FI94551B - Menetelmä ja laite liikkuvan työkappaleen pintaprofiilin tarkkailemiseksi - Google Patents

Description

94551

MENETELMÄ JA LAITE LIIKKUVAN TYÖKAPPALEEN PINTAPROFIILIN TARKKAILEMISEKSI - SÄTT OCH ANORDNING FÖR ÖVERVAKNING AV ETT RÖRLIGT ARBETSSTYCKES YTPROFIL

5 Keksinnön ala Tämä keksintö liittyy menetelmään ja laitteeseen liikkuvan työkappaleen pintaprofiilin tarkkailemiseksi eri pisteissä pitkin tätä työkappaletta. Erityisemmin keksintö liittyy melo netelmään ja laitteeseen pitkänomaisen liikkuvan työkappaleen kolmiulotteisen paksuusprofiilin tarkkailemiseksi linjassa. Paksuustietoja liikkuvista tuotteista tarvitaan useissa teollisissa prosesseissa, kuten kylmissä tai kuumissa pyörivissä teräsvalsseissa, polymeerikalvosuulakepuristimissa tai saha-15 laitoksissa lautatavaran tuotannon optimoimiseen.

Keksinnön tausta

Paksuuden tarkkailemiseksi on saatavilla joukko mahdollisia 20 menetelmiä. Kaksi tunnetuinta menetelmää käyttävät paksuuden ultraäänimääritystä ja ydinsäteilyn vaimenemisen mittaamista. Ongelmat ultraäänimittauksen kohdalla ovat tarvittava hyvä nestekontakti lähettimen ja tutkittavan materiaalin välillä, kuten myös akustisen nopeuden vaihtelut ja suuri vaimeneminen 25 tarkasteltavassa aineessa. Röntgensädetekniikan kohdalla on gelmat liittyvät rajoitettuun vasteaikaan, huonoon käänteis-resoluutioon, korkeaan hintaan ja turvallisuuskysymyksiin. Muilla liikkuvia antureita tai mikroaaltoja käyttävillä menetelmillä ei ole vaadittavaa erotuskykyä.

3 0

Optiset tekniikat ovat laajimmin käytettyjä menetelmiä pinnan kolmiulotteiseen tarkkailemiseksi, ks. esim. FR-A-2512945, johon patenttivaatimuksen 1 johdanto pohjautuu. Paitsi kulku-ajan määrittäminen, joka nykyisin rajoittuu noin 1 cm:n ero-25 tuskykyyn, perustuvat optiset tekniikat olennaisesti kolmion muodostamiseen. Tämä menetelmä käsittää valaistun pisteen 2 94551 muodostavan valonsäteen projisoimisen pinnalle, jonka asema on määritettävä. Pinnan syvyys voidaan arvioida pistekuvan näkyvästä asemasta tarkastelemalla projisoitua pistettä kulmasta.

5

Työkappaleen kolmiulotteisen profiilin tuottamiseksi voidaan sijoittaa riviin joukko kolmiointiyksiköitä pitkin pitkänomaisen työkappaleen pituusakselia keräämään huippu- ja poh-jakorkeustietoja määritellyin avaruudellisin välein kohteen 10 liikkuessa tasaisella nopeudella poikittaissuuntaan Kerr'n kuvailemalla tavalla, US-patentti 3,671,726. Vaadittava määrä projisoituja säteitä saadaan yksittäisellä laserlähteellä käyttäen joukkoa liitettyjä säteenhajoittajia.

15 Tässä tapauksessa pitkittäissuunnassa saavutettava avaruudellinen erotuskyky rajoittuu projisoitujen pisteiden välisiin avaruudellisiin väleihin, joiden on oltava ainakin yhtä suuret kuin projisointi- ja havainnointiyksiköt. Tämä johtaa suhteellisen karkeaan näyte-etäisyyteen pitkittäissuunnassa. 20 Edelleen jokainen optisia ja elektronisia komponentteja sisältävä havainnointiyksikkö on tarkoitettu yhden ainoan pisteen aseman määrittämiseen. Tämän vuoksi on käytettävä suurta joukkoa yksikköjä suhteellisen pitkän työkappaleen kartoittamiseksi, joka johtaa suhteellisen suuriin kokonaisjärjestel-25 män kustannuksiin.

Chasson, US-patentti 4,188,544, on kuvaillut toisenlaisen lähestymistavan. Tässä tapauksessa projisoidaan työkappaleen poikittaissuunnassa joukko valojuovia. Jokainen juova kuva-30 taan erillisellä peilillä kaksiulotteisen videokameran herkän alueen erityiseen osaan. Täten tarvitaan usean projisoidun juovan tarkasteluun vain yksi tarkastelulaite.

Tähän toiseen tapaan liittyy joukko haittoja. Ensinnäkin yksi 35 ainoa kamera on kohdistettava useiden, kamerasta eri etäi- 3 94551 syyksillä sijaitsevien juovien tarkasteluun. Osia kameran näkemistä kuvasta on siten keskipisteen ulkopuolella ellei kameran apertuuria pienennetä huomattavasti yleisen kuvan-kirkkauden kustannuksella. Lasertehon on paremminkin levittä-5 vä juovan yli kuin keskittyttävä yksittäisiin pisteisiin kuten yllä mainitussa tapauksessa. Lasertehoa on vastaavasti nostettava tarvittavan suuren valon intensiteetin saavuttamiseksi, jolloin haitta silmien turvallisuudelle kasvaa. Lopuksi, tämän menetelmän käyttöä rajoittaa suuresti sen hitaus.

