DE2054285A1

DE2054285A1 - Vorrichtung zur Prazisionsmessung von Abmessungen von Prüflingen

Info

Publication number: DE2054285A1
Application number: DE19702054285
Authority: DE
Inventors: Philippe Chateauneuf du Rhone Revert (Frankreich)
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1969-11-06
Filing date: 1970-11-04
Publication date: 1971-05-13
Also published as: JPS5017268B1; FR2067527A5; US3712741A; GB1328161A; BE757151A; SE369960B

Description

Patentanwälte DlDl.-lnq. R. D ΓΓ. E T Z- «en.

Dlpl-Ing. K. LAMPMECHT 41O-16.279P 4.11.1970

Dr.-lng. R. BEETZ Jr.

n.22, Steini.dQrfiBtr.JQ*

Commissariat a l'fonergie Atomique, Paris (Frankreich)

Vorrichtung zur Präzisionsmessung von Abmessungen von Prüflingen

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Präzisionsmesaung von Abmessungen von Prüflingen, insbesondere des Durchmessers von zylindrischen Prüflingen, wie Pastillen (Pellets) aus Kernbrennstoff (Uranoxyd, Plutonium), die man als Brennelemente in Reaktoren mit schnellen Neutronen verwendet.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur automatischen Präzisionsmessung sowohl von einzelnen Prüflingen als auch von Serien von Prüflingen anzugeben, deren Abmessungen zum Beispiel in schneller Folge und sehr genau am Ende der Fertigung überprüft werden sollen.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst durch einen auf einem ortsfesten horizontalen Ständer angeordneten Laufti.sch, der über ein Hochpräzisionslager zwei identische Schlitten träpjt, die jeweils ein im wesentlichen bügelförmiges Glied tragen, sich gegenüberliegen und horizontal auf

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dem Ständer durch jeweils eine Motoreinheit verschiebbar sind;

durch ein auf jedem bügeiförmigen Glied angeordnetes optisches System mit einem Sender und einem Empfänger, das zwischen dem obaren und unteren Arm des bügeiförmigen Glieds einen sehr genau definierten Lichtstrahl erzeugt, der im wesentlichen vertikal und ortsfest zu dem bügeiförmigen Glied verläuft;

durch eine ortsfeste Auflageplatte, die sich im wesentlichen in der horizontalen Mittelebene der bügelförmigen Glieder befindet und einen vertikalen Schlitz aufweist, um den Durchtritt der vom optischen System erzeugten Lichtstrahlen zu gestatten, und auf der ein insbesondere zylindrischer Prüfling, dessen Durchmesser zu messen ist, sowie zwei optische Anschläge ruhen, von denen der zweite, gegenüber dem ersten weiter innen angeordnete als Normal dient;

durch an sich bekannte Einrichtung:

a) zur elektronischen Steuerung der Drehung der Motoreinheiten nach einem vorgegebenen Programm;

b) zur Registrierung der Relativverschiebungen der Schlitten unü zur numerischen Anzeige des Werts der horizontalen Verschiebung, die die beiden Lichtstrahlen trennt;

und durch eine Einrichtung zum Erfassen der während der Verschiebung jedes Schlittens auftretenden Abdunklung der Lichtstrahlen durch die Anschläge, das Normal unc den Prüfling.

Ein wichtiges Merkmal der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der besondere Aufbau des optischen Systems, das jeder« bügelförmißer, Glied zugeordnet ist und einen sehr genau definierten Lichtstrahl erzeugt. Dieses optische System hat in Richtung aev Lichtausbreitung eine stabile Lichtquelle und ein erstes Kapillarrohr, die beide am ersten Arm des bügelförmigen Gliects befestigt sind,

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sowie ein zweites Kapillarrohr und einen lichtempfindlichen Empfänger, die beide am zweiten Arm des bügeiförmigen Glieds befestigt sind. Die beiden Kapillarrohre tind auf den Bügeln so montiert, daß sie sehr genau dieselbe geometrische Achse aufweisen, die praktisch und mit sehr grower Genauigkeit die Bahn des Lichtstrahls definiert, der ortsfest zum bügeiförmigen Glied angeordnet ist. Diese Anordnung ist sehr vorteilhaft, da sie durch Wahl eines sehr kleinen Anteils mit nahezu verschwindendem öffnungs- bzw. Raumwinkel der in alle Richtungen durch die Lichtquelle emittierter Lichtstrahlung einfach den Lichtstrahl zu realisieren gestattet.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann die Lichtquelle eine einfache miniaturisierte Glühlampe oder vorzugsweise eine Galliumarsenid-Diode sein, die insbesondere wegen ihrer hohen Emissionsstabilität für den vorgesehenen Verwendungszweck geeignet ist. Die verwendeten Kapillarrohre haben einen Innendurchmesser von insbesondere 0,1-1 mm; sehr zufriedenstellende Ergebnisse sind mit Kapillarrohren von 0.4 mm Innendurchmesser erhalten worden. Die Länge der Kapillarrohre ist nicht kritisch, jedoch beträgt sie häufig etwa 1-1,5 cm. Der lichtempfindliche Empfänger ist vorzugsweise eine Siliziumdiode, die auch sehr schwache Lichtströme erfassen kann, die am Schluß zum Empfänger über die beiden hintereinander in Reihe angeordneten Kapillarrohre gelangen.

