DE1623151A1

DE1623151A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Messen und Regeln der Masse von Profilstuecken

Info

Publication number: DE1623151A1
Application number: DE19671623151
Authority: DE
Inventors: Raymond Marcy
Original assignee: Compagnie Francaise Thomson Houston SA
Current assignee: Compagnie Francaise Thomson Houston SA
Priority date: 1966-07-21
Filing date: 1967-07-07
Publication date: 1970-12-17
Also published as: CH462478A; BE700996A; NL6709929A; GB1175998A; FR1504539A

Description

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DIETRICH LEWINSKY GotthardstraBe 81 - Telefon (0Β11)Τ6β17βα PATENTANWALT T«i_eer«m_m-Adr·«.·. EUROPAT MUENCHEN IhrZalohan:

|4653-II/Sz

Compagnie Frangaise
Thomson Houston-Hotchkiss Brandt 173, BId. Haussmann, Paris 8e, Frankreich

"Verfahren und Vorrichtung zum Messen und Regeln der Maße von Profilstücken"

Französische Priorität vom 21. Juli 1966 aus der französischen Patentanmeldung Nr. 70 231 (Seine)

Die Erfindung betrifft ein optisch-elektrisches Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens zum Messen und Fernregeln eines Maßes eines Stückes und insbesondere der Höhe eines Profils, das zur stetigen Regelung von wärmebearbeiteten Profilen geeignet ist, und insbesondere die den Änderungen eines zu regelnden Maßes entsprechenden Änderungen der L^nge der optischen Bahn verwendet.

PROP 4O53/LRGC1 - 2 -

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Es kann notwendig sein, auf gewissen Stückentwicht ige Maße zu messen, die festgelegte Toleranzen und insbesondere die Höhe > eines Profils berücksichtigen müssen. Im Fall eines wärmebearbeiteten Profils kann nicht nur dessen Temperatur bedeutend sein, z. B. in der Größenordnung von 700°- 1000° C für Stahl, sondern es können sich auch Fehlbewegungen mit einer auf das Vorbeigehen des Profils zurückzuführenden gewissen Amplitude einstellen. Diese Beschränkungen benötigen eine Messmethode ohne Kontakt mit

dem Material des Stücks und eine gewisse Regelgeschwindijkeit.

Die materielle Isolierung des Stücks wird durch die Anwendung eines optischen Meßverfahrens bewirkt, das z. B. den bei der Entfernungsmessung verwendeten ähnlich sein kann. Ferner ruft die horizontale Verschiebung des Profils geringe Vertikalverschiebungen hervor, die häufig größer als 10 mm-sein können. Die Notwendigkeit, das Messen eines Maßes des Profils unabhängig dieser geringen vertikalen Verschiebungen zu erhalten, führt ψ dazu, eine differentielle Meßmethode zwischen zwei Niveaus anzunehmen, die in der Bewegungsebene parallel und von dem zu regelnden Maß entfernt sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens der eingangs genannten Art zu schaffen, das das Messen und Regeln des Maßes eines Profilstückes mit; großer Präzision und Schnelligkeit ermöglicht. Diese Aufgabe ist bei dem hier vorgeschlagenen Verfahren vor allem dadurch gelöst, daß es erfindungsgemäß zwei dünne

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nicht oder nur wenig divergierende parallele in zwei dem zu untersuchenden Stück zugehörigen um das Maß H voneinander entfernten Punkten reflektierte Lichtstrahlen verwendet, die sinusr förmig intensitätsmoduliert und in Phasenübereinstimmung auf zwei Wiederholungen längs der optischen Bahn, ein erstes Mal auf der Einfallsbahn und ein zweites Mal auf der Reflexionsbahn, sind, daß weiterhin die Länge der optischen Bahn periodisch und kontinuierlich nach einem vorzugsweise einfachen Gesetz veränderbar ist, daß ferner die Amplitude dieser Änderung " gleich einer Wellenlänge des Modulationssignals ist, daß ferner die aufeinanderfolgenden Informationen eine periodische von der Modulationsfrequenz unabhängige und von der Länge der optischen Bahn abhängige Video-Komponente erscheinen lassen, daß ferner die Phasenverschiebung zwischen den beiden Video-Komponenten eine direkte Funktion der Änderungen des zu regelnden Maßes sind und daß schließlich diese Phasenverschiebung in der Folge durch zugehörige elektronische Schaltungen gemessen werden.

Zur Durchführung dieses Verfahrens wird eine erfindungsgemäße Vorrichtung verwendet, die eine Vorrichtung aufweist, die periodisch die optische Bahnlänge der beiden dünnen und sehr wenig divergierenden parallilphasenmodulierten Lichtstrahlen ändert, die von einem durch einen Modulationsgenerator gesteuerten Lichterzeuger erzeugt werden und nach ihrer Reflexion in zwei Punkten verschiedenen Maßes von einer Meßvorrichtung aufgenommen werden, die den beiden reffektierten Strahlen eine durch den Modulationsgenerator gesteuerte zusätzliche Modulation auferlegt.

