DE1962515C - Optische Meßsonde - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Meßsonde zur berührungslose!! Messung des Abstandes der Meßsondenspitze von einer Objektivoberfläche unter Verwendung einer Objektivlinse zum Fokussieren des von einer Lichtquelle kommenden Lichtes auf der Objektoberfiäche.

Meßsonden, wie sie z. B. in Werkzeugmaschinen zur Streckenmessung verwendet werden und mit denen es erforderlich ist, die Oberfläche des zu vermessenden Gegenstandes zu berühren, üben mit der Sondenspitze einen Druck auf diesen Gegenstand aus, der bei falscher Behandlung zu Beschädigungen führen kann. Außerdem ist ein Gerät, dessen Sondenspitze auf die Objektoberfläche aufgesetzt werden muß, in vielen Fällen unzweckmäßig und unpraktisch.

Es ist weiter eine Sonde zur berührungsfreien Ermittlung der Abmaßt¹ von Gegenständen von einem Sollmaß bekannt, die eine Abbildungseinrichtung zur Erzeugung mindestens einer leuchtenden Marke auf der Oberfläche eines Eichmaßes bzw. des zu messen- ao den Gegenstandes, eine auf diese Marke einstellbare Meßeinrichtung, die bei Abweichung des Gegenstandmaßes vom Eichmaß ein elektrisches Signal liefern und einen Nachlaufmotor aufweist, der die Meßeinrichtung so lange verschiebt, bis das elektrische as Signal zu Null wird. Der Nachteil dieser Einrichtung besteht darin, daß die Messung einmal mit einem Eichmaß, das andere Mal mit einem Werkstück durchgeführt werden muß. Dieses Auswechseln des Werkstückes durch ein Eicbmaß ist zeitraubend und in vielen technischen Anwendung ifallen überhaupt nicht durchführbar.

Bei einem bekannten optischen Gerät zur Abstandsmessung erzeugt ein Objektiv aus zwei von einem zu prüfenden Gegenstand ausgehenden Teil Lichtbündeln zwei Bilder, die durch eine meßbare Verschiebung des ganzen optischen Systems gegenüber dem Gegenstand im Gesichtsfeld eines Okulars zur Deckung bringbar sind. Bei Verwendung dieses Gerätes muß man mit dem Auge prüfen, ob die zwei von den Teilbündeln erzeugten Bilder zur Deckung gebracht werden können. Ein automatischer, durch ein Signal gesteuerter Vorschub der Meßeinrichtung ist mit diesem bekannten Gerät nicht kombinierbar.

Mit einem weiteren bekannten Gerät wird der Reflexionswinkcl gemessen und durch Verschiebung zweier Photozellen der Sollwert abgetastet. Diese Art von »trigonometrischer Vermessung« erfordert eine sehr große Vorrichtung mit verschiebliehen Photozellen und kann aus diesem Grund, wenn überhaupt, nur schwer in Werkzeugmaschinen untergebracht werden.

Abgesehen von den beschriebenen Nachteilen der bekannten Sonden mit optischen Meßeinrichtungen sind die Meßergebnisse mit diesen bekannten Son- SS den von der Neigung der Oberfläche und dem Rc* flexionswinkel abhängig. Große Abweichungen treten infolge der UngieichfUrmigkeil der Oberfläche und des Neigungswinkels auf. Darüber hinaus müssen die bekannten Sonden oft in unmittelbarer Nuhe der *o Oberflächen angebracht werden, so daß es möglich ist, daß die Sonden mit der zu vermessenden Ober« flache kollidieren.

Die Erfindung bezweckt eine kompakte optische Meßsonde der eingangs genannten Art, die ein für es ein· entsprechend dem Sollwert automatische Versclste'ning dieser Sonde brauchbare» Signal erzeug! und bei der sich Ungleichförmigkeilen der Objekt· oberfläche oder deren Neigungswinkel nicht auf die Meßgenauigkeit auswirken können.

Die Erfindung löst die Aufgabe dadurch, daß der Objektivlinse Einrichtungen zugeordnet sind, durch die das auf die Objektoberfiäche fallende Licht in verschiedenem Abstand von der Sondenspitze fokussiert wird, und daß die von der Objektoberfiäche reflektierten Lichtkornponenten auf Detektoren fallen, die auf eine voibestimmte Brennweite vor der Objektivlinse eingestellt sind und die aus den Signalkomponenten ein dem Sollabstand zwischen Objekt und Sonde entsprechendes Kulisignal oder gegebenenfalls Abweichsignal erzeugen.

