DE68908022T2

DE68908022T2 - Optischer Messfühler ohne Kontakt.

Info

Publication number: DE68908022T2
Application number: DE89305402T
Authority: DE
Inventors: Kurt A Goszyk
Original assignee: Contrologic Inc
Current assignee: Contrologic Inc
Priority date: 1988-06-07
Filing date: 1989-05-30
Publication date: 1993-11-18
Anticipated expiration: 2009-05-31
Also published as: DE68908022D1; US4938599A; EP0345984A2; ATE92616T1; EP0345984B1; CA1311607C; EP0345984A3; JPH02110303A

Description

Bereich der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich auf berührungslose optische Vorrichtungen zum Messen, wie sie in-line, bei Echtzeitprozessen, zu Versuchszwecken auf Arbeitstischen oder als Teil einer Meßeinrichtung für die Qualitätskontrolle benutzt werden.

Hintergrund der Erfindung

Gegenwärtig gibt es mehrere berührungslose optische Meßvorrichtungen. Diese Meßvorrichtungen messen typischerweise den Außendurchmesser von Draht, Rohren, Fasern, Zylindern, dünner Platten und anderer Objekte, deren Außenabmessungen von Interesse sind. Das Merkmal der Berührungslosigkeit ist wichtig, wenn das Objekt durch die Benutzung herkömmlicher Tasteinrichtungen leicht deformiert werden kann. Hohe Genauigkeit, Wiederholtbarkeit und Auflösung sind ebenfalls wichtige Merkmale dieser berührungslosen optischen Meßvorrichtung. Diese Vorrichtungen benutzen häufig eine Schattenwurftechnik, bei der kollimiertes weißes Licht von Parallelstrahlen oder einer anderen Strahlungsquelle durch das zu messende Objekt unterbrochen wird. Das unterbrochene Licht oder der Schatten wird mit seinem umgebenen Licht auf ein lichtempfindliches Element geworfen, das zwischen ihnen unterscheidet. Die Unterscheidungstechnik mißt üblicherweise Gesamtamplitudendifferenzen als Funktion des Vorhandenseins oder der Abwesenheit von Strahlung in der Zeit.
In der Vergangenheit wurden Schattenwurf und Schattenaufnahme in der Werkzeugindustrie benutzt, um Teile wie Schraubengewinde visuell zu inspizieren. Durch die Anordnung des Teils vor einem Lichtprojektor wird des Teils Schatten auf einer Wand oder auf einem Bildschirm für leichtere Inaugenscheinnahme vergrößert. Bei den heutigen berührungslosen optischen Meßvorrichtungen wird dasselbe Prinzip angewendet, außer daß das projizierte Licht kollimiert ist und ein elektronischer Sensor als Bildschirm wirkt.
Die Strahlungsquellen, die zur Zeit für solche Meßvorrichtungen erhältlich sind, sind generell zwei Typen: die konstanten Glühlichtquellen und die hochfokussierten Laserstrahlen. Bei der Glühlichtversion kann eine Lichtquelle kollimiert werden, indem sie durch ein feines Loch und dann durch eine Objektivlinse scheint. Es wird ein Parallellicht entstehen, welches einen Schatten wirft, wenn es auf das zu messende Objekt gerichtet wird. In einigen Meßvorrichtungen liefert die relative Intensität des Lichts als Funktion des Schattens Analogmittel zur Bestimmung der Außenabmessung. In anderen Meßvorrichtungen werden mechanische Verschlüsse bewegt, um die dunklen und hellen Bereiche zeitlich abzutasten. In anderen wird der Ein/Aus- Status eines Fotodioden-Arrays benutzt.
Hinsichtlich Laserstrahlvorrichtungen sind Meßvorrichtungen bekannt, die einen Laserstrahl zur Beaufschlagung eines rotierenden Spiegels beinhalten, der seinerseits den Laserstrahl durch eine Objektivlinse ausfächert, z.B. gemäß US-A-39 05 705. Das ergibt einen schnellbeweglichen Parallelstrahl über das zu messende Objekt. Der Empfangssensor solcher Vorrichtungen mißt wie in dem Fall der Glühlichtversionen relative Strahlungstärken oder ein zeitveränderliches Proportionalsignal.
In solchen vorbeschriebenen Verfahren nach dem Stand der Technik ist die mechanische Ausrichtung der Optiken, Spiegel, Verschlüsse, Sensoren und/oder Strahlungsquellen kritisch. Infolgedessen sind im allgemeinen präzisionshergestellte Befestigungen und Techniken erforderlich. Optisches Hochqualitätsmaterial und anspruchsvolle Sensoren und Schaltkreise werden berutzt, um Nichtlinearitäten bei der Messung zu verhindern. Sogar trotz dieser Vorsichtsmaßnahmen gibt es bis zu einem gewissen Grad Ungenauigkeiten und Nichtlinearitäten. Verschiedene Patente schlagen weiterhin Kompensationsmittel vor, um diese verbleibenden Ungenauigkeiten zu reduzieren. Diese erfordern jedoch gewöhnlich zusätzliche oder weitere Hardware und Sensoren, um die innewohnenden Ungenauigkeiten zu kompensieren. Letztlich erfordert die durch die Glühlicht- oder Laserquellen und durch die Meß- und Kompensationskreise erzeugte Abwärme umfassende Hitzesenkung und Isolation. Oft ist eine mächtige Kraftquelle erforderlich, die ihrerseits beträchtliche Abwärme erzeugt, um die Strahlungsquelle und die Elektronik zu versorden. Die entstehende große Hitze ist verschwenderisch und beeinträchtigt mit der Zeit die Instrumentengenauigkeit.
Dementsprechend besteht Bedarf für eine weniger aufwendiger und wirkungsvollere berührungslose optische Meßvorrichtung, die innewohnende Ungenauigkeiten und Nichtlinearitäten des optischen Systems kompensiert. Zweitens gibt es Bedarf für solche Instrumente mit niedriger Abwärme, die in den Abmessungen kompakt sind und wenig oder keine Wartung benötigen.
Eine andere berührungslose optische Meßvorrichtung ist in "Patent Abstracts of Japan", Vol.7, No.290, Seite 245 und JP-A- 58-162804 beschrieben. Hier wird eine Meßvorrichtung offenbart, die für verschiedene Temperaturbedingungen eine Korrektur einer angezeigten Ausgangsgröße benutzt. Das wird an einer bestimmten Stelle in einem Meßfenster durchgeführt. Zum Einsatz dieser Stelle als Referenz werden ihr eine vorbestimmte Anzahl von Impulsen während der Zeit der Herstellung zugeschrieben. Bei Gebrauch wird jede Abweichung von dieser vorbestimmten Anzahl von Impulsen dazu benutzt, die Geschwindigkeit eines Rotationsspiegels anzupassen, wodurch Temperaturanomalitäten berechnet werden.

