DE1623236A1

DE1623236A1 - Kontaktlose Messeinrichtung zur Bestimmung der Form von Gegenstaenden

Info

Publication number: DE1623236A1
Application number: DE19671623236
Authority: DE
Inventors: Shigeru Ando; Takayuki Miyazawa; Ichiro Taniguchi
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1966-02-23
Filing date: 1967-02-23
Publication date: 1972-02-24
Also published as: GB1174818A; FR1513750A; US3506839A

Description

Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha in Tokyo/Japan

Kontaktlose Meßeinrichtung zur Bestimmung der Form von

Gegenständen

Die Erfindung bezieht sich auf eine kontaktlose Meßeinrichtung zur Bestimmung der Form von Gegenständen.

Soll die Form eines Gegenstandes in einem dreidimensionalen Koordinatensystem dargestellt werden, so besteht ein sehr einfaches Verfahren darin, die Entfernungen zwischen jedem. Punkt der Oberfläche des Gegenstandes und jeder der drei senkrechten Bezugsebenen mit einem Maßstab zu messen. Dies kann mit Hilfe von bekannten mechanischen Meßverfahren genau erfolgen« Bei diesen mechanischen Meßverfahren wird jedoch eine Sonde verwendet, die das Objekt berührt, wodurch die Form des Gegenstandes bestimmt wird. Dies findet eine Begrenzung in der Härte des Gegenstandes, und es ist außerdem schwierig, eine kontinuierliche Mes· sung zu erzielen. Ferner erfordert ein derartiges Meßverfahren eine verhältnismäßig lange Zeit«

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine neue und verbesserte Meßeinrichtung zur Bestimmung der Form eines Gegenstandes zu schaffen, bei der keine mechanische Sonde in Berührung mit der Oberfläche des Gegenstandes gebracht wird, so daß die vorstehend genannten Nachteile vermieden werden.

Ferner soll gemäß der Erfindung durch Verwendung optischer Ein-

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richtungen eine neue und verbesserte kontaktlose Meßeinrichtung zur Bestimmung der Form eines Gegenstandes geschaffen werden.

Außerdem soll eine neue und verbesserte kontaktlose Meßeinrichtung geschaffen werden, mit der die dreidimensionale Form eines Gegenstandes auf einfache Weise genau bestimmt werden kann.

Es soll ferner eine neue und verbesserte kontaktlose Meßeinrichtung zur Bestimmung der Form eines Gegenstandes unter Verwendung einer Laseranordnung geschaffen werden.

Dies und anderes in der Beschreibung Dargestellte wird mit Hilfe der Erfindung erreicht, die eine kontaktlose Meßeinrichtung zur Bestimmung der Form eines Gegenstandes betrifft. Sie enthältoptische Einrichtungen zur Erzeugung von parallelen Lichtstrahlen; erste Linsenanordnungen zur Herstellung eines Lichtpunktes auf der Oberfläche des Gegenstandes aus den parallelen Lichtstrahlen, die den von dem Punkt reflektierten Teil des Lichts parallel bündeln (kollimieren); zweite Linsenanordnungen zum Bündeln der parallelgebündelten Strahlen aus von der Oberfläche des Gegenstandes reflektiertem Licht; elektronische Oszillatoreinrichtungen; Empfangseinrichtungen mit einer mit Hilfe der "elektronischen Oszillatoreinrichtungen parallel zur optischen Achse der zweiten Linsenanordnungen schwingenden Vorrichtung mit einem punktförmigen Loch, um Verschiebungen der durch die zweiten Linsenanordnungen gebündelten Lichtstrahlen bezüglich ihrer geringsten Weite zu bestimmen; auf die Empfangseinrichtungen ansprechende Phasenvergleichseinrichtungen zur Erzeugung

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eines Signals, dessen Polarität von der Richtung der Verschiebung des Lichtpunktes vom Brennpunkt der ersten Linsenaiiordnungen abhängt; sowie Hilfsvorrichtungen, die die Lage der ersten Linsenanordnungen "bezüglich dem Gegenstand in Abhängigkeit vom Signal der Phasenvergleichseinrichtung derart steuern, da/3 der Abstand zwischen den ersten Linsenanordnungen und dem Gegenstand konstant bleibt.

