DE1255930B - Einrichtung zur beruehrungslosen Messung des Abstandes einer Flaeche z. B. eines Werkstuecks von einer Basislinie mittels eines rotierenden Senders und Empfaengers - Google Patents

Description

DEUTSCHES Wi9Wt- PATENTAMT DeutscheKl.: 42 b-12/02

AUSLEGESCHRIFT

Nummer: 1 255 930

Aktenzeichen: C 31503IX b/42 b

235 930 Anmeldetag: 25. November 1963

Auslegetag: 7. Dezember 1967

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur berührungslosen Messung des Abstandes einer Fläche z. B. eines Werkstücks von einer Basislinie mittels eines rotierenden Strahlensenders, der einen Sendestrahl über die Fläche schwenkt, und mit einem rotierenden Strahlenempfänger, der nur dann auf den Sendestrahl anspricht, wenn dessen Schnittpunkt mit der Fläche gerade in der momentanen Orientierungsrichtung des Empfängers liegt, wobei eine gemeinsame Antriebsvorrichtung den Sender und den Empfänger um ihre die beiden Enden des Basislinie bildenden Mittelpunkte in Drehung versetzt.

Die bekannten Einrichtungen dieser Art dienen zum Messen des Abstandes einer Fläche eines Gegenstandes von einer Bezugsposition, wobei jedoch keine größeren Änderungen des Abstandes auftreten dürfen, da sonst große Schwankungen der Empfindlichkeit des Gerätes unmittelbar damit verbunden sind. Dabei ist bei der bekannten Einrichtung eine größere Entfernung des Strahlensenders von dem Strahlenempfänger notwendig, damit die Empfindlichkeit des Gerätes wenigstens über einen gewissen Abstandsbereich zwischen Fläche und Bezugsposition erhalten bleibt. Diese größere Entfernung ist wegen des größeren Platzbedarfes nicht nur unbequem und unerwünscht, sondern macht es praktisch auch sehr schwierig, die rotierenden Einzelgeräte gemeinsam anzutreiben und einen Synchronismus zwischen den Bewegungen des Sendestrahles und der Orientierungsrichtung des Empfängers aufrechtzuerhalten, wodurch die Genauigkeit der bekannten Einrichtung nachteilig beeinflußt wird.

Bei selbsttätig arbeitenden Prüfvorrichtungen zur Inspektion der Innenflächen von rohrförmigen, beiderseits offenen Behältern ist es bekannt, einen Lichtstrahl in veränderlichen Einfallwinkeln durch das eine offene Ende in den Behälter zu werfen, so daß der Lichtstrahl jeweils nacheinander eine achsparallele Mantellinie der Innenfläche des rotierenden Behälters abtastet und durch das gegenüberliegende offene Ende des Behälters hindurch auf eine Fotozelle reflektiert wird, die auf durch Abweichungen der Innenfläche verurachte Strahländerungen reagiert. Zur Änderung des Einfallswinkels des Lichtstrahles wird hierbei ein rotierender Vielflächenspiegel verwendet. Mit Hilfe dieser Vorrichtung können fehlerhafte Behälter selbsttätig aus der laufenden Fertigung ausgesondert werden. Zur Abstandsmessung im Sinne der Erfindung ist diese Vorrichtung aber nicht bestimmt und auch nicht geeignet, zumal es sich bei den Prüflingen um hohle, in Drehung zu versetzende Werkstücke handelt.

