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Optischer Feintaster Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur berührungsfreien
Ermittlung der Maße eines Gegenstandes durch Bestimmung des Abmaßes von einem Eichmaß.
Sie findet Anwendung für auf Längenmessungen zurückführbare Messungen aller Art
sowie zur automatischen Steuerung von Maschinen, beispielsweise Werkzeugmaschinen.
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Die bekannten Feintaster zur Ermittlung der Maße eines Gegenstandes
verwenden einen auf dem Gegenstand aufliegenden Fühltaster. Die Bewegungen dieses
Fühltasters werden dabei über mechanische oder elektrische Mittel auf eine Anzeigevorrichtung
übertragen. Die Verwendung von mechanischen Mitteln bringt den Nachteil mit sich,
daß die Genauigkeit der Messung beschränkt ist. Elektrische Mittel haben den Nachteil,
daß sie ziemlich aufwendig und deshalb teuer sind.
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Es ist schon ein Feintaster bekanntgeworden, bei dem ein mechanischer
Fühlhebel einen zur Abbildung einer Meßmarke auf eine Skala dienenden Abbildungsstrahlengang
durch Verschiebung von planen Spiegelflächen beeinflußt. Ein derartiger Taster hat
noch den Nachteil, daß sein mechanischer Fühlhebel gewissen Abuntzungserscheinungen
unterworfen ist, welche insbesondere bei einer Anwendung des Tasters zur laufenden
Messung allmählich ins Gewicht fallen.
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Ferner kann ein solcher Taster nicht ohne zusätzliche Steuerungseinrichtung
verwendet werden, wenn es sich darum handelt, laufend die Maße von durch einen Zwischenraum
voneinander getrennten Werkstücken festzustellen. Dieses Problem tritt beispielsweise
bei der Kontrolle eines mittels einer Werkzeugmaschine durchgeführten Bearbeitungsvorganges
auf.
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Zur Vermeidung dieser Nachteile ist vorgeschlagen worden, die Maße
eines Gegenstandes auf rein optischem Wege mittels eines sogenannten »optischen
Feintasters« zu bestimmen. Ein solcher optischer Feintaster enthält einen kleinen
Projektor, welcher auf der Oberfläche des zu messenden Gegenstandes das Bild einerMailce
erzeugt, sowie eineBeobachtungseinrichtung zur Beobachtung des Markenbildes. Bei
Verschiebung der Oberfläche des zu messenden Gegenstandes gegenüber der Sollage
wird eine seitliche Verschiebung des Markenbildes beobachtet. Diese Verschiebung
ist dem Abmaß des Gegenstandes vom Eichmaß und demzufolge auch dem Maß des Gegenstandes
selbst proportional.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Verbesserung eines
solchen optischen Feintasters.
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Gegenüber dem obenerwähnten optischen Feintaster bringt die Erfindung
den entscheidenden Vorteil mit sich, daß zur Messung eine Nullmethode verwendet
wird. Dadurch wird der Meßvorgang wesentlich vereinfacht. Ein weiterer Vorteil der
neuen Vorrichtung
besteht darin, daß zur Markenprojelrtion und zur Beobachtung ein
gemeinsames Objektiv verwendet wird.
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Bei dem neuen optischen Feintaster ist erfindungsgemäß der Markenprojektor
so ausgebildet, daß in der Ebene der Oberfläche des Eichmaßes ein zusammenfallendes
Bild zweier im Strahlengang angeordneter leuchtender Marken erzeugt wird. Im Strahlengang
ist ferner ein halbdurchlässiges, das vom Prüfling reflektierte Licht auf eine Beobachtungs-
und/oder Meßeinrichtung werfendes optisches Glied angeordnet.
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Befindet sich bei dieser Anordnung die Oberfläche des Prüflings in
der Ebene der Oberfläche des Sollmaßes, d. h. stimmt das Maß des Gegenstandes mit
dem Eichmaß überein, so zeigt die Beobachtungseinrichtung nur ein Bild an. Liegt
dagegen die Oberfläche des zu messenden Gegenstandes nicht in der Ebene des Sollmaß
es, d. h. weichen die Maße von Eichmaß und Gegenstand voneinander ab, so werden
in der Beobachtungseinrichtung zwei Markenbilder beobachtet, die symmetrisch zu
dem Markenbild des Eichmaßes liegen. Aus dem gegenseitigen Abstand der beiden Markenbilder
kann eindeutig auf das Abmaß des Prüflings vom Sollmaß geschlossen werden.
