DE3713109A1 - Vorrichtung zum vermessen von werkstuecken - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Vermessen von Werk­ stücken mit einem ersten Laserstrahl, einer Einrichtung zum Be­ wegen des ersten Laserstrahls entlang einer ersten Abtastlinie, zumindest einem Photosensor, auf den der bewegte Laserstrahl auftrifft, wobei das Werkstück in der Abtastlinie angeordnet ist und den Strahlengang des ersten Laserstrahles unterbricht, und einem Zeitmeßgerät, das die Zeitspanne mißt, in der das Werkstück (32) den Strahlengang des Laserstrahles unterbricht, um daraus die Abmessungen des Werkstückes zu ermitteln.

Derartige Vorrichtungen werden am Markt angeboten. In ihrer üb­ lichen Ausgestaltung weisen sie einen Helium-Neon-Laser auf, dessen Strahl auf einen rotierenden Spiegel trifft, so daß der scharf gebündelte Laserstrahl abgelenkt wird und periodisch ei­ ne Abtastlinie durchläuft.

Hinter dem rotierenden Spiegel ist ein optisches Linsensystem angeordnet, welches den Laserstrahl parallel ausrichtet. Im pa­ rallel ausgerichteten, periodisch entlang der Abtastlinie be­ wegten Laserstrahl wird das zu untersuchende Werkstück angeord­ net, so daß es einen Schatten wirft. Die Abtastlinie des Laser­ strahles ist länger als die zu vermessende Abmessung des Werk­ stückes.

Der das Werkstück passierende Laserstrahl wird auf eine Empfän­ gerlinse und einen Photosensor gerichtet. Somit kann die Dauer der "Schattenperiode", also diejenige Zeitspanne gemessen wer­ den, in welcher der Laserstrahl von einer Kante des Werkstückes zur anderen Kante läuft. Das Ausgangssignal des Photosensors wird ausgewertet und mit einem hochfrequenten Quarzzähler wird die genannte Zeitspanne gemessen, aus der sich unmittelbar die Abmessung des Werkstückes in der Abtastlinie ergibt, da die Drehgeschwindigkeit des Drehspiegels und somit die Bewegungs­ geschwindigkeit des Laserstrahles bekannt sind.

Mit der bekannten Anordnung lassen sich Werkstücke unterschied­ lichster Geometrie in einfacher Weise berührungslos vermessen. Allerdings ist die Messung auf eine Dimension beschränkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehend be­ schriebene Vorrichtung zum Vermessen von Werkstücken derart weiterzubilden, daß mit geringem Aufwand eine zweidimensionale Vermessung des Werkstückes möglich ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch einen Strahl­ teiler, der im Strahlengang hinter der Einrichtung zum Bewegen des Laserstrahles und vor dem Werkstück angeordnet ist und aus dem ersten Laserstrahl eine zweiten bewegten Laserstrahl ab­ zweigt, zumindest ein optisches Bauteil zum Drehen des zweiten bewegten Laserstrahles gegenüber dem ersten Laserstrahl derart, daß eine zweite Abtastlinie erzeugt wird, die mit der ersten Abtastlinie einen Winkel (α) bildet und zumindest ein optisches Bauteil zum Trennen der ersten und zweiten Laserstrahlen, so daß mittels des zumindest einen Photosensors auch die Zeit­ spanne meßbar ist, in der das Werkstück den Strahlengang des zweiten Laserstrahles unterbricht, so daß die Abmessungen des Werkstückes in zwei Dimensionen meßbar sind.

Gemäß der Erfindung ist also keine zweite Laserstrahlquelle er­ forderlich, um einen für die Messung der zweiten Dimension er­ forderlichen Abtaststrahl zu erzeugen, vielmehr werden aus einer einzigen Laserstrahlquelle zwei Laserstrahlen erzeugt, deren Abtastlinien in einem Winkel von vorzugsweise 90° zuein­ ander stehen.

Bevorzugt wird als Einrichtung zum Bewegen der ersten und zwei­ ten Laserstrahlen ein Drehspiegel verwendet. Es ist aber auch möglich, einen vibrierenden Reflektor vorzusehen.