Die Erfindung wird anhand der folgenden Beschreibung in Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert.

Pig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer kontaktlpsen Meßeinrichtung gemäß der Erfindung.

Pig. 2.zeigt die Teilansicht einer abgewandelten Lichtquelle, wie sie in der Einrichtung gemäß Pig. 1 verwendet werden kann.

Die in Pig. 1 dargestellte kontaktlose Meßeinrichtung zur Bestimmung der Form eines Gegenstandes enthält eine bewegbare Platte 10, die in vorbestimmter Richtung bewegt werden kann, in diesem Pail in horizontaler Richtung, wie im folgenden beschrieben werden wird, Auf der Platte 10 sind eine als elektrische Lampe 12 (die vorzugsweise monochromatisches Licht abgibt) dargestellte Lichtquelle, eine Lochplatte 14 mit einer punktförmigen Öffnung 15 vor der Lichtquelle 12, eine konvexe Linse 16 zur Erzeugung von parallelen Lichtstrahlen aus dem von der Lichtquelle 12 emittierten und durch die punktförmige Öffnung 15 hindurchgetretenen Licht sowie eine andere konvexe Linse 18 mit einer Brennweite f..

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fluchtend mit der Linse 16 angeordnet. Die konvexe Linse 18 ist gegenüber dem zu messenden Gegenstand 20 angeordnet, der von nicht gezeigten Haltevorrichtungen gehalten wird. Sie dient zum Bündeln der parallelen Lichtstrahlen im Abstand f... Befindet sich irgendein Punkt auf der Oberfläche des Gegenstandes 20 auf der optischen Achse der Linsen 16 und 18 im Abstand f.. von der Linse 18, so werden die 4ie- parallelen Lichtstrahlen mit Hilfe der Linse 18 genau auf diesem Punkt fokussiert. Zwischen den konvexen Linsen .16 und 18 ist eine halbversilberte Platte 22 unter einem Winkel von 45 zur optischen Achse beider Linsen angeordnet. Ihr Zweck wird im folgenden näher erläutert.

Es sei angenommen, daß der Gegenstand nicht den größten Teil des auffallenden Lichts absorbiert und daß er nicht ein idealer Spiegel ist, der das auf die Oberfläche fallende Licht in alle Richtungen reflektiert. Befindet sich der Punkt der Oberfläche des Gegenstandes, auf den das Licht fällt, im Abstand f. von der Linse 18,oder wird das Licht genau auf dem Punkt fokussiert, so wird das reflektierte Licht durch die Linse 18 in parallele Strahlen umgewandelt, und diese treffen auf die halbversilberte Platte 22, die einen Teil der auffallenden Lichtstrahlen senkrecht zur optischen Achse der beiden Linsen 16 und 18 (in Pig. 1 ) nach unten reflektiert. Um die durch die Platte 22 reflektierten parallelen Lichtstrahlen zu bündeln, ist eine kovexe Linse 24 mit der Brennweite fp auf der Platte angeordnet.

