DE3111356A1

DE3111356A1 - Verfahren und vorrichtung zur beruehrungslosen messung einer dimension

Info

Publication number: DE3111356A1
Application number: DE19813111356
Authority: DE
Inventors: Urs Peter 4125 Riehen Studer
Original assignee: Zumbach Electronic AG
Current assignee: Zumbach Electronic AG
Priority date: 1980-03-25
Filing date: 1981-03-23
Publication date: 1982-03-25
Also published as: CH645462A5; BE888013A; AU6858581A; GB2072840B; JPS56150302A; GB2072840A; ZA811935B; IT8120686A0; IT1135714B; CA1168437A; ES8203150A1; FR2479447B1; DE3111356C2; FR2479447A1; ES500695A0; AU538202B2

Description

Zumbach Electronic AG p^. März 19R1

CH-2552 0 r ρ u η d Weine Akte: ζ

Verfahren und Vorrichtung zur berührungslosen Messung einer Dimension.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur berührungslosen Messung einer Dimension mindestens eines Objekts/ wobei ein scharfer Lichtstrahl, insbesondere Laserstrahl, in Richtung der zu messenden Dimension in einem Messfeld über das Objekt abgelenkt und die Dauer der Unterbrechung durch das Objekt verglichen wird mit einer Bezugsdauer; und wobei aus diesen Dauern auf die Dimension des Objekts geschlossen wird. Bei einem bekannten Messverfahren dieser Art wird die Dauer der Unterbrechung durch das Objekt verglichen mit der Dauer des Durchgangs des Lichtstrahls durch ein das Messfeld bestimmendes Fenster ( US - PS 4Ό82 463). Die zu erfassende Dimension des Objekts verhält sich hierbei zur Dimension der Fensteröffnung wie die Dauer der Unterbrechung des Lichtstrahls durch das Objekt zur Dauer des Durchgangs des Lichtstrahls durch das Messfeld, d.h. von Fensterkante zu Fensterkante. Fehler die sich bei dieser Messart aus einer nichtkonstanten Durchlaufgeschwindigkeit des Lichtstrahls durch das Messfeld ergeben können, werden hierbei dadurch kompensiert, dass bei der Herstellung des Messgerätes ein grobes Raster in das Messfeld gebracht wird mittels welchem Eichwerte gespeichert werden. Für Messwerte zwischen den Eichwerten ist eine Interpolation erforderlich. Dieses bekannte Messverfahren bietet nur beschränkte Möglichkeiten zur Erfassung und Verarbeitung von Messwerten, weil

bei jedem Strahldurchgang nur nach vorgegebenen Gesichtspunkten Daten erfasst und verarbeitet werden. Die zur Datenverarbeitung verfügbare Zeit ist entsprechend kurz. Wie erwähnt, ist nur eine relativ grobe Eichung möglich, zu welcher auch eine besondere Programmiereinheit erforderlich ist, derart, dass eine Nacheichung eines im Einsatz befindlichen Gerätes bei der Wartung sehr umständlich ist. Der Vergleich der zu messenden Dimension mit der Dimension einer Fensteröffnung setzt voraus, dass diese Fensteröffnung sehr genau bemessen ist und sich nicht verändert, eine Bedingung die zum Beispiel bei Temperaturschwankungen schwer einzuhalten ist.

Es ist das Ziel vorliegender Erfindung, ein vielseitiges Messverfahren mit einem Minimum an Fehlerquellen vorzuschlagen. Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitpunkte jeder Ab- und Aufblendung des Lichtstrahls während mindestens eines Strahldurchgangs durch das Messfeld fortlaufend als Messdaten gespeichert und dann eine Auswertung der Messdaten vorgenommen wird. Die Auswertung kann in diesem Fall vorzugsweise softwaremässig mittels eines Mikroprozessores erfolgen. Es wird damit eine vielseitige Auswertungsmöglichkeit erreicht, wobei nach Belieben pro Messzyklus ein Strahldurchgang oder mehrere Strahldurchgänge zugrundegelegt werden können. Wird zur Strahlablenkung ein rotierender Spiegel verwendet, kann als Bezug sdauer die Zeitspanne zwischen aufeinanderfolgenden Durchgängen des Strahls an einer bestimmten Stelle des Messfeldes oder die Umlaufzeit des Spiegels zugrundegelegt werden. Man wird damit von einer mechanischen Bezugsdimension, zum Beispiel einer Fenster-

Öffnung, unabhängig.

Anhand der Zeichnung werden im folgenden Ausführungsbeispiele
der Erfindung beschrieben.