10 Tyypillisessä 480 x 600 CCD kuvakamerassa täydellisen kaksiulotteisen kuvan kartoittamiseen kuluu noin 1/30 sekuntia. Monissa teollisissa prosesseissa saattaa tapahtua tänä aikana olennaista työkappaleen siirtymistä johtaen kuvan epätarkkuuteen. Sellaisten ongelmien välttämiseksi on turvauduttava 15 monimutkaisiin mekaanisiin järjestelmiin tai suuritehoisiin pulssitettuihin lasersäteisiin, jolloin lisätään edelleen haittoja silmien turvallisuudelle. Edelleen laskentatehon ja kokonaiskustannusten kannalta vaatii paljon käsitellä joka 1/30. sekunti valtava lähes 3 x 105 tavun määrä kuvainformaa-20 tiota.

Tämän keksinnön kohteena on varustaa laite ja menetelmä liikkuvan työkappaleen pinnan aseman tarkkailemiseksi turvallisesti ja tehokkaasti.

25

Keksinnön yhteenveto Tämän keksinnön mukaisesti aikaansaadaan optinen tarkkailu-laite liikkuvan työkappaleen pintaprofiilin tarkkailemiseksi 30 eri asemissa pitkin mainittua, laitteen käsittäessä ainakin yhden optisen yksikön, jolloin jokainen optinen yksikkö sisältää: valonprojisointijärjestelmän erillisten pisteiden valaisemi-35 seksi työkappaleen ensimmäisellä pinnalla useamman kuin yhden 4 94551 yksittäisen samansuuntaisen valonsäteen projisoinnilla; ja valonhavainnointilaitteen ensimmäisen pinnan valaistujen pisteiden kuvaamiseen, jolloin valonhavainnointilaite sisältää 5 optisen laitteen ensimmäiseltä pinnalta heijastuneiden valonsäteiden keräämiseksi, ja optoelektronisen laitteen jokaisen optisen laitteen keräämistä valonsäteistä havainnoimiseksi ja sen mukaisten sähkösignaalien muodostamiseksi, jolloin säh-kösignaalit ilmaisevat pintaprofiilin eri asemissa pitkin 10 ensimmäistä pintaa, kun työkappale on liikkeessä, jolloin optoelektroninen laite käsittää yksittäisen yksidimensionaa-lisen ilmaisimen, joka koostuu joukosta ilmaisuelementtejä.

Keksinnön mukaiselle laitteelle on tunnusomaista se, että 15 kullakin projisoiduista valonsäteistä on ellipsinmuotoinen poikkileikkaus, jossa pääakseli on suorassa kulmassa yksittäisen yksidimensionaalisen ilmaisimen pituusakseliin nähden, ja että ilmaisuelementtien pituusakseli sijaitsee suunnassa, joka on kohtisuorassa yksidimensionaalisen ilmaisimen pi-20 tuusakseliin nähden.

Tämän keksinnön mukaisesti aikaansaadaan myös optinen tark-kailumenetelmä liikkuvan työkappaleen tarkkailemiseksi eri asemissa pitkin mainittua työkappaletta, menetelmän käsittä- 25 essä seuraavat vaiheet: a) usean erillisen samantasoisen valonsäteen projisoiminen työkappaleen ensimmäisen pinnan erillisille pisteille; 30 b) ensimmäiseltä pinnalta heijastuneiden valonsäteiden kerää minen; c) havainnoidaan jokainen mainittu vaiheessa b) kerätty valonsäde yksittäisellä yksidimensioisella ilmaisimella, jossa 35 on joukko ilmaisuelementtejä järjestetettynä riviin; ja il ta i Hiili l i .1 St ; ; t 5 94551 d) muodostetaan sähkösignaaleja jokaisen mainitun vaiheessa c) havaitun valonsäteen mukaisesti, mainittujen sähkösignaa-lien ilmaistessa pintaprofiilin eri asemissa pitkin ensimmäistä pintaa, kun työkappaletta liikutetaan.

5

Keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, että kullakin projisoiduista valonsäteistä on ellipsinmuotoinen poikkileikkaus, jossa pääakseli on suorassa kulmassa yksittäisen yksidimensionaalisen ilmaisimen pituusakseliin nähden, 10 ja että ilmaisuelementtien pituusakseli sijaitsee suunnassa, joka on kohtisuorassa joukon pituusakseliin nähden.

Tämän keksinnön kohteet, edut ja muut ominaispiirteet tulevat ilmeisemmiksi seuraavasta suosittujen muotojen ei-rajoitta-15 vassa mielessä esitetystä kuvauksesta, joka on annettu ainoastaan esimerkin omaisesti viitaten oheisiin piirroksiin.

