DE68904339T2 - Vorrichtung zur ortung eines objektes durch abtasten des objektes mit einem lichtstrahl. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ortung eines Objekts mittels Abtastung durch einen Lichtstrahl. Sie wird angewandt vor allem bei der Profilbestimmung von Objekten, die eine oder mehrere gekrümmte und insbesondere schräge Oberflächen aufweisen, z. B. Teile, die verwendet werden für die Herstellung von Kraftfahrzeugen, Schienenfahrzeugen und Luftfahrzeugen, und besonders für die Kontrolle der Form von Scheiben für Kraftfahrzeuge.
• Die Konstruktionstechniken im Automobil-, Eisenbahn-, Flugzeugbau oder anderen erfordern mehr und mehr schräge Flächen zur Erhöhung der Steifheit der hergestellten Strukturen, ob sie metallisch sind oder nicht, um die Masse dieser Strukturen reduzieren zu können. Diese vermehrte Anwendung schräger Flächen resultiert auch aus dem Bemühen z. B. der Automobilhersteller, immer ärodynamischere Profile zu realisieren.
• Auf dem Gebiet der Fertigungskontrolle der Teile mit schrägen Formen stellt sich das Problem der Erhöhung der Meßgeschwindigkeit, um die Produktionskosten zu reduzieren.
• Auf diesem Gebiet kennt man schon Techniken mit optischen Kontrollen durch die "Null-Methode". Ein Beispiel dieser Techniken ist schematisch dargestellt in Figur 1 und verwendet ein auf einer horizontalen Meßbank 1 angeordnetes Meßgerät. Dieses Gerät umfaßt eine optische Vorrichtung 2, verschiebbar auf der Meßbank entlang einer Achse y, sowie einen Meßkopf 4, der am Ende einer vertikalen Stange 6 befestigt ist, die bezüglich der Vorrichtung 2 so beweglich ist, daß der Meßkopf 4 in einer vertikalen Richtung X verschiebbar ist.
• Der Meßkopf 4 enthält eine fokussierte Lichtquelle (nicht dargestellt) und dieser Meßkopf 4 liefert ein positives oder ein negatives Fehlersignal, je nach dem, ob das zu kontrollierende Objekt P (das feststehend ist) sich jenseits oder diesseits des Brennpunkts der fokussierten Lichtquelle befindet. Es ist somit möglich, den Meßkopf in x-Richtung so zu regeln, daß das Fehlersignal gleich null ist. Dieser Meßkopf kann somit dem Profil des Objekts P "folgen", was die Kontrolle des Profils dieses letzteren erlaubt.
• Diese bekannten Kontrolltechniken sind, so genau sie auch sein mögen, nicht schnell.
• Die vorliegende Erfindung hat den Zweck, diesen Nachteil zu beseitigen, indem sie eine Vorrichtung vorschlägt, welche die Bestimmung von Objektprofilen schneller möglich macht als die Geräte, von denen ein Beispiel in Figur 1 dargestellt ist und, allgemeiner, eine Vorrichtung zur schnellen Abtastung eines Objekts.
• Zu diesem Zweck verwendet die vorliegende Erfindung eine besondere Abtastung dieses Objekts durch einen Lichtstrahl.
• Auf genaue Weise betrifft die vorliegende Erfindung ein Objekt-Abtastverfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, daß es umfaßt :
• - eine Lichtquelle, geeignet einen schmalen Lichtstrahl auszusenden;
• - Einrichtungen zur Verschiebung des schmalen Lichtstrahls, wobei diese strahlverschiebungseinrichtungen umfassen: Mittel zum Drehen des Lichtstrahls in einer Schnittebene des Objekts um einen Punkt der in der Schnittebene enthaltenen Detektionsachse, wobei der Strahl diesen Punkt der Detektionsachse durchläuft, und
• . wenigstens einen festen Spiegel zum Umlenken des sich drehenden Strahls, wobei der Spiegel die Schnittebene schneidet, außerhalb der Achse angeordnet ist und dafür vorgesehen ist, die Verschiebung des an ihm in der Schnittebene, schräg zur Detektionsachse reflektierten Strahls zu ermöglichen, und dazu, die Abtastung des Objekts durch den reflektierten Strahl in der Schnittebene zu ermöglichen,
• - Photodetektionsmittel, die geeignet sind, ein Licht nachzuweisen, das sich in Richtung der Detektionsachse ausbreitet und von einem Punkt des Objekts ausgeht, der in besagter Ebene liegt und einer bestimmten Position des Strahls, der das Objekt abtastet, entspricht, wobei diese Position umkehrbar eindeutig mit der Entfernung zwischen dem Objektpunkt und den Einrichtungen zur Detektion des Lichtes verknüpft ist und letztere geeignet sind, zum Zeitpunkt der Detektion ein Signal zu erzeugen.
• - Einrichtungen zur Verarbeitung dieses Signals, die es erlauben, den Objektpunkt mit Hilfe dieses Zeitpunktes zu orten.