An sich bekannte Einrichtungen sind für die Verschiebung jedes Schlittens vorgesehen; entweder kontinuierlich laufende Motoren mit Drehcodierern oder, wie im weiter unten beschriebenen Ausführungsbeispiel, Schrittschaltmotoren. Diese Motoren, die auf dem Ständer befestigt sind, treiben über ein Untersetzungsgetriebe eine Gewindespindel an, die mit einer Wandermutter kämmt, die am Schlitten befestigt ist, um diesen zu verschieben. Die Arbeitsweise der Vorrichtung besteht im Beobachten der Abdunklung

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der Lichtstrahlen, die von jedem der bügeiförmigen Glieder auf die beiden Anschläge geworfen werden, von denen der eine als Normal dient, und den Prüfling selbst, von dem eine seiner Abmessungen zu messen ist. Außerdem sind elektronische Einrich- ' tungen zum Erfassen und zum Registrieren des Verschiebungszustands eines Schlittens relativ zum anderen vorgesehen. Bei einer möglichen Ausführung bestehen diese Einrichtungen aus einem Schrittzähler für die Schrittschaltmotoren, während bei einer anderen Ausführung diese Einrichtungen durch einen Winkelschrittzähler über einen Drehcodierer gebildet werden. Auf jeden Fall registrieren die Einrichtungen zum Erfassen und zum Registrieren des Verschiebungszustands in negativer Richtung die Verschiebungen, die die beiden Schlitten einander annähern, und in positiver Richtung die Verschiebungen, die die beiden Schlitten voneinander entfernen. Es 1st leicht ersichtlich, daß unter diesen Bedingungen die erfindungsgemäße Vorrichtung eine gewisse Analogie zu einem 'optischen Mikrometer" aufweist, sofern der Elementarschritt als dezimaler Bruchteil des metrischen Systems definiert ist, so daß der Schrittzähler direkt die Längeneinheiten registriert und die Anzeige schließlich dem horizontalen Abstand entspricht, der die beiden Lichtstrahlen trennt, d.h. der Abmessung des Prüflings. Die Messung wird also durch optisches Abtasten des Prüflings durchgeführt, was ohne körperliche Berührung und ohne Zwischenschaltung irgendeiner Mechanik vor sich geht.

Das hat zur Folge, daß einerseits die erhaltenen Ergebnisse sehr genau sind und andererseits die Messung ferngesteuert durchgeführt werden kann, insbesondere hinter einem dichten Gehäuse wie der Wand einer Handschuhbox.

Die Steuerung der Schrittschaltmotoren kann durch eine Impulsfolge vorgenommen werden, die entweder durch einen manuellen Be-

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fehl für eine absichtliche Verschiebung der Schlitten zum Demontieren oder Zentrieren vor der Messung oder durch automatische Meßprogramme mit einem Einzelmeßzyklus oder einem Wiederholungsmeßzyklus für große Serien eingespeist werden kann. Bei automatischen Verschiebungen dienen die Abdunklungen jedes Lichtstrahls durch die Anschläge, das Normal und den Prüfling dazu, jedesmal das Abschalten oder eine Umkehr des Drehsinns der Motoren in Abhängigkeit von der betreffenden Stelle des Meßzyklus, an der man sich gerade befindet, auszulösen.

Ferner kann eine an sich bekannte Einrichtung vorgesehen sein, um die Prüflinge in das Meßfeld auf einem Schlitz mit beispielsweise v-förmig erweiterten Seitenwänden in der ortsfesten Auflageplatte weiterzutransportieren.

Erfindungsgemäß wird die Abdunklung der Lichtstrahlen sehr genau definiert und erfaßt sowie reproduzierbar gemacht durch Überschreiten eines vorbestimmten Werts des den lichtempfindlichen Empfänger erreichenden Lichtstroms, der im wesentlichen gleich der Hälfte seines Maximalwerts ist. Zu diesem Zweck wird der vom lichtempfindlichen Element abgegebene Strom direkt einer Triggereinrichtung mit einem vorbestimmten Schwellenwert zugeführt, der im wesentlichen gleich dem Mittelwert zwischen dem Dunkelstrom einerseits und dem Maximalstrom bei vollständig fehlender Abdunklung des Lichtstrahls andererseits ist. Dieses Ergebnis, das wichtig für die Reproduzierbarkeit der durch die Vorrichtung vorgenommenen Messung und damit für deren Empfindlichkeit überhaupt ist, ist nur möglich, weil mit Hilfe des Systems der beiden Kapillarrohre, die in Rüihe hintereinander angeordnet sind, ein Lichtstrahl gebildet wird, der einen so kleinen öffnungswinkel hat, daß die Abhängigkeit des vom lichtempfindlichen Elements abgegebenen Strom vom Portschreiten der

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Abdunklung, d.h. letztlich vom Vorschub des das bügeiförmige Glied tragenden Schlittens, mit sehr großer Genauigkeit bekannt und von einer Abdunklung zur anderen genau reproduzierbar ist. Diese Abhängigkeit drückt sich typisch durch eine S-Kurve aus. die weiter unten genauer erörtert werden wird, wobei man erfindungsgemäß den Punkt mit der größten Steigung dieser Kurve zur Darstellung der Stromstärke benutzt, die die Triggereinrichtung auslöst.

Um eine Messung vorzunehmen, geht man folgendermaßen vor: Erfindungsgemäß hat die ortsfeste Auflageplatte an jeder Seite des Schlitzes, der für die Aufnahme des Prüflings bestimmt ist, einerseits einen ersten Anschlag, der als Normal dient, und· andererseits einen äußeren Anschlag, der die äußerste Verschiebung jedes Lichtstrahls definiert. Am Anfang muß man zuerst die Vorrichtung kalibrieren, d.h. die Versetzung des ersten Normalanschlags schätzen, was man mit Hilfe eines sehr genauen Kalibers nach Johnson vornimmt. Dazu positioniert man dieses Kaliber im Meßfeld der Vorrichtung auf dem Schlitz, der zu diesem Zweck in der ortsfesten Auflageplatte vorgesehen ist. Man beginnt dann ausgehend vom äußeren Anschlag, mit der Ermittlung der Berührung jedes Lichtstrahls mit der entsprechenden Hälfte des Normals. Das kann manuell oder automatisch nach einem MeSprogramm vor sich gehen. Wenn die Abdunklung erreicht ist. stellt man in diesem Zeitpunkt an einem Vorwähler einen Vorwahlwert ein, der dem ungefähren Wert des Abstands entspricht, der die beiden Hälften des Anschlagnormals trennt. Diese Einstellung wird manuell vorgenommen. Anschließend löst man einen Einzelmeßzyklus aus, verschiebt die Lichtstrahlen zu beiden Seiten des Kalibers nach außen, ermittelt die Abdunklung der Anschläge außerhalb zum Normal, hält an und bewegt zurück, um das Normal abzutasten. Zu diesem Zeitpunkt geht der Vorwahlwert in den Zähler ein. Die Lichtstrahlen verfolgen ihre Bahn bis zum Abtasten

