DE4212438A1 - Lateral beam offset generator for trigonometrical distance measurement of workpiece - has laser diode providing point illumination of workpiece, and planar parallel glass plate between workpiece and measuring head, with rotatable axis - Google Patents

Lateral beam offset generator for trigonometrical distance measurement of workpiece - has laser diode providing point illumination of workpiece, and planar parallel glass plate between workpiece and measuring head, with rotatable axis

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DE4212438A1 DE19924212438 DE4212438A DE4212438A1 DE 4212438 A1 DE4212438 A1 DE 4212438A1 DE 19924212438 DE19924212438 DE 19924212438 DE 4212438 A DE4212438 A DE 4212438A DE 4212438 A1 DE4212438 A1 DE 4212438A1
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Abstract

An imaging optic is also included, which images the diffuse reflection on the workpiece, across a prism on a linear CCD sensor, arranged in a configuration as in e.g. patent P 40 32 361.7. A planar parallel glass plate (7) is interposed between the measuring head and the workpiece (4), the plate being rotationally located about an axis (8) vertical to the illumination beam. The rotation of this plate (7) causes a parallel deflection of the beam (and also the reflected beam) at right angles to the distance measurement. A driving system is provided for the rotation. A pulse transmitter and a limit switch determine the angle of rotation. The point of impingement of the beam and the workpiece can be shifted along small yet very exactly defined paths perpendicular to the axis of the distance measurement. USE/ADVANTAGE - Scanning operation e.g. in axial direction of lathe using combination of optical deflection element and shutter unit. One unit only is used. Measuring head is very compact and is protected against contamination.

Description

1. Problemstellung und Stand der Technik1. Problem and state of the art

Die Erfindung betrifft Vorrichtungen, die nach dem Prinzip der trigonometrischen Triangulation die Entfernung zu einem Werkstück dadurch bestimmen, daß sie einen Lichtfleck auf die Oberfläche des Werkstücks werfen, der dort reflektiert und von einer unter einem Winkel zur Einfallsrichtung angeordneten Empfangsoptik aufgenommen und auf einem ortsempfindlichen Linearsensor abgebildet wird. Aus dem Ort auf dem Sensor, der elektrisch ausgelesen wird, kann auf die Distanz zwischen Meßkopf und Werkstück zurückgeschlossen werden. Anordnungen dieser Art sind in unterschiedlichen Ausführungen bekannt [G. Krattenmacher: Berührungslose Abstandsmessung Elektronik 5/1987, OS P 3615875.5, US-Pat. Nr. 4676869 vom 23.6.87 und US-Pat. Nr. 4899041 vom 6.2.90 u.a.], z. B. in der in Patentanmeldung P 4032361.7 ausgeführten Konfiguration der optischen Elemente, auf die hier Bezug genommen wird.The invention relates to devices which, according to the principle of trigonometric triangulation, determine the distance to a workpiece in that they place a light spot on the surface of the Throw workpiece that reflects there and from an angle to the direction of incidence Receiving optics recorded and displayed on a location-sensitive linear sensor. The distance between the measuring head can be determined from the location on the sensor that is read out electrically and workpiece are closed. Arrangements of this type are in different versions known [G. Krattenmacher: Non-contact distance measurement electronics 5/1987, OS P 3615875.5, U.S. Pat. No. 4676869 dated June 23, 1987 and U.S. Pat. No. 4899041 from 6.2.90 and others], e.g. B. in the in the patent application P 4032361.7 configuration of the optical elements referred to here becomes.

Beim Einsatz eines solchen Meßkopfs in einer Werkzeugmaschine besteht die Gefahr der Verschmutzung der optischen Elemente, wovor diese durch ein optisches Fenster und durch einen mechanischen Verschluß (Shutter) geschützt werden können, wie dies bereits in P 4032361.7 beschrieben ist.If such a measuring head is used in a machine tool, there is a risk of contamination of the optical elements, in front of which through an optical window and through a mechanical one Shutter can be protected, as already described in P 4032361.7.