Zusammenfassung der Erfindung

Durch diese Erfindung werden optische berührungslose Meßvorrichtungen und Verfahren zur berührungslosen Messung zur Verfügung gestellt. Die Vorrichtungen sind leicht herzustellen und umfassen ein niedrigpreisiges Abtastsystem. Die Erfindung beinhaltet weiterhin die Vorteile geringer Herstellungskosten für gleichwertige Wirkung, geringe Leistungsanforderungen, wenig oder keine Wartung und kompakte Abmessungen.
Gemäß der Erfindung ist eine berührungslose optische Vorrichtung wie im Anspruch 1 beansprucht vorgesehen.
Ebenfalls gemäß der Erfindung ist ein Verfahren zum Messen einer Abmessung eines Gegenstandes wie in Anspruch 11 beansprucht vorgesehen.
Die niedrigen Herstellungskosten für die bevorzugten Meßvorrichtungen sind auf einen sehr leicht herzustellenden Abtastmechanismus und nicht kritische Justierung zurückzuführen. Zuvor benutzte teure Montage- und Optikkomponenten sind durch Niedrigpreiskomponenten und Kompensationssoftware ersetzt. Geringe Leistung und im wesentlichen wartungsfreier Betrieb werden durch den Einsatz einer bevorzugten langlebigen Festkörper-Infrarotlichtquelle und höchst zuverlässige CMOS Mikroelektronik erreicht. Diese Meßvorrichtungen erlauben dem Benutzer auch, Bereichsmerkmale bevorzugter Zusatzeinrichtungen einzusetzen.
Dementsprechend ist eine aufwendige und geringe Abwärme aufweisende Einrichtung vorgesehen, die Auflösungen von etwa 0,0025 mm (.0001 inches) und eine Genauigkeit von etwa ± 0,0063 mm (+/- .00025 inches) hat. Die berührungslose optische Meßvorrichtung nach dieser Erfindung kann z.B. den Außendurchmesser von entweder feststehenden oder bewegten Materialien mit einem hohen Genauigkeitsgrad messen. Solche Materialien, wie Draht, Röhren, Fasern, Kabel, Zylinder, Rohre, Kugeln, Platten, rotierende Wellen und andere Produkte sind Meßobjekte für diesen Typ von Meßvorrichtungen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung kann Nuklearstrahlung, wie Röntgenstrahlung, in Kombination mit einem für Röntgenstrahlung empfindlichen Sensor benutzt werden, um die Wandstärke von Objekten zu betimmen, die innere Ausnehmungen oder Öffnungen haben. Daher können Querschnittsbilder von Gegenständen während eines in Echtzeit erfolgenden Verfahrens oder einer Herstellung angezeigt werden.
Andere Merkmale dieser Erfindung beinhalten eine U.S.- oder metrische Anzeige, Glaslogik-Zusatzeinrichtungen zur Messung transparenter Stäbe und RS 232 und RS 422 Anschlüsse. Analogausgänge für die Prozeßsteuereinrichtung, Fernanzeigen, Diagrammschreiber, Relaiskontaktschnittstellen und optische Verbindungseinrichtungen können an die Meßvorrichtungen angeschlossen werden, indem Einsteckzusatzmodule benutzt werden. Letztlich können Meßvorrichtungen, die nach dieser Erfindung hergestellt wurden, solche Objekte genau vermessen, die in einem Winkel abgeschrägt, horizontal oder vertikal verstellt sind, oder die sich in einer konstanten Bewegung befinden, wie z.B. während Zeichnungs- und Extrusionsvorgängen.
Es ist daher ein Ziel dieser Erfindung, berührungslose optische Niedrigpreis-Meßvorrichtungen vorzuschlagen.
Es ist ein weiteres Ziel dieser Erfindung, berührungslose optische Meßvorrichtungen vorzuschlagen, die einen hohen Grad an Genauigkeit bei geringen Leistungsanforderungen und kleinem Unterhaltungsaufwand aufweisen.
Es ist noch ein weiteres Ziel dieser Erfindung, berührungslose optische Meßvorrichtungen vorzuschlagen, die eine unkritische optische Justierung und die Fähigkeit zum kompensieren optischer, mechanischer und/oder elektrischer Fehler aufweisen.
Es ist noch ein weiteres Ziel dieser Erfindung, Verfahren zum Messen einer Abmessung oder des Querschnitts eines Gegenstands vorzuschlagen, wobei eine mit der Messung verbundene Fehlerkorrektur erfolgt, indem die gemessene Ausgangsgröße mit einer Kennzeichnung verglichen wird, die repräsentativ für einen mit dem Messen einer bekannten Abmessung zusammenhängenden Fehler ist.
Die anhängenden Zeichnungen erläutern eine vollständige Ausführungsform der Erfindung eines bevorzugten Modus soweit er für die praktische Anwendung des Prinzips ersonnen wurde. Es zeigen:
Fig.1 eine schematische Seitenansicht einer bevorzugten rührungslosen optischen Meßvorrichtung nach dieser Erfindung;
Fig.1(a) und (b) schematische Seitenansichten einer bevorzugten berührungslosen optischen Meßvorrichtung zur Kompensierung unvollständiger Lichtkollimierung;
Fig.2 ein Blockdiagramm für den bevorzugten Lernmodus dieser Erfindung, wobei eine Kennzeichnung durch Messen bekannter Abmessungen bestimmt wird;
Fig.3 schematische Front- und Seitenansichten eines bevorzugten Trommelabtasters, der im Winkel angeordnete Schlitze zum Messen der Abmessung eines Gegenstandes aufweist, der im Hinblick auf eine Meßachse abgeschrägt ist;
Fig.4 (a)-(c) Kurvensätze, die optische Kennzeichen darstellen, die durch Messung bekannter Dimensionen abgeleitet sind;
Fig.5 ein Blockdiagramm für die bevorzugte elektronische Hardware einer berührungsfreien optischen Meßvorrichtung dieser Erfindung;
Fig.6 eine schematische Ansicht eines Meßobjekts und eines Meßfensters gemäß dieser Erfindung, wobei Dimensionen veranschaulicht werden, die mit Taktsignalen der bevorzugten Einrichtung in Verbindung stehen;
Fig.7 ein Diagramm der Taktlogik bezüglich der Dimensionen der Fig.6, welche Signale bestimmt, mit denen Zähler der bevorzugten Hardware-Schaltung gespeist werden;
Fig.8 eine bevorzugte schematische elektrische Schaltung für einen Sensor für die bevorzugte Ausführungsform;
Fig.9 eine schematische elektrische Schaltung eines Prozessors für die berührungslose optische Meßvorrichtung der Fig.1;
Fig.9(a)-(c) Zeitsignale für das bevorzugte Schema der Fig.9 bei Nichtvorhandensein eines Gegenstands, eines schiefen Gegenstands und eines durchsichtigen Gegenstandes im Meßfenster;
Fig.10 ein Blockdiagramm zur Darstellung des Ablaufplans der Wirkungsweise für die bevorzugte berührungslose optische Meßvorrichtung, und
Fig.11(a)-(c) die Auswertung einer Zählung an einem gemessenen Gegenstand im Hinblick auf Sätze polynomer Gleichungen, die die erfaßten Gegenstandsabmessungen repräsentieren.
Neue berührungslose optische Meßvorrichtungen und Verfahen, die durch diese Erfindung vorgeschlagen werden, umfassen vorzugsweise Optiken, Scanner und Mikroprozessorelektronik. Diese Ausführungsformen enthalten einen niedrigpreisigen Trommelscanner, Kompensationssoftware zum Korrigieren mechanischer Dejustierungen, elektronischer Schaltkreistoleranzen und nichtlinearer Optiken in der Meßvorrichtung. Sie beinhalten auch Verfahren zum Tolerieren der Dejustierung eines Objekts längs der Meßachse und zum Korrigieren unvollständiger Kollimierung sowie bedarfsweise Einsteckmodule, welche es dem Benutzer erlauben, weitere Merkmale hinzuzufügen. Die am meisten bevorzugten kompakten Konstruktionen dieser Erfindung beinhalten eine Meßeinheit, eine Einbauelektronik und eine Einbauanzeige.
