DE3933268A1

DE3933268A1 - Measurement head for detecting shape of machine part - has transducer containing light source, receiver, reflector, and pick=up affecting light intensity

Info

Publication number: DE3933268A1
Application number: DE19893933268
Authority: DE
Inventors: Clifton Dr Zimmermann; Helmut Lewin; Claus Bieberich; Walter Bock
Original assignee: BASF SE
Current assignee: BASF SE
Priority date: 1988-10-05
Filing date: 1989-10-05
Publication date: 1990-04-12

Abstract

The measurement head has a pick-up (2) which can be connected with the measurement part and a signal transducer affected by the pick-up. The transducer consists of a light source and receiver and a reflector (4) directed at them. The pick-up is in the form of a part (6) which influences the light intensity between the source and receiver and the reflector. The light is transmitted and received via a light conductor (LWL) with a lens (5) on its end facing the reflector and connected to the light source and signal receiver via an optical deflector. ADVANTAGE - Measurement head is developed to enable higher measurement accuracy to be achieved than with conventional arrangements.

Description

Die Erfindung betrifft einen Meßkopf zur Erfassung von Form- und Lageänderungen von Maschinenteilen, mit einem Aufnehmer, der mit dem betreffenden Maschinenteil in Verbindung bringbar ist, und einem von dem Aufnehmer beeinflußbaren Signalgeber.The invention relates to a measuring head for detecting shape and Changes in position of machine parts, with a transducer that with the relevant machine part is connectable, and one of the Transducers that can be influenced.

Die bisher zur Verfügung stehenden Meßköpfe sind mit feinmechanischen Meßwerken ausgestattet, deren Meßgenauigkeit und Meßfrequenz durch die Mechanik begrenzt ist. Zur Erfüllung hochempfindlicher Meßaufgaben, beispielsweise bei Präzisionsdrehbänken oder Vorrichtungen zur Herstellung dünnster Schichten oder Kalandern für deren Trägerbahnen, sind diese nicht geeignet.The measuring heads available so far are with precision mechanical Measuring units equipped, their measuring accuracy and measuring frequency by the Mechanics is limited. To perform highly sensitive measuring tasks, for example in precision lathes or devices for manufacturing The thinnest layers or calenders for their carrier webs are not suitable.

Es bestand daher die Aufgabe, einen Meßkopf zur Erfassung von Form- und Lageänderungen von Maschinenteilen zu entwickeln, durch den höhere Meßgenauigkeiten als mit den bisher bekannten Meßeinrichtungen erreichbar sind.It was therefore the task of a measuring head for the detection of shape and Develop changes in the position of machine parts by the higher Measuring accuracies than can be achieved with the previously known measuring devices are.

Die Aufgabe wurde durch einen Meßkopf der eingangs geschilderten Art gelöst, bei dem der Signalgeber aus einer Licht aussehenden und einer Licht empfangenden Einrichtung sowie aus einem darauf gerichteten Reflektor besteht und der Aufnehmer ein die Lichtintensität zwischen den Einrichtungen und dem Reflektor beeinflussendes Teil aufweist.The task was carried out by a measuring head of the type described solved, in which the signal transmitter from a light-looking and a Light receiving device as well as from one aimed at it There is a reflector and the sensor has a light intensity between the Devices and the reflector influencing part.

Die Erfindung ist an Hand in der Zeichnung dargestellter Ausführungs beispiele nachfolgend beschrieben.The invention is illustrated by the embodiment shown in the drawing examples described below.

