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Verfahren zum Messen der Dicke oder Breite von Gegenständen Zusatz
zu Patent . ... ... (P 21 244 44.0, VPA 71/7052) Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Messen der Dicke oder Breite von Werkstücken durch Triangulation, wobei von
oberhalb des Werkstücks angeordneten Lichtablenkern Laserstrahlen periodisch über
die Oberfläche des Werkstücks geführt werden, dort diffus reflektiert werden und
von in einem festen Abstand von den Lichtablenkern angeordneten Detektoren registriert
werden, die nur Licht aus einer bestimmten Richtung aufnehmen können, und wobei
die Abmessungen aus der Zeitdifferenz zwischen dem Beginn der Strahlenablenkung
und dem Detektorsignal bestimmt werden.
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Im Hauptpatent . ... .. (P 21 244 44.0, VPA 71/7052) sind Meßverfahren
vorgeschlagen worden, bei denen Lichtstrahlen mittels akustooptischer Lichtablenker
zwei gegenüberliegende Oberflächen abtasten und bei denen die Lichtstrahlen anschliessend
in einem Detektor gelangen. Nach diesem Verfahren kann die Dicke oder Breite von
Werkstücken durch Abtasten von zwei gegenüberliegenden Flächen bzw. Kanten mit Lichtstrahlen
bestimmt werden.
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Bei einer solchen Anordnung werden hohe Anforderungen an die zur Steuerung
der akustooptischen Lichtablenker nötigen elektronischen Geräte gestellt. Für die
dort verwendeten akustooptischen Ablenker werden zur Erzeugung der Schallwellen
Hochfrequenzgeneratoren mit variablen Frequenzen in der Größenordnung von 100 NHz
benötigt, wobei dann Ablenkwinkel von 0,50 erzeugt werden. Durch den maximalen Ablenkwinkel
sind die maximal meßbaren Dickenvariationen der Werkstücke festgelegt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, das Verfahren nach dem Hauptpatent .
... ... (P 21 244 44.0) so abzuändern,daß auf die Verwendung von Hochfrequenzgeneratoren
und die hierfür erforderlichen aufwendigen Stellerschaltungen verzichtet werden
kann und daß durch größere Ablenkwinkel der an einem Ablenker reflektierten. Strahlen
größere Dlckenvariationen gemessen werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Lichtablenker
mit einem Schwlngspiegel versehene piezoelektrische Strahlablenker verwendet erden.
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Die im Handel erhältlidhen piezoelektrischen Ablenkvorrichtungen sind
mit dem Schwingspi:.gel ausgerüstet. Sie können mit Frequenzen-bis zu 10 kHz betrieben
werden. Es sind Ablenkwinkel bis zu 200 zu erreichen. Ein Lichtstrahl wird von dem
linear schwingenden Spiegel in einer Zeit von 10 msec über die zu messende Oberflache
des Werkstücks geführt und von dort gestreut. Vor dem Detektor wird eine Linse angeordnet,
welche den an der Oberfläche des Werkstücks diffus reflektierten Licht strahl in
eine Ebene fokussiert, wider sich der Detektor befindet. In einer Periode der Spiegelschwingung
wird dann das Streulicht zweimal den Photodetektor treffen und einen Meßimpuls erzeugen.
Der -Strahlablenker wird vorteilhafterweise mit einer Dreieck- oder Sägezahnspannung
angesteuert.
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Vorzugsweise wird zum Zeitpunkt des Einsetzens der Dreieck--oder Sägezahnepannung
ein Referenzimpuls erzeugt und der t.bstand zwischen diesem Referenzimpuls und der
Anstiegsflanke eines vom Detektor erzeugten Meßimpulses gemessen und als Maß für
die Zeitdifferenz zwischen dem Beginn der Strahlablenkung und dem Detektorsignal
verwendet.
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Die Dreieck- oder Sägezahnspannung kann vorteilhafterweise durch Impuleverformung
eines Rechteckimpulses erzeugt werden;
der Referenzipuls kann dann
durch Differenzierung des Rech-eckimpulses-und Unterdrückung des an der Rückflanke
erzeugten negativen Impulses gewonnen werden.