Piirrosten suppea kuvaus 20 Kuva 1 on perspektiivikuva erään ilmenemismuodon laitteesta liikkuvan työkappaleen paksuuden tarkkailemiseksi tämän keksinnön mukaisesti;

Kuva 2 on kaaviokuva kuvassa 1 esitetyn laitteen optisesta 25 yksiköstä näyttäen osan työkappaleesta;

Kuva 3 on etukuva kuvassa 2 esitetyn optisen yksikön havain-nointielementeistä; 30 Kuvassa 4 on esimerkki kuvassa 3 esitetyistä havainnointie-lementeistä aiheutetuista ulostulosignaaleista;

Kuva 5 valaisee yksityiskohtaisemmin erästä kuvassa 4 esitetyistä huippusignaaleista; 35 « 94551

Kuva 6a valaisee kuvassa 3 esitettyjen havainnointielement-tien havaitseman valopisteen kuvaa laserilla valaistaessa, näyttäen pilkkuuntumisvaikutukset; 5 Kuva 6b kuvaa kuvan 6a valovoimajakaumaa pitkin läpileikkausta AA';

Ituva 7 on kuvassa 2 näytetyn valonheitinjärjestelmän ilmenemismuodon pystykuva; 10

Kuva 8 on kuvassa 2 näytetyn valonheitinjärjestelmän toisen ilmenemismuodon pystykuva;

Kuva 9 on sivukuva toisen ilmenemismuodon laitteesta liikku-15 van työkappaleen pinnan aseman tarkkailemiseksi; ja

Kuva 10 on yläpuolinen näkymä kuvassa 9 näytetystä laittesta, näyttäen myös osan liikkuvasta työkappaleesta.

20 Suosittujen ilmenemismuotojen yksityiskohtainen kuvaus

Kuvassa 1 on esitetty optinen havainnointilaite liikkuvan työkappaleen vastapuolisten pintaprofiilien tarkkailemiseksi eri asemissa pitkin mainittua työkappaletta 2, joista työkap-25 paleen 2 paksuus voidaan arvioida. Laite käsittää useimpia optisia yksiköitä 4, jotka tarkkailevat ensimmäisen pinnan 6 asemaa työkappaleen yhdellä puolella pitkin sen koko pituutta. Laite käsittää myös toisen sarjan optisia yksi-köitä 8, jotka tarkkailevat vastapuolisen pinnan 10 asemaa työkappa-30 leen toisella puolella pitkin sen koko pituutta.

Kehikkorakenne 12 tukee optisia yksiköitä. Työkappale 2 liikkuu työkappaleen 2 viereisen nuolen osoittamaan suuntaan. Tämän laitteen perusperiaate on esitetty kuvassa 1. Joukko 35 optisia yksiköitä 4 ja 8 on sijoitettu riviin pitkin työkap- •«

Il : IU 1 1 Hi Iti».

7 94551 paletta 2, joka liikkuu hallitulla nopeudella nuolen osoittamalla tavalla pitkittäisakseliinsa nähden kohtisuorasti. Jokainen optinen yksikkö tuottaa useita valonsäteitä, jotka projisoituvat työkappaleelle 2 ja heijastuvat siitä. Vierek-5 käiset optiset yksiköt voidaan vaihtoehtoisesti siirtää yhteiseltä pitkittäislinjalta eri optisten yksiköiden vierek-m käisten valonsäteiden välisten ristivuorovaikutusten välttämiseksi.

10 Kumpaakin optisia yksiköitä 4 ja 8 vasten olevien pintojen profiili arvioidaan työkappaleen 2 edetessä. Tyypillisesti työkappaleen 2 pitkittäissuuntaan on järjestetty 12 optista yksikköä 4 ja 8 projisoimaan yhdelle työkappaleen yhdelle puolelle kaikkiaan 72 valonsädettä. Mikäli valaistut pisteet 15 ovat pinnalla 10 cm:n välein, voidaan tarkastaa aina 7,2 metriä pitkiä työkappaleita. Mikäli työkappale liikkuu nopeudella 1 m/s ja yksi tietolukema otetaan 500 Hz:n taajuudella, liikkuu työkappale 2 mm viereisten lukemien välillä. Työkappaleen profiilista kerätään siten näytteitä 10 cm:n etäisyyk-20 sin pitkin työkappaleen pituutta ja 2 mm:n välein työkappaleen 2 poikittaissuunnassa. Sellainen näytekokoonpano on riittävä lähes sylinterimäisille työkappaleille, joiden pin-taprofiilin vaihtelut ovat pieniä pitkittäissuunnassa verrattuna työkappaleen 2 poikittaissuuntaan.

25

Kuvassa 2 on esitetty keksinnön mukainen optinen yksikkö 16. Optinen yksikkö 16 käsittää valonheitinjärjestelmän 18 kuuden erillisen pisteen valaisemiseksi mainitun työkappaleen 22 pinnalla 20 projisoimalla kuusi erillistä samantasoista va-30 lonsädettä. Jokainen erillinen valonsäde projisoidaan erilaisella tulokulmalla. Optinen yksikkö käsittää myös valonha-" vainnointiyksikön 24 pinnalta 20 heijastuneiden valonsäteiden havaitsemiseksi. Valonhavainnoimisyksikkö 24 sisältää optisen laitteen 26 pinnalta 20 heijastuneiden valonsäteiden keräämi-35 seksi ja senmukaisten sähkösignaalien muodostamiseksi. Säh- 8 94551 kösignaalit ilmaisevat pintaprofiilin eri asemissa pitkin pintaa 20.

Työkappaleen pinnalle 20 projisoidaan joukko valonsäteitä 5 valonheitinjärjestelmällä 18. Valonhavainnointiyksikkö 24, joka on yksiulotteinen kamera, kuvaa heijastuneet valonsäteet. Optinen laite 26 on objektiivilinssi. Optoelektroninen laite 28 on suoraviivailmaisin. Objektiivilinssi ja suoravii-vailmaisin on järjestetty niin, että niiden akselien projek-10 tiot leikkaavat toisensa pisteessä 30 työkappaleen pinnalla 20. Tällainen kokoonpano takaa, että kaikki projisoituneet pisteet pitkin pintaa 20 fokusoituvat terävästi suoraviivail-maisimessa.