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Soll die Anzeige elektrisch erfolgen, so wird gemäß einer Weiterbildung
der Erfindung im Strahlengang des Markenprojektors eine die von den beiden Marken
ausgehenden Lichtbündel wechselweise unterbrechende Blende angeordnet und ferner,
in Strahlrichtung gesehen, hinter dem halbdurchlässigen Reflektor in einer Bildebene
eine Blende angeordnet, welche die bei Sollmaßabweichungen auftretenden beiden Markenbilder
anteilmäßig verschieden ausblendet. Hinter dieser Blende wird ein photoelektrischer
Empfänger mit nachgeschalteter Anzeigevorrichtung vorgesehen.
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Es ist dabei vorteilhaft, eine dreieckförmige Blende zu verwenden.
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Die Wirkungsweise der beschriebenen elektrischen Anzeigevorrichtung
ist folgende. Stimmt das Maß des zu messenden Gegenstandes nicht mit dem Eichmaß
überein,
so werden, wie schon oben beschrieben, auf der Oberfläche des Prüflings zwei Markenbilder
erzeugt. Mittels des halbdurchlässigen Reflektors wird der reflektierte Strahl zum
Empfänger abgelenkt, und in der Ebene der dreieckförmigen Blende werden zwei Bilder
erzeugt, welche an verschiedenen Stellen der Blende liegen und demzufolge anteilmäßig
verschieden ausgeblendet werden. Die im Abbil dungsstrahlengang angeordnete Wechsellichtblende
gil>t wechselweise die die beiden Marken erzeugenden Lichtbündel frei, und der
photoelektrische Empfänger liefert demzufolge einen Wechselstrom, dessen Amplitude
und Phase von der Lage der beiden Markenbilder abhängig ist.
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Dieser Photostrom kann dazu verwendet werden, eine automatische Nachlaufeinrichtung
zu betätigen, mittels welcher entweder die gesamte Meßeinrichtung oder optische
Teile derselben so verschoben werden, daß die beiden Markenbilder wieder zusammenfallen.
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Der Verschiebungsweg ist dann ein Maß für die Abweichung des Gegenstandes
vom Sollmaß.
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Wie aus den bisherigen Ausführungen hervorgeht, setzt die Vorrichtung
nach der Erfindung eine gewisse Reflexionsfähigkeit der Oberfläche des zu messenden
Gegenstandes voraus. Ist diese Reflexionsfähigkeit nicht gegeben, so ist es zweckmäßig,
einen auf dem Werkstück aufliegenden, auf seiner dem Markenprojektor zugekehrten
Seite mit einem Spiegel versehenen Tasthebel vorzusehen. Der Spiegel dieses Tasters
wirkt dann genauso wie eine reflektierende Oberfläche.
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Die Einrichtung nach der Erfindung kann vorteilhaft zur Einzelmessung,
zur Serienkontrolle und zur Sortierung von Werkstücken sowie als Steuerorgan für
Werkzeugmaschinen und zum Steuern des Arbeitsganges einer solchen Maschine verwendet
werden. Durch geeignete Kombination mehrerer Geräte kann die Vorrichtung zur Differenzmessung,
beispielsweise zur Bestimmung der Dicke und des Durchmessers von Werkstücken herangezogen
werden.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Ausführungsbeispiele
darstellenden Fig. 1 bis 5 näher erläutert. Dabei zeigt Fig. 1 den grundsätzlichen
Aufbau der Einrichtung nach der Erfindung, Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung der
verwendeten Blende, Fig. 3 ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, Fig. 4
die Anwendung der neuen Einrichtung zur Scharfeinstellung eines Mikroskops in schematischer
Darstellung, Fig. 5 einen bei der Messung von Werkstücken mit nicht genügend reflektierender
Oberfläche verwendeten Tasthebel.
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In Fig. 1 ist mit 1 eine Lichtquelle bezeichnet, welche zur Beleuchtung
eines Spaltes 2 dient. Dieser Spalt wird durch ein Objektiv 5 in die Ebene 6, welche
mit der Oberfläche eines Eichmaßes zusammenfällt, abgebildet. Zwischen dem Spalt
2 und dem Objektiv 5 befindet sich eine Blende 3, welche das vom Spalt 2 ausgehende
Strahlenbündel in zwei Teile aufteilt. Diese beiden Teile werden in der Ebene 6
in einem Bild vereinigt. Ein halbdurchlässiger Spiegel 4, welcher im Abbildungsstrahlengang
zwischen der Blende 3 und dem Objektiv 5 angeordnet ist, dient dazu, in der Ebene
einer Blende 7 ein Bild der Ebene 6 zu entwerfen. Hinter dieser Blende 7 ist eine
Photozelle 8 angeordnet. Im Strahlengang der Abbildungseinrichtung, in dem dargestellten
Beispiel hinter der Blende3, liegt eine Wechsellichtblende 9,
welche dazu dient,
die beiden von der Blende 3 ausgehenden Lichtbündel wechselweise zu unterbrechen.