Wie in Fig. 1 zu erkennen, ist eine Schwingerlochplatte 26 mit

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einer punktförmigen Öffnung 27·derart auf der Platte 10 angeordnet, daß die punktförmige Öffnung 27 sich immer in der optischen Achse der Linse 24 befindet. Ein Schwinger 28 ist mit der Schwingerlochplatte 26 verbunden, um diese mit geringer Amplitude und Torbestimmter Frequenz derart zu bewegen, daß die punktförmige . Öffnung 27 parallel zur optischen Achse der Linse 24 schwingt, während sie in der optischen Achse gehalten wird. Vorzugsweise hat die punktförmige Öffnung 27 einen Durchmesser, der gleich oder kleiner als die geringste Breite der von der Linse 24 gebündelten Lichtstrahlen ist. Ferner ist die Schwingerlochplatte . 26 normalerweise derart angeordnet, daß der Brennpunkt der Linse 24 im Schwingungsmittelpunkt der punktförmigen Öffnung 27 liegt. Daraus folgt, daß bei leichter Verschiebung des beleuchteten Punktes auf der Oberfläche des Gegenstandes aus dem Brennpunkt der Linse 18 in der einen oder der anderen Richtung der entsprechende von der Linse 24 gebündelte Lichtpunkt auf der optischen Achse dieser Linse entweder zum Schwingungsmittelpunkt hin oder von diesem fort bewegt wird.

Auf der Platte 10 ist eine lichtempfindliche Einrichtung, beispielsweise eine Fotozelle, zur Aufnahme des durch die punktförmige Öffnung 27 hindurchtretenden Lichts angeordnet.

Wie in Fig. 1 zu erkennen, ist dicht an der Platte 10 eine weitere bewegbare Platte 32 vorgesehen. Während die Platte 10 entlang der y-Achse des in Fig. 1 gezeigten dreidimensionalen Koordinatensystems bev/egbar ist _t kann die Bewegung der Platte 32 entlang der x- oder der z-Achse oder entlang beider Achsen erfolgen,

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Die Platten können von Hand oder mit nicht gezeigten Antriebseinrichtungen bewegt werden. ,.,

Auf der zweiten Platte 32 ist ein elektronischer Oszillator 34 zur Erzeugung einer sinusförmigen elektrischen Schwingung angeordnet, die den Schwinger 28 und damit die Schwingerlochplatte betätigt. Ferner ist auf der Platte 32 eine Phasenvergleichseinrichtung 36 mit einem Paar, Eingängen vorgesehen, die jeweils von der lichtempfindlichen Einrichtung 30 und dem Oszillator 34 gespeist werden. Die Phasenvergleiehseinrichtung 36 dient zum Vergleich des Ausgangssignals der lichtempfindlichen Einrichtung mit dem Ausgangssignal des Oszillators 34, wodurch ein Gleichspannungssignal erzeugt wird, dessen Polarität in Abhängigkeit von der Verschiebung des beleuchteten Punktes auf der Oberfläche des Gegenstandes vom Brennpunkt der Linse 18 in der einen oder der anderen Richtung entlang der y-Achse positiv oder negativ ist.

Genauer gesagt, wenn ein beleuchteter Punkt auf der Oberfläche des Gegenstandes 20 einen Abstand von der Linse 18 hat, der
gleich deren Brennweite f^ ist, so haben die entsprechenden
durch die Linse 24 hindurchtretenden Lichtstrahlen im Schwingungsmittelpunkt, um den die punktförmige Öffnung 27 schv/ingt, einen minimalen Durchmesser. Dies.bewirkt, daß das Ausgangssignal der Fotozelle 30 keine Komponente der Grundfrequenz, mit

der die punktförmige Öffnung 27 schwingt, enthält, wodurch die

Phasenvergleichseinrichtung 54 ein Nullsignal abgibt.

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Wird der "beleuchtete Punkt auf der Oberfläche des Gegenstandes 20 andererseits etwas aus dem Brennpunkt der linse 18 in der einen oder anderen Richtung entlang der y-Achse verschoben, so wird der minimale Durchmesser der durch die Linse 24 gebündelten Strahlen entsprechend zu einem Punkt hin verschoben, der be züglich dem Schwingungsmittelpunkt in der einen oder anderen Richtung entlang der x-Achse und auf der optischen Achse der Linse 24 verschoben ist. Gleichzeitig tritt ein Anteil der Grundfrequenz im Ausgangssignal der Fotozelle 30 auf. Dieses Ausgangssignal hat je nach Verschiebungsrichtung des beleuchteten Punktes auf der Oberfläche des Gegenstandes eine Phasendifferenz zum Ausgangssignal des elektronischen Oszillators 34 von 0 oder TT, wodurch am Ausgang der Phasenvergleichseinrichtung 36 ein positives oder negatives Signal auftritt.

