DE2157813C3

DE2157813C3 - Method for determining the thickness or width of flat workpieces

Info

Publication number: DE2157813C3
Application number: DE19712157813
Authority: DE
Inventors: Viktor Dr.-Ing 8000 München Bodlaj
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Filing date: 1971-11-22
Publication date: 1977-12-01

Description

Gegenstand des Hauptpatentes 21 24 444 ist ein Verfahren zum schnellen berührungsfreien digitalisierten Messen der Dicke oder Breite von ebenen Werkstücken, wobei zu beiden Seiten der Werkstücksabmessung durch je einen Lichtablenker ein Laserstrahlbündel periodisch über die Oberfläche des Werkstückes geführt wird, von dort reflektiert wird und jeweils von einem im Abstand von der Werkstücksoberfläche angeordneten Detektor registriert wird, falls dieser Licht aus einer bestimmten Richtung aufnimmt, und wobei 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.The subject of the main patent 21 24 444 is a method for fast, non-contact digitized Measure the thickness or width of flat workpieces, taking either side of the workpiece dimension by means of a light deflector, a laser beam periodically over the surface of the Workpiece is guided, is reflected from there and in each case by one at a distance from the workpiece surface arranged detector is registered if it receives light from a certain direction, and wherein from the time difference between the start of the light beam deflection of each light deflector and the Receipt of a light signal in the corresponding detector determines the dimensions of the workpiece in an electronic Calculator is determined.

Im Hauptpatent ist ein Meßverfahren vorgeschlagen worden, bei dem die Lichtstrahlen mittels akustooptischer Lichtablenker zwei gegenüberliegende Oberflächen abtasten und bei dem die Lichtstrahlen anschließend in einem Detektor gelangen, so daß die Dicke oder Breite von Werkstücken durch Abtasten von zwei gegenüberliegenden Flächen bzw. Kanten mit Lichtstrahlen bestimmt werden kann.In the main patent, a measuring method has been proposed in which the light beams by means of acousto-optical Light deflectors scan two opposing surfaces and then the light rays get in a detector so that the thickness or width of workpieces by scanning two opposite surfaces or edges can be determined with light rays.

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 MHz benötigt, wobei dann Ablenkwinkel von 0,5° erzeugt werden. Durch den maximalen Ablenkwinkel sind die maximal meßbaren Dickenvariationen der Werkstücke festgelegt.Such an arrangement places high demands on the control of the acousto-optical Light deflectors necessary electronic devices are provided. For the acousto-optical deflectors used there high-frequency generators with variable frequencies in the order of magnitude are used to generate the sound waves of 100 MHz is required, in which case deflection angles of 0.5 ° are generated. By the maximum Deflection angles are the maximum measurable thickness variations of the workpieces.

35 Aufgabe der Erfindung ist es daher, das Verfahren nach dem Hauptpatent so abzuändern, daß auf die Verwendung von Hochfrequenzgeneratoren und die hie.für erforderlichen aufwendigen Steuerschaltungen verzichtet werden kann und daß größere Dickenvariationen gemessen werden können. The object of the invention is therefore to modify the method according to the main patent in such a way that the use of high-frequency generators and the expensive control circuits required for this can be dispensed with and that larger variations in thickness can be measured.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Lichtablenker aus einem piezoelektrischen Lichtablenker mit einem Schwingspiegel besteht.This object is achieved according to the invention in that the light deflector consists of a piezoelectric Light deflector with an oscillating mirror consists.

Damit kann also auf aufwendige Steuerschaltungen verzichtet werden, außerdem ergibt sich der Vorteil, daß größere Ablenkwinkel für die am Schwingspiegel reflektierten Strahlen erreichbar sind, so daß ein großer Meßbereich erzielbar ist.Complex control circuits can thus be dispensed with, and there is also the advantage that larger deflection angles for the beams reflected on the oscillating mirror can be achieved, so that a large Measurement range is achievable.

Im Handel erhältliche piezoelektrische Ablenkvorrichtungen sind mit einem Schwingspiegel ausgerüstet und können mit Frequenzen bis zu 1OkHz betrieben werden, wobei Ablenkwinkel bis zu 20° zu erreichen sind. Erfindungsgemäß wird ein Lichtstrahl von dem linear schwingenden Spiegel in einer Zeit von 10 msec über die zu messende Oberfläche des Werkstücks geführt und von dort gestreut. Vor dem Detektor wird eine Linse angeordnet, welche den an der Oberfläche des Werkstücks diffus reflektierten Lichtstrahl in eine Ebene fokussiert, in der sich der Detektor befindet. In einer Periode der Spiegelschwingung wird dann das Streulicht zweimal den Photodetektor treffen und einen Meßimpuls erzeugen. Der Lichtablenker wird vorteilhafierweisc mit einer Dreieck- oder Sägezahnspannung angesteuert.Commercially available piezoelectric deflectors are equipped with an oscillating mirror and can be operated at frequencies of up to 10 kHz with deflection angles of up to 20 °. According to the invention, a light beam from the linearly oscillating mirror in a time of 10 msec over the surface of the workpiece to be measured guided and spread from there. A lens is placed in front of the detector, which has the on the surface The diffusely reflected light beam of the workpiece is focused into a plane in which the detector is located. In one period of the mirror oscillation, the scattered light will hit the photodetector twice and one Generate measuring pulse. The light deflector is advantageously made with a triangular or sawtooth voltage controlled.

