DE2164397C3

DE2164397C3 - Optoelektrische Spurvorrichtung

Info

Publication number: DE2164397C3
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: 1975-11-06
Also published as: US3757125A; DE2164397B2; GB1370908A; DE2164397A1

Description

35

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 ausgeiandten Lichtstrahls quer zu der zu verfolgenden Spur vorgesehen ist, bei der weiterhin die Ausgangsspannung des Lichtdetektors mit der Stcuerspannung 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. so

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

Eine derartige optoelektrische Spulvorrichtung ist >us der russischen Patentschrift 2 24 178 bekannt. t>iese 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 6« winkelmäßigen Ausrichtung des Objekts gegenüber der Spurvorrichtung.

Somit ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine optoelektrische Spulvorrichtung 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 Ablenkrichtung des Lichtstrahles im wesentlichen parallelen Schlitz oder ein optischer Graukeil mit einem Durchlässigkeitsfaktor, der sich in einer zur Ablenkrichtung des Lichtstrahltasters orthogonalen Richtung ändert, angeordnet ist und daß zwischen der Schlitzblende oder dem optischen Graukeil und dem Objekt eine 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 Objektnormalen zur optischen Achse der Linse vorzunehmen, wenn die Objektoberfläche um einen bestimmten Betrag vor oder hinter dem Schnittpunkt der optischen Achse der Linse und der Linie Tastzentruir-Lichtquelle versetzt ist. Ferner gelingt es mit der erfindungsgemäßen Spurvorrichtung, die Lage des Objekts auf der optischen Achse der Linse zu bestimmen, wenn die Objektnormale einen Winkel zur optischen Achse der Linse bildet.

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

F i g. 1 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spurvorrichtung,

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

F i g. 5 eine Signalcharakteristik der Spurvorrichtung gemäß Fig. 1,

F i g. 6 eine schematische Darstellung einer abgewandelten Betriebsweise der Spulvorrichtung gemäß Fig. 1,

F i g. 7 eine schematische Darstellung einer weiteren abgewandelten Betriebsweise der Spurvorrichtung gemäß Fig. 1,

F i g. 8 ein Signaldiagramm zur Betriebsweise gemäß F i g. 7,

Fig. 9 eine zweite Ausführungsfonn der erfindungsgemäßen Spurvorrichtung,

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

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

F i g. 1 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spurvorrichtung mit einer Lichtquelle 1 für paralleles Licht, z. B. einem Laser und mit einem Lichtstrahltaster 2, welcher das Licht in Richtung der x-Achse periodisch ablenkt. Dieses periodische Ablenken wird im folgenden als Tasten bezeichnet. Das von einem Objekt 10 reflektierte Licht wird durch eine Linse 5 auf eine Schützblende 4 mit einem Schlitz 4 a fokussiert und fällt dann auf einen Lichtdetektor 3. Dieser wandelt das einfallende Licht in ein elektrisches Signal um. Ein Tisch 6 ist mittels eines Motors 9 in Richtung der x-Achsc bewegbar. Dieser Tisch trägt die Parallellichtquelie 1. den Lichtstrahltastcr 2, den Lichtdetektor 3, die Schlitzblende 4 und die Linse 5. Ferner ist ein Phasendetektor 7 vorgesehen, welcher die Phase des Ausgaugssignals des Lichtdetektors 3 mit der Phase eines Bezugssignals vergleicht, welches durch den Lichtstrah!t«ster bereitgestellt wird. Das Ausgangssignal des Phasendetektors 7 wird durch einen Verstärker 8 verstärkt, und ein Servomotor 9

jient zur Bewegung des Tisches 6 entsprechend dem fMisgangssignai des Verstärkers 8. Das Objekt 10 l>esteht aus zwei Flächen K und L, welche eine eemeinsame Kante mn aufweisen. Die durch die Lichtete auf der Schlitzblende 4 beschriebene Bahn ist mit 11' bezeichnet.

Im folgenden soll die Arbeitsweise dieser Spurvorrichtung erläutert werden. Die Parallellichtquelle 1

kann aus einer Punktlichtquelle und eurer Linre be- __ .„„..„_,

stehen. Bei Verwendung eines Gas-Lasers ist die Ge- io sehen der Kante nm und der optischen Achse Έο. Die oauigkeit des Gerätes erhöht. Der Lichtstrahltaster 2 "' "

lenkt den Lichtstrahl parallel zur Α-Achse mit der Wiederholungsfrequenz /₀ periodisch aus. Man kann alle herkömmlichen Lichtstrahltasler verwenden. Man kann z. B. einen auf dem Ende eines Stimmsabel-Oszillators befestigten ebenen Spiegel verwenden, wobei der Lichtstrahl auf diesen Spiegel fällt. Der Tastwinkel Δ/' beträgt typischerweise 2,5 ■ 1.0-2 rad. Wenn der Abstand zwischen dem Lichtstrahitaster 2 und dem Objekt 10 200 mm beträgt, so beträgt die Ablenkamplitude auf dem Objekt 5 mm. Die optische Achse Έο der Parallellichtquelle 1 und die optische Achse äö der Linse 5 liegen wie dargestellt in der y;.-Ebcne, und beide optischen Achsen bilden einen Winke! \, welcher etwa 2· 10^-1 rad betragen kann. ■.■■

