DE2448611A1

DE2448611A1 - Anordnung zum beruehrungslosen messen der abmessung eines messobjekts

Info

Publication number: DE2448611A1
Application number: DE19742448611
Authority: DE
Inventors: Klas Rudolf Wiklund
Original assignee: AGA AB
Current assignee: AGA AB
Priority date: 1973-10-12
Filing date: 1974-10-11
Publication date: 1975-04-24
Also published as: SE376966B; US3947129A; SE7313868L; DE2448611B2; JPS5067666A

Description

ί BeiegeW^!,-r ',

S Dart --.idit jyJ%M ν,α.εη

PATENTANWALT DIFL.-ING. H. STROH SCHÄNK

80C0 MÜNCHEN 60 · MUSÄUSSTRASSE 5 · TELEFON (08 11) 881608

1SO-1357P

Anordnung bus berflhrungalosen Hessen d«r
Abmessungen «ine* Mefiobfekts

Di« Erfindung besieht lieh «uf «in« Anordnung sum berührungslos«!) M«ss«n d«r Abmessungen eines Meßobjektβ, insbesondere sub Messen des Durchmessers von Drähten in einer Drahtsieherei* unter Projektion der Umrisse des MeÄobjekts in einer Dimension
mit Hilfe eines optischen Systems auf ein optoelektrisch«» Bauelement, dessen Ausgangssignal ein Haft far die interessierende
Abmessung darstellt.

In der SW-AS 1*8 831 ist ein Verfahren sum berührungslose»
Messen insbesondere eines bewegten Drahtes in einer Drahtsieherei beschrieben. Dieses bekannte Meßverfahren wird so durchgeführt, dafi man von einer Lampe kommendes Licht in solcher Weise auf den xu messenden Draht fallen llftt, da* dessen Umrisse auf
ein optoelektrisches Bauelement projisiert werden, das aus einer Ansahl von Fotodioden besteht, deren Beleuchtung nacheinander
im Takte einer Taktfrequenz abgetastet wird, worauf dann die
von beleuchteten bxw. von nicht beleuchteten Fotodioden kommenden Signale for die Aufseiohnung der Lage des Bildes der Umrisse des Metobjektes, also des Drahtes, voneinander getrennt werden·

Zwischen dem Draht und dem optoelektrisch^ Bauelement ist
bei der bekannten Meßanordnung ein Linsensystem angeordnet.
Dieses Linsensystem bewirkt eine Projektion der Umrisse des

509817/08 10

' ² - 24A86 1 1

Draht·· auf das optoelektrische Bauelement.

Bei einer Weiterentwicklung dieses bekannten Verfahrens (schwedische Patentanmeldung 1692/72) enthalt das Linsensystem eine telesentrisehe Blende, wodurch Fehler unterdrückt werden können» die sich aus Bewegungen des Lichtstrahls senkrecht zur optischen Achse des Linsensystem* und senkrecht zur Längserstreckung des xu messenden Drahtes ergeben können.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Linsensystem für eine derartige Anordnung anzugeben, wie sie oben beschrieben ist, wobei die Erfindung jedoch nicht auf einen Einsatz mit solchen optoelektrischer» Bauelementen oder einer solchen Aufbereitung der von den optoelektrischer Bauelementen abgegebenen Signale beschränkt ist, wie sie in den oben erwähnten Vorverfiffentlichungen beschrieben sind.

Gemäß dem oben beschriebenen Stande der Technik lassen sich die interessierenden Abmessungen des MeAobjektes durch Abtastung der Veränderung in der Lichtintensität zwischen dem Meftobjekt und dem Hintergrund mit Hilfe des optoelektrischer Bauelements messen. Da die Liuseitoptiken bei den bekannten Meßanordnungen aus sphärischen Linsen bestehen, massen diese Linsen in dem Falle, da» Messungen an einem bewegten oder vibrierenden Draht vorgenommen werden sollen, abgedeckt werden, wobei diese Abdeckung in solcher Weise erfolgen sollte, dafi nur ein schmaler Spalt frei bleibt, der vorzugsweise durch die Linsenmitte geht.