• Gewiß, man kennt schon aus dem Dokument US-A- 3589815 eine kontaktfreie Meßsonde, die es erlaubt, den Abstand zwischen einer reflektierenden Oberfläche und einem vorbestimmten Referenzpunkt zu messen, die zu diesem Zweck unter anderem enthält: eine Lichtquelle, eine Linse, die eine zu dem aus der Lichtquelle austretenden Strahl parallele Meßachse definiert, optische Einrichtungen, vorgesehen um diesen Strahl zu neigen und auf einen der Meßachse liegenden Punkt zu fokussieren, und einen oszillierenden Wagen, der die optischen Einrichtungen trägt und der vorgesehen ist, diesen Punkt parallel zur Strahlachse zu bewegen, auf der Meßachse. Jedoch hat diese bekannte Meßsonde, da sie einen oszillierenden Wagen verwendet, eine Abtastamplitude und folglich ein sehr begrenztes Meßfeld, was bei der vorliegenden Erfindung nicht der Fall ist, die als Abtaststrahl einen sich drehenden Strahl verwendet, der durch wenigstens einen Spiegel reflektiert wird.
• Ebenfalls bekannt, durch das Dokument EP-A- 0232771, ist eine Vorrichtung zur optischen Abtastung, die ein Spiegelrad enthält, sowie einen konkaven Spiegel.
• Vorzugsweise, aus Gründen der Handlichkeit bei der Vorrichtung, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, erlaubt der Spiegel die Bewegung des reflektierten Strahls, parallel zu einer festen Richtung der Schnittebene, wobei diese Richtung einen Winkel größer null mit der Detektionsachse bildet, wobei der Spiegel die Form eines parabolischen Zylinders aufweist, dessen Querschnitt, in einer Ebene mit der Schnittebene, eine Parabel ist, deren Brennpunkt zusammenfällt mit dem besagten Punkt der Detektionsachse. Vorzugsweise enthält die erfindungsgemäße Vorrichtung zwei solche Umlenkspiegel von der Form parabolischer Zylinder, wobei diese Spiegel symetrisch zueinander angeordnet sind bezogen auf eine Ebene, die senkrecht ist zur Schnittebene und die die Detektionsachse enthält, so daß die Photodetektormittel im Verlauf einer vollständigen Umdrehung um den Punkt der Detektionsachse nacheinander zwei Signale erzeugen, die jeweils zu zwei Positionen des Strahls gehören, wobei diese Positionen demselben Punkt des Objekts entsprechen und die Verarbeitungseinrichtungen dazu vorgesehen sind, diesen Punkt zu orten mit Hilfe der Zeit, die verflossen ist zwischen den Zeitpunkten der Detektion der beiden Signale.
• In diesem Fall erfordert die Ortung nur die Kenntnis der zwischen zwei Zeitpunkten verflossenen Zeit: die Auswertung von zwei elektrischen Impulsen, die jeweils den beiden Umlenkspiegeln entsprechen, erlaubt eine Zeitintervallmessung, die viel einfacher ist, als eine Messung eines Zeitpunkts bezogen auf einen Bezugszeitpunkt, was man machen müßte, wenn man nur einen Umlenkspiegel verwenden würde.
• Nach einer besonderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfassen die Dreheinrichtungen des Strahls:
• - optische Reflektionsmittel, und
• - Dreheinrichtungen dieser optischen Reflektionsmittel um eine Drehachse, die senkrecht ist zur Schnittebene und die den genannten Punkt der Detektionsachse durchläuft, wobei dieser Punkt sich auf den genannten Reflektionsmitteln befindet und diese Reflektionsmittel vorgesehen sind, einen in Richtung der Drehachse auf sie fallenden Lichtstrahl um 90º umzulenken.
• In einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die eine Reduzierung der Größe der Vorrichtung ermöglicht, enthalten die Dreheinrichtungen einen elektrischen Motor, dessen Welle ein um 45 angeschrägtes und optisch reflektierendes, diese Reflektionsmittel bildendes Ende aufweist.
• Vorzugsweise, zur Vereinfachung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, durchläuft der sich drehende Strahl eine erste Position, in der er sich in einer ersten Richtung ausbreitet in Richtung der Photodetektionsmittel, und eine zweite Position, in der er sich in einer zweiten, der ersten entgegengesetzten Richtung ausbreitet, wobei diese Vorrichtung außerdem Unterbrechungsmittel dieses Strahl enthält in einer der, ersten und zweiten, Positionen.
• Die Detektion des Durchgangs des Strahls durch die andere dieser Positionen erlaubt dann die Erzeugung eines Bezugsimpulses, geeignet für die Unterscheidung der nutzbaren Meßzeit von dem komplementären Zeitintervall.
• Vorzugsweise umfaßt die verwendete Lichtquelle einen Laser, der einen schmalen Lichstrahl erzeugt, dessen Divergenz äußerst klein ist.
• Hinsichtlich der Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung für, vor allem, die Bestimmung von Profilen von Objekten, kann diese Vorrichtung außerdem Einrichtungen enthalten für eine Relativbewegung des Objekts bezogen auf diese Vorrichtung in einer Richtung, die senkrecht ist zu der Detektionsachse und parallel zu der Schnittebene.
• Schließlich, in einer besonderen Ausführungsform, die vor allem die Bestimmung von Objektprofilen an verschiedenen Niveaus dieser Objekte ermöglicht, enthält die erfindungsgemäße Vorrichtung außerdem Einrichtungen für Relativbewegungen des Objekts, bezogen auf diese Vorrichtung, in einer Richtung, die senkrecht ist zur Schnittebene.