Figur 1 zeigt eine Messvorrichtung,

Figur 2 zeigt eine Prinzipschaltung zur Messvorrichtung nach
Figur 1,

Figur 3 ist ein Diagramm zur Vorrichtung nach Figur 2 und Figur 4 ist ein Diagramm zur Erläuterung der Messung durchsichtiger Objekte. Die Vorrichtung gemäss Figur 1 weist eine Optik auf, die aus teils an sich bekannten Elementen besteht. Aus einer schematisch angedeuteten Quelle 1 wird ein scharfer Laserstrahl 2 auf einem mit konstanter Drehzahl antreibbaren, achteckigen Spiegel 3 geworfen. Der reflektierte Laserstrahl gelangt durch eine Optik mit einer Linse 5 zur Messstelle, in der der Strahldurchgang
durch eine Blende oder ein Fenster mit Begrenzungselementen 6
durchtritt. Die Optik ist so ausgelegt, dass der Strahl nach der Linse 5 stets parallel zur optischen Achse austritt und sich im Bereiche des Fensters 6-6 von oben nach unten bewegt, wenn der Spiegel 3 im Uhrzeigersinne rotiert, wie durch Pfeil in Figur 1 angedeutet. Für jede Facette des Spiegels 3 erfolgt ein Strahldurchgang von oben nach unten, was je einer Messung entspricht. Im Messbereich liegt beim dargestellten Beispiel ein Messobjekt 8, zum Beispiel ein quer zur optischen Achse durchlaufendes Kabel, ein Draht, ein Rohr oder dergleichen, dessen Aussendurchmesser zu bestimmen ist. Nach der Messstelle befindet sich eine Sammellinse 9, die den Laserstrahl auf eine Photozelle 10

fokussiert. Die Photozelle erzeugt ein Ausgangssignal E gemäss Figur 3, das 0 oder tief ist/ wenn der Strahl durch die Fenster elemente 6 oder das Messobjekt 8 abgeschirmt ist, und das I oder hoch ist, wenn der Laserstrahl durchtreten kann.

Es treten, wie Figur 3 zeigt, periodisch je zwei Impulse auf, wobei die Impulse mit dem Eintritt des Lichtstrahls in das Fenster 6-6 beginnen und mit seinem Austritt enden, und wobei die Lücke zwischen den zwei Impulsen der Abschirmung des Strahls durch das Objekt 8 entspricht. Die Ausführungsform nach Fig. 1 und 2 weist eine digitale Auswertungsschaltung mit einem Mikroprozessor auf. Auf der Eintrittseite des Lichtstrahls ist eine einzige Photozelle 22 angeordnet.

Wie Figur 2 zeigt, ist der Mikroprozessor 23 über einen Datenbus 24 und einen Adressbus 25 mit weiteren Schaltungsteilen verbunden.

Das Eingangssignal E von der Photozelle 10 gelangt an eine Logikschaltung 36 mit einem Differentiator, der auf ansteigende und abfallende Impulsflanken anspricht, einer Adresszählersteuerung und weitere Steuerkreise. Dieser Logik wird auch ein Signal eines Gebers 3" zugeführt, welches durch einen mit dem Spiegel 3 mitdrehenden Zerhacker oder Chopper bestehend aus einer gezahnten Scheibe 3' mit acht Zähnen entsprechend den acht Spiegelflächen erzugt wird. Der Oszillator 30 speist den Zähler 29 dauernd und dieser zählt laufend weiter, wobei sein Zählerstand jeweils durch den Zwischenspeicher (Latch) 28 in den Speicher 27 übergeführt wird. Der Oszillator arbeitet beispielsweise bei einer Frequenz

von 18 MHz und der Zähler 2 9 weist eine hohe Zählkapazität von beispielsweise 24 Bit auf. Der üebertrag des Zählerstandes in den Speicher 27 wird durch die Logik 36 in untenbeschriebener Weise gesteuert. Die Schaltung weist ferner einen Adresszähler 35 auf, der mit dem Speicher 27 und über Schaltungen 37 und 38 mit dem Datenbus 24 und dem Adressbus 25 verbunden ist.

Ein Festspeicher 31 bestimmt den Programmablauf und er dient ausserdem der Speicherung von Korrekturdaten an hierzu bestimmten Adressen. Ein Aktivspeicher 32 dient dem Prozessor als Arbeitsspeicher für alle zu verarbeitenden Daten. Eine Eingangs- Ausgangseinheit 33 vermittelt die Messwerte an die Anzeige 34.

