DE2501015B1

DE2501015B1 - Beruehrungsfreies Dickenmessverfahren

Info

Publication number: DE2501015B1
Application number: DE2501015A
Authority: DE
Inventors: Viktor Dr Bodlaj
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1975-01-13
Filing date: 1975-01-13
Publication date: 1976-01-02
Also published as: JPS5852161B2; DE2501015C2; BE837520A; NL7514718A; IT1054735B; FR2297400B1; US4068955A; GB1535352A; FR2297400A1; JPS5195864A

Description

, _Λ sin -·, cos .1

el, = A₁ ■ —.— V r ' ~

sin (u + ,1 =t ;■,) cos u

(i = 1.2.3.4)

ermittelt und hieraus die Dicke d des Werkstücks (10) aus der Beziehung

d =

(el, -Cl₃)(Cl₁ +Ci₂)

cl₃)(d₂ - J₁) + (Cl₁ - + cl₂) + (Cl₁ + J₄) (d ₂ - Cl₁)

cI)²+Ul₂-Cl₁)²

bestimmt wird, wobei d die Abstände des registrierten /-ten Streupunktes von der Nullebene, y/ die Winkelbereiche zwischen den / Ablenkrichtungen bei Meßbeginn und den /Empfangsrichtungen, Aidie Abstände zwischen der Nullebene und den letzten Umlenkspiegeln (11 bis 14) sind, und y/ positiv (negativ) gewählt wird, wenn sich die Einfallswinkel der Teilstrahlen auf den Oberflächen des Werkstücks vergrößern (verkleinern).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vom Lasersender (1) ausgesandte Lichtstrahl von einem piezoelektrischen Strahlablenker (2) abgelenkt und anschließend in Teilstrahlen (4,5) aufgespalten wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlen (4, 5) durch Prismen (8,9) aufgespalten werden.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Dickenmessung eines Körpers (10), der um alle Achsen gegen die Nullebene (24) Kippbewegungen ausführt, vier Teilstrahlen (15,16,17,18) verwendet werden.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Dickenmessung eines Körpers (10), der nur um eine Achse parallel zur Nullebene (24) Kippbewegungen ausführt, drei Teilstrahlen (15, 16, 17) verwendet werden, wobei rft = cn gesetzt wird.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum berührungsfreien Messen der Dicke eines durch planparallele Oberflächen begrenzten Werkstücks, wobei Laserstrahlen schrittweise über die gegenüberliegenden Oberflächen des Werkstücks gelenkt werden, von dort diffus reflektiert werden und jeweils von in Abstand von den Werkstücksoberflächen angeordneten, der Zahl der Laserstrahlen entsprechenden Detektoren registriert werden, die nur Licht aus je einer bestimmten Richtung aufnehmen können, und wobei die Lage der Oberflächenpunkte, bei denen die reflektierten Lichtstrahlen von den Detektoren registriert werden, aus der Zeitdifferenz zwischen dem Beginn der Lichtstrahlablenkung jedes Lichtablenkers und dem Empfang eines Lichtsignals im entsprechenden Detektor bestimmt wird.

In der DT-PS 2124 444 ist ein Verfahren zur Dickenmessung beschrieben, bei welchem von mehreren oberhalb des Werkstücks angeordneten akustooptischen Lichtablenkern von mehreren Lasersendern ausgesandte Lichtstrahlen schrittweise über die Oberfläche des Werkstücks geführt werden, dort diffus reflektiert werden und von in einem Abstand von der Oberfläche angeordneten Detektoren registriert werden, die ebenfalls nur Licht aus je einer Richtung aufnehmen können. Die Abmessungen werden aus der Zeitdifferenz zwischen dem Beginn der Strahlablenkungen und den Detektorsignalen bestimmt. Die Nachteile dieses Meßverfahrens bestehen darin, daß zwei komplette Laseranlagen und zwei Lichtablenker benötigt werden. Die Meßgenauigkeit kann durch äußere Einflüsse beeinträchtigt werden, da jede Laseranlage getrennt aufgestellt ist.

