DE2758853C2

DE2758853C2 - Vorrichtung zum Messen der Abmessung, z.B. Breite eines Körpers

Info

Publication number: DE2758853C2
Application number: DE2758853A
Authority: DE
Inventors: Alfons Dipl.-Ing. 8225 Traunreut Ernst
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 1977-12-30
Filing date: 1977-12-30
Publication date: 1979-08-16
Also published as: DE2758853B1; GB2011615A; FR2413633B1; JPS54109860A; GB2011615B; CH633102A5; US4243325A; FR2413633A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Abmessung, z. B. Breite eines Körpers, mil einer mit mindestens einem lichtdurchlässigen spiralförmigen Streifen versehenen, sonst lichtundurchlässigen rotierenden Scheibe, einer mit einem lichtdurchlässigen geraden Streifen versehenen, sonst lichtundurchlässigen feststehenden Blende, die so im Bereich der Scheibe angeordnet ist, daß ein lichtdurchlässiger, bei Drehung der Scheibe entlang des geraden Streifens wandernder Überschneidungsbereich von spiralförmigen und geraden Streifen gebildet ist, einer optischen Anordnung zur Erzeugung einer Abbildung des Meßkörpers auf die Blende mit der zu ermittelnden Abmessung im Bereich des geraden Streifens und parallel zu diesem Streifen, einem Detektor zur Erfassung des durch den Überschneidungsbereich fallenden Lichts und einer Schaltung zur Auswertung des von dem Detektor abgegebenen Meßsignals.

Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art ist der lichtdurchlässige gerade Streifen der Blende radial angeordnet und schneidet jeweils einen der lichtdurchlässigen spiralförmigen Streifen von nicht näher festgelegter Form (US-PS 32 54 226; Fig.3). Die spiralförmigen Streifen schneiden den geraden Streifen während der Drehung unter Winkeln, die kleiner als 90° sind. Der Überschneidungsbereich ist daher nicht rechtecksförmig, was dazu führt, daß das Meßsignal bei Abtastung einer Kante des Körpers einen vergleichsweise flach ansteigenden Bereich aufweist, wodurch die Genauigkeit der Messung beeinträchtigt ist

Es ist auch eine Vorrichtung bekannt, bei der durch die von einer Geraden abweichenden Form des lichtdurchlässigen Streifens der Blende die Abtastung linearisiert ist, d. h. bei der die Position der Überschneidungsfläche !Sngs des Spaltes streng proportional zum Drehwinkel der Scheibe ist (DE-PS 16 23 323). Eine solche Blende ist jedoch schwierig zu fertigen. Auch bei dieser Vorrichtung schneiden sich die Streifen unter von 90° abweichenden Winkeln.

Schließlich ist eine Vorrichtung bekannt, bei der der gerade Streifen der Blende radial angeordnet ist und anstelle des spiralförmigen Streifens eine Folge von rechteckigen Öffnungen längs einer Spirale angeordnet ist (US-PS 32 54 226; Fi g. 1). Der Überschneidungsbereich einer solchen öffnung mit dem geraden Streifen ist zwar rechteckig, die Genauigkeit dieser Anordnung ist jedoch aufgrund der Dunkelperioden zwischen aufeinanderfolgenden öffnungen wesentlich eingeschränkt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die ein Meßsignal liefert, das die Abmessung des Körpers mit höherer Genauigkeit als die bekannten Vorrichtungen angibt.

Dies wird dadurch erreicht, daß die spiralförmigen Streifen der Scheibe in Form von Evolventen angeordnet sind, die von einem im Drehpunkt der Scheibe zentrierten Grundkreis ausgehen, und daß der gerade Streifen der Blende im wesentlichen längs einer Tangente an den Grundkreis der spiralförmigen Streifen der Scheibe angeordnet ist und in einem Abstand von dem Berührungspunkt der Tangente am Grundkreis angeordnet ist, der wesentlich größer als die Breite des geraden Streifens ist.

