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Verfahren und Vorrichtung zur berührungsfreien Ermittlung der Abmaße
von Gegenständen von einem Sollmaß Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine
Vorrichtung zur berührungsfreien Ermittlung der Abmaße von Gegenständen von einem
Sollmaß. Sie findet Anwendung für Meßzwecke 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 Bewegung dieses
Fühltasters wird dabei entweder über mechanische Mittel auf eine Anzeigevorrichtung
übertragen oder sie dient zur Verschiebung eines Lichtzeigers auf einer Skala. Derartige
Taster haben den Nachteil, daß der mechanische Fühlhebel der Abnutzung unterworfen
ist, die insbesondere bei einer Anwendung des Tasters zur laufenden Messung allmählich
ins Gewicht fällt. Weiterhin besteht der Nachteil, daß durch die mechanischen Übertragungsmittel
die Genauigkeit der Messung leidet. Ein Feintaster der beschriebenen Art kann beispielsweise
ohne zusätzliche Steuerungseinrichtungen auch nicht verwendet werden, wenn es sich
darum handelt, die Maße von Werkstücken, die durch einen Zwischenraum voneinander
getrennt sind, laufend festzustellen.
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Zur Ermittlung der genauen Begrenzung eines blanken Körpers ist es
bekannt, den Prüfling derart in ein eine Marke abbildendes Strahlenbündel zu bringen,
daß das als Körperbegrenzung dienende Flächenstück in der Ebene des Markenbildes
liegt.
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Der Prüfling wird sodann so weit senkrecht zur optischen Achse der
Meßeinrichtung verschoben, bis in einer mit einer Hilfsmarke versehenen Beobachtungseinrichtung
das unmittelbar in derselben erzeugte Bild der Marke zu dem Bild der gleichen Marke,
das durch die an dem Flächenstück reflektierten Strahlen erzeugt wird, in ein bestimmtes
Abstandsverhältnis, insbesondere zur Deckung, gebracht wird.
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Bei dieser bekannten Vorrichtung findet also zur Antastung des Werkstückes
Licht Verwendung, so daß das eigentliche Tastglied keiner Abnutzung unterworfen
ist. Die Vorrichtung selbst dient zur Längenmessung durch Einstellen auf die Endpunkte
der Meßstrecke. Sie hat den Nachteil, daß der zu messende Gegenstand von zwei Seiten
angetastet wird und daß der Raumbedarf relativ groß ist.
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Weiterhin ist es bekannt, zur Ermittlung der Abmaße eines Gegenstandes
von einem Sollmaß einen Autokollimator zu verwenden, bei welchem bei einer geringen
Neigung eines zur Reflexion des Meßstrahlenganges in sich selbst dienenden Spiegels
gegen die Normallage eine Auswanderung eines Meßmarkenbildes gegenüber einer vorbestimmten
Lage auftritt.
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Zur Bestimmung des Abmaßes eines Gegenstandes von einem Sollmaß wird
hier ein Spiegel verwendet, dessen Halterung mit drei Kugeln zur Auflage kommt.
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Zwei Kugeln ruhen auf dem Bezugsmaß, während die dritte Kugel auf
dem Eichmaß ruht. Aus dem durch die Auswanderung des Meßmarkenbildes meßbaren Neigungswinkel
des Spiegels kann dann der Längenunterschied zwischen den beiden Spiegelauflagen
ermittelt werden. Diese Vorrichtung hat den Nachteil, daß bei einer Ungleichheit
der Kugeldurchmesser Meßfehler auftreten und daß jede Messung ziemlich lange Zeit
beansprucht.
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Weiterhin ist das sogenannte Lichtschnittmikroskop bekannt, welches
zur Oberflächenprüfung von Werkstücken dient. Bei diesem bekannten Gerät wird ein
beleuchteter Spalt auf die Oberfläche des zu untersuchenden Werkstückes projiziert.
Das Bild des Spaltes wird gemeinsam mit der Oberfläche durch ein Meßmikroskop betrachtet.