Hierdurch werden folgende Vorteile erhalten:

1. Die Genauigkeit der Messung ist unabhängig von der Linearität der Detektoren, da die Signaldifferenz auf Null eingestellt wird.

2. Große Änderungen des Lichtreflexionsvermögens und der Lichtzerstreuung auf der Oberfläche des Gegenstandes, der vermessen werden soll, können toleriert werden. Eine gestrichene Oberfläche ist für ein gutes Funktionieren ausreichend.

3. Kleine Änderungen der Lichtintensität können toleriert werden, da die Differenz zwischen den Detektoren gemessen wird und jede Zunahme oder Abnahme des Signals beide Detektoren in gleicher Weise beeinflußt.

4. Die Genauigkeit der Messungen ist unabhängig von der Orientierung der Oberfläche zwischen den Grenzen von ± 90°. Selbst bei sehr starker Neigung der Objektfläche relativ zu der Achse des Meßstrahls, bei der diese Oberfläche nur einen sehr kleinen Winkel mit der Achse des Meßstrahls einschließt, ergibt die Sonde genaue Messungen. In dieser Stellung wird z. B. nur die Hälfte des Lichtes wahrßenorcTen, was jedoch keine Auswirkung hat, da beide Detektoren in gleicher Weise beeinflußt werden. Wenn der verwendete Servomechanismus die Sonde mit einer Geschwindigkeit von beispielsweise 12 mm/sec. oder 72 cm/min, einstellt, kann die Sonde unter Umständen extrem scharfen Konturen nicht ohne Verlust an Genauigkeit folgen. Die Geschwindigkeit der Abtastung muß dann verringert werden. Deshalb wird, wenn die Neigung zu steil ist und die Sonde von dem Servomechanismus nicht auf ihre Null-Stellung eingestellt wird, ein Abweichsignal erzeugt, das proportional zunimmt und ein Relais triggert, so daß die Geschwindigkeit des Servomechanismus automatisch verringert wird. Wenn der Servomechanismus noch nicht in der Lage ist, den scharfen Kontu^ren zu folgen, kann ein sichtbarer und hörbarer Alarm ausgelöst werden.

5. Die Objektivlinsen können mit solchen größerer Brennweite ausgetauscht werden, so daß die Arbeitsstrecke 12 Inch (304,8 mm) oder 18 inch (457,2 mm) betrügt. Ein Genauigkeitsverlust kann jedoch damit verbunden win. Andererseits ermöglichen Linsen mit kürzeren Brennweiten die Abnahme der Lichtpunktgrtißc, so daß eine höhere Empfindlichkeit bei Inkaufnahme des Nachteils kürzerer Arbeitsstrecken realisiert werden kann,

6. Die Sondenbestandteile befinden sich in einem GehUuse, so daß sie für Werkzeugmaschinen unter Verwendung üblicher Haltearmaturen für übliche Sonden verwendet werden können.

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7. Die Sonde hat eine Größe und Form, die bekannten Sonden entspricht, so daß sie leicht mit diesen ausgewechselt werden kann.

An Hand der Figuren werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert.

Fi i>. 1 zeigi eine Draufsicht auf eine Ausführungsform nach der Erfindung;

Fig. IA zeigt eine Seitenansicht der Anordnung nach Fig. 1;

Fig. IB' veranschaulicht in einem Blockschaltschema die Betriebsweise des Gerätes nach der Erfindung;

Fig. IC veranschaulicht an Hand von Diagrammen die der Ausführungsform nach F i g. 1 zugrunde liegende Theorie;

F i g. 2 zeigt eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform nach der Erfindung;

Fig. 2A zeigt ein schematisches Blockschaltschema der Ausführungsform nach F i g. 2 und

Fig. 2B, 2C, 2D und 2E zeigen a.; Hand von ao Wellenformen die Betriebsweise der Ausführungsform nach F i g. 2.

