und t_2I sowie für das System III mit t_1III und t_2III angegeben. Die genannten Zeitpunkte sind ebenfalls Endzeitpunkte digitaler Impulszählungen, die bei t = 0 begonnen haben und somit mit ihren Impulssummen als proportionale Zeitgrößen dargestellt werden können.
• Der Außendurchmesser D_a, der Innendurchmesser D_i sowie die Wanddicken WDr und WD_III errechnen sich bei gegebenem Spaltenabstand a wie folgt:

  

  

  Mit zusätzlichen Abtastlichtstrahlen erzeugenden Systemen, z. B. Systemen II und IV gemäß oben beschriebener Vorrichtung lassen sich wie für die erzeugenden Systeme I und III beschrieben gleichzeitig zusätzliche Außen- und Innenabmessungen sowie Wanddicken in einer zweiten Messebene bzw. zweiten Messachse der gleichen Ebene ermitteln.
• Anders als oben beschrieben, kann die weitere Lichtquelle bzw. können die weiteren Lichtquellen LD₁, LD₂ auf der gemeinsamen Drehachse A zusammen mit der Spaltblende D, mit der sie drehfest verbunden ist, relativ zu der Spiralschlitz-Scheibe DS mit der gemeinsamen Winkelgeschwindigkeit ω_D gedreht werden. Die Spiralschlitz-Scheibe DS dreht mit der Winkelgeschwindigkeit ω_DS. Hieraus ergibt sich für einen relativen Drehwinkel Φ = Φ_DS – Φ_D. Die Dauer eines kompletten Abtastvorganges t_A ergibt sich aus dem maximalen relativen Drehwinkel Φ = 2 π und den Winkelgeschwindigkeiten ω_DS und w_D, die proportional zu den Drehzahlen n_DS und n_D der Spiralschlitz-Scheibe DS und der Anordnung Lichtquelle/Spaltblende LD₁, LD₂, D sind, zu

  

