DE2164397B2

DE2164397B2 - Optoefektrische Spurvorrichtung

Info

Publication number: DE2164397B2
Application number: DE2164397A
Authority: DE
Inventors: Shigeru Toyonaka Ando; Kazuo Suita Okada
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1970-12-26
Filing date: 1971-12-23
Publication date: 1975-03-27
Also published as: US3757125A; DE2164397C3; DE2164397A1; GB1370908A

Description

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Die Erfindung betrifft eine optoelektrische Spurvorrichtung zur Verfolgung einer Spur und insbesondere einer Kante auf einem Objekt, bei der eine Abtasteinheit mit einer Lichtquelle, einem auf das Von dem Objekt reflektierte Licht ansprechenden Lichtdetektor und einem Lichtstrahltaster zur periodischen Ablenkung des von der Lichtquelle ausge-Sandten Lichtstrahls quer zu der zu verfolgenden Spur vorgesehen ist, bei der weiterhin die Ausgangsspannung des Lichtdetektors mit der Steuerspannung des Lichtstrahltasters in einem Phasendetektor verglichen wird und bei der die Ausgangsspannung des Phasendetektors zur Ansteuerung eines Servomechanismus dient, der die Abtasteinheit der Spur nachführt.

Zur Automatisierung von Schweißarbeiten ist es erforderlich, die Trennlinie zwischen zwei zu verschweißenden Körpern zu verfolgen.

Eine derartige optoelektrische Spurvorrichtung ist aus der russischen Patentschrift 2 24178 bekannt. Diese bekannte Einrichtung erlaubt lediglich das Abtasten von Kurven auf einem ebenen Objekt, nicht die Verfolgung einer Spur, die beispielsweise durch einen Eckenbereich gebildet wird. Ferner erlaubt die bekannte Spurvorrichtung nicht die Messung einer winkelmäßigen Ausrichtung des Objekts gegenüber der Spurvorrichtung.

Somit ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine optoelektrische Spurvorrichtung der genannten Art zu schaffen, welche eine genaue berührungsfreie Verfolgung einer Spur auf einem gekrümmten Objekt und insbesondere einer Kante ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst daß zwischen dem Objekt und dem Lichtdetektor eine Schlitzblende mit einem zur Abeinrichtung des Lichtstrahles im wesentlichen parallelen Schltz oder ein optischer Graukeil mit einem Durchlass gkeitsfaktor, der sich in einer zur Ablenknchtung des Ucmtrahlwsters orthogonalen Richtung ändert, angeordnet ist und daß zwischen der Schlitzblende oder dem optischen Graukeil und dem Objekt e.ne Kondensorlinse angeordnet ist.

Mit dieser Spurvorrichtung gelingt es, beliebige Spuren auf gekrümmten Objekten und insbesondere Kanten berührungslos mit großer Genauigkeit zu verfolgen. Vorzugsweise bildet die optische Achse der Linse mit der Linie Tastzentrum-Lichtquelle einen Winkel. Ferner gelingt es mit dieser Spurvorrichtung, eine Bestimmung des Winkels der Obiktnormalen zur optischen Achse der Linse vorzunehmen, wenn die Objektoberflache um einen bestimmten Betrag vor oder hinter dein icnn.ttpunkt der optischen Achse der Linse und der Linie Tastzentrum-Lichtquelle versetzt ist. Ferner gelingt es mit der erfindungsgemäßen Spurvorrichtung die I aee des Objekts auf der optischen Achse der Linse zu bestimmen, wenn die Objektnormale einen Winke! zur optischen Achse der Linse bildet.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spurvorrichtung, .

Fig.2 bis 4 Frinzipdarstellungen der Arbeitsweise der Spurvorrichtung gemäß F i g. 1,

Fig. ^ eine Signalcharakteristik der Spulvorrichtung gemäß Fig. 1, .