Eine andere mögliche Art der Durchführung von Messungen an bewegten und vibrierenden MeAobjekten besteht darin, zwischen 4er Liftse und dem optoel«ktrieehen Bauelement eine telezentrische Blende aiisuovdnen. Mceu <^lesentriteh· Blende mu» jedoch ebenso wie die abgedeckte Lisas« eine sehr kleine Apertur aufweisen, und daher mu» für die Beleuchtung des Meftobjektes eine Lichtquelle mit grefier Beleuchtungeintensität verwendet werden,

50981 7/0810

da anderenfalls die Zuverlässigkeit der Messung wegen d·· schlechten Signal/Rausch-Verhältnisses beeinträchtigt werden würde. Die· bedeutet jedoch, dafi die nutzbare Lunge der Lichtquelle relativ kurz ausfüllt.

Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs erwähnten Art in der Weise auszubilden, da£ die oben erwähnten Nachteile vermieden bleiben.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäft dadurch gelöst, daß das optische System ein erstes Teilsystem alt Blindesten· einer Zylinderlinse, für welche die Erzeugenden der Zylinderfläche senkrecht zu der zu bestimmenden Abmessung gerichtet sind, und eine zwischen dieser Linse bzw. diesen Linsen einerseits und dem optoelektrischen Bauelement anderseits eingefügt« Aperturblende enthält, die so angeordnet ist, dat> grundsätzlich zu der zu bestimmenden Abmessung senkrechte Strahlen durch die Aperturblende hindurchgehen, wobei der Abstand zwischen der Aperturblende und dem optoelektrischer Bauelement so eingestellt ist, da» die Projektion des Meftobjekte auf die aktive Oberfläche des optoelektrischen Bauelements fällt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind im einzelnen in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht« es zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform für eine erfindungsgemäA ausgebildete Meftanordnung,

Fig. 2 und 3 zwei Alternativaueführungen für eine erfindung·- gemäft ausgebildete Meftanordnung,

Flg. * die Meftamordnung von Fig. t in einer anderen Projektion und

Fig. S ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine erfindungsge»ä£ ausgebildete Meftanordnung.

509817/0810

-H-

In Flg. 1 1st das Meftobjekt, d«at«n Abmessungen gemessen werden tollen, »it der Bezugszahl 1 bezeichnet. Dabei ist in dieses Fall« «1· solches Meßobjekt «in Draht 1 angenommen, der in Fig. im Querschnitt dargestellt ist. Der Draht 1 wird mit Hilfe einer Lichtquell· 2 beleuchtet, die ein Lichtbündel 7 emittiert. Dieses LiehtbQndel 7 trifft auf den Draht 1, wob«! «in Teil dieses Lichtbündele 7 abgeschirmt wird, so daft sich auf der der Lichtquelle 2 abgewandten Seite des Drahtes 1 zwei Teillichtbündel ergeben, die durch das am Draht 1 vorbeigehende Licht gebildet werden, wobei ein imaglnfrer Querschnitt durch diese beiden Teillichtbündel einen abgeschirmten Gürtel zeigt, dessen Breite dem Durchmesser des Drahtes 1 entspricht. Die Teillichtbündel 8 gehen sodann durch eine Zylinderlinse 3 hindurch, wodurch sie in der in Fig. 1 dargestellten Weise auf eine spaltförmige Aperturblende H fokussiert werden.

Hinter der Aperturblende «♦ ist ein optoelektrisch** Bauelement 5 so angeordnet, daft die durch die Aperturblende H hindurchgehenden Teillichtbündel 8 in der Weise auf das optoelektrisch« Bauelement $ treffen, daft die Umrisse des Drahtes 1 auf das optoelektrisch« Bauelement projiziert werden. Dabei ist in Fig. 1 das optoelektrisch« Rauelement 5 In zwei Abschnitte Sa bzw. Sb unterteilt. Diese Abschnitte Sa und Sb sind so angeordnet, daft der eine Uarift des Drahtes 1 auf den einen Abschnitt Sa und der andere Umrift des Drahtes 1 auf den anderen Abschnitt Sb projiziert werden. Auf diese Welse kann für den Fall, daft sehr dicke Drlhte gesessen werden sollen oder daft die Optik die projizierten Umrisse des Drahtes weit voneinander auf das optoelektrisch* Bauelement S fallen llftt, der Vorteil erzielt werden, daß die lichtempfindlichen Oberfliehen des optoelektrischer Bauelenents 5 nur eine kleine Ausdehnung rund um den Bereich aufzuweisen brauchen, wo zu erwarten ist, daft die Umrisse des Drahtes 1 projiziert werden.