Der evolventenförmige Streifen der Scheibe schneidet den geraden Streifen der Blende stets unter einem rechten Winkel und die Position des Überschneidungsbereichs ist zum Drehwinkel streng proportional. Dies folgt aus den geometrischen Eigenschaften einer Evolvente, die man als Bahnkurve des Endes eines gespannten Fadens bei der Abwicklung von einem Grundkreis betrachten kann. Legt man daher von einem Punkt einer solchen Evolvente eine Tangente an den Grundkivis, so ist die Länge dieser Tangente zwischen

Grundkreis und Evolventenpunkt gleich dem Krümmungsradius in diesem Evolventenpunkt Man erhält dadurch einen in sehr guter Näherung rechteckigen .ichtdurchlässigen Überschneidungsbereich während der gesamten Abtastung.

In bekannter Weise kann die Abmessung des Körpers aus der Zeitdauer eines annähernd rechteckigen Impulses (Meßsigna!) ermittelt werden. Die Genauigkeit einer solchen Auswertung ist jedoch aufgrund von Drehzahlschwankungen der Scheibe beschränkt Duri_h eine ein Referenzmuster der Scheibe abtastende Abtasteinrichtung zur Abgabe von die Drehstellung der Scheibe darstellenden Signalen kann man ein von Drehzahlschwankungen unabhängiges Meßergebnis erhalten.

Um Messungen rasch und präzise durchführen zu können, ist eine hohe Abtastrate erwünscht die man durch Anordnung einer Anzahl von z. B. 12 evolventenförmigen Streifen auf der Scheibe erreicht Um eine Zuordnung zwischen dem Beginn der einzelnen Evolventen und dem Meßsignal sowie eine feine Winkelunterteilung zu erhalten, ist vorgesehen, daß das Referenzmuster ein gleichmäßiges, längs eines Kreises der Scheibe verteiltes Teilungsmuster aus im wesentlichen radial verlaufenden lichtdurchlässigen Streifen und ein Markierungsmuster aus einzelnen, jeweils einem der spiralförmigen Streifen zugeordneten lichtdurchlässigen Streifen oder Streifengruppen umfaßt, wobei die Abtasteinrichtung das von einer Lichtquelle beleuchtete Referenzmuster mittels zweier Detektoren unter Abgabe eines Teilungssignals und eines Markierungssignals abtastet.

Mit Hilfe des Teilungssignals hoher Frequenz läßt sich eine präzise Auswertung des Meßsignals mit einfachen Mitteln durchführen. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, daß eine Schaltung einen vom Meßsignal gesteuerten, Impulse des Teilungssignals zählenden Zähler zur Abgabe eines die Abmessung des Meßkörpers angebenden Signals aufweist.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Messung der Lage von Körperkanten berührungslos und mit einer hohen Meßfrequenz von beispielsweise 50 oder 100 Messungen pro Sekunde c'iüvhgeführt werden. Das Meßergebnis steht digital mit einem hohen Verhältnis von Meßbereich zu Auflösung von beispielsweise 10 000 : 1 zur Verfügung. Der Vergrößerungsfaktor läßt sich in weiten Grenzen variieren. Die Vorrichtung ist von einfachem Aufbau und kostengünstig herzustellen.

Die Erfindung soll im folgenden an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles erläutert werden. Es zeigt

F i g. 1 eine Draufsicht im Schnitt auf eine Vorrichtung zum Messen einer Abmessung eines Körpers in vereinfachter Darstellung,

F i g. 2 eine Ansicht auf Blende und Scheibe der Anordnung in F i g. 1 in Richtung des Pfeils A,

Fig. 3 von der Anordnung nach Fig. 1 gewonnene Signale.

Die allgemein mit 10 bezeichnete Vorrichtung zur Messung von Abmessungen, beispielsweise der Breite b eines Körpers 12, erzeugt eine Abbildung 14 dieses Körpers auf einer Blende 16. Hierzu wird der Körper 12 von einer Lichtquelle 18, beispielsweise einer Glühlamr ind einer Kondensorlinse 20 möglichst kontrastreich beleuchtet. Neben der gezeigten Durchlichtbeieuchlung, d. h. einer Anordnung, bei der der Körper 12 auf der oDtischen Linie zwischen Lichtauelle 18 und Abbildung 14 angeordnet ist, kann auch eine Auflichtbeleuchtung verwendet werden, bei der die Lichtquelle 18 auf derselben Seite wie die Abbildung 14 angeordnet ist In diesem Falle kann die Lichtquelle 18 in einem Gehäuse mit den weiteren noch zu beschreibenden Baute'len der Vorrichtung 10 integriert werden.

