DE7740101U1 - Vorrichtung zum Messen einer Abmessung eines Körpers - Google Patents

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing/H.WeicIAiXTCn, E>ipl'.-Phys. Dr. K. Fincke

Dipl.-Ing· R A."Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

Dr.-Ing. H. Liska

8 MÜNCHEN 86, DEN

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Dr. Johannes Heidenhain GmbH.
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Vorrichtung zum Messen einer Abmessung
eines Körpers

Die Erl'inüung betrifft eine Vorrichtung zum Hessen einer i

Abmessung eines Körpers mit einer mit mindestens einem |

lichtdurchlässigen, spiralförmigen streifen versenenen, I

sonst lichtundurchlässigen, rotierenden Scheibe, |

einer mit einem lichtdurchlässigen, geraden Streifen versehenen, i

xonst lichtundurchlässigen Blende, die so im Bereich der | Scheibe angeordnet ist, daß ein lichtdurchlässiger, bei
Drehung der ScheibB entlang des geraden Streifens wandernder

Überschneidungsbereich von spiralförmigen und geraden Streifen { gebildet ist, . ;

einer optischen Anordnung zur Erzeugung einer Abbildung des - |

Körpers auf die Blende oder die Scheibe mit der zu ermittelnden I

Abmessung is Bereich des geraden Streifens und parallel zu ff

diesem Streifen, |

eines. Detektor zur Messung des durch den uberschneidungs— |

bereich fallenden Lichts und einer Schaltung zixc Auswertung |

■ Z-

des von dem Detektor abgegebenen Meßsignals.

Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art ist der lichtdurchlässige gerade Streifen der Blende radial angeordnet xind schneidet Jeweils eines der lichtdurchlässigen spiralförmigen Streifen von nicht näher festgelegter Form (US-PS 3 254 226; Fig.3). Die spiralförmigen Streifen schneiden den geraden Streifen während der Drehung unter Winkeln, die kleiner als 90° sind. Der Überschneidungsbereich ist daher nicht rechtecksförmig, was dazu führt, daß das Meßsignal bei Abtastung einer Kante des Körpers einen vergleichsweise flach ansteigenden Bereich aufweist, wodurch die Genauigkeit der Messung beeinträchtigt ist.

Es ist eine Vorrichtung bekannt, bei der durch die von der Geraden abweichendemForm des Streifens der Blende die Abtastung linearisiert ist, d.h. bei der die Position der Überschneidungsfläche längs des Spaltes streng proportional zum Drehwinkel der Scheibe ist (DJT-PS ~16_ 23 323). Eiae solche Blende ist iedoch schwierig zu fertigen. Auch bei dieser Vorrichtung schneiden sich die Streifen unter von 90° abweichenden ¥±ükelru

Schließlich ist eine Vorrichtung bekannt, bei der der gerade 5-treif en der Blende radial angeordnet ist und anstelle des spiralförmigen Streifens eine Folge von rechteckigen öffnungen längs einer Spirale angeordnet ist (US-PS 3 254 226; Fig.1). Der Überschneidungsbereich einer solchen öffnung mit dem geraden Streifen ist zwar rechteckig, die Genauigkeit dieser Anordnung ist jedoch aufgrund der Dunkelperioden zwischen aufeinanderfolgenden Öffnungen wesentlich eingeschränkt-,

Aufgabe der Erfindung ist- es demgegenüber, eine Vorrichtung eingangs genannter Ar-t zu schaffen, die an KeSsignal liefert,

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das die Abmessung des Körpers mit hoher Genauigkeit darstellt.

Dies wird dadurch erreicht, daß der spiralförmige Streifen der Scheibe in Form einer Evolvente angeordnet ist, die von einem im Drehpunkt der Scheibe zentrierten Grundkreis ausgeht, und daß der gerade Streifen der- Elende im wesentlichen längs einer Tangente an den Grundkreis des spiralförmigen Streifens der Scheibe angeordnet ist.