Das optoelektrisch« Bauelement 5 bzw. seine beiden Abschnitte Sa und Sb können aus Fotodiodenanordnungen bestehen, wie sie

50981 7/081 0

handelsüblich sind und vielfach in integrierter Schaltungstechnik hergestellt werden kennen und die sich in vielen Fällen außerdem mit elektronischen Ausleseeinrichtungen kombinieren lassen. In Flg. 1 ist in diesem Zusammenhang ein mit der Bezugszahl β bezeichneter Block dargestellt, der in dieser Weise eine elektronische Ausleseeinrichtung zusammen mit einer visuellen Ausleeeeinrichtung oder auch nur diese letztere Einrichtung enthalten kann.

Derartige Fotodiodenanordnungen bestehen aus einer Vielsahl von Fotodioden, die sehr nahe nebeneinander angeordnet sind. Die elektronische Auslöseeinrichtung ist mit einer solchen Fotodiodenanordnung kombiniert und in ein und derselben Umhüllung untergebracht. Diese elektronische Auslöseeinrichtung enthSlt ein Schieberegister, das sicherstellt, daft die Fotodioden nacheinander in einer bestimmten Reihenfolge abgetastet werden. Von einen solchen optoelektrisch^ Bauelement in Kombination mit einer Ausleseeinrichtung kann ein Signal abgenommen werden, das einer visuellen Ausleeeeinrichtung und/oder einem Fehlerindikator zugeführt werden kann, der wiederum ein akustisches oder optisches Alarmsignal auslösen kann, falls die gemessenen Abmessungen des MeAobjektes in der einen oder anderen Richtung von bestimmten zuvor festgelegten Werten abweichen.

Wie oben ervShnt, werden die Umrisse des Drahtes 1 mit Hilfe der Zylinderlinse 3 auf das optoelektrisehe Bauelement 5 projiziert. Diese Zylinderlinse 3 gestattet die Anwendung einer ISngeren Heftlänge entlang des Drahtes 1. Dies bringt den Vorteil mit sich, daß es keiner Abdeckung der Apertur der Optik bedarf, da alle Anteile des durch die Optik hindurchgehenden Lichtes nach der Zylinderlinse>3 gleichgerichtet sind, die das Licht so χα einem Lichtbündel bricht» daft sich im Abstand ihrer Brennweite, wo die »paltföraig« Aperturblende * angeordnet ist, ein dflnner Lichtstrahl ergibt. Die Aperturblende * wiederum hat zur Folge, daß nur das Lioht, das am Draht 1 parallel

50981 7/0810

gerichtet ist« auf das optoelektrisch· Bauelement S auftrifft. Dieses parallele LichtbQndel ist senkrecht xu des zu messenden Durchmesser des Drahtes 1 gerichtet. Die Abtasteinrichtungen können in weitgehend willkürliche» Abstand hinter der Aperturblende « angeordnet werden, und nit Hilfe der Zylinderlinse 3 läßt sich eine intensivere Beleuchtung dieser Abtasteinrichtung gen als bei bisher bekannten Meßanordnungen erzielen, und entsprechend ergibt sich auch eine bessere ErkennungsfIhigkeit, und die Lichtquelle mti» nicht eine so groAe Lichtleietung aufbringen, wie dies bei den bekannten Anordnungen erforderlich ist.

In Fig. 2 ist eine etwas abgewandelte AusfQhrungsform fCr die Meßanordnung nach Fig. 1 dargestellt. Das Meftobjekt, dessert Abmessungen gemessen werden sollen, trlgt wiederum die Bezugszahl 1, und auch im Falle von Fig. 2 ist als solches Meftobjekt ein Draht 1 angenommen.