15 Kaikki projisoituneet valonsäteet, kuten myös suoraviivail-maisimen akseli, ovat samassa tasossa, joka vastaa kuvan 2 tasoa. Siitä johtuen jokaisen valonsäteen kuva muodostuu työ-kappaleen 22 muodosta riippumatta suoraviivailmaisimen herkällä alueella. Tämän vuoksi yksiulotteista suoraviivailmai-20 sinta voidaan käyttää keksinnössä kartoittamaan valonsäteiden joukkoa, paremminkin kuin kaksiulotteista kameraa.

Kuvassa 3 on optoelektroninen laite 28, joka on yksiulotteinen ilmaisin, jossa on havainnointielementit 32 sijoitettuna 25 yhteen viiva-asetelmaan. Työkappaleen pinnalle projisoituvien valopisteiden kuvat 34 on myös esitetty.

Havainnointielementit 32 ovat pitkänomaisia ilmaisimen pituusakselille vastakkaisessa suunnassa. Jokaisella projisoi-30 duista valopisteistä on edullisesti elliptinen poikkileikkaus detektorin jokaisen havainnointielementin 32 keräämän valo-voiman maksimoimiseksi.

Saavutettava mekaanisen asennuksen tarkkuus rajoittaa proji-3b soitujen säteiden samantasoisuutta. Tähän muotoon vaikuttavat 9 94551 kuitenkin vähän pienet projisoituneiden säteiden poikkeamat tasosta käytettäessä kuvassa 3 näytettyä laaja-apertuurista suoraviivailmaisintä. Tällaiset jonot, kuten EGG-Roticonin (tavaramerkki) valmistama malli RL1034SAQ, sisältävät joukon 5 havainnointielementtejä, joiden apertuuri on paljon suurempi kuin niiden välimatka keskipisteeseen keskipisteeseen. Tässä tapauksessa voidaan hyväksyä pienet valonsäteiden poikkeamat suoraviivailmaisimen akselilta. Mekaaniset sijoitusvaatimuk-set ovat huomattavasti löyhemmät, vähentäen siten mekaanisen 10 asennuksen kokonaiskustannuksia kuten myös laitteen luotettavuutta lämmön aiheuttaman rakenteellisen jännityksen esiintyessä.

Kuvassa 4 näytetään esimerkki kuvassa 3 näytetyistä havain-15 nointielementeistä tuotetusta ulostulosignaalista. Pystysuora akseli ilmaisee signaaliamplitudin, ja vaakasuora akseli ilmaisee aseman suoraviivailmaisimella. Kuuden signaalin jono on esitetty vastaten 6 heijastuneen valonsäteen kuvia. Jokaisen kuvan 4 signaalin asema liittyy yksiselitteisesti vastaa-20 van valopisteen asemaan työkappaleen pinnalla. Mikäli pinta liikkuu ylös tai alas, liikkuvat suoraviivailmaisimen ulostulon signaalien asemat vastaavasti. Optisen yksikön ja tarkasteltavan pinnan etäisyys voidaan laskea signaalien asemasta tunnettuja kolmiointiyhtälöitä käyttäen mikäli tunnetaan jo-25 kaisen heijastuneen valonsäteen heijastuskulma e*. Heijastus-kulma on tulevan säteen ja vastaavan heijastuneen säteen välinen kulma kuten on näytetty kuvassa 2. Kokemusperäisemmin voidaan järjestelmä kalibroida tarkastelemalla kahta tasaista työkappaletta, joilla on äärimmäiset paksuusarvot. Kummankin 30 työkappaleen jokaisen pistekuvan asemat rekisteröidään, ja näiden arvojen välinen sarja jaetaan näiden kahden työkappaleen paksuuseron mukaisesti.

Kuvassa 5 on esitetty yksityiskohtaisemmin yksi kuvassa 4 35 näytetyistä huippusignaaleista. Edeltävästä selostuksesta i 1° 94551 ymmärretään, että jokaisen pistekuvan aseman on sijaittava erittäin tarkasti hyvän syvyystarkkuuden saamiseksi. Koska jokaisella suoraviivailmaisimen ulostulon pulssilla on äärellinen leveys, johtuen projisoidun pisteen leveydestä kuten 5 myös kuvausoptiikan aberraatiosta, tämä tarkoittaa, että jokaisen signaalin keskuksen on sijaittava tarkkasti. Eräs algoritmi sellaisen aseman määrittämiseksi käyttää painopistee-en lauseketta, joka on: *vs Ei(u> 10

Mikäli signaali on pehmeä ja symmetrinen, tämä arvo painopisteelle vastaa signaalin maksimia. Signaalin paikallistamiseen voidaan käyttää muita menetelmiä, kuten ulostulosignaalin poimuttamista kuvattujen pisteiden keskimääräisen muodon 15 kanssa täsmäävän pulssin kanssa.

Rekisteröityjen pulssien muodon on oltava suhteellisen vakio vaihtelevissa olosuhteissa suhteellisen vakiopainopisteen arvioinnin virheen minimoimiseksi. Epäonneksi sellaisten 20 pulssien muoto saattaa vaihdella huomattavasti valaistaessa eri osuuksia työkappaleen pinnasta.

'* Sellaisten vaihteluiden kaksi pääsyytä ovat pinnan heijasta-vuuden vaihtelut yhdellä ainoalla valopisteellä valaistun 25 alueen sisällä, kuten myös täpliintymisvaikutus koherentilla valaistuksella.