Durchweg schließt die optische Meßvorrichtung dieser Erfindung Speichermittel zum Speichern einer Kennzeichnung ein, die repräsentativ für einen Fehler ist, der mit dem Messen einer bekannten Abmessung verbunden ist, ferner eine Strahlungsquelle zum Richten von Strahlung auf ein Objekt, und Abtastmittel zum Aufnehmen eines Bildes des Objekts, hergestellt mit der Strahlung zum Herstellen eines dem Bild entsprechenden Signals. Die Abtastmittel sind geeignet, ein Signal zu liefern, das in eine Schaltung zum Liefern wenigstens einer Ausgangsgröße eingespeist wird, die repräsentativ für die Abmessung des Objekts ist. Ein wichtiger Aspekt dieser Erfindung ist es, daß die Schaltungsmittel die Ausgangsgröße in Beziehung zu der durch die Speichermittel gespeicherte Kennzeichnung speichern. Dieses Verfahren umschließt auch das Speichern einer Kennzeichnung, die für einen Fehler repräsentativ ist, der mit der Messung einer bekannten Abmessung verbunden ist, ferner das Ausrichten von Strahlung auf ein Objekt und das Aufnehmen eines Bildes des durch die Strahlung gelieferten Objekts. Ein weiteres Verfahren liefert ein dem Bild entsprechendes Signal und verarbeitet dieses Signal, um wenigstens eine Ausgangsgröße zu liefern, die ihre repräsentativ für die Dimension des Objekts ist. Wie im Fall der optischen Meßvorrichtung bestimmt dieses Verfahren die Ausgangsgröße in Beziehung zu einer gespeicherten Kennzeichnung.
Die Strahlungsquelle für die Verfahren und Einrichtungen dieser Erfindung kann irgendeine eine Anzahl von Quellen für weißes Licht, Laserlicht, ultraviolettes Licht, Infrarotlicht und Nuklearstrahlung, wie Röntgenstrahlung, beinhalten. Bei der am meisten bevorzugten, in Fig.1 dargestellten Meßvorrichtung 100 benutzt die Strahlungsquelle eine Infrarot LED-Strahlungsquelle 10 wegen ihrer Verfügbarkeit, wegen niedriger Leistungsanforderungen und wegen geringer Abwärmeerzeugung. Die Strahlungsquelle dieser Erfindung kann weiterhin Kollimierungsmittel zum Kollimieren von Strahlung enthalten. Diese Kollimierungsmittel produzieren parallele Strahlung und können außerdem Kondensormittel zum Bündeln der durch die Strahlungsquelle gelieferten Strahlung beinhalten. Die Kondensormittel können eine Mehrzahl von Kondensorlinsen beinhalten und beinhalten vorzugsweise wenigstens eine Objektivlinse. Bei den am meisten bevorzugten Ausführungsformen tritt die Infrarotstrahlung durch eine Linse 20, welche das Kondensorsystem darstellt. Dieses Kondensorsystem bildet in Zusammenwirken mit der Objektivlinse 30 einen Kollimator. Der Kollimator liefert ein paralleles Strahlungsbündel, das eine Strahlungsquelle in unendlicher Entfernung simuliert. Dieses parallele Strahlungsbündel ist auf einen Gegenstand 40 gerichtet, um ein Bild 50 des Gegenstandes zu bilden, welches von den Abtastmitteln aufgenommen wird.
Die bevorzugten Abtastmittel dieser Erfindung enthalten, wie weiter in Fig.1 dargestellt ist, eine vertikal rotierende Trommel 70. Die Trommel 70 kann einen horizontalen Schlitz 90 enthalten, ferner zwei Schlitze, die angenähert einander gegenüber in der vertikal rotierenden Trommel 70 angeordnet sind, oder eine Mehrzahl von regelmäßig oder unregelmäßig angeordneten Schlitzen. Die Schlitze können im Hinblick auf eine Rotationsachse der Trommel im Winkel zueinander stehen, winkelmäßig einander gegenüber angeordnet, und/oder einzeln über die Trommel verteilt sein, z.B. 90º, 120º oder 180º versetzt. Zusätzlich zu obigem können die Abtastmittel weiterhin Empfangsmittel zum Empfangen von Strahlung aufweisen, die durch die Abtastmittel übertragen wird. Die Empfangsmittel enthalten vorzugsweise einen Fotodetektor und weiterhin vorzugsweise einen Fotodiodensensor 80 für Infrarotlicht. Eine Sammellinse 16 kann auch benutzt werden, um das Licht zu fokussieren, das durch die bevorzugte Öffnungs- oder Schlitzausbildung auf die Empfangsmittel übertragen wird.
In der am meisten bevorzugten Ausführungsform enthält die Trommel einen sehr schmalen horizontalen Schlitz, der sich durch das Parallelstrahlungsbündel in einer bevorzugten, nichtlinearen Weise bewegt. Wenn in dem Strahlungsfenster ein Gegenstand plaziert wird, wirft er einen Schatten auf die bevorzugte Abtastrommel. In der am meisten bevorzugten Meßvorrichtung 100 dreht sich ein Niedrigkostentrommelscanner senkrecht zu der Meßachse. Das erlaubt es, den schmalen Schlitz in der Trommel mit geringem Aufwand parallel zu der Rotationsachse über die Seite der Trommel anzuordnen.
Ein wichtiger Aspekt dieser Erfindung ist es, wie in Fig.3 beschrieben wird, daß die Meßvorrichtung bei Gegenständen kompensieren kann, die längs der Meßachse abgeschrägt sind, indem zwei einander auf der Trommel 73 gegenüberliegend angeordnete Schlitze 93a und b benutzt werden. Vorzugsweise steht dieser Schlitz etwas längs der Rotationsachse der Trommel 73 im Winkel, was durch die Winkel α und β dargestellt wird, jedoch in entgegengesetzter Richtung zu seinem Gegenüber. Die Ablesungen, die beim Passieren der beiden Schlitze durch das Meßfenster vorgenommen werden, werden durch die Mikroprozessorelektronik ermittelt. Das erlaubt bei einem Meßgegenstand einen Schräglauf mit maximalen Winkeln α und β der beiden Schlitze und ergibt immer noch eine genaue Ablesung.
Die bevorzugten Meßvorrichtungen und Verfahren dieser Erfindung benutzen das Prinzip der Schattenmessung, um die Außenabmessung, den Außenumfang oder den Querschnitt eines Meßobjekts 40 zu bestimmen. Wenn die bevorzugte Trommel rotiert, wird der Sensor in Bereichen der Strahlung eingeschaltet und während des Schattens ausgeschaltet, oder das Bild wird im Fall eines transparenten oder lichtdurchlässigen Gegenstands dunkler.
Der Schatten wird durch die Schaltung in eine Anzahl von Zählimpulsen umgewandelt. Die Anzahl der Zählimpulse wird durch den Prozessor verarbeitet, vorzugsweise einen Mikroprozessor, der mathematische Beziehungen benutzt, die während eines "Lernmodus" erstellt wurden, und die in eine entsprechende Meßanzeigeeinrichtung für Außenabmessungen gelangen. Die Trommel 70 der bevorzugten Sensormittel kann ein Seitenstück 75 aufweisen, das einen Zeitschalter durchläuft, z.B. einen optischen oder einen magnetischen, um die Einschaltzeit des Meßfensters zu bestimmen. Das erleichtet das Starten und das Zurückstellen der Zeitlogik. In den am meisten bevorzugten Ausführungsformen dieser Erfindung können die sich ergebenden konditionierten Signale durch die Zeitlogik dieser Erfindung in drei Signale verarbeitet werden, wie sie gemäß den Fig. 6 und 7 beschrieben sind. Das erste Signal (B) ist das gesamte on-time verfügbare Meßfenster. Das zweite Signal (E) ist die Zählerfreigabe vom Beginn des Meßfensters bis zur auflaufenden Kante des Objekts 40. Diese Freigabesignale werden später in drei Zähler eingegeben. Wie in Fig.7 beschrieben wurde, entspricht die zeitliche Beziehung dem physikalischen Meßfenster. Das Signal (F) wird tatsächlich abgeleitet aus der Differenz von E und D im Mikroprozessor. E ist die Position des Gegenstandes im Meßfenster und F ist die relative Abmessung des Gegenstandes. Infolgedessen sind die Signale E und F zwei wichtige, von der Kompensationssoftware dieser Erfindung benutzte Signale.