Die Drehung der Abtastlinien der beiden Laserstrahlen zueinan­ der erfolgt in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung durch eine Anordnung aus einem teildurchlässigen Spiegel, einem Reflexionsspiegel und einem weiteren teildurchlässigen Spiegel, so daß die beiden bewegten Laserstrahlen mit einem rechtwinkli­ gen Koordinatensystem entsprechenden Abtastlinien auf das Werkstück gerichtet werden. Hierdurch ist die Auswertung der Meßsignale des Photosensors vereinfacht.

Zur Auswertung der Signale des Photosensors müssen die ersten und zweiten Laserstrahlen getrennt werden. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Trennung derart, daß einer der beiden Laserstrahlen polarisiert wird, so daß die Strahlen nach Passieren des Werkstückes mit Polarisationsfil­ tern voneinander getrennt und auf unterschiedliche Photosen­ soren gerichtet werden können. Die beiden Laserstrahlen können dann getrennt, aber gleichzeitig ausgewertet werden.

Es ist auch möglich, die beiden Laserstrahlen derart zu tren­ nen, daß abwechselnd jeweils einer der beiden Laserstrahlen pe­ riodisch unterbrochen wird, so daß die beiden Strahlen zeitlich versetzt auf das Werkstück treffen und am Photosensor Meßsi­ gnale erzeugen. Bei einer derartigen zeitlichen Trennung der La­ serstrahlen ist nur ein einziger Photosensor erforderlich.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 schematisch eine Vorrichtung zum zweidimensionalen Ver­ messen von Werkstücken;

Fig. 2 das zu vermessende Werkstück mit den Abtastlinien, und

Fig. 3 eine Fig. 2 entsprechende Darstellung, wobei die Abtast­ linien in Bezug auf das Werkstück verändert sind.

Fig. 1 zeigt eine Laserstrahlquelle (10), wie einen Helium/ Neon-Laser. Der Laserstrahl ist auf einen Drehspiegel (12) ge­ richtet, so daß der rotierende Drehspiegel den scharf gebün­ delten Laserstrahl in Abhängigkeit von der Zeit im Raum über eine vorgegebene Linie bewegt. Der vom Drehspiegel (12) erzeug­ te Laserstrahl ist als erster Laserstrahl (14) bezeichnet und trifft auf einen halbdurchlässigen Spiegel (16). Der erste La­ serstrahl (14) ist in Fig. 1 vertikal bewegt und die vertikale Achse ist mit (18) bezeichnet. Der halbdurchlässige Spiegel (16) ist gemäß Fig. 1 nicht nur um die Vertikale (18) in Bezug auf die Mittellinie des ersten Laserstrahles (14) geschwenkt, sondern auch gegen die Mittellinie des Laserstrahles (14) geneigt, so daß der vom halbdurchlässigen Spiegel (16) re­ flektierte zweite Laserstrahl (20) nicht von der Vertikalen (18) ausgeht, sondern von einer geneigten Grundlinie (20)_o, die gegen die Vertikale (18) geneigt ist. Auf diese Weise wird der vom halbdurchlässigen Spiegel (16) reflektierte zweite Laser­ strahl (20) gedreht, und gelangt auf einen Spiegel (22) und so­ dann auf einen zweiten halbdurchlässigen Spiegel (16′). Der erste Laserstrahl (14), von dem ca. 50% vom ersten halbdurch­ lässigen Spiegel (16) abgezweigt worden sind, gelangt ungehin­ dert durch die beiden halbdurchlässigen Spiegel (16, 16′).

Hinter dem zweiten halbdurchlässigen Spiegel (16′) werden die beiden jeweils linear bewegten Laserstrahlen (14, 20) wieder zusammengeführt, wobei ihre Bewegungsrichtungen senkrecht zu­ einanderstehen und ein zentrisches Kreuz bilden. Da der zweite bewegte Laserstrahl (20) im Vergleich mit dem ersten bewegten Laserstrahl (14) einen längeren Laufweg hat, ist er etwas stär­ ker aufgeweitet. Deshalb ist hinter dem zweiten halbdurchlässi­ gen Spiegel (16′) eine Zylinderlinse (24) angeordnet, welche den Unterschied in der Ablenkung der beiden Laserstrahlen (14, 20) von der Drehachse des Drehspiegels (12) bis zur parallel­ richtenden Kollimationslinse (26) ausgleicht, damit beide Laserstrahlen (14, 20) im Meßbereich die Abtastlinien (28, 30) parallel durchlaufen. Die Zylinderlinse (24) gewährleistet also, daß keine Verschiebung des Fokuspunktes erfolgt. Eine derartige Verschiebung hätte zur Folge, daß die Abtastlinien zueinander verschoben wären.