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des Kalibers. Der Inhalt des Zählers wird in diesem Moment zur Anzeigeeinrichtung weitergeleitet. Ein Ablesen der Anzeigeeinrichtung zu diesem Zeitpunkt liefert, indem sofort der Fehler zwischen dem im Zähler registrierten Wert und der wirklichen bekannten Abmessung des verwendeten Johnson-Kalibers ermittelt wird, den wahren Wert des Abstands zwischen den beiden Hälften des Normals, den man manuell am Vorwähler einstellt. Das Normal kann jetzt seinen Zweck erfüllen. Schließlich bewegen sich die Lichtstrahlen von neuem, um auf der Innenseite des Normals abgedunkelt zu werden . Anschließend wird das Johnson-Kaliber durch einen Prüfling ersetzt, von dem man eine bestimmte Abmessung messen will, und durch Wiederauslösen desselben Zyklus wird der Zähler dieses Mal auf den richtigen Wert des Normals im Zeitpunkt seiner Abdunklung kalibriert, und die endgültige Anzeige des Zählers ergibt die gesuchte Abmessung. Diese Information kann an den Ausgängen auch codiert im Hinblick auf ihre spätere Verwendung in peripheren Geräten von Rechnern (Lochstreifen, Druckern usw.) auftreten.

Sobald der erste Anschlag kalibriert und der entsprechende Wert vom Zähler angezeigt ist, kann man die Vorrichtung für eine große Anzahl von Messungen verwenden, ohne daß es notwendig ist, neue Kalibrierungen vorzunehmen, sofern die Temperatur am Meßort keinen schnellen Schwankungen unterliegt.

Um außerdem nicht an eine sehr genaue Klimatisierung des Meßorts gebunden zu sein, kann man die beiden stabförmigen Körper,, die als Normal dienen, durch eine Brücke verbinden, deren Dilatation im wesentlichen oder völlig gleich der des Prüflingswerkstoffs ist. Auf diese Weise ist die Verschiebung der Anschlagnormale unter dem Einfluß der Temperatur etwa gleich der des Prüflings.

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Bei einer Serienmessung einer großen Anzahl von Prüflingen mit im wesentlichen gleichen Abmessungen (d.h. z.B. zur Produktionsüberwachung) vollzieht sich die Messung durch Oszillation jedes Lichtstrahls zwischen dem Prüfling und dem Normal. Das Anhalten der Verschiebungen der Schrittschaltmotoren wird automatisch durch die Triggereinrichtung gesteuert, und zwar nach dem Erfassen durch die lichtempfindliche Diode einer Abdunklung an einem oder anderem der Prüflinge. Man erreicht daher sehr schnelle Folgen (z.B. bis zu einer Messung alle zwei see), die die erfindungsgemäße Vorrichtung sehr leistungsfähig machen.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert, in der ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt ist. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht der ganzen Vorrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht in größerem Maßstab der ortsfesten Auflageplatte mit ihren optischen Anschlägen;

Fig. 3 eine Ausführung der Prüflingstransporteinrichtungj

Fig. 4 die Abhängigkeit der Stromstärke des vom lichtempfindlichen Empfänger erzeugten Stroms von der Verlängerung χ eines Lichtstrahls, während die.ser eine Abdunklungszone durchsetzt;

Fig. 5 die von einer einzigen Zeitbasis ausgehende Erzeugung von Steuersignalen von vier Uhren, die die Bewegung von zwei Schrittschaltmotoren steuern; und

Fig. 6 und 7 schematisch das Arbeitsprogramm der Vorrichtung.

Fig. 1 ermöglicht eine Übersicht über die gegenseitige Lage der

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wichtigsten Bauelemente der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Der Einfachheit wegen ist nicht die ganze Vorrichtung abgebildet, da die linke Hälfte identisch der rechten Hälfte ist, weshalb im folgenden ein Bauelement der linken Hälfte das Bezugszeichen des Bauelements der rechten Hälfte, jedoch mit einem Index a versehen, erhält; ein ortsfester horizontaler Ständer 2 trägt einen Lauftisch 4 und eine Motoreinheit 6. Über ein an sich bekanntes Hochpräzisionslager 8 ruht ein Schlitten 10 auf dem Lauftisch 4, Die Motoreinheit 6 setzt sich zusammen aus einem Schrittschaltmotor 12, meinem Programmgeber 1;3, einem Untersetzungsgetriebe 14 und einer Gewindespindel 16. Die Spindel 16 vjird vom Schrittschaltmotor 12 über das Untersetzungsgetriebe 14 angetrieben und kämmt mit einer Wandermutter 18, die am Schlitten 10 über ein Muttergehäuse 19 befestigt ist, was dessen Längsverschiebung relativ zum ortsfesten horizontalen Ständer 2 ermöglicht. Der Schlitten 10 hat ein Endglied 20 in Form eines Bügels, das daher c^Jen Längsverschiebungen des Schlittens unterliegt.

