DE7401468U - Geraet zum abtasten einer gegenstandskontur - Google Patents

Geraet zum abtasten einer gegenstandskontur

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Description

G 7h 014 68.9 63/73 DGbm
25.3.76
BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)
J 'Gerät zum Abtasten einer Gebenstandskontur"^--^
Die Neuerung bezieht sich auf ein Gerät zum Abtasten einer Gegenstar.dskontur mit einem Laserstrahlbündel. Solche Geräte werden vielfach zur Lagebestimmung von Gegenständen, bzw. von Gegenstandskonturen verwendet.
Die Genauigkeit der Lagebestimmung von Gegenständen mittels abtastenden Laserstrahlbündeln ist im allgemeinen von den
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Querschnittsabmessungen des verwendeten Strahlenbündels abhängig, was zu einer Begrenzung der Messgenauigkeit oder zu erhöhtem Aufwand für die Stranlbündelbegrenzung führt, Aufgabe der Neuerung ist daher die Schaffung eines Abtastgerätes der eingangs genannten Art, das sich durch weitgehende Unabhängigkeit von den Querschnittsabraessungen des Abtaststrahlbündels im Hinblick auf die Genauigkeit der Lagebestimmung auszeichnet und einen dementsprechend geringen Bauaufwand aufweist.
Die neuerungsgemässe Lösung dieser Aufgabe kennzeichnet sich bei einem Gerät der eingangs genannten Art dsriurrihdass es einen Laser-Sender mit einem optischen Resonator enthält, der entsprechend dem TEMOO-Mod bemessen ist.
Bei einem solchen Laser-Sender weist die Strahlungsenergiedichte in ihrer Verteilung über den Strahlbündelquerschnitt ein markantes Maximum auf, welches beim Passieren der Gegenstandskontur entsprechend markante Detektionssignale bzw, Detektionssignaländerungen zu erzeugen gestattet. Das Schneiden des äusseren Strahlbündelrandes durch die Gegenstandskontur kann dagegen ausser Betracht bleiben. Damit wird die Lagebestimmung nicho mehr mittels eines von den Querschnittsabmessungen des Strahlbündels abhängigen Kriteriums durchgeführt, sondern mittels der genannten Funktionseigen-
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schaft der Strahlungsenergiedichte innerhalb des Strahlbündelquersehnitte.
Die neuerungsgemMsse Einrichtung kann insbesondere ssur Bestimmung von Abmessungen von optisch gegen ihre Umgebung kontrastierenden, z.B. opaken Körpern, verwendet werden. Hierzu gehurt u.a. die Durchmesserbestimmung von Körpern mit diskontinuierlicher oder prismatischer Umfangsfläche oder Umfangskontur, etwa von bescha'ufelten Turbinenrotoren oder dergl,, wobei die DurchmesserbeStimmung vorteilhaft an dem um seine Symmetrieachse rotierenden Körper ausgeführt werden kann.
Die Neuerung wird weiter anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Hierin zeigt
Fig.l ein Diagramm des Verlaufs der Strahlungsenergiedichte
über einen Durchmesser eines bei der Neuerung verwend -baren Laserstrahlbündels,
Fig.2 ein Zeitdiagramm der Energie bzw. Leistung eines
einen abzutastenden Gegenstand passierenden Teilstrahlbündels bei der Relativbewegung,
Fig.3 ein Blockdiagramm einer neuerungsgemässen Einrichtung zur Durchmesserbestimmung eines rotationssymmetrischen Körpers
und
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" - *4 ·- 65/73
Fig.4 einen abgewandelten Teil der Einrichtung gemäss Fig.3 .