Rotierende Vielflächenprismen sind ferner bei Vorrichtungen zum Abtasten von auf einem laufenden Einrichtung zur berührungslosen Messung des
Abstandes einer Fläche z. B. eines Werkstücks
von einer Basislinie mittels eines rotierenden
Senders und Empfängers

Anmelder:

A. C Cossor Limited, London

xo Vertreter:

Dipl.-Ing. E. F. Eitner, Patentanwalt,
München 5, Erhardtstr. 8

Als Erfinder benannt:

Francis Duerden,

Bishops Stortford, Hertfordshire;

John Lingham French, Ilford, Essex
_ao (Großbritannien)

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 26. November 1962 (44 653)

Filmstreifen gespeicherten Werten oder Daten mittels Lichtstrahlen bekannt, um bestimmte Funktionen zu bilden. Hierbei werden auch Winkeländerungen der Lichtstrahlrichtungen vorgenommen, welche aber nicht zur Abstandsmessung im Sinne der Erfindung bestimmt und geeignet sind.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der der Abstand einer Fläche von einer Basislinie auch genau gemessen wird, wenn sich dieser Abstand in einem weiten Bereich ändert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Strahlensender und der Strahlenempfänger derart angetrieben werden, daß der Sendestrahl des Senders und die Orientierungsrichtung des Empfängers stets einen konstant bleibenden Winkel zueinander einschließen, so daß ihr Schnittpunkt einen Kreis beschreibt, und daß ein Rechengerät den Abstand der Fläche von der Basislinie als Funktion der Winkellage des Sendestrahls zur Basislinie zum Zeitpunkt des Ansprechens des Empfängers berechnet. Wenn also der Sendestrahl einen Punkt auf diesem Kreis erreicht, in welchem auch die Fläche, deren Abstand von der Basislinie gemessen werden soll, diesen Kreis schneidet, so wird die Energie des Sendestrahls (zerstreut reflektiertes Licht od. dgl.) von dem

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Empfänger empfangen und ein Regengerät zur Messung des Abstandes in Betrieb gesetzt, das direkt den Abstand der Fläche von der Basislinie mißt.

Erfindungsgemäß beschreibt der Schnittpunkt des Sendestrahles mit der Orientierungsrichtung des Empfängers einen Kreis oder Kreisbogen, und aus dem Radius dieses Kreises, dem konstanten Winkel zwischen Sendestrahl und Orientierungsrichtung des Empfängers sowie der Winkelposition z. B. des Sendestrahles zur Basislinie läßt sich der Abstand der Fläche von der Basislinie und weiterhin auch der gegenseitige Abstand zweier Flächen, d. h. die Breite eines Werkstückes durch das Rechengerät automatisch berechnen.

Abgesehen davon, daß durch die erfindungsgemäße Einrichtung Abstandsmessungen einer Fläche von einer Bezugslinie vorgenommen werden können, bei denen der Abstand in einem weiten Bereich schwankt und trotzdem die Meßgenauigkeit im wesentlichen gleichbleibt, können mit der erfindungsgemäßen Einrichtung auch Abstände von Flächen gemessen werden, die den rotierenden Teilen nicht unmittelbar gegenüberliegen. Dadurch wird es möglich, Flächen zu messen, zwischen denen irgendwelche Hindernisse liegen. Beispielsweise kann mit der Einrichtung gemäß der Erfindung die Breite oder Dicke einer Metallplatte in einem Walzwerk gemessen werden, ohne daß die Platte aus dem Walzenständer herausgebracht werden muß. Gemäß einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung werden Lichtstrahlen verwendet, wobei der Sender und der Empfänger rotierende Spiegel haben, die von einer gemeinsamen Antriebsvorrichtung in Drehung versetzt werden.

In der Zeichnung ist die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels veranschaulicht. Es zeigt

F i g. 1 schematisch die Geometrie der erfindungsgemäßen Einrichtung,

F i g. 2 die erfindungsgemäße Einrichtung zum Messen der Breite von Stahlplatten in einem Walzwerk,

F i g. 3 schematisch ein bei der erfindungsgemäßen Einrichtung verwendetes optisches System,

F i g. 4 einen fotoelektrischen Empfänger für das optische System gemäß F i g. 3,

F i g. 5 die Schaltungsanordnung eines Rechengerätes für die Meßeinrichtung.