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Der Meßiinpuls wird vorteilhafterweise' ebenfalls differenziert und
der an der Anstiegsflanke des Meßimpulses auftretende' Impuls zusammen mit dem Referenzimpuls
einem Impulsdiskriminator zugeführt.
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Werden nämlich nur die Anstiegsflanken, also die Zeitpunkte eines
sehr kleinen Teiles des rechteckförmigen Meß und Referenzimpulses, ausgewertet,
so kann die Meßgenauigkeit wesentlich gesteigert werden, da somit der Laserstrahl-
und Photodiodendurchmesser auf die Meßgenauigkeit keinen Einfluß haben, Insbesondere
wird'dann in Impulsdiskriminator ein Anzeigeimpuis mit einer der Zeltdifferenz zwischen
Referenzimpuls und Neßimpuls proportionalen Länge erzeugt. Die Länge des Anzeigeimpulses
wird entweder direkt mit einem digitalen Impulslänge-Änzeigegerät bestimmt cder
'zuerst integriert und das Integral digital und/oder analog angezeigt.
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Anhand der Figurenbeschreibung wird die Erfindung näher erläutert.
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Die Figur 1 zeigt ein Diagramm der Steuerspannung, die figur 2 zeigt
eine Anordnung zur Messung der Dickenvariation, die Figur 3 zeigt Diagramme zur
Veranschaulichung der Funktion der Anordnung.
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Bei konstanter Schwingungsfrequenz des Ablenkspiegels wird die Meßgenauigkeit
von Werkstücken mit geringen Dickenvariationen erhöht, wenn die Auslenkamplitude
klein gehalten wird.
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In der Figur 1 sind zwei dreieckförmige Ansteuerspannungen für den
Schwingapiegel mit zwei Maximalamplituden 1 und 2 dargestellt. Die beiden gestrichelten
Geraden 3 und 4 beziehen sich auf eine Dickenvariationt d der Werkstücke.
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Bei Verwendung der Ansteuerspannung mit der Maxmmalamplitude 2 erhält
man einen größeren zeitlichen Unterschied /N t2 der Auslösung der Meßimpulse bei
zwei Werkstücken, die sich um die Dicke t d unterscheiden, als bei Verwendung der
AnsteueX rung mit der Maximalamplitude 1. Der zeitliche Unterschied beträgt dann
t t2. Die Ansteuerung des Lichtablenkers mit der Maximalamplitude 1 ist erforderlich,
wenn große Dickenvariationen erwartet werden, die Ansteuerung des Lichtablenkers
mit der Maximalamplitude 2, wenn auf große Meßgenauigkeit Wert gelegt wird.
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Die Figur 2 zeigt ein Ausführungsbei spiel zur Messung von Dickenvariationen.
Ein Generator 7, speziell ein astabiler Multivibrator, erzeugt Rechteckspannuilgsimpulse,
die als Ausgangsspannung für die Referenz- und Steuerimpulse dienen. Aus der Rechteckspannun
wird in einem Umformer 8 eine Dreieck-oder Sägezahnsteuerspannung gewonnen. Diese
wird einem piezeelektrischen Lichtablenker 9 mit einem Spiegel 10 und einer mechanischen
Einstellvorrichtung 11 zugeleitet. Mit dieser Vorrichtung 11 kann der Einfallswinkel
, O eines Lichtstrahls aug der zu Yermessenden Oberfläche eingestellt und damit
die MeBgenauigkeit vorgegeben werden. Als Lichtquelle für diesen Lichtstrahl dient
ein Dauerstrichlaser 12, dessen Strahlung am Spiegel 10 umgelenkt wird. Schwingt
der Spiegel 10 mit z.B. einer Frequenz von mehreren Kiloherz, so überstreicht der
umgelenkte Strahl die Oberfläche 13 des Werkstücks mehrere 1000 mal in einer Sekunde
zwischen den Punkten 14 und 15 gemäß der SchwingungsamplitudeAs des Schwingspiegels
10. Bei Ansteuerung des Spiegels 10 mit einer. Dreieckspannung verläuft die Bewegung
des Lichtstrahls zwischen den-Punkten 14 und 15 linear in beiden Richtungen. Wird
