DE1273828B

DE1273828B - Photoelectric device for determining the width or thickness deviation of an object from a nominal value

Info

Publication number: DE1273828B
Application number: DE1959L0033811
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Felix Lentze; Dipl-Ing Julius Welkamer
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1959-07-09
Filing date: 1959-07-09
Publication date: 1968-07-25

Description

Photoelektrische Einrichtung zur Ermittlung der Breiten- oder Dickenabweichung eines Gegenstandes von einem Sollwert Die Erfindung bezieht sich auf eine photoelektrische Einrichtung zur Ermittlung der Breiten- oder Dickenabweichung eines Gegenstandes von einem Sollwert, wobei durch ein optisches System mit einem Dachkantenprisma od. dgl. zwei Bilder des zu prüfenden Gegenstandes in einer Abbildungsebene erzeugt werden.Photoelectric device for determining the width or thickness deviation of an object from a set point The invention relates to a photoelectric Device for determining the width or thickness deviation of an object from a target value, being through an optical system with a roof prism or the like. Two images of the object to be tested are generated in one imaging plane will.

Es ist bereits bekannt, zur Abstandsmessung die Kanten eines Gegenstandes mit sichtbarer Eigenstrahlung durch Photozellen abzutasten, die über den Kanten des abzutastenden Körpers angebracht sind und deren Abstand durch einen Stellmotor beim Wechsel an den Kanten von Dunkel zu Hell oder umgekehrt entsprechend dem Abstand der Kanten verstellt wird. It is already known to measure the edges of an object with visible natural radiation to be scanned by photocells, which over the edges of the body to be scanned are attached and their spacing by a servomotor when changing at the edges from dark to light or vice versa according to the distance the edges are adjusted.

Die Bewegung des Stellmotors verstellt gleichzeitig ein Anzeigegerät. Die bekannte Anordnung eignet sich infolge der Trägheit des Stellmotors sowie der erforderlichen elektrischen und mechanischen Wellen nicht für Meßeinrichtungen, an die hinsichtlich ihrer Genauigkeit und Ansprechzeit große Anforderungen gestellt werden.The movement of the servomotor adjusts a display device at the same time. The known arrangement is suitable due to the inertia of the servomotor and the required electrical and mechanical shafts not for measuring devices, Great demands are placed on them in terms of their accuracy and response time will.

Es ist ferner bekannt, die Breite oder Breitenschwankungen eines Gegenstandes dadurch zu messen, daß neben der einen Kante des Gegenstandes optisch ein Bild der anderen Kante derart erzeugt wird, daß zwischen der einen Kante und der optisch erzeugten Abbildung der anderen Kante ein Spalt gebildet wird, dessen Breite ein Maß für die Breite des Gegenstandes ist. Diese Einrichtung dient vor allem dazu, Verfälschungen des Meßergebnisses durch seitliche Bewegungen des Gegenstandes auszuschalten. Sie eignet sich nicht für genaue Messungen und ist außerdem optisch relativ aufwendig. It is also known that the width or width fluctuations of a Object to measure that next to one edge of the object optically an image of the other edge is generated in such a way that between the one edge and the optically generated image of the other edge a gap is formed whose Width is a measure of the width of the item. This facility serves before above all, falsifications of the measurement result due to lateral movements of the object turn off. It is not suitable for accurate measurements and is also optical relatively complex.

Es ist weiterhin bekannt, zur Abstandsmessung die Kanten eines Gegenstandes mittels je einer Fernsehkamera abzutasten und das Ergebnis in Form elektrischer Impulsfolgen einer Vergleichseinrichtung zuzuführen, in der durch Phasenvergleich der Impulsfolgen auf die Breite des Meßgutes geschlossen wird. It is also known to measure the edges of an object to be scanned by means of a television camera and the result in the form of electrical To supply pulse trains to a comparison device, in which by phase comparison of the pulse trains is inferred from the width of the material to be measured.