Bei der in Fig. 1 dargestellten schematischen Darstellung der Geometrie der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung ist der Abstand zwischen den Mittelpunkten des Strahlensenders und des Strahlenempfängers mit 2 a bezeichnet. Der konstante Winkel zwischen dem Sendestrahl und der Orientierungsrichtung des Empfängers ist mit « bezeichnet. Der Abstand der Fläche z. B. eines Werkstückes von der Basislinie ist mit 1 und der Radius des Kreises, welcher von dem Schnittpunkt des Sendestrahles mit der Orientierungsrichtung des Empfängers bei deren Drehung beschrieben wird, ist mit R bezeichnet. Der Mittelpunkt des Kreises liegt auf der Halbierungslinie des Abstandes 2 a zwischen Sender und Empfänger. Der Winkel Θ stellt eine Winkelposition des Sendestrahles dar, bei der gerade die Orientierungsrichtung des Empfängers durch den Schnittpunkt des Sendestrahls mit der Werkstücksfläche geht. Die Beziehung zwischen diesen Größen wird durch folgende Gleichung ausgedrückt:

I = R [cos« — cos (2 Θ + κ)].

Diese Gleichung wird für eine Berechnung des gesuchten Abstandes 1 mit Hilfe eines Rechengerätes verwendet, da der Abstand 1 eine Cosinusfunktion des Winkels Θ ist. So kann z. B. der veränderliche Ausdruck

cos (2 Θ + α)

mittels eines Analog-Digital-Rechners erhalten werden, der etwa eine Scheibe mit binärer Cosinusverschlüsselung aufweist, die mit der doppelten Drehgeschwindigkeit des Meßstrahles durch ein Zahnradgetriebe

ίο angetrieben wird. Es können auch zwei derartige Meßeinrichtungen zum Messen der Breite oder Dicke einer Metallplatte od. dgl. verwendet werden, da es durch Wahl der relativen Dimensionen der beiden Meßeinrichtungen möglich ist, ebenfalls einen einfachen Cosinusausdruck für die gesuchte Breite oder Dicke zu erhalten. Dies ist also nur eine Erweiterung der Grundoperation des Messens des Abstandes einer Fläche von einer Basislinie.

F i g. 2 zeigt schematisch die erfindungsgemäße Einrichtung zum Messen der Breite einer Stahlplatte in einem Walzwerk mit Umkehrwalzen 10, einem Eingangswalzentisch 11, Eingangswendevorrichtung 12, einem Ausgangswalzentisch 13 und Ausgangswendevorrichtungen 14, wobei die Walzentische durch Walzenantriebe 15 angetrieben werden und eine Platte 16 aus Stahl in rot erhitztem Zustand durch die Walzen 10 hin und her bewegt wird. Während des Walzens soll die Breite der Stahlplatte gemessen werden, wozu an entgegengesetzten Seiten des Ausgangswalzentisches 13 zwei gleichartig aufgebaute erfindungsgemäße Meßköpfe 17 und 18 angeordnet sind, die durch Kabel 19 und 20 mit einem Rechengerät verbunden sind. Der durch den Schnittpunkt des Sende- und Empfangsstrahls gegebene Kreis 48 ist für beide Meßköpfe 17 und 18 der gleiche.