Der von der Lichtquelle 18 beleuchtete Körper 12 wird mit Hilfe eines Objektivs 22 auf die Blende 16 scharf abgebildet In Fig.2 ist die Abbildung 14 mit

ίο unterbrochenen Kantenlinien 24 und 26 und schraffiertem Innenbereich dargestellt Senkrecht zu diesen Kantenlinien 24 und 26 ist in der Blende 16 ein gerader lichtdurchlässiger Streifen 28 einer Breite c vorgesehen. Dicht hinter der Blende 16 rotiert eine von einem Motor 35 angetriebene Scheibe 30. Diese hat spiralenförmige lichtdurchlässige Streifen 32 in der Form von Evolventen. Diese Evolventen gehen von einem im Drehpunkt 34 der Scheibe 30 zentrierten Grundkreis 36 aus (siehe Fig. 2).

Die Position der Blende 16 ist in der Weise festgelegt daß der gerade lichtdurchlässige Streifen 28 längs einer Tangente 38 an den Grundkreis 36 verläuft, mit einem Abstand R vom Berührungspunkt 40 der Tangente 38 am Grundkreis 36. Der Abstand R ist groß gegenüber der Breite cdes Streifens 28.

An der Stelle, wo sich der gerade lichtdurchlässige Streifen 28 mit einem der evolventenförmigen lichtdurchlässigen Streifen 32 schneidet, wird ein lichtdurchlässiger Überschneidungsbereich 42 gebildet Sonst 'St die Anordnung aus Blende 16 und Scheibe 30 lichtundurchlässig. Da der Überschneidungsbereich 42 bei Drehung der Scheibe 30 entlang des geraden Streifens 28 wandert, kann man den auf dn geraden Streifen 28 projizierten Teil der Abbildung 14 abtasten.

Hierzu ist hinter der Scheibe 30 eine Linse 44 angebracht, die das durch den Überschneidungsbereich 42 fallende Licht in einem lichtempfindlichen Detektor 46 sammelt. Der Detektor 46 gibt ein Meßsignal /Ί an eine Schaltung 48 ab. In F i g. 3 ist der zeitliche Verlauf

■;« von f\ bei Abtastung der Abbildung 14 darges-.cllt. Da der Bereich zwischen den Kantenlinien 24 und 26 durch die Abschattung der Lichtquelle 18 durch den Körper 12 dunkler als die benachbarten Bereiche ist hat das Signal f\ innerhalb dieses Bereichs niedrigere Amplitude.

-ti Zwischen einem Kreis 51 auf der Scheibe 30 und ihrem Rand ist ein Teilungsmuster 50 mit lichtdurchlässigen, radial verlaufenden Streifen 52 nach Art eines Radialgitters vorgesehen. Zusätzlich sind einzelne, den evolventenförmigen Streifen 32 jeweils zugeordnete

■><> lichtdurchlässige Streifen 54 eines Markierungsmusters 56 innerhalb der Scheibe 30 vorgesehen. Diese Streifen 54 markieren jeweils den Beginn der Überschneidung eines evolventenförmigen Streifens 32 mit dem geraden Streifen 28 der Blende 16.

">"> Das Teilungsmuster 50 sowie das Markierungsmuster 56 werden von einer Abtasteinrichtung 58 abgetastet. Hierzu wird die Scheibe 30 im Bereich dieser Muster 50, 56 von einer Lichtquelle 60 durch eine Linse 62 beleuchtet und das durch die Scheibe 30 tretende Licht von zwei Detektoren 64 und 66 aufgenommen. Der das Teilungsmuster 50 abtastende Detektor 64 gibt ein Teilungssignal /3, der das Markierungsmuster 56 abtastende Detektor 66 ein Markierungssignal h an die Schaltung 48 ab. InFi:: 3 isl der zeitlich.. Verlauf beider Signale /j und Λ gezeigt.

