DE3111356C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf den Oberbegriff des Anspruchs 1 (Verfahren) bzw. den Oberbegriff des Anspruchs 8 (Vorrichtung).

Dieser Stand der Technik ist bekanntgeworden durch die US-PS 40 82 463. Dort wird die Dauer der Unterbrechung durch das Objekt verglichen mit der Dauer des Durchgangs des Lichtstrahls durch ein das Meßfeld bestimmendes Fenster. 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.

Eine Meßwertauswertung durch Mittelwertbildung aus einer größeren Anzahl von Einzelmessungen sowie verschiedene Methoden zur Festlegung der Bezugsdauer sind aus Measurement and Control, Vol. 4, April 1971, T49-T53, zu entnehmen. Hier findet sich die Anweisung, die Zählergebnisse mehrerer Strahldurchgänge zu speichern, aber es handelt sich lediglich um eine direkte Addition aller Werte in einem Speicher, d. h., jeder individuelle Meßwert geht bei der Einspeicherung verloren, da er nur noch unbestimmbarer Teil einer Summe ist.

Gemäß US-PS 40 97 849 werden vom Mittelwert stark abweichende Meßwerte ausgeschieden, jedoch für sich registriert und zu Diagnosezwecken verwendet. Dabei sollen stets nur Meßwerte ausgeschieden werden, die sich gegenüber einem unmittelbar vorher gemessenen Einzelwert zu stark unterscheiden. Diese Maßnahme stößt jedoch auf Schwierigkeiten, wenn die zufälligen Streuungen nach verschiedenen Seiten vom statistischen Mittelwert fallen, weil dann nicht genügend Meßdaten zur Auswertung verfügbar sind, um aus dem Rahmen fallende Meßdaten gegenüber einem Mittelwert ausscheiden zu können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der genannten Gattung zu schaffen, das ein besonders vielseitiges Messen mit einem Minimum an Fehlerquellen gestattet, wobei eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens optische und elektrische bzw. opto-elektrische Mittel aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Kennzeichnungsteils des Anspruchs 1 in Verbindung mit dessen Oberbegriff sowie die Merkmale des Kennzeichnungsteils des Anspruchs 8 in Verbindung mit dessen Oberbegriff gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 7 sowie 9 und 10.

Nachstehend sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Bezug auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Meßvorrichtung,

Fig. 2 eine Prinzipschaltung zur Meßvorrichtung nach Fig. 1,

Fig. 3 ein Diagramm zur Vorrichtung nach Fig. 2,

Fig. 4 ein Diagramm zur Erläuterung der Messung durchsichtiger Objekte.

Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 weist eine Optik auf, die aus teils an sich bekannten Elementen besteht. Aus einer schematisch angedeuteten Quelle 1 wird ein scharf gebündelter Lichtstrahl, etwa ein Laserstrahl, 2 auf einen mit konstanter Drehzahl antreibbaren, achtkantigen 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 Bereich des Fensters 6-6 von oben nach unten bewegt, wenn der Spiegel 3 im Uhrzeigersinn rotiert, wie durch Pfeil in Fig. 1 angedeutet. Für jede Facette des Spiegels 3 erfolgt ein Strahldurchgang von oben nach unten, was je einer Messung entspricht. Im Meßberich liegt beim dargestellten Beispiel ein Meßobjekt 8, wie ein quer zur optischen Achse durchlaufendes Kabel, ein Draht, ein Rohr od. dgl., 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 Fig. 3, das 0 oder tief ist, wenn der Strahl durch die Fensterelemente 6 oder das Meßobjekt 8 abgeschirmt ist, und das I oder hoch ist, wenn der Laserstrahl durchtreten kann.

Es treten, wie Fig. 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, deren Signal z. B. als zeitliche Referenzmarke für jedes Auf- und Abblenden des Lichtstrahls im Fenster 6-6 dient.

Wie Fig. 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, erzeugt 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 29 weist eine hohe Zählkapazität von beispielsweise 24 Bit auf. Der Übertrag des Zählerstandes in den Speicher 27 wird durch die Logik 36 in unten beschriebener 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 36 oder während der Meßwertverarbeitung vom Mikroprozessor (CPU) 23. Fig. 3 zeigt die Eingangssignale, nämlich das Meßsignal E, das im Zeitpunkt No entsprechend dem in das Fenster 6 eintretenden Lichtstrahls von 0 auf I geht, dann während eines ersten Durchgangs durch das Objekt bzw. den Prüfling während der Zeit P 1 auf 0 geht und wieder auf I geht, solange der Lichtstrahl zwischen dem Objekt und seinem Austritt aus dem Fenster 6 die Photozelle 10 beleuchtet. In dieser Weise werden mehrere Meßperioden durchlaufen, wobei acht Meßperioden mit den Meßimpulsen P 1 bis P 8 je einem Meßzyklus bzw. einem Umlauf des Spiegels 3 entsprechen. Fig. 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 bzw. 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 den beiden Speichern 27 und 32 hat, kann das Übertragen der Werte in der Größenordnung von msec erfolgen, was beim Ausführungsbeispiel im Zeitraum zwischen zwei aufeinanderfolgenden Meßzyklen geschehen kann, wie in Fig. 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 Fall 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 N 1 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 N 1 sogleich in den Speicher 27 überführt werden. Die Daten für die folgenden Zeitpunkte bzw. Flanken N 2 bis N (x-1) gelangen nur zum Zwischenspeicher 28 und werden dort stets neu überschrieben, d. h., 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, d. h., die zu erfassende Dimension des Objekts ergäbe sich aus den folgenden Dauern:

Mit anderen Worten ergibt sich die gesuchte Dimension D des Objekts 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, größer 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 bzw. 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 Weise 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 bzw. 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 Zusammenhang 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 Herstellerwerks erheblich erschwert.

Claims (10)

1. Verfahren zur berührungslosen Messung einer Dimension mindestens eines Objekts, wobei ein scharf gebündelter Lichtstrahl wiederholt in Richtung der zu messenden Dimension des Objekts abgelenkt und die Zeitpunkte der Ab- und Aufblendung des Lichtstrahls beim jeweiligen Eintritt des Lichtstrahls in das Objekt und beim jeweiligen Austritt aus dem Objekt erfaßt und aus dem Verhältnis einer Bezugsdauer und der Durchlaufzeit durch das Objekt auf die Dimension des Objekts geschlossen wird, wobei in einem Rechner Meßwertkorrekturen durchführbar sind, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:

• a) - Speicherung eines Meßdatums für jedes Auf- und Abblenden des Lichtstrahls bezüglich einer Referenzmarke;
• b) - nach Ablauf einer bestimmten Anzahl von Strahldurchgängen unverändertes Umspeichern aller gespeicherten Einzeldaten in einen Arbeitsspeicher;
• c) - Auswertung der umgespeicherten Einzeldaten während eines weiteren Meßzyklus.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Strahlablenkung mittels eines mehreckigen rotierenden Spiegels (3) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Bezugsdauer die Zeitspanne zwischen zwei aufeinanderfolgenden Durchgängen des Strahls an einer bestimmten Stelle oder die Umlaufzeit (C₀′′-C₁′′) des Spiegels (3) zugrundegelegt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne, von einem ermittelten Mittelwert stark abweichende Meßresultate ausgeschieden werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß man Meßresultate ausscheidet, die sich aus einer Anzahl von Meßdaten ergeben, die nicht ein ganzes Vielfaches der Anzahl von Spiegelflächen des mehreckigen Spiegels (3) sind.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl von Fehlmessungen registriert und zur Diagnose der Anlage herangezogen wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektur der Meßdaten aufgrund des mathematischen Zusammenhangs zwischen dem Einfallwinkel des Lichtstrahls in die Optik (5) und dem Abstand des aus der Optik austretenden Lichtstrahls von der optischen Achse vorgenommen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zu den Meßdaten Korrekturdaten gespeichert werden, die bei der Messung aus dem Speicher ausgelesen werden.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einem optischen Fenster (6), in dessen Bereich das Objekt (8) zur Ermittlung einer seiner Dimensionen einbringbar ist, mit einer Einrichtung (3) zur wiederholten Ablenkung eines scharf gebündelten Lichtstrahls (2) durch das Fenster in Richtung der zu messenden Dimensionen des Objekts, einem opto-elektrischen Wandler (10), auf welchen der Lichtstrahl (2) gelenkt wird und welcher ein Meßsignal (E ) entsprechend dem Durchtritt oder der Abblendung des Lichtstrahls abgibt, einem Meß-Speicher zur Speicherung von den Zeitpunkten des Auf- und Abblendens des Lichtstrahls durch das Fenster und das Objekt entsprechenden Meßdaten sowie einem Rechner zur Durchführung von Korrekturen der Meßdaten, dadurch gekennzeichnet, daß im Meßspeicher (27) Speicherplätze zur Abspeicherung jedes einzelnen Meßdatums bei Auf- und Abblenden des Lichtstrahls innerhalb des Meßfensters bei jedem Durchgang des Lichtstrahlsvorhanden sind, daß ein Arbeitsspeicher (32) vorhanden ist, der eine entsprechende Anzahl von Speicherplätzen aufweist zur Übernahme aller gespeicherten Meßdaten aus dem Meßspeicher (27), wobei die Meßdaten aus dem Meßspeicher (27) je am Ende einer mehrere Strahldurchgänge umfassenden Meßperiode (C₀′′-C₁′′) in den Arbeitsspeicher (32) überführbar sind, und daß die im Arbeitsspeicher (32) gespeicherten Meßdaten während je einer Meßperiode korrigierbar sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Referenzmarke für das Meßdatum von einer definierten Strahlposition oder von der Ablenkeinrichtung ableitbar ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß beim Umspeichern die DMA (direct memory access)-Technik einsetzbar ist.