.Die gestellte Aufgabe wird durch diese Merlanale gelöst, da der evolventenförmige Streifen der Scheibe den geraden Streifen der Elende stets unter einem rechten Winkel schneidet und die Position des Überschneidungsbereichs zum Drehwinkel streng proportional ist. Dies folgt aus den geometrischen Eigenschaften einer Evolvente, die man als Bahnkurve des Endes eines gespannten Fadens bei der Abwicklung von einem Grundkreis betrachten kann.

Legt man daher von einem Punkt einer solchen Evolvente eine Tangente an den Grundkreis, so ist die Länge dieser Tangente zwischen Grundkreis und Evolventenpunkt gleich dem Krümmungsradius in diesem Evolventenpunkt. Man erhält dadurch einen τη geiiT guter Näherung rechteckigen Überschneidungsbereichj daß der gerade Streifen der Blende in einem Abstand R von Berührungspunkt der Tangente am Grundkreis angeordnet ist, groß ist gegenüber der Breite c des geraden·Streifens.

Es ist beLannt, die Abmessung des Körpers aus der Zeitdauer eines annähernd rechteckigen Impulses CMeßsignal) zu ermitteln. Die Genauigkeit einer solchen Auswertung ist jedoch aufgrund von DrehzahlSchwankungen der Scheibe beschränkt. Durch eine ein Referenzmuster der Scheibe abtastende Abtasteinrichtung zur Abgabe von die Drehstellung der Scheibe darstellenden Signalen kann man ein von Drehzahlschwankungen unabhängiges Meßergebnis erhalten.

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Um Messungen rasch und präzise durchführen zu kölinen, ist eine hohe Abtastrate erwünscht, die man durch Anordnung einer Anzahl von z.B. 12 evolventenförmigen Streifen auf der Scheibe erreicht. Um eine Zuordnung zwischen dem Beginn der einzelnen Evolventen und dem Meßsignal sowie um eine feine Winkelunterteilung zu erhalten ist vorgesehen, daß das Referenzmuster ein gleichmäßiges, längs eines Kreises der Scheibe verteiltes Teilungsmuster aus im wesentlichen radial verlaufenden lichtdurchlässigen Streifen und ein Markierungsmuster aus einzelnen, jeweils einem der spiralförmigen Streifen zugeordneten, lichtdurchlässigen Streifen oder Streifengruppen umfaßt und daß die Abtasteinrichtung das von einer Lichtquelle beleuchtete Referenzmuster mittels zweier Detektoren unter Abgabe eines Teilungssignals und eines Markierungssignals abtastet.

Mit Hilfe des Teilungssignals hoher Frequenz läßt sich eine präzise Auswertung des Meßsignals mit einfachen Mitteln durchführen. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, daß die Schaltung einen vom Meßsignal gesteuerten, Impulse des Teilungssignals zählenden Zähler zur Abgabe eines die Abmessung des Körpers darstellenden Bezugssignals aufweist.

Die Erfindung soll im Folgenden an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert werden.

Hs zeigen

Fig.1 eine Draufsicht im Schnitt auf eine Vorrichtung zum Messen einer Abmessung eines Körpers in vereinfachter

Darstellung;
Fig.2 eine Ansicht auf Blende und Scheibe der Anordnung in Fig.1 in Richtung des Pfeils A;

ff Fig.3 von der Anordnung nach Fig.1 gewonnene Signale.

-·5ί·

Die allgemein mit 10 bezeichnete Vorrichtung zur Messung νου Abmessungen, beispielsweise der Breite b eines Körpers 12 erzeugt eine Abbildung 14 dieses Körpers auf einer Blende 16. Hierzu wird der Körper 12 von einer Lichtquelle 16, beispielsweise einer Glühlampe und einer Kondensorlinse 20 möglichst kontrastreich beleuchtet. Neben der gezeigten Durchlichtbeleuchtung, d.h. einer Anordnung, bei der der Körper 12 auf der optischen Linie zwischen Lichtquelle 18 und Abbildung 14 angeordnet ist, kann auch eine Auflichtbeleuchtung verwendet werden, bei der die Lichtquelle 18 auf der selben Seite wie die Abbildung 14 angeordnet ist. In diesem Fälle kann die Lichtquelle in einem Gehäuse mit den weiteren nach zu beschreibenden Bauteilen der Vorrichtung 10 integriert werden.