Fig 6 eine schematische Darstellung einer abgewandelten Betriebsweise der Spurvorrichtung gemäß Fig I

Fig 7 eine schematische Darstellung einer weiteren abgewandelten Betriebsweise der Spurvorrich-

tunc gemäß Fi g. 1, .

Fig. 8 ein Signaldiagramm zur Betriebsweise gemäß Fig. 7,

Fig. 9 eine zweite Ausführungsform der eriindunesgemäßen Spurvorrichtung,

Fig. 10 bis 12 Prinzipdarstellungen der Arbeitsweise der Spurvorrichtung gemäß F i g. 9 und

Fig. 13 eine Signalcharakteristik der Spurvornchtung gemäß F i g. 9.

F i g. 1 zeigt eine erste Ausfuhrungsform der crfindungsgcmäßen Spurvorrichtung mit einer Lichtquelle 1 für paralleles Licht, z. B. einem Laser und mit einem Lichtstrahltastcr 2, welcher das Licht ir Richtung der *-Achse periodisch ablenkt. Diese« periodische Ablenken wird im folgenden als Taster bezeichnet. Das von einem Objekt 10 reflektierte Licht wird durch eine Linse 5 auf eine Schlitzblende 4 mit einem Schlitz 4a fokussiert und fUlli dann auf einen Lichtdetektor 3. Dieser wandelt da« einfallende Licht in ein elektrisches Signal um. Eir Tisch 6 ist mittels eines Motors 9 in Richtung dei x-Achse bewegbar. Dieser Tisch trägt die Parallellichtquelle 1, den Lichtstrahltaster 2, den Licht detektor 3, die Schlitzblende 4 und die Linse 5 Ferner ist ein Phasendetektor 7 vorgesehen, welchei die Phase des Ausgangssignals des Lichtdetektors 2 mit der Phase eines Bezugssignals vergleicht, welche; durch den Lichtstrahltaster bereitgestellt wird. Da; Ausgangssignal des Phasendetektors 7 wird durcl einen Verstärker 8 verstärkt, und ein Servomotor {

Jient zur Bewegung des Tisches 6 entsprechend dem \usgangssignal des Verstärkers 8. Das Objekt 10 üesteht aus zwei Flächen K und L, welche eine gemeinsame Kante nm aufweisen, Die durch die Lichtarte auf der Schlitzblende 4 beschriebene Bahn ist mit 11' bezeichnet.

Im folgenden soll die Arbeitsweise dieser Spurvurrichlung erläutert werden. Die Parallellichtquelle 1 kann aus einer Punktlichtqueile und einer Linse bestehen. Bei Verwendung eines Gas-Lasers ist die Genauigkeit des Gerätes erhöht. Der Lichtstrahltaster 2 lenkt den Lichtstrahl parallel zur .r-Achse mit der Wiederholurigsfrequenz Z₀ periodisch aus. Man kann alle herkömmlichen Lichtstrahltaster verwenden. Man kann z. B. einen auf dem tnde eines Stimmgabeloszillators befestigten ebenen Spiegel verwenden, wobei der Lichtstrahl auf diesen Spiegel fällt. Der Tastwinkel /_ β beträgt typischerweise 2,5 · 10~² rad. Wenn der Abstand zwischen dem Lichlsirahliaster 2 und dem Objekt 10 200 mm beträgt, so beträgt die .Ablenkamplitude auf dem Objekt 5 mm. Die optische Achse ho der Parallellichlquelle 1 und die optische Achse au der Linse 5 liegen wie dargestellt in der ys-Ebene, und beide optischen Achsen bilden einen Winkel \, welcher etwa 2· 10~' rad betragen kann.

Die Lichtorte des LichtstrahTs auf der Schlitzblende sind in Fig. 2 dargestellt. Fig. 2a zeigt den Fall einer Koinzidenz zwischen der optischen Achse TTo und der optischen Achse öö. Die Lichtorte bilden bei Beobachtung aus der Richtung«» gemäß Fig. 2 a' eine zur .v-Achsc parallele gerade Linie. Wenn demgegenüber gemäß Fig. 2b die Beobachtungsrichlung no einen Winkel λ zur optischen Achse 5ö bildet, so definieren die Lichtorte auf der Schlitzblende bei Beobachtung aus der Richtung «ö eine polygonale Linie gemäß Fi g. 2 b'.

