DE2124444C3 - Verfahren zum Bestimmen der Dicke oder Breite von ebenen Werkstucken - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum schnellen berUhrungsfreien digitalisierten Messen der Dicke oder Breite von ebenen Werkstücken.

Es ist bekannt, Dickfenmessungen mit Hilfe von Röntgenstrahlen oder radioaktiven Präparaten vorzunehmen. Eine Dickenmessung über 100 mm hinaus ist jedoch hierdurch nicht möglich; außerdem muß pit einer langen Meßzeit gerechnet werden.

Eine weitere Möglichkeit, Abmessungen von Werkstücken zu bestimmen, ist die auf optischem Wege, die berührungslose Bestimmungen der Abmessungen gestattet. Die Ausleg schrift 1 548 361 bezieht sich auf eine Anordnung, r ei der das Meßobjekt aus zwei parallelen Strahlenbündeln Teile der Bündelquerschnitte ausblendet. Dis Restbündel werden über rotierende das Licht durchlassende Öffnungen geleitet, unier denen Detektoren fest angeordnet sind. Die Zeitdauer, während der diese Detektoren einen Lichteinfall registrieren, ist dann ein Maß für die Abmessungen des Werkstücks. Infolge der rotierenden Teile dieser Anordnung ist jedoch die· Genauigkeit der Messung gering.

In der Offenlegungsschrift 1 803 285 wird ebenfalls ein optisches Dickenmeßverfahren erläutert, das allerdings nur zur Messung der Dicke von transparenten Folien oder Platten geeignet ist. Es verwertet einen unter 45" auf die Folien oder Platten auffallenden Strahl, der an der Oberseite und an der Unterseite des Meßoojektcs reflektiert wird, aus deren gemessenen Abstand die Dicke bestimmt werden kann.

In der deutschen Auslegeschrift 1 051 016 ist ein Verfahren zur Materialstärkenmessung mittels einer Abstandsdifferenzmessuag durch eine reflexionsfähige Strahlung beschrieben. Dazu wird auf je einen Punkt von zwei gegenüberliegenden Werkstückoberflächen die mit einer konstanten Frequenz phasenmodulierte Strahlung ausgesandt. Nach der Reflexion am Werkstück wird in je einem Detektor durch Phasenvergleich die Materialstärke bestimmt. Dieses Verfahren erfordert unter anderem aufwendige Phasenmoduiatoren und Phasenvergleichsstufen, wenn die genannte Genauigkeit von V** mm erzielt werden seil.

Ein Verfahren zur Messung der Länge von Werkstücken ist in der USA.-Patentschrift 3 355 591 beschrieben. Die Strahlungsenergie, die von dem bewegten, an vorgegebenen Stellen vorliegenden zu vermessenden Werkstück ausgeht, wird über eine strahlungsunterbrechende Ablenkmechanik auf einen Detektor gelenkt. Aus de' Zeit, in der der Detektor Strahlungsimpulse empfängt, läßt sich die Länge des Werkstücks ermittein. Da das Werkstück zu seiner Vermessung translatorisch bewegt werden muß und die Meßvorrichtung rotierende Spiegel benötigt, ist die Meßgenauigkeit begrenzt.

Bekannt ist weiterhin eine Meßvorrichtung zur Bestimmung der Breite von Werkstücken. Sie ist in der

OITcnlcgungSRChrift 1 548 292 beschrieben. Bin selbstlcuchtendcs Werkstück oder ein nicht selbstleuchtcndes Werkstück, das dann an den Kanten beleuchtet wird, sendet in der Nähe der Kanten, deren Abstand gemessen werden soll, Strahlen in zwei Detektoren. Auf dem Weg dorthin werden sie durch einen rotierenden Spiegel in Strahlungsimpulse umgewandelt, wobei die Impulsformen von den Diskontinuitäten des Lichtes, die an den Kanten entstehen, herrühren. Aus der Breite der Impulse läßt sich dann die Breite des Werkstücks bestimmen. Diese Vorrichtung ist jedoch nur geeignet, Abweichungen von einer Sollbreite des Werkstückes zu überwachen. Die Anordnung muß genau nach der Solbreite des Werkstücks hergestellt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein digitalisiertes Meßverfahren der eingangs angegebenen Art anzugeben, das insbesondere bei automatisierten Fertigungsprozessen nwendbar ist und ganz allgemein die berührungsfreie Abmessung der Breite ao oder Dicke, beispielsweise auch von schnell bewegten oder undurchsichtigen Werkstücken, gestattet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zu beiden Seiten der Werkstücksabmessung durch je einen akustooptischen Lichtablenker ein Lasersirahlbündel schrittweise in kleinen Positionen und in verschiedenen Richtungen über die Oberfläche des Werkstücks gelenkt wird, von dort diffus reflektiert wird und jeweils von einem in Abstand von der Werkstücksoberfläche angeordneten Detektor registriert wird, falls dieser Licht aus einer bestimmten Richtung aufnimmt, und daß aus der Zeitdifferenz zwischen dem Beginn der Lichtstrahlablenkung jedes Lichtablenkers und dem Empfang eines Lichtsignals im entsprechenden Detektor die Abmessung des Werkstücks in einem elektronischen Rechner bestimmt wird.

Bei dem Verfahren, das sich für d je Dickenmessung eines ebenen Werkstücks eignet, wird ein von einem ersten Endpunkt einer zur Werkstücksoberfiäche parallelen Bezugslinie ausgesandter Laserlichtstrahl auf <einen Punkt der einen Werkstücksoberfläche gerichtet, dort diffus reflektiert und gelang zu einem am zweiten Endpunkt der Bezugslinie angeordneten Empfänger, der nur aus einer bestimmten Richtung einfa'lendes Licht registriert, wobei weiterhin symmetrisch zur horizontalen Mittellinie des Werkstücks ein vom ersten Endpunkt einer zweiten zur Werkstücksoberfläche parallelen Bezugslinie ausgesandter zweiter Lichtstrahl auf einen Punkt der entgegengesetzten Seite der Werkstücksoberfläche gerichtet .wird, dort diffus reflektiert wird und zu einem am zweiten Endpunkt der zweiten Bezugslinie angeordneten Empfanger gelangt, der ebenfalls nur aus einer bestimmten Richtung einfallendes Licht registriert und aus den bekannten Winkeln zwischen den ausgesandten bzw. den zurückgeworfenen Lichtstrahlen und der entsprechenden Bezugslinie sowie den bekannten Längen der beiden Bezugslinien auf beiden Seiten des Werkstücks die Abstände der beiden Umlenkpunkte auf dem Werkstück von der entsprechenden Bezugslinie elektronisch bestimmt werden und aus diesen beiden Abständen und dem bekannten Abstand der Bezugslinien die Dicke des Werkstücks elektronisch bestimmt wird.

Bei einem Verfahren* das sich zur Breitenmessung eines ebenen Werkstücks eignet, wird von je einem oberhalb des Werkstücks angeordneten akustooptischen Lichtablenker ein Lascrstrahlcnbtindcl itiif die Kanten des Werkstücks gerichtet und von jeweils einem ebenfalls oberhalb des Werkstücks angeordneten Detektor registriert, falls das betreffende Lascrstrahlcnbündel am Werkstück diffus reflektiert worden ibt, wobei bei bekanntem Abstand der beulen Lichtablenker die Breite des Werkstücks aus der Zeitdifferenz zweier Impulse bestimmt wird, die die beiden Detektoren erzeugen, wenn die beiden Lascrstrahlbüniiel gerade die Werkstückkanten schneiden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine digitalisierte Ausgabe der Meßinformationen und erlaubt Kurzzeitmessungen von weniger als 1 Millisekunde, wobei die akustooptischen Lichtablenker wegen ihrer beinahe trägheitslosen elektronischen Ansteuerung zur direkten Verbindung mit einem Digitalrechner sehr gut geeignet sind.

An Hand der Zeichnungen soll die Erfindung näher "»"läutert werden.

Fig. 1 zeigt eine Anordnung zum Vermessen der Dicke von Werkstücken;

F i g. 2 zeigt eine Anordnung zum Vermessen der Breite von Werkstücken;

Fig. 3 bis 6 zeigen Diagramme zum Bestimmen der Breite aus den Signalen der Detektoren.

Die Fig. 1 zeigt, wie die Dicke eines Materialstücks 22 gemessen wird, das auf einem Fließband vorbeitransportiert wird und deshalb seine Lage verändert und das deshalb in zwei verschiedenen Positionen gezeichnet ist. Ein Lasersender 1, der aus Laseroszillator 2 und einer Ablenkeinheit 3 besteht, sendet vom Punkt 9 aus Licht schrittweise in verschiedene Richtungen in der Zeichenebene, der an den Punkten 5 auf der einen Seite des Werkstücks 22 diffus reflektiert wird, bis einer der Strahlen gerade durch die Öffnungen 10 und 4 des Empfängers 7 hindurchgelangt und dahinter registriert werden kann. Dazu wird der aus dem Lasersender austretende Strahl durch den akustooptischen Lichtablenkei 3 derart abgelenkt, daß er längs Geraden, die alle in einer durch die Bezugslinie 8 verlaufenden Ebene liegen, sich ausbreitet. Läßt man nämlich durch einen Kristall Schallwellen hindurchlaufen, was durch Anregung über einen piezoelektrischen Kristall möglich ist, dann wird ein ebenfalls durch den Kristall laufender Lichtstrahl proportional der Schallfrequenz abgelenkt. Ablenker 3 und Empfänger 7 liegen auf einer horizontalen Bezugslinie 8, so daß ein Dreieck 9, 5, 10 mit der Höhe 11 entsteht. Auf der anderen Seite des Werkstücks 22 liegt eine symmetrische Anordnung vor. Von einem zweiten Lasersender 12, der aus einem Laseroszillator 6 und einer Ablenkeinheit 19 besteht, laufen von einem Pankt 20 einer zweiten horizontalen Bezugslinie 17 in schrittweise abgelenkten Richtungen in der Papierebene Laserstrahlen auf das Werkstück 22 zu, die auf der Seite des Werkstücks 22, die den Punkten 5 gegenüberliegt, in den Punkten 13 diffus reflektiert werden und durch zwei Blenden 14 und 21 eines an der Bezugslinie 17 angeordneten Empfängers 15 hindurchgelangen und dann registriert werden, wenn die durch die Blenden SA und 21 bestimmte Richtung des einfallenden Strahls vorliegt. Es entsteht auf dieser Unterseite wiede. ein Dreieck 20, 14, 13 mit der Höhe 16.

Für die Bestimmung der Höhen 11 und 16 genügt es, nur den Winkel α bei 9 und den Winkel (S bei 20 aus den piezoelektrischen Wandleransteuerungen zu messen. Da die Winkel, die die am Werkstück 22 ab-

gelenkten und in den Empfängern 7 und IS registrierten Strahlen mit den Bezugslinien 8 bzw. 17 bilden, fest und bekannt sind und somit in den beiden Dreiecken 9, S, 10 und 20, 14, 13 je zwei Winkel und die Abstände 9-10 bzw. 20-14 bekannt sind, lassen sich daraus die Abstände 11 und 16 aus der Ablenkrichtung der Ablenker elektronisch bestimmen. Der Laserstrahl wird nämlich über viele Positionen schrittweise abgelenkt, und jedem Zeitpunkt wird eine bestimmte Lichtstrahlrichtung zugeordnet. Jeder Lichtstrahlrichtung ist dann ein bestimmter Abstand des Werkstücks von den Bezugslinien eindeutig zugeordnet, so daß die im Zeitpunkt der Detektorsignale steckenden elektronischen Informationen in einem elektronischen Rechner nur umgesetzt zu werden brauchen. Zur Bestimmung der Dicke des Werkstücks 22 werden dann ebenfalls elektronisch die Abstände J1 und 16 vom Abstand 18 der Bezugslinien 8 und 17 subtrahiert.

Durch die in der F i g. 2 gezeigte Anordnung läßt sich die Breite eines Werkstückes messen. Sie zeigt einen Lasersender 23, der nach zwei entgegengesetzten Richtungen Laserstrahlung aussendet, die durch die Umlenkprismen 24 und 25 auf die beiden Lichtablenker 26 und 27 gerichtet sind. Von hier werden die beiden Strahlen im wesentlichen senkrecht zu den beiden Kanten 28 und 29 des Werkstückes 30, die die Breite des Werkstücks 30 bestimmen, abgelenkt. Solange die beiden Strahlen noch auf die Werkstücksobcrflnche auftreffen, werden sie dort diffus reflektiert und gelangen in die Detektoren 31 und 32, die dieses Licht registrieren. Werden die beiden= Strahlen über die Werkstückskanten 28 und 29 hinauSi abgelenkt, so können sie nicht mehr in die Detektoren 31 und 32 gelangen. Die Breite des Werkstücks 30 wird nun durch den Zeitpunkt bestimmt, in dem die auf das Werkstück fallenden Lichtstrahlen gerade die Kanten 28 und 29 erreichen Dies wird an Hand der Fig. 3 bis 6 näher erläutert.

Die F i g. 3 bis 6 zeigen vier Diagramme, in denen ίο in Fig. 3 die Ablenkfrequenz726 des Ablenkers 26 über der Zeit / aufgetragen ist. Infolge des treppenförmigen Anstieges der Frequenz wird der aus dem Ablenker 26 austretende Lichtstrahl schrittweise abgelenkt. In der F i g. 4 ist das am Detektor 31 empfangene Lichtsignal / 31 gegen die Zeit / aufgetragen. Während der Zeit Δ ti läuft der abgelenkte Lichtstrahl an der Kante 26 vorbei nach außen, so daß kein Signal empfangen wird. Erst wenn der Lichtstrahl die Oberfläche des Werkstücks 20 erreicht, registriert der Detektor 31 ein Signal/31.

In der Fig. 5 ist die Ablenkfrequenz γ27 des Ablenkers 27 über die Zeit t aufgetragen, die ebenfalls treppenförmig verläuft. Der Detektor 32 empfängt nach einer Zeit All (Fig. 6) ein Signal 732. Im allgemeinen werden die von den Ablenkern 26 und 27 weitergeleiteten Lichtstrahlen die beiden Werkstückskanten 28 und 29 zu verschiedenen Zeiten erreichen. Aus dieser Zeitdifferenz Λ t laßt sich nun die Breite B des Werkstücks 30 gemäß der Formel B — h₀ + K ■ At bestimmen; b₀ bedeutet dabei den Abstand der beiden Lichtablenker 26 und 27.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum schnellen berUhrungsfreien digitalisierten Messen der Dicke oder Breite von ebenen Werkstücken, dadurch gekennzeichnet, daß zu beiden Seiten der Werkstücksabmessung durch je einen akustoopti&chen Lichtablenker (3, 19, 26, 27) ein Laserstrahlbündel schrittweise in kleinen Positionen und in ver- xo schiedenen Richtungen über die Oberfläche des Werkstücks (22, 30) gelenkt wird, vor. dort diffus reflektiert wird und jeweils von einem im Abstand von der Werkstücksoberfläche angeordneten Detektor (7, 15, 31, 32) registriert wird, falls dieser Lieh aus einer bestimmten Richtung aufnimmt, und daß aus der Zeitdifferenz zwischen dem Beginn der Lichtstrahlablenkung jedes Lichtablenkers und dem Empfang eines Lichtsignals

Jim entsprechenden Detektor die Abmessung des ao 'Werkstücks in einem elektronischen Rechner bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 zur Dickenmessung eines ebenen Werkstücks, dadurch gekennzeichnet, daß ein von einem ersten Endpunkt »5 (9) einer zur Werkstücksoberfläche parallelen Bezugslinie (8) ausgesandter Laserlichtstrahl auf einen Punkt (5) der einen Werkstücksoberfläche gerichtet wird, dort diffus reflektiert v.ird und zu einem am zweiten Endpunkt (!*») der Eezugslinie (8) angeordneten Empfänger (7) gelangt, der nur aus einer bestimmten Richtung einfallendes Licht registriert, und daß weiterhin symmetrisch zur horizontalen Mittellinie des Werkstücks (22) ein vom ersten Endpunkt (20) einer zweiten zur 'Werkstücksoberfläche parallelen Bezugslinie (17) ausgesandter zweiter Lichtstrahl auf einen Punkt (13) der entgegengesetzten Seite der Werkstücksoberfläche gerichtet wird, dort diffus reflektiert wird und zu einem am zweiten Endpunkt (14) der zweiten Bezugslinie (17) angeordneten Empfänger (15) gelangt, der ebenfalls nur aus einer bestimmten Richtung einfallendes Licht registriert, und daß aus den bekannten Winkeln zwischen den ausgesandten bzw. den zurückgeworfenen Lichtstrahlen und der entsprechenden Bezugslinie (8, 17) sowie den bekannten Längen (9-10 bzw. 14-20) der beiden Bezugslinien (8,17) auf beiden Seiten des Werkstücks (22) die Abstände (11 bzw. 16) der beiden Umlenkpunkte (5 bzw. 13) auf dem Werkstück (22) von der entsprechenden Bezugslinie (3 bzw. 17) elektronisch bestimmt werden und aus diesen beiden Abständen (11 bzw. 16) und dem bekannten Abstand (in) der Bezugslinien (8-17) die Dicke des Werkstücks (22) elektronisch bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 zur Breitenmessung eines ebenen Werkstücks, dadurch gekennzeichnet, daß von je einem oberhalb des Werkstücks (30) angeordneten akustooptischen Lichtablenker (26 bzw. 27) ein Laserstrahlenbündel auf die Kanten des Werkstücks gerichtet wird und von jeweils einem ebenfalls oberhalb des Werkstücks angeordneten Detektor (31 bzw. 32) registriert v/ird, falls das betreffende Laserstrahlbündel am Werkstück diffus reflektiert worden ist und daß bei bekanntem Abstand (b₀) der beiden Lichtablenker (26, 27) die Breite (B) des Werkstücks (30) aus der Zeitdififercnz (4 t) zweier Impulse (/31 und /32) bestimmt wird, die die beiden Detektoren (31 bzw, 32) erzeugen, wenn die beiden Laserstrahlbündel gerade die Werkstückskanten (28 bzw. 29) schneiden.