• Die vorliegende Erfindung wird verständlicher durch das Lesen der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, gegeben nur zur Information und keinesfalls einschränkend, mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
• - Die Figur 1 ist eine schematische Ansicht eines bekannten Geräts zur Bestimmung von Objektprofilen, und wurde schon beschrieben,
• - die Figur 2 ist eine schematische und unvollständige Ansicht einer besonderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
• - die Figur 3 veranschaulicht schematisch Mittel dieser Vorrichtung, die es ermöglichen, daß sich der Strahl in einer Ebene drehen läßt,
• - die Figur 4 veranschaulicht schematisch das Prinzip einer in dieser Vorrichtung verwendeten elektronischen Zählung,
• - die Figur 5 veranschaulicht schematisch eine Weise, die in Figur 2 dargestellte Vorrichtung zu kalibrieren,
• - die Figur 6 ist eine schematische Ansicht dieser Vorrichtung, und
• - die Figur 7 ist ein repräsentatives Schema der Signalverarbeitungseinrichtung für die von dieser Vorrichtung erzeugten Signale.
• Die besondere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die schematisch und unvollständig in Figur 2 dargestellt ist, ist z. B. zur Ermittlung des Profils eines Objekts P bestimmt.
• Die in Figur 2 dargestellte Vorrichtung enthält eine Lichtquelle (nicht dargestellt in dieser Figur 2) und die Oberfläche des Objekts P, die man mittels dieser Vorrichtung überprüfen will, wird für geeignet gehalten, dieses Licht zu zustreuen, wobei das zerstreute Licht einen bestimmten Raumwinkel einnimmt mit einer Verteilungsfunktion die, unter anderem, vom Zustand der Oberfläche des Objekts abhängt.
• Wenn die zu prüfende Oberfläche nicht ausreichend zerstreuend ist, kann man auf dieser Oberfläche, vor deren Überprüfung, ein haftendes, lösbares und optisch zerstreuendes Material anbringen, das man nach der Prüfung der Oberfläche wieder entfernt.
• Die in Figur 2 schematisch dargestellt Vorrichtung umfaßt außerdem Detektionsmittel, wie etwa einen Photodetektor 8, der ein elektrisches Signal erzeugt, wenn er Licht empfängt, das sich entlang einer Achse X fortbewegt, die eine Lichtdetektionsache bildet.
• Im Hinblick auf die Bestimmung seines Profils wird das Objekt entlang einer Achse Y bewegt, senkrecht zur Achse x. Tatsächlich zählt nur eine Relativbewegung des Objekts P, bezogen auf die in Figur 2 dargestellte Vorrichtung: anstatt das Objekt P bezüglich der festgehaltenen Vorrichtung zu bewegen, könnte man umgekehrt die Vorrichtung entlang der Achse Y bewegen, vor dem festgehaltenen Objekt P.
• Die Achsen X und Y definieren eine Prüfebene, und man sieht tatsächlich in Figur 2 die Durchschneidung des Objekt P und dieser Prüfebene, die in der Folge "Schnittebene" genannt wird. Die Vorrichtung ermöglicht somit die Überprüfung der genannten Durchschneidung, die eine Kurve ist, deren Gleichung im Koordinatensystem X und Y beschrieben werden kann.
• Hinsichtlich einer Überprüfung des Objekts auf mehreren Niveaus kann man auch Relativbewegungen des Objekts bezüglich der Vorrichtung vorsehen, senkrecht zur Schnittebene (wobei die Vorrichtung feststehend ist und das Objekt beweglich, oder umgekehrt, das Objekt feststehend und die Vorrichtung beweglich).
• Die in Figur 2 schematisch dargestellte Vorrichtung enthält auch eine Optik 10 für die Fokussierung des Lichts auf die Photodetektionsmittel 8, in deren Richtung sich das Licht bewegt, sowie Einrichtungen, die den Lichtstrahl sich drehen lassen in der Schnittebene. Diese letzteren Einrichtungen sind schematisch dargestellt in Figur 3 und umfassen einen elektrischen Motor 12, dessen Rotationsachse Z senkrecht zur Schnittebene steht, und dessen Steuerungsmittel nicht dargestellt sind.
• Die Welle 14 dieses Motors 12 ist an ihrem Ende mit einem planen Spiegel 16 versehen, der mit der Schnittebene einen Winkel von 45º bildet. Um den Platzbedarf der Vorrichtung zu reduzieren, ist die Welle 14, vermutlich aus einem optisch reflektierenden Material bestehend, z. B. einem Metall, an diesem Ende unter 45º angeschrägt, um den gewünschten, mit der Schnittebene einen Winkel von 45 bildenden Spiegel zu erhalten.
• Die Achse Z schneidet den Spiegel 16 in einem Punkt 0, und der Motor 12 ist so angeordnet, daß dieser Punkt 0 auch in der Schnitteben enthalten ist.
• Somit erhält man, indem man einen Lichtstrahl entlang der Achse Z lenkt, auf diesem Punkt 0 einen reflektierten Strahl, der in der Schnittebene liegt und, indem man die Welle des Motors in Drehung versetzt, dreht sich dieser reflektierte Lichtstrahl, der den Punkt 0 durchläuft, um diesen letzteren herum.
• Die in Figur 2 dargestellte Vorrichtung umfaßt ebenfalls zwei identische Umlenkspiegel l8 und 20 mit der Form von parabolischen Zylindern. Diese beiden Spiegel sind so angeordnet, daß sie symetrisch zueinander sind bezüglich der Ebene, die senkrecht ist zur Schnittebene und die Achse X enthält, daß die Mantellinien dieser Spiegel senkrecht sind zur Schnittebene und daß der Punkt 0, in dieser Schnittebene, den Brennpunkt jedes der Parabolbogen bildet, die aus der Durchschneidung der Umlenkspiegel und der genannten Schnittebene resultieren.