Das Objekt 10 besteht aus zwei Platten K und L, und die Kante Tnh verläuft parallel zur z-Achse durch Punkt Ό hindurch. Die Ebenen K und /. bilden einen Winkel ··, welcher vorzugsweise 45 beträgt, zur .v-Achsc. F i g. 3 zeigt die entsprechenden Lichtorte auf der Schlitzblende. Im Falle der Fig. 3b durchsetzt die Achse ho die Kante mn des Objekts 10 Wenn nun die Position des zu messenden Körpers nach links oder rechts gemäß den Fig. 3a oder 3c verschoben wird, so bilden die Lichtortc die Linien gemäß Fi g. 3 a' und 3 c'.

Das vom Objekt 10 reflektierte Licht wird durch die Linse 5 auf die Schlitzblende 4. welche in der .vr.-Hbcnc liegt, fokussiert. Der Schlitz 4« liegt parallel zur x-Achse, und seine Weite entspricht der Weite der durch die Lichtortc 1Γ auf der Schlitzblende 4 gebildeten Lichtspur. Die Position der Schlitzblende 4 in --Richtung im so gewählt, daß im Fülle einer Koinzidenz der Kante djs Objekts mit der optischen Achse ITo der Bogcnbcrcich der Lichtspur mit dem Schlitz koin/idierl (Fi g. 3 b).

Das durch den Schlitz 4« fallende Licht gelangt zum Lichtdetektor 3 und wird entsprechend seiner Intensität in ein elektrisches Signal umgewandelt. Dieses gelangt zum Phasendctcktor 7. Flier wird die Wellenform der Steuerspannung für den Lichtstrahltastcr 2 als Bezugssignal verwendet. Jc nachdem, ob die Phasendifferenz zwischen dem Bezugssignal und dem Signal des Lichtdetektors 3 den Wert 0 oder 180 ' hat, erscheint am Ausgang des Phasendetektors ein positives oder ein K'gativcs Glcichspannungssignal.

Die F i g. 4 B, 4 C und 4 D zeigen die Spur des auf die Schlitzblende 4 projizieren Lichtstrahls. Die Fig. 4B', 4C und 4D' zeigen die Bahn der Lichtpunkte auf der Schlitzblende als Funktion der Zeit.

Darüber hinaus ist die Intensität /_s des durch den Schlitz hindurchfallenden Lichtes als Funktion der Zeit aufgetragen. In Fi g. 4 A ist die Auslenkung des Lichtstrahls in Abhängigkeit von der Zeit aufgetragen. Fig. 4B zeigt den Fall einer Koinzidenz zwi-

sehen der Kante mn und der optischen Achse 5ö. Die Fig. 4C zeigt den Fall einer in negativer Richtung der .if-Achse verschobenen Kante Tnh und Fig. 4 D zeigt den Fall einer in_positiver Richtung der .r-Achse verschobenen Kante Tnh. Man erkennt aus Fig. 4 B, daß die Intensität des durch den Schlitz hindurchfallcnden Lichtes mit einer Frequenz variiert, welche doppelt so groß ist wie die Frequenz der Lichtstrahlauslenkung. Somit umfaßt die Intensität des durch den Schlitz hindurchgehenden Lichtes eine Frequenzkomponente If₁. In den Fällen de^r Fi g. 4 C und 4 D umfaßt die Intensität des durch den Schlitz hindurchgehenden Lichtes der Frequenzkomporente /₀, wobei zwischen beiden Fällen eine Phasendifferenz von ISO besteht. Wenn die Objektlage zwischen den Fällen der F i g. 4 B und 4 C bzw. der F i g. 4 B und 4 D liegt, so koexistieren die Frequenzkomponenten ;₀ und 2I_n, und die Intensität der Komponente /_fJ ist bei kleineren Verschiebungen dem Maß der Verschiebung proportional. Bei Vergleich des Ausgangssignals des Lichtdetektors 3 mit dem Bezugssignal erhält man ein Ausgangssignal der Charakteristik gemäß Fig. 5, wobei die Position der Kante mn (P,.„„) in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung U₁₁,, des Phascndctektors aufgetragen. Mit diesem Signal wird der Servomotor 9 gesteuert, und der Tisch 6 wird derart bewegt, daß Koinzidenz zwischen dem Tastzentrum und der Kante des Objekts hergestellt wird. Au' diese Weise wird die Kante des Objekts stets in Koinzidenz mit dem Taslzentrum gehalten.

