DE1810188C3 - Vorrichtung zur Abstandsmessung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Abstandsmessung, insbesondere für die Ermittlung des Profils einer Oberfläche, mit einem eine elektromagnetische Strahlung auf die Oberfläche, deren Profil zu bestimmen ist, aussendenden Strahler und einem relativ zum Strahler ortsfest angeordneten Objektiv, das die an der Oberfläche zurückgeworfenen Strahlen empfängt und als Bildsignal auf einem Bildschirm abbildet.

Eine Einrichtung dieser Art ist nach dem DE-Gbm 59 198 bekannt. Dabei wird ein Lichtspalt auf der Oberfläche eines Werkstückes, dessen Dicke mittels einer Werkzeugmaschine abgetragen werden soll, abgebildet und dieses Bild mittels der Optik über eine Strahlenteilungsplatte auf den mit einer Teilung versehenen Bildschirm geworfen, so daß man aus der Stellung des abgebildeten Spaltes auf dem Bildschirm ermitteln kann, wie weit sich die Oberfläche des Werkstückes jeweils von dem aus Strahler und Objektiv bestehenden Teil der Einrichtung befindet. Man kann also durch Ablesen das jeweilige Maß der Oberfläche des Werkstückes ermitteln. Dies setzt eine konzentrier te Beobachtung voraus und führt bei unscharfen Spaltabbildungen, wie sie sich auf Grund der sich ändernden Abstandslage der Werkstückoberfläche von der genannten Einrichtung ergeben, zu nicht mehr völlig

S eindeutigen Ableseergebnissen. Um eine von subjektiven Einflüssen des Messenden freie Aussage zu erzielen, wird der reflektierte Lichtstrahl weiterhin in zwei einen Winkel mit der optischen Achse bildende Strahlengänge aufgeteilt, von denen jeder mittels eines fcwoelektrisehen Empfängers gemessen wird. Eine Verschiebung des Bildes führt dann zu unterschiedlichen Fotoströmen der beiden fotoelektrischen Empfänger, die dann eine Aussage über den Abstand der Oberfläche des Werkstückes zulassen.

IS Nach der BE-PS 6 82 292 ist auch bei einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art die Verwendung einer Fernsehkamera im Zusammenhang mit dem Objektiv bekannt Der Steradiant der Fernsehkamera erfaßt dabei die gesamte zu beobachtende Fläche. Wenn nun nach einer vorgegebenen Gesetzmäßigkeit die Strahlerachse geändert wird, werden auch die zurückgeworfenen Strahlen an entsprechend unterschiedlichen Stellen aufgenommen, so daß man insgesamt ein Bild der Oberfläche entsprechend der Gesetzmäßigkeit der Richtungsänderung der Strahlerachse erzielen kann. Die quantitative Erfassung dieses Bildes ist bei Aufnahme- beispielsweise mittels eines Fernsehschirms möglich, indem man einerseits eine Zählung von Bildzeilen und andererseits eine Zählung auf jeder einzelnen Bildzeile vornimmt, woraus sich dann der Winkel und der Abstand für die Stellung eines jeden Bildpunktes ermitteln läßt. Eine derartige elektronische Zählung ist nicht nur durch die Verwendung zweier Zähler, sondern auch durch die Auswertung der von den beiden Zählern ermittelten Meßwerte aufwendig.

Ein weiteres Verfahren zur optischen Abstandsbestimmung ist nach der FR-PS 15 04 539 bekannt. Dabei finden zwei enge Strahlenbündel in paralleler Lage zueinander Verwendung, die von zwei Stellen eines Gegenstandes, dessen Maße überwacht werden müssen, reflektiert werden. Die Entfernung der beiden Stellen des Gegenstandes ergibt sich aus einer Differenzmessung. Es ist also zumindest auf der Senderseite ein doppelter Aufwand gegenüber dem eingangs genannten Stand der Technik erforderlich.

Vom einleitend genannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei Ausschaltung subjektiver Beobachtungsfehler die Verwendung einer doppelten optoelektronischen Messung im Hinblick auf den dafür erheblichen Aufwand ebenso wie die Verwendung einer doppelten elektronischen Zählung zu vermeiden.

Dies wird beim einleitend beschriebenen Stand der Technik erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die aus dem Strahler und einer mit dem Objektiv versehenen Fernsehkamera bestehende Gruppe um ihre Verbindungslinie als Achse verschwenkbar ist, und daß eine Zeitzählanordnung für die Abtastzeit zwischen dem empfangenen Bildsignal und einem festen Bezugspunkt des Bildschirms vorgesehen ist, die ein dem zu messenden Abstand entsprechendes Digitalsignal erzeugt.
Somit kommt man bei Verwendung nur eines einzigen ausgesendeten Strahls durch jeweils nur einen einzigen Zählvorgang zu der gewünschten Aussage über das Profil der Oberfläche des Werkstücks.

Das durch die Zeitzählanordnung erzeugte Ausgangs-

signal ist ein Digitalsigna!. Man kann je nach der vorgesehenen Signalverarbeitung selbstverständlich auch zu einem kontinuierlichen Analogsignal kommen, wenn an die Zeitzählanordnung ein Analogrechner angeschlossen ist, der aus der Zeitzählung ein dem zu messenden Abstand entsprechendes Analogsignal erzeugt.