  Hieraus ergibt sich der gemeinsame Drehwinkelfortschritt Φ_U von Spaltblende D und Lichtquelle LD₁, LD₂ während eines Abtastvorganges zu Φ_U = t_A · 360° · f_D. Der Messobjekt-Umfang wird nach einer Zeit T_D/m = (1/f_D)/m voll-ständig abgetastet, wobei T_D = 1/f_D die Zeit für eine Umdrehung der Spaltblende/Lichtquelle und m die Zahl der erzeugenden Systeme ist.
• Nachfolgend soll ein spezielles Beispiel gegeben werden: Die Drehzahl n_D der Spaltblendenscheibe sei n_D = 30 min^{– 1}, was f_D = 0,5 sec^–1 entspricht, also 0,5 Umdrehungen/sec.
• Die Zeit T_D pro Umdrehung beträgt dann T_D = 2 sec. Die Drehzahl n_DS der Spiralschlitz-Scheibe sei n_DS = 6.000 min^–1, was f_DS = 100 sec^–1 entspricht . Die Zeit T_DS pro Umdrehung beträt dann T_DS = 10 ms . Die Dauer t_A eines Abtastvorgangs errechnet sich dann zu t_A = 1/(100 – 0,5) = 10,05 ms.
• Der Drehwinkelfortschritt Φ_U während eines Abtastvorgangs in Umfangsrichtung beträgt Φ_U = 10,05 · 10^–3 sec · 360° · 0,5 sec^–1 = 1,81°.
• Der Objektumfang ist nach T_D/2 = 1 sec abgetastet, da gleichzeitig an zwei Stellen auf dem Umfang Wanddicken gemessen werden. In dieser Zeit werden also Wanddicken ca. hundert mal und Außen- und Innendurchmesser ca. fünfzig mal bestimmt.
• Um auch Messungen an Messobjekten vornehmen zu können, deren Abmessungen größer sind als die Länge der Spalte der Spaltblende, ist eine Einrichtung zur optischen Aufweitung der Abtastlichtstrahlen AS für jedes erzeugende System I, II, III, IV vorgesehen. Dies soll anhand der 16 und 17 näher erläutert werden.
• Die 16 zeigt eine Einrichtung zur Aufweitung der Abtastlichtstrahlen AS, die wenigstens einen unter einem Winkel von 45° zur Abtaststrahlrichtung angeordneten Strahlteiler ST aufweist, der zwischen der Spaltblende D und dem Messobjekt M angeordnet ist, sowie einen unter einem Winkel von 45° zur Abtaststrahlrichtung und parallel zum Strahlteiler ST sowie in Spaltrichtung um die Spaltlänge L_D versetzt angeordneten Spiegel S₂₂. Auf diesen Spiegel S₂₂ fallen die vom Strahlteiler ST reflektierten Abtaststrahlen. Der Spiegel S₂₂ lenkt die Abtaststrahlen unter Beibehaltung der Abtastrichtung und der Abtastebene auf das Messobjekt um. In der 16 ist die Strahlaufweitung nur für ein erzeugendes System I, von dem nur der Spalt D₁ der Spaltblende D gezeigt ist, dargestellt. Die Spaltblende D des Abtaststrahlen erzeugenden Systems I ist am unteren Rand des Spaltes D₁ mit einer Fotodiode F₂ versehen. Bei Beleuchtung durch den abtastenden Strahl signalisiert sie den Beginn der Bewegung des erzeugenden Strahls im Spalt der Spaltblende (Beginn des Lichtpunkthubes). Der abtastende Strahl trifft dann auf den um 45° geneigten Strahlteiler ST, der 50% Strahlintensität durchlässt und 50% rechtwinklig zum einfallenden Strahl auf den Spiegel S₂₂ reflektiert. Dieser Spiegel S₂₂ erzeugt einen zweiten abtastenden Strahl, der sich parallel und zeitgleich zum ersten abtastenden Strahl bewegt. Auf diese Weise entstehen zwei gleich große übereinander angeordnete Messfelder, die gemeinsam ein erzeugendes System, hier das System I, als Ursprung haben. Je nach Größe des Objektes treffen ein oder zwei abtastende Strahlen auf ein Fotoelement (FE), das in Strahlrichtung gesehen hinter dem Messobjekt M angeordnet ist.
• In der 17 ist das Startsignal der Fotodiode F₂ und die Signalamplitude des Fotoelementes FE während eines Abtastvorganges in beiden Messfeldern dargestellt. Befindet sich die obere Messobjektkante innerhalb des unteren Messfeldes, so entsteht ein Rechtecksignal, das von der halben maximalen Amplitude ausgeht, weil der abtastende Strahl des oberen Messfeldes das Fotoelement trifft, siehe gestrichelt dargestellter Signalverlauf 1 (Objekt 1) in der 17. Die aufsteigende Kante entsteht zum Zeitpunkt t₁, wenn der abtastende Strahl des unteren Messfeldes auf das Fotoele ment trifft. Ragt die Objektkante in das obere Messfeld hinein, trifft nach Beginn des Abtastvorganges kein abtastender Strahl auf das Fotoelement. Erst wenn der abtastende Strahl des oberen Messfeldes die Objektkante überstreicht, entsteht eine ansteigende Flanke, die nur die halbe Amplitude erreicht und bei 0 V beginnt, was in der 17 durch das untere, durchgezogen dargestellte Signal 2 (Objekt 2) dargestellt ist. D. h., wenn eine ansteigende Signalflanke bei der halben maximalen Amplitude beginnt, so befindet sich die Messobjektkante innerhalb des unteren Messfeldes. Beginnt die ansteigende Signalflanke bei 0 V und erreicht nur das halbe Maximum, so befindet sich die Messobjektkante im oberen Messfeld. Es gilt dann für die Abmessungen der in 15 dargestellten Objekte 1 (gestrichelt dargestellt) und 2 (mit durchgezogenen Linien dargestellt):