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Der gesamte Markenprojektor ist in einem Gehäuse 11 angeordnet, welches
in einer Führungsbuchse 12 in vertikaler Richtung bewegt werden kann. Zur Durchführung
einer solchen Bewegung dient ein Motor 15, auf dessen Achse ein in eine Zahnstange
13 eingreifendes Zahnrad 14 angeordnet ist. Die Stromversorgung des Motors 15 geschieht
über Leitungen 16 von einem Verstärker 17 mit nachgeordnetem Gleichrichter 22 aus.
Der Verstärker 17 dient zur Verstärkung der von der Photozelle 8 gelieferten Spannungen,
während der Gleichrichter 22 zur phasenabhängigen Gleichrichtung dieser Spannungen
dient.
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Mit dem Motor 15 ist ein Zählwerk 18 gekoppelt, welches jeweils die
Anzahl der Umdrehungen des Motors anzeigt. Diese Zahl ist ein Maß des zu messenden
Gegenstandes. An Stelle des beschriebenen Gleichstrommotors kann vorteilhaft auch
ein in seiner Bewegung phasenabhängiger Servomotor verwendet werden. In diesem Fall
ist der Gleichrichter 22 nicht notwendig.
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Die Wirkungsweise der dargestellten Einrichtung ist folgende: Befindet
sich die Meßfläche in 6, d. h. also am Ort der Oberfläche eines Eichmaßes, so wird
in dieser Ebene ein zusammenfallendes Bild der beiden im Strahlengang angeordneten,
durch die Öffnungen der Blende 3 realisierten leuchtenden Marken erzeugt. In der
Ebene der Blende 7 entsteht also, wie in Fig. 2 gezeichnet, nur ein Markenbild 19.
Die Photozelle 8 liefert in diesem Fall Gleichstrom, der Motor 15 steht still, und
das Zählwerk 18 zeigt den Wert Null. Wird nun die Meßfläche nach 10 verschoben,
so entstehen in dieser Ebene und demzufolge auch in der Ebene der Blende 7 zwei
Markenbilder, welche in Fig. 2 mit 20 und 21 bezeichnet sind. Durch die Wechsellichtblende9
wird erreicht, daß auf die Photozelle8 abwechselnd die Bilder 20 und 21 fallen.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, wird infolge der Formgebung der Blende 7 das Bild
20 wesentlich weniger ausgeblendet als das Bild 21. Die Photozelle 8 liefert also
einen Wechselstrom, welcher im Verstärker 17 verstärkt und im Gleichrichter 22 durch
Vergleich mit der zum Antrieb der Wechsellichtblende 9 dienenden Spannung phasen
abhängig gleichgerichtet wird. Der Motor 15 erhält in dem dargestellten Fall eine
Spannung solcher Polarität, daß sich das Zahnrad 14 im Uhrzeigersinn dreht und deshalb
das gesamte Gerät so lange nach oben verschiebt, bis in der Ebene 10 die beiden
Markenbilder zusammenfallen. Am Zählwerk 18 kann der Betrag der Verschiebung des
Gehäuses 11 und nach entsprechender Eichung direkt das Abmaß des zu messenden Werkstückes
vom Eichmaß abgelesen werden. Bei Verschiebung der Meßoberfläche nach unten kehren
sich die Bilder 20 und 21 und damit die Phase des erzeugten Wechselstromes um. Der
Motor 15 verschiebt in diesem Fall das Gehäuse 11 nach unten.
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Es ist ebenso möglich, die Photozelle 8 direkt auf ein elektrisches
Anzeigeinstrument wirken zu lassen, welches nach entsprechender Verstärkung und
gegebenenfalls phasenabhängiger Gleichrichtung des Photostromes direkt das Maß des
zu messenden Gegenstandes anzeigt. In diesem Fall ist eine Nachsteuerungsvorrichtung
nicht notwendig.
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Bei Nachsteuerung des Gehäuses 11 ist es prinzipiell möglich, den
Betrag der Verschiebung in jeder bekannten Weise anzuzeigen.
