DE2061235B2 - Photoelektrische laengenmessvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine photoelektrische Längenmeßvorrichtung zur Bestimmung der Abmessung eines Meßobjekts, mit einem photoelektrischen Tastkopf mit einem Spiegelrotor zur Abtastung eines das Meßobjekt enthaltenden Gesichtsfeldes, und einem mit dem photoelektrischen Tastkopf synchron und phasenstarr gekoppelten Impulsgenerator sowie einer Zähleinrichtung zur Zählung der vom Impulsgenerator gelieferten Impulse.

Bei einer bekannten photoelektrischen Längenmeßvorrichtung dieser Art (DT-PS 12 94 048) besteht der Impulsgenerator aus einem mit dem photoelektrischen Tastkopf um eine gemeinsame Achse umlaufenden magnetischen Aufzeichnungsträger, dem ein ortsfester Magnetkopf zugeordnet ist. Der photoelektrische Tastkopf ist dadurch synchron und phasenstarr mit dem Impulsgenerator gekoppelt. Es ist weiter eine Zähleinrichtung vorgesehen, die die auf dem Aufzeichnungsträger gespeicherten Impulse zählt Zu Eichzwecken werden mittels einer Lichtquelle, die in bestimmten Schritten durch das Gesichtsfeld des photoelektrischen Tastkopfes hindurchgeführt wird, Impulsfolgen erzeugt, die auf den magnetischen Aufzeichnungsträger gegeben werden. Aus dem Vergleich dieser Impulsfolge mit den bei der Längenmessung von dem photoelektrischen Tastkopf in die Zähleinrichtung eingezählten Impulse ergibt sich eine lineare Anzeige der Länge, mit der das Meßobjekt in das Gesichtsfeld des photoelektrischen Tastkopfes hineinragt.

Eine solche Längenmeßvorrichtung hat den Nachteil, daß damit nur immer jeweils ein Ende des Meßobjekts erfaßt wird, so daß entweder zwei dieser Vorrichtungen oder eine normierte Lage des Meßobjekts erforderlich sind, wenn die Länge des Meßobjekts zwischen seinen Enden bestimmt werden soll, wobei gleichzeitig ein bestimmter Abstand zu dem Gesichtsfeld der photoelektrischen Längenmeßvorrichtung mit der erforderlichen Genauigkeit eingehalten werden muß. Die bekannte Längenmeßvorrichtung ist daher eher zur Ermittlung der Lage des Endes eines Meßobjekts in bezug auf eine definierte Ausgangslage geeignet und nicht ohne weiteres zur unmittelbaren Messung der gesamten Länge eines Meßobjektes. Ein weiterer Nachteil der bekannten Vorrichtung liegt darin, daß das Eichverfahren relativ kompliziert ist und die für die Anwendung der Eichimpulse erforderliche Winkelsynchronisation zwischen dem Aufzeichnungsträgei und dem photoelektrischen Tastkopf über längere Betriebszeiten der Vorrichtung nicht mit der gewünsch ten Genauigkeit erhalten bleibt.

Es ist weiterhin eine Anordnung bekannt (GB-PS 10 88 910), bei welcher durch ein Abtastlichtbündel welches einen Kreisbogen beschreibt, ein mit einen Umkehrreflektor versehener Ze'gcr abgetastet wird Mit den Ablenkmitteln für das Abtastlichtbündel lauf ein Impulsgenerator in Gestalt einer Schlitzscheibe ut die photoelektrisch abgetastet wird. Auch hier wird eil Zähler, in den die Impulse von der Schlitzscheibi eingezahlt werden, durch die Abtastirnpulse, die bein Erfassen des Zeigers erhalten werden, gesteuert.