Zur Erzielung einer größtmöglichen Ausstrahlungsstärke des Strahlers mit sehr hoher Richtungsgenauigkeit wird bevorzugt als Strahler ein Laser vorgesehen, und zwar zweckmäßig ein auf Impulsbasis arbeitender Laser. Gegenüber der Erzeugung von Bildpunkten auf der zu messenden Fläche mittels Linsen hat die Verwendung des Laserstrahls noch den Vorteil, daß unabhängig vom Abstand der zu messender. Fläche der Bildpunkt stets von gleichbleibender Schärfe ist.

Um die Eigenstrahlung der zu messenden Oberfläche zu eliminieren, wird zweckmäßig noch ein diese Eigenstrahlung ausschaltender Interferenzfilter in den Strahlengang zur Fernsehkamera eingeschaltet.

Bei Verwendung eines Impulslasers als Rmissionsquelle sind nach einem weiteren Merkmal der Erfindung Mittel für die synchrone Auslösung des Impulses relativ zur Vorderflanke der Zeile vorgesehen, auf der die Zeitzählung zur Ortung der Stellung des Bildes erfolgt. Diese Methode ist deshalb vorteilhaft, weil hierbei das Maximum der während der Zeilenabtastzeit ausgestrahlten Energie ausgenutzt und die Emission während der Abtastung der anderen Zeilen unterbrochen werden kann.

Zur weiteren Veranschaulichung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen. Darin zeigen, jeweils in schematischer Darstellung

Fig. 1 die geometrische und elektronische Gesamtanordnung, wohingegen

Fig.2 den für den Empfang dei Bildpunktes vorgesehenen Bildschirm eines Fernsehgerätes wiedergibt.

S Wie sich aus F i g. 1 erkennen läßt, wird ein Strahl EP vom Strahler £auf die Oberfläche des Profils geworfen. Dieser Strahl trifft die Oberfläche im Punkt P. Ein zurückgeworfener Strahl PR wird von der Fernsehkameras R erfaßt, die bezüglich des Strahlers £ ortsfest

ίο ist. Die optische Achse der Fernsehkamera R ist mithin bezüglich der Linie ERnM des Strahls fPfixiert, jedoch muß sie nicht unbedingt zu EP koplanar sein. Das Bild des Punktes /"wird, wie Fig.2 erkennen läßt, in der Ebent π an der Stelle P'aufgefangen und kann mithin auf einer zwischen den Punkten A und B verlaufenden Geraden geortet werden. In der Regel befindet sich die Gerade AB im wesentlichen in der Mitte des Bildschirms.

Die aus Strahler und Fernsehkamera besiehende Gruppe ist um die Achse ER verseb-'-enkbar, wodurch sich die Stellung des Punktes P auf QT Oberfläche des Profils und mithin auch die Stellung des Punktes f'auf dem Bildschirm verändert. In jeder Stellung des Punktes Pgestattet eine einzige Zählung der zwischen P und B abgelaufenen Zeit Δ t die Bestimmung des Abstandes EP. Das Verhältnis zwischen Δι und EP wird durch At = I(EP) ausgedrückt, wobei der Wert von EP numerisch durch ein Digitalsignal SD in einet Zeitzählanordnung Z oder durch ein Analogsignal SA auf Grund einer kontinuierlichen Umwandlung der Zeit Δ t in eine stets meßbare Spannung Δ vdurch einen an die Zeitzählanordnung Z angeschlossenen Analogrechner Vausgedrückt werden kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Abstandsmessung, insbesondere für die Ermittlung des Profils einer Oberfläche, mit einem eine elektromagnetische Strahlung auf die Oberfläche, deren Profil zu bestimmen ist, aussen denden Strahler und einem relativ zum Strahler ortsfest angeordneten Objektiv, das die an der Oberfläche zurückgeworfenen Strahlen empfängt und als Bildsignal auf einem Bildschirm abbildet, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem Strahler (E) und einer mit dem Objektiv versehenen Fernsehkamera (R) bestehende Gruppe um ihre Verbindungslinie als Achse (ER) verschwenkbar ist, und daß eine Zeitzählanordnung (Z) für die Abtastzeit zwischen dem empfangenen Bildsignal von einem festen Bezugspunkt des Bildschirms vorgesehen ist, die ein dem zu messenden Abstand fEPJentspr'xhendes Digitalsignal (SD)erzeugl.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an die Zeitzählanordnung (Z) ein Analogrechner (V) angeschlossen ist, der aus der Zeitzählung ein dem zu messenden Abstand entsprechendes Analogsignal (SA) erzeugt.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, da& als Strahler (E) ein Laser vorgesehen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser als Impulslaser ausgeführt ist.

5. Vorriciitung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß .in die Eigenstrahlung der zu messenden Oberfläche ausschaltendes Interferenzfilter in den Strahlengang zur Fernsehkamera (/^eingeschaltet ist.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines Impulslasers als Emissionsquelle Mittel für die synchrone Auslösung des Impulses relativ zur Vorderflanke der Zeile vorgesehen sind, auf der die Zeitzählung zur Ortung der Stellung des Bildes erfolgt.