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Verfahren und Einrichtung zur berührungslosen Messung an rotierenden
Werk stücken Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie Einrichtungen zur berührungslosen
Messung an rotierenden Werkstücken.
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Insbesondere solien die Umfangsgeschwindigkeit, die Wi.nkelgeschwindigkeit
und daraus der momentane Radius des Werkstücks bestimmt werden.
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Es sind verschiedene Anordnungen bekannt, mit denen auf optischem
Wege ohne mechanische Antastung die genaue Begrenzung zweier gegenüberliegender
reflektierender Oberflächen ermittelt und daraus der Durchmesser des Werkstücks
bestimmt werden kann. Bei der Rotation des Werkstücks können dabei auch Unterschiede
im Radius beobachtet werden, ohne daß sich daraus jedoch der AbsolutbetragX des
Radius an einer bestimmten Stelle ergibt.
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Zur Messung von Geschwindigkeiten ist es bekannt, das Objekt bei Reflexion
des auftreffenden Lichtstrahls Dopplerfrequenzverschiebungen bewirken zu lassen.
Die Frequenz des reflektierten Lichtes wird proportional zur Geschwindigkeitskomponente
des Werkstücks in Richtung des analysierten Lichtes dopplerverschoben und in einem
dem Michelson-Interferometer ähnlichen Gerät der unverschobenen Frequenz des Meßstrahles
überlagert. Aus der ich ergebenden Schwebungsfrequenz kann die Geschwindigkeitskompouente
bestinnut werden.
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Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein neues Verfahren zur berührungslosen
Radienmessung an rotierenden Werkstück ken anzugeben. Dabei soll unter Verwendung
einer monochromatischen, kohärenten Strahlung die Geschwindigkeit möglichst ohne
dem Michelson-Interferometer ähnliche optische Aufbauten erfolgen und es soll in
die Lichtquelle zurückkehrendes Licht vermieden werden.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, das sich dadurch auszeichnet,
daß die Umfangsgeschwindigkeit u des zu vermessenden Werkstücks aus der durch Wechselwirkung
zwischen der kohärenten Strahlung und dem rotierenden Werkstück resultierenden Frequenzverschiebung
| der Strahlungswellenlänge X gemessen wird, daß gleichzeitig die Winkelgeschwindigkeit
0 des Werkstücks gemessen wird, und daß anschließend der Quotient u/e als dem Radius
r proportionale Größe bestimmt
und erforderlichenfalls angezeigt wird.
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Besondere Vorteile bietet das neue Verfahren, wenn zur Messung der
Umfangsgeschwindigkeit u die Meßstrahlung tangential am Werkstück streifend vorbeigeruhrt
wird, dabei durch Beugung und Streuung an der bewegten Werkstückoberfläche Strahlungsanteile
aus der ursprünglichen Richtung abgelenkt und in ihrer Frequenz um |##d| verschoben
werden, diese vom Werkstück beeinflußten Strahlungsanteile und solche, die nicht
beeinflußt wurden, mit Hilfe optischer Mittel in eine übereinstimmende Richtung
gebracht und aus der übrigen Strahlung isoliert werden, die isolierten Strahlungsanteile
an einem photoelektrischen Wandler zur Schwebung gebracht werden und aus der Schwebungsfrequenz
die Umfangsgeschwindigkeit bestimmt wird.
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Es ist jedoch auch möglich, daß zur Messung der Umfangsgeschwindigkeit
u nur die vom Werkstück beeinflußten StrKllungsanteile verwendet werden und die
der Umfangsgeschwindigkeit proportionale Frequenzverschiebung |##D| mit Hilfe eines
optischen Resonators bzw. eines Zweistrahlinterferoineters mit hohem Gangunterschied
und zumindest einem foto elektrischen Wandler in ein Meßsignal umgewandelt wird.
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Die Messung der lDinkelgeschwilldigkeit te erfolgt geeigneterweise
unter Vorwendung modtlliertor Licht strahlen.
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Der Quotientenbildung u/ können auch Zeitintervalle für die Umfangs
und/oder Winkelgeschwindigkeitsmessung zugrun -degelegt werden, die sich von der
Zeit eines Umlaufs des Werkstücks; unterscheiden.
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Weitere Vorteile ergeben sich, wenn ein Teil der Strahlung hinter
der Meßstelle als Steuergröße zur Nachsteuerung der Relativlage zwischen Werkstück
und beleuchtender Strahlung verwendet wird.
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Eine Einrichtung zur Durchführung des neuen Verfahrens kann so aufgebaut
sein, daß eine Quelle zur Erzeugung eines mit seiner optischen Achse das Werkstück
tangential berührenden Meßstrahls mit geringer optischer Frequenzbandbreite der
spektralen Eomponente(n) vorgesehen ist, daß in Lichtrichtung gesehen hinter dem
Werkstück eine Streuscheibe angeordnet ist, daß hinter dieser Streuscheibe ein sammelndes
optisches Glied angeordnet ist, dessen optische Achse mit der Richtung der Achse
des am Werkstück gebeugten Strahlungsanteils übereinstimmt, daß im Brennpunkt der
achsenparallel in dieses sammelnde Glied einfallenden Strahlen eine Lochblende angeordnet
ist, daß hinter der Lochblende ein Nachweisgerät für die durohtretende
Strahlung
vorgesehen ist, daß mit der Drehachse des Werkstücks ein Signalgeber für die Winkelgeschwindigkeit
gekoppelt ist, und daß dem Nachweisgerät und dem Signalgeber eine gemeinsame Rechenstufe
sowie ein Anzeigegerät nachgeordnet sind.
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Die Streuscheibe ist dabei in vorteilhafter Weise als Phasengitter
ausgebildet. Als sammelndes optisches Glied kann insbesondere ein Linsen- bzw. Spiegelobjektiv
vorgesehen sein, in dessen Brennebene unter Fortfall der Lochblende ein dem ausgewählten
Lichtrichtungsbereich entsprechend begrenztes fotoempfindliches Flächenelement angeordnet
ist.
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Das Nachweisgerät kann entweder ein Signalgeber für amplitudenproportionale
Signale oder ein Signalgeber für die Größe auftretender Frequenzänderungen in der
Strahlung sein.
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Besonders zweckmäßig ist es, die den Meßstrahl zur Werkstuckantastung
erzeugenden Bauelemente und die die Signalerzeugung bewirkenden Bauelemente als
feste Baueinheit auszubilden und diese Baueinheit bezüglich der Relativlage zwischen
Werkstück und beleuchtender Strahlung justierbar zu machen.
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Als mitdrehendes Teil des Signalgebers für die Winkelgeschwindigkeit
kann besonders ein Phasen- oder ein Amplitudengitter vorgesehen sein.
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Der Rechenstufe kann auch mindestens ein frequenzbeeinflussendes Bauteil
vorgeschaltet seine Besondere Vorteile bietet die Einrichtung, wenn der Rechenstufe
ein die Relativlage zwischen dem Werkstück und einem dieses bearbeitenden Werkseug
beeinflussender Regelkreis nachgeordnet ist.
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Im Prinzip können für die Bestimmung der Umfangsgeschwindigkeit die
verschiedensten optischen Anordnungen mit doppierverschobenem Licht Yerw-eTIdung
finden. Diese können sowohl mit vom rotierenden Werkstück zurtickreflektiertem Licht
arbeiten, als auch mit am Werkstück streifend vorbeigegangenem Licht. Die letztgenannte
Art ist dabei besonders vorteilhaft, weil sie ohne interferometerähnliche optische
Einrichtungen au skomnt und dadurch Rückkopplungen auf die Lichtquelle unmöglich
sind.
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Durch das Vorbeistreichen an der Werkstückkante entstehen Beugungssäume,
deren Lichtrichtung etwas gegenüber der ursprünglichen Lichtrichtung geneigt ist.
Lenkt man aus dem die Hauptintensltät enthaltenden, am Werkstück vorbeigegangenen
Beleuchtungsstrahlenbündel mit Hilfe einer Streuscheibe, eines Beugungsgitters oder
eines teildurchlässigen Spiegels einen dem abgebeugten Strahl etwa intensitätsgleichen
Teil in die gleiche Richtung wie den abgebeugten Strahl, so werden beide Strahlenanteile
selbst bei Parat ltelversatz in der Brennebene eines Objektivs wieder vereinigt.
Da gleiche Punkte in der Brennebene auch gleichen Richtungen vor dem Objektiv entsprechen,
selektiert das Objektiv in seiner Brennebene wohldefinierte Beugungsrichtungen,
wodurch das Signal- zu Rausch-Verhältnis s im Signal verbessert wird. Die beiden
gegeneinander frequenzverschobenen Strahlungsanteile können als Schwebungennachgewiesen
werden.
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Wirkt die Werstücksoberfläche stark depolarisierend, so kann durch
einen zusätzlichen Analysator die Interferenzfähigkeit zwischen gebeugtem umd ursprünglichen
Licht verbeasert werden.
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Da die Frequenzen des Schwebungssignals im allgemeinen höher sind
und in einem nichtganzzahligen Verhältnis zu den Frequenzen der Winkelgeschwindigkeitssignale
stehen körsuen., ist es vorteilhaft, durch Frequenzmultiplika tions- bzw. Frequenzdivisionseinrichtungen
bei der Anwendung von Schwebungsverfahren leicht handhabbare Frequenzverhältnisse
herzustellen, um die Radiusauswertung zu erleichtern.
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Baut man alle Baugruppen, wie- Strahlerzeugung, Llchtverreinigung
und fotoelektrische Wandler zu einer festen Einheit zusatnmen, so läßt sich diese
Einheit stets an die Peripherie des Werkstücks nachführen. Diese Nachführung kann
unter Verwendung des sich aus einer Messung des auf einen fotoelektrischen Empfänger
gelangten Lichtflusses ergebenden Signalpegels geregelt werden.
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Bei Anwendung der neuen Einrichtung bei Werkzeugmaschinen können die
Ausgangssignale als Regel signale für die Nachstellung des Werkzeuges oder des Werkstückes
benutzt werden.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der neuen Einrichtung
schematisch dargestellt. Es zeigen: Fig, 1 den Strahlengang für die berührungslose
Messung der Umfangsgeschwindigkeit, Fig. 2 die prinzipielle Anordnung zur Erzeugung
von Signalen für die Winkelgeschwindigkeit1 Fig. 3 die Auswerteelektronik als Blockdiagramm
und Fig. 4 u. 5 Beispiele für Werkstückformen, deren Radien sich mit der neuen Einrichtung
bestimmen lassen.
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In Fig. 1 erzeugt ein Laser 1 ein monochromatisches, kohärentes Meßstrahlenbündel,
das mittels einer Linse 2 aufgeweitet wird, Die optische Achse 3 des Meßstrahlenbündels
berührt das Werkstück 4 tangential an der Stelle 5. Durch eine Zylinderlinse 6 wird
das Meßstrahlenbündel auf eine die Beruhrungsstelle 5 elithalUe.nde Mantellinie
parallel zur Drehachse des Werkstücks 4 fokussiert. Diese Mantellinie wirkt als
beugende Kante. Der Stelle 5 ist eine Linse 7 derart nachgeordnet, daß ihre optische
Achse mit der Richtung des ersten Beugungsmaximums zusammenfällt. Die Linse 7 bildet
die achsenparallel einfallenden Strahlen in eine in ihrer Brennebene stehende Lochblende
8 ab. Ferner ist der Stelle 5 eine Streuscheibe 9 nachgeschaltet, die so ausgelegt
ist, daß sie einen Teil der Meßstrahlung, der nicht in Wechselwirkung mit der Mantellinie
des Werkstücks getreten ist, ebenfalls in die Richtung des ersten Beugungsmaximums
streut. Durch geeignete Wkhl der Streuscheibe, beispielsweise als geblaztes Phasengitter
mit schwacher Sägezahnstruktur, kann erreicht werden, daß der Hauptanteil des Lichtes
ungebeugt hindurchgeht und nur ein geringer Teil in Richtung der optischen Achse
der Linse 7 geht. Dadurch können die Intensitäten der an der Manteilinie des Werkstücks
gebeugten Strahlungsanteile und der durch die Streuscheibe in die gleiche Richtung
gelenkten Anteile vergleichbar gemacht werden. Die beiden einander überlagerten
Strahlungsanteile werden von einem der Blende 8 zugeordneten fotoelektrischen Empfänger
10 in elektrische Signale umgesetzt. Am Ausgang 11 des Empfängers 10 treten bei
bewegtem Werkstück Schwei?ungen auf.
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Wenn das Werkstück 4 nicht rotiert, besitzen die von der Linse 7 erfaßten,
gebeugten bzw. gestreuten Strahlungsanteile die Laserlichtfrequenz #L und das.nachgewiese.ne
Signal ist nicht moduliert. Rotiert das Werkstück jedoch,
so wird
die Frequenz des an der Mantellinie gebeugten Lichtes entsprechend der mit dem Kosinus
des Beugung winkels multiplizierten Tangentialkomponente der Umfangsgeschwindigkeit
des Werkstücks in der Frequenz um |##D| dopplerverschoben. Das von dem photoelektrischen
Empfänger 10 erzeugte Signal ist dann mit der Frequenz btb #D moduliert. Die Modulationsfrequenz
(Schwebung) lä.13t sich mit bekannten Einrichtungen leicht messen, so dal? bei bekanntem
Radius und Begungswinkel die Umfangsgeschwindigkeit des Werkstücks bestimmt werden
kann. Für den Betrieb der beschriebenen Anordnung ist lediglich vorauszusetzen,
daß die F'requenzbandbreite AvL des Meßstrahls klein gegenüber der Frequenzverschiebung
AvD ist. Diese Bedingung ist bei Verwendung von Lasern als Lichtquelle aber bis
zu verhältnismäßig geringen Umfangsgeschwindigkeiten erfüllt, Neben der Bestimmung
der Frequenzverschiebung i!VD aus der Schwebungsfrequenz ist es auch möglich, ##D
direkt zu bestimmen. Dazu kann beispielsweise in einem Interferometer, das an die
Stelle des photoelektrischen Empfängers 10 zu stellen ist, die Verschiebung der
Streifenlage bei rotierendem Werkstück gegenüber der bei ruhendem Werkstück beobachtet
werden Die Streuscheibe 9 kann. dabei entfallen.
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Man kann mit der Drehachse des Werkstücks für die Winkelgeschwindigkeit
koppeln, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Der Signalgeber besteht hier aus einer
auf einer transparenten Scheibe aufgebrachten Winkelteilung 14, einer Lichtquelle
15 mit Kondensor 16 und einem photoelektrischen Empfänger 17. Bei Rotation des Werkstücks
4 moduliert die Winkelteilung 14 den Lichtstrom zwischen Kondensor 16 und photoelektrischem
Empfänger 17 mit der
Rotation-Frequenz #R, die bei bekannter Winkelteilung
an Ausgang 13 des Empfängers 17 ein der Winlcelgeschwin digkeit direkt proportionales
Signal liefert. Die Winkelgeschwindigkeit # und die Umfangsgeschwindigkeit u hängen
bekanntlich über R = u/ mit dem Werkstückradius R zusanlmein.
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Fig. 3 zeigt schematisch die zur Weite'rverarbeiturig der an den Ausgängen
11 und 13 der photoelektrischen Empfänger 10 und 17 auftretenden Signale und zur
Ermittlung des Werkstückradius notwendigen elektronischen Gerätestufen.
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In einem bandfilter 18 wird zunächst die Schwebungsfrequenz ##D #D
ausgesiebt und nach Bedarf in einem Frequenzuntersetzer 19 um den Faktor m herabgesetzt.
Das der Winkelgeschwindigkeit proportionale Signal des Ausgangs 13 wird in einem
Frequenzvervielfacher 20 mit dem Faktor n multipliziert.
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In einer nachfolgenden Rechenstufe 21 wird mittels eines der bekannten
Verfahren zur Frequenzverhältnisbestimmung, (die sich entweder auf Momentanwerte
über Phasenmeßtechniken oder auf Mittelwerte über viele Perioden über Zähltechniken
beziehen könnten,) der diesem Verhältnis entsprechende Wert des Werkstückradius
ermittelt und an einem Gerät 22 angezeigt Zür Ermittlung der Umfangsgeschwindigkeit
und der Winkelgeschwindigkeit genügt bereits eine kleine Drehung des Werkstück.
Man kann sich daher auf Icurze Meßintervalle beschränken und erhält auf diese Weise
den momentanen, vom McßstrKhl berührten Radius. Zur Radius-Bestimmung mit der neuen
Anordnung sind daher nicht nur runde Werkstücke geeignet, sondern beispielsweise
auch solche mit einer oder mehreren Längsnuten (Fig. 4). Bei Beschränkung auf kurze
Meßintervalle kann die Radius-Bestimmung durch die Rechenstufe 21 in die Meßpausen
gelegt werden.
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Fig. 5 zeigt als weiters Beispiel für ein Meßobjekt einen Nocken,
bei dem durch entsprechende Auswahl der Meßintervalle der Krümmungsradius des Grundkreises
R und der der Nockenspitze Rt bestimmt werden können.
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Außer zur Anzeige des gemessenen Radius kbnnen die entsprechenden
Signalwerte auch als Steuersignale eines Regelkreises für die Werkstücksbearbeitung
verwertet werden.