Die Lichtorte des Lichtstrahls auf der Schlitzblende sind in Fig. 2 dargestellt. Fig. 2a zeigt den Fa¹I einer Koinzidenz zwischen^ der optischen Acb.sc 57V

und der optischen Achse ao. Die Lichtorte bilden bei Beobachtung aus der Richtungö-ö gemäß Fig. 2λ v> eine zur λ'-Achse parallele gerade Linie. Wenn demgegenüber gemäß Fig. 2b die Beobachtungsrichtuni;

ö5 einen Winkel a zur optischen Achse 755 bildet, so definieren die Lichtorte nuf der Schlitzblende bei Beobachtung aus der Richtung a-o eine polygonale Linie

gemäß Fig. 2b'.
Das Objekt 10 besteht aus zwei Platten K und L.

und die Kante lfm verläuft parallel zur z-Achse durch Punkt Ό hindurch. Die Ebenen K und L bilden einen Winkel ·/, welcher vorzugsweise 45° beträgt, zur x-Achse. F i g. 3 zeigt die entsprechenden Lichtorte auf der Schlitzblende. Im Falle der Fig. 3b durchsetzt die Achse Έο die Kante TFiTi des Objekts 10.

Wenn nun die Position des zu messenden Körpers nach links oder rechts gemäß den Fig. 3a oder 3c js verschoben wird, so bilden die Lichtorte die Linien

gemäß F i g. 3 a' und 3 c'.
Das vom Objekt 10 reflektierte Licht wird durch

die Linse 5 auf die Schlitzblende 4, welche in der «-Ebene liegt, fokussiert. Der Schlitz Aa liegt parallel zur .v-Achse, und seine Weite entspricht der Weite der durch die Lichtorte 11' auf der Schlitzblende 4 gebildeten Lichtspur. Die Position der Schlitzblende 4 in z-Richtung ist so gewählt, daß im Falle einer Koinzidenz der Kante des Objekts mit der 5; optischen Achse Έο der Bogenbereich der Lichtspur

mit dem Schlitz koinzidiert (F i g. 3 b). Das durch den Schlitz Aa fallende Licht gelangt

zum Lichtdetektor 3 und wird entsprechend se nc:

Intensität in ein elektrisches Signal umucwniulch. 'Jv Dieses gelangt zum Phascndcteklor 7. Hier wird die

Wellenform der Stcucispannung für dtn 1 .ichistiah!

taster 2 als Bczugssignal verwendet. ]·: nachdem, ob

die Phasendifferenz zwischen dem Bczugssignal in :i dem Signal des Lichidetektors 3 den Wert G oder 180° hat. erscheint am Ausgang des Pluisendetektors ein positives oder ein negatives Gleichspannung;;-Hie Fig. 4B. 4C und 4D 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 Zen aufgetragen. In Fig. 4Λ ist die Auslenkung des Lichtstrahls in Abhängigkeit von der Zeit aufgetragen. F i 1*. 4 B zehn den Fall einer Koinzidenz zwi-

Fig. 4C zeigt den Fall einer in negativer Richtung der .v-Achse verschobenen KanteTTiTi und Fig. 4D zeigt den Fall einer in positiver Richtung der .v-Achse verschobenen Kante/?]«. Man erkennt aus Fig. 4 B. daß die Intensität des durch den Schütz hindurchfallenden 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 Ii.j. In den Fällen der Fig. 4C und 4D umfaßt die Intensität des durch den Schlitz hindurchgehenden Lichtes der Frequenzkomponente /„, wobei zwischen beiden Fällen eine Phasendifferenz von 1X0' besteht. Wenn die Objektlaae zwischen den Fällen der ^c i μ. 4 B und 4 C bzw. der F i g. 4 B und 4 D Ii- :. so I oexisiieren die Frequenzkomponenten/,. un-i 2/„. und die Intensität der Komponente /„ ist bei kleineren V·..·;Schiebungen dem Maß der Verschiebung proportional. Bei Vergleich de- Ausgangssignals iles Liehiu; tckmrs 3 mit dem Bczuussignal erhält man ein Ausga:i;;ssign;il der Charakievistik gemäß Fig. 5. wobei die Position der Kante TTiTi (P_mr) in Abhängigkeit von der Ai^gangsspannung U_pd des Phascndeieklors aufgetragen. Mit diesem Signal wird der Servomotor 9 gesteuert, und der Tisch 6 wird denn! bewegt, daß Koinzidenz zwischen dem Tastzentrum und der Kante des Objekts hergestellt wird. Auf diese Weise wird die Kante des Objekts stets in Koinzidenz mit dem Tastzentrum »ehalten.