Aus der Form des beobachteten Lichtbandes kann sodann auf die Beschaffenheit der
Werkstückoberfläche geschlossen werden.
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Weiterhin kann durch Ausmessen der Abstände zwischen den »Bergen«
und »Tälern« des Lichtbandrandes die Größe der Oberflächenrauhigkeit bestimmt werden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, auf optischem
Wege fortlaufend berührungsfrei die Abmaße von Gegenständen von einem Sollmaß zu
bestimmen, wobei die Antastung nur von einer Seite zu erfolgen braucht. Insbesondere
soll diese Messung während des Bearbeitungsvorganges
an Werkstücken
durchgeführt werden, ohne daß die Bearbeitung gestört wird. Diese Aufgabe kann durch
die bekannten, Licht als Tastglied verwendenden Vorrichtungen nicht gelöst werden.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zunächst auf der Oberfläche
eines Eichmaßes eine leuchtende Marke und in einer auf diese Marke eingestellten
Meßeinrichtung ein Bild dieser Marke (Eichbild) erzeugt wird, daß danach das Eichmaß
durch den zu messenden Gegenstand ersetzt wird und die Abbildungs- und/oder Meßeinrichtung
oder Teile dieser Einrichtungen mittels einer von der Meßeinrichtung photoelektrisch
gesteuerten Nachlaufeinrichtung automatisch so lange verschoben werden, bis das
Bild der Marke am Ort des Eichbildes erscheint, und daß aus der Größe der Verschiebung
das gesuchte Maß ermittelt wird.
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Es ist also hier der sehr empfindliche Nullabgleich gewählt, so daß
mit Hilfe des neuen Verfahrens sehr genaue Messungen durchgeführt werden können.
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Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht aus einer Abbildungseinrichtung zur Erzeugung mindestens einer leuchtenden
Marke auf der Oberfläche des Eichmaßes bzw. des zu messenden Gegenstandes, einer
auf diese Marke eingestellten, mindestens eine photoelektrische Zelle enthaltenden
Meßeinrichtung, welche bei Abweichung des Gegenstandsmaßes vom Eichmaß ein elektrisches
Signal liefert, sowie aus einem Nachlaufmotor, welchem das elektrische Signal zugeführt
wird und der die Abbildungs- und/oder Meßeinrichtung oder Teile dieser Einrichtungen
so lange verschiebt, bis das elektrische Signal zu Null wird.
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Zur Messung der Verschiebung selbst können elektrische, elektronische,
mechanische oder optische Mittel oder entsprechende Kombinationen dieser Mittel
Verwendung finden.
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Eine Verschiebung des Markenbildes zum Ort des Eichbildes kann dabei
durch eine Verschiebung des gesamten Gerätes nach der Höhe bewirkt werden. Es ist
auch möglich und in manchen Fällen vorteilhaft, die Objektive oder entsprechende
Teile der Objektive der Abbildungs- und der Meßeinrichtung zu verschieben. Ferner
kann es zweckmäßig sein, im Strahlengang der Abbildungs- und der Meßeinrichtung
angeordnete optische Elemente zu verschwenken oder in der Bildebene der Meßeinrichtung
angeordnete photoelektrische Empfänger zu verschieben. Es ist auch möglich, die
Meßeinrichtung parallel zu sich selbst nach der Seite zu verschieben.
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Die Vorrichtung nach der Erfindung kann zur Steuerung von Werkzeugmaschinen
verwendet werden, wobei die Vorrichtung an der jeweiligen Maschine angebracht wird.
Mit Vorteil kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch bei der Serienkontrolle und
Sortierung von Werkstücken zur Anwendung kommen. Sie hat dabei den ebenfalls schon
zur Steuerung von Werkzeugmaschinen verwendeten pneumatischen Meßgeräten den Vorteil
voraus, daß der Aufwand und der Platzbedarf ganz wesentlich geringer sind.