Wenn nun das Objekt an der Kante mn geschweißt werden soll, so folgt der Tisch 6 der Schweißlinie. Wenn nun der Tisch mit dem Schweißbrenner nicht nur in .v-Richtung. sondern auch in --Richtung bewegbar ist. so kann auf diese Weise der Schweißvor-

t5 gang auch im Falle einer gekrümmten Schweißlinie automatisch erfolgen.

Im folgenden soll eine abgewandelte Betriebsweise der Spurvorrichtung an Hand der F i g. (1 erläutert werden, wobei eine Verschiebbarkeit des Objekts in y-Richtung vorgesehen ist. Gemäß F ic.fi Λ umfaßt das Objekt 10' nur eine Fläche K, deren Normalen in der .vy-F.hcnc liegt und einen Winkel <-> zur optischen Achse äö bildet. Wenn nun gemäß Fig. OiC die Oberfläche des Objekts 10' im Schnittpunkt ο der optischen Achse it» und der optischen Achse äf> liegt, st-) koinzidiert gemäß F i g. 6 C" das Tastzentrum mit dem Schlitz. Das tastende Licht überstreicht den .Schiit/ zweimal während einer Tasipcriodc und das Signal enthält die Frequenzkomponente 2/₍₎. Wenn

nun das Objekt 10' auf der y-Achso. zur Linse hin (Fig. 6B) oder von dieser weg (Fig. 6D) verschoben ist, so überstre^:cht der Taststrahl den Schlitz während einer Tastperiode mir einmal, und das gebildete Signal enthält die Frequenzkomponente /_ft. Zwischen

den Fällen der Fig. 6B und 6D besteht eine Phasendifferenz von 180°. Der Phasendetektor bildet auch hier ein Aüsgangssignal mit der Charakteristik gemäß Fig. 5. Auf Grund dieses Ausgangssignals wird der