Die bisher bekannten Ausführungen von Meßköpfen ermitteln nur die Distanz zum Werkstück, messen also nur in einer Achse. Bei einer Anwendung in einer Drehbank kann also nur der Durchmesser eines Zylinders bestimmt werden. Soll auch die Länge eines Zylinderabschnitts ermittelt werden, so kann dies aus dem Weg erfolgen, den der Revolver zwischen zwei abrupten Durchmesseränderungen, im folgenden als "Kanten" bezeichnet, zurücklegt. Um diese Kanten mit dem Meßkopf detektieren zu können, ist in der bisher bekannten Anordnung der Meßkopf sehr langsam mit hoher Genauigkeit über den fraglichen Ort zu bewegen. Wird eine Genauigkeit im Mikrometerbereich verlangt, ist eine intensive Kommunikation zwischen der Steuerung der Drehbank und dem Meßkopf erforderlich bzw. nur ein extrem langsamer Vorschub möglich.The previously known designs of measuring heads only determine the distance to the workpiece, measure so only in one axis. When used in a lathe, only the diameter of one can be used Cylinders can be determined. If the length of a cylinder section is also to be determined, this can be done out of the way, the turret between two abrupt changes in diameter, in the following referred to as "edges", covered. In order to be able to detect these edges with the measuring head, is in the previously known arrangement of the measuring head very slowly with high accuracy over the question Place to move. If accuracy in the micrometer range is required, intensive communication is required between the control of the lathe and the measuring head required or only an extreme slow feed possible.

2. Gegenstand der Erfindung2. Subject of the invention

Es ist Gegenstand der Erfindung, diesen Abtastvorgang in Axialrichtung der Drehbank in den Sensor zu verlegen, wobei jetzt die Drehbank den Revolver mit dem Meßkopf auf die Sollposition der Kante positioniert, der wirkliche Ort der Kante sich damit in unmittelbarer Nähe befindet. Die Abtastung erfolgt nun durch Parallelversatz des Strahlengangs des Sensors um einen geringen Betrag (etwa +/-0,5 mm), was durch eine in den optischen Strahlengang eingefügte planparallele Glasplatte erfolgt (Bild 1 und Bild 2), welche über einen Antriebsmotor gedreht wird. Der Revolver der Drehbank muß damit nicht mehr bewegt werden und es ist keine Kommunikation über den Ort des Revolvers zwischen Drehbanksteuerung und Meßkopf erforderlich. Weiterhin wird der Meßvorgang dadurch maßgeblich beschleunigt und erheblich präziser, da Triangulationssystem und Versatzoptik eine mechanisch/optische Einheit bilden.It is the object of the invention to relocate this scanning process in the axial direction of the lathe into the sensor, the lathe now positioning the revolver with the measuring head at the desired position of the edge, the actual location of the edge thus being in the immediate vicinity. The scanning is now carried out by parallel displacement of the beam path of the sensor by a small amount (about +/- 0.5 mm), which is done by a plane-parallel glass plate inserted in the optical beam path ( Fig. 1 and Fig. 2), which is rotated by a drive motor . The lathe turret no longer has to be moved and communication about the location of the turret between the lathe control and the measuring head is not required. Furthermore, the measuring process is significantly accelerated and considerably more precise, since the triangulation system and offset optics form a mechanical / optical unit.

Erfindungsgemäß bildet die Glasplatte zugleich das optische Fenster und ist deshalb als optisches Filter ausgeführt, welches nur Strahlung passieren läßt, die im Wellenlängenbereich der Laserdiode liegt. Tageslicht und unterschiedliche Beleuchtungsverhältnisse in der Werkzeugmaschine stören deshalb nicht.According to the invention, the glass plate also forms the optical window and is therefore an optical filter executed, which only allows radiation to pass, which is in the wavelength range of the laser diode. daylight and therefore different lighting conditions in the machine tool do not interfere.