Bekannt sind außerdem Dickenmeßverfahren nach der DT-OS 21 10 374 oder den DT-AS 10 51 016 und 68 473 für bewegtes Walzgut. Bei diesen Verfahren werden elektromagnetische Strahlen auf zwei die Dicke bestimmende Oberflächenpunkte von planparallelen Werkstücken gelenkt, dort gestreut und von den Detektoren registriert. Eine an diese Detektoren angeschlossene Elektronik ermittelt aus den beiden Streuorten die Werkstücksdicke. Die ermittelte Dicke stimmt jedoch dort in allen Fällen nur dann mit der tatsächliche Dicke überein, wenn die planparallelen Oberflächen der Werkstücke parallel zu festen von der Meßapparatur abhängigen virtuellen Ebenen liegen.

25 Ol

Sobald ein Werkstück verkippt zu dieser virtuellen Ebene vorliegt, würde dort der ermittelte Wert für die Dicke größer sein als der tatsächlich.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Differenzmeßmethode für die Dicke eines planparallelen Werkstücks anzugeben, mit welcher unabhängig von äußeren Einflüssen auch die Dicke von beliebig gegen eine Nullebene verkippten Werkstücken bestimmt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der von einem Lasersender ausgesandte Lichtstrahl in drei oder vier Teilstrahlen aufgespalten wird, von welchen bei der Lichtablenkung durch den Lichtablenker ein oder zwei Teilstrahlen über eine erste Oberfläche des Werkstücks und ein oder zwei Teilstrahlen über die der ersten gegenüberliegende zweite Oberfläche des Werkstücks periodisch hin- und hergeführt werden, wobei die Schnittpunkte der Teilstrahlen bei Meßbeginn mit den Empfangsrichtungen der zugehörigen Detektoren in einer Nullebene liegen, deren Normale mit den Teilstrahlen bei Meßbeginn einen Winkel ex und mit den Empfangsrichtungen einen Winkel β bilden, und daß eine Meßschaltung durch Bestimmung der Ablenkzeiten aller Teilstrahlen zwischen Meßbeginn und Detektorregistrierung die Abstände

, _A sin -·. cos,;

Sin (n + ji ± ;■,) COS u

(i = 1, 2, 3, 4)

ermittelt und hieraus die Dicke d des Werkstücks aus der Beziehung

(rf, - rf.,) (rf,

Cl= — - —

cl₂) + (di + d₃) (d₂ - Cl₁) + (di - rf₄) (rf, + d_z) + (rf, + rf₄) (rf, - rf,)

2 [(rf, + rf₂)² + (rf₂ - rf,)²

bestimmt wird, wobei di die Abstände des registrierten /-ten Streupunktes von der Nullebene, y/ die Winkelbereiche zwischen den /Ablenkrichtungen bei Meßbeginn und den / Empfangsrichtungen, Aj die Abstände zwischen der Nullebene und den letzten Umlenkspiegeln sind, und y/ positiv (negativ) gewählt wird, wenn sich die Einfallswinkel der Teilstrahlen auf den Oberflächen des Werkstücks vergrößern (verkleinern).

Dieses Verfahren weist den Vorteil einer großen Meßgeschwindigkeit auf; es ist nur gering störempfindlieh auf äußere Einflüsse; die Meßgenauigkeit wird durch Längsverschiebungen oder Verdrehungen der Umlenkspiegel nicht beeinflußt. Es lassen sich die Dicken von beliebige Kippbewegungen ausführenden Werkstücken bestimmen. Für die Messung der Dicke wird nur ein einziger Lasersender und ein einziger Strahlablenker benötigt.

Die Erfindung wird an Hand von Ausführungsbeispielen in der Figurenbeschreibung erläutert.

F i g. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Aufbau zur Dickenmessung in Aufsicht,

F i g. 2 denselben Aufbau aus einer anderen Blickrichtung und

Fig.3 den Strahlenverlauf in der Nähe des zu vermessenden Körpers.