F i g. 3 zeigt schematisch ein bei der erfindungsgemäßen Einrichtung verwendetes optisches System. Hierbei bildet eine Hochdruck-Quecksilberdampflampe 21 eine Lichtquelle für einen Sender, wobei die Lampe 21 ein Sammellinsensystem 22 enthält. Ein Bild des Kondensers 22 wird durch eine Feldlinse 23 auf einer Objektivlinse 24 abgebildet, welche ihrerseits ein Bild der Feldlinse in einer solchen Entfernung abbildet, daß der Lichtstrahl dicht innerhalb des Bereiches bleibt, in dem er die Seiten der Platte 16 trifft, deren Abstand von einer Basislinie gemessen werden soll. Zwischen der Feldlinse 23 und der Objektivlinse 24 des Senders wird das Licht von feststehenden Spiegeln 25 und 26 reflektiert, die dazu dienen, den Raum, der von dem optischen System eingenommen wird, zu verkleinern. Nachdem das Licht durch die Objektivlinse 24 gelangt ist, fällt es auf einen rotierenden Sendespiegel 27, der den Strahl gegen die Seite der Platte 16 wirft. Aus dem Sendestrahl durch die Seiten der Platte 16 diffus reflektiertes Licht wird durch einen rotierenden Empfangsspiegel 28 empfangen, falls dessen Orientierungsrichtung gerade durch den Schnittpunkt des Sendestrahls mit der Oberfläche der Platte 16 geht, und gelangt durch eine Objektivlinse 29, die ein Bild des Lichtpunktes der Platte auf einen fotoelektrischen Detektor 30 wirft. Die Sende- und Empfangsspiegel 27 und 28 werden mit derselben Geschwindigkeit durch einen elektrischen Synchronmotor 31 über ein Zwischenrad 32 und die Räder 33 und 34, die auf den die Spiegel 27 bzw. 28 tragenden Spindeln 35 und 36 angeordnet sind, gedreht, wobei die Drehachsen im wesentlichen parallel zur reflektierenden Oberfläche der Platte 16 und im

wesentlichen senkrecht zu der Ebene des Sende- und Empfangsstrahles liegen. Der Sendestrahl des Senders 27 und die Orientierungsrichtung des Empfänger 28 schließen bei der Drehung stets einen konstanten Winkel zueinander ein, so daß ihr Schnittpunkt einen Kreis 48 beschreibt (vgl. F i g. 1 und 2). Es wird jedoch erst dann Licht durch den Detektor 30 über den Empfangsspiegel 28 empfangen, wenn dessen Orientierungsrichtung gerade durch den Schnittpunkt des Sendestrahls mit der reflektierenden Oberfläche der Platte 16 geht. Zur Unterscheidung zwischen der Plattenoberfläche 16 und anderen reflektierenden Oberflächen kann neben der Feldlinse 23 des Senders ein rotempfindlicher Fotodetektor 37 so angeordnet sein, daß er das durch die Objektivlinse 24 fokussierte Licht von der Plattenoberfläche erhält, wobei ein zweiter rotempfindlicher Fotodetektor 38 im Empfänger angeordnet ist. Ein blaureflektierender dichroitischer Spiegel 39 vor dem Fotodetektor 38 dient als Filter, um das der Temperatur der Platte 16 entsprechende rote Licht auszufiltern, sowie als Spiegel, um den Empfangsstrahl auf den Detektor 30 zu reflektieren.

F i g. 4 zeigt einen bei dem optischen System verwendeten fotoelektrischen Detektor 30, der eine Maske 40 und hinter dieser ein Prisma 41 mit zwei aluminisierten reflektierenden Flächen 42 und 43, die das Licht zu den Fotozellen 44 und 45 reflektieren, enthält. Wenn der auf den Detektor 30 fallende Lichtstrahl in Richtung des Pfeiles 46 als Folge der Rotation des Empfangsspiegels 28 bewegt wird, fällt das Licht abwechselnd auf die Zellen 44 und 45, so daß die Scheitelwerte ihrer Ausgangsspannungen in einem zeitlichen Abstand voneinander auftreten. Das Prisma 41 ist symmetrisch angeordnet, seine Spitze zeigt gegen die Maske 40, und der Augenblick, wenn die Ausgangsspannungen der zwei Fotozellen gleich sind, wird als der Augenblick gewertet, in dem der Schnittpunkt des Sendestrahls und des empfangenen Strahls gerade auf der Oberfläche der Platte 16 liegt. Der Detektor 30 hat einen elektronischen Vergleichskreis eines bekannten Typs, dem die Ausgangsspannungen der Fotozellen 44 und 45 zugeleitet werden und der dann ein Signal abgibt, wenn die zwei Fotozellenspannungen 44, 45 gleich sind.