In Fig.l ist der Verlauf der Strahlungeenergiedichte I In einer diametralen Richtung χ eines Laserstrahlbündels durch die Kurve 1 dargestellt. Eine solche Verteilung der Strahlungsenergiedichte - genauer der Strahlungsleistungsdichte - findet sich bei einem Strahlbündel, das von einem im TEMOO-Mod schwingenden Sender erzeugt wird. Es handelt sich um eine Glockenr kurve entsprechend einer Graues*sehen Verteilung mit einem einzigen Maximum 2, zu dem die Kurve symmetrisch verläuft*
Wenn das Strahlbündel fortschreitend durch einen sich in Richtung f relativ zum Strahlbündel liivegenden Körper von z.B. opaker Beschaffenheit mit der Kontur E abgedeckt wird, so ergibt sich bei einer Stellung χ der Kontur E für die Strahlungsenergie J des den Gegenstand passierenden Teilstrahlbündels entsprechend dem schraffierten Teil der Fläche unter der Glockenkurve:
1) J(xo) = J Kx) dx
- xo
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Die P.elativbewegung erfolgt zweckmässig mit konstanter Geschwindigkeit, so dass rr.it dem gleichen Ergebnis das Wegintegral durch ein Zeitintegral ersetzt werden kann. Es ergibt sich dann mit Ein:'LL-.rung von χ = v.t (v = Geschwindigkeit, t = Zeit) für die Strahlungsenergie J des den Gegenstand passierenden Teilstrahlblindeis ein Zeitverkauf gemäss Kurve 3 in Fig.2. Hierin nimmt J von einem der Strahlungsenergie des Gesarr.tstrahlbündels entsprechenden Maximum k mit der Ordinate J\T bei vollständig unabgedecktem Strahlbändel ausgehend zuerst langsamer, dann rascher bis zu einer maximalen Abnahmegeschwindigkeit im Wendepunkt 5 der Kurve 3 ir.it äer Ordinate JM/2 und anschliessend wieder langsamer ab. Der Wendepunkt 5 entspricht mit seinem Zeitpunkt t dem Durchlaufen des Punktes χ = 0 durch die Kontur E in Fig.1.
Die Einrichtung gemass Pig.3 dient z.3. zur Durchmesserbestimmung eines opaken, zylindrischen Körpers 5 und umfasst einen im ΐΞΚΟΟ-Kod schwingenden Sender 7, der ein Laserstrahlbündel 8 mit diametraler Energiedichteverteilung gemiLss Kurve 1 in Fig.1 erzeugt. Das StrahlbUndei 8 trifft einen halbreflektierenden Spiegel 9a, der unter n-5° gegen die Achse des Strahlbündels 8 gensigt ist und einen Teil 8a in einer zur Achse A des Körpers ■o rechtwinkligen Ebene reflektiert. Der Teil 8a des Strahlbun-
10a
dels trifft auf die Eingangsfläche/eines Pentaprismas 10 auf eine-Ti Schlitten 11, der mittels einer Spindel 12 mit konstanter Geschwindigkeit in Richtung des Pfeils 13 parallel zum Teil 8a des Strahlbündels 8 verschoben werden kann. Das linke Ende der Spindel 12 ist bei 14 gelagert, das rechte ist mit einem elek-
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trischen Antriebsaggregat 15 gekuppelt. Gegenüber der Ausgangsfläche 10b des Penöaprismas 10 ist ein optisches Visier 15 angeordnet, welches die Ausrichtung des Strahlbündels auf ir_mer dergleichen Punkt der Ausgangsfläche 10b ermöglicht, und zwar nach Totalreflexion an zwei Flächen des Pentaprismas mit einer gesamten Strahlablenkung von 90 · Wenn die Ausgangsstrahlbündel Sd1 bzw. ζάο bei entsprechender Stellung des Schlittens 11 schnittfrei zur rechten oder linken des Körpers δ vorbeitreten, so gelangen sie vollständig über einen weiteren halbreflektierenden Spiegel 9~d zu einer.