In der F i g. 1 ist ein Dauerstrichlaser 1 dargestellt, der Lichtstrahlen auf einen Lichtablenker 2 führt. Die senkrecht zur Zeichenebene abgelenkten Strahlen werden durch ein Prisma 3 in zwei entgegengesetzte Richtungen 4 und 5 aufgespalten und durch Umlenkspiegel 6 und 7 zu zwei Prismen 8 und 9 hingeführt, zwischen welchen das zu vermessende Werkstück 10 angeordnet ist.

Die Prismen 8 und 9 weisen halbdurchlässige Spiegel 11 bzw. 12 und vollständig verspiegelte Flächen 13 bzw. 14 auf. Dadurch werden die Strahlen 4 und 5 in vier Teilstrahlen 15, 16, 17 und 18 aufgespalten. Die Teilstrahlen 15 und 16 gelangen auf eine die Dicke d begrenzende Oberfläche 19 des Werkstücks 10 und überstreichen dieses auf Strecken senkrecht zur Zeichenebene. Gleichzeitig werden sie zu zwei nicht gezeichneten Detektoren außerhalb der Zeichenebene gestreut. Dasselbe gilt für die Teilstrahlen 17 und 18. Die vier zugehörigen Detektoren sind außerhalb der Zeichenebene so angeordnet, daß ihre Empfangsrich-• tungen zu je einem Punkt auf den von den Strahlen 15 bis 18 durchlaufenen Strecken führen. Diese von den Detektoren registrierbaren Streupunkte 20 bis 23 weisen von der später erläuterten Nullebene 24 die Abstände di, di, di und rft auf. Die Abstände der Punkte, von welchen die vier Teilstrahlen 15 bis 18 an den letzten Spiegelflächen 11, 12, 13 und 14 umgelenkt werden, von der Nullebene 24 betragen Ai, A2, A3 und A 4.

Zur weiteren Erläuterung des Verfahrens zum Messen der Dicke d des Werkstücks 10 wird auf die F i g. 2 verwiesen, in welcher eine Draufsicht auf die Anordnung der F i g. 1 in der Richtung A dargestellt ist.

Auch in der Papierebene der Fig.2 ist das Werkstück 10 verkippt. Hier sind wieder die letzten Umlenkspiegel 13 und 14 der Teilstrahlen 15 und 17 dargestellt. Die halbverspiegelten Flächen 11 und 12 der Prismen 8, 9 liegen in dieser Darstellung außerhalb der Papierebene. Die Lichtstrahlen 15 und 17 werden hier in der Papierebene von links nach rechts und umgekehrt abgelenkt. 15 und 17 geben mit den optischen Achsen 30 und 29 im Schnittpunkt 31 die Nullebene an, 15' und 17' diejenigen Ablenkrichtungen, welche zur Abbildung des Streulichtes in den Detektoren 25 und 26 führen. Durch die Optiken 27 und 28 ist gewährleistet, daß die Detektoren 25 und 26 nur Licht aus den Richtungen 29 bzw. 30 registrieren können.

Die Nullebene 24 trennt die Bauelemente 11, 13 und 25 von den Bauelementen 12,14 und 26.

Die Strahlen 17 und 15 bilden mit der Normalen 31' auf der Nullebene einen Winkel α und die optischen Achsen 29 und 30 mit der Normalen 31' einen Winkel ß.

Alle Detektoren sind zusammen mit dem Lichtablenker 2 über eine Meßschaltung verbunden, weiche die Ablenkzeiten aller Teilstrahlen von ihren Ablenkrichtungen (15,17) bei Meßbeginn bis zu den registrierbaren Ablenkrichtungen (15', 17') mißt. Die Meßschaltung rechnet diese Zeiten in die Winkel γι bis /?4 um und ermittelt gleichzeitig aus diesen Winkeln γί, aus den durch die Konfiguration der Anordnung vorgebbaren festen Winkel α und β und aus den ebenso fest vorgebbaren Abständen Aj die Abstände di. Da die Dicke d des Werkstücks 10 eine Funktion dieser Abstände c/zist, läßt sich d für planparallele Werkstücke in jeder Kipplage sehr schnell und mit hoher Genauigkeit bestimmen.