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. Die beiden von dem Lichterzeuger erzeugten schmalen Lichtstrahlen sind dazu bestimmt, auf den verschiedenen Niveaus auf dem heißen Profil, die parallel der Bewegungsebene des Profils sind, reflektiert oder diffus reflektiert zu werden. Die Aufnahmeelemente ermöglichen es, aus den reflektierten Stählungen durc h differentielle Messung einer von den beiden Strahlen getragenen Information, deren Wert mit der optischen Bahnlänge verknüpft ist, die Entfernung zu messen, die die beiden anvisierten Niveaus trennt.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist diese einen Lichterzeuger auf, der einen dünnen und sehr wenig divergierenden Lichtstrahl erzeugt, der einem ersten in dem linearen Bereich sdner Kennlinie verwendeten un^d durc^Ji ein von dem auf Hochfrequenz arbeitenden Generator geliefertes elektrisches Signalgesteuerten Modulator veränderlicher Lichtdurchlässigkeit zugeführt wird- Weiterhin ermöglicht es eine erste Vorrichtung, die optische Bahnlänge des Strahls nach einem vorzugsweise einfachen Gesetz in kontinuierlicher Art periodisch mit einer Änderungsamplitude, die einer Modulationswtfeilenlänge entspricht, zu ändern. Eine zweite Vorrichtung teilt den modulierten Strahl in zwei gleiche und parallele Strahlen auf, die unter geringem Einfallswinkel auf zwei Punke oder punktförmige Bereiche des Stückes fallen, die um das zu regelnde Maß H voneinander entferjrn sind und auf verschiedenen Niveaus liegen. Die reflektierten Strahlen treffen dann jeweils

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auf zwei andere Modulatoren veränderlicher.Lichtdurchlässigkeit, die veränderlich in Koinzidenz mit dem ersten Phasenmjiodulator durch denselben Generator elektrisch gespeist werden und jeder jeweils unter eventueller Zuhilfenahme von optisch komplementären Vorrichtungen, die eine räumliche Auswahl der reflektierten Strahlen durchführen, von einem der beiden Punkte ausgehende Strahlen auffangen. Den Modulatoren ist eine photoelektrische Detektorstufe nachgeschaltet, die ein periodisches Videosignal liefert. Der Detektorstufe folgen elektronische Endschaltungen zur Messung der Phasenverschiebung zwischen den beiden Videosignalen.

Der Durchmesser der Lichtstrahlen hängt von der Form des Profils ab, das Niveaus geringer Breite insbesondere auf dem oberen Teil aufweisen kann. Es ist daher von Interesse, die Abtastungen in einem Punkt oder einem punktförmigen Bereich durchzuführen, um eine sichere und präzise Messung zu erhalten. Infolge der allgemeinen Arbeitsbedingungen und insbesondere der I hohen Temperatur der Profilstücke ist es notwendig, die Meßvorrichtung in einer gewissen Entfernung anzuordnen und den Lichtstrahlen eine gewisse Stärke zu geben.

IN einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Lichterzeuger vorteilhafterweise durch einen optischen Maser oder Laser gebildet, der mit einer relativ hohen Leistung einen sehr dünnen und sehr wenig divergierenden Lichtstrahl erzeugt.

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In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Modulationsgenerator ein Hochfrequenzgenerator

In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird diesem ersten Modulator nachgeschaltete Vorrichtung durch ein um 45° zur Achse des zentralen Strahls geneigtes System zweier Spiegel gebildet, die mit einem doxh eine Kurvenscheibe lagegesteuerten reflektierenden Trieder verbunden ist,
der längs einer senkrecht zum Anfangsstrahl liegenden Achse
verschiebbar ist. Das Profil der Kurvenscheibe ist derart
bearbeitet, daß man ein durch den optischen Verlauf bestimmtes
kontinuierliches Änderungsgesetz erhält, wobei die Periodizität i. B. gleich der Dauer einer durch einen zugehörigen Mechanismus hervorgerufenen Umdrehung der Kurvenscheibe ist.

In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung entspricht das Profil der Kurvenscheibe einem Gesetz
W einfacher Form, wie einem linearen Änderungsgesetζ für die optische Bahn, das einen Wegunterschied einführt, der von Null
bis zu einer Wellenlänge der Modulationswelle während einer
halben Umdrehung der Kurvenscheibe wächst und dann bis Null
während der nächsten halben Umdrehung wieder zurücksinkt.

In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die zweite Vorrichtung, die den Strahl zu teilen ermöglicht, einen um 45° zur Achse des Anfangsstrahl geneigten ,

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ebenen halbreflektierenden Spiegel und einen vom ersteren entfernt angeordneten ebenen reflektierenden Spiegel gleicher Neigung auf.