Kuvassa 6a on kuvassa 3 näytetyillä havainnointielementeillä havaitun valopisteen kuva laserilla valaistessa, jolloin nä-20 kyy myös täpliintymisvaikutus, ja kuvassa 6b kuvan 6a valo-voimajakauma pitkin läpileikkausta AA'. Tässä kuvassa, joka 11 94551 on suurennos kuvassa 3 näytetyn tyyppisestä valopistekuvasta, näkyvillä täplämalleilla on suuri kontrasti kuten ilmenee kuvassa 6b esitetystä valonintensiteettiprofiilista pitkin poikkileikkauksesta AA'. Koska tällaiset täplämallit riippu-5 vat suuresti valaistun alan mikrorakenteellisesta pinnan morfologiasta, poikkeavat kuvan 6b kohinapiikit täysin toisistaan mikäli valaistaan toinen pinnan ala. Keskimääräinen virhe laskettaessa kuvissa 6a ja 6b esitetyn tyyppisen pulssin painopistettä olisi siten paljon suurempi.

10

Syy siihen, että tällä laitteella voidaan saada kuvassa 4 esitetyn tapainen pehmeä ja vakio pulssin muoto johtuu laaja-apertuurisen suoraviivailmaisimen valinnasta kuten myös kuvassa 3 näytettyjen projisoitujen valonsäteiden elliptisestä 15 muodosta. Tällainen valonsäde minimoi pisteen leveyden pitkin suoraviivailmaisimen akselia maksimoiden silti yhdellä valonsäteellä valaistun pinnan alan. Tämän vuoksi jokainen kuvassa 3 näytetty pitkänomainen havainnointielementti integroi suuren määrän täpliä valotäpläkuvan sisällä niin, että jokaisen 20 havainnointielementin keräämä kokonaisvalointensiteetti on valonpisteaseman pehmeä funktio.

Valonheitinjärjestelmän on varustettava joukko samantasoisia sopivasti orientoituneita valonsäteitä varustamaan tasaisin 25 välein valonsäteitä, joilla on tarkasteltavalla pinnalla tasainen kirkkaus. Mikäli projisoiduilla valonsäteillä on samanlaiset intensiteetit, on suoraviivailmaisimella nähty pisteiden intensiteetin jakauma tavallisesti kuvassa 4 näytetyn kaltainen. Kehäpisteiden näennäinen kirkkaus on pienempi kuin 30 keskuspisteiden, jotka näkyvät lähes peiliheijastuskulmalla.

Tämä ilmiö vähentää ääreispulssien näkymistä ilmaisimen ulostulon tasaisesti jakautuneen kohinan yli.

Tämän ongelman ehkäisemiseksi ja suoraviivailmaisimen ulos-35 tulon amplitudien tasoittamiseksi voidaan nostaa projisoitu- » 94551 vien ääreissäteiden intensiteettiä peiliheijastusvaikutusten kompensoimiseksi. Voidaan käyttää erillisiä eritehoisia valolähteitä tuottamaan kuvassa 2 esitettyjä valonsäteitä, jolloin ääreisillä valonlähteillä on suurempi teho kuin keski-5 sillä.

Kuvassa 7 on kuvan 2 valonheitinjärjestelmälle vaihtoehtoinen ilmenemismuoto. Kuvan 7 ilmenemismuodossa erilliset samantasoiset projisoidaan siten, että pinnan ääreisosille pro-10 jisoiduilla säteillä on suurempi intensiteetti kuin työkappa- leen pinnan keskiosaan projisoiduilla säteillä. Tämä valonheitinjär jestelmä käsittää yhdensuuntaisen valonlähteen 36 ainutlaatuisen valonsäteen projisoimiseen. Tämä valonheitin-järjestelmä käsittää myös useampia kuin yhden jaksottain ero-15 tettuja peilejä 38, joista jokaisella peilillä 38 on erilainen heijastusala tai osittaisheijastavuus niin, että erillisistä samantasoisista työkappaleen pinnalle projisoiduista valonsäteistä työkappaleen pinnan ääreisosiin projisoiduilla on suurempi intensiteetti kuin erillisillä pinnan keskiosaan 20 projisoiduilla samantasoisilla valonsäteillä. Jokaisella pei lillä 38 on myös sopivasti valittu kulma niin, että etäisyys jokaisen pinnalle projisoidun erillisen pisteen välillä on säännöllinen.

25 Kiinteä osa 40 tukee yhdensuuntaisen valon lähdettä 36 ja peilejä 38. Yhdensuuntaisen valon lähde käsittää valonlähteen 42 ja linssin 44 valonlähteen 42 lähettämän valon yhdensuuntaistamiseksi .

30 Kuvassa 8 on edelleen toinen valonheitinjärjestelmän ilmenemismuoto. Kuvassa 8 näytetty valonheitinjärjestelmä käsittää laserlähteen 46 lasersäteen projisoimiseksi, ja diffraktio-laitteen 48 lasersäteen taivuttamiseksi hajaantuviksi valonsäteiksi. Valonheitinjärjestelmä käsittää edelleen heijastus-35 laitteen 52, jossa on kaksi heijastavaa pintaa keräämään va- « > . «U I Clll I I IrB : : 1 13 94551 lonsäteitä diffraktiolaitteesta 48 ja projisoimaan pinnan ääreisosille erillisiä samantasoisia valonsäteitä, joilla on suurempi intensiteetti kuin pinnan keskiosaan projisoiduilla erillisillä samantasoisilla valonsäteillä. Heijastavat pinnat 5 sijaitsevat siten, että keskimmäiset valonsäteet projisoitu vat ääreisosiin ja ääreiset valonsäteet projisoituvat pinnan keskiosaan.