Erfindungsgernäß 1st ein optisches System auf dem Bügel 20 montiert. Das optische System hat nacheinander, in Ausbreitungsrichtung des Lichts gesehen, eine Galliumarsenid-Lampe 22, ein erstes Kapillarrohr ?A, ein zweites Kapillarrohr 26 und eine Silizium-Fotodiode 28, die den lichtempfindlichen Empfänger des optischen Systems bildet. Die beiden Kapillarrohre 24 und 26 begrenzen einen Lichtstrahl 30, der durch den von der Lampe 22 zum Empfänger 28 verlaufenden Lichtstrom mit praktisch verschwindendem öffnungs- oder Raumwinkel gebildet wira. Das auf diese Weise realisierte optische System ist also äußerst einfach, es weist insbesondere weder eine Limje noch eine sphärische Blende auf, abgesehen von derartigen Elementen, die zur Diode oder Emissionslampe und zur Empfänger-Diode gehören.

Die Kapillarrohre ?A und 26 sowie die Dioden 22 und 28 sind durch irgendeine an sich bekannte Einrichtung am Bügel 20 befestigt. Um dennoch eine möglichst geringe Annäherung der Licht-

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strahlen 30 und 30a, d.h. die Messung möglichst kleiner Durchmesser zu ermöglichen, sind die Kapillarrohre 24 und 26 vorzugsweise am selben Ende der Bügel 20 gelagert.

Ein Schrittzähler 52 zur gleichzeitigen Registrierung der Impulse, die den Motor 12 und sein Gegenstück 12a betätigen, speichert auf diese Weise eine Zahl, die in jedem Zeitpunkt den Abstand hinsichtlich horizontaler Verschiebung angibt, der die beiden Lichtstrahlen 30 und 30a trennt. Im beschriebenen Ausführungsbeispiel ist dieser Abstand direkt in ,um am Ende jeder Messung durch eine digitale Anzeigeeinrichtung 35 angezeigt.

In der horizontalen Mittelebene der beiden Bügel 20 und 20a befindet sich eine ortsfeste Auflageplatte 34. auf der ein Prüfling 36 ruht, dessen Abmessung zu messen ist, und auf der ein Körper 37 in Form einer Brücke befestigt ist (vgl. Fig. 2), der ein optisches Normal 38 sowie einen optischen Anschlag 4o und die entsprechenden Bauelemente 38a und 40a für die linke Hälfte der Vorrichtung trägt.

Fig. 2 erlaubt wegen der Darstellung in größerem Maßstab ein besseres Erkennen der Einzelheiten der ortsfesten Auflageplatte 34. Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß die Auflageplatte 34 mit zwei aufeinander senkrecht stehenden Schlitzen 42 und 44 versehen 1st. Der erste Schlitz 42 dient zum Durchtritt der Lichtstrahlen 30 und 30a quer zur Auflageplatte 34 während deren Horizontalverschiebung. Der zweite Schlitz 44 verläuft senkrecht zum ersten und hat seine Seitenwände 46 in V-Form aufgeweitet, so daß er den Prüfling 36 aufnehmen kann. Der Schlitz 44 erlaubt außerdem den Zutritt von Greifklauen, die in Fig. 2 nicht abgebildet sind, jedoch später anhand von Fig. 3 erläutert werden, durch die die Prüflinge nacheinander in das Meßfeld der Vorrichtung gebracht werden. Fig. 2 zeigt ferner Einzelheiten e'er

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optischen Normale und optischen Ansehläge 38, 38a bzw. 40, 40a, die für den Betrieb der Vorrichtung notwendig sind. Im Ausführungsbeispiel von Fig. 2 sind diese Anschläge und die Normale mit Hilfe eines Glieds 48 bzw. 48a gebildet, das im wesentlichen die Form einer Haarnadel hat, die starr am Boden jedes Pfeilers des brückenförmigen Körpers 37 befestigt ist, von dem nur eine Seite ^!1 über eine mit ihm einstückig verbunaene Leiste 50 auf der Auflageplatte 34 gesichert ist. Die Leiste 50 ist ihererseits cmrch Schrauben 52 und 5k in die Auflageplatte 34 eingeschraubt. Der Einfachheit halber wählt man bei wiederholten Messungen von im wesentlichen gleichen Durchmessern die inneren Anschläge 38 und 38a so, daß ihr Abstand nur sehr wenig größer als der Durchmesser des Prüflings 36 ist. Nur zur besseren Übersichtlichkeit sind die Proportionen der verschiedenen Bauelemente in den verschiedenen Figuren nicht gleich gewählt.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Transport der Prüflinge im Schlitz h ^}\ der Auflageplatte 34. Bei diesem AusfUhrungsbeispiel werden Prüflinge wie 36 und 37a durch eine Einrichtung mit Klauen 56 ergriffen, die ihrerseits durch einen Kurvenantrieb 5o angetrieben werden. Die Klauen 56 haben die doppelte Funktion, die Prüflinge zu ergreifen und anschließend in das Meßfeld der Vorrichtung längszuverschieben, wo die Messung gegenüber dem Lichtstrahl 30 erfolgt. Im Ausführungsbeispiel von Fig. 3, wo man kleine Zylinderprüflinrre mißt, bei denen man die Konstanz des Durchmessers auf der ganzen Länge überprüfen will, ist der Vorschubschritt der Klaue 56 so bemessen, da; der Durchmesser jedes Zylinderprüflings in zwei Höhen auf der Länge jedes Prüflings geprüft wird. Es versteht sich jedoch, daß für den vorgesehenen Zweckauch eine andere Einrichtung ale in Fig. 3 abgebildet verwendet weroen kann,

Fig. 4 erläutert ein wesentliches Merkmal der erfinöung?p.emäßen Vorrichtung, nämlich, wie es möglich ist, eindeutig einer: ge-

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nauen Verschiebungszustand eines der Lichtstrahlen zu definieren, der als Definition dafür dient, was im folgenden die Abdunklung eines Lichtstrahls durch eines von Hindernissen genannt werden soll, auf das er während des Arbeitszyklus der Vorrichtung trifft. Diese Definition, die sehr wichtig ist, da sie diese Abdunklung zu reproduzieren gestattet, folgt aus der nachfolgenden Erklärung..