In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung gelangen die beiden von der die Teilung des e?zigen Strahls vornehmenden zxtfeiten Vorrichtung ausgehenden Strahlen zu einem zugehörigen optischen Element, wie einem halbdurchlässigen Spiegel, der um 45 zur Achse der Strahlen geneigt und in die optische Bahn eingeschoben ist. Das optische System ist so angeordnet, daß die normalen Einfallsbedingungen auf dem zu untersuchenden Stück erhalten werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weisen die elektronischen Endschaltungen zwei symmetrische Verstärker und Amplitudenbegrenzer auf, die jeder ein erfaßtes Videosignal empfangen und deren Ausgänge an einen Differentialverstärker angeschlossen sind, dessen Ausgangssignal an einer Unterbrecherstufe liegt, die eine durch eine mit dem Antriebsmechanismus der Kurvenscheibe festverbundene mechanisdie Vorrichtung erzeugte Impulsfolge empfängt und eine Auswertscha^ltung steuert, die durch einen Digitalrechner mit numerischer Anzeige gebildet sein kann.

_rIn einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die elektronischen Endschaltungen

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so gebildet, daß sie ein Alarmsystem oder eine Steuerschaltung auslösen, wenn die Phasenverschiebung zwischen den erfaßten Videosignalen eine bestimmte Schwelle, die. einem Grenzwrert der Änderung des zu regelnden Maßes entspricht, überschritten wird.

In der Zeichnung ist eine Vorrichtung der erfindungsgemäßen Art in beispielsweise gewählten Ausführungsformen im Schaltbild und die Erfindung erläuternden Diagrammen veranschaulicht. Es zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschema einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung,

Fig. 2, 3, 4 und 5 Wellenformen, die das Arbeitsprinzip einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung zu erklären ermöglichen,

Fig. 6 ein Schema einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung,

Fig. 7 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung, die die optische Bahnlänge verändert,

Fig. 8 ein ein Ausführungsbeispiel der Meß- und Detektionsschaltungen darstellendes Schema,

Fig. 9a bis Fig. 9e diesem Schema entsprechende Wellenformen,

Fig. 10 ein teilweises Schema, das eine Ausführungsform darstellt, die die Regelung unter normalem Einfall der Lichtstrahlen ermöglicht.

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In Fig. 1 ist das Prinzipschema einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, die zur Regelung eines Maßes II eines Profils P bestimmt ist. Eine Vorrichtung 1 erzeugt zwei dünne und sehr wenig divergierende Lichtstrahlen, so daß zwei auf den um das Maß II voneinander entfernten Niveaus S1 und S2 gelegene Punkte oder punktförmige Bereiche anvisiert werden. Diese beiden Lichtstrahlen haben völlig gleiche Intensität und sind nach ein-em sinusförmigen Gesetz phasenmoduliert, so daß ihre Intensität die Form 11 = Io (1 + ml cos ort) hat. Dabei ist m1 der Modulationsgrad, ω die durch einen zugehörigen Generator 4 erzeugte Modulationsfrequenz und Io die Maxim-alintensität. Diese beiden Lichtstrahlen durchqueren das Element 2, das im Folgenden beschrieben werden wird, und werden reflektiert oder diffus reflektiert jeweils auf den Punkten B1 und B2. Eine Vorrichtung 3 empfängt zwei durch diese Pun-kte reflektierte Strahlen. Der Phasenunterschied \y der Intensitäten an den Eingangspunkten C1 und C2 ist Funktion der Differenz &L der optischei Bahnen: 4/ = ■ , wobei ν gleich der der Modulationsfrequenz entsprechenden Wellenlänge ist. Die Länge AL ist den Bahnen DI B2 + B2 D2, d. h. äquivalent, wobei i der Einfallswinkel

2H

der Strahlen ist und y = 2jc . Um eine bedeutende augenblickliche Phasendifferenz festzustellen und eine große Meßgenauigkeit zu erhalten, ist es nötig, eine geringe Wellenlänge λ von einer Modulation sehr hoher Frequenz zu verwenden. Gemäß der Erfindung wird eine zweite Modulation der Lichtstrahl am Eingang der Vorrichtung 3 mit derselben Frequenz und in Phase mit der Anfangsmodulation mit Hilfe des einzigen Generators 4 sehr hoher Frequenz bewirkt. Die Intensität jedes der Lichtstrahlen wird:

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12 = a Io {j + ml cos (u>t ⁺ <p)J (1 +

m2

wobei vo die auf die optische Bahn zurückzuführende Phasenverschiebung und gleich ^1 für die Strecke A1B1C1 = Ll und gleich vp 2 für die Strecke A2B2C2 = L2 ist. Der Koeffizient m2 stellt den neuen Modulationsgrad dar, der gleich m1 sein kann für äquivalente Modulationsvorrichtungen. Der Koeffizient "a" wid durch die auf Reflexion oder Diffusion in den Punkten B1 und B2 zurückzuführenden Verluste eingeführt. Der aus 12 ent- \tfickelte Ausdruck läßt eine konstante Gleichkomponente alo, Mo dulationskomponenten der Frequenz oo und 2 u» und schließlich eine Videokomponente erscheinen, die gleich alo ■ cos ψ ist. Diese letzte Komponente, die unabhängig von der sehr hohen Frequenz ist, wird festgestellt und verwendet zur Regelung des Maßes H.

