DE2501015C2

DE2501015C2 - Beruehrungsfreies Dickenmessverfahren

Info

Publication number: DE2501015C2
Application number: DE19752501015
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: 1976-08-19
Also published as: US4068955A; FR2297400B1; BE837520A; JPS5852161B2; DE2501015B1; JPS5195864A; NL7514718A; FR2297400A1; GB1535352A; IT1054735B

Description

sin

cos ,>

COS η

ti =

id, - d_}\(d_t + d₂) -t- (t/,

d, = A ■

(ι = 1.2.3.4)

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

{dt - (Z₄)U/, » <Z_:) -t- (ι/, + (Z₄)I(Z₃ - «Ζ,)

bestimmt wird, wobei d die Abstände des registrierten /-ten Streupunktes von der Nullebene, γι die Winkelbereiche zwischen den / Ablenkrichtungen bei Meßbeginn und den 1 Empfangsrichtungen, Ai die Abstände zwischen der Nullebene und den letzten Umlenkspiegeln (U bis 14) sind, und γι 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 ώ = Λ 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 «ufnehmen 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.

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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 Wertstücken bestimmt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindun^sgemäß dadurch gelöst, daß der von einem Lasersender ausgesandte Lichtstrahl in drei oder vier Teilstrahlen aufgespalten wird, von welchen bei der Lichtablenkung durch den Lichtablenker tin oder zwei Teilstrahlen über eine erste Oberfläche des Werkstücks und ein oder zwei Teilstrahlen über die der ersten gegenüberliegende

IO zweite Oberfläche des Werkstücks periodisch hin- und hergeführt werden, wobei die Schnittpunkte der Teilstrahlen bei MeEbeguja mit den Empfangsrichtungen der zugehörigen Detektoren in einer Nullebene liegen, deren Normale mit den Teilstrahlen bei Meßbeginn einen Winkel <x und mit den Empfangsrichtungen einen Winkel β bilden, und daß eine Meßschaltung durch Bestimmung der Ablenkzeiten ader Teilstrahlen zwischen Meßbeginn und Detektorregistrierung die Abstände

sin

cos ;t

J =

Id₁

d₂)

d_})(d₂~ d, = A₁- .

Sin (n + fi ± γ,) COS <i

(i = 1 2. 3.4)

ermittelt und hieraus die Dicke d des Werkstücks aus der Beziehung

d₂)

bestimmt wird, wobei d· die Abstände des registrierten /-ten Streupunktes von der Nulleberj, y, die Winkelbereiche zwischen den / Ablenkrichhingen bei Meßbeginn und den / Empfangsrichtungen, A, die Abstände zwischen der Nullebene und den letzten Umlenkspie- :> geln sind, und γ, 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

F i g. 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. ss 14 auf. Dadurch werden die Strahlen 4 und 5 in vier Teilstrahlen 15, !6, 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 f>o 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 Empfangsrichtungen zu je einem Punkt auf den von den Strahlen 15 bis 18 durchlaufenen Strecken führen. Diese von den Detektoren registrierbaren Streupunkte 20 bis 23

^ - J₁ f

weisen von der später erläuterten Nullebene 24 die Abstände ώ, ώ, ώ und Λ 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 A 1. A 2, A 3 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 3Γ auf der Nullebene einen Winke! 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, welche 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 γ\ bis ß* um und ermittelt gleichzeitig aus diesen Winkeln γι, aus den durch die Konfiguration der Anordnung vorgebbaren festen Winkel <x und β und aus den ebenso fest vorgebbaren Abständen A< die Abstände ώ. Da die Dicke d des Werkstücks 10 eine Funktion dieser Abstände d, ist, läßt sich c/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

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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 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 Nullebene 24 die Abstände d\ 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.

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

Hier kann also die Dicke d des Werkstücks 10 schoi bei Kenntnis der Abstände d\, ώ und ώ bestimm werden. In der obengenannten Beziehung für c/wird d gleich ώ gesetzt.

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

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

25 Oi Patentansprüche:

1. Verfahren zum berührungsfreien Messen der Dicke eines durch planparaUele Oberflächen be- s grenzten Werkstücks, wobei Laserstrahlen schrittweise über tße gegenüberliegenden Oberflächen des Werkstücks geleckt 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 wer- is den, aus der Zeitdifferenz zwischen dem Beginn der Lichtstrahlablenkung jedes üchtablenkers 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 tichtabfenkung durch den Lichtablenker (2) ein oder zwei Teilstrahlen (15, 16) über eine erste Oberfläche (19) des Werkstücks (10) und ein odei zwei Teilstrahlen (17, 18) über die der erst« gegenüberliegende zweite Oberfläche des Werk Stücks (10) periodisch hin- und hergeführt werden wobei die Schnittpunkte (31) der Teilstrahlen (ζ. Η 15,17) bei Meßbeginn mit den Empfangsriohtungei (29,30) der zugehörigen Detektoren (25,26) in einen Nullebene (24) liegen, deren Normale (31') mit der Teilstrahlen (15,17) bei Meßbeginn einen Winkel ,3 und mit den Empfangsrichmngen (29, 30) einer Winkel β bilden, und daß eine Meßschaltung durcr Bestimmung der Ablenkzeiten aller Teilstrahler zwischen Meßbeginn und Detektorregistrierung die Abstände