Nachteilig wirkt sich bei dieser bekannten Anordnung die Forderung aus, daß beide Abtasteinrichtungen synchronisch arbeiten müssen und es praktisch sehr schwierig ist, Ortsunterschiede der beiden synchron laufenden Elektronenstrahlen auf den Bildschirmrastern der Fernsehkamera in Zeitunterschiede umzuwandeln, die ein Maß für die Breite darstellen.The requirement has a disadvantageous effect in this known arrangement from that both scanning devices must work synchronously and it is practical It is very difficult to locate differences in the position of the two electron beams running synchronously on the screen grids of the television camera to convert the represent a measure of the width.

Es ist auch bekannt, die Abweichung des Abstandes zweier Kanten von einem vorgebbaren Abstandssollwert dadurch zu ermitteln, indem die Kanten periodisch auf eine photoelektrische Empfangs anordnung abgebildet werden und der Abstand zwischen den den Kantenabbildungen entsprechenden Impulsflanken erfaßt wird. Dies kann z. B. digital mit Hilfe eines Zählers geschehen, in den für die Zeit zwischen den beiden Impulsflanken Zählimpulse eingezählt werden. Es ist auch dabei bekannt, eine Nullmethode zum Ausmessen des Abstandes anzuwenden. It is also known the deviation of the distance between two edges from to determine a predeterminable distance setpoint by periodically cutting the edges be mapped to a photoelectric receiving arrangement and the distance between the pulse edges corresponding to the edge images is detected. This can e.g. B. done digitally with the help of a counter, in the for the time between the two Pulse edges counting pulses are counted. It is also known to do a null method to be used to measure the distance.

Bei diesen Anordnungen sind zwei optische Systeme zur Kantenabtastung notwendig, die genau miteinander synchronisiert werden müssen, weil jede Abweichung sich als Fehler im Meßergebnis ausdrückt. Werden relativ einfache Empfänger wie Photozellen, Multiplier od. dgl. in Verbindung mit einer mechanischen Abtastung (Drehspiegel od. dgl.) benutzt, so ist ein erheblicher Aufwand in der Synchronisation notwendig. Finden Fernsehkameras als Empfänger Anwendung, so ist zwar der Aufwand in der Synchronisation geringer, jedoch müssen teure und komplizierte Empfänger angewendet werden. In these arrangements there are two optical systems for edge scanning necessary, which must be precisely synchronized with each other, because every deviation is expressed as an error in the measurement result. Will be relatively simple recipients like Photocells, multipliers or the like in connection with mechanical scanning (Rotary mirror or the like) is used, a considerable effort is involved in the synchronization necessary. If television cameras are used as receivers, the effort is indeed considerable less synchronization, but expensive and complicated receivers be applied.