• In Figur 2 unterstellt man, daß der mit Bezug auf Figur 3 beschriebene Strahl sich im Uhrzeigersinn bewegt. Wenn dieser drehende Strahl auf einen der beiden Spiegel trifft, z. B. den Spiegel 18, wird er durch diesen letzteren in eine feststehende Richtung reflektiert. In der in Figur 2 dargestellten Vorrichtung ist der Spiegel 18 so ausgerichtet, daß diese feststehende Richtung einen spitzen Winkel a mit der Achse X bildet.
• Die Reflektion des drehenden Strahls auf den Spiegeln 18 und 20 definiert auf der Achse X einen Meßbereich mit der Länge Xmax, wobei dieser Bereich begrenzt wird durch zwei Punkte P1 und P2 der Achse X. Der Winkel wird gewählt in Abhängigkeit von dem angestrebten Meßbereich. Beispielsweise aber keinesfalls einschränkend kann der Punkt P1 einen Abstand von 10 cm vom Punkt 0 haben und Xmax kann 40 cm betragen.
• Zu einem gegebenen Zeitpunkt befindet sich ein Punkt A1 des Teils auf der Achse X. Bei einer vollständigen Umdrehung des drehenden Strahls in der Schnittebene, empfangen die Photodetektionsmittel 8 nacheinander vier Lichtimpulse:
• - einen ersten, einer ersten Position I entsprechenden Impuls des drehenden Strahls, beim dem dieser letztere auf die Photodetektionsmittel 8 trifft und einen Winkel Null mit der Achse X bildet,
• -einen zweiten, einer zweiten Position II des drehenden Strahls entsprechenden Impuls, bei dem der durch den Spiegel 18 reflektierte und dieser Position II des drehenden Strahls entsprechende Strahl auf den Punkt A1 fällt, wobei der drehende Strahl dann einen Winkel T1 mit der Achse X bildet und der Punkt A1 unter einem bestimmten Raumwinkel das eintreffende Licht abstrahlt,
• - einen dritten, einer dritten Position III des drehenden Strahls entsprechenden Impuls, der einen Winkel von 180º mit der ersten Position I bildet, und in der der Strahl direkt auf den Punkt A1 fällt, und
• -einen vierten Impuls, entsprechend einer vierten Postition IV des drehenden Strahls, wobei diese vierte Position symetrisch ist zu der zweiten bezüglich der Achse X, und entsprechend der Beleuchtungsstärke des Punkts A1 durch einen Strahl, der resultiert aus der Reflektion, auf dem Umlenkspiegel 20, des drehenden Strahls in dieser vierten Position.
• Die in Figur 2 dargestellte Vorrichtung enthält auch einen Schirm 22, der dazu vorgesehen ist, den drehenden Strahl anzuhalten in einer dieser Positionen I und III. Dieser Schirm ist angeordnet auf der Achse X, in der Nähe des Punkts 0, entweder auf der Seite des Objekts P, oder auf der Seite der Optik 10. Die Empfangsoberfläche der Photodetektionsmittel ist ausreichend groß, vor allem vor der Oberfläche des Schirms 22, um die zweiten und vierten Lichtimpulse empfangen zu können.
• Die in Figur 2 dargestellte Vorrichtung enthält auch elektronische Einrichtungen 24 für die Verarbeitung der elektrischen Impulse, die von den Photodetektionsmitteln 8 erzeugt werden als Antwort auf die einfallenden Lichtimpulse. Diese elektronischen Verarbeitungsmittel, die in der Folge genauer beschrieben werden, umfassen einen in Figur 2 nicht dargestellten Zähler, sowie ein Zähltor genanntes Steuertor, ebenfalls nicht dargestellt in Figur 2, das, wenn geöffnet, dem Zähler gestattet, elektrischen Impulse zu zählen, die ein nicht dargestellter Taktgeber liefert, der ebenfalls zu der elektronischen Verarbeiungseinrichtung 24 gehört.
• Die Lichtimpulse, die den Positionen I und III des drehenden Strahls entsprechen, haben Stärken, die sehr viel größer sind als die Stärken, die den Positionen II und IV des drehenden Strahls entsprechen.
• Ein zweites Steuertor, Synchronisationstor genannt, wird geöffnet, wenn die Photodetektionsmittel 8 einen Lichtimpuls empfangen, dessen Stärke i eine Schwelle S überschreitet, die so gewählt wurde, das sie kleiner ist als die Lichtstärken iI und iIII der die Positionen I und III betreffenden Impulse, und größer als iII und iIV, welche die Positionen II und IV betreffen. Folglich sind die Lichtimpulse bezüglich der Positionen I und III alle beiden in der Lage, das genannt zweite Steuertor zu öffnen. Darum ist in der in Figur 2 dargestellten Vorrichtung der Schirm 22 vorgesehen. In dieser Vorrichtung ist der Schirm auf der Seite des Objekts P angeordnet.
• Folglich, wenn der der Position I entsprechende Lichtimpuls die Photodetektionsmittel 8 erreicht, wird das zweite Steuertor geöffnet, wobei dies zu einem Zeitpunkt tI stattfindet (Figur 4-A); nun kommen die Taktimpulse am Eingang des Zähltors zur Anwendung.