· Diffusor i8a bzw. i8b. Von hier gelangt jeweils ein definierter Anteil der Strahlbündel zum Eingangsfenster eines phctoelektrischen Wandlers 19a bzw. 1'9b. Der Ausgangsstrom der letzteren gelangt über eine Leitung 20a bzw. 20b zum Eingang einer - gegebenenfalls mit Verstärkersn versehenen - Teilerschaltung 21a bzw. 21b. Ein Teil 3b des Strahlbündels 8 gelangt über den Spiegel 9b zu einem photoelektrischen Hilfswandler 22 dessen Ausgangsstrom über eine Leitung 23 parallel zu je einem zweiten Eingang der Teilerschaltungen 21a und 21b, deren Ausgangsstrom dem Quotienten aus dem über Leitung 20a bzv;. 20b einerseits und dem über Leitung 23 andererseits zugeführten Strom entspricht und seinerseits zu einem ersten Eingang eines Vergleichers 24a bzw. 24b geführt ist. Die zweiten Eingänge dieser Vergieicher sind gemeinsam mit einem dem Bruchteil 1/2 entsprechenden Strom beaufschlagt, und zwar über eine Leitung
Der Ausgangsstrorn des Hilfswar.dlers 22 speist einerseits die Leitung 23 und andererseits parallel den Dividendeneingang einer Teilerschaltung 25 und den Divisoreingang einer Teilerschaltung
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-■"' ' ' AU
27, deren Dividendeneingang mit dem Ausgang der Teilerschaltung 25 verbunden ist. Die Leitung 25 ist an den Ausgang der letztgenannten Teilerschaltung angeschlossen.
Ein Unterteil 3c des Teilstrahlbündels 8a wird an der Eingangsfläche 10a des Pentaprisisas 10 reflektiert und durchquert den haibreflelctierenden Spiegel 9a zu einem Michelson-Interferometer 28 bekannter Art mit einem Interferenzzähler 28a, dessen Rückstellung auf Null durch ein vom Ausgang des Vergleichers 24a über eine Leitung 29 einem Rückstelleingang 28b zugeführtes elektrisches Signal bewirkt wird. Der Ausgang des Vergleichers
15a
ist über eine Leitung 30 mit einem Arretiereingang/des Antriebsaggregate 15 verbunden.
Die Arbeitsweise der Einrichtung ergibt sich wie folgt: Der Schlitten 11 nehme seine rechte, in ausgezogenen Linien dargestellte Ausgangslage gemäss Fig.3 ein, wobei das Strahlbündel Sd1 den Körper δ schnittfrei passiert. Nun wird das Antriebsaggregat 15 eingeschaltet und damit der Schlitten 11 mit dem Pentaprisma 10 in Richtung des Pfeils 13 verschoben. Der Ausgangsstrom des Wandlers 19a büeibt nun konstant gleich einem zu J.. proportionalen Wert, bis die rechte Kontur des Körpers 5 in den Querschnitt des Strahlbündels 8d eintritt und diesen anschliessend fortschreitend abdeckt. Weil der Ausgangsstrom des Kilfswandlers 22 proportional zur Gesamtenergie des Strahlbündels Sd1 ist (Jj.. ge mass Pig.2), bildet der Ausgangsstrorn der TeHerschaltung 21a während der fortschreitenden Abdeckung des
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■- 8'-
Strahlbündels Sd^ durch die Kontur E1 des Körpers 6 das Verhältnis J/J^ proportional ab. So lange der Wert dieses Verhältnisses kleiner als 1/2 ist, führt die Leitung 29 vom Ausgang des Vergleichers 24a keinen Strom. Wenn dagegen J den Wert Jr/2 unterschreitet, so erscheint auf Leitung 29 ein Impuls, welcher den Zähler 28a des Interferometer's 23 auf Null zurückstellt.
Diese Biicks te llung erfolgt zum Zeitpunkt t gemäss Fig. 2 mit grösster Genauigkeit, weil sich die Energie des den Körper passierenden Teilstrahlbündels im Wendepunkt 5 der Kurve 3 mit maximaler Geschwindigkeit ändert (At ist hier für einen gegebenen Wert von Δ J minimal). Es ergibt sich so eine hochgenaue Lagebestimmung der Kontur E-. des Körpers 6.
