DE3437412A1

DE3437412A1 - Beruehrungslose, optische laengenmesseinrichtung

Info

Publication number: DE3437412A1
Application number: DE19843437412
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dipl.-Ing. 6301 Launsbach Rinn
Original assignee: Heyligenstaedt and Co Werkzeugmaschinenfabrik GmbH
Current assignee: Heyligenstaedt and Co Werkzeugmaschinenfabrik GmbH
Priority date: 1984-10-12
Filing date: 1984-10-12
Publication date: 1986-04-17
Also published as: US4732486A

Description

Anwaltsbüro

Ruppart & Schlagwein

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Heyligenstaedt & Comp.

Werkzeugmaschinen fabrik GmbH 6300 Gießen

Berührungslose, optische Längen-Meßeinrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine berührungslose, optische Längen-Meßeinrichtung, bei der ein von einer Lichtguelle ausgehender, aus einem parallel zu sich selbst sich verschiebenden Lichtstrahl gebildeter Strahlengang von einer Seite eines Meßobjektes quer zu dem Meßobjekt durch eine Sammellinse auf der anderen Seite des Meßobjektes zu einem Lichtdetektor geführt ist und die eine Auswertelektronik zur Ermittlung der Länge des Meßobjektes im Strahlengang auf Grund der Hell-Dunkel-Signale des Lichtdetektors hat.

Solche Längen-Meßeinrichtungen werden beispielsweise eingesetzt, um den genauen Durchmesser eines Werkstückes zu bestimmen und sind allgemein bekannt. Als Beispiel für den Stand der Technik sei auf das auf dem Markt befindliehe, unter der Bezeichnung "zygo" bekannte Laser-Mikrometer der Firma Oriel GmbH, 6100 Darmstadt verwiesen.

Bei der bekannten Längen-Meßeinrichtung wird ein Laserstrahl durch einen Drehspiegel periodisch über eine Kollimierlinse geführt. Diese beugt den Laserstrahl so, daß er sich infolge der Rotation des Drehspiegels parallel verschiebt. Eine Sammellinse führt alle Lichtstrahlen, die von der Kollimierlinse erfaßt wurden, in einem

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Punkt, an dem ein Lichtdetektor sitzt, zusammen. Wird nun ein lichtundurchlässiges Meßobjekt zwischen Kollimierlinse und Sammellinse gehalten und gelangen noch Lichtstrahlen oberhalb und unterhalb dieses Meßobjektes von der Kollimierlinse zur Sammellinse und damit zum Lichtdetektor, so kann aus der Zeitspanne, während der kein Lichtstrahl auf den Lichtdetektor gelangt, die Abmessung des Meßobjektes in der Ebene ermittelt werden, in der der Lichtstrahl durch den Drehspiegel nach der Kollimierlinse parallel verschoben wird.

Wenn man mit einer solchen Längen-Meßeinrichtung zum Bei spiel den Durchmesser einer Welle messen möchte, so muß man dafür sorgen, daß die Welle genau senkrecht zu der durch den wandernden Lichtstrahl gebildeten Ebene steht, da man sonst einen größeren Wert messen würde. Diese genaue Ausrichtung der Welle zu der Längen-Meßeinrichtung ist jedoch aufwendig und erfordert zusätzliche Zeit.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Längen-Meßeinrichtung der eingangs genannten Art derart auszuge stalten, daß eine genaue Ausrichtung des Meßobjektes zur Längen-Meßeinrichtung entfallen kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in einem festen Abstand und parallel zu dem Strahlengang ein zweiter Strahlengang über das Meßobjekt durch eine zweite Sammellinse zu einem zweiten Lichtdetektor geführt und die Auswertelektronik zur Ermittlung der Schrägstellung des Meßobjektes bezogen auf die Ebene der Strahlengänge und zur Ermittlung der Meßlänge ohne den Einfluß der Schrägstellung ausgebildet ist.