Fig. 4 zeigt auf der Ordinate die Stromstärke i, die von der lichtempfindlichen Silizium-Diode am Ausgang des zweiten Kapillarrohrs abgegeben wird, in Abhängigkeit von der Horizontalverschiebung χ des Schlittens, der den entsprechenden Lichtstrahl trägt. Während einer Abdunklung fällt der Strom i von seinem Maximum i auf sein Minimum, das gleich dem Dunkelstrom i , der verwendeten Silizium-Diode ist. Der Wert i„_ov des Stroms

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entspricht offensichtlich der Stromstärke bei Einstrahlung des vollen Lichtstroms auf die Diode, d.h. bei Fehlen irgendeines Fremdkörpers in der Bahn des Lichtstrahls. Der Wert i_ob des Stroms entspricht dem Ausgangsstrom der Diode bei Fehlen jeglichen Lichtsignals vom optischen System, d.h. im Zustand totaler Abdunklung. Im beschriebenen Ausführungsbeispiel beträgt i etwa 10 - 15 χ 10**' A für die gewählte Diode und i . etwa max Q öd

5 - 10 χ 10~^y A. Die geometrische Präzision des Lichtstrahls, der durch die gemeinsame Verwendung der zwei Kapillarrohre erhalten wird, die sehr hohe Empfindlichkeit der Silizium-Fotodioden und die Stabilität der verwendeten Lichtquelle ermöglichen, die Kurve 6o der Stromstärke i, die im wesentlichen die Formen eines S hat, mit einem Wendepunkt 62 in ihrer Mitte zu versehen, wobei dieser Punkt einer maximalen Steigung der Kurve 6o entspricht. Im beschriebenen Ausführungsbeispiel, wo die Kapillarrohre einen Innendurchmesser von 0,4 mm haben, beträgt die mittlere Steigung der Kurve 60, die von einer Abdunklung zur anderen konstant ist, etwa 0,025 ,uAAum. Per definitionem orönet

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man der Stromstärke i eine Auslöseschwelle einer Ansteuerelnrichtung zu, die die Schrittschaltmotore anhält, wobei die Stromstärke i_d der Verschiebung x_d des Lichtstrahls entspricht. Zu diesem Zweck werden die Signale der Diode 28 über eine elektronische Schaltung 63 (vgl. Fig. 1) in einen Programmgeber I^ eingespeist. Das ist nur möglich wegen der oben erwähnten Merkmale der erfindungsgemäßen Vorrichtung und erlaubt, ohne jede Mehrdeutigkeit und mit jeder tragbaren Toleranz an Reproduzierbarkeit den Abdunklungspunkt zu definieren, der das Auftreffen eines Lichtstrahls auf ein Hindernis angibt.

Fig. 5 zeigt schließlich den zeitlichen Verlauf von elektronischen Signalen, die in Abhängigkeit vom Auftreten oder Fehlen eines Signals von den lichtempfindlichen Empfängern das EIn- und Ausschalten der Schrittschaltmotoren steuern. In Fig. 5 ist zunächst eine Zeitbasis 64 zu sehen, die aus einer Folge von elektrischen Impulsen besteht, deren Frequenz 3200 Hz im beschriebenen Ausführungsbeispiel beträgt. Ausgehend von dieser Zeitbasis, erzeugt man hier Impulsfolgen Hl, H2, H3, und E¹I₁ deren Frequexiz ein Viertel der Frequenz der Zeitbasis 6h ist und eile gegeneinander jeweils um einen Impuls phasenverschoben sind. Diese vier Impulsfolgen bilden so vier Uhren, die folgende Steuerung vornehmen:

Die Uhr Hl den Detektor der linken Zelle 28a; die Uhr H2 den linken Schrittschaltmotor 12a; die Uhr H3 den Detektor der rechten Zelle 28; die Uhr H'l· den rechten Schrittschaltmotor 12.

Ein Impuls, der von Hl kommt, fragt den Detektor der linken lichtempfindlichen Zelle 28a ab, die:

a)wenn sie beleuchtet ist, erlaubt, daß ein Impuls von H2 den linken Motor 12a um einen Schritt weiter schaltet,

b) wenn sie nicht beleuchtet 1st. das Weiterschalteri unterbricht.

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Entsprechend steuern die Impulse der Uhren ΚΓ3 und H4 den Motor

Die Motoren.12 und 12a arbeiten daher unabhängig voneinander, aber der Reihe nach, und das Abfragen der beiden Detektoren, das das Abschalten der Motore erlaubt, vollzieht sich nur nach der mechanischen Ausführung des vorhergehenden Schritts, was das Anhalten nach der Ausführung eines unverfälschten Schritts gewährleistet. Das ist die wichtige Bedingung für eine genaue Zählbarkeit der Motorschritte im Schrittzähler 52.

Anhand von Fig. 6 und 7 soll jetzt der Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung angegeben werden.