Der Wert ψ stellt das Maß der Phasenverschiebung zwischen den beiden Video-Cosinuskomponenten der Phasenverschiebung vp1 und *f 2 dar. Die Phasendifferenz y zwischen *1 und f2 ist Funktion der Länge der beiden optischen Bahnen (vp1. = ■

) tr T ?

und ψ 2 = -¹^—). Die maximale Amplitude des Maßes entspricht einer Streckendifferenz Δ L = L2 - L1, die gleich einer Wellenlänge λ ist. Die maximale Amplitude der Änderungen des durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung geregelten Maßes ist gleich · cos 1). Hie bereits erwähnte.. Komplementärvorrichtung 2 ermöglicht die Phasenverschiebung ψ zu messen. Sie dient zur

oomwoess

periodischen und gleichzeitigen Änderung der durch die beiden Strahlen durchlaufenen Bahnlänge von einem Wert Null bis zu einer Wellenlänge Λ· Ein einfaches Änderun-gsgesetz kann beispielsweise durch ein lineares Gesetz mit einer Kurvenform von gleichschenkligen Dreiecken gewählt vrerden, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist. Während der Halbperiode T/2 wächst die optische Strecke von Null bis auf eine Wellenlänge/»und nimmt dann während der folgenden Halbperiode T/2 bis T von λ bis Null ab. Die Amplitudenänderung des zu einem gegebenen Augenblick " erfaßten Videosignals in Abhängigkeit von der optischen Bahnlänge ist in Fig. 2 dargestellt. Die Streckendifferenz &L der Lichtstrahlen ist nun Funktion des zu regelnden Maßes H und muß geringer als eine Wellenlänge Λ sein. Diese Bedingung wird erfüllt, wenn das Maß H kleiner als -Q- cos i ist. In dem Fall, injdem das Maß II größer als dieser Maximalwert ist, genügt es, optische Kompensationsvorrichtungen hinzuzufügen, die die Streckendifferenz intdie geforderten Grenzen zurückführt, und die Vorrichtung regelt die Änderungen des innerhalb dieser Gren- ( zen gefaßten Maßes H. Das durch die Vorrichtung 3 erfaßte und dem Eingang in C1 zugehörige Signal hat eine Anfangsamplitude Uvp1, wobei φ\ die der Strecke A1B1C1 der Länge LI verknüpfte Phasenverschiebung ist. Gleicherweise hat das erfaßte vom Eingang in C2 herrührende Signal eine Anfangsamplitude Uf 2, wobei ^p 2 gleich der auf die Strecke A2B2C2 der Länge L2 oder L1 +&L zurückzuführenden Phasenverschiebung ist.

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Die Wirkung der Komplementärvorrichtung 2 äußert sich für das erste Signal durch die Abweichung der Sinuskurve M1M2 zwischen L1 und L1 +Λ und der Sinuskurve zwischen denPunkten N1 und N2 mit den Abszissen L2 und L2 +λ. In Fig. 4 und 5 sind die Änderungen der erfaßten Signale dargestellt, deren durch dt bezeichnete Phasenverschiebung v^ proportional &L ist. Diese Messung findet mit Hilfe von in der Vorrichtung 3 enthaltenen und mit dem Ausgang der Detektoren verbundenen Schaltungen statt.

Damit wurde das erfindungsgemäße Prinzip beschrieben, das auf die Messung der Phasenverschiebung zwischen zwei Sinuskurven zurückzuführen ist, deren Periode gleich der durch die Komplementärvorrichtung 2 gegebenen ist. Der gefundene Wert ist eine einfache Funktion, in diesem Fall eine lineare, der Schwankungen des zu regelnden Maßes H, dasieventuell bezüglich eines mechanischen Regelniveaus vorläufig gemessen ist, so daß der Maximal- \\rert des Maßes H n(iicht einen der Halbwellenlänge Λ/2 benachbarten Wert überschieitet.

Die Anwendung des beschriebenen Prinzips wird durch die Fig. 6 veranschaulicht, die in schematischer Form eine erfindungs-. gemäße Meßvorrichtungldarstcllt. Das zu regelnde Maß ist in dem gewählten Beispiel die Höhe II einer einer Flächeleines Profils P. Zwei von einem einzigen Generator einfallende Strahlen zu erhalten, kann mit einer einfachen Anordnung erreicht werden, wie sie in Fig. 6 gezeigt ist. Sie besitzt einen halbreflektierenden ebenen Spiegel 13, der mit einem reflektierenden ebenen

; - λ * * e BAD ORIGINAL

Spiegel 14 verbunden ist. Diese Elemente sind um 45° gegenüber der Aehse des von dem Erzeuger 11 ausgesandten einzigen Strahls geneigt. Dieser Erzeuger ist vorteilhafterweise ein optischer Maser oder ein Laser, der durch einen ausgesandten Strahl F1 großer Feinheit, geringer Divergenz und relativ bedeutender Intensität gekennzeichnet ist. Die Anor^dung 13-14 ist vorgesehen, um zwei ausfallende Strahlen zu erhalten, die etwa die gleiche Intensität besitzen. Die Anfangsmodulation der Intensität des Lichtstrahls F1 wird mit dem Element 12 durchgeführt, das einenLichtmddulator darstellt. Dieser Modulator ist gekennzeichnet durch eine veränderliche Transparenz in Abhängigkeit eines angelegten elektrischen Singais. Der Generator 4, der z. B. ein ilochfrequenzgenerator ist, erzeugt dieses Signal mit der Frequenz uo, dessen Maximalamplitude derart gewählt ist, daß der lineare Kennlinienbereich des Modulators 12 benutzt wird. So ist die durch den Modulator übertragene Lichtintensität proportional der Transparenz und der den Modulator verlassende Strahl F1 ist sinusförmig intensitätsmoduliert auf der Frequenz des Operators 4. Die beiden phasenmodulierten, parallelen Strahlen F2 und F3 mit etwa gleicher Intensität werden äü£ ihren Auftreffpun-kten B1 und B2 auf dem Profil reflektiert oder diffus reflektiert und kommen an den Modulatoren 301 und 302 an, wo eine zweite Modulation stattfindet. Optische Vorrichtungen, wie Konvorgenzlinsen 303 und 304 und Blenden 3o5 und 306 werden im allgemeinen verwendet, um eine räumliche Auswahl der von den jeweiligen pun ktförmigen Bereichen B1 und B2

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kommenden Strahlungen F2 und F3 zu treffen und die Strahlen zu konzentrieren. Die Modulatoren 301 und 302 sind gleich dem Modulator 12*und werden in Phasenkoinzidenz mit diesem durch den Generator 4 gespeist. Die Videokomponente der Strahlen, die die Modulatoren 301 und 302 verlassen, wird in entsprechenden Detektoxschaltungen 307 und 308 untersucht, deren aktive Elemente beispielsweise Video-Photodioden großer Empfindlichkeit sind. Die Vorrichtung 2 ändert die Länge der optischen Bahn von 0 bis Λ nach einem einfachen periodischen Gesetz. Die periodischen Videosignale E1 und E2 werden am Ausgang der Detektorschaltungen 307 und 308 aufgenommen und auf weitere bekannte Schaltungen übertragen, um die Messung der Phasenv -Schiebung ψ und ihre Interpretation durchzuführen. Zur Vereinfachung der Zeichnung sind diese weiteren Schaltungen, nicht dargestellt.

Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung wird im Folgendenjbeschrieben. Die Vorrichtung 2 ändert die Länge der optischen Bahn nach der in Fig. 3 gezeigten Gesetzmäßigkeit. Sie ist hinter den Modulator 12 angeordnet und weist zwei reflektierende ebene Spiegel 21 und 22, die um 45° gegen die Achse des Strahls F1 geneigt sind, und einen reflektierenden Trieder 23 auf, der durch eine Kurvenscheibe 25 längs einer Gleitschiene 24 !bewegbar ist. Die Drehbewegung der Kurvenscheibe 25 wird durch die Anordnung eines Motors 26 und eines Untersetzungsgetriebes 27 bewirkt. Die Spiegel 21 und 22 führen mit dem

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Trleder 23 eine zusätzliche Wegdifferenz des Strahls F1 ein, die gleich AB + CD ist und sich linear in Abhängigkeit von der Umdrehung der Kurvenscheibe 25 ändern soll. Für eine.konstante Winkelgeschwindigkeit der Kurvenscheibe 25 hat die Gleichung ihres Profils die Form: ο =* k©-j?o, mit konstantem k. Wenn die Verschiebung des Trieders gleich &<£= -y— ist, erhält man die Wegdifferenz 2 b.f = X auf der Strecke AB + CD. Diese Stellung entspricht einer halben Umdrehung der Kurvenscheibe Θ^.₅ Die Kurvenscheibe ist bezüglich der Achse x1x2 symmetrisch. Die I eingeführte Änderung der optischen Wegdifferenz verläuft so zwischen 0 und einer Wellenlänge λ vrährend einer halben Umdrehung der Dauer T/2 in richtung des Pfeils (Fig. 7), während© sich von O bis TT bewegt, nimmt dann linear von Abis 0 während der folgenden halben Umdrehung von T/2 bis T ab, während© sich von tr bis 2TT bewegt.