Vorzugsweise wird zum Zeitpunkt des Einsetzens der Dreieck- oder Sägezahnspannung ein Referenzimpuls erzeugt und der Abstand zwischen diesem Referenzim-A reference pulse is preferably used at the time the triangular or sawtooth voltage begins generated and the distance between this reference point

ί/ί /

puls und der Anstiegsflanke eines vom Detektor erzeugten Meßimpulses gemessen und als Maß für die Zeitdifferenz zwischen dem Beginn der Lichtstrahlablenkung und dem Detektorsignal verwendet.pulse and the leading edge of a measuring pulse generated by the detector and measured as a measure of the Time difference used between the start of the light beam deflection and the detector signal.

Die Dreieck- oder Sägezahnspannung kann vorteilhafterweise durch Impulsverformung eines Rechteckimpulses erzeugt werden; der Referenzimpuls kann dann durch Differenzierung des Rechteckimpulses und Unterdrückung des an der Rückflanke erzeugten negativen Impulses gewonnen werden.The triangular or sawtooth voltage can advantageously be achieved by pulse deformation of a square pulse be generated; the reference pulse can then by differentiating the square pulse and Suppression of the negative pulse generated on the trailing edge can be obtained.

Der Meßimpuls wird vorteilhafterweise ebenfalls differenziert und der an der Anstiegsflanke des Meßimpulses auftretende Impuls zusammen mit dem Referenzinipuls einem Impulsdiskriminator zugeführt.The measuring pulse is advantageously also differentiated and that on the rising edge of the Measuring pulse occurring pulse is fed to a pulse discriminator together with the reference pulse.

Werden nämlich nur die Anstiegsflanken, also die Zeitpunkte eines sehr kleinen Teiles des rechteckförmigert MeB- und Referenzimpulses, ausgewertet, so kann die Meßgenauigkeit wesentlich gesteigert werden, da somit der Laserstrahl- und Photodiodendurchmesser auf die Meßgenauigkeit keinen Einfluß haben.Namely, only the rising edges, i.e. the times of a very small part of the square-shaped Measurement and reference pulse, evaluated, the measurement accuracy can be increased significantly because thus the laser beam and photodiode diameter have no influence on the measurement accuracy.

Insbesondere wird dann im Impulsdiskriminator ein Anzeigeimpuls mit einer der Zeitdifferenz zwischen Referenzimpuls und Meßimpuls proportionalen Länge erzeugt. Die Länge des Anzeigeimpulses wird entweder direkt mit einem digitalen Impulslänge-Anzeigegerät bestimmt oder zuerst integriert und das Integral digital und/oder analog angezeigt.In particular, a will then be in the pulse discriminator Display pulse with a length proportional to the time difference between reference pulse and measuring pulse generated. The length of the display pulse is determined either directly with a digital pulse length display device determined or first integrated and the integral displayed digital and / or analog.

Anhand der Figurenbeschreibung wird die Erfindung näher erläutert.The invention is explained in more detail using the description of the figures.

Fig. 1 zeigt ein Diagramm der Steuerspannung;Fig. 1 shows a diagram of the control voltage;

Fig. 2 zeigt eine Anordnung zur Messung der Dickenvariation;Fig. 2 shows an arrangement for measuring the variation in thickness;

Fig. 3 zeigt Diagramme zur Veranschaulichung der Funktion de; Anordnung.3 shows diagrams to illustrate the function de; Arrangement.

Bei konstanter Schwingungsfrequenz des Ablenkspiegels wird die Meßgenauigkeit von Werkstücken mit geringen Dickenvariationen erhöht, wenn die Auslenkamplitude klein gehalten wird.With a constant oscillation frequency of the deflecting mirror, the measuring accuracy of workpieces is with small variations in thickness if the deflection amplitude is kept small.