Eine Lichtquelle 9 emittiert auf den Draht 1 gerichtetes Licht. Zwischen dieser Lichtquelle 9 und de» Draht 1 ist ein Kondensor 10 angeordnet. Dieser Kondensor 10 besteht aus einer axialsymmetrischen Linse. Hinter den Draht 1 ist eine Zylinderlinse 11 angeordnet. Die entsprechende Zylinderlinse 3 in Fig. ist eine flankonvexlinse, die Zylinderlinse 11 dagegen weist zwei konvexe Oberflächen auf. Diese unterschiedliche Ausbildung der Zylinderlinsen 1st für die Grundidee der Erfindung nicht wesentlich, sie kann jedoch von gewisser praktischer Bedeutung sein, wie unten noch nlher ausgeführt wird. Die Aperturblende ·», das optoelektrisch« Bauelement 5 sowie die elektronisch« Ausleseeinrichtung 6 gleichen bei dem Ausfflhrungsbeispiel nach Fig. 2 den entsprechenden Bauteilen in Fig® 1 alt der einzigen Ausnahm·, da» das opt®ml@kt%€G©h® Bauel@w«i%t S in Fig. 2 als •ine einzig· Einheit dargestellt 1st«

Kondensor 10 in der Meßanordnung nach Fig. 2 hat die gleich· Funktion wie bei entsprechenden Anordnungen it» üblichen

509817/0810

und bekannten Projektoren.

Bei de» Aueführungsbeispiel nach Fig. S dient als Lichtquelle 12 eine röhrenförmig ausgebildete Lampe, die beispielsweise eine Fluoreszenslampe sein kann. Das von dieser Lichtquelle 12 abgestrahlte Licht ist auf ein in seinen Abmessungen «i bestimmendes Heftobjekt gerichtet, das auch in diesem Falle ein Draht 1 ist. Zwischen dieses Draht 1 und der Lichtquelle 12 1st ein Kondensor 13 in Form einer Zylinderlinse angeordnet.

Auterdem enthllt die Meßanordnung nach Fig. 3 eine Zylinderlinse 1*», auf die eine spaltformige Aperturblende H₉ eine Zylinderlinse 15 und schlieÄlich ein nur schematise*» durch eine Linie angedeutetes optoelektrisch«« Bauelement S und die elektronische Aueleeeeinrichtung folgen.

In Fig. H ist die Meßanordnung von Fig. 3 in einer um 90° gegenüber der Darstellung in Fig. 3 verdrehten Projektion gezeigt. Die Bezugssymbole sind wiederum die gleichen wie in der Darstellung in Fig. 3. Außerdem ist in Fig. * außer dem optoelektrischen Bauelement S die elektronische Ausleeeeinrichtung 6 dargestellt.

Bei gleichzeitiger Betrachtung der Darstellungen in Flg. 3 und H wird der Zweck der verschiedenen Linnen offensichtlich. Der als Zylinderlinse ausgebildet« Kondensor 13 bricht das von der Lichtquelle 1? abgestrahlte Lieht in der Weise, daft die LichtbOndel grundsltzlioh parallel gerichtet sind, wenn sie den Draht 1 passleren. Diese Brechung erfolgt auf lediglich einem Niveau, und daher kann die Ausdehnung der Lichtquelle 12 in der Längsrichtung des Drahtes 1 eine Lichtfliehe erzeugen, die in dieser Richtung weit ausgedehnt 1st, da diese Erstreckung durch den Kondensor 13 nicht beeinflußt wird. Weder die LSnge noch die Schmalheit des LlchtbCndels in der Längsrichtung des Drahtes 1 wird durch die Zylinderlinse 11 merklich beeinflußt. Auf der anderen Seite wird dieser lange und schmale Lichtstreifen

509817/08 10

durch dl« Zylinderlins« so gebrochen, daß der auf das opto-•l«ktrieche Bauelement auftreffende Lichtfleck nur eine geringe Ausdehnung In der Längsrichtung des Drahtet 1 zeigt. Auf diese Weise kann der Vorteil der Verwendung einer größeren MeßlAnge an de» Draht 1 ausgenutzt werden, so dat. die von dieser gesamten L&nge staunende Information auf eine schmale Fotodiodenanordnung konvergiert wird. Auf diese Welse kann die Beleuchtung des fotoeapflndlichen Bauelements gesteigert werden.