Der Abstand der Fläche der Platte 16 von der durch die Spiegel 27 und 28 gegebenen Basislinie wird mittels eines Rechengeräts ermittelt, indem die Winkellage des Sendestrahls zu dem Zeitpunkt, bei dem der Detektor 30 ein Signal abgibt durch einen Achslage-Codierer 50 bestimmt wird. Dieser wird durch das Zahnrad 34 mit einer Winkelgeschwindigkeit angetrieben, die doppelt so groß ist wie die des Sende- und Empfangsspiegels 27 bzw. 28. Die Nullage des Codierers wird durch den konstanten Winkel zwischen den Strahlen oc verschoben, und er erzeugt eine Ausgangsspannung, die proportional

cos (2 Θ + χ)

Bei dem in F i g. 5 dargestellten Rechengerät für die Meßeinrichtung wird das Ausgangssignal des Achslager-Codierers 50, das als umgekehrter Binärcode oder zyklisch vertauschter Binärcode vorliegt, zu einem Binärumsetzer 51 geleitet, durch den es in die Binärform umgesetzt wird, und gelangt dann
zum Stromtor 52. Das Stromtor 52 wird durch einen Digitalabtast-Steuerkreis 53 gesteuert, der mit dem Meßkopf 17 durch die Leitung 19 verbunden ist. Wenn vom Detektor 30 ein Signal abgegeben wird, öffnet der Steuerkreis 53 das Stromtor 52, so daß ein Parallelsignal

cos (2 Θ + λ) 5

durchgelassen wird, das der Winkellage des Sendestrahls in dem Moment entspricht, in dem der Schnittpunkt von Sende- und Empfangsstrahl gerade auf der Oberfläche der Platte liegt,
ίο Im Falle der Anordnung gemäß F i g. 2 sind ein ähnlicher Codierer 50', Binärumsetzer 51' und Stromtor 52' für den anderen Meßkopf 18 vorgesehen und werden durch einen Steuerkreis 53' gesteuert, der mit dem Meßkopf 18 durch die Leitung 20 verbunden ist. Die Signale, die durch die Tore 52 und 52' gelangt sind, gehen parallel in die Umsetzer 54 und 54', die durch einen Taktgenerator 55 über ein durch das Signal eines Startkreises 49 betriebenes Tor 56 gesteuert werden. Der Startkreis 49 ist mit den Digitalst» abtast-Steuerkreisen 53 und 53' verbunden und stellt sicher, daß beide Informationsreihen in die Umsetzer 54 und 54' eingespeist sind, bevor die Ausgangssignale der Umsetzer zu einem Binär-Volladdierer 57 gelangen.

Im Falle der Anordnung gemäß F i g. 2 ist die zu messende Breite des Werkstücks 16 gegeben durch

w = R [cos (2 G₁ + oi) + cos (2 <9₂ + «)],

wobei <9j und <9₂ die Winkelwerte der Sendestrahlen der beiden Meßköpfe 17 und 18 darstellen.

Das durch den Binär-Volladdierer 57 erzeugte, der Breite der Platte 16 entsprechende Ausgangssignal wird dann durch einen Binär-Dezimalumsetzer 58, der durch den Taktgenerator 55 gesteuert wird, zu einem Zehnerregister 59, einem Einerregister 60 und einem Achtelregister 61 geleitet, so daß die Abmessungen der Platte in Zehnern, Einem und Achteln der gewählten Meßeinheit abgelesen oder gedruckt werden können, je nach der Stellung des Schalters 62 eines Steuerkreises 63 für die Anzeige oder den Druck. Zur Anzeige werden die Ziffern der Register 59, 60, 61 direkt zu einer Anzeigeeinrichtung 64 geleitet, während sie zum Druck durch einen Torkreis 65 zu einem Digitaldrucker 66 geleitet werden. Ein das Ende der Umsetzung anzeigendes Signal vom Umsetzer 58 setzt den Torkreis 65 und den Drucksteuerkreis 67 in Gang, der dann das Tor 65 in Abhängigkeit von der Tätigkeit des Druckers 66 steuert.