Es zeigenShow it

Fig. 1 einen einen Lichtwellenleiter und einen Reflektor aufweisenden Meßkopf mit einer Tastspitze und damit verbundener optischer Blende, Fig. 1 a an optical waveguide and a reflector having measuring head with a probe tip and associated optical aperture,

Fig. 2 einen Meßkopf wie in Fig. 1 mit 2 Tastspitzen, Fig. 2 shows a measuring head as in Fig. 1 with 2 probe tips,

Fig. 3 einen Meßkopf wie in Fig. 1, jedoch mit einer mit einem Reflektor verbundenen Tastspitze, Fig. 3 shows a measuring head as in FIG. 1, but with an associated probe tip with a reflector,

Fig. 4 einen Meßkopf mit einem Kontaktrahmen, in dem ein Lichtwellen leiter befestigt und ein Reflektor beweglich gehalten ist, Fig. 4 shows a measuring head with a contact frame, in which a light wave conductor and a fixed reflector is movably held,

Fig. 5 einen Meßkopf wie Fig. 3, jedoch mit einem feststehenden Reflektor und einem dazwischen angeordneten, beweglich gelagerten Lichtwellenleiter. Fig. 5 shows a measuring head like Fig. 3, but with a fixed reflector and an intermediate, movably mounted optical fiber.

Der in Fig. 1 schematisch dargestellte Meßkopf ist mit einer in einem Gehäuse 1 schwenkbar gelagerten Tastspitze 2 als Aufnehmer der Form- und Lageänderungen eines Maschinenteils ausgerüstet. Um eine besonders leichte Beweglichkeit der Tastspitze zu erreichen, besteht deren Lager 3 aus Edelsteinen.The measuring head shown schematically in FIG. 1 is equipped with a probe tip 2 which is pivotably mounted in a housing 1 as a sensor for the changes in shape and position of a machine part. In order to achieve a particularly easy mobility of the probe tip, the bearing 3 consists of precious stones.

Zum Umsetzen der mechanischen Meßwerte in elektrische Signale ist im Gehäuse ein Signalgeber vorgesehen, der im einfachsten Fall aus einer im Gehäuse untergebrachten Lichtquelle und einem Lichtempfänger, beispiels weise einer Fotozelle besteht, die über einen Reflektor miteinander korrespondieren.To convert the mechanical measured values into electrical signals is in Housing provided a signal generator, which in the simplest case consists of an im Housing housed light source and a light receiver, for example as a photocell consists of a reflector with each other correspond.

Die Lichtintensität zwischen der Lichtquelle bzw. dem Lichtempfänger einerseits und dem Reflektor andererseits wird von der Tastspitze entsprechend den Tastbewegungen beeinflußt.The light intensity between the light source or the light receiver on the one hand and the reflector on the other hand is from the probe tip influenced according to the tactile movements.

Im vorliegenden wie auch in den weiteren Ausführungsbeispielen des Meßkopfs nach den Fig. 1 bis 5 sind die Lichtquelle und der Licht empfänger durch einen in das Gehäuse 1 eingeführten Lichtwellenleiter, im weiteren abgekürzt LWL bezeichnet, realisiert. Dieser ist an seinem auf den im Gehäuse befestigten Reflektor 4 gerichteten Ende mit einer Linse 5 mit optischer Bandpaß-Beschichtung zur Erzeugnung eines parallelen Lichtbündels versehen und entfernt vom Meßkopf über eine optische Weiche an eine Lichtquelle und an einen Signalempfänger angeschlossen, der die Intensitätsschwankungen des Lichts im LWL in elektrische Signale umwandelt. Diese Signale werden dann in bekannter Weise ausgewertet. Unter einer optischen Weiche ist beispielsweise ein faseroptisches Element zu verstehen, das die Lichtsignale zweier Fasern in eine dritte Faser (Austrittsfaser) koppelt. Elemente dieser Art stehen im Fachhandel zur Verfügung.In the present as well as in the other exemplary embodiments of the measuring head according to FIGS . 1 to 5, the light source and the light receiver are realized by an optical waveguide introduced into the housing 1 , hereinafter referred to as fiber optic. This is provided at its end directed towards the reflector 4 fixed in the housing with a lens 5 with an optical bandpass coating for generating a parallel light beam and is connected from the measuring head via an optical switch to a light source and to a signal receiver which detects the intensity fluctuations of the light converted into electrical signals in the LWL. These signals are then evaluated in a known manner. An optical switch is to be understood, for example, as a fiber-optic element that couples the light signals of two fibers into a third fiber (exit fiber). Elements of this type are available in specialist shops.