Im Folgenden wird der Prozessor dieser Erfindung beschrieben. Wie aus Fig. 6 abgeleitet werden kann, kann die Distanz über das Strahlungsfenster "B" als Linearmessung beschrieben werden. Jedoch bewegt sich der Trommelschlitz 90, der in einer bevorzugten Winkelbeziehung zur Rotationsachse der Trommel steht, gemäß einer trigonometischen Sinusfunktion in Abhängigkeit vom Winkel durch das Strahlungsfenster. Dementsprechend entsteht eine Nichtlinearität, die kompensiert werden muß. Zusätzlich haben die Linse 60, der Sensor 80 und die kollimierenden Mittel insgesamt Justierungstoleranzen, die überwunden werden müssen. Es sollte festgehalten werden, daß obwohl die vertikale Trommel eine Quelle von Nichtlinearitäten ist, andere Ausführungsformen dieser Erfindung Mehrfachsensoren, Spiegelkombinationen, lineare Fotodiodensensor-Arrays oder CCD-Arrays enthalten und ebenfalls Toleranzauswirkungen aufweisen. Andere Anomalien der Meßvorrichtung, die Fehler in dem endgültigen Meßergebnis verursachen können, beinhalten: optische Fehlausrichtung der Linsen, die sich nicht in der richtigen Stellung zueinander befinden, optische Unsauberkeiten in den Linsen selbst, Unverträglichkeit zwischen Linsen im Brechungsindex, Kollimierungsfehler (nicht wirklich parallele Lichtbündel), Fehljustierung der Strahlungsquelle oder der Sensorstellung, exzentrische oder nicht mit dem Lichtpfad fluchtende Abtastmechanismen, Toleranzen in der das Sensorsignal konditionierenden Elektronik, Änderungen in der Ausgangsleistung der Strahlungsquelle, irreguläre Wölbungen der Abtasttrommel, Unruhe bei der Rotation der Abtasttrommel, Veränderungen der Rotationsgeschwindigkeit der Abtastrommel, Reduktion des Strahlungsanteils, der um den Gegenstand herum zum Sensor gelangt (insbesondere größere Objekte), Vibration oder Abschrägung des Objekts und Fehler, die mit der Bildverarbeitung verbunden sind, um eine Querschnittsdarstellung herzustellen, wenn eine Mehrebenenkonstruktion benutzt wird.
Diese und andere Anomalien werden in einem "Lernmodus" angesprochen, der während der Herstellung jeder einzelnen Meßvorrichtung benutzt werden kann. Genauer gesagt, nachdem eine Meßvorrichtung hergestellt wurde, kann sie in einen Zustand versetzt werden, in dem sie bekannte Teile mit einem Bereich von Außenabmessungen und in unterschiedlichen vertikalen Stellungen innerhalb des Strahlungsfensters beurteilt. Durch den Einsatz neuer Signalverarbeitungstechniken wird eine Kennzeichnung einer, einiger oder im wesentlichen aller mechanischen und optischen Anomalien dieser besonderen Meßvorrichtung hergestellt. Diese Kennzeichnung ist vorzugsweise in dem Speicher eines Mikroprozessorschaltkreises gespeichert. Im Betrieb wird die korrigierte Ausgangsgröße der Einrichtung fortwährend in Beziehung zu der Kennzeichnung bestimmt. Durch einen mathematischen Justieralgorythmus oder äquivalente Mittel wird eine korrekte akkurate Außenabmessung oder eine andere Abmessung angezeigt.
Die Kennzeichnung wird vorteilhafterweise geschaffen, indem Datenpunkte und -kurven wie im wesentlichen in den Fig.4(a)-(c) zusammengetragen werden. Die Dätenpunkte bestehen aus stellungsabhängigen Zeitzählimpulsen Ec und aus dimensionsabhängigen Zeitzählimpulsen Fc, da die Trommel rotiert. Der bevorzugte Prozessor beinhaltet einen freilaufenden Sperroszillator und Zähler, die gestartet werden, wenn der Sensor Strahlung erfaßt, und die während eines Schattens oder eines abgeschwächten Bildes gestoppt werden. Es ist ersichtlich, daß die Auflösung der Messung abhängig von der Frequenz des Oszillators ist und von der Durchtrittszeit des Schlitzes der Abtasttrommel durch das Strahlungsfenster. Wenn z.B. ein 25 mm (1 inch) großes Strahlungsfenster gescannt wurde und der Zähler 50.000 Schwingungen während dieser Zeit zählte, würde die Auflösung der Messung 25 mm (1") : 50.000 betragen, oder 0,0005 mm (0,00002").
Bei einer vertikal rotierenden Trommel muß die vertikale Position des zu messenden Gegenstandes im Strahlungsfenster ebensogut bekannt sein, wie sein Außendurchmesser. Es werden zwei Zähler bevorzugt. Ein Zähler zählt vom Start des Strahlungsfensters bis zum Start des Schattens des Gegenstands. Der zweite Zähler zählt vom Start des Strahlungsfensters bis zum Ende des Schattens des Gegenstands. Der Unterschied zwischen diesen beiden Zählern ist die tatsächliche Anzahl von Zählimpulsen während des Schattens des Gegenstands. Um dies besser zu veranschaulichen, kann eine grafische Darstellung für den Bereich von Startimpulsen gemäß der Darstellung in Fig.4(a) gezeichnet werden, die einen Positionsstartimpuls Ec in Abhängigkeit von dem Schattenweitenzählimpuls Fc illustriert. Wenn sich der Durchmesser des zu messenden Gegenstands 40 ändert, kann in solchen grafischen Darstellungen gemäß den Fig.4(b) und (c) und Schar von Kurven gezeichnet werden, die sich auf den wahren Außendurchmesser beziehen. Entsprechend bringt der "Lernmodus" eine Kennzeichnung hervor. Der Mikroprozessor oder Rechnermittel zeichnen die grafische Darstellung intern als eine mathematische Beziehung. Die Technik wird im allgemeinen als polynome Kurvenanpassung oder Regression bezeichnet; das bedeutet, eine polynome Gleichung zu erzeugen, um einen empirisch ermittelten Satz von Datenpunkten darzustellen. Unterschiedliche Kurvennäherungstechniken können benutzt werden, eingeschlossen, aber nicht begrenzt auf orthogonale polynome Kurven, Bezier-Kurven oder B-Splines. Alternativ kann eine Annäherung mit einer Datennachschlagetabelle anstelle einer linearen Regression benutzt werden.
Nachdem ein Satz bestimmter Gleichungen oder Tabellen für eine besondere Meßvorrichtung erzeugt wurde, wird er vorzugsweise in einem energieunabhängigen RAM-Speicher als eine Reihe von Koeffizienten gespeichert, die Gleichungen und/oder Kurven repräsentieren. Diese liefern die Kennzeichnung der Meßvorrichtung während deren Gebrauchsdauer. Für die Bereichsanpassung kann ein Eichschalter vorgesehen sein, um die gesamte Kennzeichnung für die umgebungsmäßige Feinabstimmung auf oder ab bewegen zu können. Während des Betriebs wird die von dem zu messenden Gegenstand abgelesene Zählung in einen Satz von Parallelgleichungen eingegeben, indem der resultierende Außendurchmesser berechnet wird. Der Nutzen dieser Technik ist es, niedrigpreisige optische Teile, geformte Kunststofftragstrukturen, weniger strenge Ausrichtung und Herstellungsbefestigung, und wenig aufwendigen Zusammenbau nutzen zu können. Daher kann eine Meßeinrichtung mit gleichwirkender Genauigkeit für ein Drittel bis zu einem Viertel der Kosten herkömmlicher Meßvorrichtungen hergestellt werden.