Wenn nun das Objekt an der Kante hin geschweißt werden soll, so folgt der Tisch 6 der Schweißlinie. Wenn nun der Tisch mit dem Schweißbrenner nicht nur m .v-Richtung. sondern auch in r-Richtung bewegbar ist. sii kann auf diese Weise der Schweißvorganp. auch im Falle einer gekrümmten Schweißlinit automatisch ,·;folgen.

Im folgenden soll eine abgewandelte Betriebsweise der Spurvorrichtunp. an Hand der Fig. 6 erläuten weiden, wobei eine Verschiebbarkeit des Objekts in y-Richtunp vorgesehen ist. Gemäß Fig. 6 A umfaßt das Objekt 10' nur eine Fläche K, deren Normale» in der vy-Ebenc liegt und einen Winkel (·/ zur optischen Achse üo bildet. Wenn nun gemäß Fig_.<SC die Oberfläche des Objekts 10' im Schnittpunkt υ dci optischen Achse 7->o und der optischen Achse ίκ, liegt, so koinzidiert gemäß Fi g. 6C" das Tastzentrum mit dem Schlitz. Das tastende Licht überstreicht der Schiit/ zweimal während einer Tastperiode und da< Siyna'i enthüll die FicquenzkoniponeiHe 2/„. Wenr '? ,¹Ul* der v-Achse -uir Linse hii vii dieser wc» (F ic ο D) verseht)· .■b! der Tiststrnlil den Schlitz wall r'.-Je ni'.i einmal, und das gebildet* hν ■'H.nzkoiriponeit::· /„. Zwischei ;. iJ und 6 D besteh', eine Phasen Der Phasendeleklor bildet aucl mit de^r Charakteristik genial

di

Ob je'·.

i'^: i!'.. (■■!>! cder \vi
bei" ist. -^; 1 iii : -'·' ■·
ren.: Miier Ί -λ·-,:\ ■>■'·
Signal enthri¹; die 1
den Füllen eier F 1 .:
different von 18(1
hici ein

ein AuiMiu.se

. ?. Auf Grurui dieses Ausgavigssignals wird de

5 6

bewegbare Tisch 6 mit Hilfe des Servomotors in 11 b'. Das reflektierte Licht wird auf dem Graukeil 4 y-Richtung bewegt, so daß der Schnittpunkt Ό stets in fokussiert. Der Graukeil 4 liegt in der AZ-Ebene. Da der Ebene des Objekts 10' gehalten wird. Im folgen- der Transmissionsfaktor des Graukeils 4 in Richtung den soll an Hand der F i g. 7 eine weitere Betriebs- der ü-Achse variiert, ändert sich auch die Intensität weise der Spurvorrichtung erläutert werden. Es soll S 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 ;-Achse. Schließlich erscheint am Ausgang des y-Achse etwas zur Linse hin verschoben ist. Die Nor- Phasendetektors 7 wiederum ein positives Gleichmale des Objekts 10' bildet zur optischen Achse der Spannungssignal oder ein negatives Gleichspannungs-Linse den Winkel Θ gemäß F i g. 7 A. In diesem Falle io signal, je nachdem, ob der Phasenunterschied zwiüberstreicht das Tastlicht den Schlitz der Schlitz- sehen dem Bezugssignal und dem vom Lichtdetekblende 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/₀. Die Intensität des Signals der Fig. 12 erläutert werden. Fig. 12a zeigt die Abnimmt ab, wenn der Winkele sich dem Wert 0 15 lenkung λ des Taststrahls in Abhängigkeil von der nähert, und schließlich hat das Signal den Wert 0 im Zeit /. Die auf den Graukeil 4 fokussieren Lichtorte Falle θ gleich 0 (Fig. 7B). Im Falle der Fig. 7C sind in den Fig. 12B, 12C und 12D dargestellt. Die liegt wiederum die Frequenzkomponente /₀ vor, deren Bewegung der Lichtorte auf dem Graukeil und die Phase hier jedoch um 180° 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 Phasendetek- gigkeit von der Zeit t in Fig. 12B', 12C und 12D' tors eine Charakteristik gemäß Fig. 8. In dieser Figur aufgetragen. Fig. 12 E zeigt die Charakteristik des ist das Ausgangssignal V^ des Phasendetektors mit Transmissionsfaktors F₁ des Graukeils in Abhängigwillkürlicher Skala auf der Ordinate aufgetragen, keit von der Position auf dem Graukeil. Fig. 12B während auf der Abszisse die Position der Kante mn 25 zeigt den Fall, daß die Kante nm mit der optischen (P_mn) aufgetragen ist. Diese Charakteristik erhält man Achse Eo koinzidiert. Andererseits kann die Kante bei Verwendung eines weißen Papiers als Objekt. mn gemäß Fig. 12C in der negativen Richtung oder Innerhalb eines Bereichs von —20° < Θ Ό⁴- 20° ist gemäß Fig. 12D in der positiven Richtung der das Ausgangssignal im Winkel im wesentlichen pro- .v-Achse verschoben sein. In dem Falle der Fig. 12B portional, und eine Korrektur braucht nicht vorge- 30 variiert die Intensität des durch den Graukeil hinnommen zu werden. Somit erlaubt die Spurvorrich- durchgclassenen Lichtes mit zwei Perioden während tung eine berührungsfreie Winkelmessung oder Win- einer Tastperiode und enthält somit die Frequenzkeleinstellung. komponente 2/_?. In den Fällen der Fig. 12C und