Die Intensitätsschwankungen des Lichts im LWL werden durch eine in den Strahlengang zwischen dem LWL und dem Reflektor 4 ragende Blende 6 hervorgerufen, die über einen Hebelarm 7 von der Tastspitze 2 bewegt wird. Eine Feder 14 sorgt für die nötige Anpreßkraft des Hebelarms.The intensity fluctuations of the light in the optical fiber are caused by an aperture 6 which projects into the beam path between the optical fiber and the reflector 4 and is moved by the probe tip 2 via a lever arm 7 . A spring 14 ensures the necessary contact pressure of the lever arm.

Der in Fig. 2 gezeigte Meßkopf ist entsprechend dem vorstehend be schriebenen Aufbauprinzip mit zwei Tastspitzen für Differenzmessungen ausgestattet. The measuring head shown in FIG. 2 is equipped with two probe tips for differential measurements in accordance with the construction principle described above.

In einem ähnlichen Ausführungsbeispiel (Fig. 3) ist die Tastspitze 2 über einen Hebelarm 8 mit dem Reflektor 4 verbunden, so daß die Auslenkungen der Tastspitze die Lichtreflexion beeinflussen und dadurch Intensitäts schwankungen erzeugen.In a similar embodiment ( Fig. 3), the probe tip 2 is connected via a lever arm 8 to the reflector 4 , so that the deflections of the probe tip influence the light reflection and thereby produce fluctuations in intensity.

Bei einer für Lage- und Schwingungsmessungen von Maschinenteilen vorteil haften Meßkopfausführung (Fig. 4) ist der Meßwertaufnehmer anstelle einer Tastspitze durch einen Kontaktrahmen 9 gebildet, der am zu messenden Maschinenteil befestigt wird und in den der LWL ragt. Dessen Linse 5 gegenüber ist im Rahmen der Reflektor 4 mittels eines Halters 10 durch ein Präzisionslager 11, beispielsweise ein Edelsteinlager, frei beweglich gehalten. Durch die nahezu reibungslose Lagerung stellt sich der Lagewinkel zwischen dem Rahmen und damit zwischen dem Maschinenteil und dem nach der Schwerkraft sich ausrichtenden Reflektor genau ein, auch periodischen Bewegungen folgend, wobei die sich ändernde Lichtintensität des reflektierten Lichtstrahls infolge der dem zu messenden Winkel entsprechenden Lageänderung des Reflektors gegenüber dem LWL ein Maß für den Winkel ist. Die Auswertung dieses Maßsignals erfolgt dann in der oben erwähnten Weise.In an advantageous for position and vibration measurements of machine parts of the measuring head ( Fig. 4), the transducer is formed instead of a probe tip by a contact frame 9 , which is attached to the machine part to be measured and into which the fiber optic protrudes. Its lens 5 opposite is held freely movable within the frame of the reflector 4 by means of a holder 10 through a precision bearing 11 , for example a gemstone bearing. Due to the almost frictionless mounting, the position angle between the frame and thus between the machine part and the reflector, which is aligned with gravity, is set precisely, also following periodic movements, the changing light intensity of the reflected light beam resulting from the change in position corresponding to the angle to be measured Reflector compared to the FO is a measure of the angle. This measurement signal is then evaluated in the manner mentioned above.