Fig. 6 zeigt schematisch in Seitenansicht die wesentlichen Bauelemente des optischen Tasters und den Prüfling. Fig. 7, die in Korrespondenz zu Fig. 6 zu betrachten ist, zeigt schematisch in Vollinie die Verschiebung der Lichtstrahlen 30 und JOa beim Kalibrieren 65, danach während der beiden Betriebszustände der Vorrichtung, d.h. der Arbeitsweise "Prüfling auf Prüfling" mit Kalibrierung vor jeder Messung (vgl. 66) und der automatischen Arbeitsweise für Serienmessung (vgl. 68), bei der auf eine anfängliche Kalibrierung eine gewisse Anzahl von Messungen folgt, zum Beispiel 20 Messungen, ohne daß erneut eine Kalibrierung vorgenommen wird.

In Fig. 7 sind die Haltepunkte der Lichtstrahlen schematisch durol^cleine Kreise aus Vollinien abgebildet.

Im beschriebenen AusfUhrungsbeispiel wird die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung des Durchmessers von Nadeln oder "Pastillen" aus Uranoxyd (UO₂) mit einem Durchmesser von 3,5 mm und einer Länge von 5 mm angewendet. Die bei diesen Messungen erhaltene Genauigkeit ist besser als 3 Aim, während die Meßfolge zwei Messungen alle vier Sekunden für eine kontinuierliche Überprüfung beträgt.

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In der Zeichnung ist die Proportionalität der Abmessungen der verschiedenen Bauelemente der Vorrichtung nicht gewahrt, um eine bessere Lesbarkeit zu ermöglichen. Insbesondere sind der Prüfling 36 und die Anschläge 38, 38a, 40 und 40a tatsächlich viel näher benachbart.

Jeder Motor 12 bzw. 12a, der mit einem Untersetzungsgetriebe ausgerüstet ist, verschiebt den Schlitten bei jedem Schritt um 1 /um. Bei jedem Programmabschnitt wird das Einschalten eines der Schrittschaltmotoren von der gleichzeitigen Erfüllung folgender drei Bedingungen abhängig gemacht:

a) Vorhandensein eines Prüflings unter dem Meßortj

b) Stillstand der Transporteinrichtung, die in Fig. 3 abgebildet istj

c) Abdunklung der Lichtstrahlen 30 und 30a durch einen der Anschläge 38, 38a, 40 oder 40a und den Prüfling 36, dessen Abmessung zu messen ist.

Jeder Schrittschaltmotor 12 bzw. 12a wird aber automatisch angehalten, sobald eine der Fotodioden 28 bzw. 28a infolge Abdunklung einer der Lichtstrahlen kein Lichtsignal mehr empfängt, nachdem sie vorher beleuchtet worden war. Das Weiterschalten jedes Motors ist unabhängig vom anderen Motor und vollzieht sich in Folgen, die durch die Uhren Hl, H2, H3 und H4 von Fig. 5 dargestellt sind, wobei jeder der Motoren 12 und 12a der Reihe nach arbeitet. Die Koordination dieser verschiedenen Bewegungen wird durch einen Programmgeber 13 (vgl. Fig. 1) und eine Steuereinrichtung vorgenommen, die an sich bekannt sind und daher hier nicht weiter erläutert werden sollen.

Vor jeder Messung beginnt man zunächst mit dem Kalibrieren des Anschlags 38 bzw. 38a mit Hilfe eines Eichnormals damit er nachher seine Rolle als Sekundärnormal erfüllen kann. Zu diesem Zweck

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setzt man einen hochpräzisen Johnson-Kaliber auf den Platz des Prüflings 36. Anschließend stellt man manuell am Zähler 33 irgendeinen Wert ein, vorzugsweise ungefähr gleich dem Abstand, der die beiden Anschläge 38 und 38a trennt. Dann sorgt man dafür, daß jeder Strahl gut an der Innenseite des Normalanschlags 38 bzw. 38a abgedunkelt wird, und man löst jetzt eine Einzelmessung aus.(vgl. Bezugszeichen 65 in Fig. 7). Automatisch verfolgt jeder Lichtstrahl 30 und JOa eine Bahn wie 70 bzw. 70a, die von dem Normalanschlag 38 bzw. 38a ausgeht und sich zur Innenseite des Anschlags h0 bzw. 40a erstreckt. Beim Rücklauf, während die Abdunklung für die beiden Strahlen JO und 30a auf der Außenseite der Anschläge 38 und 38a stattfindet, stellen sich der Zähler und seine Anzeigeeinrichtung 35 automatisch auf den Wert ein, der vorher am Vorwähler oder Einsteller 33 gewählt worden ist. Die Verschiebung der beiden Strahlen 30 und 30a erfolgt dann im selben Sinn bis zum Eintreten der beiden Abdunklungen an jeder Fläche des Kalibers. Zu diesem Zeitpunkt bemerkt man die fehlerhafte Anzeige der Anzeigeeinrichtung 35, und durch einfache Subtraktion im Verhältnis zur bekannten exakten Abmessung des Johnson-Kalibers bestimmt man den Fehler, der während der manuellen Einstellung des Vorwählers 33 begonnen wurde, und daraus leitet man den exakten Abstand in /um zwischen den Außenflächen der Anschläge 38 und 38a ab, wobei man diesen Abstand jetzt manuell am Vorwähler 33 genau einstellt. Man benutzt also die Anschläge 38 und 38a während einer gewissen Zeit als Sekundärabstandsnormal (eine durchgeführte Kontrolle hat eine Stabilität von 1 yum während 6 h ergeben).

Nachdem diese erste Kalibrierung vergenommen ist, kann die Vorrichtung auf zwei verschiedene Weisen benutzt werden, je nachdem, ob man Einzelmessungen oder schnelle Serienmessungen durchführen will.