Es ist auch eine Einrichtung zur Ermittlung der Abweichung des Abstandes zweier Kanten eines Gegenstandes von einem Sollwert mittels nur eines optischen Systems bekannt, bei der von dem Gegenstand durch eine Bildverdoppelungseinrichtung, insbesondere durch ein Prisma, zwei Bilder des Gegenstandes erzeugt werden, wobei diese Bilder nebeneinander liegen. Eine Anderung des Abstandes der Kanten macht sich in der gegenseitigen Verschiebung der beiden Bilder bemerkbar, wobei diese Bilder auf einem Schirm visuell beobachtet werden. Diese bekannte Einrichtung hat den Nachteil, daß keine Einstellmöglichkeit für den Normalwert vorhanden ist, so daß bei Änderung des Normalwertes andere Kenngrößen des optischen Systems eingestellt werdenmüs sen. Außerdem ist die bekannte Anordnung nur für die visuelle Auswertung brauchbar, da die beiden Bilder nebeneinander liegen und nicht getrennt ausgewertet werden können. It is also a device for determining the deviation of the distance two edges of an object from a nominal value using only one optical Known system, in which the object by an image doubling device, in particular by a prism, two images of the object are generated, wherein these images are next to each other. A change in the distance between the edges makes noticeable in the mutual displacement of the two images, this Images on a screen can be visually observed. This well known facility has the disadvantage that there is no setting option for the normal value, see above that if the normal value changes, other parameters of the optical system are set Need to become. In addition, the known arrangement is only for visual evaluation useful because the two images are next to each other and are not evaluated separately can be.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die Abbildung und die Empfangs anordnung so getroffen sind, daß eine Auswertung nach dem bekannten Prinzip der periodischen Abbildung der Gegenstandskanten und Messung des zeitlichen Abstandes der entsprechenden Impulsflanken erfolgen kann. The invention is based on the object of a device of the initially to create mentioned type, in which the image and the reception arrangement made are that an evaluation according to the known principle of periodic mapping of the object edges and measurement of the time interval between the corresponding pulse edges can be done.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß durch Verstellung des Dachkantenprismas die beiden Bilder des Gegenstandes in der Abbildungsebene so gegeneinander verschoben werden, daß bei Sollwert des zu prüfenden Gegenstandes die Abbildung der einen Kante des Gegenstandes im Bild und die Abbildung der anderen Kante des Gegenstandes im Bild in einer Geraden liegen oder einen vorgegebenen Abstand voneinander haben und daß durch Drehspiegelanordnung je ein photoelektrischer Empfänger von je einem Bild periodisch beaufschlagt wird sowie die bei Sollwert des Gegenstandes in der Geraden zeitlich zusammenfallenden Impulsflanken der durch die photoelektrischen Empfänger erzeugten elektrischen Impulse nach Impulsumformung in einer an sich bekannten elektrischen Auswerteschaltung derart ausgewertet werden, daß bei gegenseitiger Verschiebung der beiden Impulsflanken ein Ausgangssignal entsteht, welches der Abweichung des Istwertes vom Sollwert des Gegenstandes proportional ist. This object is achieved according to the invention in that by adjustment of the roof prism the two images of the object in the imaging plane are shifted against each other so that the target value of the object to be tested the image of one edge of the object in the picture and the image of the other The edge of the object in the image lie in a straight line or a specified distance have from each other and that each one photoelectric receiver by rotating mirror arrangement is acted upon periodically by one image each, as well as that at the target value of the object in the straight line temporally coincident pulse edges of the photoelectric Receiver generated electrical pulses after pulse conversion in a known manner electrical evaluation circuit are evaluated in such a way that with mutual Shifting the two pulse edges produces an output signal which corresponds to the deviation the actual value is proportional to the target value of the object.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird erreicht, daß die Einrichtung nicht nur für einen Sollwert, z. B. für einen Normdurchmesser des zu prüfenden Gegenstandes brauchbar ist, sondern auch für andere Sollwerte, was durch eine einfache Drehung am Prisma erreicht wird. The measures according to the invention ensure that the device not only for a setpoint, e.g. B. for a standard diameter of the object to be tested is usable, but also for other setpoints, which can be achieved by a simple rotation is reached at the prism.

Außerdem werden bei der erfindungsgemäßen Einrichtung die.Doppelbilder selbsttätig ausgewertet, so daß das Prisma so eingestellt wird, daß die Doppelbilder untereinander zu liegen kommen, bezogen auf die Richtung, in der die Bilder bei sich änderndem Abstand auswandern. Bei einer derartigen Lage der Doppelbilder ist es nun möglich, jedes Bild einem zugeordneten Empfänger zuzuführen. Die Signale der Empfänger können dann in einer an sich bekannten Auswerteschaltung, die den Abstand zweier Impulse erfaßt, ausgewertet werden. Es erfolgt somit mit sehr einfachen optischen und photo elektronischen Mitteln die Erzeugung und Auswertung der Doppelbilder. In addition, in the device according to the invention, the double images evaluated automatically, so that the prism is set so that the double images come to rest among each other, based on the direction in which the images are attached emigrate at changing distances. In such a position the double image is it is now possible to send each image to an assigned recipient. The signals the receiver can then in a known evaluation circuit that the Distance between two pulses can be detected and evaluated. It is thus done with very simple optical and photo-electronic means the generation and evaluation of the double images.

Die Erfindung ist in der Zeichnung an Hand eines Ausführungsbeispiels veranschaulicht, wobei angenommen ist, daß die Abweichung des Durchmessers eines Stabes von seinem Sollwert erfaßt werden-=sõS Zu diesem Zweck wird der Stab in den abzubildenden Bereich durch eine äußere Lichtquelle beleuchtet oder beispielsweise auf induktivem Wege zum Glühen gebracht. The invention is shown in the drawing using an exemplary embodiment illustrated, assuming that the deviation in the diameter of a The rod is detected by its setpoint value- = sõS For this purpose, the rod is in the The area to be imaged is illuminated by an external light source or, for example made to glow inductively.