Es wird nun der bevorzugte Lern- und Betriebsmodus anhand der Ablaufdiagramme der Fig.2 und 10 beschrieben. Beim Lernmodus werden der Sensor 101 und der Unterbrecher 103 bei Stufe 102 konditioniert, verstärkt und quadriert. Die sich ergebenden Signale werden durch den Hardware- und Software-Synchronisierstufe 104 und durch die Zeitlogik 105 berechnet, um drei Signale zu liefern: B,E und D, die in die drei Zähler 106, 107 und 108 eingespeist werden. Der Zähler 108 speist dann das Signal in die Stufe 109, um B im Speicher zu speichern. Dies wiederum triggert Stufe 110, um ein Geschwindigkeitskorrekturverhältnis zu berechnen. Das Geschwindigkeitskorrekturverhältnis kompensiert Ungenauigkeiten in der Rotation der Abtasttrommel, die infolge Motor-Anomalien auftreten. Während des Lernmodus wird die Geschwindigkeit des Motors gespeichert und auf einen geeigneten Wert eingestellt. Während des Betriebsmodus wird dieser Wert mit einem aktuellen Geschwindigkeitswert verglichen. Wenn die beiden Signale unterschiedlich sind, korrigiert der Interpolationsalgorythmus entsprechend der Abweichung. Gemäß erneuter Bezugnahme auf Fig.2 gelangt das Signal E in den Zähler 107, in dem eine Zählung vom Start des Meßfensters bis zu der auflaufenden Kante des Schattens des Gegenstands gemäß 111 gemessen und in die Rechnerstufe 112 eingespeist wird. Das mit D definierte Signal (Start des Meßfensters zur Hinterkante des Objektschattens) wird in den Zähler 106a eingegeben und dann wird eine Zählung bis zu der Hinterkante in der Stufe 106 durchgeführt und in den Computeralgorythmus der Stufe 112 eingeführt. Die Anzahl der Zählimpulse während des Schattens, die durch das Signal F repräsentiert wird, wird in Stufe 130 berechnet und dann werden die Zählimpulse für F,E und B in Stufe 114 gespeichert. Der Lernmodus schreitet dann mit demselben Durchmesserbeispiel zu der nächsten horizontalen oder vertikalen Position gemäß Stufe 115, um eine Serie von Punkten zu entwickeln, die einen besonderen Durchmesser oder eine Außendimension repräsentieren, wie es durch das Beispiel OD&sub1; der Fig.4(b) und (c) illustriert wird. Als nächstes wird ein größerformatiges Muster gemäß Stufe 116 dem Lernmodus unterworfen und die Näherungen werden wiederholt, um eine Kurve gemäß OD&sub2; der Fig.4(b) und (c) zu entwickeln. Gemäß Stufe 116 können nachfolgende Muster eingeführt werden, um ähnliche Kurven OD&sub3; bis ODN zu erzeugen. Die Anzeigen der Zählimpulse in Fig.4(b) können an eine Kurve angepaßt werden, welche die lineare Regressionstechnik der Stufe 117 benutzt, wie des weiteren durch Fig.4(c) illustriert wird.
Gemäß dem Ablaufdiagramm der Fig.10 entspricht der Betriebsmodus im allgemeinen den Stufen für den Lernmodus mit der Ausnahme, daß die Ausgangsgröße der Stufe 110 in die Stufe 112 eingespeist wird, und daß die Stufe 113 in die Analyse- und Interpolationsalgorythmen der Stufe 120a und b eingespeist wird, in der neue Kompensationssoftware die Kennzeichnung mit den im System während des Lernmodus bestimmten Nichtlinearitäten und Fehlausrichtungen vergleicht und korrigiert, um einen Dimensionswert zu liefern, der mit der Stufe 121 angezeigt werden kann. Dieser Algorythmus ist in den Fig.11(a)-(c) für ausgewählte E-Werte grafisch dargestellt.
Es wird nun das Blockdiagramm der Fig.5 für die bevorzugten Prozessormittel beschrieben. Der Lichtsensor 201 und der Unterbrecher 202 speisen in den Signalkonditionierverstärker 203 bzw. in den Quadrierungskreis 204. Die Ausgangsgrößen dieser beiden Schaltungen werden dann in die Zeitlogik 205 eingespeist, um Signale B,E und D herzustellen, die in einen mit Einzelzählern bestückten Zähler 207 eingespeist werden. Ein Kristalloszillator 206 liefert den Taktimpuls für alle drei Zähler. Seine Frequenz in Verbindung mit der Abtastgeschwindigkeit bestimmt ebenfalls die Auflösungsfähigkeit der Meßvorrichtung.
Die Ausgangsgrößen der Zähler 207 werden in einen Mikroprozessor oder in Prozessormittel gemäß dieser Erfindung eingespeist, die vorzugsweise eine CPU 214 (zentrale Recheneinheit), einen signalbearbeitenden Programmspeicher im ROM 212, ein Lernprogramm im ROM 213, Kennzeichnungskoeffizienten oder Nachschlagetabellen in einem energieunabhängigen RAM 208 und eine Ein/Ausgabe-Einheit I/O 209 für eine Tastatur 211 und eine Anzeigeeinrichtung 210 und Ausstattungsoptionen, wie englisch/metrisch und undurchsichtig/Glas hat. Zusätzlich ist ein Daten- und Adressenpuffer 215 mit externen Optionsmodulen 216 erbunden, um den Benutzer mit installierbaren Nachrüstungen versorgen zu können. Die CPU ist das Gehirn, welches die in den beiden ROM-Speichern enthaltenen Programmanweisungen interpretiert. Jeder Mehrzweckrechner kann benutzt werden. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist ein Intel 8052 Mikrocomputer eingebaut.
Die Ausgangsgrößen der Prozessormittel stellen korrigierte Messungen einer mehrstelligen Anzeigeeinrichtung dar, in einer Weise, die durch die Tastatur bestimmt wird. Die Tastatur enthält, ist aber nicht darauf beschränkt, Schalter für den Ansprechpunkt, den tatsächlichen Außendurchmesser, die Abweichung des Außendurchmessers von dem Ansprechpunkt oder Sollwert, die Systemeingangsgrößen (Datenprotokoll, Meßidentifizierung, etc.) und Relaistoleranzen-Einstellpunkte. Diese können individuelle Schalter oder Schalter sein, die in Kombination miteinander benutzt werden, um eine bestimmte Funktion zu selektieren. Der Daten- und Adressenpuffer 215 liefert Mikroprozessorsignale, die für die externen Optionsmodule zugänglich sind. Diese Module können die Daten in geeignete Ausgangsgrößen transformieren, die durch die Funktion der Optionsmodule bestimmt werden. Funktionen wie z.B. Analogspannung, Alarmrelais, Paralleldrukker, Steuerschleifen und ein Host oder andere Merkmale können benutzt werden.