Tämä ilmenemismuoto on erityisen sopiva kun vaaditaan suuri 10 projisoituneiden pisteiden määrä.

Diffraktiolaite 48 jakaa lasersäteen useaan säteeseen, joista jokainen liittyy yhteen diffraktiolaitteen 48 tuottamaan dif-fraktioasteeseen. Muistutetaan, että diffraktioasteiden ero 15 on kääntäen verrannollinen diffraktiolaitteen 48 avaruusjak-soon. Tiedetään myös hyvin, että diffraktiolaitteesta taipuneiden säteiden intensiteetti vähenee keskisistä säteistä suhteellisesti suuremmilla kulmilla taipuneisiin säteisiin. Kahta heijastavaa pintaa käyttäen voidaan nähdä, että pro-20 jisoituneiden säteiden jakauma on käänteinen, suuremmalla kulmalla taipuneiden säteiden suuntautuessa projisoituneen valopistejonon keskustaan ja päinvastoin. Täten säteiden suo-raviivailmaisimeen heijastumisen epäyhtenäisyydellä kompensoidaan taipuneiden säteiden intensiteettien epäyhtenäisyyt-25 tä.

Kuvassa 1 on teräväreunainen työkappale. Näin ei kuitenkaan aina ole, joissain tapauksissa on mahdollisesti kartoitettava työkappale, jossa on pyöristetyt reunat. Tässä tapauksessa 30 työkappaleen silhuetti, tai sen muoto ylhäältä nähtynä, re kisteröitäisiin paremmalla tarkkuudella, pitkin työkappaleen pitkittäisakselia, kuin kahden laserpisteen 10 cm:n etäisyydellä tällaisella akselilla.

35 Kuvissa 9 ja 10 on optisen tarkastuslaitteen kaksi optista 1- 94551 yksikköä 54, jotka on kohdistettu työkappaleen 56 yhteen si-vureunaan. Nämä optiset yksiköt 54 sisältävät valonheitinjärjestelmät 58 erillisten samantasoisten valonsäteiden pro-jisoimiseen työkappaleen pinnan erillisiin pisteisiin. Opti-5 set yksiköt 54 käsittävät edelleen valonlähteen, joka varustaa kirkkaasti valaistun taustan, jota vasten työkappaleen sivureunan muoto voidaan rekisteröidä terävästi. Valolähde 60 sisältää pitkänomaisen lampun 62. Pitkänomainen lamppu 62 on pitkänomainen työkappaleen liikkeen suunnalle poikittaisessa 10 suunnassa, ja pitkin työkappaleen pintaa. Pitkänomainen lamppu 62 saattaa olla heijastavaan onkaloon asennettu kvartsiha-logeenilamppu tai fluoresoiva lamppu ja valaisee hajauttavan varjostimen 63, joka on pitkänomainen työkappaleen 56 pitkit-täisakselin suunnassa.

15

Työkappaleen puuttuessa yhden optisen yksikön havainnointi-elementit ovat suuntauneet suoraan kohti vastapuolisen optisen yksikön hajauttavaa varjostinta antaen tasaisen kirkkaan taustaulostulon. Kun työkappale 56 katkaisee osan pitkän-20 omaisen lampun 62 projisoimasta valosta, työkappale 56 pimentää osan tästä taustasta, valoisan ja pimeän alueen muutoksen suoraviivailmaisimessa vastatessa työkappaleen reunan asemaa. Työkappaleen 56 liikkuessa seuraavina ajanhetkinä rekisteröidyistä reuna-asemista saadaan työkappaleen sivureu-25- nan täydellinen muoto. Muotoa määrittävä informaatio saadaan siten minimaalisella lisävälineistöllä ja häiritsemättä sy-vyysprofiilin tarkkailua. Viivailmaisimen ulostulon, joka viittaa työkappaleen pintaan, johon valopisteen projisoituvat, valokohina vähenee.

30

Kuten kuvasta 9 nähdään, eivät optisten yksikköjen 54 havain-nointielementit ole samansuuntaisia. Sen vuoksi on käytettävä aikaviivettä rekisteröityjen huippu- ja pohjapintojen välillä ennen paksuusprofiilin laskemista. Tämä voidaan tehdä sopi-35 vasti ammattimiehen tuntemilla signaalinkäsittelyyn tarkoite- 15 tuilla varusohjelmilla. _ 94551 Tällä keksinnöllä voitetaan tehokkaasti tämän esityksen alussa esitetyt ongelmat usean säteen muodostelman avulla, jossa 5 jokainen yksittäinen suoraviivailmaisin tuottaa kuvan projisoitujen valopisteiden linjasta. Suoraviivailmaisin ja projisoidut valonsäteet ovat samantasoiset siten että suuri joukko valopisteitä voidaan paikallistaa suoraviivailmaisimen yhden ainoan Iinjakartoituksen aikana, joka voi tapahtua alle 10 10-3 sekunnissa. Projisointi- tai havainnointiyksikköjen fyy sinen koko ei enää rajoita projisoitujen pisteiden välistä etäisyyttä niin, että pitkittäissuunnassa voidaan saada suuri avaruuserotus vähäisin kustannuksin. Sen sijaan, että pisteet olisivat levittäytyneet suurelle kaistaleelle, on jokainen 15 piste keskittynyt pienelle alalle niin, että voidaan käyttää suhteellisen pienitehoisia, silmille turvallisia valolähteitä. Koska suoraviivailmaisimella ei ole määrättyjä dimensioita, voidaan valita laaja-apertuurilaite, jolla on suhteellisen suuri apertuuri poikittaissuunnassa suoraan jonoon aset-20 tamisen vaatimuksen höllentämiseksi, signaalitason maksimoimiseksi tietyllä valonprojisointiteholla ja täpliintymisen ja vaihtelevan heijastuvuuden minimoimiseksi. Lopuksi, signaali jokaisesta suoraviivailmaisimesta voidaan käsitellä helposti jokaisen projisoituneen pistelinjan pisteasematietojen saami-25 seksi. Tämä paikallinen tietomäärän väheneminen vähentää merkittävästi reaaliajassa käsiteltävän tiedon kokonaismäärää.