In Fig. 1 sind der erste Laserstrahl (14) und seine Abtastlinie (28) mit durchgezogenen Linien gezeichnet, während der zweite Laserstrahl (20) und seine Abtastlinie (30) gestrichelt dar­ gestellt sind.

Wie in Fig. 1 bei der Linse (26) eingezeichnet ist, stehen die beiden Abtastlinien (28) und (30) der Laserstrahlen senkrecht zueinander, d. h. der Winkel zwischen den Abtastlinien be­ trägt 90°.

Nach Passieren der Linse (26) sind beide Laserstrahlen (14, 20) jeweils als parallele, entlang den Abtastlinien (28) bzw. (30) bewegte, senkrecht zueinander stehende Abtast-Strahlen ausgerichtet und treffen auf ein Werkstück (32), welches die Strahlengänge beider Laserstrahlen (14, 20) unterbricht und entsprechende Schatten wirft.

Die das Werkstück (32) passierenden Rest-Laserstrahlen (14′, 14′′ bzw. 20′, 20′′) treffen auf gesonderte Photosensoren (38) bzw. (40), so daß beide Strahlen (14, 20) getrennt (aber ge­ gebenenfalls gleichzeitig) ausgewertet werden können.

Die Trennung der beiden Laserstrahlen (14, 20) erfolgt in einer ersten Variante derart, daß einer der beiden Laserstrahlen po­ larisiert wird. Hierzu kann ein Polarisationsfilter im Strah­ lengang des ersten Laserstrahles (14) zwischen den beiden halb­ durchlässigen Spiegeln (16, 16′) angeordnet sein. Es ist auch möglich, die beiden Strahlen mittels eines Polarisations- Strahlteilers zu trennen.

Werden die beiden Laserstrahlen (14, 20) durch Polarisation voneinander unterscheidbar gemacht, so ist gemäß Fig. 1 hinter der im Strahlengang nach dem Werkstück (32) angeordneten Sam­ mellinse (34) ein halbdurchlässiger Spiegel (36) angeordnet, der die Reststrahlen (14′, 14′′) des ersten Laserstrahles un­ gehindert zu einem ersten Photosensor (38) durchläßt, während die Reststrahlen (20′, 20′′) des zweiten Laserstrahles (20) zu einem zweiten Photosensor (40) gelangen. Zwischen dem halbdurch­ lässigen Spiegel und den beiden Photodetektoren (38 bzw. 40) sind Polarisationsfilter (nicht gezeigt) angeordnet, so daß die Reststrahlen voneinander getrennt werden.

Die Auswertung der Reststrahlen ist bekannt. Es werden die Zeitspannen gemessen, in denen das Werkstück (32) jeweils die Strahlengänge der beiden Laserstrahlen (14, 20) unterbricht. Da sich die Bewegungsgeschwindigkeit der Laserstrahlen aus der bekannten Drehgeschwindigkeit des Drehspiegels (12) ergibt, können aus den für die beiden Laserstrahlen (14, 20) gemessenen Zeitspannen unmittelbar die Abmessungen des Werkstückes (32) entlang den beiden Abtastlinien (28, 30) ermittelt werden.

Die Trennung der beiden Laserstrahlen (14, 20) kann auch durch eine mechanische Einrichtung (nicht gezeigt) erfolgen. Mit ei­ ner derartigen mechanischen Einrichtung werden abwechselnd der eine und der andere Laserstrahl (14) bzw. (20) abgedeckt, so daß das Werkstück (32) abwechselnd entlang der ersten Abtastli­ nie (28) und dann entlang der zweiten Abtastlinie (30) vermes­ sen wird. Die mechanische Einrichtung zum zeitlichen Trennen der beiden Laserstrahlen (14, 20) kann mit der Drehwelle des Drehspiegels (12) gekoppelt werden, da, bis auf konstante Fak­ toren, bezüglich des Drehspiegels (12) und der mechanischen Trenneinrichtung die gleiche Periodizität erforderlich ist. Bei einer mechanischen Trennung der beiden Laserstrahlen (14, 20) erübrigen sich Polarisationseinrichtungen und auch auf den halbdurchlässigen Spiegel (36) sowie den zweiten Photosensor (40) kann verzichtet werden.