Die planparallele Platte ist in einen trommelförmigen Verschlußkörper eingebaut, der so ausgebildet ist, daß bei einer Drehung um 90 Grad das Austrittsfenster des Meßkopfes vollständig und dicht verschlossen ist (Bild 3). Damit ist die Optik vor Verschmutzung und Spitzwasser geschützt. Erst bei Aktivierung wird der Verschlußkörper zunächst um 80 Grad mit hoher Drehgeschwindigkeit gedreht, bis das optische Fenster frei ist und der Laserstrahl auf das Werkstück fallen kann. Mit verringerter, genau geregelter Drehzahl wird nun die Messung durchgeführt, bis die Stellung -10 Grad des Verschlusses erreicht ist. The plane-parallel plate is installed in a drum-shaped closure body, which is designed so that the outlet window of the measuring head is completely and tightly closed when rotated by 90 degrees ( Fig. 3). This protects the optics from dirt and splash water. Only when activated, the shutter body is first rotated by 80 degrees at high speed until the optical window is free and the laser beam can fall on the workpiece. The measurement is now carried out at a reduced, precisely controlled speed until the position -10 degrees of the closure is reached.

Dies entspricht in etwa einem Parallelversatz des Strahlengangs von -0,5 mm bis +0,5 mm in Axialrichtung der Welle. Anschließend wird der Verschluß um -110 Grad wieder zurückgedreht und damit der Meßkopf gegen Verschmutzung gesichert.This corresponds approximately to a parallel offset of the beam path from -0.5 mm to +0.5 mm in the axial direction the wave. Then the closure is turned back by -110 degrees and thus the measuring head secured against pollution.

Ein wichtiger Vorteil dieser Erfindung ist die Kombination von optischem Ablenkelement und Verschlußeinheit, wobei für beide Funktionen nur ein Antrieb benötigt wird. Damit läßt sich der Meßkopf sehr kompakt bauen. Einzelheiten sind im folgenden beschrieben.An important advantage of this invention is the combination of an optical deflection element and a closure unit, only one drive is required for both functions. This allows the measuring head build very compact. Details are described below.

3. Beschreibung der Erfindung an einem Beispiel3. Description of the invention using an example

In Bild 1 ist der prinzipielle Aufbau eines Meßkopfs zur trigonometrischen Distanzmessung dargestellt, wobei die Anordnung der optischen Elemente der Anmeldung P 40 32 361.7 entspricht. Eine Laserdiode mit Kollimator (1) sendet einen nahezu parallelen, gebündelten Strahl durch die planparallele Platte (7) auf das Werkstück (4), typischerweise eine gedrehte Welle. Auf der Welle wird der Strahl reflektiert und der diffuse Reflex wird durch die Platte (7) von einem Objektiv (5) über ein Strahlungslenkungsprisma (6) auf einem linear Sensor (1) abgebildet. Als Linearsensor dient typischerweise eine Anordnung aus vielen Einzeldioden, die über Ladungstransferstrukturen elektronisch ausgelesen werden können (CCD-Sensor im folgenden genannt). Der CCD-Sensor wird von einer hier nicht näher dargestellten Elektronik dahingehend ausgelesen, daß der Ort der Abbildung des Lichtflecks ermittelt werden kann. Ändert das Werkstück seinen Durchmesser, so ändert sich auch die Distanz zwischen Meßkopf und Werkstückoberfläche, damit der Winkel unter dem der Reflex abgebildet wird. Hieraus ergibt sich ein veränderter Ort auf dem CCD-Sensor, was von der Elektronik ausgewertet wird. Figure 1 shows the basic structure of a measuring head for trigonometric distance measurement, the arrangement of the optical elements corresponding to application P 40 32 361.7. A laser diode with a collimator ( 1 ) sends an almost parallel, focused beam through the plane-parallel plate ( 7 ) onto the workpiece ( 4 ), typically a rotated shaft. The beam is reflected on the wave and the diffuse reflection is imaged through the plate ( 7 ) by a lens ( 5 ) via a radiation guiding prism ( 6 ) on a linear sensor ( 1 ). An arrangement of many individual diodes, which can be read out electronically via charge transfer structures, is typically used as the linear sensor (hereinafter referred to as CCD sensor). The CCD sensor is read out by electronics not shown here in such a way that the location of the image of the light spot can be determined. If the workpiece changes its diameter, the distance between the measuring head and the workpiece surface also changes, so that the angle at which the reflex is imaged. This results in a changed location on the CCD sensor, which is evaluated by the electronics.