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Die Vorrichtung nach der Erfindung wird an Hand der Ausführungsbeispiele
darstellenden Fig. 1 bis A näher erläutert. Dabei zeigt Fig. 1 eine Vorrichtung
nach der Erfindung, bei welcher das festzustellende Maß eine Gegenstandes durch
automatische Verschiebung von in der Meßeinrichtung angeordneten Photozellen erreicht
wird,
Fig. 2 ein geändertes Ausführungsbeispiel, bei welchem die Messung durch Verschwenken
von im Strahlengang angeordneten planparallelen Platten vorgenommen wird, Fig. 3
ein anderes Ausführungsbeispiel, das zur Bestimmung von Grenzmaßen dient und ohne
Nachsteuerung arbeitet, Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel.
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In Fig. 1 ist mit 1 eine Lichtquelle bezeichne. welche über eine
Linse 2 zur Beleuchtung eines Spaltes 3 dient. Dieser Spalt 3 wird mittels eines
durch die Glieder 4 und 5 angedeuteten Objektivs auf die Oberfläche eines Werkstückes
6 abgebildet. Das durch diese Abbildungseinrichtung auf der jeweils anzumessenden
Oberfläche erzeugte Bild des Spaltes 3 wird im folgenden als »leuchtende Marke«
bezeichnet.
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Auf die auf der Oberfläche des Werkstückes 6 erzeugte leuchtende
Marke ist eine Meßeinrichtung 24 eingestellt. Diese enthält ein durch die Glieder
7 und 8 angedeutetes Objektiv, welches zur Erzeugung eines Bildes der leuchtenden
Marke dient. Die Photozellen 9 und 10 sind nebeneinander in der Bildebene der Meßeinrichtung
24 angeordnet, und zwar in der Art, daß zwischen ihnen ein Spalt 11 entsteht. Die
Photozellenwiderstände sind mit 12 und 13 bezeichnet. Die an ihnen abfallende Spannung
wird gegeneinandergeschaltet und einem Verstärker 14 zugeführt. Da es vorteilhaft
ist, einen Wechselstromverstärker zu verwenden, wird in dem hier dargestellten Beispiel
mit Wechsellicht gearbeitet, was durch entsprechende Ausbildung der Lichtquelle
1 oder Anordnung einer Schwingblende im Strahlengang möglich ist. Die vom Verstärker
14 gelieferte Spannung wird einem Motor 15 zugeführt, welcher dazu dient, über ein
Getriebe 16 eine Platte 17 zu bewegen, auf welcher die Photozellen 9 und 10 angeordnet
sind.
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Mit der Platte 17 ist eine Glasskalal8 verbunden welche über ein Beleuchtungssystem
19 beleuchtet wird. Ein Projektionssystem 20 dient zur Projektion des jeweils erleuchteten
Ausschnittes der Glasskala 18 auf eine Mattscheibe 21.
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Soll mit dem in Fig. 1 dargestellten Gerät eine Messung ausgeführt
werden, so wird zunächst das Werkstück 6 durch ein Eichmaß ersetzt. Die Oberfläche
des Eichmaßes sei mit 22 bezeichnet. Daraufhin wird das gesamte Gerät in der Höhe
so lange verschoben, bis das von der Abbildungseinrichtung 1, 2, 3, 4, 5 auf der
Oberfläche des Eichmaßes erzeugte Bild der leuchtenden Marke in den Spalt 11 der
Meßeinrichtung.24 fällt. Auf der Mattscheibe 21 wird dann der für die Messung gültige
Ausgangswert angezeigt. Wird nun das Eichmaß durch ein Werkstück 6 ersetzt, dessen
Oberfläche mit 23 bezeichnet ist, so entsteht die leuchtende Marke auf der Oberfläche
23. Liegt diese Oberfläche tiefer als die Oberfläche 22 des Eichmaßes, so erscheint
das Bild der Marke vom Betrachter aus gesehen nach links verschoben. Dadurch erhält
die Photozelle 10 Strom, die am Widerstand 13 abfallende Spannung überwiegt die
am Widerstand 12 abfallende Spannung, und die Differenz dieser Werte wird im Verstärker
14 verstärkt. Der Motor 15 erhält Spannung und verschiebt über das Getriebe 16 die
Platte 17 so lange, bis das Bild des Spaltes 3 mit dem Spalt 11 zusammenfällt.