Die Ansteuerung des Speichers 32 erfolgt über ein Tor 39 entweder im DMA (direct Memory Access)- Betrieb durch die Logik oder während der Messwertverarbeitung vom Mikroprozessor (CPU) Figur 3 zeigt die Eingangssignale, nämlich das Messignal E, das im Zeitpunkt No entsprechend dem in das Fenster 6 eintretenden Lichtstrahls von O auf I geht, dann während eines ersten Durchganges durch das Objekt bzw. den Prüfling während er Zeit Pl auf O geht, und wieder auf I geht, solange der Lichtstrahl zwischen dem Objekt und seinem Austritt aus dem Fenser 6 die Photozelle 10 beleuchtet. In dieser Weise werden mehrere Messperioden durchlaufen, wobei acht Messperioden mit den Messimpulsen Pl bis P8 je einem Messzyklus bzw. einem Umlauf des Spiegels 3 entsprechen. Figur 3 zeigt auch das Signal C des Zerhackers oder Choppers sowie ein von der Logik 36 an den Mikroprozessor (CPU) 23 übertragenes Signal C, welches aus einer Teilung des Zerhackersignals durch

8 hervorgeht. Bei allen Impulsflanken des Signals E, also bei jedem Auf- oder Abblenden des Lichtstrahls, wird der momentane Zählerstand des Zählers 29 im Speicher 27 gespeichert und steht dort als Messwert zur Verfügung. Kurz nach Auftreten der Flanke C" nach je acht Messungen, beziehungsweise am Ende eines Messzyklus wird der Mikroprozessor stillgelegt und die Schaltung arbeitet im DMA (direct Memory Access) - Betrieb weiter. Sämtliche Werte im Speicher 27 werden hierbei in den Speicher 32 überführt. Ist dieser Transfer abgeschlossen, wird die Logik auf Messbetrieb und der Mikroprozessor 23 auf Programm umgeschaltet. Da die DMA-Logik direkten Zugriff zu beiden Speichern 27 und 32 hat, kann das Uebertragen der Werte in der Grössenordnung von msec erfolgen, was beim Ausführungsbeispiel im Zeitraum zwischen zwei aufeinanderfolgenden Messzyklen erfolgen kann wie in Figur 3 angedeutet. Während der neue Messzyklus beginnt, und neue Daten in den Speicher 27 eingelesen werden, erfolgt getrennt davon die Auswertung gemäss einem im Speicher 31 vorhandenen Programm, und wird dann über die Ausgangsschaltung 33 zur Anzeige gebracht. Das Programm ist veränderbar und kann somit nach beliebigen Gesichtspunkten gewählt werden, so zum Beispiel für die Messung mehrerer Objekte im Messfeld, in welchem Falle die Auswertung leicht so programmiert werden kann, dass je eine oder mehrere Zeitspannen oder Dauern erfasst werden, während welcher der Lichtstrahl durch ein bestimmtes Objekt ausgeblendet ist, und die Dimension dieses Objekts in der beschriebenen Weise durch Vergleich dieser Dauer bzw. einer Summe von Dauern mit der Zyklusdauer bestimmt wird.

Fig. 4 zeigt eine Möglichkeit zur Messung zylindrischer, durchsichtiger Objekte, beispielsweise von Kunststoffschläuchen für medizinische Zwecke. Das Signal E weist beim Eintritt des Lichtstrahls in das Fenster 6 die ansteigende Flanke No auf, wie beschrieben. Beim Eintritt des Lichtstrahls in das durchsichtige Objekt erfolgt Totalreflexion des Lichtstrahls nach aussen, womit kein Licht mehr zur Photozelle 10 gelangt und eine erste absteigende Flanke Nl des Signals auftritt. Es erfolgen dann, besonders bei hohlen Objekten mehrere Phasen von Lichtdurchgang und Reflexion, was durch mehrere Signalflanken dargestellt ist. Im Zeitpunkt Nx tritt der Lichtstrahl aus dem Objekt aus. Eine besondere Schaltung in der Logik 36 ist hierbei wirksam und sorgt dafür, dass die Daten für die Zeitpunkte No und Nl sogleich in den Speicher 27 überführt werden. Die Daten für die folgenden Zeitpunkte bzw. Flanken N2 bis N (x-1) gelangen nur zum Zwischenspeicher 28 und werden dort stets neu überschrieben, das heisst, es ist nur je der zuletzt aufgetretene Zeitpunkt gespeichert. Beim Auftreten der absteigenden Chopperflanke wird dann der zuletzt eingelesene Wert, der dem Zeitpunkt Nx entspricht, in den Speicher 27 übertragen und steht dort zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung.