Die Messung der Phasenverschiebung y zwischen den beiden erfaßten Videosignalen E1 und E2 wird durc h/eine Schaltung, ι

wie sie in Fig. 8 dargestellt ist, durchgeführt. Die Phasenverschiebung ψ ist &L und demzufolge der Änderung AH = -A^- cos i proportional, die dem Maß H des Profils entspricht. Setzt man voraus, daß die durch die Vorrichtung 2 ein-geführte Wegdifferenz sich linear in Abhängigkeit von der Zeit ändert, ist die Phasenverschiebung γ gleich proportional dem Zeitintervall At (Fig. 4), das die Sinuskurven E1 und E2 voneinander trennt. Die Messung der Phasenverschiebung ψ findet unter diesen Bedingun-

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gen in präziser Art und Weise statt. Die Anordnung besitzt symmetrische Verstärker und Amplitudenbegrenzer 309 und 310, die die Videosignale E1 und E2 in Rechteckimpulse umformen, die . in Fig. 9 dargestelltjsind (Wellenformen 9a und 9b) . Diese Rechteckimpulse xverddh in der Folge an eine Differentialverstärterstufe 311 angelegt, die die Wellenform 9c,d. Ii. eine Folge von Rechteckimpulsen der Dauer Δι, die proportional der Phasenverschiebung V^ und Lh ist. Da die Vorrichtung 2 eine Wegdifferenz /v der DAuer T/2 einführt, gilt die Beziehung: γπ = Um &L und demzufolge die Qunatität ΔΗ auszuwerten, !mutzt Meßvorrichtung eine Zählung der Impulse. Das Element 313 (topeur) erzeugt diese Impulse mit regelmäßiger Reihenfolge. Es kann z. B. durch eine mit der gleichen Geschwindigkeit wie die Kurvenscheibe 25 durch eine axiale Verbindung Y sich drehende Scheibe gebildet sein, die eine gewisse Anzahl von Schlitzen mit gleichem Abstand an ihrem Rand aufweist, die aufeinanderfolgend eine Lichtstrahlung zwischen der Lichtquelle und der photoelektrischen Zelle aufnehmen. Die letztere erzeugt so regelmäßige elektrische Impulse, die bei konstanter Umdrehungsgeschwindigkeit gemäß der Wellenform 9d voneinander entfernt sind. Für jede Umdrehungsperiode liefert das Element 313 (topeur] eine Anzahl von Impulsen, die gleich der Anaahl der Schlitze in der Scheibe sind, unabhängig von der UmdrehungsgeschwindigkeiUi Wenn M Impulse während der Zeit T und N Impulse während der Zeit &t auftreten, gilt die Beziehung :

ü/2 ⁼ ~ ^{und AL =} Wl

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was zu einer Information über die Zählung von N führt. Die Anordnutfng besitzt eine Unterbrecherstufe 312, die durch die Zacken (Rechteckimpulse) der Dauer At durchgeschaltet wird und die Folge von M Impulsen pro Umdrehungsperiode empfängt. Das Ausgangssignal der in Big. 9c dargestellten Form wird danach an einen Digitalzähler 314 angelegt.

Die Vorrichtung 313 (topeur) kann auf eine von der der Kurven scheibe verschiedene Geschwindigkeit mittels eines mechanischen Untersetzungsgetriebes angetrieben werden. Nur die Zahl der vorbeigehendenden Impulse während einer Periode T der Kurvenscheibe greift in die Messgenauigkeit ein. Es ist andererseits zu bemerken, daß die Detektorschaltungen 307 und 308 aufgebaut sind, um die Gleichkomponente und die Hochfrequenzkomponenten ^ und 2 ou zu eliminieren, und auf die Umdrehungsfrequenz 1/T angepaßt sind.

Der Ausdruck &L = zeigt* daß die Meßgenauigkeit di-

rekt von der Anzahl der durch das Element 313 (topeur) gelieferten Impulse und von der Wahl der Frequenz der Hochfrequenzmodulation abhängt. In einem Ausführungsbeispiel ist die gewählte Frequeiz 3000 MHz, d. h. die Wellenlänge λ; = ίο cm und die Zahl der während einer Undrehungsperiode der Kurvenscheibe auftretenden Impulse gleich 1000, was eine Meßgenauigkeit in der Größenordnung von 0,1 mm und eine Amplitude von

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etwa 5 cm der möglichen Änderungen des Maßes II hervorruft. Weitere Faktoren, insbesondere die Fertigungstoleranzen des Profils der Kurvenschiebe 25, die Stabilität des Hochfrequenzgenerators 4 und der Rauschabstand der elektronischen Schaltungen greifen in die Meßgenauigkeit ein.

Die Meßgenauigkeit ist praktisch unabhängig von der Umdrehungs geschwindigkeit der Mechanik. Die Periode T ist in Abhängigkeit der Durchgangsgeschwindigkeit des Profils gewählt und wird im wesentlichen durch die Folgegeschwindigkeit der Regelungen, die gleich 4 pro Periode ist,· wie dies in Fig. 9e dargestellt ist, bedingt sein.