Wie in den F i g. 1 und 1A dargestellt ist, fällt ein von einer Hochleistungsniederspannungsfadenlampe I erzeugter weißer Lichtstrahl, der durch eine Lochblende A I und unter Zwischenschaltung eines Strahlenteiler BSI, eines Spiegels Ml, eines Spiegels Ml und einer Farfcdispersionsplatte 4 durch eine Objektivlinse Li auf die Oberfläche des Objekts. Die Größe des Lichtpunktes auf dem Modell beträgt etwa 0,05 mm. Das Licht wird teilweise zerstreut und teilweise zu der Objektivlinse zurückreflektiert.

Die Objektivlinse L1 fokussiert das Licht in einem vorbestimmten Abstand, z.B. 15cm von dem Ende der Sonde, der durch den Punkt α angedeutet wird. Die langwelligen Komponenten, z. B. rotes Licht, werden in einem größeren Abstand und die kurzwelligen Komponenten, z. B. violettes Licht, in einem kürzeren Abstand fokussiert.

Alle Lichtkomponenten werden von der Objektoberfläche O reflektiert und durch die Linse L1 zu dem Spiegel Ml, dem Spiegel A/1, dem Strahlenteiler BSI und von hier zu dem Strahlenteiler BSZ geleitet, der den Strahl auf die Detektoren Dl und Dl aufteilt. Dem Detektor Dl ist ein Filter Fl mit kurzwelligem Durchlaß und dem Detektor D 2 ein Filter Fl mit langwelligem Durchlaß vorgeschattet.

Die Detektoren sind gemäß der Erfindung auf sich etwas unterscheidende Brennweiten vor der Objektivlinse eingestellt. Zum Beispiel ist der Detektor D 1 auf eine Brennweite von 6,000 inch (152,4 mm) von der Objektivlinse eingestellt, während der Detektor Dl auf eine Brennweite von 6,004 inch (152,5 mm) vor der Objektivlinse eingestellt ist

Um eine hohe Empfindlichkeit zu erhalten, wird das Licht in zwei Farben blau und rot aufgespalten, die bei 6,000 inch (152,4 mm) bzw. 6,004 inch (152,5 mm) fokussiert werden. Die Filter werden dann vor die Detektoren gebracht, so daß der Detektor /) I mir bla'ies Licht und der Detektor /) 2 nur ^fi° rotes Licht empfüngt. Wenn duher die Objektoberfliiche einen Abstund von 6,(K)O inch (152,4 mm) hut, wird der blaue Punkt genau mit dieser Brennweite fokussiert, während der rote Hildpiinkt nicht genau gebtlndclt ist, Der blaucmpfirnük-lit Detektor 'Τ/eugt "5 deshalb das stärkere Signal, '· **hr*..i* ί kr roti'tnpfindllche Detektor nur einen kleinen Anteil des demkussierten Lichtes empfängt und ein sehr schwaches Signal erzeugt. Das Entgegengesetzte wird erreicht, wenn uer Abstand (>,OÜ4 inch (152,5 mm) betrügt.

Fig. IC veranschaulicht die Deiektorausgänge in Abhängigkeit von der Entfernung. Angenommen, die mittlere Wellenlänge wird auf der Oberfläche des Gegenstandes O in einem Abstand von 6,(102 inch (152,45 mm) fokussiert, dann ergibt die DifTeren/. der Ausgänge der Detektoren Dl und Dl die Wellenform X.

Die Signaldifferenz wird zu einer sehr genauen Null-Messung verwendet. Die Different erreicht den Wert NuH in einem Bereich von 6,002 inch (152,45 mm) (in der Mitte zwischen den optimalen Fokussierungen der zwei Detektoren). Wenn die Strecke oder Distanz abnimmt, ist das Abweichsignal positiv, wenn die Strecke zunimmt, ist das Abweichsignal negativ. Das Null-Signal und die Abweichsignale werden auf dem Meßinstrument M angezeigt, das in einem Streckenmaß ^*«icht sein kann. Die Sonde ist so konstruiert, daß sie äußerst empfindlich auf eine Verschiebung anspricht, um die Zuverlässigkeit der Messungen zu gewährleisten. Die Detektoren körnen auch verwendet werden, um einen Servomotor anzutreiben, der die berührungslose Sonde in dem optimalen Abstand von 6,002 inch (152,45 mm) hält.