• Die elektrische Verarbeitungseinrichtung 24 ist so programmiert, daß der Zähler seine Zählung zu einem Zeitpunkt tII beginnt, wo der drehende Strahl in seiner Position II ist, wobei die Photodetektionsmittel 8 dann den Lichtimpuls iII empfangen, und aufhört, die durch den Taktgeber gelieferten elektrischen Impulse zu zählen zu einem Zeitpunkt tIV, der der Position IV des drehenden Strahls entspricht, für den die Photodetektionsmittel den Lichtimpuls der Stärke iIV empfangen.
• Die Anzahl N1 elektrischer Impulse, gezählt zwischen den Zeitpunkten tII und tIV (Figur 4-B) wird in der Speicher- und Recheneinrichtung MC gespeichert (Figur 7), die ein Teil der elektronischen Verarbeitungseinrichtung 24 ist, und kann angezeigt werden auf einer Anzeigeeinrichtung 26, die mit dieser elektronischen Verarbeitungseinrichtung verbunden ist. Der Zähler wird anschließend zurückgesetzt auf Null.
• Die Winkelgeschwindigkeit w der Motors ist konstant und die Anzahl elektrischer Impulse N1, gezählt zwischen den Zeitpunkten tII und tIV, der proportional ist zu tVI-tII, ist auch propotional zu dem durch den drehenden Strahl zwischen seinen Positionen II und IV abgetasteten Positionen.
• Nach einer Bewegung (relativ) des Objekts P, parallel zur Achse Y, bezogen auf die Vorrichtung der Figur 2, in deren Verlauf sich das Objekt P in der Richtung der Achse X um eine Strecke dy bewegt, gezählt auf der Achse y, befindet sich ein Punkt A2 des Objekts P auf der Achse X, mit einem Abstand dX (gezählt auf der Achse X) von der vorher auf dieser Achse X durch den Punkt A1 eingenommenen Position.
• Für diese neue Position des Objekts P (Punkt A2 auf der Achse X) führt eine vollständige Umdrehung des drehenden Strahls ebenfalls zu vier Positionen des drehenden Strahls in der Art von jenen, die weiter oben beschrieben wurden, und besonders in der mit II bezeichneten Position, die für den betreffenden Punkt A2 einem Winkel T2 entspricht zwischen dem drehenden Strahl in dieser Position II und der Achse X. Das Zählen der den Punkt A2 betreffenden Impulse wird ebenfalls durchgeführt und die Anzahl N2 elektrischer Impulse gespeichert und angezeigt, mit anschließender Rücksetzung des Zählers auf Null.
• Die Größe dX ist abhängig von der Größe dT gleich T2- T1, und folglich abhängig von Größe dN gleich N2-N1, unter Berücksichtigung der konstanten Winkelgeschwindigkeit w des Motors 12.
• Indem man nacheinander verschiedene Punkte des Objekts P der Vorrichtung gegenüber in Stellung bringt, und indem man die diesen Punkten entsprechenden Anzahlen Impulse speichert, ist es möglich, die Größen dX zu berechnen, die sich daraus ableiten lassen, und folglich das Profil des Objekts P in der betreffenden Schnittebene zu bestimmen. Für eine solche Bestimmung könnten die Amplituden dY der nötigen sukzessiven Verschiebungen des Objekts P parallel zu der Achse X selbstverständlich alle einen gleichen, vom Benutzer gewählten Wert haben.
• Die Größen dX können auf folgende Weise ermittelt werden: vor der Prüfung des Objekts P speichert man in M, in den elektronischen Verarbeitungsmitteln, eine Tabelle mit den Impulsanzahlen, die gemessen wurden für verschiedene Positionen einer reflektierenen Scheibe bezogen auf die Vorrichtung.
• Genauer, man ordnet auf der Meßbank 28 (Figur 5) die Vorrichtung an, die in Figur 2 dargestellt ist und in Figur 5 die Referenz 30 trägt. Man ordnet auf der Meßbank 28, der Einrichtung 30 gegenüberliegend, eine plane und reflektierende Scheibe 32 an, welche die Detektionsachse X dieser Vorrichtung in einer beliebigen, dann als Nullpunkt geltenden, jedoch innerhalb des weiter oben erwähnten Meßbereichs liegenden Position schneidet, wobei die Scheibe senkrecht ist zu X. Man setzt die Vorrichtung in Betrieb und speichert die dieser Abszissen-Nullposition betreffende Anzahl Impulse. Anschließend entfernt man die Scheibe 32 um einen Abstand pi längs der Achse X von der Vorrichtung, und man speichert die dieser neuen Position der Scheibe entsprechende Anzahl Impulse (Abszisse X1). Diese Operationen werden wiederholt bis zu einer Abszissenposition xn (immer noch im Meßbereich enthalten), wobei diese verschiedenen Postitionen alle voneinander um die gleiche Größe pi entfernt sind.
• Mit Bezug auf die Figur 2, für ein in verschiedenen aufeinanderfolgenden Positionen gemessenes Objekt P, wie etwa die Positionen A1 und A2 dieser Figur 2, denen die Anzahlen elektrischer Impulse N1 bzw. N2 entsprechen, berechnet die elektronische Verarbeitungseinrichtung die Größe dN gleich der Differenz N2-N1, von der ausgehend sie die weiter oben erwähnte Größe dX ermittelt, durch lineare Interpolation mittels der gespeicherten Tabelle.
• Selbstverständlich kann man für jeden der Punkte A1, A2 mehrere Zählungen durchführen, d.h. mehrere aufeinanderfolgende Ermittlungen der Anzahl elektrischer Impulse, diesen Punkt betreffend, und das Mittel dieser Zählungen verwenden zur Bestimmung der Größe dX, was die Genauigkeit der Messung erhöht.