Der die Maximalamplitude der Änderungen gebende Ausdruck &H 4~Y~ ^cos i zeigt, daß es vorteilhaft ist, den Faktor cos i zu verringern und sich normalen Einfallsbedingungen zu nähern. Die in vereinfachter Form in Fig. 10 veranschaulichte Anordnung ermöglicht den normalen Einfall mit Hilfe eines halbdurchlässigen Spiegels 5. Die Anfangsregelung der Vorrichtung wird vorteilhafterweise für ein mittleres Maß Hm durchgeführt, das etwa der Mitte des Änderungsbereichs AH entspricht. Diese Regelung findet durch Kompensation einer der optischen Bahnen statt.

Es ist evident, daß weitere den Merkamalen der Erfindung konforme und anderen Anordnungen als den beschriebenen entsprechende Lösungen realisiert werden können. So ist es möglich, ein nicht lineares und z. B. logarithmisches Abweichungsgesetz der Vorrichtung 2 vorzusehen, um die Meßgenauigkeit für Änderungen

geringer Amplitude zu erhöhen. Ebenfalls können die Meßschaltungen eine Scliwellenauslöseschaltung aufweisen, die für eine maximale Änderung des festgelegten Maßes eine Alarm- oder Signalvorrichtung oder einer Steuerschaltung regeln. Es ist ebenfalls möglich, Endregistriervorrichtungen zu verwenden.

Indem zwei modulierte Lichtstrahlen verwendet werden, ermöglicht die Erfindung eine genaue Regelung der wichtigen Maße de Profils von in Bewegung befindlichen Stücken vom Ursprung iheer Fabrikation ab. Diese Profile, die in diesem Stadium sind, können sich auf einer hohen Temperatur von z. B. 1000⁰C oder mehr befinden und können ohne Nachtile für die Messung für zufällige senkrecht zur Bewegungsrichtung des Profils erfolgende Bewegunger geeignet sein. Die Anifendung eines Gaslasers ermöglicht leicht, zwei dünne Strahlen großer Intensität zu erhalten, wobei die Ausgangäeistung des Laser-Gcnarators nur einige Milliwatt beträgt.

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Claims

Dipl.-Ιηβ· Diprt.oecpirtDi. PATENTANWALT «Muck· 42 - fottbordstr. 8\ „n Tetefo«. 561762 . * U p. JyJj \ It 4633 - II/Sz Compagnie Thomson Houston-IIotchkiss Brandt 173, Bid. Haussmann. Paris 8e, Frankreich Patentansprüche:

1. Optisch-elektrisches Verfahren zum Messen und Fernregeln eines Maßes eines Stückes und insbesondere der Höhe eines Profils, das zur stetigen Regelung vnn wärmebearbeiteten Profilen geeignet ist und insbesondere die den Änderungen eines zu regelnden Maßes entpsrec^henden Änderungen der Länge der optischen Bahn verwendet, dadurch gekennzeichnet, daß es zwei dünne nicht oder nur wenig divergierende parallele in zwei dem zu untersuchenden Stück zugehörigen um das Maß H voneinander entfernten Punkten reflektierte Lichtstrahlen verwendet, die sinusförmig intensitätsmoduliert und in PhasenübercinStimmung auf zwei Wiederholungen längs der optischen Bahn, ein erstes Mal auf der Einfallsbahn und ein zweites Mal auf der Reflexionsbahn, sind, daß weiterhin die Länge der optischen Bahn periodisch und kontinuierlich nach einem vorzugsweise einfachen Gesetz veränderbar ist, daß ferner die Amplitude dieser Änderung

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gleich einer Wellenlänge des Modulationssignals ist, daß ferner die aufeinanderfolgenden Informatiora^eine periodische von der Hodulationsfrequenz unabhängige und von der Länge der optischen Bahn abhängige Video-Komponente erscheinen lassen, daß ferner die Phasenverschiebung zwischen den beiden Video-Komponenten eine direkte Funktion der Änderungen des zu regelnden Maßes sind und daß schließlich diese Phasenverschiebung in der Folge durch zugehörige elektronische Schaltungen gemessen werden. · ■

2. Meß- und Regelvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sieleine Vorrichtung (2) aufweist, die periodisch die optische Bahnlänge der beiden dünnen und sehr wenig divergierenden parallel phasenmodulierten Lichtstrahlen (A1 und A2) ändert, die von einem durch einen Modulationsgenerator (4) gesteuerten Lichterzeuger (1) erzeugt werden und nach ihrer Reflexion in.zwei Punkten (B1 und B2) verschiedenen Maßes von einer I Meßvorrichtung (3) aufgenommen werden, die den beiden reflektierten Strahlen eine durch den Modulationsgenerator (4) gesteuerte zusätzliche Modulation £* f erlegt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Lichterzeuger (11) aufweist, der einen dünnen und sehr wenig divergierenden Lichtstrahl erzeugt, der einem ersten in dem linearen Bereich seiner Kennlinie verwendeten