Es wird nun das bevorzugte elektrische schematische Diagramm der Fig.9 erläutert. Ein Signal, das durch die optische Meßabtasteinrichtung erzeugt wurde, deren bevorzugtes Schema in Fig.8 dargestellt ist, wird als SIG. AP durch das Gatter 402 eingeführt. Die Gatter 401 bis 404 sind Schmitt-Trigger-Eingangs-NAND-Gatter, die für die Signalkonditionierung benutzt werden. Ein anderer Eingang zu dem Schaltkreis kommt von dem SIG.I genannten Unterbrecher. Dieser Unterbrecher kann ein optischer Schalter sein, wie die Schaltelemente 405 und 406, oder ein magnetischer Schalter, der bestimmt, wann der Abtastschlitz im Meßfenster ist. Es werden Flip-Flops 410 bis 412 benutzt, um geeignete Takte für das Bestimmen des Schattenbereichs und des Gegenstands zu erzeugen und also für seinen angezeigten Durchmesser. Flip-Flop 413 signalisiert dem Mikroprozessor, wann die Messung durchzuführen ist. Der Mikroprozessor setzt dann dieses Flip-Flop für die nächste Scannerumdrehung zurück. Das Flip- Flop 415 wird benutzt, um die beiden lichtundurchlässigen Kanten eines Glasgegenstandes oder eines transparenten Gegenstandes zu detektieren. Ein Multiplexer 420 kann vorgesehen werden, um das reguläre Ausgangssignal eines lichtundurchlässigen Gegenstandes vom Flip-Flop 411 oder das transparente Signal vom Flip-Flop 415 auszuwählen. UND-Gatter 421 und 422 definieren des weiteren die Pulslänge der Schattenmessung. Signale B,D und E sind zählerfreigebende Eingangsgrößen, wobei der Mikroprozessor die Zähler liest, um die angezeigten Durchmesser zu bestimmen. Die Wirkung dieses Schaltkreises wird im Folgenden beschrieben. SIG.I passiert die Gatter 404 und 403, wo es zweifach mit Hysterese invertiert wird, um ein Konditionierungssignal X zu liefern, das weiter in den Zeitdiagrammen 9(a)-(c) illustriert wird. X wird benutzt, um die Zeitflip-Flops 410,411,412 und 415 freizugeben und dann die Flip-Flops zurückzustellen, um sie für die nächste Umdrehung des Scanners zu präparieren. SIG. AP des Scanners passiert das Gatter 402, wo es mit X geANDed und dann wie in /A dargestellt invertiert wird. Durch 401 wird es erneut invertiert, um das konditionierte Signal A zu liefern. Wenn im Fenster der Meßvorrichtung kein Gegenstand ist, stellt Fig.9(a) die resultierenden Signale A und B dar. B ist die tatsächliche Länge des Meßfensters und wird benutzt, um das Meßfenster on-time einzurichten. In Fig.9(b) wird ein lichtundurchlässiges Objekt im Meßfenster angeordnet, obwohl es sich versteht, daß transparente oder lichtdurchlässige Objekte ebenfalls gemessen werden können. Signal A zeigt die Wirkung des Objektschattens als einen negativ ausgerichteten Impuls, dessen Dauer den Durchmesser des Objekts anzeigt. Zu Beginn des Meßfensters taktet das Signal A die Flip- Flops 410 und 411 an der auflaufenden Kante. Der Eingang von 410 ist auf hoch gezogen und liefert ein kontinuierliches hohes Ausgangssignal Q (Signal B), wenn getaktet wird, bis 410 durch X zurückgesetzt wird. Das Flip-Flop 411 ist als bistabiles Element konfiguriert. Wenn es das erste Mal während eines Abtastvorgangs durch das Signal A getaktet wird, geht der Ausgang von Q hoch. Der nächste hohe Übergang veranlaßt Q, niedrig zu werden. Das wird weiter erklärt durch Fig.9(b), Signal DP. Signal DP präsentiert das Meßsignal von dem Beginn des Abtastfensters bis zu der Hinterkante des Objektschattens. Dieses Signal DP gelangt sowohl zu dem Flip-Flop 415, wie auch zu dem Multiplexer 420. Wenn das Auswahlsignal /GLASS für den Multiplexer 420 doch ist, passiert das Signal DP den Multiplexer 420 und wird das Zählerfreigabesignal D. Das Signal DP taktet auch das Flip- Flop 415, wenn Glasobjekte gemessen werden. Bei dem Flip-Flop 412 verursacht ein hohes B Signal den Signalausgang /Q (EP) niedrig zu werden, wenn das Komplement des Signals A (/A) hoch wird, wie in Fig.9(b) dargestellt ist. Das Signal EP liefert das Signal E, wenn es mit dem Signal D geANDet wird. Das Signal E bildet die Zählerfreigabe vom Beginn des Scannfensters bis zu der auflaufenden Kante des zu messenden Gegenstands. Wenn der Mikroprozessor E von D abzieht, wird der angezeigte Durchmesser des Objekts gemessen. Signal F ist auch der angezeigte Durchmesser des Gegenstands, abgeleitet durch das UND-Gatter 421 und wird als Testgröße benutzt.
Wenn ein transparenter oder lichtdurchlässiger Gegenstand gemessen wird, arbeitet die Schaltung in ähnlicher Weise, wie zuvor beschrieben. Der Unterschied beim Messen transparenter oder lichtdurchlässiger Objekte ist es unter Bezugnahme auf Fig.9(c), daß das Signal A zwei negative Impulse hat, statt eines. Diese zwei Impulse stellen die beiden lichtundurchlässigen Kanten oder Schatten eines transparenten Gegenstands dar und werden kombiniert, um das Zählerfreigabesignal D zu liefern. Das Signal D erscheint dann dem Prozessor als ein Schatten und kann inderselben Weise behandelt werden, wie im Fall der Lichtundurchlässigkeit. Gemäß Fig.9(c) beinhaltet das Signal A drei ansteigende Kanten, von denen die erste das Flip-Flop 411 taktet, so daß Q hoch ist. Die zweite ansteigende Kante veranlaßt Q, niedrig zu werden. Die dritte ansteigende Kante veranlaßt Q hoch zu bleiben, bis der Rückstellimpuls X erscheint. Dieses Ausgangssignal DP taktet Flip-Flop 415, so daß die erste ansteigende Kante den Q des Flip-Flops 415 veranlaßt, hoch zu werden. Die zweite positive Kante des Signals DP veranlaßt Q niedrig zu werden und zu bleiben. Wenn die /GLASS-Leitung niedrig ausgewählt ist, z.B. durch Bedienungsschalter oder ein anderes programmierbares Verfahren, wird von Q über den Multiplexer 420 das Ausgangssignal D abgeleitet. Die verbleibenden Signale B,E und F werden in derselben Weise erhalten, wie im Fall der Lichtundurchlässigkeit.
Die neuen Verfahren zum Messen einer Dimension eines Gegenstandes nach den Lehren dieser Erfindung sind wie folgt: Zuerst wird eine Kennzeichnung gespeichert, die für einen mit der Messung einer bekannten Abmessung verbundenen Fehler repräsentativ ist. Dann wird die Strahlung auf den Gegenstand gerichtet, womit ein Bild erzielt wird, das aufgenommen und in ein dem Bild entsprechendes Signal umgewandelt wird. Dann wird dieses Signal verarbeitet, um wenigstens eine Ausgangsgröße zu liefern, die für die Abmessung des Gegenstands repräsentativ ist. Während dieses Bearbeitungsschritts wird die Ausgangsgröße in Beziehung zu dem zuvor gespeicherten Kennzeichen bestimmt. Das neue Verfahren kann auch eine vertikal rotierende Trommel beinhalten, mit einer Öffnung, zwei einander etwa gegenüberliegend angeordneten Schlitzen auf seiner Oberfläche und anderen Ausbildungen, wie sie zuvor für die Meßvorrichtung beschrieben wurden. Der Abtastschritt kann beinhalten, das Bild und einen Teil der Strahlung auf die vertikal rotierende Trommel zu geben. Das beim Abtasten übertragene Licht kann dann z.B. durch einen Fotodetektor in ein Ausgangssginal umgewandelt werden. Der Verfahrens schritt kann die Bestimmung einer aus/ein-Zeitbeziehung des Fotodetektors beinhalten. Er kann auch das Vergleichen der Ausgangsgröße mit einem Signal der Kennzeichnung beinhalten, das bezüglich wenigstens eines optischen, mechanischen oder elektrischen