Die Fig. 2 und 3 zeigen ein Ausführungsbeispiel für ein Werkstück (32), dessen Achse mit (32′) bezeichnet ist. Mittels der beschriebenen Vorrichtung können die Abtastlinien (28, 30) so in Bezug auf das Werkstück (32) gelegt werden, daß mit nur zwei Messungen alle interessierenden Abmessungen des Werkstük­ kes (32) zweidimensional gewonnen werden können.

• Bezugszeichenliste: 10 Laserstrahlquelle
  12 Drehspiegel
  14 erster Laserstrahl
  16 halbdurchlässiger Spiegel
  18 Vertikale
  20 zweiter Laserstrahl
  22 Spiegel
  16′ halbdurchlässiger Spiegel
  24 Zylinderlinse
  26 Linse
  28 erste Abtastlinie
  30 zweite Abtastlinie
  32 Werkstück
  34 Linse
  38 Photosensor
  40 Photosensor
  14′, 14″ Rest von 14
  20′, 20″ Rest von 20
  α Winkel

Claims (7)

1. Vorrichtung zum Vermessen von Werkstücken mit

• - einem ersten Laserstrahl (14),
• - einer Einrichtung (12) zum Bewegen des ersten Laserstrahls entlang einer ersten Abtastlinie (28),
• - zumindest einem Photosensor (38, 40), auf den der bewegte La­ serstrahl auftrifft, wobei das Werkstück (32) in der Abtastli­ nie (28) angeordnet ist und den Strahlengang des ersten beweg­ ten Laserstrahles unterbricht, und
• - einem Zeitmeßgerät, das die Zeitspanne mißt, in der das Werk­ stück (32) den Strahlengang des ersten bewegten Laserstrahles unterbricht, um daraus die Abmessungen des Werkstückes zu er­ mitteln, gekennzeichnet durch
• - einen Strahlteiler (16), der im Strahlengang hinter der Ein­ richtung (12) zum Bewegen des Laserstrahles und vor dem Werk­ stück (32) angeordnet ist und aus dem ersten Laserstrahl (14) einen zweiten bewegten Laserstrahl (20) abzweigt,
• - zumindest ein optisches Bauteil (16, 16′, 22) zum Drehen des zweiten bewegten Laserstrahles (20) gegenüber dem ersten Laser­ strahl (14) derart, daß eine zweite Abtastlinie (30) erzeugt wird, die mit der ersten Abtastlinie einen Winkel (α) bildet, und
• - zumindest ein optisches Bauteil (36) zum Trennen der ersten und zweiten Laserstrahlen (14, 20), so daß mittels des Photo­ sensors (38, 40) auch die Zeitspanne meßbar ist, in der das Werkstück (32) den Strahlengang des zweiten Laserstrahles (20) unterbricht, so daß die Abmessungen des Werkstückes (32) in zwei Dimensionen meßbar sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Einrichtung zum Bewegen der ersten und zweiten Laser­ strahlen (14, 20) ein Drehspiegel (12) vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlteiler ein halbdurchlässiger Spiegel (16) vorge­ sehen ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Drehen des zweiten Laserstrahles (20) eine Anordnung aus einem teildurchlässigen Spiegel (16), einem Reflexionsspie­ gel (22) und einem weiteren teildurchlässigen Spiegel (16′) vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Trennen der ersten und zweiten Laserstrahlen zumindest einer der beiden Laserstrahlen (14, 20) polarisiert wird, und daß für jeden der Laserstrahlen ein gesonderter Photosensor (38, 40) vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zum Trennen der ersten und zweiten Laserstrahlen (14, 20) eine Einrichtung vorgesehen ist, die wahlweise einen der Laser­ strahlen unterbricht.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (α) zwischen den Abtastlinien (28, 30) 90° be­ trägt.