• In Figur 6 wurde schematisch die Vorrichtung dargestellt, von der ein Teil schematisch in Figur 2 dargestellt ist. Diese Vorrichtung ist auf ein festes Gestell montiert, nicht dargestellt, und umfaßt eine erste Platte 34, welche die Photodetektionsmittel 8 trägt, die Optik 10 und den Motor 12, sowie eine zweite Platte 36, die parallel ist zu der ersten Platte und an dieser befestigt mittels Schrauben 38, passenden Distanzhülsen 40, durchquert von den Schrauben 38, die beiden Platten trennend. Außerdem trägt die zweite Platte 36 den Schirm 22.
• Die Umlenkspiegel 18 und 20, von denen einer dargestellt ist in Figur 6, und die enthalten sind zwischen den Platten 34 und 36, sind an diesen Platten durch mit Gegenmuttern versehenen Schrauben 42 befestigt. Diese Schrauben durchqueren die genannten Platten und dringen auf entgegengesetzten Seiten in die Blöcke ein, an denen die Umlenkspiegel herausgearbeitet sind.
• Diese Blöcke sind z.B. aus nichtoxidierbarem Stahl, und die Spiegel sind an ihnen herausgearbeite z.B. mit Hilfe einer numerisch gesteuerten Fräsmaschine und anschließend auf herkömmlich Weise poliert.
• Die in Figur 6 dargestellt Vorrichtung enthält ebenfalls eine Lichtquelle 44, gebildet durch einen Laser, z.B. einen He-Ne-Laser. Dieser Laser 44 ist auf eine Positionierungsplatte 46 montiert, mittels zwei parallelen Ringen 48, die von dem Laser durchquert werden, und befestigt an der Platte 46. Schrauben 50 sind vorgesehen an den Ringen 48 für die Immobilisierung des Lasers, so daß es möglich ist, durch Lösen dieser Schrauben 50 den Laser zu drehen und eventuell in Längsrichtung in den Ringen 48 zu verschieben, wenn man eine Einstellung der Positionierung des durch den Laser ausgesandten Strahls wünscht, wobei die Schrauben 50 anschließend wieder festgezogen werden.
• Die Platte 46 ist an der Platte 36 befestigt mittels Elementen 52, die eine Einstellung des Lasers 44 in drei Punkten ermöglichen, wobei diese Elemente 52 z.B. drei herkömmliche Tellerfedern aufweisen (wovon in Figur 6 nur zwei dargestellt sind).
• Mittel 54 sind vorgesehen, um den Laserstrahl direkt nach dem Austritt um 90º umzulenken. Diese Mittel bestehen z.B. aus einem 90º Deflektorprisma, das auf die Austrittsfläche des Lasers 44 geklebt ist.
• Die Platte 36 weist eine Bohrung 56 auf, die den Durchgang des durch den Laser ausgesandten Strahls gestattet, nachdem er durch das Prisma 54 um 90º umgelenkt wurde. Die Achse dieser Bohrung ist die Achse Z. Durch Betätigung der Einstellmittel 52, durch Drehen des Lasers in den Ringen 48 und eventuelles Verschieben des Lasers in diesen Ringen kann man den aus dem Prisma 54 austretenden Strahl mit der Achse Z in Übereinstimmung bringen.
• Außerdem, vor Verwendung der in Figur 6 dargestellten Vorrichtung werden die Umlenkspiegel 18 und 20 auf folgende Weise eingestellt: man wählt einen Punkt des ausgewählten Meßbereichs auf der Achse X und stellt den Spiegel 18 so ein, daß er einen beliebigen Laserstrahl (nacheinander umgelenkt durch das Prisma 54 und durch den auf der Welle 14 des Motors 12 ausgebildeten Spiegel 16) umlenkt in Richtung dieses gewählten Punkts, worauf man die mit Gegenmuttern ausgestatteten und zum Spiegel 18 gehörenden Schrauben 42 anzieht, um diesen Spiegel in der erreichten Position festzuhalten, dabei auch den Winkel festlegend, den der auf den Spiegel 18 einfallende Strahl mit der Achse X bildet.
• Man stellt anschließend den Spiegel 20 ein, damit der Strahl, reflektiert von diesem und einem einfallenden Strahl entsprechend, der den gleichen Winkel mit der Achse X bildet, auf den auf der Achse X gewählten Punkt fällt, worauf die mit Gegenmuttern versehenen und zum Spiegel 20 gehörenden Schrauben 42 ebenfalls angezogen werden, um den Spiegel 20 zwischen den Platten 34 und 36 zu immobilisieren.
• Die in Figur 6 dargestellte Vorrichtung ermöglicht z.B., das Profil s1 von Objekten P zu bestimmen, die sich vor der Vorrichtung in Richtung der Achse Y auf einem Fließband 57 vorbeibewegen.
• Man kann einen schrittweisen Durchlauf jedes Objekts P vor der Vorrichtung vorsehen, hinsichtlich einer sukzessiven Überprüfung von verschiedenen Punkten des Profils s1.
• Als Variante kann man den Motor 12 periodisch in Drehung versetzen, wobei jedes Zeitintervall, in dem er sich dreht, einer Überprüfung eines Punkts des Objekts entspricht (nämlich eine Zählung für diesen Punkt, oder mehrere Zählungen, von denen man den Mittelwert errechnet), wobei dieses Objekt auf kontinuierliche Weise vor der Vorrichtung durchläuft. Man wählt für den Durchlauf der Objekte eine Geschwindigkeit, die ausreichend gering ist im Verhältnis zum Produkt aus der Rotationswinkelgeschwindigkeit w des Motors und dem Abstand zwischen der Achse Z und jedem zu prüfenden Objekt, damit man die Bewegung dieses letzteren vernachlässigen kann, wenn der Motor sich dreht.