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bewegbare Tisch 6 mit Hilfe des Servomotors in 11 b'. Das reflektierte Licht wird auf dem Graukeil 4 y-Richtung bewcjt, so daß der Schnittpunkt δ stets in fokussiert. Der Graukeil 4 liegt in der .vz-Ebene. Da der Ebene des Objekts 10' gehalten wird. Im folgen- der Transmissionsfaktor des Graukcils 4 in Richtung den soll an Hand der F i g. 7 eine weitere Betriebs- der e-Achsc variiert, ändert sich auch die Intensität weise der Spurvorrichtung erläutert werden. Es soll 5 des durch den Graukeil 4 hindurchgehenden Lichtes angenommen werden, daß bei der Anordnung gemäß in Abhängigkeit von der Auftreffposition in Richtung Fig. 6A die Oberfläche des Objekts 10' auf der der z-Achsc. Schließlich erscheint am Ausgang des y-Achse etwas zur Linse hin verschoben ist. Die Nor- Phasendetektors 7 wiederum ein positives Gleichmalc des Objekts 10' bildet zur optischen Achse der Spannungssignal oder ein negatives Glcichspannungs-Linse den Winkel θ gemäß Fig. 7A. In diesem Falle io signal, je nachdem, ob der Phasenunterschied zwiüberstreicht das Tastlicht den Schlitz der Schlitz- sehen dem Bezugssignal und dem vom Lichtdetckblende 4 während einer Tastperiode nur einmal und tor 3 kommenden Signal 0 oder 180° beträgt,
das Ausgangssignal des Lichtdetektors 3 umfaßt die Diese Vorgänge sollen im folgenden näher an Hand Frequenzkomponente/,,. Die Intensität des Signals der Fig. 12 erläutert werden. Fig. 12a zeigt die Abnimmt ab, wenn der Winkel θ sich dem Wert 0 15 lenkung .τ des Taststrahls in Abhängigkeit von der nähert, und schließlich hat das Signal den Wert 0 im Zeit I. Die auf den Graukeil 4 fokussierten Lichtortc Falle β gleich 0 (F i g. 7 B). Im Falle der F i g. 7 C sind in den F i g. 12 B, 12 C und 12 D dargestellt. Die liegt wiederum die Frequenzkomponente /„ vor, deren Bewegung der Lichtortc auf dem Graukeil und die Phase hier jedoch um 18(P gegenüber der Phase des Veränderung der Lichtintensität// des durch den Ausgangssignals im Falle der Fig. 7A verschoben 20 Graukeil hindurchgelassenen Lichtes sind in Abhänist. Somit hat das Ausgangssignal des Phascndctek- gigkeit von der Zeit/ in Fig. 12B'. 12C und 12D' tors eine Charakteristik gemäß F ig. 8. In dieser Figur aufgetragen. Fig. 12E zeigt die Charakteristik des ist das Ausgangssignal U_rn des Phasendctcktors mit Transmissionsfaktors F₁ des Graukcils in Abhängigwillkürlicher Skala auf der Ordinate aufgetragen, keil von der Position auf dem_Graukeil. Fig. 12B während auf der Abszisse die Position der Kante Ihn as zeigt den Fall, daß die Kante mn mit der optischen (P_n,,,) aufgetragen ist. Diese Charakteristik erhält man Achse hö koinzidicrt. Andererseits kann die Kante bei Verwendung eines weißen Papiers als Objekt. nü\ g°.mäß Fig. 12C in der negativen Richtung oder Innerhalb eines Bereichs von -20° <Θ< + 20° ist gemäß Fig. 12D in der positiven Richtung der das Ausgangssignal im Winkel im wesentlichen pro- .v-Achsc verschoben sein. In dem Falle der Fig. 12B portional, und eine Korrektur braucht nicht vorgc- 30 variiert die Intensität des durch den Graukeil hinnommen zu werden. Somit erlaubt die Spurvorrich- durchgelesenen Lichtes mit zwei Perioden während tung eine berührungsfreic Winkelmessung oder Win- einer Tastperiode und enthält somit die Frcqucnzkeleinstellung. komponente 2/„. In den Fällen der Fig. 12C und Eine weitere Ausführungsform der crfindungsgc- 12D hat das hindurchgelassenc Licht die Frequenzmäßen Spurvorrichtung ist in Fig. 9 dargestellt. 35 komponente /_n. Die Frequenzkomponente gemäß Diese Ausführungsform entspricht weitgehend der Fig. 12C hat gegenüber der Frcqucnzkomponcntc Ausführungsform gemäß Fig. 1. An Stelle der der Fig. 12D eine Phasenverschiebung von 180°. Schlitzblende ist hier jedoch ein optischer Graukeil 4 Wenn die Objektverschiebung zwischen den Fällen vorgesehen. Dieser Graukeil hat einen in positiver der Fig. 12B und 12C bzw. 12B und 12D liegt, so .v-Richtung zunehmenden Durchlässigkeitsgradienten. 40 koexistieren die Frequenzkomponenten/_n und 2/_n. Das vom Objekt 10 reflektierte Licht wird durch die Die Intensität der Komponente /„ ist bei geringen Linse 5 auf dem Graukeil 4 fokussiert. Auf dem Objektverschiebungen der Verschiebung des Objck-Objekt 10 und auf dem Graukeil 4 beschreibt der tcs proportional.