Der von der Lichtquelle 18 beleuchtete Körper 12 wird mit Hilfe eines Objektivs 22 auf die Blende 16 scharf abgebildet. In Fig.2 ist die Abbildung 14 mit unterbrochenen Kantenlinien 24 und 26 und schraffiertem Innenbereich dargestellt. Senkrecht zu die sen Kantenlinien 24 und 26 ist in der Blende 16 ein gerader, lichtdurchlässiger Streifen 28 einer Breite c vorgesehen. Dicht hinter der Blende 16 rotiert eine von einem Motor 32 angetriebene Scheibe 30. Diese hat spiralenfcrmige,lichtdurchlässige Streifen 32 in der Form von Evolventen. Diese Evolventen gehen von einem im Drehpunkt 34 der Scheibe 30 zentrierten Grundiere is 36 aus (siehe Fig.2).

Position der Blende 16 ist in der Weise festgelegt, daß tfe-r gerade Streifen 28 längs einer Tangente 38 an dem Grundkreis 36 verläuft, mit einen: Abstand R vom 3erührpunkt 40 der Tangente-38 am Grundkreis 36. Der Abstand R ist groß gegenüber der Breite c des Streifens 28.

An der Stelle, wo sich der gerade lichtdurchlässige Streifen 28 mit einem der avolventenförmigen, lichtdurchlässigen Streifen 32 schneidet, wird ein lichtdurchlässiger Überschneidungsbereich 42 gebildet. Sonst ist 'die Anordnung aus Blende 16 und Scheibe 30

lichtundurchlässig. Da der Überschneidungsbereich 42 bei Drehung der Scheibe 30 entlang des geraden Streifens 28 wandert, kann man den auf diesen Streifen 28 projizierten Teil der Abbildung 14 abtasten- Hierzu ist hinter der Scheibe eine Linse 44 angebracht, die das durch den Überschneidungsbereich 42 fallende Licht in einem lichtempfindlichen Detektor 46 sammelt. Der Detektor 46 gibt ein Meßsignal Ί_Λ an eine Schaltung 48 ab. In Fig.3 ist der zeitliche Verlauf von ^₁ bei Abtastung der Abbildung 14 dargestellt. Da der Bereich zwischen den Kantenlinien 24 und 26 durch die Abschattung der Lichtquelle 18 durch den Körper 12 dunkler als die benachbart sn Bereiche ist, hat das Signal £* innerhalb dieses Bereichs niedrigere Amplitude. Zwischen einem Kreis 51 auf der Scheibe 30 und ihrem Rand ist ein Teilungsmuster 50 mit lichtdurchlässigen, radial verlaufenden Streifen 52 nach Art eines Radialgitters vorgesehen. Zusätzlich sind einzelne, den evolventenförmigen Streifen 32 jeweils zügeordnete,lichtdurchlässige Streifen 54 eines Karkierungsmusters 56 innerhalb der Scheibe 30 vorgesehen. Diese Streifen 54 markieren jeweils den Beginn der Überschneidung eines evolventenförmigen Streifens 32 mit dem geraden Streifen 28 der Blende 16.

Das Teilungsmuster 50 sowie das föarkierungsmuster 56 v/erden von einer Abtasteinrichtung 58 abgetastet. Hierzu wird die Scheibe JO im Bereich dieser Muster 50, 56 von einer Lichtquelle 60 durch eine Linse 62 beleuchtet und das durch die Scheibe 30 tretende Licht von zwei Detektoren 64 und 66 aufgenommen. Der das Teilungsmuster 50 abtastende Detektor 64 gibt ein Teilungssignal f^, der das Markierungsmuster 56 abtastende Detektor'66 ein Markierungssignal ip ^an ^^ie ScHaItung 48 ab. In Fig.3 ist der zeitliche Verlauf beider Signale f_? und f, gezeigt.