Unter diesen Bedingungen weist eine der Einzelmessungen wie die Einzelmessung 66 für die beiden Lichtstrahlen 30 und 30a folgende Verschiebungen auf, die in Fig. 7 angegeben sind:

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Positive Verschiebung von Normal 38 zur Innenfläche des Anschlags 40;

Abdunklung;

erneute Bewegung in Richtung negativer Verschiebung bis zur Abdunklung an der Aui3enfläche des Normals 38;

Kalibrierung des Zählers, der zu diesem Zeitpunkt erneut den Wert des Normals anzeigt;

erneute Bewegung in Richtung negativer Verschiebung bis zur Abdunklung an der Außenfläche des Prüflings 36;

Anzeige der Abmessung (bzw. Seitenfläche) des Prüflings; Rückbewegung zur Innenfläche des Normals 38; Stillstand.

Von Hand kann ein neuer Meßzyklus ausgelöst werden: Es findet dann wieder eine Bewegung des Lichtstrahls in Richtung positiver Verschiebung bis zur Abdunklung an der Innenfläche des äußeren Anschlags 4o statt usw. Der Zyklus, der jedesmal von Hand ausgelöst wird, kann auf diese Weise beliebig oft wiederholt werden. Die Kalibrierung des Zählers wird dabei automatisch vor jeder Messung eines Prüflings J56 vorgenommen.

Diese Arbeitsweise kann jedoch beträchtlich beschleunigt werden, wenn man eine Serienkontrolle einer großen Anzahl von Prüflingen vornimmt, die im wesentlichen diesselbe Abmessung haben, in welchem Fall man sich mit einem schnellen Meßzyklus 68 begnügt. Ein derartiger Meßzyklus umfaßt ein Kalibrieren 72, das genau mit dem Kalibrieren der Zyklen 66 übereinstimmt. Auf diese Kalibriermessung 72 folgt eine Serie von aufeinanderfolgenden Messungen wie 74, 76, 78 usw., wobei charakteristisch ist, dart man sich mit

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aufeinanderfolgenden Hin- und Herbewegungen des Lichtstrahls zwischen der Innenfläche des Normals 38 und der Außenfläche des Prüflings jj6 begnügt. Am Ende von etwa zwanzig so definierten Elementarzyklen wird eine Neukalibrierung 80 automatisch an der Außenfläche des Normals 38 vorgenommen, und der Zähler 32 nimmt so immer wieder denselben Wert an, so daß thermisch oder durch elektrische Störungen bedingte Abweichungen, falls sie auftreten, keinen Einfluß nehmen.

Wenn außerdem der Abstand zwischen den Innenflächen der Normale 38 und 38a ähnlich dem Außendurchmesser des Prüflings 36 ist, kann eine derartige Serienmessung mit sehr großer Geschwindigkeit ablaufen. Während der ganzen Folge der Arbeitsschritte finden die Messungen immer nach Verschiebungen der Motoren in derselben Richtung statt. Diese Betriebsart erlaubt die Vermeidung von Fehlern, die durch mangelnde Reproduzierbarkeit der mechanischen Verschiebungen der Schraube 16 und des Lagers l8 insbesondere infolge des vorhandenen Ölfilms, der inhomogen sein kann, verursacht werden könnten.

Es sei auch darauf hingewiesen, daß die genaue Parallelität der beiden Strahlen 30 und 30a nicht kritisch ist da, selbst wenn sie nicht genau erfüllt ist, die Strahlen 30 und 30a sich immer an entsprechenden punkten der verschiedenen Prüflinge abdunkeln, sobald diese einen sehr ähnlichen Durchmesser aufweisen.

Der Durchmesser der Prüflinge hat als Maximum den Wert, der durch die Amplitude der Verschiebung der Schlitten bestimmt ist.

Im beschriebenen Ausführungsbeispiel beträgt der Mindestdurchmesser der Prüflinge 3,5 mm, wenn man die Vorrichtung nach den oben beschriebenen Programmen arbeiten lassen will, die auch die schnellstmögliche Mei3folge erlauben.

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Bei einem abgewandelten Ausführungsbeispiel gelang die Messung von Prüflingen mit einem Durchmesser von 0,2 mm bei derselben Präzision unter Verwendung von anderen Meßprogrammen, von denen eins bei 82 in Fig. 7 gezeigt i^t. Diese Programme gewährleisten für die optischen Abtaster während ihrer Verschiebung denselben Arbeitszyklus. Der einzige Unterschied liegt in der zeitlichen Versetzung der Verschiebungen des linken und rechten Schlittens zwischen der Abdunkelungslage am Normal 38 und am Prüfling 36· Diese Programme erhöhen die Dauer der Zyklen der Dauer einer Verschiebung zwischen dem Anschlagnormal 38 und dem Prüfling 36. Das ist am Fall 84 durch die Ziffer 2 für den rechten Schlitten und durch die Ziffer 3 für den linken Schlitten angedeutet.

Diese Art des Vorgehens erlaubt eine Überlagerung zu zwei verschiedenen Zeitpunkten der Trajektorien jedes optischen Abtasters oberhalb des Prüflings. Unter diesen Bedingungen hängt die untere Grenze des Prüflingsdurchmessers nur von der Feinheit der Lichtstrahlen ab, wobei der durch den Prüfling auf die Zelle geworfenen Schatten im wesentlichen die Mindestlichtmenge erreichen muß, die zur Definition der Abdunklung am Fotodetektor erforderlich ist.