Die planparallele Platte (7) ist um die Achse (8) drehbar gelagert. Eine Drehung um diese Achse bewirkt eine Ablenkung des Strahlengangs, wie in Bild 2 dargestellt. Dieses Bild zeigt die Aufsicht auf die optische Anordnung. Der Strahlengang außerhalb des Sensorkopfes wird durch Drehen der Platte (7) um den Winkel (9) um den kleinen Betrag (10) versetzt. Es ist dabei sowohl der Beleuchtungsstrahl als auch der Strahlengang durch das Objektiv in gleicher Weise getroffen.The plane-parallel plate ( 7 ) is rotatably mounted about the axis ( 8 ). A rotation around this axis causes the beam path to be deflected, as shown in Figure 2. This picture shows the top view of the optical arrangement. The beam path outside the sensor head is offset by rotating the plate ( 7 ) by the angle ( 9 ) by a small amount ( 10 ). Both the illuminating beam and the beam path through the lens are hit in the same way.

Bild 3 oben zeigt die Fassung der planparallelen Platte in dem trommelförmigen Verschlußkörper. Ist der Verschlußkörper (3) gegenüber dem Gehäuse (11) gleich ausgerichtet, so kann das Licht des Lasers und das reflektierte Licht ungehindert ein- und austreten. Dies gilt auch für den Winkelbereich von hier z. B. +/-10 Grad. Wird der Verschlußkörper jedoch um 90 Grad gedreht, ist der Verschluß vollständig geschlossen, die optischen Elemente können durch von außen kommende Spritzer nicht verschmutzt werden (Bild 3 oben rechts). Im unteren Teil von Bild 3 ist eine typische Ausführung des Verschlußkörpers (13) mit eingesetzter planparallelen Platte (7) dargestellt. Für den Austrittsbereich des Laserstrahls ist nur eine kleine, ovale Öffnung (23) vorgesehen, darunter findet sich das relativ große Fenster (23) entsprechend der Eingangsapertur der Empfangsoptik. Dieser Verschlußkörper wird durch zwei Kugellager (22) und (24) gelagert. Der Austritt des Laserstrahls (23) ist zudem im Verschlußkörper innen geschwärzt, um Reflexionen zu vermeiden. Der geringe Durchmesser wirkt wie eine mechanische und optische Blende, so daß der Austrittspunkt des Laserstrahls aus dem Fenster durch seitlich auftreffende Spitzer nicht getroffen und damit nicht verschmutzt werden kann. Sollte es doch im Laufe der Zeit zu einer Belagbildung gekommen sein, werden die dadurch entstehenden diffusen Reflexe durch die optische Wirkung der Blendenröhre unterdrückt. Hierdurch sind optische Störungen durch ungewünschte Werkstückreflexe verhindert. Figure 3 above shows the version of the plane-parallel plate in the drum-shaped closure body. If the closure body ( 3 ) is aligned in the same way with respect to the housing ( 11 ), the light from the laser and the reflected light can enter and exit freely. This also applies to the angular range from here z. B. +/- 10 degrees. However, if the shutter body is turned 90 degrees, the shutter is completely closed, the optical elements cannot be contaminated by splashes coming from outside ( Figure 3, top right). A typical design of the closure body ( 13 ) with an inserted plane-parallel plate ( 7 ) is shown in the lower part of Figure 3. Only a small, oval opening ( 23 ) is provided for the exit area of the laser beam, underneath there is the relatively large window ( 23 ) corresponding to the entrance aperture of the receiving optics. This closure body is supported by two ball bearings ( 22 ) and ( 24 ). The exit of the laser beam ( 23 ) is also blackened inside the closure body in order to avoid reflections. The small diameter acts like a mechanical and optical diaphragm, so that the point at which the laser beam emerges from the window cannot be hit by side-pointed spikes and thus cannot be contaminated. If a coating has formed over time, the resulting diffuse reflections are suppressed by the optical effect of the diaphragm tube. This prevents optical interference from undesired workpiece reflections.