• Man kann auch Verschiebeeinrichtungen parallel zur Achse Z der Vorrichtung vorsehen, um verschiedene Punkte des Profils zu bestimmen, wie etwa s1, s2, die in der Z-Achse unterschiedlichen Höhen am Objekt entsprechen. Diese Parallelverschiebeeinrichtungen können Säulen 58 für die Führung der Vorrichtung parallel zu der Achse Z enthalten, sowie einen Zylinder 60, dessen Steuerungseinrichtung in Figur 6 nicht dargestellt ist, und der dazu dient, die Vorrichtung parallel zu der Achse Z um eine gewünschte Höhe zu heben oder zu senken.
• Die Prüfung eines Objekts in den Achsen Y und Z, enthalten z.B. in einer horizontalen Ebene, kann auf folgende Weise durchgeführt werden: die optische Vorrichtung bewegt sich in Richtung der Achse Y, dabei das Objekt entlang einer Linie Y0 abtastend, dann in Richtung der Achse Z um eine Größe DZ, um das Objekt entlang einer Linie Y1 wieder abzutasten ... usw... .
• Eine weitere Verwendung der Vorrichtung kann darin bestehen, eines oder mehrere Objekte mittels eines Bezugsobjekts zu kontrollieren: dieses letztere wird zunächst auf einem Niveau oder mehreren Niveaus geprüft, mit einer Prüfung bestimmter Punkte auf jedem Niveau, nämlich, für jeden dieser Punkte eine Zählung (oder mehrere Zählungen, deren Mittelwert man berechnet). Anschließend wird jedes Objekt kontrolliert auf dem (den) gleichen Niveau(s), indem man für jedes Nivau die Punkte prüft, die denen des Bezugsobjekts, die vorher geprüft wurden, homolog sind. Es genügt dann, die das Bezugsobjekt betreffenden Zählungen, selbstverständlich gespeichert, mit den jedes Objekt betreffenden, auch gespeicherten Zählungen zu vergleichen, ohne daß es nötig ist, die weiter oben erwähnten Größen dX zu berechnen, um zu entscheiden, ob ein Objekt akzeptabel ist oder nicht, je nachdem, ob jede dieses letztere betreffende Zählung sich in einem auf die homologe Zählung des Bezugsobjekts gerichteten Intervall befindet, oder nicht.
• Man kann selbstverständlich nicht dargestellte Einrichtungen vorsehen für das Trennen der akzeptablen Objekte von den nicht akzeptablen.
• Eine weitere mögliche Anwendung der Vorrichtung kann die Ermittlung des Abstands eines Objekts von dieser Vorrichtung sein: man führt zunächst die Zählung oder Zählungen Nt bezüglich eines Objekts durch, das in einem bestimmten Abstand D von der ortsfesten Vorrichtung angeordnet ist. Man führt dann die homologe(n) Zählung oder Zählungen N bezüglich des Objekts durch, dessen Abstand d von der Vorrichtung man ermitteln will. Die Berechnung der Differenz N-Nt erlaubt anschließend, die Größe dX gleich d-D zu berechnen, daraus den Abstand d.
• Schließlich kann die Vorrichtung verwendet werden, um festzustellen, ob ein Objekt sich im Lauf der Zeit bewegt hat: zu einem gegebenen Zeitpunkt führt man, mittels der vor dem Objekts ortsfest gehaltenen Vorrichtung die Zählung oder Zählungen durch bezüglich eines oder mehrerer Punkte dieses Objekts, und zu einem späteren Zeitpunkt (der vom ersten um mehrere Minuten oder mehrere Stunden,... getrennt sein kann) führt man die homologe Zählung oder Zählungen N2 durch. Die Differenz oder Differenzen zwischen den Zählungen N1 und N2 erlauben, die entsprechende(n) Größe oder Größen dX zu berechnen, um festzustellen, ob das Objekt sich auf die Vorrichtung zu, oder von ihr weg bewegt hat, oder sich nicht bewegt hat bezüglich dieser Vorrichtung.
• Die Figur 7 stellt die elektronischen Einrichtungen 24 dar, verbunden mit den Photodetektionsmitteln 8. Sie umfassen:
• - das zweite Steuertor Ps, genannt Synchronisationstor, eingeschaltet zwischen dem Detektor 8 und einem Taktgeber H, und gesteuert von einer Schwellenschaltung Ss, die nur die Impulse iI auswählt; dieses Steuertor öffnet sich folglich zum Zeitpunkt tI
• - das erste Steuertor Pc, genannt Zähltor, gespeist durch den Ausgang des Steuertors Ps und gesteuert durch eine zweite Schwellenschaltung Sc: der erste von Sc ausgehende Impuls öffnet das Steuertor Pc bei der Detektion des Lichtimpulses III, folglich zum Zeitpunkt tII; der zweite von Sc ausgehende Impuls schließt dieses Steuertor Pc bei der Detektion des Lichtimpulses IIV, folglich zum Zeitpunkt tIV;
• - den Zähler C, dessen Inhalt N eine Messung des Abstands X bildet.