In Fig. S 1st ein weiteres AusfUhrungsbeispiel für eine erfindungsge»afc ausgebildete Meßanordnung dargestellt. Das NeA-objekt, dessen Abmessungen bestimmt werden sollen, ist wieder »it der Bezugszahl 1 bezeichnet. In ObereinstInnung «it den oben beschriebenen Anordnungen ist hinter de« MeÄobjekt 1 eine Zylinderlinse 3 angeordnet, auf die eine spaltfurmige Apertur* blende * und ein nur ein sohematlsch dargestelltes optoelektrisches Bauelement S alt einer elektronischen Ausleseeinrichtung folgen.

Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen für erflndungsgeaflß ausgebildete Meßanordnungen ist die Lichtquelle so angeordnet, daft das Meßobjekt einen Teil des von der Lichtquelle abgestrahlten Lichtes abdeckt, worauf dann die Breite des abgedeckten Bereichs als ein Maß für die interessierende Abmessung des Keßobjektes dient. Bei der in Fig. S dargestellten Meßanordnung sind dagegen zwei Lichtquellen »it Abdeckungsschirmen 16 so angeordnet, daß sie die den optoelektrlschen Bauelement 8 zugewandte Seite des Meßobjekte 1 beleuchten. Dadurch wird das von den Lichtquellen kommende Licht am Meilobjekt 1 zur Zylinderlinse 3 und durch die Aperturblende 1 hindurch auf das optoelektrische Bauelement S reflektiert.

In Verbindung mit den verschiedenen dargestellten Aueführungeformen für eine erfindungsgemlß ausgebildete Meßanordnung ist

50981 7/0810

erw&hnt worden, daß als Strahlungsquelle fOr die Beleuchtung des Meßobjektes eine Lampe dienen soll. Mit dem Begriff Lampe verbindet sich Ib allgemeinen der Gedanke an die Abstrahlung von sichtbarem Licht, jedoch sei darauf hingewiesen, daß sich auch Strahlut.gsquellen, die ultraviolettes oder Infrarotes Lieht abstrahlen, ohne weiteres für die Zwecke der Erfindung verwenden lassen. Ebenso können Lampen verwendet werden, die einen bestimmten spezifischen Frequenzbereich aus dem sichtbaren Licht emittieren. In diesen letzten Falle kann das optoelektrische Bauelement mit einem Filter versehen werden, das alle übrige Strahlung außer der von der jeweiligen Lichtquelle abgestrahlten und in der Meßanordnung ausgenutzten Strahlung zurückhält .

Die erfindungsgemaft ausgebildete Meßanordnung eignet sich besonders zu« Messen der Abmessungen eines Drahtes in einer Drahtzieherei. Ein solcher Draht ist ein bewegtes und vibrierendes Meßobjekt, und erweist hSufig eine so hohe Temperatur auf, daß er infrarote Strahlung emittiert. Ein solcher Draht kann daher in bestimmten FSllen selbst als Strahlungsquelle bzw. Lichtquelle herangezogen werden, und es bedarf dann keiner gesonderter. Lichtquelle oder Strahlungsquelle.

Bai den dargestellten und oben beschriebenen AusfQhrungsbeisplelen ist jede Zylinderlinse als eine Einzellinse dargestellt In manchen Fällen kann es jedoch in Anwendung der entsprechenden optischen Gesetzmäßigkeiten von Vorteil sein, mehrere nah« beieinander angeordnete Zylinderlinsen zu verwenden. Dabei kennen die gekrümmten Oberflächen dieser Zylinderlinsen nach der gleichen Richtung weisen oder einander entgegengesetzt sein, wobei die entsprechende Auswahl davon abhängt, was de« jeweiligen Einsatzfall am besten angepaßt ist.