Durch die starke Unterteilung des Tc'lungssignals Λ in eine Vielzahl von Rechteckimpulsen kann man durch einfaches Zählen dieser Impulse Hi° Breite b' der

Abbildung 14 und über einen bekannten Vergrößerungsfaktor die gesuchte Breite b des Körpers 12 messen. Hierzu ist in der Schaltung 48 ein Zähler 68 vorgesehen, üei die Impulse des Teilungssignals Λ aufaJdiert, solange r] niedrige Amplitude hat (n Impulse in F i g.'.). Dcmeni!,prc-_;iend kann ein zweiter Zahiei 70 vorgesehen werden, der die Impuise des Teilungssigr,; f) zu zan!?r: beginnt, sobald ein Impuls im Markierung signal /; auftritt und dab Zählen beendet, sobald niedrige Amplitude annimmt (in Impulse in Fig. Daraus kann man die absolute Lage des Körpe erhallen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Messen der Abmessung, z. B. Breite eines Körpers, mit einer mit mindestens einem lichtdurchlässigen spirahörmigen Streifen versehenen, sonst lichtundurchlässigen rotierenden Scheibe, einer mit einem lichtdurchlässigen geraden Streifen versehenen, sonst lichtundurchlässigen feststehenden Blende, die so im Bereich der Scheibe angeordnet ist, daß ein lichtdurchlässiger, bei Drehung der Scheibe entlang des geraden Streifens wandernder Oberschneidungsbereich von spiralförmigen und geraden Streifen gebildet ist, einer optischen Anordnung zur Erzeugung einer Abbil- '5 dung des Meßkörpers auf die Blende mit der zu ermittelnden Abmessung im Bereich des geraden Streifens und parallel zu diesem Streifen, einem Detektor zur Erfassung des durch den Überschneidungsbeieich fallenden Lichts und einer Schaltung zur Auswertung des von dem Detektor abgegebenen Meßsignals, dadurch gekennzeichnet, daß die spiralförmigen Streifen (32) der Scheibe (30) in Form von Evolventen angeordnet sind, die von einem im Drehpunkt (34) der Scheibe (30) zentrierten Grundkreis (36) ausgehen, und daß der gerade Streifen (28) der Blende (16) im wesentlichen längs einer Tangente (38) an den Grundkreis (36) der spiralförmigen Streifen (32) der Scheibe (30) angeordnet ist und in einem Abstand (R) von dem Berührungspunkt (40) der Tangente (38) am Grundkreis (36) angeordnet ist, der wesentlich größer als die Breite (c) des geraden Streifens (28) ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine ein Referenzmuster (50, 56) der Scheibe (30) abtastende Abtasteinrichtung (58) zur Abgabe von die Drehstellung der Scheibe (30) angebenden Signalen (f₂, h).

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch *o gekennzeichnet, daß das Referenzmuster ein gleichmäßiges, längs eines Kreises (51) der Scheibe (30) verteiltes Teilungsmuster (50) aus radial verlaufenden lichtdurchlässigen Streifen (52) und ein Markierungsmuster (56) aus einzelnen, jeweils einem der ⁴^ spiralförmigen Streifen (32) zugeordneten lichtdurchlässigen Streifen (54) oder Streifengruppen umfaßt, und daß die Abtasteinrichtung (58) das von einer Lichtquelle (60) beleuchtete Referenzmuster (50, 56) mittels zweier Detektoren (64, 66) unter so Abgabe eines Teilungssignals (fi) und eines Markierungssignals (k) abtastet.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schaltung (48) einen vom Meßsignal (f\) gesteuerten, Impulse des Teilungssignals (fz) zählenden Zähler (68) zur Abgabe eines die Abmessung (b) des Meßkörpers (12) angebenden Signals (g)aufweist.