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Das Maß dieser Verschiebung wird auf der Mattscheibe 21 angezeigt,
an der nach entsprechender Eichung der Teilung der Glasplatte 18 direkt das Maß
des Werkstückes 6 abgelesen werden kann.
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Es ist möglich, daß bei einer verhältnismäßig großen Apertur der
Abbildungs- und der Meßeinrichtung bei einer Verschiebung der Werkstückoberfläche
gegenüber der Oberfläche des Eichmaßes neben der seitlichen Versetzung des Markenbildes
zugleich eine Verbreiterung und gewisse Unschärfe des Markenbildes hervorgerufen
wird. Dieser Effekt ist jedoch ohne Belang, da die dargestellte Einrichtung stets
auf den Schwerpunkt des Markenbildes einstellt. Durch die Gegeneinanderschaltung
der Photozellen 9 und 10 wird erreicht, daß gleiche auf die Photozelle fallende
Lichtströme nicht zu einer Verschiebung der Platte 17 Anlaß geben.
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Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung kann vorteilhaft zur laufenden
Dickenmessung verwendet werden. Es ist auch möglich, das Gerät an einer Werkzeugmaschine
anzubringen und diese Maschine entsprechend den verschiedenen Stellungen der Platte
17 zu schalten. Dazu ist es nur noch notwendig, die Platte 17 mit einem Kontaktgeber
zu versehen. Ebenso ist es möglich, die Vorrichtung zur Serienkontrolle und zur
Sortierung von Werkstücken zu verwenden.
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Verbindet man beispielsweise die Platte 17 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, den einzelnen Toleranzgrenzen entsprechende Behälter einsortiert
werden.
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An Stelle der in Fig. 1 dargestellten kontinuierlichen Nachstellung
des Gerätes über den Verstärker 14 und den Motor 15 kann die Anordnung auch so getroffen
werden, daß der Motor 15 mit konstanter Spannung beaufschlagt wird und an Stelle
des Verstärkers 14 ein Relais zum An- und Abschalten dieser Spannung vorgesehen
ist.
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Bei der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung ist der Winkel zwischen
der Werkstücknormalen und der optischen Achse der Abbildungs- und Meßeinrichtung
gleich groß gewählt. Es ist jedoch prinzipiell möglich, diese Winkel auch verschieden
groß zu machen. Ferner ist es möglich, einen anderen als den dargestellten Winkel
zu wählen. In manchen Fällen kann es auch vorteilhaft sein, die Objektive der Abbildungs-
und der Meßeinrichtung zusammenzufassen, d. h. also, nur ein gemeinsames Objektiv
zu verwenden.
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Bei der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung ist im Strahlengang der
Abbildungs- und Meßeinrichtung jeweils eine verschwenkbare planparallele Platte
35 bzw. 34 angeordnet. Solche Platten finden z. B. in Geräten zur Maßstabablesung
zum Verschieben des Strichbildes Verwendung. Wird in diesem Fall ein Eichmaß, dessen
Oberfläche mit 22 bezeichnet ist, - durch das Werkstück 6, dessen Oberfläche mit
23 bezeichnet ist, ersetzt, so erhält über ein Teilungsprisma 25 und eine Linse
26 die eine Photozelle 29 Licht.
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Dadurch entsteht am Eingang des Verstärkers 30 eine Spannung, und
der Motor 31 beginnt zu laufen.
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Mittels dieses Motors 31 werden über Getriebe 32 und 33 die planparallelen
Platten 34 und 35 so verschwenkt, daß das Bild der leuchtenden Marke genau an der
Stelle des Eichbildes lediglich nach unten verschoben erscheint. Ist dieser Zustand
erreicht, so fällt über das Teilungsprisma 25 und die zugeordneten Linsen 26 und
27 eine gleiche Lichtmenge auf die Photozellen 28 und 29, und der Motor 31 kommt
zum Stillstand.