In der F i g. 1 sind zwei dreieckförmige Ansteuerspannungen für den Schwingspiegel mit zwei Maximalamplituden 1 und 2 dargestellt. Die beiden gestrichelten Geraden 3 und 4 beziehen sich auf eine Dickenvariation Adder Werkstücke. Bei Verwendung der Ansteuerspannung mit der Maximalamplitude 2 erhält man einen größeren zeitlichen Unterschied At₁ der Auslösung der Meßimpulse bei zwei Werkstücken, die sich um die Dicke Ad unterscheiden, als bei Verwendung der Ansteuerung mit der Maximalamplitude 1 (zeitlicher Unterschied Ah). 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.In FIG. 1 shows two triangular control voltages for the oscillating mirror with two maximum amplitudes 1 and 2. The two dashed straight lines 3 and 4 relate to a thickness variation of Adder workpieces. When using the control voltage with the maximum amplitude 2, there is a greater time difference At _{1 in} the triggering of the measuring pulses for two workpieces that differ by the thickness Ad than when using the control with the maximum amplitude 1 (time difference Ah). The control of the light deflector with the maximum amplitude 1 is required when large variations in thickness are expected, and the control of the light deflector with the maximum amplitude 2. when great measurement accuracy is important.

Die F i g. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel zur Messung von Dickenvariationen. Ein Generator 7, speziell ein astabiler Multivibrator, erzeugt Rechteckspannungsimpulse, die als Ausgangsspannung für die Referenz- und Steuerimpulse dienen. Aus der Rechteckspannung wird in einem Umformer 8 eine Dreieck- oder Sägezahnsteuerspannung gewonnen. Diese wird einem piezoelektrisehen Lichtabienker 9 mit einem Spiegel 10 und einer mechanischen Einstellvorrichtung 11 zugeleitet. Mit dieser Vorrichtung 11 kann der Einfallswinkel ßo eines Lichtstrahls auf der zu vermessenden Oberfläche 13 eingestellt und damit die Meßgenauigkeit 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 Kilohertz, so überstreicht der umgelenkte Strahl die Oberfläche 13 des Werkstücks mehrere lOOOmal in einer Sekunde zwischen den Punkten 14 und 15 gemäß der Schwingungsamplitude Δβ des Schwingspiegels 10. Bei Ansteuerung des piezoelektrischen Lichtablenkers 9 mit einer Dreieckspannung verläuft die Bewegung des Lichtstrahls zwischen den Punkten 14 und 15 linear in beiden Richtungen. Wird der Lichtabienker 9 mit einer Sägezahnspannung angesteuert, so verläuft die Bewegung zwischen den Punkten 14 und 15 ebenfalls linear, aber in der einen Richtung schneller als in der anderen. Der Lichtstrahl wird auf der Oberfläche 13 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 Oberfläche 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 Oberflächenlinie 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 Meßimpulses einem Impulsdiskriminator 22 zuführt. Diesem Impulsdiskriminator 22 wird auch die Anstiegsflanke des in einem Differentiator 23 differenzierten Spannungssignals 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.The F i g. 2 shows an exemplary embodiment for measuring thickness variations. A generator 7, specifically an astable multivibrator, generates square-wave voltage pulses that serve as the output voltage for the reference and control pulses. A triangular or sawtooth control voltage is obtained from the square-wave voltage in a converter 8. This is fed to a piezoelectric light deflector 9 with a mirror 10 and a mechanical adjustment device 11. With this device 11, the angle of incidence ßo of a light beam on the surface 13 to be measured can be set and the measuring accuracy can thus be specified. A continuous wave laser 12, the radiation of which is deflected at the mirror 10, serves as the light source for this light beam. If the mirror 10 swings with z. B. a frequency of several kilohertz, the deflected beam sweeps over the surface 13 of the workpiece several 1000 times in one second between points 14 and 15 according to the oscillation amplitude Δβ of the oscillating mirror 10. When the piezoelectric light deflector 9 is controlled with a triangular voltage, the movement of the Light beam between points 14 and 15 linearly in both directions. If the Lichtabienker 9 is controlled with a sawtooth voltage, the movement between the points 14 and 15 is also linear, but faster in one direction than in the other. The light beam is scattered on the surface 13 of the workpiece and imaged via a lens 16 in a plane 18 in which the detector 17 is also located. If the light beam sweeps over the surface 13 of the workpiece between the points 14 and 15, the laser light beam will reach the detector 17 at a certain point in time. This point in time is assigned to the surface line 13 of the workpiece, ie a certain thickness, since the deflection position of the oscillating mirror at this point in time and for this line leads to the image of the light source in the detector. The light signal registered by the detector 17 is amplified in an amplifier 19 with automatic gain control and passes via a pulse converter 20, which converts the signal into a square-wave voltage, to a differentiator 21, which feeds only the leading edge of the measuring pulse to a pulse discriminator 22. The rising edge of the voltage signal differentiated in a differentiator 23 from the voltage generator 7 is also fed to this pulse discriminator 22. The pulse discriminator generates long pulses corresponding to the time difference between the reference pulse and the measuring pulse, which pulses are integrated in an integrator 24 and fed to a digital display device 25 and an analog display device 26.