Im vorliegenden Fall wird angenommen, es erfolge je eine Messung während eines Messzyklus, das heisst die zu erfassende Dimension des Objektes ergebe sich aus den folgenden Dauern:

Pl + P2 + ... P8

^K* No* - No

Mit anderen Worten ergibt sich die gesuchte Dimension D des Objektes aus dem Verhältnis zwischen der Summe der Dauern der Durchgänge des Lichtstrahls über das Objekt und der Dauer einer Umdrehung des Spiegels 3. Es wird also ein Mittelwert aus acht Einzelmessungen gebildet. Dabei wird die Messung unabhängig von der Drehzahl des Spiegels sowie Drehzahlschwankungen und geometrische Ungenauigkeiten des Spiegels wirken sich nicht aus, weil mehrere Einzelmessungen gemittelt werden. Die laufende Erfassung von Einzelmesswerten gestattet jedoch auch jede andere Auswertung oder zusätzliche Massnahme mittels des Programms des Mikroprozessors. Man kann also jederzeit auch Einzelmessungen erfassen und bewerten. Es ist dabei möglich, die Differenz zwischen einem maximalen und minimalen Messwert zu bilden und dann eine Messung zu eliminieren, wenn diese Differenz bezogen auf den Maximalwert oder bezogen auf den Mittelwert grosser als beispielsweise 10 % ist. Man kann ferner Messungen eliminieren, die während eines Zyklus ermittelt wurden, während welchem die Anzahl von Flanken im Signal E nicht ein ganzes Vielfaches von 8 ist. Es kann ein Zähler vorgesehen sein, der jede als ungültig ausgeschiedene Messung sowie die gültigen Messungen registriert und damit eine Diagnose der Messvorrichtung erlaubt.

Es ist weiter möglich, eine Linearisierung in einfacher Weise zu realisieren. Ist die Linse 5 nicht in der Weise korrigiert, dass sich bei konstanter Drehzahl des Spiegels 3 eine konstante Durchlaufgeschwindigkeit des Lichtstrahls durch das Messfeld zwischen den Kanten des Fensters 6 ergibt, ist eine Korrektur beziehungsweise Eichung erforderlich. Diese Eichung kann in der

Weise erfolgen, dass zu allen Messwerten, die im Speicher 27 in Form von Impulszahlen des Oszillators 30 vorliegen, entsprechend korrigiert zugeordnete Zahlen in einem besonderen Speicher enthalten sind. Das Abspeichern dieser zugeordneten Zahlen oder Eichwerte kann auf verschiedene Welse erfolgen. Man kann experimentell für verschiedenste Stellen des Messfeldes die Impulszahlen ermitteln und abspeichern. Vorzugsweise wird jedoch eine Eichung oder Korrektur gestützt auf einen bekannten mathematischen Zusammenhang zwischen dem Einfallswinkel des Lichtstrahls in die Linse 5 und dem Abstand des Lichtstrahls im Messfeld von der optischen Achse vorgenommen. Für eine bestimmte Optik und einen bestimmten Ablenkspiegel ergibt sich eine bestimmte mathematische Funktion, die berücksichtigt werden kann. Für gleichartige Linsen, bei denen grundsätzlich die gleiche Funktion zugeordnet ist, bedarf es dann noch einer Wertung durch Eingabe von Kennwerten oder Konstanten K zur Berücksichtigung der Krümmung der Funktion beziehungsweise der Abweichung von einem linearen Verlauf. Gemäss diesem mathematischen Zusammenhang kann nun auch ein Eichspeicher erstellt werden, oder es kann dem Mikroprozessor ein Rechenprogramm erstellt werden-, welches laufend die ermittelten Messwerte dem mathematischen Zusammenhange entsprechend umrechnet. Diese hier erwähnten Arten der Eichung oder Korrektur auf Grund mathematischer Zusammenhänge können am bestehenden Gerät auch bei der Wartung einfach angepasst werden. Muss zum Beispiel eine Optik ausgewechselt werden, können die ihr zugeordneten Kennwerte eingegeben werden. Bei der eingangs beschriebenen, bekannten Ausführung mit Eichraster ist

eine aufwendige Eichlogik erforderlich, die nicht ins Messgerät integriert ist und eine Eichung ausserhalb des Herstellerwerkes erheblich erschwert.