Fehlers kompensiert ist. Im Hinblick auf die mechanischen Fehler kann der Verfahrensschritt die Ausgangsgröße in Bezug auf einen Ausrichtungsfehler von mehr als etwa 0,025 mm (0,001"), vorzugsweise mehr als etwa 1,27 mm (0,05") und höchst vorzugsweise mehr als etwa 6,35 mm (0,25") korrigieren. Wie im Fall der optischen Meßvorrichtung kann der Verfahrensschritt des verbesserten Verfahrens das Mitteln einer Mehrzahl von Lichtintensitätserfassungen des Fotodetektors beinhalten, um das Abschrägen des zu messenden Gegenstands zu kompensieren. In ähnlicher Weise können sowohl die vertikale als auch die horizontale Verstellung des Gegenstands während eines Abtastschrittes kompensiert werden. Außerdem können alle die vorhergehend diskutierten Anomalien bei der berührungslosen optischen Messung von Dimensionen kompensiert werden, indem die neue Methoden dieser Erfindung benutzt werden, einschließlich die Korrektur der die Abmessungen betreffenden Ausgangsgrößen wegen nicht perfekter Kollimierung, vertikaler und horizontaler Verstellung und Abschrägung des Gegenstands.
Die Lehren dieser Erfindung können in einer Vielzahl von Konstruktionen angewendet werden. Eine solche Konstruktion ist eine Zwei-Ebenen-Meßvorrichtung, in der ein Strahlteiler und ein Rechtwinkel-Spiegelpaar benutzt werden, nachdem eine Strahlungsquelle einen Trommelscanner durchstrahlt hat und vor der Beleuchtung eines Gegenstandes mit Strahlung. In einer derartigen Ausführungsform kann kollimiertes Licht in voneinander um 90º getrennte Richtungen getrennt werden, um eine andere Meßachse für den Gegenstand zu bilden.
Als weitere Konstruktion kann eine Viel-Ebenen-Meßvorrichtung hergestellt werden, indem das Zwei-Ebenen-Konzept erweitert wird. In einer solchen Ausführungsform können Viel-Ebenen- Messungen erreicht werden, indem ein Vielflächen-Strahlteiler benutzt wird, eine Mehrzahl von Rechtwinkel-Spiegelpaaren und eine Mehrzahl von Linsensensor-Empfängern. Durch Abänderungen des Verfahrens kann ein Querschnitt eines Gegenstands, z.B. eines Rohrs oder einer Stange angezeigt werden.
In einer weiteren Konstruktion können eine Wandstärkenmeßvorrichtung und ein -verfahren eingerichtet werden, indem Nuklearstrahlung benutzt wird, wie z.B. Röntgen-Strahlung. Durch Substutiierung einer Röntgenstrahlungsquelle und eines für Röntgenstrahlen empfindlichen Sensors in den vorbeschriebenen Konstruktionen kann die Wanddicke eines Gegenstandes gemessen werden, der innere Ausnehmungen aufweist. Auf diese Weise können Rohre und andere Zylinder gemessen werden. Diese Idee kann des weiteren ausgenutzt werden, um ein Querschnittsbild eines Gegenstandes durch den Gebrauch einer Strahlungsquelle für Röntgenstrahlung und eine vorbeschriebene Viel-Ebenen-Konfiguration herzustellen. Durch geeignetes Verfahren kann ein Echtzeit-Bild des Querschnitts eines lichtundurchlässigen Rohrs auf einer Kathodenstrahlröhre für visuelles Inspizieren und Verfahden sichtbar gemacht werden.
In einer noch anderen Konstruktion kann eine Vorrichtung zum Korrigieren nichtparalleler Lichtbündel konstruiert werden, die als Resultat nicht perfekter Kollimierung auftreten. Durch die Benutzung ähnlicher Softwarekorrekturtechniken, wie vorhergehend beschrieben, in Verbindung mit einer vertikalen Trommel, kann eine Niedrigpreiseinrichtung hergestellt werden, um nicht perfekte Kollimierung zu überwinden. Dieses Merkmal ist allgemein wünschenswert, weil die meisten anderen Kollimierungsmethoden auf kostenaufwendigen und nahezu perfekten Ausrichtungen von Optiken und von Quellen für fokussiertes Licht beruhen. Bei dieser alternativen Konstruktion wird eine vertikale Trommel benutzt, die auf einer Seite einen schmalen Schlitz und 180º entfernt vom Schlitz eine große Öfnung hat, z.B. größer als die Weite des Lichtstrahls. Die Fokussierlinse und der Sensor dieser Ausführungsform würde hinter der Trommel angeordnet sein, statt an der bevorzugten Stelle innerhalb der Trommel. Die große Öffnung würde es daher dem Sensor erlauben, den Schlitz sowohl in der auflaufenden Kante als auch in der Hinterkante des Lichts zu sehen. In dem Fall, in dem das Licht der Lichtquelle konvergiert, würde das Bild des Objekts (X&sub1;) größer sein, wenn der Schlitz das nichtparallele Lichtbündel dicht am Gegenstand passiert, siehe Fig.1(a). Dementsprechend würde das Bild (X&sub2;) kleiner sein, wenn der Schlitz durch das nichtparallele Lichtbündel 180º entfernt von dem ersten Punkt gemäß Fig.1(b) durchläuft. Durch Messung an der Front- und an der Hinterkante des Lichtpfades relativ zum Trommeldurchmesser resultiert jede Konvergenz oder Divergenz in dieser Sache in zwei unterschiedlichen Meßwerten. Es versteht sich des weiteren, daß die Front- und Hintermessungen sich ebenso ändern würden, wenn der zu messende Gegenstand horizontal bewegt wird. Die Beziehung zwischen diesen Messungen kann benutzt werden, um einen Korrekturfaktor für nicht perfekte Kollimierung einzurichten. Der Korrekturfaktor kann eingerichtet werden, indem der früher beschriebene "Lernmodus" benutzt wird. Durch das horizontale Vor- und Zurückbewegen von Proben während der Messung kann eine Kennzeichnung für die Anomalie der Kollimierung erhalten werden. Die Beziehung zwischen den Messungen an den Front- bzw. Hinterkanten zur horizontalen Position in dem Meßfenster kann erfaßt und in einem energieunabhängigen Speicher für späteren Aufruf während aktueller Messungsverfahren gespeichert werden.
Aus dem vorhergehenden ist ersichtlich, daß diese Erfindung eine berührungslose optische Meßvorrichtung vorschlägt und ein Verfahren zum Bestimmen des genauen Außendurchmessers, der Wanddicke oder anderer dimensionaler Messungen mit einem hohen Grad von Genauigkeit. Die Erfindung weicht von dem Stand der Technik dadurch ab, daß sie einen Lernmodus zum Kompensieren innewohnender Ungenauigkeiten und Nichtlinearitäten des optischen/mechanischen/elektrischen Systems einführt. Das befähigt die Einrichtung im Sinne einer Herstellung mit weniger scharfer Komponentenqualität und -genauigkeit, um einen im Sinne geringer Kosten und geringer Abnahme entworfenen Zugang zu optischen berührungslosen Meßvorrichtungen und Verfahren zu liefern. Obwohl verschiedene Ausführungsformen illustriert wurden, war dies zum Zweck der Beschreibung und nicht zur Beschränkung der Erfindung. Verschiedene Abänderungen, die für den Fachman ersichtlich sind, sind in dem Schutzbereich dieser Erfindung, die in den anhängenden Ansprüchen beschrieben wurden. Optischer Meßscanner (Fig.8) Bezugszeichen-Nr. Name Wertangabe etc. Fotodiode Widerstand Kapazität Transistor Prozessorkreis (Fig.9) Bezugszeichen-Nr. Name Wertangabe, etc. NAND Gatter L.E.D. Fototransistor Widerstand Flip-flop Multiplexer UND Gatter Unterbrechermodul