Die Bewegung des Schlittens 11 und damit des Pentaprismas 10 nach links gemäss Fig.3 V7ird fortgesetzt, bis der linke Querschnitt srand des Strahlbündels Sd^ die linke Kontur E2 des Körpers ο passiert. Nun erzeugt der Wandler 19b einen bis zu einem Maximalwert entsprechend der Gesamtenergie J., des otrahlbündels Sd ansteigenden Ausgangsstrom bei vollständiger Freigabe des Strahlbündelquerschnitts von 8dp durch den Körper Wie vorher entspricht der Ausgangsstrom der Teilerschaltung des zugehörigen Wandlers 19~Dj d.h. der Teilerscnaltung 21b, dem Verhältnis J/J'*,. Leitung 30 ist stromlos, bis das genannte Verhältnis über· den V.ert I/2 ansteigt, d.h. bis zur hälftigen Freigabe des Strahlbünde!querschnitts von 8dp. Nun bringt ein Stromimpuls auf Leitung 30 vom Ausgang des Vergleichers 24b das Antriebsaggregat 15 über dessen Eingang 15a und damit den Schlitten
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11 zum Stillstand. Aus dem abgelesenen ;:^and des Zähler-- 2ba in Verbindung mit der Kenntnis der Laserwellenlänge kann nun leicht der Abstand der beiden Schaltstellungen des Schlittens 11 und des Pentaprismas 10, d.h. der Abstand der Konturen E1 und Ξ entsprechend dem gesuchten Durchmesser bestimmt werden.
Diese Durchmesserbestimmung ist auch bei rotierendem Körper ö möglich. Weiterhin können allgemein beliebige Umfangsstellen des Körpers hinsichtlich ihrer lage bzw. ihres Raaialetbstand.es bestinunt werden. Die Genauigkeit dieser lage- oder Abaessungsbestinimung ist unabhängig von etwaigen Schwankungen der Strahlenergie bzw. -leistung, TTeil diese Grosse nur in dem Verhältnis J/J,T benutzt wird.
Die beschriebene Einrichtung und ihr Arbeitsverfahren kennen in mannigfaltiger Weise innerhalb der Srfindungsgedanken abgewandelt werden, z.B. wie folgt:
Die Verwendung eines Lasersenders mit dem Schwingungsmod TEMOO ist keine zwingende Bedingung. Vielmehr können alle Moden eingesetzt werden, bei denen ein singuläres Element innerhalb der Er.orgiedichteverteilung über den Strahlbündelquerschnitt vorhanden ist. Insbesondere ist es ausreichend, wenn die Kurve der Er.^r^iedichte in einer zur Gegenstandskontur rechtwinkligen •-.ic η tuns oder in mehreren solcher Richtungen (gemäss Fig. 3 z.3. parallel zur. Radius A - Ξ.) ein vorzugsweise symmetrisch ar.^ocrdnetes, einziges Maximum aufweist. Auch eine bezüglich ihres »Maximums unsymmetrische Energiedichtekurve kann verwendet
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werden. In diesem Fall tritt an die Stelle des Grenzwertes 1/2 für das Verhältnis J/J«. ein abweichender Grenzv;ert - wieder übereinstimmend für beide gegenüberliegenden Konturen - entsprechend dem Verhältnis der unterschiedlichen Flächen unter den Kurvenzweigen der Energieaichte beiderseits des jeweiligen MAXi-TUH-JS, wenn auch dann die raXiisale Kessgenauigkeit des Verfahrens verwirklicht werden soll.