Fig. IB zeigt das Blockschaltschema eines brauchbaren Servosystems. Die Signale von den Detektoren Dl und Dl werden von dem Differential verstärker Il verstärkt und zu einem Servoverstärker 12 geleitet, der seinerseits einen Servomotor in einem einem Servosystem S betätigt, welcher wiederum die Stellung der Sonde steuert. Die Signale werden von der Servoeinrichtung auf Null gehalten und/oder können auf dem Meßinstrument M angezeigt werden. Der Differentialverstärker enthält Einrichtungen, die eine Null-Einstellung 1Γ für die Null-Signale bewirken.

Die Elemente der Sonde sind in einem Gehäuse C angeordnet, das einen Befestigungsstutzen 10 hat, mit dem das Gehäuse mit üblichen Befestigungsmitteln verbunden werden kann. Die Sonde ist auch mit einem schwenkbar angeordneten Spiegel M 3 ausgerüstet, der mit dem Knopf K eingestellt werden kann, um eine Einstellung der Lichtstrahlen, die von der Sonde in einem Winkel von 45° zu beiden Seiten der Horizontalen austreten, zu ermöglichen.

Eine zweite in F i g. 2 dargestellte Aupführungsform nach der Erfindung hat eine oszillierende Lochblende, mit der die Brennweite kontinuierlich variiert wird. Der Strahl wird von dem Objekt reflektiert und der reflektierte Strahl wird abgetastet. Die Detektorleistung ist bei der mittleren Brennweite ein Maximum. Der Detektorausgang eilt bei einem Abstand größer als der mittleren Brennweite in der Phase der oszillierenden Spannung voran und bei einem geringeren Abstand (ils der mittleren Brennweite ist die Phase nach hinten verschoben.

Die Ausfiihningsform weist eine Lichtquelle L auf, vor der ein; Lochblende 15 angeordnet ist. Diese Lochblende schwingt auf einem piezoelektrischen Schwinger 16 synchron mit der Spannung vor und zurück, die an dem Schwinger 16 liegt, wie in Fig. 2B dargestellt ist. Das optische System fokussiert den durch die Lochblende fallenden Lichtstrahl durch die Objektivlinse LX, den Spiegel M1 und den Spiegel Ml auf die Stelle A. Wenn nun Spannung an dem piezoelektrischen Schwinger liegt, bewegt

sich die Lochblende 15 und verschiebt den Punkt der optimalen Fokussierung mit einer vorbestimmten Frequenz. Das reflektierte Licht fällt durch die Spiegel M1 und M 2 sowie durch den Strahlenteiler fl.S'3 und den Spiegel M 4 auf den Detektor D 3 zurück.

Fi g. 2 A zeigt das Blockschaltschema des Systems. Der piezoelektrische Schwinger 16 wird von dem Oszillator 20 angetrieben, dessen Frequenz in der Größenordnung von 200 Hz beträgt, um die Lochblende zu bewegen. Der Detektor tastet den nicht fokussicrten Zustand entsprechend den Diagrammen der Fig. 2D und 2E ab. Wenn sich die zu vermessende Objektoberfläche in der optimalen oder Null-Stellung befindet, wird, wie in Fig. 2C dargestellt, ohne irgendeine Signalkomponente in Phase mit der erregenden Frequenz eine harmonische Frequenz erzeugt. Wenn andererseits die Oberfläche auf die Sonde zu und von dieser weg bewegt wird, wird eine Signalkomponente, wie in Fig. 2D oder 2 G dargestellt ist. erzeugt, die der Basisfrequenz überlagert wird. Die Phase bestimmt die Richtung, während die Amplitude den Betrag der Verschiebung wiedergibt.

Ein Phasendemodulator 21 wird verwendet, um die Abweichung vom optimalen Wert festzustellen. Der Oszillator 20 ist mit dem Demodulator 21 verbunden und der Detektor D 3 ist ebenfalls mit dem Demodulator über einen Bandpaß 22 gekoppelt. Der Ausgang des Demodulators 21 liegt an dem Niederpaß 23, der mit einem Null-Meßgerät 24 oder einem Servogeräl 25 verbunden ist. Wahlweise kann das Signal des Demodulators 21 verwendet werden, um eine Gleichspannung an den piezoelektrischen Kristall zu legen und diesen anzutreiben, bis das Licht durch die Lochblende auf der Oberfläche fokussiert ist. Die Spannung, die an den Kristall gelegt wird, kann dabei verwendet werden, um den genauen Betrag der Verschiebung festzustellen.