In F i g. 1 ist der zu messende Stab mit 1 bezeichnet. Durch die Linsensysteme 2 und 3 wird der durch die Blende 4 hindurchgehende Bereich des abzubildenden Gebietes in die Bildebene 5 abgebildet. Durch ein Dachkantenprisma 6 werden jedoch vorher die abzubildenden Strahlen so aufgespalten, daß sich nach Reflexion an einem Sechseckdrehspiegel 7 in der Bildebene zwei Bilder ergeben. Das Dachkantenprisma 6 ist dabei so verstellbar, daß, wie Fig.2 zeigt, die beiden sich ergebenden Bilder 21, 22 in senkrecht übereinanderliegenden Bahnen laufen. In jeder Bahn ist eine Photodiode 8, 9 angeordnet. In Fig. 1 the rod to be measured is denoted by 1. Through the Lens systems 2 and 3 become the area of the image to be imaged which passes through the diaphragm 4 Area mapped into image level 5. However, by a roof prism 6 previously split the rays to be imaged so that after Reflection on one Hexagonal rotating mirrors 7 result in two images in the image plane. The roof prism 6 is adjustable in such a way that, as FIG. 2 shows, the two resulting images 21, 22 run in vertically one above the other. There is one in every lane Photodiode 8, 9 arranged.

Bei Einstellung des Sollwertes der Stabdicke werden die beiden Abbildungen 21, 22 des Stabes so zueinander ausgerichtet, daß die rechte Kante des einen Bildes senkrecht über der linken Kante des anderen Bildes liegt, d. h., daß sie in einer Geraden 20 liegen. When setting the target value for the rod thickness, the two figures 21, 22 of the rod aligned so that the right edge of one image is perpendicular to the left edge of the other image, i.e. that is, that they are in a Straight lines 20 lie.

Dabei entsprechen die Bildkanten 23 bzw. 24 der Oberkante 11 des Stabes 1 und die Bildkanten 25 bzw. 26 der Unterkante 12 des Stabes 1.The image edges 23 and 24 correspond to the upper edge 11 of the rod 1 and the image edges 25 and 26 of the lower edge 12 of the rod 1.

Infolge der Rotation des Drehspiegels 7 werden die beiden Bilder in der durch den Pfeil 27 angedeuteten Richtung periodisch über die Photodioden 8 und 9 hinwegbewegt. Dabei entsteht jeweils in der Photodiode 8 der in Fig. 3, die den Photostrom i über der Zeit t zeigt, mit 28 bezeichnete Impuls, und in der Photodiode 9 entsteht der Impuls 29. Bei der Sollwerteinstellung folgen die beiden Impulse unmittelbar aufeinander. Entspricht jedoch die Istdicke des Stabes nicht seiner Solldicke, so liegen bei gleichbleibender Einstellung des Dachkantenprismas 6 die Bildkanten 24 und 25 nicht in einer Geraden. Dementsprechend fallen auch der Abfall des Impulses 28 und der Anstieg des Impulses 29 nicht mehr zusammen. As a result of the rotation of the rotating mirror 7, the two images in the direction indicated by the arrow 27 periodically over the photodiodes 8 and 9 moved away. In each case in the photodiode 8 the in Fig. 3, which shows the photocurrent i over time t, the pulse denoted by 28, and in the The impulse 29 is generated by photodiode 9. When setting the setpoint, the two follow Impulses directly on top of each other. However, if the actual thickness of the rod does not correspond its nominal thickness, then lie with the same setting of the roof prism 6 the image edges 24 and 25 are not in a straight line. The fall accordingly The fall of the pulse 28 and the rise of the pulse 29 are no longer together.