Mit einer solchen Längen-Meßeinrichtung wird zunächst die Schräglage des Meßobjektes ermittelt und dann unter Berücksichtigung dieser Schräglage der rechtwinklig durch das Meßobjekt verlaufende Durchmesser aufgrund der gemessenen, schräg durch das Meßobjekt verlaufenden Länge berechnet. Auf diese Weise wird das zeitaufwendige und zwangsläufig mit Fehlern behaftete Ausrichten des Meßobjektes eingespart.

Die erfindungsgemäße Längen-Meßeinrichtung kann zur Erzeugung der beiden Strahlengänge zwei parallel zueinander ausgerichtete Lichtquellen haben. Kostengünstiger ist jedoch eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung, gemäß der für beide Strahlengänge eine gemeinsame Lichtquelle mit einem motorisch angetriebenen Drehspiegel und einer Kollimierlinse vorgesehen sind und zur Bildung des zweiten Strahlenganges hinter der Kollimierlinse ein halbdurchlässiger Spiegel angeordnet ist, von dem aus der Lichtstrahl einem einen parallel zum ersten Strahlengang verlaufenden zweiten Strahlengang erzeugenden Umlenkspiegel zugeführt ist.

Die Erfindung läßt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Erläuterung ihres Grundprinzips sei nachfolgend auf die Zeichnung Bezug genommen. Diese zeigt in

Fig. 1 ein Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Längen-Meßeinrichtung,

Fig. 2 ein schräg angeordnetes, abgestuftes Werkstück als Meßobjekt,

Fig. 3 den Signalverlauf an den Lichtdetektoren der Längen-Meßeinrichtung.

Die Figur 1 zeigt als Lichtquelle einen Laser 1, der einen Lichtstrahl 2 gegen einen motorisch angetriebenen Drehspiegel 3 sendet. Durch die gleichmäßige Drehung des Drehspiegels 3 wird der Lichtstrahl 2 des Lasers 1 mit veränderlichem Winkel einer Kollimierlinse 4 zugeführt, die einen aus einem parallel zu sich selbst sich verschiebenden Lichtstrahl gebildeten ersten Strahlengang erzeugt. Eine Sammellinse 6 führt das Licht einem Lichtdetektor 7 zu.

In dem Strahlengang 5 befindet sich quer zu dem Strahlen gang 5 ein Meßobjekt 8, bei dem es sich um eine Welle mit dem Durchmesser d im Bereich des Strahlenganges 5 handeln soll. Dieses Meßobjekt 8 ist jedoch nicht genau quer zum Strahlengang 5 ausgerichtet, sondern etwas geneigt, so daß es im Bereich des Strahlenganges 5 elliptisch ist und damit eine etwas größere Höhe d¹ hat, als es seinem Durchmesser entspricht. Mit einer herkömmlichen Längen-Meßeinrichtung käme es deshalb zu einer Fehl messung auf Grund dieser Schrägstellung des Meßobjektes.

Um eine solche Fehlmessung zu vermeiden und die Schrägstellung verrechnen zu können, verläuft in einem genau festgelegten Abstand H parallel zum ersten Strahlengang 5 ein zweiter Strahlengang 9, der ebenfalls vom Laser 1 Licht erhält. Hierzu ist im ersten Strahlengang 5 hinter der Kollimierlinse 4 ein halbdurchlässiger Spiegel 10 in einem Winkel von 45 Grad angeordnet. Ein weiterer, voll reflektierender Spiegel 11 reflektiert das Licht parallel zum ersten Strahlengang 5, so daß der zweite Strahlengang 9 entsteht. Auch das Licht des zweiten Strahlenganges 9 wird durch eine Sammellinse 12 einem Lichtdetektor 13 zugeführt.

-JBr-

Hinter den Lichtdetektoren 7, 13 ist jeweils eine Nullpunktbestimmung 14, 15 und dann für beide Lichtdetektoren gemeinsam ein Komparator 16 vorgesehen. Es folgt eine Auswertelektronik 17. Der Vollständigkeit halber sei noch auf eine Meßanzeige 18 mit den Datenausgängen, einem Oszillator 19 sowie einer Motorsteuerung 20 für den Drehspiegel 3 verwiesen.