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Die planparallelen Platten 34 und 35 können auch durch andere den
Strahlengang versetzende optische Elemente ersetzt werden.
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Mit dem Motor 31 ist eine Spindel 36 in der Art gekoppelt, daß bei
Drehung des Motors ein Schreibstift 37 verschoben wird. Dieser Schreibstift 37 zeichnet
auf einer rotierenden Trommel 38 eine der Verschwenkung der Planplatten 34 und 35
entsprechende Kurve auf. Trägt die Trommel 38 eine entsprechende Teilung, so kann
durch die Stellung des Stiftes 37 direkt das Maß des Werkstückes 6 abgelesen werden.
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Es ist ebenso möglich, mit dem Motor 31 eine Vorrichtung zu koppeln,
die bei Drehung des Motors eine elektrische Brücke verstimmt. Die sich dadurch ergebende
Spannung in der Brückendiagonalen ist wiederum ein Maß für die Abweichung des Werkstückes
6 vom Eichmaß. Ebenso ist es möglich, mit dem Motor 31 andere, an sich bekannte
elektronische, elektrische, mechanische oder optische Anzeigevorrichtungen, beispielsweise
ein Zifferndruckwerk, zu koppeln.
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Die in Fig. 2 dargestellte Vorrichtung kann wiederum zur laufenden
Dickenmessung, zum Anbau an Werkzeugmaschinen oder zur Serienkontrolle und Sortierung
von Werkstücken Verwendung finden.
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In Fig. 3 ist ein anderes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung nach
der Erfindung dargestellt, welche besonders vorteilhaft zur Serienkontrolle und
Sortierung von Werkstücken oder zur Steuerung von Werkzeugmaschinen Verwendung finden
kann. Bei der hier dargestellten Vorrichtung wird ein Bild der leuchtenden Marke
auf der mit 41 bezeichneten Oberfläche eines Werkstück es 40 abgebildet. Im Strahlengang
der Meßeinrichtung ist eine Teilungsplatte 44 angeordnet, mittels welcher ein Teil
des Lichtes auf einen Projektionsschirm 45 geworfen wird. Dieser Schirm trägt eine
Teilung, und es kann so das jeweilige Maß des Werkstückes 40 abgelesen werden. Das
die Teilungsplatte 44 durchdringende Licht fällt auf einen in der Bildebene angeordneten
Doppelspalt46, 47. Hinter den Spalten46 und 47 sind zwei Photozellen 48 und 49 angeordnet.
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Wird die in Fig. 3 dargestellte Vorrichtung zur Steuerung einer Werkzeugmaschine
verwendet. die zur Abtragung von Material dient, so ist die Photozelle 48 mit einem
Kontakt verbunden, der zum Ausschalten des Grobbearbeitungsvorganges der Maschine
und zum Einschalten des Feinbearbeitungsvorganges dient. Sobald also vom Werkstück
40 genügend Material abgetragen ist und die mit 42 bezeichnete Oberfläche erreicht
wird, fällt auf die Photozelle 48 Licht, und es wird über den Kontakt der Grobbearbeitungsvorgang
der Maschine ausgeschaltet. Während des Feinbearbeitungsvorganges der Maschine wird
nun weiterhin so lange Material abgetragen, bis die mit 43 bezeichnete Sollfläche
erreicht ist. Ist dies der Fall, so fällt durch den Spalt 47 Licht auf die Photozelle
49, und über einen von dieser Photozelle gesteuerten Kontakt wird die Maschine ganz
abgeschaltet. Durch Verändern des Abstandes der beiden Spalten 46 und 47 und damit
der Photozellen48 und 49 kann der Abstand zwischen den beiden Oberflächen 42 und
43 gewählt werden. Es ist möglich, den Doppelspalt 46, 47 beispielsweise durch einen
Mehrfachspalt zu ersetzen und auf diese Art die Werkzeugmaschine in mehreren Stufen
zu steuern.