Durch die starke Unterteilung des Teilungssignals f^ in eine Vielzahl von Rechteckimpulsen kann man durch einfaches Zählen

dieser Impulse die Breite b' der Abbildung 14 und über den bekannten Yergrößerungsfaktor die gesuchte Breite £> des Körpers 12 messen. Hierzu ist in der Schaltung 48 ein Zähler 68 vorgesehen, der die Impulse des Teilungssignals f^ aufaddiert, solange f^ niedrige Amplitude hat (n Impulse in Fig.3). Dementsprechend kann ein zweiter Zähler 70 vorgesehen v/erden, der die Impulse des Teilungssignals f, ²^¹ zählen beginnt, 'sobald ein Impuls im Markierungssignal f₂ auftritt und das Zählen beendet, sobald f^ niedrige ^splitude annimmt (m Impulse in Fig.3). Baraus kann man die absolute Lage des Körpers erhalten.

Kit der im Vorangegangenen beschriebenen Vorrichtung kann die ßessung der Lage von Körperkanten berührungslos und mit einer hohen Keßfr-equenz von beispielsv/eise 50 oder 100 Messungen pro Sekunde durchgeführt werden. Das Meßergebnis steht digital nit einem hohen Verhältnis von Meßbereich zu Auflösung von beispielsweise 10.000 : 1 zur Verfugung. Der Vergrößerungsfaktor läßt sich in weiten Grenzen variieren. Die Vorrichtung ist von einfachem Aufbau und kostengünstig herzustellen.

Claims (1)

1. Schutzansprüche

   Vorrichtung zum Messen einer Abmessung eines Körpers mix einer mit mindestens einem lichtdurchlässigen, spiralförmigen Streifen versehenen, sonst lichtundurchlässigen, rotierenden Scheibe,

   einer mit einem lichtdurchlässigen, geraden Streifen versehenen, sonst lichtundurchlässigen Blende, die so im Bereich der Scheibe angeordnet ist, daß ein lichtdurchlässiger, bei Drehung der Scheibe entlang des geraden Streifens wandernder Überschneidungsbereich von spiralförmigen und geraden Streifen gebildet ist, einer optischen Anordnung zur Erzeugung einer Abbildung des Körpers auf die Blende oder die Scheibe mit der zu ermittelnden Abmessung im Bereich des geraden Streifens und parallel zu diesem Streifen,

   einem Detektor zur Messung des durch den Überschneidungsbereich fallenden Lichts und einer Schaltung zur Auswertung des von dem Detektor abgegebenen Meßsignals, dadurch gekennzeichnet, daß der spiralförmige Streifen (32) der Scheibe (30) in Form einer Evolvente angeordnet ist, die von einem^rehpunkt (3^0 der Scheibe (30) zentrierten Grundkreis (36) ausgeht, und daß der gerade Streifen (28) der Blende (16) im wesentlichen längs einer Tangente (38) an den Grundkreis (36) des spiralförmigen Streifens (32) der Scheibe (30) angeordnet ist.

   Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gerade Streifen (28) der Blende (16) in einem Abstand R von dem Berührungspunkt (40) der Tangente (38) am Grundkreis (36) angeordnet ist, der groß ist gegenüber der Breite (c) des geraden Streifens (28).

   Vorrichtung nach Anspruch"1 oder 2, gekennzeichnet durch eine, ein Referenzmuster (50,56) der Scheibe (30) abtastende Abtasteinrichtung (58) zur Abgabe von die Drehstellung der Scheibe (30) darstellenden Signalen (fp, f,).

   4. Vorrichtung zu Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Referenznraster (50,56) ein gleichmäßiges, längs eines Kreises (51) der Scheibe (30) verteiltes Teilungsmuster (50) aus radial verlaufenden lichtdurchlässigen Streifen(52) und ein Markierungsmuster (56) aus einzelnen, jeweils einem der spiralförmigen Streifen (32) zugeordneten lichtdurchlässigen Streifen (54) oder Streifengruppen ranfaßt und daß die Abtasteinrichtung (58) das von einer Lichtquelle (60) beleuchtete Referenzmuster (50,56) mittels zweier Detektoren (64,66) unter Abgabe eines Teilungssignals (f₃) und eines Markierungssignals (f₂) abtastet.

   5· Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung (48) einen vom Meßsignal (f., ) gesteuerten, Impulse des Teilungssignals (f-*) zählenden Zähler (68) zur Abgabe eines die Abmessung (b) des Körpers (12) darstellenden Bezugssignals (g) aufweist.