Die beiden Impulse 28 und 29 werden den impulsformenden Triggerstufen 13 und 14 der F i g. 1 zugeführt. Die Kippunkte der Trigger sind so eingestellt, daß sie an der steilsten Stelle der Impulsflanken der trapezförmigen Impulse nach F i g. 3 ansprechen. Dadurch werden die Trapezimpulse in Rechteckimpulse hoher Flankensteilheit umgeformt. Über RC-Glieder (Differenzierglieder) sind an die Trigger die bistabilen Kippstufen 16 und 17 sowie an dem Trigger 13 die monostabile Kippstufe 15 angekoppelt. Durch die Zwischenschaltung der RC-Glieder wird erreicht, daß die Kippstufenl6,17 von Nadelimpulsen beaufschlagt werden, die aus den Flanken der Rechteckimpulse abgeleitet sind. The two pulses 28 and 29 are the pulse-shaping trigger levels 13 and 14 of FIG. 1 supplied. The tipping points of the triggers are set so that that they follow at the steepest point of the pulse edges of the trapezoidal pulses F i g. 3 address. This turns the trapezoidal pulses into square-wave pulses with a steep edge reshaped. The bistable ones are connected to the triggers via RC elements (differentiating elements) Flip-flops 16 and 17 and the monostable flip-flop 15 coupled to the trigger 13. By interposing the RC elements it is achieved that the Kippstufel6,17 are acted upon by needle pulses derived from the edges of the square pulses are.

Der Auswertung unterliegt der Abstand der abfallenden Flanke des Impulses 21 von der aufsteigenden Flanke des Impulses 22, d. h. der Abstand der entsprechenden Nadelimpulse, die verschiedene Polarität haben. Da die bistabilen Kippstufen 16 rund 17 zweckmäßig so ausgelegt sind, daß sie durch Nadelimpulse gleicher Polarität in ihre andere stabile Lage gekippt werden, wird der an den Trigger 13 gelangende Impuls 21 in der Phase gedreht. The distance between the falling edge of the is subject to the evaluation Pulse 21 from the rising edge of pulse 22, i.e. H. the distance of the corresponding needle pulses that have different polarity. Since the bistable Tilting stages 16 around 17 are appropriately designed so that they are the same by needle pulses Polarity are switched to its other stable position, the trigger 13 arriving pulse 21 rotated in phase.

Gleichzeitig mit der Kippstufe 16 stößt der von dem Trigger 13 herrührende Nadelimpuls die monostabile Kippstufe 15 an. Sie liefert nach einer einstellbaren Zeit>-edòch vor dem Eintreffen des nächsten Doppélimpulses, einen Rückstellimpuls auf die beiden bistabilen Kippstufen 16 und 17. At the same time as the flip-flop 16, the trigger caused by the trigger 13 hits Needle pulse the monostable flip-flop 15. It delivers according to an adjustable Time> -edòch before the arrival of the next double limp pulse, a reset pulse on the two bistable flip-flops 16 and 17.

Die Ausgänge der beiden bistabilen Kippstufen sind mit dem Differenzglied 18 verbunden. In diesem Differenzglied wird die Differenz der Ströme gebildet, die die in den Kippstufen auftretenden Rechteckspannungen hervorrufen, wobei der Differenzstrom ein Maß für die Abweichung des Stab durchmessers vom Sollwert bildet. The outputs of the two bistable multivibrators are connected to the differential element 18 connected. In this difference element, the difference between the currents is formed cause the square-wave voltages occurring in the multivibrators, with the differential current forms a measure of the deviation of the rod diameter from the target value.