Claims

1. Eine berührungslose optische Vorrichtung zum Messen einer Abmessung eines Objekts, mit einer Strahlenquelle (10) für das Richten von Strahlung auf ein Objekt (40), um einen Schatten innerhalb eines Strahlungsfensters zu erzeugen, mit einem Scanner (70) zum Aufnehmen des von der Strahlung erzeugten Schattenbildes des Objekts und zur Erzeugung eines dem Schattenbild entsprechenden Signals, und mit einem Prozessor (208 bis 216) zum Aufnehmen des Scannersignals, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung einen Speicher zum Speichern einer Kennzeichnung aufweist, die durch Ausmessen vielzähliger Testobjekte bekannter Abmessungen an verschiedenen Stellen in dem Strahlungsfenster hergestellt ist, daß die Kennzeichnung eine oder mehrere mathematische Beziehungen aufweist, die für einen mit dem Messen der bekannten Abmessungen der vielzähligen Testobjekte verbundenen Fehler repräsentativ sind, und daß der Prozessor (208 bis 216) das Signal des Scanners (70) aufzunehmen und wenigstens eine Ausgangsgröße zu erzeugen vermag, die repräsentativ für die Abmessung des gemessenen Objekts ist, wobei der Prozessor die Ausgangsgröße in Relation zu der Kennzeichnung bestimmt.

Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (10) ein lichterzeugendes Element aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (10) eine lichtemittierende Diode aufweist.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle ein Element (30) zum Kollimieren der Strahlung aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Scanner eine vertikal rotierende Trommel (70) mit einem horizontalen Schlitz (90) aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Prozessor ein Element zum Bestimmen einer Abweichungsbeziehung des Scanners von der Zeit aufweist.

7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Prozessor ein Element zum Korrigieren der Ausgangsgröße in Abhängigkeit von einer Fehlausrichtung von mehr als etwa 1,27 mm (0,05 inches) aufweist.

8. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Prozessor ein Element der Mittelung der Lichtintensitätsablesungen aufweist.

9. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Prozessor ein Element zum Korrigieren der Ausgangsgröße infolge ungenauer Kollimation aufweist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Prozessor ein Element zum Korrigieren der Ausgangsgröße durch Vergleichen der Ausgangsgröße mit einer Kennzeichnung aufweist, die wenigstens einmal wegen optischer, mechanischer oder elektrischer Fehler kompensiert wurde.

11. Verfahren zum Messen einer Abmessung eines Objekts mit einer berührungslosen optischen Vorrichtung, bei dem Strahlung einer Strahlungsquelle (10) auf ein Objekt (40) gerichtet wird, um einen Schatten innerhalb eines Strahlungsfensters zu erzeugen, bei dem das Schattenbild des Objekts gescannt und ein dem Schattenbild entsprechendes Scannsignal erzeugt wird, und bei dem das Scannsignal verarbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß viele Testobjekte bekannter Abmessungen an verschiedenen Stellen in dem Strahlungsfenster gemessen werden, wovon eine Kennzeichnung erzeugt und gespeichert wird, die eine oder mehrere mathematische Beziehungen aufweist, welche repräsentativ für einen Fehler sind, der in Verbindung mit dem Messen der bekannten Abmessungen der vielzähligen Testobjekte steht, und bei dem das Scannsignal in Beziehung zu der Kennzeichnung verarbeitet wird, um wenigstens eine Ausgangsgröße zu erzeugen, die repräsentativ für die Abmessung des gemessenen Objekts ist.