  

  mit t₀ = 0 und t_E = Dauer eines Abtastvorganges. Es soll darauf hingewiesen werden, dass hier nur die Vergrößerung des Messfeldes des erzeugenden Systems I betrachtet wird.
• Wird zusätzlich das vergrößerte Messfeld des erzeugenden Systems III betrachtet, so gilt

  

  Werden die Strahlteiler und der parallel angeordnete Spiegel S₂₂ jeweils wenigstens 1 mal um L_D · √2 verlängert, wobei L_D die Länge des Spaltes ist, oder werden wenigstens ein weiterer Strahlenteiler kaskadenartig und parallel zueinander, im Abstand der Länge L_D des Spaltes D_l voneinan der zwischen dem ersten Strahlenteiler TS und dem Spiegel S22 angeordnet, so wird wenigstens ein dritter abtastender Strahl erzeugt, so dass wenigstens drei Abtastvorgänge gleichzeitig erfolgen. Hierdurch kann die Zahl der Abtastvorgänge und damit die Strahlaufweitung vervielfacht werden.
• Das Signal des Fotoelements FE, das ohne Zuhilfenahme einer Sammellinse im erstgenannten Fall die dreifache Länge hätte, wird äquivalent zum o. a. gebildet.
• Wird die konstante Signalamplitude, auf die sich das Rechtecksignal addiert, als Grundsignal (U₀) bezeichnet, so kann aus der Größe des Grundsignals die Lokalisation der Objektkante abgeleitet werden. Es gilt bei Nutzung eines erzeugenden Systems

  

  mit t₁, t₂, t₃ = Zeitpunkte der ansteigenden Flanke des Rechtecksignals, L_D = Spaltlänge und a = radialer Abstand der Spalte. Weitere Messfelder lassen sich in gleicher Weise einfügen.
• Anstelle des Spaltes oder der Spalten nebst Lichtquelle kann auch eine Lichtquelle, insbesondere ein Laser mit einer Linienoptik verwendet werden. Die Einrichtung (LS) zur Erzeugung eines Parallellichtbündels aus den Lichtstrahlen wird beibehalten.

Claims (29)