Claims (12)

16 94551

1. Optinen tarkkailulaite liikkuvan työkappaleen (2, 22) pin-taprofiilin tarkkailemiseksi eri asemissa pitkin työkappalet- 5 ta (2, 22), laitteen käsittäessä ainakin yhden optisen yksikön (4, 8, 16), jolloin jokainen optinen yksikkö (4, 8, 16) sisältää: valonprojisointijärjestelmän (18) erillisten pisteiden valaisemiseksi työkappaleen (2, 22) ensimmäisellä pinnalla (6, 10 20) useamman kuin yhden yksittäisen samansuuntaisen valonsä teen projisoinnilla; ja valonhavainnointilaitteen (24) ensimmäisen pinnan (6, 20) valaistujen pisteiden kuvaamiseen, jolloin valonhavainnointi-laite (24) sisältää optisen laitteen (26) ensimmäiseltä pin-15 naita (6, 20) heijastuneiden valonsäteiden keräämiseksi, ja optoelektronisen laitteen (28) jokaisen optisen laitteen (26) keräämistä valonsäteistä havainnoimiseksi ja sen mukaisten sähkösignaalien muodostamiseksi, jolloin sähkösignaalit ilmaisevat pintaprofiilin eri asemissa pitkin ensimmäistä pin-20 taa (6, 20), kun työkappale (2) on liikkeessä, jolloin op-toelektroninen laite (28) käsittää yksittäisen yksidimen-sionaalisen ilmaisimen (28), joka koostuu joukosta il-maisuelementtejä (32), tunnettu siitä, että kullakin projisoiduista valonsäteistä on ellipsinmuotoinen poikkileik-25. kaus, jossa pääakseli on suorassa kulmassa yksittäisen yksi-• dimensionaalisen ilmaisimen (28) pituusakseliin nähden, ja että ilmaisuelementtien pituusakseli sijaitsee suunnassa, joka on kohtisuorassa yksidimensionaalisen ilmaisimen (28) pituusakseliin nähden. 30

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen optinen tarkastuslaite, tunnettu siitä, että ilmaisimen (28) pituusakseli on järjestetty samaan tasoon kuin samassa tasossa olevat valonsäteet, ja että optinen tarkastuslaite (26) käsittää objek- 35 tiivilinssin (26). 17 94551

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen optinen tarkastuslaite, tunnettu siitä, että mainittu valonprojisointijärjestelmä (18) käsittää eri tehoisia erillisiä valonlähteitä, niin että periferisiilä valonsäteillä, jotka projisoidaan 5 valonprojisointijärjestelmällä (18) ensimmäistä pintaa (6, 20. kohti, on suurempi intensiteetti kuin keskeisillä säteillä.

4. Patenttivaatimuksen 2 mukainen optinen laite, t u n -10 n e t t u siitä, että valonprojisointijärjestelmä (18) käsittää: kollimoidun valonlähteen (36) yhden ainoan valonsäteen proji-soimiseksi; useita jaksottain erotettuja peilejä (38), joilla on erilai-15 set heijastuspinnat, joille on ominaista erilaiset heijas-tusominaisuudet niin, että ensimmäisen pinnan ääreisosaan projisoiduilla erillisillä samantasoisilla valonsäteillä on suurempi intensiteetti kuin ensimmäisen pinnan keskiosaan projisoiduilla erillisillä samantasoisilla valonsäteillä, 20 jokaisella peileistä (38) ollessa myös sopivasti valittu kulma niin, että etäisyys jokaisen mainitun erillisen pisteen välillä on säännöllinen.

5. Patenttivaatimuksen 2 mukainen optinen tarkastuslaite, 25 tunnettu siitä, että valonprojisointijärjestelmä (18) käsittää: laserlähteen (46) lasersäteen projisoimiseksi; diffraktiolaitteen (48) lasersäteen hajottamiseksi hajaantuvaksi valonsädemalliksi; ja 30 heijastuslaitteen (52), jossa on kaksi heijastavaa pintaa valonsäteiden vastaanottamiseksi hajaantumislaitteesta (48) ja erillisten samantasoisten valonsäteiden projisoimiseksi, joilla on suurempi intensiteetti ensimmäisen pinnan ääriosalla kuin erillisillä samantasoisilla ensimmäisen pinnan kes-35 kiosaan projisoiduilla valonsäteillä, heijastavien pintojen ie 94551 sijaitessa niin, että mallin keskiset valonsäteet projisoituvat ääreisosaan ja mallin ääreiset valonsäteet projisoituvat keskiosaan.