Hierbei handelt es steh um die Abtastung eines Zeigers über eine Skala. Eine solche Anordnung ist nicht für die Abtastung linearer Meßobjekte geeignet

Es ist weiterhin eine Einrichtung zur Einstellung eines beweglichen Körpers, z.B. zur Einstellung eines Werkzeugmaschinentisches oder Schlittens bekannt, bei welcher dem beweglichen Körper eine grobgeteilte Skala zugeordnet ist Es ist eine zweite grobgeteilte Skala vorgetchen. Zum Vergleich der Stellungen der beiden Skalen gegeneinander werden die Skalen mit Hilfe von optischen Mitteln synchron abgetastet, beispielsweise mittels zweier Abtastlichtbündel, die über ein oder mehrere Oszillierelemente längs der Skalen hin und her bewegt werden. Die Impulse, die von der feingeteilten Skala herrühren, werden in einen Zähler eingezählt Durch den Impuls von der grobgeteilten Skala wird eine Torschaltung freigegeben, welche einen Vergleich des Zählerstandes mit einer Bezugszählung in einer Einstellvorrichtung auslöst Bei einer Abweichung wird ein Servomotor eingeschaltet, der den beweglichen Körper in eine Sollage nachführt (Schweizer Patentschrift 3 15 921). Es handelt sich bei dieser Anordnung um eine digitale Einstellvorrichtung und nicht um eine Meßvorrichtung für irgendwelche beliebigen Meßobjekte. Insbesondere sind in der genannten Druckschrift die optischen Mittel für die Erzeugung der Impulse nicht offenbart

Der Erfindung liegt die spezielle Aufgabe zugrunde, eine photoelektrische Längenmeßvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, durch welche im wesentlichen beliebige Meßobjekte innerhalb des Gesichtsfeldes gemessen werden können, ohne daß besondere, komplizierte Eichverfahren für die Meßanordnung erforderlich sind.

Erfindungsger.iäß wird dies durch die Vereinigung der folgenden Merkmale erreicht:

a) der Tastkopf enthält in an sich bekannter Weise eine Lichtquelle und ein abbildendes optisches System mit einer im Strahlengang angeordneten Spaltblende zur Erzeugung eines über den Spiegelrotor geleiteten Abtastlichtbündels,

b) im Strahlengang des Abtastlichtbündeis ist eine Konturlichtblende angeordnet, von welcher ein Blendenteil durch den Spiegelrotor und einen parabolischen Spiegelstreifen auf einem Rasterspiegel abgebildet wird, während der zweite Teil des Konturblendenbildes neben dem Rasterspiegel liegt und ein über das abzutastende Gesichtsfeld mit dem Meßobjekt streichendes Teillichtbündel bildet,

c) der Rasterspiegel weist im gleichen Abstand hintereinanderliegende reflektierende und nichtreflektierende Zonen auf, deren Breite der Breite des projizierten Lichtspaltes der Komurblende entspricht,

d) das von einer reflektierenden Zone des Rasterspiegels zurückgeworfene Teillichtbündel trifft über den parabolischen Spiegelstreifen, den Spiegelrotor und über einen zur Bündelachse geneigten teildurchlässigen Spiegel auf einen ersten photoelektrischen Empfänger, während das an dem Rasterspiegel vorbeigehende, das Meßobjekt abtastende Teillichtbündel über einen den Hintergrund des abgetasteten Gesichtsfeldes bildenden Umkehrreflektor, den Spiegelstreifen, den Spiegelrotor und einen teildurchlässigen Spiegel auf einen zweiten photoelektrischen Empfänger gelangt.

Vorteilhafterweise enthält die Konturblende einen spaltförmigen Teil, der auf dem Rasterspiegel abgebildet wird, sowie eine verbreiterte Durchtrittsöffnung für das an dem Rasterspiegel vorbeigehende Teillichtbündel. Der Tastkopf kann einen parabolischen Spiegel-

> streifen enthalten, in dessen Brennpunkt der Spiegelrotor angeordnet ist Der Spiegelrotor kann mit sphärischen Hohlspiegeln aufgebaut sein. Weiterhin kann ein dritter photoelektrischer Empfänger in der Brennebene des parabolischen Spiegelstreifens angeordnet sein, auf welchen das Abtastlichtbündel von dem Spiegelrotor zu Beginn jeder Abtastperiode zur Erzeugung eines Referenzsignals unmittelbar geleitet wird.