Abb. 4 zeigt die oben dargestellten Elemente im Zusammenwirken, wobei hier auch das Getriebe (12) und die Antriebseinheit (19, 20, 21) dargestellt sind. Die Antriebseinheit besteht aus dem eigentlichen Motor (19), einem Untersetzungsgetriebe (20) und einem Impulsgeber (21). Es kann genausogut auch ein Schrittmotor verwendet werden. Nicht dargestellt ist zudem ein Endschalter, der die 90-Grad-Stellung des Verschlusses erkennt. Die Winkelpositionen des Verschlusses werden durch Auszählen der Impulse des Impulsgeber bestimmt, der Endschalter definiert den absoluten Beginn (Zählerstand = Null). Für den Antrieb des Verschlusses und die Ermittlung der Winkelstellung sich zahlreiche andere bekannte Lösungen möglich, auf die hier nicht weiter eingegangen werden soll. Fig. 4 shows the elements shown above in interaction, here also the gear ( 12 ) and the drive unit ( 19 , 20 , 21 ) are shown. The drive unit consists of the actual motor ( 19 ), a reduction gear ( 20 ) and a pulse generator ( 21 ). A stepper motor can also be used. Also not shown is a limit switch that detects the 90 degree position of the closure. The angular positions of the closure are determined by counting the pulses from the pulse generator, the limit switch defines the absolute start (counter reading = zero). Numerous other known solutions are possible for the drive of the closure and the determination of the angular position, which will not be discussed further here.

Claims (5)