Die Gestalt der einzelnen Zylinderlinsen wird unter andere«

509817/081 0

durch den Abttand zwischen d«n einzelnen Bauteilen der Meßanordnung bestimmt. Bei den beschriebenen Aueführungsbeispielen sind die Zylinderlinsen ia allgeneinen als Plankonvexlinsen dargestellt. Xn einem Falle jedoch ist eine Zylinderlinse dargestellt, die zwei konvexe Oberflachen mit ia wesentlichen gleiche» Krümmungsradius aufweist. Xn bestimmten Fallen kann es jedoch auch vorteilhaft sein, Zylinderlinsen zu verwenden, die xwei konvexe Oberflächen aufweisen» wobei jedoch die eine dieser Oberfliehen erheblich starker gekrümmt ist als die andere. Aufterdem ist es im allgemeinen vorzuziehen, die Zylinderlinsen so zu drehen, dal ihre am stärksten gekrümmte Oberflache in die Richtung weist, wo die Strahlen am weitestgehenden parallel verlaufen.

Xn jedem einzelnen Falle müssen bei der Ausbildung der Zylinder linsen die Abmessungen der Meßanordnung in Betracht gezogen werde». Hierbei sind wirtschaftliche Überlegungen wesentlich, da es in vielen Fällen vorteilhaft ist, eine genormte Konstruktion zu verwenden.

Die erfindungsgealA ausgebildete Meßanordnung hat den Vorteil, da* sich eine längere MeAlänge entlang des Me&objektes, also beispielsweise eines aus einer Drahtzieherei kommenden Drahtes, verwenden last als in Anordnungen, die axialeymmetrische Linsen enthalten, und es bedarf aus diesem Srunde nicht des Einbaus von speziellen und kostspieligen optischen Bauteilen in die Meßanordnung.

dargestellten Ausführungsbeispiele enthalten jeweils spaltförmige Aperturblenden, es ist jedoch auch ohne weiteres möglich, scheibenförmige Aperfwblenden zu wegwende», obwohl die zuvor erwähnt« Bauart in allgemeinem vorzuziehen ist.

509817/0810

Claims

-ti- £*tentansDrüche

1. Anordnung zum berührungeloeen Messen der Abaessungen eine« Meftobjekts, insbesondere zum Messen des Durchmessers von DrAhteri in einer Drahtzieherei, unter Projektion der Umrisse des Heiobjektο in einer Dinension mit Hilfe eines optischen Systeme auf ein optoelektrisches Bauelement, dessen Ausga&gssignal ein MaA für die interessierende Abmessung darstellt, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System ein erstes Teilsystem mit laindestens einer Zylinderlinse (3; 11; 13, I¹O, für welche die Erzeugenden der Zylinderfläche senkrecht zu der zu bestiemenden Abmessung gerichtet sind, und eine zwischen dieser Linse bzw. diesen Linsen einerseits und den optoelektrisch^ Bauelement (5) anderseits eingefügte Aperturblende (·») enthält» die so angeordnet ist. daß grundsätzlich zu der zu bestimmenden Abnessung senkrechte Strahlen durch die Aperturblende hindurchgehen, wobei der Abstand zwischen der Aperturblende und den optoelektrischer Bauelement so eingestellt ist, daft die Projektion des Me£objekt6 (1) auf die aktive Oberfllche des optoelektrisch·* Bauelements fallt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da* das optische System zusätzlich ein zweites, zwischen der Aperturblende (1) und des optoelektrischer. Bauelement (5) angeordnetes Teilsystem enthält« das eine Zylinderlinse (15) enthält, die um 90° gegen die Zylinderlinee(n) (3; 11; 13, IK) des ersten Teilsystems verdreht ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, da» die aktive Fläche des optoelektrischen Bauelemente (I) In xwei Abschnitte <5·, Sb) unterteilt ist und die Umrisse des Meßobjekte (1) auf jeden dieser Abschnitte projiziert werden.

50981 7/0810