Das Ausgangssignal der Phasenvergleichseinrichtung 36 wird dem Hilfsverstärker 38 zugeführt und verstärkt. Das verstärkte Signal betätigt einen Servomotor 40 in durch die Polarität bestimmter Richtung, wodurch die Platte 10 in entsprechender Rich tung bewegt wird, bis der beleuchtete Punkt auf der Oberfläche des Gegenstandes mit dem Brennpunkt der Linse 18 zusammenfällt. Ss liegt dann der minimale Durchmesser der durch die Linse 24 gebündelten Lichtstrahlen im Schwingungsmittelpunkt der punktförmigen Öffnung 27. Gleichzeitig verschwindet der Anteil der Grundfrequenz aus dem Ausgangssignal der lichtempfindlichen Einrichtung 30, und die Phasenvergleichseinrichtung 36 erzeugt das ITullsignal, wodurch der Servomotor 40 und damit die Platte ' 10 gestoppt werden. Daher bleibt die Platte 10 in-ihrer Stel-

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lung, in der der beleuchtete Punkt auf der Oberfläche des Gegenstandes 20 im Brennpunkt der Linse 18 liegt. Es ist klar, daß die Stellung der Platte 10 bezüglich einer bestimmten Bezugsebene, beispielsweise der-Linse 18, mit geeigneten Meßeinrichtungen, beispielsweise Maßstab- und ^eigereinrichtungen, leicht gemessen werden kann.

Die Platte 32 kann zusammen milyÜer Platte 10 entlang der x- oder der y-Achse in meßbaren Schritten bewegt und das vorstehend beschriebene Verfahren wiederholt werden, bis die ganze Oberfläche des Gegenstandes 20 mit Hilfe des durch die Linse 18 gebündelten Lichtpunktes abgetastet ist. Auf diese Weise wird die dreidimensionale Form des Gegenstandes 20 bestimmt.

Fig. 2 zeigt eine Abwandlung der optischen Einrichtung zur Erzeugung paralleler Lichtstrahlen. Diese Einrichtung kann an die Stelle der Lichtquelle 12, der Lochplatte 14 und der Linse 16 in Fig. 1 treten. Sie enthält einen bekannten Dauerstrich-Gaslaser 42 und ein Paar konvexer Linsen 44 und 45 zur Erzeugung paralleler Lichtstrahlen. Das Paar Linsen 44 und 45 kann als umgekehrtes Fernrohr aufgefaßt werden. Die vom Laser 42 ausgesendeten parallelen Lichtstrahlen werden nahe der Linse 44 durch diese gebündelt. Die gebündelten Lichtstrahlen werden durch die andere Linse 45 wieder in parallele Lichtstrahlen umgewandelt und der- in Fig. 1 dargestellten Linse zugeführt.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Einrichtung werden die chromatischen Abbildungsfehler der gemäß der Erfindung -benutzten Lin-

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sen "bedeutungslos, da das vom Laser 42 ausgesendete Licht gegenüber dem von der Einrichtung gemäß Fig. 1 ausgesendeten sehr gut monochromatisch ist. Ferner weisen, wie bekannt, die vom Laser 42 ausgesendeten Lichtstrahlen einen sehr hohen Grad von Parallele tat auf. Diese Lichtstrahlen werden zusätzlich durch das umgekehrte Fernrohr 44-45 in. parallele Lichtstrahlen umgeformt, so daß die Parallelität noch verbessert wird. Dies ermöglicht den Linsen 18 und 24,die zugehörigen Lichtstrahlen zu einem kleinen Punkt zu bündeln, wodurch die Genauigkeit der Messung vergrößert wird. Ferner wird durch die Helligkeit des vom Gaslaser ausgesendeten Lichts von der lichtempfindlichen Einrichtung 30 ein Ausgangssignal mit größerem.Signal—Rausch-Verhältnis erzeugt, wodurch ebenfalls die Genauigkeit der Messung erhöht wird.