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Die dargestellte Einrichtung kann vorteilhaft zur laufenden Dickenmessung
verwendet werden. Es ist
jedoch auch möglich, das Gerät an einer
Werkzeugmaschine anzubringen und diese Maschine entsprechend den verschiedenen Stellungen
des Gehäuses 11 zu schalten. Dazu ist es nur noch notwendig, das Gehäuse 11 mit
einem Kontaktgeber zu versehen.
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Ebenso ist es möglich, die Vorrichtung zur Serienkontrolle und zur
Sortierung von Werkstücken zu verwenden. Verbindet man beispielsweise das Gehäuse
11 mit einem Kontaktgeber, so wird bei einer Sortierung von Werkstücken der der
jeweiligen Dicke des Werkstückes entsprechende Kontakt geschlossen und die Werkstücke
können auf diese Art beispielsweise in verschiedene, verschiedenen Toleranzgrenzen
entsprechende Behälter einsortiert werden.
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In Fig. 3 ist ein anderes Ausführungsbeispiel der Einrichtung nach
der Erfindung dargestellt. Mit 23 ist eine Lichtquelle bezeichnet, welche über eine
Linse 24 einen Spalt 25 beleuchtet. Dieser Spalt wird über die durch die Linsen
27 und 30 angedeuteten Linsensysteme auf die Oberfläche eines zu messenden Gegenstandes
31 abgebildet. Hinter der Linse 27 befindet sich ein Doppelspalt 28, welcher dazu
dient, das auf ihn fallende Licht in zwei Lichtbündel aufzuspalten.
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Eine Wechsellichtblende 26 dient zur wechselweisen Unterbrechung dieser
beiden Lichtbündel. Zwischen der Blende 28 und dem Objektiv 30 ist ein halbdurchlässiger
Spiegel 29 angeordnet. Über die optischen Systeme 30 und 32 wird die Oberfläche
des Gegenstandes 31 in die Ebene des Spaltes 33 abgebildet, der zweckmäßig die in
Fig. 2 dargestellte Form hat. Durch eine weitere Linse 34 wird das durch die Blende
33 fallende Licht zum photoelektrischen Empfänger 35 zugeführt.
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Die Wirkungsweise der in Fig. 3 dargestellten Einrichtung entspricht
genau derjenigen der in Fig. 1 dargestellten Einrichtung. Lediglich die Nachsteuerung
wird in dem dargestellten Fall durch eine Verschiebung der Linse 27 erreicht. Diese
Linse wird so lange in Richtung der optischen Achse verschoben, bis in der Blendenebene33
die Markenbilder wieder zusammenfallen. Diese Verschiebung kann, wie in Fig. 1 dargestellt,
über einen Elektromotor erfolgen.
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Werden die optischen Daten entsprechend gewählt, so beträgt die dem
Abmaß des Gegenstandes proportionale Verschiebung der Linse 27 ein Vielfaches der
Meß obj ektverschiebung, beispielsweise das Hundertfache.
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Bei Verwendung der dargestellten Einrichtung über größere Bereiche
kann eine Vergrößerungsänderung der Spaltbilder in Längsrichtung störend wirken.
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Durch Anordnung von Zylinderlinsen an geeigneten Stellen, beispielsweise
durch Ausbildung der Linse 30 als Zylinderlinse, läßt sich diese Änderung ausschalten.
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Sowohl die in Fig. 1 als auch die in Fig. 3 dargestellte Einrichtung
kann auch ohne elektrischen Teil als Meßgerät in der Art eines Optimeters verwendet
werden, wenn die Ebene 7 bzw. 33 als Mattscheibe ausgebildet ist oder mit einem
Okular betrachtet wird.
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Bei dieser einfacheren Anordnung entfällt die Wechsellichtblende sowie
die Blende 7 bzw. 33 und die zugeordnete Photozelle.
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Fällt die Meßfläche mit der Oberfläche des Eichmaßes zusammen, so
ist im Okular eine Marke sichtbar. Liegt die Meßfläche über oder unter dieser Ebene,
so entstehen zwei Bilder, deren gegenseitiger Abstand ein Maß des Gegenstandes ist.
Auch in diesem Fall kann durch Verschieben der gesamten Abbildungseinrichtung oder
der Linse 27 erreicht werden, daß die beiden Bilder wieder zusammenfallen. Die entsprechende
Verschiebung kann bei spiels-
weise direkt an einer geeichten Trommel oder einer
ähnlichen Einrichtung abgelesen werden. Mit Vorteil kann hier auch eine bekannte
Doppelbildeinrichtung z. B. mit Rot-Grün-Komplementärbildern Verwendung finden.