tastende Lichtstrahl die Lichtspuren 11 bzw. 11'. Fig. 13 zeigt die Charakteristik des Ausgangs-Fig. 10 zeigt die Lichtortc des tastenden Lichtstrahls 45 signals U_n,, des Phasendetektors in Abhängigkeit von

auf dem Objekt 10. Fig. 10a erläutert den Fall einer der Position der Kante mn. Mit diesem Signal wird

Koinzidenz der optischen Achse Έσ und der optischen der Servomotor 9 gesteuert, so daß stets die Koinzi-

Achse äö. In diesem Fall bilden die Lichtorte bei denz zwischen der optischen Achse 55 und der Kante

Betrachtung in Richtung ä-ö eine gerade Linie par- mn aufrechterhalten bleibt.

allel zur jr-Achse. Gemäß Fig. 10b bildet die Beob- 30 Wenn der Abstand der Kante mn von der Linse 5 achtungsrichtung äö ein Winkel λ zur optischen verändert wird, so bewegt sich der Lichtort 11' aul Achse Έδ, so daß die Lichtorte bei Betrachtung aus dem Graukeil 4 in Richtung der z-Achse. Wenn jeder Richtung ä-ö eine polygonale Linie bilden. doch die Breite des Graukeils in Richtung der z-Achse Der Fall der Fig. 10b soll im folgenden an Hand genügend groß gewählt wird, so daß der Lichtort 11 der F i g. 11 näher erläutert werden. Im Falle der 55 sich nicht aus dem Bereich des Graukeils 4 heraus Fig. lib besteht Koinzidenz des Tastzentrums und bewegt, so kann eine Veränderung der Genauigkei der Kante JhH des Objekts 10. Dabei beschreibt der auf Grund von Fluktuationen des Abstandes de; Lichtstrahl die Lichtspur gemäß Fig. 11b' auf dem Kante JhTi von Graukeil 4 gering gehalten werden Objekt 10. Eine Änderung der Position des Objekts Dies ist insbesondere von Vorteil bei Schweißarbeiten gemäß Fig. Π a und lic führt zu einer Änderung 60 wenn Abstandsfluktuationen im Bereich von etw; der Lichtspur auf dem Objekt gemäß F i g. 11 a' bzw. + 5 mm auftreten.

Hierzu 9 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Optoelektriscbe Spurvorrichtung zur Verfolgung einer Spur und insbesondere einer Kante auf einem Objekt, bei der eine Abtasteinheit mit einer Lichtquelle, einem auf das von dem Objekt reflektierte Licht ansprechenden Lichtdetektor und einem Lichtstrahltaster zur periodischen Ablenkung des von der Lichtquelle ausgesandten xo Lichtstrahls quer zu der zu verfolgenden Spur vorgesehen ist, bei der weiterhin die Ausgangsspannung des Lichtdetektors mit der Steuerspannung des Lichtstrahltasters in einem Phasendetektor verglichen wird und bei der die Ausgangsspannung des Phasendetektors zur Ansteuerung eines Servomechanismus dient, der die Abtasteinheit der Spur nachführt, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Objekt (10,10') und dem Lichtdetektor (3) eine Schlitzblende (4) mit einem zur Ablenkrichtung des Lichtstrahls im wesentlichen parallelen Schlitz (4a) oder ein optischer Graukeil (4) mit einem Durchlässigkeitsfaktor, der sich in einer zur Ablenkrichtung des Lichtstrahls orthogonalen Riehtung ändert, angeordnet ist und daß zwischen der Schlitzblende (4) oder dem Graukeil (4) und dem Objekt (10, 10') eine Kondensorlinse (5) angeordnet ist.

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