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 17 verläuft, und zeigen Dickenvariationen Ad 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.The displays show the measured value, which corresponds to the distance of the surface 13 from an imaginary reference line parallel to the surface 13, which runs at the level of the detector 17, and show variations in thickness Ad of the workpieces passing by the measuring location when the scattering of the light rays on the surface of the workpieces, for example on lines 27 and 28. The scattered light beam then hits the detector 17 later, corresponding to the point in time which leads to the imaging in the detector, so that the pulse lengths generated in the pulse discriminator are changed.

Die Dicke oder Breite der Werkstücke erhält man aus der Geometrie von zwei der gezeigten Anordnungen, die an zwei gegenüberliegenden Flächen bzw. Kanten der Werkstücke installiert werden, wie dies im Hauptpatent beschrieben ist.The thickness or width of the workpieces can be obtained from the geometry of two of the arrangements shown, which are installed on two opposite surfaces or edges of the workpieces, as shown in Main patent is described.

Anhand der F i g. 3 wird der zeitliche Verlauf der in den einzelnen elektronischen Geräten vorliegenden Spannungen dargestellt.Based on the F i g. 3 shows the temporal course of the present in the individual electronic devices Stresses shown.

Der Generator 7 erzeugt eine Rechteckspannung L^, von der die Anstiegsflanken Ur als Referenzimpulse in den Impulsdiskriminator gelangen. Der piezoelektrische Lichtabienker 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 gehörigen Änderungen des Einfallswinkels Aß sind durch drei Spannungswerte L/_S31, U₅ 32 und (Λ33 gekennzeichnet. Diese Spannungswerte geben an, beiThe generator 7 generates a square wave voltage L ^, of which the rising edges Ur reach the pulse discriminator as reference pulses. The piezoelectric Lichtabienker 9 is controlled with the control voltages U ₅ , which are either sawtooth 29 or triangular 30. The changes in the angle of incidence Aβ associated with three different thicknesses of the workpiece according to lines 13, 27 and are identified by three voltage _{values L / S} 31, U ₅ 32 and (Λ33. These voltage values indicate where

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 Urm3u Urm32 bzw. Urm3i. Diese Impulslängen würden für eine Sägezahnsteuerspannung 29 länger. Infolgedessen könnte die Dickenvariation des Werkstücks genauer festgehalten werden.which control voltage and at what time the measuring pulse Um is generated. For these three different thicknesses of the workpiece, rectangular pulses Urm3u Urm32 or Urm3i of different lengths are obtained from the pulse discriminator. These pulse lengths would be longer for a sawtooth control voltage 29. As a result, the variation in thickness of the workpiece could be more accurately recorded.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Method for fast, non-contact digitized measurement of the thickness or width of flat workpieces, with one light deflector on each side of the workpiece dimension a laser beam is periodically guided over the surface of the workpiece, from there is reflected and in each case by a detector arranged at a distance from the workpiece surface is registered if this receives light from a certain direction, urd where from the Time difference between the start of the light beam deflection of each light deflector and the reception a light signal in the corresponding detector the dimensions of the workpiece in an electronic Computer is determined according to main patent 2144 444, characterized in that the light deflector consists of a piezoelectric light deflector (9) with an oscillating mirror (10) consists.

2. The method according to claim 1, characterized in that the piezoelectric light deflector (9 ) is controlled with a triangular or a sawtooth voltage (U _s).

3. The method according to claims 1 and 2, characterized in that at the time of the onset of the triangular or sawtooth voltage (U ₅ ) a reference pulse is generated and the distance between this reference pulse and the leading edge of a measuring pulse generated by the detector (Um) is measured and is used as a measure of the time difference between the start of the light beam deflection and the detector signal.

4. The method according to claims 2 and 3, characterized in that the triangular or sawtooth voltage (U _s ) is generated by pulse deformation of a square pulse (U km) and that the reference pulse by differentiating the square pulse and suppressing the negative pulse generated on the trailing edge is produced.

5. The method according to claims 3 and 4, characterized in that the measuring pulse (U _M ) is differentiated and the pulse occurring on the rising edge of the measuring pulse is fed to a pulse discriminator (22) together with the reference pulse

6. The method according to claim 5, characterized in that a pulse discriminator (22) Display pulse with a time difference between reference pulse and measuring pulse proportional Length is generated.

7. The method according to claim 6, characterized in that that the length of the display pulse can be measured directly with a digital pulse length display device (25) is determined.

8. The method according to claim 6, characterized in that the display pulse is integrated and the integral is displayed as analog and / or digital.