An Stelle der Aufspaltung des Lichtstrahls in vier Teilstrahlen genügt eine Aufspaltung in drei Teilstrahlen, von welchen zwei die eine Oberfläche des Werkstücks überstreichen, während der dritte die gegenüberliegende Oberfläche überstreicht, wenn das

25 Ol

Werkstück 10 nur um eine Achse in der Nullebene 24 verkippt ist, welche senkrecht zur Verbindungsgeraden 36 der Streupunkte 32 und 33 verläuft.

Dieser Fall ist in der F i g. 3 dargestellt. Die genannte Verbindungsgerade ist mit 36, die beiden Streupunkte s der zur Registrierung führenden Ablenkrichtungen 15' und 16' mit 32 und 33 bezeichnet. Das Werkstück 10 ist also um eine Achse 34 gegen die Nullebene 24 verkippt. Die Streupunkte 32 und 33 auf der nach obengewandten Oberfläche des Werkstücks 10 weisen von der |₀ Nullebene 24 die Abstände ώ bzw. di auf, die zur Registrierung durch den Detektor 26 führende Ablenkrichtung 17', die die nach unten gewandte Oberfläche des Werkstücks 10 im Streupunkt 35 trifft, weist von der Nullebene 24 den Abstand ώ auf. ι _s

Zur Ermittlung der Dicke ddes Werkstücks 10 genügt ein auf die untere Oberfläche des Werkstücks 10 gerichteter Teilstrahl, da alle Punkte auf diese Oberfläche parallel zur Richtung 34 auch parallel zur Nullebene 24 verlaufen.

Hier kann also die Dicke d des Werkstücks 10 schon bei Kenntnis der Abstände d\, di und di bestimmt werden. In der obengenannten Beziehung für d wird cfi gleich di gesetzt.

Die Messung der Dicke eines unverkippten Werkstücks (oder Verkippung < 3°) kann mit nur zwei Strahlen (z. B. 17 und 15) erfolgen (ein Strahl von oben und ein Strahl von unten); wenn man für di = d\ und ώ = ώ einsetzt, erhält man für d = d\ — di.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

25 Ol Patentansprüche:

1. Verfahren zum berührungsfreien Messen der Dicke eines durch planparallele Oberflächen begrenzten Werkstücks, wobei Laserstrahlen schrittweise über die gegenüberliegenden Oberflächen des Werkstücks gelenkt werden, von dort diffus reflektiert werden und jeweils von in Abstand von den Werkstücksoberflächen angeordneten, der Zahl der Laserstrahlen entsprechenden Detektoren registriert werden, die nur Licht aus je einer bestimmten Richtung aufnehmen können, und wobei die Lage der Oberflächenpunkte, bei denen die reflektierten Lichtstrahlen von den Detektoren registriert werden, aus der Zeitdifferenz zwischen dem Beginn der Lichtstrahlablenkung jedes Lichtablenkers und dem Empfang eines Lichtsignals im entsprechenden Detektor bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der von einem Lasersender (1) ausgesandte Lichtstrahl in drei oder vier Teilstrahlen (15, 16, 17, 18) aufgespalten wird, von welchen bei der Lichtablenkung durch den Lichtablenker (2) ein oder zwei Teilstrahlen (15, 16) über eine erste Oberfläche (19) des Werkstücks (10) und ein oder zwei Teilstrahlen (17, 18) über die der ersten gegenüberliegende zweite Oberfläche des Werkstücks (10) periodisch hin- und hergeführt werden, wobei die Schnittpunkte (31) der Teilstrahlen (z. B. 15,17) bei Meßbeginn mit den Empfangsrichtungen (29,30) der zugehörigen Detektoren (25,26) in einer Nullebene (24) liegen, deren Normale (3Γ) mit den Teilstrahlen (15, 17) bei Meßbeginn einen Winkel α und mit den Empfangsrichtungen (29, 30) einen Winkel β bilden, und daß eine Meßschaltung durch Bestimmung der Ablenkzeiten aller Teilstrahlen zwischen Meßbeginn und Detektorregistrierung die Abstände