der Spiegel 10 mit einer SäZezahnspaiznung
angesteuert, so verläuft
die Bewegung zwischen den Punkten 14 und 15 ebenfalls linear, aber in der ein Richtung
schneller als in der anderen. Der Lichtstrahl wird auf der Oberfläche 15 des Werkstücks
gestreut und über eine Linse 16 in eine Ebene 18, in der- sich auch der Detektor
17 befindet-, abgebildet. Überstreicht der Lichtstrahl die ObeT-fläche 13 des Werkstücks
zwischen den Punkten 14 und 15, so wird zu einem bestimmten Zeitpunkt der Laserlichtstrahl
den-Detektor 17 erreichen. Dieser Zeitpunkt wird der Oberfläch-enlinie 13 des Werkstücks,
d.h. einer bestimmten Dicke, zugeordnet, da die Ablenkstellung des Schwingspiegels
zu diesem Zeitpunkt und für diese Linie gerade zur Abbildung der Lichtquelle im
Detektor führt. Das vom Detektor 17 registrierte Lichtsignal wird in einem Verstärker
19 mit automatischer Verstärkungsregelung verstärkt und gelangt über einen Impulsumformer
20, welcher aus dem Signal eine Rechteckspannung formt zu einem Differentiator 21,
welcher nur die Anstiegsflanke des Meßiinpulses einem Impulsdiskriminator 22 zuführt.
Diesem Impulsdiskriminator 22 wird auch die Anstiegsflanke des in einem Differentiator
23 differenzierten Spannuagssignals aus dem Spannungsgenerator 7 zugeführt. Der
Impulsdiskriminator erzeugt der Zeitdifferenz von Referenzimpuls und Meßimpuls entsprechend
lange Impulse, die in einem Integrator 24 integriert und einer Digitalanzeigevorrichtung
25 und einer Analoganzeigevorrichtung 26 zugeführt werden.
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Die Anzeigen geben den Meßwert wieder, der den Abstand der Oberfläche
13 von einer parallel zur Oberfläche 13 gedachten Bezugslinie entspricht, welche
in Höhe des Detektors verläuft, und zeigen Dickenvariationen 4 d der am Meßort vorbeilaufenden
Werkstücke an, wenn die Streuung der Lichtstrahlen auf der Oberfläche der Werkstücke,
beispielsweise auf den Linien 27 und 28 erfolgen. Dann trifft der gestreute Lichtstrahl
den Detektor 17 entsprechend dem Zeitpunkt, der zur Abbildung im Detektor führt,
später, so daß die im Impulsdiskriminator erzeugten Impulslängen
geändert
werden.
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Die Dicke oder Breite der Werkstücke erhält man aus der Geometrie
von zwei der gezeigten Anordnungen, die an zwei gegenüberliegenden Flächen bzw.
Ernten der Werkstücke installiert werden, wie dies im Hauptpatent beschrieben ist.
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Anhand der Figur 3 wird der zeitliche Verlauf der in den einzelnen
elektronischen Geräten vorliegenden Spannungen dargestellt.
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Der Generator 7 erzeugt eine Rechteckspannung Ug, von der die Anstiegsflanken
UR als Referenzimpulse in den Impulsdiskriminator gelangen. Der piezoelektrische
Lichtablenker 9 wird mit den Steuerspannungen U5 angesteuert, welche entweder sägezahnförmig
29 oder dreieckförmig 30 verlaufen. Die zu drei verschiedenen Dicken des Werkstücks
gemäß den Linien- 13, 27 und 28 gehörigen Änderungen des Einfallswinkels A,? sind
durch drei Spannungswerte U5 31, U5 32 und U5 33 gekennzeichnet. Diese Spannungswerte
geben an, bei welcher Steuerspannung und zu welcher Zeit der Meßimpuls UM entsteht.
Für diese drei verschiedenen Dicken des Werkstücks erhält man aus dem Impulsdiskriminator
unterschiedlich lange Rechteckimpulse URSI31, URM32 bzw.
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URM33. Diese Impulslängen würden für eine Sägezahnsteuerspannung 29
länger. Infolgedessen könnte die Dickenvariation des Werkstücks genauer festgehalten
werden.
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3 Figuren 8 Patentansprüche