1. Vorrichtung zur Messung von Außen-, Innenabmessungen und Abständen von Messobjekten (M) mit wenigstens einer Lichtquelle (L₁, L₂, L₃, L₄) und wenigstens einer Einrichtung (LS) zur Erzeugung eines Parallellichtbündels aus den Lichtstrahlen der Lichtquelle, mit wenigstens einer vom Parallellichtbündel beleuchtbaren Spaltblende (D), mit wenigstens einer vor oder hinter der Spaltblende (D) angeordneten Scheibe (DS), wobei die Spaltblende und die Scheibe relativ zueinander um eine gemeinsame Drehachse (A) bewegbar, insbesondere drehbar sind und die Scheibe einen den Spalt der Spaltblende schneidenden Spiralschlitz (SS) aufweist, der die Form einer archimedischen Spirale hat, die der Gleichung r = c · Δ φ gehorcht, wobei r der Radius der Spirale, c der Quotient aus der Lichtstrahlabtastgeschwindigkeit bzw. Lichtpunktgeschwindigkeit v_L und der relativen Winkelgeschwindigkeit ω zwischen der Winkelgeschwindigkeit der Spaltblende und der Winkelgeschwindigkeit der Spiralschlitz-Scheibe und Δ φ der relative Drehwinkel zwischen dem Drehwinkel der Spaltblende (D) und dem Drehwinkel der Scheibe (DS) ist, wobei durch das Zusammenwirken des Spaltes und des Spiralschlitzes eine Lochblende (LB) entsteht, die bei Drehung der Scheibe (DS) und/oder der Spaltblende (D) mit konstanter Drehzahl/konstanten Drehzahlen entlang dem Spalt mit konstanter Geschwindigkeit bewegt wird, mit wenigstens einer fotoelektrischen Einrichtung (F₁, F₂, F₃, F₄), auf welche die die Lochblende durchsetzenden und das Messobjekt abtastenden Lichtstrahlen (AS) gelenkt werden, wobei das Messobjekt (M) in Strahlrichtung gesehen hinter der Lochblende angeordnet ist, und mit einer Auswerteeinrichtung, die der fotoelektrischen Einrichtung nachgeschaltet ist und die Zeit misst, in der die Lichtstrahlen das Messobjekt/die Messobjekte abtasten, und aus den gemessenen Zeiten die diesen Zeiten proportionalen Außenabmessungen, Innenabmessungen oder Abstände des Messobjektes/der Messobjekte ermittelt, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: es sind mehrere in Strahlrichtung gesehen vor der Spiralschlitz-Scheibe (DS) um die Drehachse (A) radial angeordnete Spalte (D₁, D₂, D₃, D₄) in der Spaltblende (D) ausgebildet und für die Spalte ist eine gemeinsame Lichtquelle oder für jeden Spalt ist eine separate Lichtquelle (L₁, L₂, L₃, L₄) , die Licht mit einer Wellenlänge oder Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen (λ₁, λ₂, λ₃, λ₄) oder Licht einer Wellenlänge mit unterschiedlichen frequenzmodulierten Lichtamplituden (LA₁, LA₂, LA₃, LA₄) aussenden, vorgesehen, es sind optische Einrichtungen (S₁, S₂, S₃, S₄, S₅, S₁₁, S₁₂, S₁₃, S₁₄, S₁₅, S₁₆, S₁₇, S₁₈, AW) vorgesehen, welche die die Lochblenden (LB) durchsetzenden Abtastlichtstrahlen in eine gemeinsame Strahlebene umlenken, es sind optische Einrichtungen (S₁₉, S₂₀, S₂₁) vorgesehen, welche die das Messobjekt (M) im Zeitabstand von T/m (T = Dauer einer Umdrehung der Spiralschlitz-Scheibe (DS) , m = Anzahl der Spalte (D₁, D₂, D₃, D₄) überstreichenden Abtastlichtstrahlen (AS) wellenlängenabhängig separieren und auf zugeordnete wellenlängenempfindliche Fotodioden (F₁, F₂, F₃, F₄) lenken, deren im Zeitabstand T/m erzeugte Ausgangssignale (i_F1, i_F2, i_F3, i_F4), die den Schattenzeiten t_d, also den Zeiten, in denen die Abtastlichtstrahlen den Durchmesser des Messobjektes überstreichen, proportional sind, der Auswerteeinrichtung zugeführt sind, oder es ist eine Fotodiode vorgesehen, auf die das Messobjekt (M) im Zeitabstand von T/m (T = Dauer einer Umdrehung der Spiralschlitz-Scheibe (DS), m = Anzahl der Spalte (D₁, D₂, D₃, D₄)) überstreichenden Abtastlichtstrahlen (AS) mit frequenzmodulierten Amplituden fokussiert werden