Bei der Abwandlung geraäss Fig.4 ist das Visier 15 nach ?ig.3 durch eine optoelektronische Ausführung ersetzt, die rr.it erhöhter Genauigkeit eine Zuordnung der Verschiebungen des Ausgangsstrahlen'oündels Sd„ zu denjenigen des Schlittens 11 rät den Pentaprism 10 ermöglicht und einen halbreflektierenden Spiegel 9c vcr dem ebenfalls halbreflektierenden Spiegel S'o umfasst, derart, dass ein definierter Teil des Strahlbündels Sd.. abgelenkt v;ird. Dieses TeiIstrahlblinde 1 8e trifft einen Stellur.gsdctektor, dar in der dargestellten Ausführung im wesentlichen aus eineis parallel zur Achse des Strahlbündels 3d. angeordneten Halbleiterkörper 31 bei dazu unter 45 geneigtem Spiegel 9c besteht. Der rialbleiterkörper 31 ist an ein Potentiometer 32 angeschlossen oder in einer Brückenschaltung angeordnet. Hierdurch wird eine Ausgangsspannung erzeugt, die nur bei genauer .Ausrichtung des TeilstrahlbundeIs 8e auf die Mitte des KaIbleiterkörpers zu ICuIl wird und über einen Verstärker 33 und nicht dargestellte Elektroden zur V'irkung auf ein piezoelektrisches Plättchen 34 zwischen Schlitten 11 und Pentaprism IO (letzteres stellt einen verschiebbaren Doppelspiegel dar) gebracht wird. Das Plättchen 34 ändert seine Dicke proportional zu den Änderungen der anlie-
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gendsn Spannung. Die Vorrichtung ist so dimensioniert, dass jede Relativverschiebung zwischen dem Strahlbündel Sd1 und der AuCi'anTGfläche 10b des Pentaprismas infolge irgendwelcher Störungen und eine entsprechende Abweichung zwischen der Kitte des Halbleiterkörpers 31 und dem Auitreffpunkt des Teilstrahlbündels Se die Erzeugung einer auf das Plättchen J>K wirkenden und die genannte Relativverschiebung kompensierenden Spannung zur Folge ha;. Daher ist der Austrittspunkt des Strahlbündels Sd1 praktisch stcrungsunabhllngig. Der Kalbleiterkörper 31 kann im übrigen durch einen Photodetektor mit zwei oder vier voneinander unabhängigen, nebeneinanderliegenden lichtempfindlichen Zonen ersetzt werden. Solche Detektoren sind bekannt.
Die Einrichtung gemäss Fig.3 kann auch zur Durchmesserbestimmung eines beschaufelten Turbinenrotors oder dergl. verwendet werden, wie er in Fig.3 strichliert angedeutet ist, und zwar mit η Schaufeln 5a. Allgemein ist eine Anwendung z.B. auf Körper mit definierter Ordnung η der Symmetrie möglich, deren Umfangsflache nicht zylindrisch, sondern etwa prismatisch oder mit radialen Vertiefungen versehen ist. Ein solcher Körper wird zweckmässig v; Uhr end des gesamten Messvorganges mit einer Drehzahl N (Umdrehungen/sec) angetreieben, die in Bezug auf die konstante "Verschiebungsgeschwindigkeit des Strahlbündels 8d.., d.h. ν (z.B. in mm/sec), so hoch liegt, dass der hierdurch hervorgerufene systematische Messfehler Δΐ> = v/(n.N) des Durchmessers in erträglichen Grenzen bleibt.