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und durch ein von dem auf Hochfrequenz arbeitenden Generator (4) geliefertes elektrisches Signal gesteuerten Modulator (12) veränderlicher Lichtdurchlässigkeit zugeführt wird, daß weiterhin eine erste Vorrichtung (2) es ermöglicht, die optische Bahnlänge des Strahls nach einem vorzugsweise einfachen Gesetz in kontinuierlicher Art periodisch mit einer ÄnderungSamplitude, die einer Modulationswellenlänge entspricht, zu ändern, daß ferner eine zweite Vorrichtung (13, 14) den modulierten Strahl in zwei gleiche und parallele Strahlen aufteilt, die unter geringem Einfallswinkel auf zwei Punkte (B1, B2) oder punktförmige Bereiche des Stücks fallen, die um das zu regelnde Maß H voneinander entfernt sind u^n auf verschiedenen Niveaus liegen, ferner daß die reflektierten Strahlen jeweils auf zwei andere Modulatoren (301, 302) veränderlicher Lichtdurchlässigkeit treffen, die veränderlich in Koinzidenz mit dem ersten Phasenmodulator (12) durch denselben Generator (4) elektrisch gespeist werden W und jeder jeweils unter eventueller Zuhilfenahme von optisch komplementären Vorrichtungen, die eine räumliche Auswahl der reflektierten Strahlen durchführen, von einem der beiden Punkte ausgehende Strahlen auffangen, daß ferner den Modulatoren eine photoelektrische Detektorstufe (307, 308) nachgeschaltet ist, die ein periodisches Videosignal liefert, und schließlich elektronische Endschaltungen zur Messung der Phasenverschiebung zwischen den beiden Videosignalen der Detektorstufe folgen.

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4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichterzeuger (11) ein optischer Maser oder Laser ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulationsgenerator (4) ein Hochfrequenzgenerator is1

6. Vorrichtung nac h Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dem ersten Modulator nachgeschaltete Vorrichtung durch ein um 45° zur Achse des zentralen Strahls geneigtes System zweier Spiegel (21, 22) gebildet wird, die mit einem durch eine Kurvenscheibe lagegesteuerten reflektierenden Trieder (23) verbunden ist, der längs einer senkrecht zum Anfangsstrahl liegenden Achse verschiebbar ist, und daß das Profil der Kurvenscheibe derart bearbeitet ist, daß man ein durch den optischen Verlauf bestimmtes kontinuierliches Änderungsgesetz erhält, wobei die Periodizität z. B. gleich der Dauer einer durch einen zugehörigen Mechanismus hervorgerufenen Umdrehung der Kürvenscheibe ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Profil der Kurvenscheibe einem Gesetz einfacher Form, wie einem linearen Änderungsgesetz für die optische Bahn, entspricht, das einen Wegunterschied einführt, der von Null bis zu einer Wellenlänge der MOdulationswelle während einer halben Umdrehung der Kurvenscheibe wächst und dann bis Null während der nächsten halben Umdrehung wieder zurücksinkt.

00 9851/06SS

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8. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Vorrichtung CI3, 14), die den Strahl zu teilen ermöglicht, einen um 45° zur Achse des Anfangsstrahls geneigten ebenen halbreflektierenden Spiegel und einen vom ersteren entfernt angeordneten ebenen reflektierenden Spiegel (14) gleicher Neigung aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden von der die Teilung des einzigen Strahls vornehmenden zweiten Vorrichtung (13, 14) ausgehenden Strahlen zu einem zugehörigen optischen Element, wie einem halbdurchlässigen Spiegel £5), gelangen, der um 45° zur Achse der Strahlen geneigt und in die optische Bahn eingesdioben ist, und das optische System so angeordnet ist, daß die normalen Einfallsbedingungen auf dem zu untersuchenden Stück erhalten werden.

10. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronischen Endschaltungen zwei symmetrische Verstärker und Amplitudenbegrenzer (309, 310) aufweisen, die jeder ein erfaßtes Videosignal empfangen und deren Ausgänge an einem Differentialverstärker (311) angeschlossein sind, dessen Ausgangssignal an einer Unterbrecherstufe (312) liegt, die eine durch eine mit dem Antriebsmechanismus der Kurvenscheibe festverbundene mechanische Vorrichtung (313) erzeugte Impulsfolge empfängt und eine Auswertschaltung (314) steuert, die durch ©inen Digitalrechner mit numerischer Anzeige gebildet

309*5 Ό855

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11. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronischen Endschaltungen so gebildet sind,daß sie ein Alarmsystem oder eine Steuerschaltung auslösen, wenn die Phasenverschiebung zwischen den erfaßten Videosignalen eine bestimmte Schwelle, die einem Grenzwert der Änderung des zu regelnden Maßes entspricht, überschritten wird.

OOIISV/OSil

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