1. Optische Anordnung bei einer Vorrichtung zur Messung von Distanzen und Erfassung von Werkstückkanten nach dem trigonometrischen Verfahren, bestehend aus einer Laserdiode mit Kollimatoroptik, welche ein Werkstück punktförmig beleuchtet, einer Abbildungsoptik, die den diffusen Reflex auf dem Werkstück über ein Prisma auf einen Linear-CCD-Senso abbildet, angeordnet in einer Konfiguration wie z. B. in der Patentanmeldung Aktenzeichen P 40 32 361.7 beschrieben, dadurch gekennzeichnet, daß in den Strahlengang zwischen Meßkopf und Werkstück eine planparallele Glasplatte eingefügt ist, die in einer Achse senkrecht zum Beleuchtungsstrahl gelagert drehbar ist, so daß mit der Drehung dieser Platte eine parallele Ablenkung des Strahls und zugleich des reflektierten Strahls quer zur Richtung der Distanzmessung erfolgt, wobei mittel zum Abtrieb dieser Drehung und Mittel zur Ermittlung des Drehwinkels vorhanden sind, wodurch der Ort des Auftreffpunkts des Laserstrahls auf dem Werkstück um kleine jedoch sehr genau definierte Wege senkrecht zur Achse der Distanzmessung verschoben werden kann.1. Optical arrangement in a device for measuring distances and detecting workpiece edges according to the trigonometric method, consisting of a laser diode with collimator optics, which illuminates a workpiece in a point-like manner, an imaging optics that the diffuse reflection on the workpiece via a prism onto a linear CCD-Senso images, arranged in a configuration such as B. in the patent application file number P 40 32 361.7, characterized in that a plane-parallel glass plate is inserted into the beam path between the measuring head and workpiece, which is rotatably mounted in an axis perpendicular to the illuminating beam, so that with the rotation of this plate a parallel deflection of the beam and, at the same time, of the reflected beam is carried out transversely to the direction of the distance measurement, there being means for driving this rotation and means for determining the angle of rotation, whereby the location of the point of impact of the laser beam on the workpiece by small but very precisely defined paths perpendicular to the axis of the Distance measurement can be moved. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die planparallele Platte zugleich als optisches Fenster dient und in einen trommelförmigen Verschlußkörper eingelassen ist, der bei einer Drehung von etwa 90 Grad einen nahezu vollständigen Verschluß des Sensorkopfes und damit Schutz gegen Feuchtigkeit und Spritzwasser gewährleistet, während er in der Stellung von etwa -10 Grad bis etwa +10 Grad den Strahlengang für die Laserbeleuchtung des Werkstücks und die Aufnahme des reflektierten Lichtes vollständig freigibt, wobei in diesem Winkelbereich eine praktisch lineare Beziehung zwischen Drehwinkel und Strahlablenkung besteht.2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the plane-parallel plate at the same time as serves optical window and is embedded in a drum-shaped closure body, which at one Rotation of about 90 degrees almost complete closure of the sensor head and thus protection Guaranteed against moisture and splashing water while in the position from about -10 degrees to about +10 degrees the beam path for the laser illumination of the workpiece and the recording of the reflected Completely releases light, with a practically linear relationship in this angular range between the angle of rotation and the beam deflection. 3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die planparallele Platte im optischen Sinne als Filter ausgebildet ist und nur Wellenlängen in einem definierten, begrenzten Wellenlängenbereich passieren läßt, der der Wellenlänge der von der Laserdiode ausgesendeten Strahlung entspricht, so daß der Sensorkopf im wesentlichen nur Strahlung empfängt, die von der Laserdiode stammt.3. Arrangement according to claim 1 and 2, characterized in that the plane-parallel plate in the optical Meaning is designed as a filter and only wavelengths in a defined, limited wavelength range pass, which corresponds to the wavelength of the radiation emitted by the laser diode, so that the sensor head essentially only receives radiation originating from the laser diode. 4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die planparallele Platte durch einen Elektromotor über ein Getriebe angetrieben wird und der Motor über einen elektrischen Impulsgeber verfügt und durch Zählen der vom Impulsgeber abgegebenen Impulse die Winkelstellung der Platte ermittelt wird und durch Messung der Impulsfrequenz die Drehgeschwindigkeit der Platte bestimmt wird.4. Arrangement according to claim 1 to 3, characterized in that the plane-parallel plate through an electric motor is driven by a gear and the motor by an electrical pulse generator and counts the angular position of the Plate is determined and by measuring the pulse frequency the speed of rotation of the plate is determined. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der trommelförmige Verschlußkörper so ausgebildet ist, daß auf der Austrittsseite des Laserstrahls eine enge, tiefe, innen geschwärzte Bohrung vorgesehen ist, welche als mechanische und optische Blende wirksam ist und das optische Fenster an der Stelle des Durchtritts des Laserstrahls vor Spritzern und Verschmutzung schützt und sicherstellt, daß der am Fensteraustritt auf Grund von Verschmutzung diffus gestreute Teil der Laserstrahlung von keinem weiteren Ort des Werkstücks reflektiert in die Empfangsoptik gelangen kann.5. The device according to claim 1 to 4, characterized in that the drum-shaped closure body is designed so that on the exit side of the laser beam a narrow, deep, blackened inside Bore is provided, which is effective as a mechanical and optical diaphragm and the optical Protects and ensures windows at the point of passage of the laser beam from splashes and dirt that the part of the laser radiation diffusely scattered at the window outlet due to soiling can reach the receiving optics reflected from no further location of the workpiece.
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