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Claims

Patentansprüche

I/ Vorrichtung zur Präzisionsmessung von Abmessungen von Prüflingen, insbesondere des Durchmessers von zylindrischen Prüflingen, gekennzeic h η e t

durch einen von einem ortsfesten horizontalen Ständer (2) getragenen Lauftisch (4), der über ein Hochpräzisionslager (8, 8a) zwei identische Schlitten (10, 10a) lagert, die jeweils ein im wesentlichen bügeiförmiges Glied (20, 20a) tragen, sich gegenüberliegen und auf dem Ständer (2) jeweils durch eine Motoreinheit (6, 6a) horizontal verschiebbar sind, die mit einer Registriereinrichtung (32) und einer Anzeigeeinrichtung (35) für den Verschiebungszustand des einen Schlittens gegen den anderen gekoppelt ist;

durch ein auf jedem Schlitten angeordnetes optisches System mit einem Sender (22, 22a) und einem Empfänger (28, 28a), die zwischen dem oberen und unteren Arm des bügeiförmigen Glieds (20, 20a) einen sehr genauen Lichtstrahl (50, 30a) definieren, der im wesentlichen vertikal und ortsfest zum bügeiförmigen Glied verläuft;

durch eine ortsfeste Auflageplatte (j54), die im wesentlichen in der horizontalen Mittelebene der bügelförmigen Glieder (20, 20a) liegt und einen vertikalen Schlitz (42) aufweist, um den Durchtritt der Lichtstrahlen des optischen Systems zu ermöglichen, wobei auf der Auflageplatte ruhen ein zylindrischer Prüfling (36), dessen Durchmesser zu messen ist, sowie ein Anschlag (40, 40a) und ein optisches Normal (58, 28a), die temperaturkompensiert sind; und

durch eine Einrichtung zum Erfassen der während der Verschiebung Jedes Schlittens (10, lOa) auftretenden Abdunklung der Lichtstrahlen (50, JOa) durch den Anschlag (4o, 40a), das Normal (38, 58a) und den Prüfling (36). ₄

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2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (13) zum automatischen Programmieren der Me3zyklen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Motoreinheit (6, 6a) zur Verschiebung jedes Schlittens (10, 10a) ein Schrittschaltmotor (12) ist, der auf dem Ständer (2) befestigt ist und über ein Untersetzungsgetriebe (14, l4a) eine Gewindespindel (16) antreibt, die mit einer am Schlitten (10, 10a) befestigten Wandermutter (l8) kämmt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Motoreinheit (6) zur Verschiebung jedes Schlittens (10, 10a) ein kontinuierlich rotierender Motor (6) mit einem Drehcodierer ist, der auf dem Ständer (2) befestigt ist und über ein Untersetzungsgetriebe (14) eine Gewindespindel (l6) antreibt, die mit einer am Schlitten (10, 10a) befestigten Wandermutter (l8) kämmt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erfassung des Verschiebungszustands des einen Schlittens (10) im Vergleich zum anderen Schlitten (10a) einen Schrittzähler (35) hat, der in Subtraktionsrichtung die Verschiebungen, die die beiden Schlitten (10, 10a) einander annähern, und in Additionsrichtung die Verschiebungen, die die beiden Schlitten voneinander entfernen, registriert.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dai die Einrichtung zur Registrierung des Verschiebungszustands des einen Schlittens (10) gegen den anderen Schlitten (10a) einen Drehwinkelzähler hat, der in der Subtraktionarichtung die verschiebungen, die die beiden Schlitten (10, 10a) einander annähern, und in der Additionsrichtung die Verschiebungen, die die beiden Schlitten voneinander entfernen, registriert.

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7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß daa zu jedem bügeiförmigen Glied (20) gehörende optische System in Ausbreitungsrichtung des Lichts aufweist eine stabile Lichtquelle (22, 22a) und ein erstes Kapillarrohr (24, 24a), die beide auf dem ersten Arm des bügeiförmigen Glieds befestigt sind, sowie ein zweites Kapillarrohr (26, 26a) und einen lichtempfindlichen Empfänger (28., 28a), die beide auf dem zweiten Arm des bügeiförmigen Glieds (20, 20a) befestigt sind, wobei die beiden Kapillarrohre sehr genau dieselbe geometrische Achse haben, die sehr genau die Lichtstrahlen (50, JOa) definiert.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7* dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (22, 22a) eine Glühlampe ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (22) eine Galliumarsenid-Diode ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7/ dadurch gekennzeichnet, dai3 der lichtempfindliche Empfänger (28, 28a) eine Silizium-Potcdiode ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Motor (12, 12a) automatisch durch eine Impulsfolge (H₁, Hg, H,> Hj.) gesteuert ist, um das Arbeitsprogramm der Me3vorrichtung zu bestimmen, wobei die Abdunklung jedes Lichtstrahls (^0, JOa) durch den Normalanschlag (38, 58a) und den Prüfling (36) jedesmal das Stillsetzen oder eine Richtungsumkehr der Motoren auslöst.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsprogramm einen Einheits- oder Einzelmeßzykluc (65) für die Messung eines einzigen Prüflings (56) bestimmt.

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I3. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß aas Arbeitsprogramm einen Wiederholungszyklus (66) für die schnelle Messung einer großen Anzahl von Prüflingen (36) bestimmt.

Iv. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daS die Abdunklung der Lichtstrahlen (30, 30a) definiert und genau erfaßbar sowie reproduzierbar ist durch das Überschreiten eines vorbestimmten Werts (i_d)> der im wesentlichen gleich dem halben Maximalwert (i ) des den lichtempfindlichen Empfänger (28, 28a), erreichenden Lichtstroms ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (56, 58) für den automatischen Weitertransport der Prüflinge (36) in das Meßfeld auf einem Schlitz (44) mit V-förmig aufgeweiteten Seitenwänden (46) in der ortsfesten Auflageplatte

16. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensation von Temperaturschwankungen am Meßort durch Einwirkung auf die Dilatation des Trägers (34) des Normalanschlags (38, 38a) erfolgt.

17. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Vorwähler (33), der der Registriereinrichtung (32) und der Anzeigeeinrichtung (35) des Verschiebungszustands der Schlitten (10, 10a) zugeordnet ist, um eine periodische Neueinstellung dieser Einrichtungen auf die Abmessung der Anschlagnormale (38, 38a) vorzunehmen, die manuell am Vorwähler eingestellt wird.

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