Bei der erfindungsgemäßen Längenmeßvorrichtung besteht das auf den Spiegelrotor fallende Lichtbündel aus einem schmalen und einem breiten Teillichtbündel. Das schmale Teillichtbündel wird auf den Rasterspiegel geworfen und erzeugt dadurch an dem ersten photoelektrischen Empfänger eine Folge von Impulsen, deren Abstand durch die Rasterteilung des Rasterspiegels vorgegeben wird und deren Anfang durch einen von dem dritten photoelektrischen Empfänger ausgehenden Impuls gegeben wird. Das breite Teillichtbündel wird gleichzeitig mit dem schmalen Teillichtbündel

:s erzeugt und durch das Gesichtsfeld geleitet und vermittels des Umkehrreflektors in sich zurückgeworfen; am zweiten photoelektrischen Empfänger entsteht so innerhalb eines Durchlaufs ein Dauersignal, das bei Vorhandensein eines Meßobjekts entsprechend dessen Länge unterbrochen wird. Die Impulsfolge am ersten photoelektrischen Empfänger liefert somit einen »Längenmeßstab« zur unmittelbaren Bestimmung der Länge des Meßobjekts. Bei dieser Längenmeßvorrichtung werden daher beide Enden des Meßobjekts erfaßt und die Längenmeßimpulse bei jeder einzelnen Abtastperiode gemeinsam mit den Vergleichsimpulsen erzeugt, so daß die Gesamtlänge des Meßobjekts unter Bedingungen gemessen wird, unter denen die Synchronisation und Phasengleichheit der Vergleichsimpulse und der Meßimpulse stets gewährleistet sind. Die Abbildung der Konturblende erfolgt dabei in einer solchen Weise, daß die Teillichtbündel hinreichend eng sind, um scharfe Impulse bzw. Signalflanken zu erhalten. Das Gesichtsfeld wird von dein breiteren Teillichtbündel durchsetzt,

4.s so daß eine genügend hohe Lichtintensität für die Messung zur Verfugung steht und die Messung weniger störempfindlich in bezug auf die optischen Eigenschaften der Meßobjekte ist.

Die Erfindung ist nachstehend an einem Ausführungsso beispiel unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert:

Fig. 1 zeigt in perspektivisch schematischer Darstellung eine photoelektrische Längenmeßvorrichtung nach der Erfindung;

F i g. 2 zeigt eine bei dieser Anordnung verwandte Konturblende;

F i g. 3 ist ein Beispiel für eine Schaltung zur Signalverarbeitung bei der VoTichtung nach F i g. 1;
F i g. 4 zeigt die zugehörigen Signalverläufe.

i>" Das Licht einer Glühlampe 1 wird durch eine Kondensorlinse 2 gebündelt und über einen Umlenkspiegel 3 auf eine Blende 4 geleitet. Auf der Blende 4 wird ein Bild der Lampenwendel erzeugt. Das durch die Blende 4 hindurchtretende Licht wird von einer Linse 5

<>s gebündelt und durchsetzt darin die Konturblende 6 mit einem spaltförmigen Teil 17 und einer verbreiterten Durchtrittsöffnung 18 und dann zu 50% einen zur Bündelachse geneigten, geteilten halbdurchlässigen

Spiegel 7,8. Die Konturblende 6 wird dadurch auf einem der Hohlspiegel 9 bzw. 9' eines Spiegelrotors mit zwei Hohlspiegeln 9,9' abgebildet; sie ist in F i g. 2 nochmals dargestellt.

Das von dem als sphärischen Spiegel ausgebildeten Hohlspiegel 9 umgelenkte Licht trifft auf einen parabolischen Spiegelstreifen 10, wird hier abermals umgelenkt und erscheint als Bild der Konturblende 6 in der Ebene eines Rasterspiegels 11 und eines Lichtaustrittsfensters 12.

Dabei wird der spaltförmige Teil 17 auf dem Rasterspiegel 11 abgebildet, während die verbreiterte Durchtrittsöffnung 18 auf dem Lichtaustrittsfenster 12 liegt Somit entstehen zwei nebeneinanderliegende Lichtbündel: ein Teillichtbündel, das durch den spaltförmigen Teil 17 hervorgerufen wird und den Rasterspiegel 11 abtastet, und ein Teillichtbündel, das durch die verbreiterte Durchtrittsöffnung 18 hervorgerufen wird und das Gesichtsfeld in Gestalt einer Meßzone abtastet, in welcher sich ein Meßobjekt befinden kann.

Der Rasterspiegel 11 besitzt im gleichen Abstand hintereinanderliegende reflektierende und nichtreflektierende Zonen. Die Breite der reflektierenden bzw. nichtreflektierenden Zonen entspricht der Breite des projizierten spaltförmigen Teils 17 der Konturblende 6. Trifft das Licht dieses Teillichtbündels auf eine reflektierende Zone des Rasterspiegels 11, so wird das Licht zurückgeworfen und gelangt über den parabolischen Spiegelstreifen 10, den Hohlspiegel 9 des Spiegelrotors und über den Teil 7 des halbdurchlässigen Spiegels auf einen ersten photoelektrischen Empfänger !4.

Das Licht des anderen Teillichtbündels wird mittels einer Zylinderlinse 13 gebündelt, durchläuft die Meßzone und gelangt auf einen Umkehrreflektor 16. Hier wird das Lichtbündel in sich reflektiert und gelangt durch die Zylinderlinse 13 auf den Spiegelstreifen 10, den Hohlspiegel 9 und so über den anderen Teil 8 des teildurchlässigen Spiegels auf den zweiten photoelektrischen Empfänger 15.

Wird der auf der Motorachse befestigte Spiegelrotor mit den Spiegeln 9 und 9' in Drehung versetzt, so entsteht eine Tastperiode und eine Dunkelperiode. Jede Periode entspricht einem Drehwinkel von 90° des Motors. Ein dritter photoelektrischer Empfänger 19 wird zu Beginn jeder Tastperiode kurz mit Licht beaufschlagt und liefert einen Startimpuls.

Überstreicht das durch den spaltförmigen Teil 17 tretende Teillichtbündel während der Tastpetiode den Rasterspiegel U, so entstehen am Ausgang des photoelektrischen Empfängers 14 elektrische Impulse, hervorgerufen durch die aufeinanderfolgendien HeIl- und Dunkelzonen des Rasterspiegels U. Die Anzahl der Impulse entspricht der Anzahl der Hellzonen auf dem Rasterspiegel. Ein Meßobjekt in der Meßzone wird das während der Tastperiode hindurchlaufende Teillichtbündel im Bereich seiner Länge abdunkeln, so daß an dem photoelektrischen Empfänger 15 während dieses Teils der Tastperiode ein Dunkelsignal entsteht und am Ausgang des photoelektrischen Empfängers 115 für die Zeit dieses Dunkelsignals die Spannung zusammenbricht Die Impulse der photoelektrischen Empfänger 14 und 15 werden in je einem Vorverstärker 20 bzw. 21 verstärkt, durchlaufen je eine Impulsformerstufe und werden einer Torschaltung 22 zugeführt, wobei dem Vorverstärker 21 noch ein Inversionsglied nachgeschaltet ist Die Phasenlage der beiden Signale ist dann so, daß nur während des Dunkelsignals des die Meßzone

überstreichenden Teillichtbündels die durch den Rasterspiegel 11 hervorgerufenen Impulse das Tor 22 passieren können. Die Anzahl dieser Impulse hängt von der Länge des Meßobjektes bzw. der Zahl der während dieser Zeit überstrichenen Hellzonen des Rasterspiegels 11 ab. Wird die Anzahl dieser Impulse mit dem Abstand der verspiegelten Zonen auf dem Rasterspiegel 11 multipliziert, so erhält man die Länge des Meßobjektes. Das Signal des photoelektrischen Empfängers 19 dient zum Rücksetzen eines (nicht gezeigten) Zählers für die Impulsfolgen nach jedem Abtastvorgang. Dieser Ablauf ist im einzelnen in F i g. 4 dargestellt:

In der oberen Zeile dieser Figur ist die Impulsfolge am ersten photoelektrischen Empfänger 14 während eines Umlaufs des Spiegelrotors dargestellt, während die unterste Zeile dieser Figur die entsprechenden, am dritten photoelektrischen Empfänger 19 entstehenden Startimpulse zeigt In der zweiten Zeile der Fig.4 ist der Signalverlauf am zweiten photoelektrischen Empfänger 15 dargestellt, während die dritte Zeile dieser Figur die Impulsfolge am Ausgang der Torschaltung 22 wiedergibt.

Man erkennt aus der ersten und vierten Zeile, daß unmittelbar mit dem Auftreten des Startimpulses der erste photoelektrische Empfänger 14 eine Impulsfolge entsprechend der Folge von Hell- und Dunkelzonen auf dem Rasterspiegel 11 abgibt, die durch den Hohlspiegel 9 des Spiegelrotors während der Tastperiode, einer Viertelperiode seiner Umdrehung, erzeugt wird. In der Meßzone befindet sich kein Meßobjekt, und so erzeugt das von dem Umkehrreflektor zurückgeworfene Licht während der Tastperiode am zweiten photoelektrischen Empfänger 15 das in der zweiten Zeile dargestellte Lichtsignal. Dieses Lichtsignal wird invertiert, so daß die als UND-Glied ausgebildete Torschaltung 22 an ihrem Ausgang ohne Signal bleibt Dementsprechend zeigt die dritte Zeile in F i g. 4 während der ersten Tastperiode kein Signal.

An die erste Tastperiode schließt sich die erste Dunkelperiode an, die während der zweiten Viertelperiode des Spiegelrotors besteht Während dieser Dunkelperiode fällt kein Licht vom Spiegelrotor auf den parabolischen Spiegelstreifen 10, so daß an den photoelektrischen Empfängern 14,15 und 19 und somit auch am Ausgang des UND-Gliedes 22 kein Signal anliegt

Für die weitere Schilderung wird angenommen, daß sich innerhalb der Meßzone ein Meßobjekt befindet.

In der dritten Viertelperiode des Spiegelrotors wird wie in seiner ersten Viertelperiode durch das vom Hohlspiegel 9' reflektierte Licht die zweite Tastperiode erzeugt. Dementsprechend entsteht wie vorher unmittelbar mit dem Startimpuls am dritten photoelektrischen Empfänger 19 die durch den Rasterspiegel 11 erzeugte Impulsfolge am ersten photoeiektrischen Empfänger 14 (erste und vierte Zeile in Fig.4), während das am zweiten photoelektrischen Empfänger 15 erzeugte Lichtsignal jetzt durch ein Dunkelsignal unterbrochen wird, dessen Länge von der Länge des Meßobjektes bestimmt ist (zweite Zeile in Fig.4). Nur während dieses Dunkelsignals ist die Torschaltung geöffnet, so daß während dieses Dunkelsignals der entsprechende Teil der Impulsfolge vom photoelektrischen Empfänger 14 an ihrem Ausgang anliegt bzw. in den (nicht gezeigten) Zähler eingezählt und in der angegebenen Weise ausgewertet wird. Nach dem Überstreichen des Meßobjektes entsteht an dem zweiten photoelektrischen Empfänger 15 wieder das

Lichtsignal, wodurch die Torschaltung 22 schließt und die Zählung beendet wird (dritte Zeile in Fig.4). Am Ende der dritten Viertelperiode des Spiegelrotors ist dann die Impulsfolge am ersten und das restliche Lichtsignal am dritten photoelektrischen Empfänger beendet.

An die zweite Tastperiode schließt sich wie an die erste Tastperiode eine zweite Dunkelperiode entspre-

chend der vierten Viertelperiode des Spiegelrotors an.

Mit dem Startimpuls der daran anschließenden ersten Tastperiode entsprechend der ersten Viertelperiode des nächsten Umlaufs des Spiegelrotors kann der (nicht gezeigte) Zähler auf Null zurückgesetzt werden. Es wiederholt sich dann der vorgeschriebene Ablauf, wie dies für die dritte Tastperiode in Zeilen 1 bis 4 vor F i g. 4 dargestellt ist.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Photoelektrische Längenmeßvorrichtung zur Bestimmung der Abmessung eines Meßobjektes, mit einem photoelektrischen Tastkopf mit einem SpiegeSrotor zur Abtastung eines das Meßobjekt enthaltenden Gesichtsfeldes, und einem mit dem photoelektrischen Tastkopf synchron und phasenstarr gekoppelten Impulsgenerator sowie einer Zähleinrichtung zur Zählung der vom Impulsgenerator gelieferten Impulse, gekennzeichnet durch die Vereinigung der Merkmale, daß

a) der Tastkopf in an skh bekannter Weise eine Lichtquelle (I) und ein abbildendes optisches System (2, 5) mit einer im Strahlengang angeordneten Spaltblende (4) zur Erzeugung eines über den Spiegelrotor (9, 9') geleiteten Abtastlichtbflindels enthält,

b) im Strahlengang des Abtastlichtbündels eine Konturblende (6) angeordnet ist, von welcher ein Blendenteil (17) durch den Spiegelrotor (9, 9') und einen parabolischen Spiegelstreifen (10) auf einem Rasterspiegel (U) abgebildet wird, während der zweite Teil (18) des Konturblendenbildes neben dem Rasterspiegel (U) liegt und ein über das abzutastende Gesichtsfeld mit dem Meßobjekt streichendes Teillichtbündel bildet,

c) der Rasterspiegel (11) im gleichen Abstand hintereinander liegende reflektierende und nichtreflektierende Zonen aufweist, dessen Breite der Eireite des projizierten Lichtspaltes (17) der Konturblende («*) entspricht,

d) das von einer reflektierenden Zone des Rasterspiegels (11) zurückgeworfene Teillichtbündel über den parabolischen Spiegelstreifen (10), den Spiegelrotor (9,9') und über einen zur Bündelachse: geneigten teildurchlässigen Spiegel (7) au! einen ersten photoelektrischen Empfänger (14) trifft, während das an dem Rasterspiegel (11) vorbeigehende, das Meßobjekt abtastende Teillichtbündel über einen den Hintergrund des abgetasteten Gesichtsfeldes bildenden Umkehrreflektor (16), den Spiegelstreifen (10), den Spiegelrotor (9, 9') und einen teildurchlässigen Spiegel (8) auf einen zweiten photoelektrischen Empfänger (15) gelangt

2. Photoelektrische Längenmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Konturblende (6) einen spaltförmigen Teil (17) enthält, der auf dem Rasterspiegel (U) abgebildet wird, sowie eine verbreiterte Durchtrittsöffnung (18) für das an dem Rasterspiegel (11) vorbeigehende Teillichtbündel aufweist.

3. Photoelektrische Längenmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tastkopf einen parabolischen Spiegelstreifen (10) enthält, in dessen Brennpunkt der Spiegelrotor (9,9') angeordnet ist.

4. Photoeleki;rische Längenmeßvorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegelrotor (9, 9') mit sphärischen Hohlspiegeln aufgebaut ist.

5. Photoelektrische Längenmeßvorrichtung nach Ansprüchen 1 his 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter Photoelektrischer Empfänger (19) in der Brennebene des parabolischen Spiegelstreifens (10) angeordnet ist, auf welchen das Abtastlichtbündel dem Spiegelrotor (9, 9') zu Beginn jeder E

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Abtastperiode zur Erzeugung eines Referenzsignals unmittelbar geleitet wird.