Die piezoelektrische Einrichtung kann durch eine magnetisch betätigte Vorrichtung ersetzt werden. In diesem Fall bewegen die elektrischen Signale die Lochblende unter dem Einfluß eines magnetischen Feldes hin und her. das zu einer Verschiebung der Lochblende führt, die der Verschiebung mit dem piezoelektrischen Element identisch ist. Andere Einrichtungen, um der Lochblende eine wirksame Bewegung zu erteilen, modulieren einen elektrooptischen Kristall zwischen der Lochblende und der Objektivlinse mit einem oszillierenden elektrischen Signal. Line Spannung, die an den Kristall gelegt wird, beeinflußt dessen Brechungsindex, was praktisch zu einer Änderung der optischen Weglänge führt.

Die Lichtquelle, die für die Ausführungsform nach Fig. 2 verwendet wird, kann eine Laserquelle, wie z. B. von Gallium-Arscnid sein. Diese Lichtquelle hat den Vorteil einer konstanten optischen Frequenz, so daß ein Filter vor den Detektor gesetzt werden kann, das nur diese Frequenz durchläßt, die von dem Laser ausgesandt wird. Einer Beleuchtung aus der Umgebung kommt deshalb nur geringe Bedeutung zu.

Eine andere Möglichkeit ist, die Lichtquelle mit einer konstanten Frequenz zu pulsieren Ein elektronisches Filter kann dann verwendet werden, so daß nur die Signale auspefiltert werden, die eine ähnliche Wellenform wie die pulsierende Lichtquelle haben. Diese Filtertechnik wird verwendet, um das Verhältnis von Signal zu Geräusch zu verringern.

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   1. Optische Meßsonde zur berührungslosen Messung des Abstandes der Meßsondenspitze von einer Objektoberfläche, unter Verwendung einer

   ίο Objektivlinse zum Fokussieren des von einer Lichtquelle kommenden Lichtes auf der Objektotterfläche, dadurch gekennzeichnet, daß der Objektivlinse (Ll) Einrichtungen (4,15) zugeordnet' sind, durch die das auf die Objektoberfläche (O) fallende Licht in verschiedenem Abstand von der Sondenspitze fokussiert wird, und daß die von der Objektoberfläche reflektierten Lichtkomponenten auf Detektoren fallen, die auf eine vorbestimmte Brennweite vor der

   ao Objektivlinse (L 1) eingestellt sind und die aus den Signalkomponenten ein dem Sollabstand zwischen Objekt und Sonde entsprechendes Nullsignal oder gegebenenfalls Abweichsignale erzeugen.

   as 2. Optische Meßsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Lichtquelle (L) und der Objektivlinse (Ll) Farbdispersionseinrichhingen (4) angeordnet sind, durch die die kurz- und langwelligen Komponenten der Lichtquelle getrennt werden, und daß ein erster Detektor (D 1) auf die kurzwellige Komponente und ein zweiter Detektor (D 2) auf die langwellige Komponente anspricht.

   3. Optische Meßsonde nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die SignaldifTerenz zwischen den Ausgängen des ersten und zweiten Detektors als Maß für den Abstand zwischen Objekt und Meßsonde gebildet wird.

   4. Optische Meßsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Lichtquelle (L) und der Objektivlinse (L 1) eine mit einer Bezugsfrequenz oszillierende, die Brennweite kontinuierlich variierende Lochblende (15) angeordnet ist und daß ein einziger Detektor (D 3) über einen Bandpaß (22) mit einem Phasen-Demodulator (21) gekoppelt ist, der mit e^:nem Oszillator (20) für den Schwingantrieb der Lochblende verbunden ist.

   5. Optische Meßsonde nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lochblende (15) auf einem piezoelektrischen Schwinger (16) synchron mit der Frequenz des Speiseoszillators (20) schwingt.

   6. Optische Meßsonde nach Ansprach 1, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lochblende (15) von einer magnetischen Einrichtung angetrieben wird.

   7. Optische Meßsonde nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß ein Spiegel (M 3) zur

   Ablenkung des Lichtstrahls vor der Objektivlinse (Ll) angeordnet ist.

   8. Optische Meßsonde nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß von den Ausgangssignalen der Detektoren Servoeinrichtungen gesteuert werden, die die Meßsonde im Sollabstand zur Objektoberfläche halten.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen