DE2127751C3 - Verfahren und Anordnung zur Ermittlung des Durchmessers eines Gegenstandes runder Querschnittsform mittels periodischer fotoelektrischer Abtastung - Google Patents

Description

xks — Xs

(X.s V Xs² \

worin

35

der koriigierte Sollwert,

Xs der Nennsollwert,

α der A.bstand des Gegenstandes von dem Abtastgerät und

γ der Abstand der einer virtuellen Bezugskante abgewandten Gegenstandskante von dieser Bezugskante ist.

45 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung

des Durchmessers eines Gegenstandes runder Querschnittsform mittels periodischer fotoelektrischer Abtastung und Auswertung der gewonnenen durchmesserproportionalen Meßsignale unter Korrektur des Meßfehlers, der durch Änderung des Abstandes zwischen Gegenstand und Abtastgerät hervorgerufen wird.

Das Grundprinzip solcher Verfahren besteht darin, daß mittels eines Blenden-Linsen-Systems eine Abbildung des Meßguts periodisch über einen Fotodetektor geführt wird, an dessen Ausgang bei Helligkeitssprüngen — also an den Kanten des Meßguts — Impulse entstehen. Die Impulsdauer ist dem Meßgutdurchmesser proportional und kann dann ausgewertet werden.

Bei solchen optischen Systemen geht in den Meßwert auch der Abstand des Meßgutes von dem optischen System ein, und dieser Abstand läßt sich nicht konstant halten. Deshalb hat man verschiedentlich versucht, eine automatische Korrektur des Meßsignals in bezug auf den Abstand vorzunehmen (deutsche Auslegeschrift 1 266 513).

Gemäß einem älteren Vorschlag der Anmelderin ist ein um das Meßgut rotierendes System vorgesehen, bei dem die Messung gleichzeitig von zwei einander diametral gegenüberliegenden Seiten erfolgt, so daß die Fehler einander kompensieren, wenn die Ausgangssignale addiert werden. Allerdings sind solche umlaufenden Systeme sperrig und verlangen erheblichen mechanischen Aufwand (britische Patentschrift 1 192 206).

Bei Walzblechbreitenmessungen hat man schon mit ebenfalls zwei optischen Meßsystemen gearbeitet, die orthogonal zueinander angeordnet sind. Beim Schwärmen des Walzgutes wird dann mittels eines Lagesignals, das von dem einen Meßsystem geliefert wird, das Breitensignal des anderen korrigiert. Da die Meßgrößen hier um Größenordnungen unterschiedlich sind, kommt man dabei mit verhältnismäßig einfachen Anordnungen aus (australische Patentschrift 251 090).

Wenn man — wie in άμτ deutschen Offenlegungsschrift 1 548 207 — mit Parallelabtastung arbeitet, so tritt kein Abstandsfehler auf, der zu kompensieren wäre. Das Durchmessersignal ist also nicht abstandsabhängig. Das Meßverfahren erfordert freilich andererseits einen erheblichen Aufwand an mechanisch-optischen Elementen mit hohem Raumbedarf.

Aus der deutschen Auslegeschrift 1 121 170 ist eine Anordnung zur Bestimmung des Durchmessers beispielsweise von Glasrohr bekannt, die ebenfalls mit periodischer Abtastung arbeitet; eine Abstandsfehler-Korrektur ist nicht vorgesehen, da offenbar die geforderte Genauigkeit nicht sehr hoch zu sein braucht.

Es sind noch vvsitere Meßverfahren bekannt, bei denen man sich bereits mit der Kompensation des Abstandsfehlers befaßt hat. Im Prinzip arbeitet man so, daß zwei Meßsignale unter verschiedenen Voraussetzungen gewonnen werden, be:i denen der Abstandsfeder unterschiedliche und damit kompensierbare Wirkung hat (deutsche Auslegeschriften 1 623 167 und 1 909 294).

Eine optische Kompensation ist bei der Anordnung gemäß USA.-Patentschrift 3 448 278 vorgesehen, gemäß der die Vergrößerung des Linsensystems geändert werden soll; der erforderliche Mechanismus ist unverhältnismäßig aufwendig.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es. ein Verfahren zur Ermittlung des Durchmessers eines runden Drahtes, Stabes oder Rohres mittels periodischer fotoelektrischcr Abtastung unter Korrektur des Durchmessersignals durch ein Lagesignal zu schaffen, das einwandfrei bezüglich der Lage korrigierte Meßwerte auch dann liefert, wenn der Gegenstand sich in der Meßebene in allen Richtungen unkontrollierbar bewegt.

Das spezifische Problem beim Gegenstand der Erfindung besteht darin, daß die Messung an rundem Material erfolgt, wobei die Abhängigkeit des Meßsignals von dem Abstand zwischen Abtastgerät und Achse des Gegenstandes zu kompensieren ist. Die Achse des Gegenstandes ist aber nicht sichtbar und nicht meßtec'nnisch erfaßbar, sondern nur der Umfang des Gegenstandes bzw. der Abstand seiner Mantellinien von einem festen Bezugspunkt.

Im Ergebnis ist die Position einer solchen Mantellinic nicht allein abhängig von einer Lageänderung, sondern auch von dem Durchmesser selbst. Denn, wenn »D« das Maß für den Abstand der dem Abtastgerät abgekehrten Mantellinie von einer festen Kante »A'« ist, so kann eine Änderung um ». 1 D« die Folge einer Durchmesserzunahme bei unveränderter Lage der Gegenstandsachse sein oder aber die Folge einer

Verlagerung in Richtung der Kante »A.« bei unverändertem Durchmesser sein, oder aber auf eine Überlagerung beider Ursachen zurückgehen.

Dieses speziell bei Meßgut mit rundem Querschnitt auftretende Problem ist um so störender, je näher die Meßoptik dem Meßgut ist, weil der Abstandsfehler proportional der prozentualen Abstandsänderung ist. Andererseits ist es aber erwünscht, aus Gründen der Abmessungen möglichst nahe an das Meßgut heranzugehen.

Gemäß der Erfindung wird nun zur Lösung dieses Problems vorgeschlagen, daß ein von der Position der dem Abtastgerät zu- oder abgekehrten Mantellinie des zu messenden Gegenstandes relativ zu einer senkrecht zur optischen Achse des Abtastgerätes stehenden festen Bezugskante abhängiges Korrekiursignal. das seinerseits durchmesserabhängig ist, mittels eines senkrecht zum Abtastgerät angeordneten zweiten Abtastgerätes gebildet wiid, wobei die Durchmesserabhängigkeit bei dem Korrekturvorgang kompensiert wird. Dieses, >.: DurchmesserkorrekuirMgnal kann der gemessene Durchmesser, der Soildurehniesser oder auch cm Durchmesser icin. der quer /um Mci'd'.r ;hmcsser gemessen wird und damit ein zweites Durchmesscrsiiinai liefert. ;;

Aus der Literaturstellc >.Stuhl und La-en .. l°co. S. 1086 bis 1Ü8¹). ist es an sich bekannt, bei der Erfassung der Abmessungen von rundem Walzgui zwei zueinander senkrecht angeordnete Ahiasiueräte vorzusehen, die jedoch in der dort beschriebenen Anlage < unabhängig voneinander arbeiten.

In der Regel kann man voraussetzen, dal: es sich bei dem Meßgut um exakt runde Querschnitte handelt, so daß es zulässig ist. bei der Korrektur von eiretn quer zum Meßdurchmesser liegenden Durchmesser .; auszugehen. Das hat nämlich Vorteile bei der Ableitung der Impulse, wie nachfolgend an Hand des Aiisführungsbcispiels noch erläutert wird, und deshalb ist eine Anordn ng bevorzugt, bei der jedem tier beiden Abtastgeräte, deren optische Achsen senkrecht zu- α einander und zu der Meßgutachse .stellen, eine korrektureinrichtung für das Meßsignal des anderen Ablasigerätes zugeordnet ist. Ils muß allerdings darauf hingewiesen werden, daß diese Ausführungsform nicht zwingend is'; man könnte auch mit einem einzigen optischen Abtastsystem für den Durchmesser und emc; einzigen, quer dazu angeordneten Lagebestimmungsanordnung auskommen. Allerdings müssen dann \ orkchrungen für die S)IiC¹IrOiHSaIiOn der korrelieren periodischen Abtastvorgänge getroffen werden.

Es ist bevorzugt, den Sollwert gemäß der Korrektur der Lagenänderung nachzufuhren und ihn mit dem unveränderten Meßwert zu vergleichen, doch wäre bei entsprechend geänderter Schaltung auch eine direkte Korrektur des Meßwerts möglich.

Mit dem Verfahren gemäß der I rlindung kann man auf engstem Raum eine sehr genaue Bcstimmunp des Durchmessers insbesondere von laufendem Meßgut. wie etwa in Drahtziehereien erforderlich, vornehmen, selbst dann, wenn das Meßgut innerhalb der Meß anordnung stark »schwärmt«. Der Aufwand für die Verarbeitung der gewonnenen Signale ist. wie noch zu zeigen sein wird, überraschend gering, und auch das optische System, das benötigt wird, erfordert keinen Aufwand, der den bei Geräten ohne Abstandsfehlerkorrektur üblichen überstiege.

Die Erfindung soll 11 'chstchend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert werden.

Fig. I zeigt halbschematisch den optischen Tei einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung;

F i g, 2 stellt die Anordnung mit zwei Kameras dar; F i g. 3 ist eine Schemadarstellung, an Hand der die Ableitung des Korrektursignals für die Anordnung nach F i g. 2 erläutert wird;

F i g. 4 zeigt das Blockschaltbild für die Auswertung der gemäß F i g. 2 gewonnenen Signale und,

F i g. 5 stellt im einzelnen die Blockschaltung der Absiandskorrektur aus der Schaltung nach F i g. 4 dar, während

F i g. 6 ein zugehöriges Impulsdiagramm ist. Gemäß F i g. I wird ein Draht. 10, das Meßgut, mittels einer Gegenlichtquelle 12 von hinten angestrahlt. Ein Linsensystem 14 fokussiert das Bild des Drahtes über eine Spiegelfläche eines umlaufenden Polygonspiegel 16 in die Katoderiebene eines Fotovervielfacher 18. Bei Umlauf des Spiegels 16 erscheint ■ . una-hs: das 1 :Ju der GegenliJitquelle 12 auf der FoU'katocie. die danach ausgehend von der k.-.nic· 2(1 des Meßgms — beschulte! ird, bis wieder das volle Licht der Gegenlich'.quelle wi:ksam wird. Die D.:i:er des Impulses am Ausgang des lotoverv lei-) !.ic'iers ,-ι ,ii>o proportional den; Durchmesser des ! ".i'ne- 10. wobei als weitere FinlluLigrölkn der Ab- ·'.-..; d -Jes Drahtes von dem i insensvstem 14 und die Drehzahl des .Spiegels 16 eingehen. Die Eiimiiiierung des i-n.tliisses der Spiegeldrehzahl v\ ic auch das Ge-(i sanupriü/ip sind bekannt

Zusätzlich zu der beschriebenen Anordnung ist noch eine 1 nggerlichtquelle 22 vorgesehen, deren enggebundcUes l.ichtband über einen I mlenkspiegel 24 ehenialK auf den IV-.Kconspieuei 16 fallt und ν cn dort in ä eine I otodiode 26 reflektiert wird. Der Zeitpunkt dc> Au-gangsimpulser, von der I otodiode ist somit ein Bezugspunkt, der einer ganz bestimmten Winkelstellung des Poh.gonspiegeis 16 entspricht: es wird damit eine -virtuelle Be/ui>ka;iie· geschafTi·... .' Dem I otoveTv lellacber IS und der Fotodiode 26 sind elektronische Schaltkreise nachgcsehaltet, die 111 dem Block 30 zusammengefaßt sind und an deren \i.-L'iii:ii ein Durchmesserimpuls ν und ein Lageiinpuls;· ersiheiiijii. wie noch zu !"läutern ist.

' 1 g Γ stellt halbschematisch eine komplette An- !.•.i'e da; 111;! zwei Gegenüchtqudlen 121. I2n. dem Meßgi.l Hl. den Kameras 34;. ?4\\ (umfassend jew eis die in I- ig. 1 nni 14 bis IS. 22 bis 3d bezeichnete 1 lciiei, welche die Signale vi. ; 1 bzw. .\n. }'n liefern. ;V> sowie nut der Λ usweneschaluing 32. an deren Ausgängen schließlich die Durehmes-.erabweicbimgen vom Sollwert erscheinen. Man erkenn! in I i g. 2 den sogenannten Schwärmbereich'. 33 des Meßgutes, d. h denjenigen Bereich, innerhalb dem üas Meßgut sich ίο verlagern kann Der Schwärmbereich ist natürlich nicht phvsisch begrenzt, sondern wird erfahrungsgemäß festgelegt, und zwar mittels des an der Fotodiode dutch tin; Tnggerlicl (quelle 22 ausgelösten Impulses, der ja eine »Bezugskante» markier!. Geometrisch critspricht der Zeitpunkt des Triggerimpulses einem Punkt auf der jeweiligen '/-Ordinate, und der zeitliche Abstand ·>/« /wischen der Abf.dlllanke am Ausgang des lotoverviclfachcrs (Beginn der Beschattung durch den Draht) und dem Ί riggerimpuls entspricht geometrisch die Länge von Strecken auf den yi- bzw. ^-Achsen. Gemäß F i g. 2 Mehen die optischen Achsen der beiden Kameras 34 senkrecht aufeinander, so daß auch zwei senkrecht zueinander stehende Bezugs-

kanten vorliegen. Aus der Gesamtinformation, die in den Signalen χι. γι. au und yn einhalten ist. werden korrekle Durchmessersignale gewonnen, die bezüglich der Lage des Drahtes 10 innerhalb des gesamten Schwärmbereichs korrigiert, also lageunabhängig sind.

In F i g. 3 sind noch einmal die geometrischen Verhältnisse im einzelnen dargestellt, um darlegen zu können, wie die Korrektur bei der Auswertung erfolgt. Es sind nur das Meßgut 10. die Linsensyslcme 14_T und 14ii sowie die geometrischen Großen und die zugeordneten Zeitachsen dargestellt.

Das Meßergebnis einer den Durchmesser .v des im Absland α von dem Linscnsytem befindlichen Meßguts 10 messenden Kamera wird bei einer Abstandsänderung Λ α gemäß dem Strahlensatz mit einem Fehler Δ χ behaftet, dessen Größe aus der Gleichung

Aa

l.v =-

(D

folgt. Die Abstandsänderung Aa wird mit Hilfe der zu der messenden Kamera senkrecht angeordneten zweiten Kamera bestimmt; es gilt:

Aa -■ γ —

Die Verminderung von γ um den halben Durchmesser ist erforderlich, weil γ auf die äußere Kante des Meßguts bezogen ist, für den Ort der Breite jedoch die Mittelachse des Meßguts maßgebend ist.

Damit ergibt sich der korrigierte Durchmesserwert zu

Xkorr — X ± A X

metrischen Abmessungen γι. γη entsprechende Impulsdauer /„1. lyu abzuleiten, muß der von der Kamera gelieferte Positionsimpuls um den festen Zeitbetrag 7'₍·ΐ.7'ϋ·ΐΐ verkürzt werden. Dies wird klar bei Betrachtung der F" i p. 3. in die auch i'iic Zeitkoordinaten eingezeichnet' sind: der Triggerimpuls erfolgt im Zeitpunkt 7Ί 'n/w. 7'n.

Die angegebenen Rechenoperationen werden durch den elektronischen Teil der Anordnung vorgenommen. F i g. 4 zeigt das entsprechende Blockschaltbild.

Der Einfachheit halber ist angenommen, daß die Signalverarbeitung analog erfolgt. In üblicher Weise wird der Ausgangsiinpuls des Fotovervielfacher 18 in den beiden Kameras 34 einem Komparatorschalteinem 15 kreis 40 zugeführt und mit dem korrigierten Sollwert verglichen; Jie Differenz ist die gesuchte Maßabweichung des Drahtdurchmessers, die an einem Anzeigegerät 42 wiedergegeben wird. Die Lagekorrektur erfolgt am Sollwert mittels Korrekturschaltkrcisen 44, denen jeweils der Lageimpuls r,, und der unkorrigierte Sollwert .v.s zugeführt wird und an deren Ausgang der korrigierte Sollwert .va\s- erscheint und den Komparatorschaltkreiscn 40 zugeführt wird. Der Sollwert liegt zunächst digital vor; er wird an einem Schalter 46 vorgewählt. Da er aber in analoger Form benötigt wird, muß no-.Vt ein Digital-Analog-Wandlcr 48 vorgesehen werden, dessen Aufbau nicht erfindungswescnllich ist. Der Korrekturschaltkreis 44 wird nachstehend unter Bezugnahme auf die F i g. 5 und 6 näher erläutert. Am y-Eingang des Schaltkreises gelangt der y-Impuls über einen Lcitungs\ erstärker 50, an den Eingang eines monostabilen Multivibrators 52. Der y-lmpuls beginnt mit dem Triggerimpuls T\, Tn am Ausgang der Fotodiode 26 und endet, wenn der Fotovervielfächer die zugeordnete Meßgutkante abtastet (Impuls I_x). Er muß nun noch um den festen Zeitbetrag Tk, 2a ) ^w'^e oben erwähnt, verkürzt werden; der Wert Tk wird

durch die Rückkippzeit des monostabilcn Multivibrader einstellbar ist — bestimmt: sowohl der

(2)

(3)

der zugehörige Sollwert .v.s· wird nachgeregelt. Der korrigierte Sollwert xks ergibt sich demgemäß zu

,(xsY S = xs±\-- -

2a

(4)

Um die Auswertung zu vereinfachen, wird die Anordnune so getroffen, daß für jede Kamera A α sich nur in einer Richtung bewegt. Man erkennt in F 1 g. 3, daß für die beiden Kameras 34i und 34_n gilt:

tors

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird nun nicht 40 y-lmpuls als auch der Ausgangsimpuls des monoder gemessene Durchmesserwert korrigiert, sondern stabilen Multivibrators 52 werden den Eingängen

- ■· ' ' ■---' " ¹^" eines UND-Gatters 54 zugeführt, an dessen Ausgang

ein Lageimpuls t_v erscheint, dessen Dauer der Ablage des Meßgutes vom Rand des Schwärmbereichs entspricht.

Um das Produkt .x._s>· zu bilden, ist an den Ausgang des UND-Gatters 54 ein eiektionischer S halter mit seinem Steuereingang angeschlossen, an dessen Signaleingang der invertierte (Inverter 58) Sollwert Xs 50 liegt. Am Ausgang des Schalters 56 erscheint mithin ein Impuls der Dauer /„, proportional der Ablage de: Meßguts, und der Höhe .rs. Das Integral dieser Impulse wird mittels Impedanzwandler 60 und Integrierstufe62 gebildet und um den vorgegebenen Divisort 55 geteilt: Am Ausgang der Stufe 62 erscheint ein Signal

dessen Amplitude dem Wert — ^s}- proportional ist

Der Solldurchmesser x_s wird in einer Quadrier Die Standardabstände αϊ, an sind festgelegt als stufe 64 quadriert, in einer Dämpfungsstufe 66 durcl Strecke bis zur nächstgelegenen Begrenzung des 60 2a dividiert und schließlich einem Eingang der Diffe Schwärmbereichs 33 für Kamera 34n bis zur abge- renzstufe68 zugeführt, an deren anderem Eingan wandten Begrenzung des Schvärmbereichs für Ka- das Signal vom Ausgang der Integrierstufe62 üegi mera 34i. ^^e nachdem, wie die aus einem Operationsverstärke

Da der Umlenkspiegel 24 in den Kameras 34 fest bestehende Dämpfungsstufe 66 ausgebildet wird, fühl installiert ist, muß gegebenenfalls auf elektronischem 65 ihr Ausgang bezüglich des Ausgangs der Stufe 6 Wege noch eine feste Zeitvorgabe zwischen dem Ein- gleich- oder entgegengerichtetes Potential, und in de

xk-si =

= XS —

2 an

(5)

(6)

treffen desTriaeersignals und dem Beginn des Schwärmbereichs 33 vorgesehen werden. Um also eine der geo-Stufe 68 kann Summe oder Differenz gebildet werde (für Kamera 34i Differenz, für Kamera 34n Summe

Schließlich ist noch eine Summierstufe 70 vorgesehen, um den korrigierten Sollwert xks zu bilden. Für Kamera 34[ wird der Summierstufe 70 das Ausgangssignal der Differenzstufe 68 mit entgegengesetztem Potential zugeführt, als dem des Signals .v.s entspricht, für Ka.ncra 34n jedoch mit gleichem Potential. Durch

entsprechende Wahl der Zeitkonstanten läßt si< reichen, das für die Sollwerländerung die gle Zeitkonstanten gelten wie für den Istwert; im üt sind die einzelnen Schaltkreise als integrierte leiterschaltkreise in an sich bekannter Weise < bildet.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Ermittlung eines Durchmessers eines Gegenstandes runder Querschnittsform mittels periodischer fotoelektrischer Abtastung und Auswertung der gewonnenen durchmesserpropor- tionalen MeDsignale unter Korrektur des Meßfehlers, der durch Änderung des Abstandes zwischen Gegenstand und Abtastgerät hervorgerufen wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein von der Position der dem Abtastgerät (14i, 34i) w zu- oder abgekehrten Mantellinie (20) des zu messenden Gegenstandes (10) relativ zu einer senkrecht zur optischen Achse des Abtastgerätes (14i, 34i) stehenden festen Bezugskante (33) abhängiges Korrektursignal (Δx), das seinerseits durchmesser- >5 abhängig ist, mittels eines senkrecht zum Abtastgerät (14i, 34i) angeordneten zweiten Abtastgerätes (14n, 34ii) gebildet wird, wobei die Durchmesserabhängigkeit bei dem Korrekturvorgang kompensiert wird. so

2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedem der beiden Abtastgeräte (34i, 34n), deren optische Achsen senkrecht zueinander und zu der Meßgutachse stehen, eine Korrektureinrichtung für das Meßsignal des anderen Abtastgerätes zugeordnet ist.

3. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektur an der Durchmessersollwert-Vorgabe erfolgt mittels analoger Schaltkreise zur schrittweisen Lösung der KorrrkturgWchung