• In einer nicht dargestellten Ausführungsvariante ist der elektrische Motor, der die Rotation der Reflektionsmittel des von der Lichtquelle ausgehenden Strahls bewirkt, ein Schrittmotor, der von einem schnellen Taktgeber gesteuert wird, dessen Impulse auch verwendet werden, um die Zeitintervalle des Typs tIV-tII (s. weiter oben) zu messen oder, genauer, die Anzahl Impulse zu bestimmen, die enthalten sind zwischen den Zeitpunkten tII und tIV.
• Man regelt somit die Rotation auf die Meßfrequenz, und eliminiert folglich die entsprechenden Meßfehler.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Ortung eines Objekts (P), enthaltend:

- eine Lichtquelle (44), die geeignet ist, einen schmalen Lichtstrahl auszusenden,

- Einrichtungen (12, 16, 18, 20) zur Verschiebung des schmalen Lichtstrahls, wobei diese Strahlverschiebungseinrichtungen umfassen:

- Einrichtungen (12, 16) zum Drehen des Lichtstrahls in einer Schnittebene des Objekts um einen Punkt (0) der in der Schnittebene enthaltenen Detektionsachse (X), wobei der Strahl durch diesen Punkt der Detektionsachse tritt, und

- wenigstens einen festen Spiegel (18, 20) zum Umlenken des sich drehenden Strahles, wobei der Spiegel die Schnittebene schneidet, außerhalb der Achse angeordnet ist und dazu gedacht ist, die Verschiebung des an ihm in der Schnittebene, schief zur Detektionsachse (X), reflektierten Strahles zu ermöglichen, und dazu, die Abtastung des Objekts durch den reflektierten Strahl in der Schnittebene zu ermöglichen,

- Einrichtungen (8) zur Lichtdetektion, die geeignet sind, das Licht nachzuweisen, das sich in Richtung der Detektionsachse ausbreitet und von einem Punkt des Objektes ausgeht, der in besagter Ebene liegt und einer bestimmten Position des Strahles, der das Objekt abtastet, entspricht, wobei diese Position umkehrbar eindeutig mit der Entfernung zwischen dem Objektpunkt und den Einrichtungen zur Detektion des Lichtes verknüpft ist und letztere geeignet sind, zum Zeitpunkt der Detektion ein Signal zu erzeugen.

- Einrichtungen (24) zur Verarbeitung des Signals, die es erlauben, den Objektpunkt mit Hilfe des Zeitpunktes zu orten.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel (18, 20) die Verschiebung des reflektierten Strahles parallel zu einer festen Richtung der Schnittebene erlaubt, wobei diese Richtung einen von Null verschiedenen Winkel (a) mit der Detektionsachse (X) bildet und der Spiegel die Form eines parabolischen Zylinders hat, dessen Schnittlinie mit einer senkrechten, mit der Schnittebene zusammenfallenden Ebene eine Parabel ist, deren Brennpunkt mit besagtem Punkt der Detektionsachse zusammenfällt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwei solcher Umlenkspiegel (18, 20) in Form parabolischer Zylinder besitzt, wobei diese Umlenkspiegel symmetrisch zu der zur Schnittebene senkrechten Ebene, die die Detektionsachse (X) enthält, angeordnet sind, sodaß die Einrichtungen zur Lichtdetektion (8) nacheinander, im Verlauf einer vollständigen Umdrehung des Strahles um den Punkt (O) der Detektionsachse (X), zwei Signale erzeugen, die zwei Positionen des Strahls entsprechen, wobei die Positionen ein und demselben Objektpunkt (P) entsprechen, und dadurch, daß die Signalverarbeitungseinrichtungen (24) dazu bestimmt sind, diesen Punkt mit Hilfe der Zeit, die zwischen den Detektionszeitpunkten der beiden Signale verflossen ist, zu orten.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Strahldrehung enthalten:

- Einrichtungen der optischen Reflexion (16), und

- Einrichtungen (12) zur Drehung dieser Reflexionseinrichtungen um eine Drehachse (Z), die senkrecht zur Schnittebene ist und die durch besagten Punkt (O) der Detektionsachse (X) geht, wobei dieser Punkt auf besagten Reflexionseinrichtungen (16) liegt,

und dadurch, daß die Reflexionseinrichtungen dazu vorgesehen sind, einen Lichtstrahl, der auf sie in Richtung der Rotationsachse einfällt, um 90º abzulenken.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Drehung der Reflexionseinrichtungen (16) einen Elektomotor (12) mit einer Welle (14) enthalten, deren eines Ende auf 45º abgeschrägt und lichtreflektierend ist, so daß besagte Reflexionseinrichtungen gebildet werden.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß, da ja der sich drehende Strahl durch eine erste Position tritt, in der er sich in einer ersten Richtung zu den Lichtdetektionseinrichtungen (8) bewegt, und durch eine zweite Position, in der er sich in einer zweiten, zur ersten entgegengesetzten Richtung bewegt, diese Vorrichtung darüber hinaus Einrichtungen (22) zur Unterbrechung des Strahls in der ersten oder in der zweiten Position enthält.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle einen Laser (44) enthält.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie darüber hinaus Einrichtungen (57) zur Relativverschiebung des Objekts (P) gegenüber der Vorrichtung enthält, in Richtung (Y) senkrecht zur Detektionsachse und parallel zur Schnittebene.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie darüber hinaus Einrichtungen (58, 60) zur Relativverschiebung des Objekts (P) gegenüber der Vorrichtung enthält, in zur Schnittebene senkrechter Richtung (Z).