hierin der genannte systematische Messfehler unzulässig hoch ist,
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z.B. irr. Fall der Durehmesserbestimmung an einer, grossen Rotor (etwa mehrere Meter Durchmesser) während der Bearbeitung und etwa jeweils bei nur einer Umdrehung, wobei die Drehzahl darch die zulässige Bearbeitung- Umi'arigsceschwincii^ceit begrenzt ist. kann folgende Abv/and lung der Einrichtung nach ?ig.3 eingesetzt werden:
Die Ausgänge der Vergleicher 24a und 24b v/erden mit Dich gegenseitig auslöschenden Anzeigeeiiiricntungon verbunden, 2.3. ~it zentralen Nullmessinstrirrienten, während das Antriebsaggregat 15 Kit Handsteuerorganen für Vor- und Rücklauf sowie Stillstand und für wenigstens zwei verschiedene Geschwindigkeiten versehen ist. Die geringere der beiden Geschwindigkeiten .-.-,uss Verschiebungen sehr geringer Grosse ermöglichen, etwa solche in der Grössenordnung von Mikron, und zwar bezüglich des Strahlbündels 8d-. Hierfür ist die Verwendung einer Mikrometerschraube als Spindel 12 wie auch einer optoelektronischen Visiereinrichtung der in Fig.h gezeigten Art besonders vorteilhaft.
Die Arbeitsweise einer solchen Einrichtung gestaltet sich wie folgt:
Zunächst wird das Pentaprism 10 mit grosser Geschwindigkeit in eine Stellung geführt, bei welcher das Strahlbündel 8d- benachbart zur Urnfangsbahn der Spitzen der Schaufeln 5a liegt. Sodann wird das Pentaprisrna mit verminderter Geschwindigkeit in eine Stellung geführt, bei welcher sich periodische Auslöschungen des AusgangsSignaIs des Vergleichers 24a mit der Frequenz η χ Ν
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er.;;.OL-jn. Die hociironaue Einstellung dieser Lage kann mehrere Vor- und ^UcKbüWü^ar.^en des Pe-.itaprismas 10 mit Handsteuerung erforderlieh .rächen. Der ZLihler 23a des Interferometers wird
- -, - -", .- J . i-t"> »»-i ■> 1 ,-.-.—J .1Ii mrtvmv*1 •■'■i-*-»'-} A-, C- DirTOT-TiHcm
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.r.i"1- ^ressor Geschwindigkeit ir. die strichlierte Stellung- auf d jrlin.cen Seiüe von Fi^. 3 Lib er· führt und von dieser stellung aus '.-.•■Je vorher, jedoch unter· Beobachtung dci"· Auslöschungen des Aus- ^:-..*.~..i;ii;nais des Vergleichars 24b, mit hoher Genauigkeit positioniert. Das Interferometer ist hier iT.it einer Einreichung zum Auf- u:id Abvrärrszählen der Interferenzen versehen.
Ge.T.Uss einer anderen AusfUhrungsform des erfindungsgerfassen
Verfahrena wird die Relativste llung zwischen Gegenstand und
Strähl'oündel oaGtirr^t, bei der die Strahlungsenergie des den Gegenstand passierenden Teilstrahlbündels - entstanden durch die teilweise Abdeckung des Gesamtstrahlbündeis - als Funktion } der Relativstellung, d.h. als Funktion von s.B. χ , oder als
< Zeitfunktion bei gegebener Geschwindigkeit der Relativbewegung
sine zweite - räu-Tiliche bzw. zeitliche - Ableitung mit dem
Wert Null aufweist. Für diese Verfahrensweise kommt die Verwendung folgender Abwandlung der Einrichtung gemäss Figo in Betracht:
Die Vergleicher 2^a und 2Vo werden durch Schaltungen zur Bildung der zweiten Ableitung der betreffenden Signalströme nach der Zeit und zur Detektion der vorgenannten Nullstellen dieser
Ableitung ersetzt, während die Schaltungselemente 2ö und 27
überflüssig sind*
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Claims (2)

G lh 014 68.9 25.3.76 63/73 Neue Ansprüche
1. Gerät zum Abtasten einer Gegenstandskontur mit einem Laserstrahlbündel, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Laser-Sender mit einem optischen Resonator enthält, der entsprechend dem TEMOO-Mod bemessen ist,
2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsspindel eines zur Erzeugung der Abtastbewegung des Laserstrahlbündels vorgesehenen, verschiebbaren Spiegels quer zu dem Laserstrahlbündel angeordnet ist.
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