Das Meßobjekt 8 soll im zweiten Strahlengang 9 einen Durchmesser D und auf Grund seiner Schräglage eine Höhe in der Meßebene von D* haben. Wenn nun der Laser 1 Licht sendet, so wird, was in Verbindung mit der Figur 2 am klarsten zu erkennen ist, zunächst im Strahlengang 9 zum Zeitpunkt t₉ das Licht abgedunkelt. Es folgt zum Zeitpunkt tf eine Lichtabdunklung im Strahlengang 5, die zum Zeitpunkt t* beendet ist. Die Lichtabdunklung im Strahlengang 9 ist zum Zeitpunkt tj abgeschlossen. In der Figur 3 ist der Signalverlauf zuoberst für den Lichtdetektor 7 und darunter für den Lichtdetektor 13 dargestellt. Aus den Hell-Dunkel-Signalen der Lichtdetektoren 7, 13 läßt sich zunächst der WinkelÄ , nämlich die

Schräglage des Meßobjektes 8 errechnen. Es ergibt sich, daß f

wobei e=a-b-c

und a = C · (t - t )

b = C · (t - t )

c = C . (t - t ), wobei C eine Konstante des Gerätes ist.

damit wird töH7

- it -

Anschließend ist der cos^ zu bilden. Daraus kann und

0 β O^f -ccs<h

berechnet werden. Diese Berechnungen erfolgen automatisch in der Auswertelektronik 17.

-S-

Auflistung der verwendeten Bezuqszeichen

1 Laser

2 Lichtstrahl

3 Drehspiegel

4 Kollimierlinse

5 erster Strahlengang

6 Sammellinse

7 Lichtdetektor

8 Meßobjekt

9 zweiter Strahlengang

10 halbdurchlassiger Spiegel

11 Spiegel

12 Sammellinse

13 Lichtdetektor

14 Nullpunktbestimmung

15 Nullpunktbestimmung

16 Komparator

17 Auswertelektronik

18 Meßanzeige

19 Oszillator

20 Motorsteuerung

Claims

Heyligenstaedt & Comp. Werkzeugmaschinenfabrik GmbH 6300 Gießen Patentansprüche

1. Berührungslose, optische Längen-Meßeinrichtung, bei der ein von einer Lichtquelle ausgehender, aus einem parallel zu sich selbst sich verschiebenden Lichtstrahl gebildeter Strahlengang von einer Seite eines Meßobjektes quer zu dem Meßobjekt durch eine Sammellinse auf der anderen Seite des Meßobjektes zu einem Lichtdetektor geführt ist und die eine Auswertelektronik zur Ermittlung der Länge des Meßobjektes im Strahlengang auf Grund der Hell-Dunkel-Signale des Lichtdetektors hat, dadurch gekennzeichnet, daß in einem festen Abstand und parallel zu dem Strahlengang (5) ein zweiter Strahlengang (9) über das Meßobjekt (8) durch eine zweite Sammellinse (12) zu einem zweiten Lichtdetektor (13) geführt und die Auswertelektronik (17) zur Ermittlung der Schrägstellung des Meßobjektes (8) bezogen auf die Ebene der Strahlengänge (5, 9) und zur Ermittlung der Meßlänge ohne den Einfluß der Schrägstellung ausgebildet ist.

2. Berührungslose, optische Längen-Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für beide Strahlengänge (5, 9) eine gemeinsame Lichtquelle (Laser 1) mit einem motorisch angetriebenen Drehspiegel (3) und einer Kollimierlinse (4) vorgesehen sind und daß zur Bildung des zweiten Strahlenganges (9) hinter der Kollimierlinse (4) ein halbdurchlässiger Spiegel (11) angeordnet ist, von dem aus der Lichtstrahl einem, einen par-

«C-

allel zum ersten Strahlengang (5) verlaufenden zweiten Strahlengang (9) erzeugenden Spiegel (11) zugeführt ist.