6. Patenttivaatimuksen 1 tai 3 mukainen optinen tarkastus- laite, tunnettu siitä, että ainakin yksi optinen yksikkö (4) on järjestetty tarkkailemaan ensimmäisen pinnan (6) pintaprofiilia työkappaleen (2) yhdellä puolella, ja ainakin yksi optinen yksikkö (8) tarkkailee toisen pinnan (10) pinta-10 profiilia työkappaleen (2) vastakkaisella puolella niin, että työkappaleen (2) paksuutta voidaan tarkkailla pitkin työkappaleen (2) määrättyjä osia tai pitkin työkappaleen (2) koko pituutta.

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen optinen tarkastuslaite, tunnettu siitä, että jokainen optinen yksikkö (4, 8) projisoi kuusi erillistä samantasoista valonsädettä.

8. Patenttivaatimuksen 1 mukainen optinen tarkastuslaite, 20 tunnettu siitä, että ainakin yksi optinen yksikkö (54) yläpuolelta on suunnattu työkappaleen (56) sivureunaa kohti ja että valonlähde (60) alapuolelta on suunnattu mainittua sivureunaa kohti aikaansaamaan kirkkaasti valaistun taustan, jota vasten mainitun sivureunan ääriviivat ovat re- 25, kisteröitävissä mainitun optisen yksikön (54) valonil-< maisuelimillä.

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen optinen tarkastuslaite, tunnettu siitä, että valonlähde (60) on pitkänomai- 30 nen lamppu (62), ja että lamppu (62) ulottuu suunnassa, joka on yhdensuuntainen sen tason kanssa, joka määritetään mainituilla useilla diskreeeteillä, samassa tasossa olevilla valonsäteillä .

10. Optinen tarkkailumenetelmä liikkuvan työkappaleen (2, <1 «at E lilt tl i lid : : 19 94551 22. tarkkailemiseksi eri asemissa pitkin työkappaletta (2, 22), käsittäen seuraavat vaiheet: a) usean erillisen samantasoisen valonsäteen projisoiminen työkappaleen (2, 22) ensimmäisen pinnan (6, 20) erillisille 5 pisteille; b) ensimmäiseltä pinnalta (6, 20) heijastuneiden valonsäteiden kerääminen; c) havainnoidaan jokainen mainittu vaiheessa b) kerätty valonsäde yksittäisellä yksidimensioisella ilmaisimella (28), 10 jossa on joukko ilmaisuelementtejä (32) järjestetettynä ri viin; ja d) muodostetaan sähkösignaaleja jokaisen mainitun vaiheessa c) havaitun valonsäteen mukaisesti, mainittujen sähkösignaa-lien ilmaistessa pintaprofiilin eri asemissa pitkin ensim- 15 mäistä pintaa (6, 20), kun työkappaletta (2, 22) liikutetaan, tunnettu siitä, että kullakin projisoiduista valonsäteistä on ellipsinmuotoinen poikkileikkaus, jossa pääakseli on suorassa kulmassa yksittäisen yksidimensionaalisen ilmaisimen (28) pituusakseliin nähden, ja että ilmaisuelement-20 tien (32) pituusakseli sijaitsee suunnassa, joka on kohtisuorassa joukon pituusakseliin nähden.

11. Patenttivaatimuksen 10 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että projisoinnin vaihe a) käsittää jokai- 25 sen mainituista useammasta kuin yhdestä erillisen projisoidun ! valonsäteen intensiteetin toisiinsa nähden muuttamisen vai heen niin, että erillisillä samantasoisilla mainitun ensimmäisen pinnan ääriosaan projisoituneilla valonsäteillä on suurempi intensiteetti kuin erillisillä samantasoisilla mai-30 nitun ensimmäisen pinnan keskiosaan projisoituneilla valonsäteillä.

12. Patenttivaatimuksen 10 mukainen optinen tarkastusmenetelmä, tunnettu siitä, että: 35 mainittu vaihe a) käsittää edelleen useamman kuin yhden eril- 94551 20 lisen samantasoisen valonsäteen työkappaleen (2) toiselle pinnalle (10) projisoimisen vaiheen, toisen pinnan (10) ollessa vastakkainen mainitulle ensimmäiselle pinnalle (6), jolloin kullakin projisoiduista valonsäteistä on ellipsinmuo-5 toinen poikkileikkaus, jossa pääakseli on suorassa kulmassa yksittäisen yksidimensionaalisen ilmaisimen pituusakseliin nähden; mainittu vaihe b) käsittää edelleen jokaisen toiselta pinnalta (10) heijastuneen valonsäteen keräämisen; 10 mainittu vaihe c) käsittää edelleen jokaisen mainitun vaiheessa b) mainitulta toiselta pinnalta (10) kerätyn valonsäteen havainnoimisen vaiheen yhdellä ainoalla yksidimensioi-sella ilmaisimella (28), jossa on ilmaisuelementtejä (32), joiden joukko on järjestetty riviin, jolloin ilmaisuelement-15 tien (32) pituusakseli sijaitsee suunnassa, joka on kohtisuorassa joukon pituusakseliin nähden; ja mainittu vaihe d) käsittää edelleen toiselta pinnalta (10) mainittujen, vaiheessa c) havainnoitujen valonsäteiden mukaisten sähkösignaalien muodostamisen vaiheen, sähkösignaali-20 en ilmaistessa pintaprofiilin eri asemissa pitkin ensimmäistä ja toista pintaa (6, 10) niin, että työkappaleen (2) paksuus ensimmäisen ja toisen pinnan (6, 10) välillä voidaan arvioida työkappaletta (2) liikutettaessa. • · 21 94551