Die erfindungsgemäße Einrichtung hat verschiedene Vorteile. Beispielsweise wird ein=kontinuierliche, kontaktlose Messung erreicht. Die Meßzeit kann im Vergleich zu bekannten Verfahren erheblich verringert werden. Ferner wird das Verfahren gemäß der Erfindung nicht durch die Härte, Form und Größe des zu messenden Gegenstandes beschränkt, wenn dieser nur nicht eine zu große Menge des auffallenden Lichtes absorbiert.

Obv/ohl die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben wurde, sind zahlreiche Abwändlungen und Veränderungen möglich, die alle unter die Erfindung fallen.

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Claims

1. Kontaktlose Meßeinrichtung zur Bestimmung der Form eines Gegenstandes, gekennzeichnet durch

optische Einrichtungen (12, 14, 15, 16) zur Erzeugung paralleler Lichtstrahlen,'

erste Linsenanordnungen (18) zur Herstellung eines Lichtpunktes auf der Oberfläche des Gegenstandes (20) aus den parallelen Lichtstrahlen und zum parallelen Bündeln des vom Punkt auf der Oberfläche reflektierten Lichtes,

zweite Linsenanordnungen (24) zum Bündeln der parallelgebündelten Strahlen aus von der Oberfläche des Gegenstandes (20) reflektiertem Licht,

elektronische Oszillatoreinrichtungen (34)»

Empfangseinrichtungen (30) mit einer mit Hilfe der elektronischen Oszillatoreinrichtungen (34) parallel zur optischen Achse der zweiten Linsenanordnungen (24) schwingenden Vorrichtung (28) mit einer punktförmigen Öffnung (27), zum Bestimmung von Verschiebungen der durch die zweite Linsenanordnung (24) gebündelten Lichtstrahlen bezüglich ihrer geringsten Weite,

auf die Empfangseinrichtungen (30) ansprechende Phasenvergleichseinrichtungen (36) zur Erzeugung eines Signals, dessen Polarität von der Richtung der Verschiebung des Lichtpunktes vom Brennpunkt der ersten Linsenanordnungen (18) abhängt, und

Hilfsvorrichtungen (38, 40), die die Stellung der ersten Linsenanordnungen (18) bezüglich dem Gegenstand—(20») in Abhängig-

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keit vom Signal der Phasenvergleich^ einrichtung (36) derart steuern, daß der Abstand -zwischen den ersten Linsenanordnungen (18) und dem Gegenstand (20) konstant bleibt.

2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der punktförmigen Öffnung (27) höchstens gleich - der minimalen Weite der von den zweiten Linsenanordnungen (24) gebündelten Lichtstrahlen ist.

3. Meßeinrichtung nach Anspruch 1.oder 2, dadurch gekennzeichnet; daß der Schwingungsmittelpunkt der Vorrichtung (28) mit des Brennpunkt der.zweiten Linsenanordnungen (24) zusammenfällt O

4. Meßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Einrichtungen (Pig.2) einen Laser (42) enthalten.

5. Meßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Linsenanordnungen (18) und die aus lichtempfindlichen Einrichtungen zur Aufnahme des durch die Öffnung (27) gelangten Lichtes bestehenden Empfangseinrichtungen (30) auf einer in vorbestimmter Richtung bewegbaren ersten Platte (10) angeordnet sind, daß die Phasenvergleichseinrichtungen (36) auf einer zweiten in beiden Richtungen senkrecht zur vorbestimmten Richtung bewegbaren Platte (32) angeordnet sind und daß die auf dieser zweiten Platte (32) angebrachten Vorrichtungen (38, 40) die erste Platte (10) in Abhängigkeit vom Signal der Phasenvergleichseinrichtungen (36) bewegen, um den Abstand zwischen den ersten Linsenanordnungen (18) und dem Gegenstand (20) konstant zu halten.

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