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Sowohl bei der mit zugordneter elektrischer Anzeige bzw. Nachstelleinrichtung
arbeitenden Vorrichtung als auch bei der nach Art eines Optimeters arbeitenden Vorrichtung
kann ein Abgleich dadurch erzielt werden, daß im Weg der beiden Lichtbündel beispielsweise
planparallele Platten angeordnet und entsprechend gedreht werden. Es ist ebenso
möglich, an dieser Stelle zwei keilförmige Glasplatten zu verwenden, die so gegeneinander
verschoben werden, daß eine Platte variabler Glas dicke entsteht.
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Die Empfindlichkeit der in den Fig. 1 und 3 dargestellten Vorrichtungen
kann durch entsprechende Wahl der Doppelbildblenden 3 bzw. 28 oder durch Änderung
der Objektive 5 bzw. 30 oder entsprechender Teile der Abbildungsoptik in weiten
Grenzen verändert werden.
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Bei nicht genügend reflektierenden Oberflächen kann ein einfacher
Tasthebel vor das zu messende Objekt gesetzt werden, der beispielsweise in Fig.
5 dargestellt ist. Ein solcher Tasthebel besteht aus einem auf dem Werkstück 6 aufliegenden
Schaft 36, welcher auf der dem Objektiv der Abbildungseinrichtung zugekehrten Seite
mit einem Spiegel 37 versehen ist. Die Lagerung des Tasthebels ist bei 38 angedeutet.
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Der Spiegel 37 wirkt genauso wie eine reflektierende Oberfläche, wobei
der Abstand zwischen zu messender Oberfläche und der Spiegeloberfläche ohne weiteres
berücksichtigt werden kann.
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In Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel der Einrichtung nach der Erfindung
in der Anwendung zur automatischen Scharfeinstellung eines Mikroskops dargestellt.
Das Mikroskop ist durch ein Okular 40 und ein Objektiv 41 angedeutet. Seitlich vom
Mikroskop ist eine Lichtquelle 48 angeordnet, welche über eine Linse47 einen durch
zwei Prismenkanten dargestellten Spalt 52 ausleuchtet. Eine Blende 44 teilt das
aus diesem Spalt austretende Licht in bekannter Weise in zwei Lichtbündel auf, die
über einen halbdurchlässigen Spiegel 43 und das Objektiv 41 auf die Oberfläche des
Objektes 42 abgebildet werden. Die von dieser Oberfläche reflektierten Strahlen
werden in die Ebene des Spaltes 52 abgebildet. Die Ebene dieses Spaltes ist zur
Bildebene 51 des Okulars 40 konjugiert.
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Steht die Oberfläche des Objektes 42 nicht in der Schärfenebene,
so entstehen in der Ebene des Spaltes 52 zwei Bilder. Die Prismen 45 und 46 sind
so ausgebildet, daß sie diese beiden Bilder auf die photoelektrischen Empfänger
49 und 50 ablenken. Auf den der Blende 44 zugewandten Seiten der Prismen 45 und
46 ist zweckmäßig eine Dreieckblende angeordnet.
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Diese kann in der Spaltbreite unterbrochen sein, damit die volle Länge
des Spaltes 52 ausgenützt werden kann.
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Entstehen in der Ebene des Spaltes 52 zwei Bilder, so erhalten die
Empfänger 49 und 50 Licht unterschiedlicher Helligkeit und bewirken etwa in der
im Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebenen Art ein Nachsteuern des Mikroskops. Ist
die richtige Einstellung des Mikroskops erreicht, so wird die Lichtquelle 48 abgeschaltet,
um eine Störung der mikroskopischen Beobachtung zu vermeiden.
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Es ist ebenso möglich, die Anordnung so zu treffen, daß nur ein photoelektrischer
Empfänger notwendig ist. Zu diesem Zweck wird für die Dauer der Scharfeinstellung
ein
beleuchteter Spalt in der Ebene 51 eingeschoben. Es ergibt sich dabei eine Anordnung
ähnlich der in Fig. 1 dargestellten.
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PATENTANSPRCCHE 1. Optischer Feintaster zur berührungsfreien Ermittlung
der Maße eines Gegenstandes, bestehend aus einem Markenprojektor und einer Beobachtungs-
oder Meßeinrichtung, gekennzeidtnet durch zwei im Strahlengang des Markenprojektors
angeordnete leuchtende Marken und optische Mittel zur Erzeugung eines zusammenfallenden
Bildes der Marken in einer dem Sollmaß zugeordneten Bildebene sowie einen im Strahlengang
angeordneten halbdurchlässigen, das vom Prüfling reflektierte Licht auf eine Beobachtungs-und/oder
Meßeinrichtung werfenden Reflektor.