Eine sehr empfindlich reagierende Meßkopfausführung ist in Fig. 5 gezeigt. Der Meßwertaufnehmer ist auch hier ein Kontaktrahmen 9, in welchem der LWL und der genau darauf ausgerichtete Reflektor 4 fest montiert sind. Zwischen diesen befindet sich ein lichtleitendes Element 12, beispielsweise ein Lichtwellenleiter, das im Rahmen 9 mittels eines Präzisionslagers 13, beispielsweise Edelsteinlagers, um eine radiale Achse frei schwenkbar gehalten ist. Geringste Auslenkungen des Rahmens aus der Schwerkraftlage, in welcher das Element 12 koaxial zum LWL und Reflektor 4 angeordnet und dadurch ein optimaler Strahlengang hergestellt ist, vermindern den Lichtdurchtritt vom LWL zum Reflektor und umgekehrt infolge des in der Schwerkraftlage verbleibenden Elements 12 empfindlich. Die auf diese Weise entstehenden Intensitätsänderungen des Lichts werden, wie bereits erwähnt, nach der Umwandlung in elektrische Signale zur Meßwertanzeige ausgewertet. Der derartig aufgebaute Meßkopf ist wegen der empfindlich ansprechenden optischen Anordnung auch für seismische Messungen geeignet.A very sensitive measuring head design is shown in FIG. 5. The sensor is also a contact frame 9 in which the optical fiber and the reflector 4 precisely aligned thereon are firmly mounted. Between them there is a light-guiding element 12 , for example an optical waveguide, which is held freely pivotable about a radial axis in the frame 9 by means of a precision bearing 13 , for example a gemstone bearing. The slightest deflections of the frame from the gravitational position, in which the element 12 is arranged coaxially to the optical fiber and reflector 4 and thereby an optimal beam path is created, reduce the passage of light from the optical fiber to the reflector and vice versa due to the element 12 remaining in the gravitational position. The changes in intensity of the light that occur in this way are, as already mentioned, evaluated after the conversion into electrical signals for the display of measured values. The measuring head constructed in this way is also suitable for seismic measurements because of the sensitive, appealing optical arrangement.

Versuche mit den vorstehend beschriebenen Meßkopfausführungen haben eine den herkömmlichen Einrichtungen weit überlegene Meßgenauigkeit gezeigt, zu der noch weitere Vorteile, wie Unempfindlichkeit gegen thermische und mechanische Beanspruchung, Einsetzbarkeit im Ex-Bereich, Einfachheit im Aufbau und in der Handhabung, kommen.Experiments with the measuring head designs described above have a shown to be far superior to conventional devices of other advantages, such as insensitivity to thermal and mechanical stress, usability in hazardous areas, simplicity in Construction and handling come.

Claims

1. Measuring head for detecting changes in shape and position of machines, with a transducer ( 2 , 9 ), which can be brought into connection with the machine in question, and a sensor that can be influenced by the transducer, characterized in that the signal transmitter is off a light-emitting and a light-receiving device and a reflector ( 4 ) directed thereon and the transducer ( 2 , 9 ) has a part ( 6 , 8 , 10 , 12 ) influencing the light intensity between the devices and the reflector.

2. Measuring head according to claim 1, characterized in that the light-emitting and the light-receiving device consists of a light waveguide (LWL), which is provided on its reflector ( 4 ) end with a lens ( 5 ) and via a optical switch is connected to a light source and to a signal receiver.

3. Measuring head according to claim 1 and 2, characterized in that the recipient is a movably mounted probe tip ( 2 ), which has a lever arm ( 7 ) with a in the beam path between the light emitting and / or receiving device (LWL) and the reflector ( 4 ) projecting diaphragm ( 6 ) is connected.

4. Measuring head according to claim 1 and 2, characterized in that the sensor consists of a movably mounted probe tip ( 2 ) on which the reflector ( 4 ) is fastened by means of a lever arm ( 8 ).

5. Measuring head according to claim 1 and 2, characterized in that the sensor is formed by a contact frame ( 9 ), in which on the one hand the light-emitting and receiving device (LWL) is attached and on the other hand the reflector ( 4 ) by means of a precision bearing ( 11 ) is kept mobile.

6. Measuring head according to claim 1 and 2, characterized in that the subscriber is formed by a contact frame ( 9 ) in which the light-emitting and receiving device (LWL) and the reflector ( 4 ) directed thereon are attached and between them a light-conducting element ( 12 ) is arranged, which is movably held on the frame by means of a precision bearing ( 13 ).