Eine weitere Ausführungsform der erfindungsge- 12D hat das hindurchgelassene Licht die Frequenzmäßen Spurvorrichtung ist in F i g. 9 dargestellt. 35 komponente /₀. Die Frequenzkomponente gemäß Diese Ausführungsform entspricht weitgehend der Fig. 12C hat gegenüber der Frequenzkomponente 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, se ΛΓ-Richtung zunehmenden Durchlässigkeitsgradienten. 4° koexistieren die Frequenzkomponenten/₀ und 2/₍₎. Das vom Objekt 10 reflektierte Licht wird durch die Die Intensität der Komponente /_n ist bei geringen Linse 5 auf dem Graukeil 4 fokussiert. Auf dem Objekiverschiebungen der Verschiebung des Objek-Objekt 10 und auf dem Graukeil 4 beschreibt der tes proportional.

tastende Lichtstrahl die Lichtspuren 11 bzw. 11'. Fig. 13 zeigt die Charakteristik des Ausgangs-

Fig. 10 zeigt die Lichtorte des tastenden Lichtstrahls 45 signals U_pd des Phasendetektors in Abhängigkeit vor

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

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

Achse aö. In diesem Fall bilden die Lichtorte bei denz zwischen der optischen Achse Έ5 und der Kant(

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

allei zur x-Achse. Gemäß Fig. 10b bildet die Beob- 50 Wenn der Abstand der Kante InH von der Linse i

achtungsrichtung öo ein Winkel α zur optischen verändert wird, so bewegt sich der Lichtort 11' au

Achse Έ5, so daß die Lichtorte bei Betrachtung aus dem Graukeil 4 in Richtung der z-Achse. Wenn je

der Richtung S-ö eine polygonale Linie bilden. doch die Breite des Graukeils in Richtung der z-Achsi

Der Fall der Fig. 10b soll im folgenden an Hand genügend groß gewählt wird, so daß der Lichtort 11 der Fig. 11 näher erläutert werden. Im Falle der 55 sich nicht aus dem Bereich des Graukeils4 heraus

Fig. 11b besteht Koinzidenz des Tastzentrums und bewegt, so kann eine Veränderung der Genauigkei

der Kante nm des Objekts 10. Dabei beschreibt der auf Grund von Fluktuationen des Abstandes de

Lichtstrahl die Lichtspur gemäß Fig. 11b' auf dem Kante~mh~ von Graukeil 4 gering gehalten werden

Objekt 10. Eine Änderung der Position des Objekts Dies ist insbesondere von Vorteil bei Schweißarbeiten gemäß Fig. 11a und lic führt zu einer Änderung 60 wenn Abstandsfluktuationen im Bereich von etw;

der Lichtspur auf dem Objekt gemäß Fig. 11a' bzw. + 5 mm auftreten.

Hierzu 9 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

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 ausgesandten ίο Lichtstrahls quer zu der zu verfolgenden Spur vorgesehen ist, bei der weiterhin die Ausgangsspannung des Lichtdetektors mit der Steuerspannung des Lichtstrahltasters in einem Ph?sendetektor verglichen wird und bei der die Ausgangsspaimung 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 (4 a) 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 (S) angeordnet ist.

30