Um einen Synchronbetrieb zwischen den beiden Meßköpfen 17, 18 zu erzielen, ist ein zusätzlicher Fotoabtaster 70 in jedem Meßkopf vorhanden (Fig. 3). Der Sendespiegel27 ist zweiseitig und lenkt deshalb bei jeder Umdrehung das Licht zweimal auf den Fotoabtaster 70. Die Ausgangssignale der Fotoabtaster 70 der beiden Meßköpfe werden mit Hilfe von Koinzidenzkreisen miteinander verglichen, und das Ausgangssignal von diesen wird dazu benutzt, um die Erregung jedes Motors 31 so zu steuern, daß ein exakter Synchronismus erhalten wird. Dieser Synchronismus stellt sicher, daß die Abtastungen durch die zwei Meßköpfe annähernd zur selben Zeit erfolgen, wodurch Fehler bei einer Seitwärtsbewegung der Platte vermieden werden.

Bei Abwesenheit einer Platte 16 zwischen den Meßköpfen 17, 18 kann ein Signal in jedem Empfänger vom entgegengesetzten Sender empfangen werden, und das Fehlen dieses Signals kann dazu benutzt

Claims (5)

1 werden, um die Anwesenheit einer Platte zwischen den Meßknöpfen anzuzeigen. Die bei jeder Rotation des optischen Systems erhaltenen Anzeigen der beiden Meßköpfe können auch dazu benutzt werden, irgendwelche Fehler zu korrigieren, die dadurch entstehen, daß die Platte 16 nicht parallel zu den Seiten des Walzentisches 13 liegt. Während in der oben beschriebenen Ausführungsform der Sende- und Empfangsstrahl kontinuierlich rotieren, können sie auch in einem Bogen, der kleiner als ein vollständiger Kreis ist, hin und her geschwenkt werden, ohne daß sich etwas an der Wirkungsweise der Meßeinrichtung ändert. Patentansprüche: *5

1. Einrichtung zur berührungslosen Messung des Abstandes einer Fläche, z. B. eines Werkstückes von einer Basislinie mittels eines rotierenden Strahlensenders, der einen Sendestrahl über die Fläche schwenkt, und mit einem rotierenden Strahlenempfänger, der nur dann auf den Sendestrahl anspricht, wenn dessen Schnittpunkt mit der Fläche gerade in der momentanen Orientierungsrichtung des Empfängers liegt, wobei eine gemein- same Antriebsvorrichtung den Sender und den Empfänger um ihre die beiden Enden der Basislinie bildenden Mittelpunkte in Drehung versetzt, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlensender und der Strahlenempfänger derart angetrieben werden, daß der Sendestrahl des Senders (27) und die Orientierungsrichtung des Empfängers (28) stets einen konstant bleibenden Win-

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kel (a) zueinander einschließen, so daß ihr Schnittpunkt einen Kreis (48) beschreibt, und daß ein Rechengerät den Abstand (1) der Fläche (16) von der Basislinie (27—28) als Funktion der Winkellage des Sendestrahls zur Basislinie zum Zeitpunkt des Ansprechens des Empfängers (28) berechnet.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der Basislinie durch rotierende Spiegel (27 bzw. 28) gebildet werden, die von der gemeinsamen Antriebsvorrichtung (31 bis 36) in Drehung versetzt werden.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß je ein rotierender Sender und Empfänger (17 bzw. 18) an gegenüberliegenden Seiten eines zu messenden Werkstückes (16) auf parallelen Basislinien angeordnet sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei beiden Meßeinrichtungen (17,18) die Länge der Basislinie und der konstante Winkel («) zwischen dem Sendestrahl und der Orientierungsrichtung des Empfängers gleich sind.

5. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Rechengerät ein Wellenlagencodierungsgerät, das eine Cosinusfunktion der Winkellage des Sendestrahls erzeugt, sowie eine Steuereinrichtung umfaßt, die das von dem Codierungsgerät erzeugte Funktionssignal dann weiterverarbeitet, wenn sie vom Empfänger ein bei dessen Ansprechen gegebenes Signal erhält.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschriften Nr. 2 750 519, 2 883 558,
016 464.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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