Ein Beispiel für ein derartiges Differenzglied ist in F i g. 4 dargestellt. In dieser Figur sind die beiden bistabilen Kippstufen wiederum mit 16 und 17 bezeichnet. Über die Klemmen 30 und 31 sind sie an die Trigger 13 und 14 angeschlossen. Über die Klemme 31 liegt außerdem noch die monostabile Kippstufe 15 an dem Trigger 13. Die Ausgangsspannungen der beiden bistabilen Kippstufen 16 und 17 steuern die Gitter von zwei Elektronenröhren 32 und 33. Je nach dem herrschenden Zustand in den bistabilen Kippstufen fließt ein Anodenstrom über die Elektronenröhren oder nicht. Die Anodenströme fließen dabei über die Sekundärwicklung 35 oder 36 des Gegentaktübertragers 34. Der an seiner Sekundärwicklung 37 auftretende Strom entspricht dann der Differenz der beiden Anodenströme. Ist der Istwert gleich dem Sollwert, so fallen die Nadelimpulse gleicher Polarität zeitlich zusammen, und die Kippstufen 16, 17 werden gleichzeitig gekippt. Sie geben also Rechteckimpulse gleicher Breite ab, so daß sich die Differenz 0 ergibt. Tritt eine Abweichung vom Sollwert auf, so gelangen die erwähnten Nadelimpulse nicht mehr gleichzeitig an die Eingänge der Kippstufen, sondern zeitlich nacheinander, da die Bildkanten 24 und 25 nun nicht mehr übereinander liegen. Die Rechteckimpulse der Kippstufen haben nicht mehr gleiche Breite, und im Gegentakttransformator34 ergibt sich ein periodisch auftretender Differenzstrom, der ein Maß für die Abweichung des Stabdurchmessers vom Sollwert darstellt. Dieser Differenzstrom speist über einen Tiefpaß 19 ein in Millimeter geeichtes Meßinstrument zur Anzeige der Abweichung und parallel dazu gegebenenfalls einen Regelverstärker. Mit dem Regelverstärker können Stellglieder einer Dickenregelanlage betätigt werden. An example of such a differential element is shown in FIG. 4 shown. In this figure, the two bistable flip-flops are again denoted by 16 and 17. They are on via terminals 30 and 31 the triggers 13 and 14 connected. The monostable multivibrator 15 is also connected to the trigger via terminal 31 13. The output voltages of the two bistable multivibrators 16 and 17 control the Grid of two electron tubes 32 and 33. Depending on the prevailing state in the bistable flip-flops an anode current flows through the electron tubes or not. The anode currents flow through the secondary winding 35 or 36 of the push-pull transformer 34. The current occurring on its secondary winding 37 then corresponds to the difference of the two anode currents. If the actual value is the same as the setpoint, the needle pulses drop same polarity in time together, and the flip-flops 16, 17 are simultaneously tilted. So they emit square-wave pulses of the same width, so that the difference Results in 0. If there is a deviation from the nominal value, the needle pulses mentioned will arrive no longer at the same time to the inputs of the flip-flops, but one after the other, since the image edges 24 and 25 are no longer on top of each other. The square pulses of the multivibrators no longer have the same width, and in the push-pull transformer34 the result is a periodically occurring differential current, which is a measure of the deviation of the bar diameter from the nominal value. This differential current is fed via a Low-pass filter 19 is a measuring instrument calibrated in millimeters to display the deviation and in parallel, if necessary, a control amplifier. With the control amplifier actuators of a thickness control system can be operated.

Claims

Claims: 1. Photoelectric device for determining the Width or thickness deviation of an object from a nominal value, where through an optical system with a roof prism or the like. Two images of the test Object are generated in an imaging plane, characterized in that by adjusting the roof prism (6) the two images (21, 22) of the object (1) are shifted against each other in the mapping plane (5) so that at the setpoint of the subject to be examined object is the image (24) of one edge (11) of the object in the picture (22) and the picture (25) of the other edge (12) of the object in the picture (21) lie in a straight line (20) or have a predetermined distance from one another and that a rotating mirror arrangement (7) each has a photoelectric receiver (8 or 9) is acted upon periodically by one image (21 or 22) each, as well as at Target value of the object (1) in the straight line (20) coinciding pulse edges the electrical pulses generated by the photoelectric receiver (8, 9) after pulse conversion in a known electrical evaluation circuit (13 to 19) are evaluated in such a way that when the two are shifted towards each other Pulse edges an output signal arises, which is the deviation of the actual value is proportional to the nominal value of the object (1).

2. Device according to claim 1, characterized in that by a screen (4) only part of the edges (11, 12) delimiting the object (1) arrives at the image, which is chosen so that the images are when swept over the photoelectric receiver (8, 9) do not interfere with one another.

3. Device according to claim 1, characterized in that by Adjustment of at least one in one of the two beam paths behind the roof prism (6) or the like arranged further prism arrangement, which preferably consists of two against each other rotatable prisms exists, the height shift that occurs during the lateral shift is balanced.

Considered publications: German Patent Specifications No. 663 931, 876 161, 876 162, 884 245, 891 371; German exploratory documents No. 1 004 386, 1 005 741, 1 013 436, 1 016 945, 1 026 542, 1 045 670, 1 056 842; German Utility model no. 1 759 198; German patent application L 18616 IX / 42 b (announced on February 3, 1955); British Patent No. 615 226.