Leerseite

Claims

Dipl.-Physikci

WILLY LORENZ

Patentanwalt

I hiln-rtussir.ilM.· 83' Willy I orcn/. Pnstf.uh I !2D. D-WM 5 (,.uiliiiti D-8035 Gauting

«· Muiulien (08¹J) 8506036- )< BRIVf-

Telex 521707 lore d I elekopierc-i

Zumbach Electronic AG 23. März 1981

CH-2552 O r ρ u η d Meine Akte: ζ ¹JI-JjDE

PATENTANSPRÜECHE:

IJ Verfahren zur berührungslosen Messung einer Dimension mindestens eines Objekts, wobei ein scharfer Lichtstrahl, insbesondere Laserstrahl, in Richtung der zu messenden Dimension in einem Messfeld über das Objekt abgelenkt und die Dauer der Unterbrechung durch das Objekt verglichen wird mit einer Bezugsdauer und wobei aus diesen Dauern auf die Dimension des Objekts geschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitpunkte jeder Ab- und Aufblendung des Lichtstrahls während mindestens eines Strahldurchgangs durch das Messfeld fortlaufend als Messdaten gespeichert und dann eine Auswertung der Messdaten vorgenommen wird.
2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Zeitpunkte über mehrere aufeinanderfolgende Strahldurchgänge durch das Messfeld fortlaufend als Messdaten gespeichert werden und

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die Auswertung von Messdaten aus mehreren Strahldurchgängen gemeinsam erfolgt.
3) Verfahren, insbesondere nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Strahlablenkung mittels eines mehreckigen rotierenden Spiegels erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass als Bezugsdauer die Zeitspanne zwischen zwei aufeinanderfolgenden Durchgängen des Strahls an einer bestimmten Stelle oder die Umlaufzeit des Spiegels zugrundegelegt wird.
4) Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung mittels eines Mikroprozessors erfolgt.
5) Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass einzelene, von einem ermittelten Mittelwert stark abweichende Messresultate ausgeschieden werden.
6) Verfahren nach einem der Ansprüche 3-5, dadurch gekennzeichnet, dass man Messresultate ausscheidet, die sich aus einer Anzahl von Messdaten ergeben, die nicht ein ganzes Vielfaches der Anzahl von Spiegelflächen mehreckigen Spiegels sind.
7) Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahl von Fehlmessungen registriert und zur Diagnose der Anlage herangezogen wird.
8) Verfahren nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Eichung bzw. Korrektur der Messung auf Grund des mathematischen Zusammenhanges zwischen dem Einfallswinkel des

Lichtstrahls in die Optik und dem Abstand des aus der Optik austretenden Lichtstrahls von der optischen Achse vorgenommen wird.
9) Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Eichung oder Korrektur laufend mittels eines Rechners erfolgt.
10) Verfahren nach Anspruch 8/ dadurch gekennzeichnet, dass zu den Messdaten Eich- oder Korrekturdaten gespeichert werden, die bei der Messung aus einem Speicher ausgelesen werden.
11) Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-10, mit Mitteln zur wiederholten Ablenkung eines Lichtstrahls durch ein Messfeld und Mitteln zur Erfassung der Zeitpunkte des jeweiligen Ein- und Austritts des Lichtstrahls in das Objekt, bzw. aus dem Objekt und Mitteln zur Berechnung der Dimension des Objekts aus dem Vergleich der Dauer der Abblendung des Lichtstrahls durch das Objekt mit einer Vergleichsdauer, dadurch gekennzeichnet, dass Speicher (27), 32) zum Speichern fortlaufend ermittelter Zeitpunkte und Mittel (23, 31) zur fortlaufenden Verarbeitung von Zeitdifferenzen und zur Anzeige ermittelter Messwerte vorhanden sind.
12) Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Strahlablenkung ein mehreckiger rotierender Spiegel (3) vorhanden ist und dass ein der periodischen Strahlablenkung entsprechendes Signal (C) erzeugt wird, welches die periodische Verarbeitung von Zeitdifferenzen steuert.
13) Vorrichtung nach Anspruch 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass sie im DMA (direct memory access) - Betrieb arbeitet und zwei Speicher für ermittelte Zeitpunkte aufweist, wobei Mittel (36) vorgesehen sind, um am Ende je eines Messzyklus ermittelte Zeitpunkte aus dem ersten Speicher (27) in den zweiten Speicher (32) zu übertragen um dann die Verarbeitung der im zweiten Speicher enthaltenen Daten durch Mittel (23) und (31) zu ermöglichen.
14) Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass dem rotierenden Spiegel (3) ein Zerhacker (3') zugeordnet ist, der ein Steuersignal (C) zur Steuerung des zyklischen Ablaufs der Speicherung und der Verarbeitung von Messdaten erzeugt.