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Die dargestellte Vorrichtung findet beispielsweise vorteilhaft Anwendung
bei Flächenschleifmaschinen.
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Bei solchen Maschinen sind auf einer rotierenden Scheibe mehrere Werkstücke
angeordnet, die von einer radial bewegten Schleifscheibe bearbeitet werden. Das
Gerät ist nun auf eine bestimmte Stelle der Scheibe eingestellt und schaltet die
Maschine entsprechend dem festgestellten Maß der Werkstücke.
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Die Abstände zwischen den einzelnen Werkstücken spielen dabei keine
Rolle, denn weder die Photozelle 48 noch die Photozelle49 erhält Licht, wenn eine
solche Stelle angemessen wird.
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In Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Vorrichtung dargestellt, bei welchem die gesamte Steuerung des Gerätes über eine
Photozelle vorgenommen wird. Die Meßeinrichtung enthält in diesem Fall die Spiegel
SO, 51 und 52 zur Aufteilung des Lichtes, die Linsen 53 und 54 zur Erzeugung eines
Bildes der Oberfläche des Werkstückes 6, eine Wechsellichtblende 55 zur abwechselnden
Freigabe der beiden Lichtwege und die Spiegel 56, 57 und 58 zur Wiedervereinigung
des Lichtes.
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Wandert in dem hier dargestellten Fall das Bild der leuchtenden Marke
seitlich aus, so ist die Lichtmenge in den beiden Lichtwegen verschieden groß, und
in der Photozelle 49 wird ein Wechselstrom erzeugt.
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Dieser Wechselstrom ist in seiner Amplitude und Phase abhängig von
dem Verhältnis der Lichtmenge in beiden Lichtwegen. Er kann deshalb zur Steuerung
eines Nachlaufmotors verwendet werden.
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Dieser hier nicht dargestellte Nachlaufmotor kann, ebenso wie in
Fig. 2 dargestellt, im Strahlengang angeordnete optische Elemente verschwenken oder
verschieben, er kann jedoch ebenso zur Verschiebung des gesamten Gerätes nach der
Höhe dienen. Ist ein Abgleich erreicht, d. h., fällt das Bild der leuchtenden Marke
mit dem Eichbild zusammen, so liefert die Photozelle 59 einen Gleichstrom, und der
Nachstellmotor kommt zum Stillstand.
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Es ist ebenso möglich, mit der in Fig. 4 dargestellten Vorrichtung
die Objektive der Abbildungs- und Meßeinrichtung zu verschieben. Bei geeigneter
optischer Ausbildung dieser Objektive genügt es auch, zur Verschiebung des Spaltbildes
einzelne Teile dieser Objektive gegenüber den Restgliedern zu verschieben. Ebenso
ist es möglich, in der Meßeinrichtung eine Verschiebung des Bildes der leuchtenden
Marke dadurch zu erreichen, daß die Meßeinrichtung parallel mit sich selbst nach
der Seite verschoben wird.
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In der Meßeinrichtung kann auch ein an sich bekanntes Doppelbildokular
verwendet werden. Dieses Okular erzeugt zwei Spaltbilder, die sich bei einer Verschiebung
des Gerätes oder bei einer Verstellung von Abgleichelementen, beispielsweise planparallelen
Platten, gegenläufig bewegen. Zu Beginn der Messung wird in diesem Fall das Gerät
so eingestellt daß im Okular nur ein einziges Bild sichtbar ist. Wird nun das Eichmaß
durch das Werkstück ersetzt, so entstehen im Okular zwei Bilder, wenn das Werkstückmaß
nicht mit dem Eichmaß übereinstimmt. Die Abgleichelemente werden nun so lange bewegt,
bis die beiden Teilbilder wieder zusammenfallen. Diese Bewegung kann entweder von
Hand oder automatisch über photoelektrische Empfänger vorgenommen werden und dient
zur Festlegung desWerkstückmaßes.