und deren sich überlagernden frequenzmodulierten Fotodiodenströme in der Auswerteeinrichtung zur Separierung der dem erzeugenden System zuzuordnenden Abtastlichtströme Frequenzweichen und Tiefpassfilter zugeführt werden, so dass die Signale (i_F1, i_F2, i_F3, i_F4), die den Schattenzeiten t_d proportional sind, als Ausgangsignale vorliegen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Einrichtungen zum Umlenken der Abtastlichtstrahlen in die gemeinsame Strahlebene Spiegel (S₁–S₅, S₁₁–S₁₈) und Abtastrichtungswechsler (AW) aufweisen, die so angeordnet sind, dass die Abtastrichtungen sämtlicher Abtastlichtstrahlen (AS) gleich sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Einrichtungen zur wellenlängenabhängigen Separierung der Abtaststrahlen Spiegel (S₁₉–S₂₁) mit wellenlängenabhängiger Reflexion sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abtastrichtungswechsler (AW) ein rechtwinklig gleichschenkliges Prisma (P) aufweist, auf dessen Hypotenusenfläche (H) der Abtaststrahl (AS) senkrecht fällt, dessen Abtastrichtung durch 180°-Knickung des Strahlenweges umgekehrt wird, wobei der in seiner Abtastrichtung umgekehrte aus dem Prisma austretende Abtastlichtstrahl durch zwei unter einem Winkel von 90° gegeneinander geneigte Spiegel (S₆, S₇) auf eine Parallelspiegelanordnung (S₈, S₉) gelenkt wird, die den in seiner Abtastrichtung umgekehrten Abtaststrahl in die Ebene des einfallenden Abtastlichtstrahls umlenkt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abtastrichtungswechsler (AW) eine Stablinse, bei der Brennpunkte und Hauptpunkte im Unendlichen liegen, oder eine teleskopische Einrichtung ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlenweg eines Abtastlichtstrahls angeordnete für andere Abtastlichtstrahlen vorgesehene Umlenkspiegel (S₁₄, S₃, S₁₈) teil durchlässig ausgebildet sind.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spalte (D₁, D₂, D₃, D₄) der Spaltblende (D) strahlenförmig in gleichem Bogenmaßabstand voneinander vor der Spiralschlitz-Scheibe (DS) angeordnet sind.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Messungen mit Licht nur einer Wellenlänge die Abtastlichtstrahlen seitlich zur Strahlrichtung versetzt zueinander auf das Messobjekt gerichtet sind.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung von Außenabmessungen vier erzeugende Systeme (I, II, III, IV) (Anordnung aus Lichtquelle (L₁, L₂, L₃, L₄) , Spaltblende (D) mit vier Spalten (D₁, D₂, D₃, D₄) und Spiralschlitz-Scheibe (DS)), wobei die Abtastlichtstrahlen von je zwei Systemen (I und III; II und IV) in eine gemeinsame Ebene und paarweise in unterschiedlichen Achsen, vorzugsweise in zwei senkrecht zueinander stehende Achsen, gelenkt werden, verwendet werden unter Nutzung eines gemeinsamen Spiralschlitzes (SS), und dass Mittel zur Erfassung der Start- und Endzeitpunkte der Abtastvorgänge vorgesehen sind, wobei, je nach Drehrichtung der Spiralschlitz-Scheibe (DS), der Start- oder Endzeitpunkt durch Fotodioden (F₁, F₂, F₃, F₄) erfasst wird, die einen vorgegebenen Abstand (a) voneinander haben, der gegeben ist durch den Abstand der Spalte (D₁, D₃ bzw. D₂, D₄) der Spaltblende (D) , und der Endzeitpunkt oder Startzeitpunkt durch Fotoelemente (DA₁, DA₂, DA₃, DA₄) erfasst wird, auf die das Messobjekt (M) überstreichende Abtastlichtstrahlen fallen, und dass die Auswerteeinrichtung die Außenabmessungen d₁ und d₂ des Messobjektes (M) aus dem vorgegebenen Abstand (a) und den durch die Systeme (I, II, III, IV) abgetasteten Strecken (x₁, x₂, x₃, x₄) , die den Zeitdifferenzen zwischen Start- und Endzeitpunkten der Abtastvorgänge bei konstanter Abtastgeschwindigkeit proportional sind, nach folgenden Formeln ermittelt:

   
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung von Außenabmessungen, die größer sind als der maximale Lichtpunkthub, ein oder zwei erzeugende Systeme vorzugsweise in einer Ebene und in einer Achse verwendet werden unter Nutzung eines gemeinsamen Spiralschlitzes.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem erzeugenden System die Messebene erzeugt wird durch Kombination eines Strahlteilers mit 50 % Transmission und eines Spiegels.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen (L₁, L₂, L₃, L₄) Licht einer Wellenlänge aussenden und dass optische Einrichtungen (S_{I 1} – S_{IV 5}) vorgesehen sind, welche die die Lochblenden (LB) durchsetzenden Lichtstrahlen in eine gemeinsame Ebene in vier Achsen umlenken, wobei vier Messfeldpaare (x₁, x₂; x₃, x₄; x₅, x₆; x₇, x₈) gebildet sind, deren zugeordnete Abtastlichtstrahlen von Fotoelementen oder Linsen-Fotodiodensystemen (DA_{I 1} – DA_{IV 2}) detektiert werden, deren Ausgangssignale der Auswerteeinrichtung zugeführt sind.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Messfeldpaare unter einem Winkel von 45° zueinander versetzt kreisförmig angeordnet sind.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Erhöhung der Anzahl (m) der erzeugenden Systeme für eine Kombination aus Erhöhung der Messfrequenz und der Messachsen einer Ebene bzw. von Messebenen vorgesehen ist, indem die für die Messfrequenzerhöhung erforderliche Anzahl (i) der erzeugenden Systeme mit der für die Erhöhung der Anzahl der Messachsen einer Ebene oder der Messebenen erforderlichen Anzahl (j) der erzeugenden Systeme multipliziert wird gemäß der Gleichung m = i · j.
15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl (m) der erzeugenden Systeme für eine Erhöhung der Messfrequenz erhöht wird, indem die Anzahl (n) der strahlenförmig und äquidistant vom Mittelpunkt der Blende (D) ausgehenden Spalten, die per Umdrehung der Scheibe (DS) mit einem Spiralschlitz (SS) sich bewegende Lochblenden (LB) bilden, und/oder die Anzahl (k) der in der Spiralschlitzscheibe (DS) äquidistant angeordneten Spiralschlitze (S₁, S₂, ...) erhöht wird, wobei gilt: m = n · k und Zahl der Abtastungen/sec = n · k · Umdrehungen/sec.
16. Vorrichtung zur Messung von Außen-, Innenabmessungen von Messobjekten, insbesondere rohrförmigen Messobjekten, mit wenigstens einer Lichtquelle (L₁, L₂) und we nigstens einer Einrichtung (LS) zur Erzeugung eines Parallellichtbündels aus den Lichtstrahlen der Lichtquelle, mit wenigstens einer vom Parallellichtbündel beleuchtbaren Spaltblende (D), mit wenigstens einer vor oder hinter der Spaltblende (D) angeordneten Scheibe (DS), wobei die Spaltblende und die Scheibe relativ zueinander um eine gemeinsame Drehachse (A) bewegbar, insbesondere drehbar sind und die Scheibe einen den Spalt der Spaltblende schneidenden Spiralschlitz (SS) aufweist, der die Form einer archimedischen Spirale hat, die der Gleichung r = c · Δ φ gehorcht, wobei r der Radius der Spirale, c der Quotient aus der Lichtstrahlabtastgeschwindigkeit bzw. Lichtpunktgeschwindigkeit v_L und der relativen Winkelgeschwindigkeit ω zwischen der Winkelgeschwindigkeit der Spaltblende und der Winkelgeschwindigkeit der Spiralschlitz-Scheibe und Δ φ der relative Drehwinkel zwischen dem Drehwinkel der Spaltblende (D) und dem Drehwinkel der Scheibe (DS) ist, wobei durch das Zusammenwirken des Spaltes und des Spiralschlitzes eine Lochblende (LB) entsteht, die bei Drehung der Scheibe (DS) und/oder der Spaltblende (D) mit konstanter Drehzahl entlang dem Spalt mit konstanter Geschwindigkeit bewegt wird, mit wenigstens einer fotoelektrischen Einrichtung (F₁, F₂, F₃, F₄) , auf welche die die Lochblende durchsetzenden und das Messobjekt abtastenden und vom Messobjekt reflektierten Lichtstrahlen (AS) gelenkt werden, wobei das Messobjekt (M) in Strahlrichtung gesehen hinter der Lochblende angeordnet ist, und mit einer Auswerteeinrichtung, die der fotoelektrischen Einrichtung nachgeschaltet ist und die Zeit misst, in der die Lichtstrahlen das Messobjekt/die Messobjekte abtasten, und aus den gemessenen Zeiten die diesen Zeiten proportionalen Außenabmessungen, Innenabmessungen oder Abstände des Messobjektes/der Messobjekte ermittelt, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: Es sind wenigstens zwei die Stirnseiten der Messobjekte (M) abtastenden Abtaststrahlen erzeugende Systeme (I, III) mit wenigstens zwei Lichtquellen (L₁, L₂), mit einer Spiralschlitz-Scheibe (DS) mit Spiralschlitz (SS) und mit in Strahlrichtung hinter der Spiralschlitz-Scheibe (DS) angeordneter Spaltblende (D) mit wenigstens zwei sich radial erstreckenden Spalten (D₁, D₂) vorgesehen, die Spalte (D₁, D₂) weisen eine vorgebbare Länge (b) und in Radialrichtung einen vorgebbaren Abstand (a) voneinander auf, die Spalte (D₁, D₂) sind radial miteinander ausgerichtet und je zwei Spalte sind bezüglich der Drehachse (A) diametral zueinander angeordnet, die Spalte (D₁, D₂) sind jeweils auf der den Lichtquellen abgewandten Seite von Empfängerdioden (Fotodioden) (FF₁ und FF₂) umgeben, auf die von der Stirnseite des Messobjekts reflektierte Abtastlichtstrahlen fallen und deren Signale Beginn der Reflexionszeiten (t_{1 I}, t_{1 III}) und Ende der Reflexionszeiten t_{2 I}, t_{2 III}) definieren, auf einer unter einem Winkel α zur die Spalte (D_l, D₂) verbindenden Gerade (G₂) verlaufenden Geraden (G₁) durch die Drehachse (A) der Spaltblende (D) sind beiderseits der Drehachse jeweils eine Lochblende (LB₁ und LB₂) in der Spaltblende ausgebildet, die Lochblenden (LB₁, LB₂) weisen einen vorgebbaren Abstand 1 = a/2 – r_max/((90 – α)/360) von der Drehachse (A) auf, mit r_max = maximaler Abstand des Spiralschlitzes vom Spiral-Mittelpunkt bzw. von der Drehachse (A) und a = vorgebbarer Winkel zwischen der die Lochblenden verbindenden Gerade (G₁) und der die Spalte (D₁, D₂) verbindenden Gerade (G₂), lichtquellenseitig ist wenigstens eine weitere Lichtquelle (LD₁, LD₂) zur Beleuchtung der Lochblenden LB₁, LB₂ angeordnet, auf der der Lichtquelle (LD₁, LD₂) abgewandten Seite der Lochblenden (LB₁, LB₂) sind Fotodioden (F₁, F₂) angeordnet, auf die die Lochblenden passierendes Licht fällt und deren Ausgangssignale Startzeitpunkte der Abtastvorgänge über die Spaltlänge (b) der Spalte (D₁, D₂) definieren.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Lichtquelle (LD_l, LD₂) durch zwei Leuchtdioden gebildet wird, von denen je eine jeweils einer Lochblende (LB₁, LB₂) zugeordnet ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung den Außendurchmesser D_a, den Innendurchmesser D_i und die Wandstärken WD_I und WD_III von rohrförmigen Messobjekten (M) aus dem vorgegebenen Abstand (a) der Spalte (D₁, D₂) der Spaltblende (D), der Lichtstrahlabtast- bzw. Lichtpunkt-Geschwindigkeit v_L und den über die Empfängerdioden (FF₁, FF₂) erfassten Zeitpunkten des Reflexionsbeginns (t_{1 I}, t_{1 III}) und des Reflexionsendes (t_{2 I}, t_{2 III}) nach folgenden Formeln ermittelt:

    

    mit v_L = r_max · n/60 [m/sec] und n = Zahl der Umdrehungen/min und r_max = max. Abstand des Spiralschlitzes vom Spiralschlitz-Scheibenmittelpunkt (A).
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16–18, dadurch gekennzeichnet, dass die aus den erzeugenden Systemen (I, III), den zusätzlichen Lichtquellen (LD₁, LD₂) und den Fotodioden (FF₁, FF₂, F₁, F₂) bestehende Messvorrichtung als Ganzes um die Drehachse (A) drehbar ist.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16-18, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Lichtquelle (LD₁, LD₂) auf der gemeinsamen Drehachse (A) zusammen mit der Spaltblende (D), mit der sie drehfest verbunden ist, relativ zu der Spiralschlitz-Scheibe (DS) mit der gemeinsamen Winkelgeschwindigkeit ω_D drehbar ist, wobei die Spiralschlitz-Scheibe (DS) mit der Winkelgeschwindigkeit ω_DS drehbar ist, so dass für den relativen Drehwinkel Φ = Φ_DS – Φ_D gilt und sich die Dauer eines kompletten Abtastvorganges t_A aus dem maximalen relativen Drehwinkel Φ = 2π und den Winkelgeschwindigkeiten ω_DS und ω_D, die proportional zu den Drehzahlen n_Ds und n_D (Umdrehungen/min) der Spiralschlitz-Drehscheibe (DS) und der Lichtquelle/Spaltblende (LD₁, LD₂, D) sind, ergibt zu t_A = 2π/(ω_DS – ω_D) = 1/(f_DS – f_D) mit f_DS und f_D in Umdrehungen/sec, so dass der gemeinsame Drehwinkelfortschritt ΦU von Spaltblende (D) und Lichtquelle (LD₁, LD₂) während eines Abtastvorganges Φ_U = t_A · 360° · f_D beträgt und der Messobjekt-Umfang nach einer Zeit T_D/m = (1/f_D)/m vollständig abgetastet ist, wobei TD = 1/f_D die Zeit für eine Umdrehung der Spaltblende/Lichtquelle und m die Zahl der erzeugenden Systeme ist.
21. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Messung an Messobjekten, deren Abmessungen größer sind als die Länge der Spalte der Spaltblende eine Einrichtung zur optischen Aufweitung der Abtastlichtstrahlen (AS) für jedes erzeugende System (I, II, III, IV) vorgesehen ist.
22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Aufweitung der Abtastlichtstrahlen wenigstens einen unter einem Winkel von 45° zur Abtaststrahlrichtung angeordneten Strahlteiler (ST) aufweist, der zwischen der Spaltblende (D) und dem Messobjekt (M) angeordnet ist, sowie einen unter einem Winkel von 45° zur Abtaststrahlrichtung und parallel zum Strahlteiler (ST) sowie in Spaltrichtung um die Spaltlänge L_D versetzt angeordneten Spiegel (S₂₂), auf den die vom Strahlteiler (ST) reflektierten Abtaststrahlen fallen und der die Abtaststrahlen unter Beibehaltung der Abtastrichtung und der Abtastebene auf das Messobjekt umlenkt.
23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Strahlteiler (ST) und des Spiegels S₂₂ im Wesentlichen gleich L_D · √2 (Projektion der Spaltlänge auf die zum Spalt um 45° geneigte Linie mit L_D = Spaltlänge) ist .
24. Vorrichtung nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere mit der Spaltlänge L_D beabstandete, parallel zueinander angeordnete Strahlteiler (ST) vorgesehen sind zur Bildung mehrerer aufeinanderfolgender Messfelder.
25. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstände zwischen den Strahlteilern (ST) gleich der Länge L_D der Spalte der Spaltblende sind.
26. Vorrichtung nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlteiler (ST) und der Spiegel (S_{2 2}) jeweils um L_D · √2 oder Vielfache dieser Größe verlängert sind.
27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21–26, dadurch gekennzeichnet, dass am radial inneren Ende der Spalte der Spaltblende (D) oder mit dem radial inneren Ende der Spalte in Strahlrichtung ausgerichtet eine Fotodiode (F₂) vorgesehen ist zur Signalisierung des Beginns des Abtastlichtstrahls im Spalt.
28. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle des Spaltes oder der Spalten und der zugeordneten Lichtquelle bzw. Lichtquellen eine Lichtquelle, vorzugsweise ein Laser mit einer Linienoptik verwendet wird.
29. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (LS) zur Erzeugung eines Parallellichtbündels ein vor oder hinter der Spaltblenden (D)/Spiralschlitzscheiben (DS)-Anordnung angeordnetes Linsensystem (LS) ist.