DE1623456A1 - Verfahren und Vorrichtung zur kontaktlosen Abstandsmessung - Google Patents

Description

Anmelderin; Stuttgart, den 1t. Dezember 1967

Hughes Aircraft Company P 1721 S/kg Centlnela and Teale Street Culver City, Calif_o, VoSt₀A₀

Verfahren und Vorrichtung zur kontaktlosen Abstandsmessung

Bs ist häufig vorteilhaft oder erforderlich» den Abstand zwischen einem Bezugspunkt und einem Objekt zu messen, ohne das Objekt zu stören» Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde» ain relativ einfaches Verfahren und eine zur Durchführung de» Verfahrene geeignete Vorrichtung zu schaffen, um unter Verwendung eines Lichtstrahles, hoher Intensität schnell und genau den Abstand zu einem Objekt zu messen» Bin besonderes Anwendungen

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gebiet der Erfindung liegt in der Aufzeichnung von Konturen kompliziert gestalteter Objekte ο

Das erfindungsgemäße Verfahren zur konturlosen Messung des Abstandes zu einem Objekt unter Verwendung eines Lichtstrahles hoher Intensität besteht darin, daß der Lichtstrahl in mehrere räumlich getrennte Sekundärstrahlen aufgespalten wird und die Sekundärstrahlen mit Hilfe eines optischen Systems derart konvergierend auf eine Oberfläche des Objektes gerichtet werden, daß ihre Bilder auf der Oberfläche des Objektes zusam·= manfallsn wenn sich diese Oberfläche in dem Brennpunkt der " konvergierenden Sekundärstrahlen befindet₉ und voneinander getrennt sind, wenn diese Fläche außerhalb des Brennpunktes liegt« Die von der Oberfläche reflektierten Lichtstrahlen werden dann In eine Nutationsbewegung versetzt und auf ein Empfangskreuz gerichtet» Von den das Empfangskreuz durchdringenden nutierenden Lichtstrahlen wird ein impulsförmiges elektrisches Signal abgeleitet, das einen Gehalt an harmonischen aufweist, wenn sioh die Oberfläche des Objektes außerhalb des Brennpunktes befindet« Dann wird der Gehalt dee elektrischen Signales an harmonischen festgestellt und die Distanz zwischen dem optischen System und dem Objekt solange geändert, bis der

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Gehalt des elektrischen Signales an harmonischen gleich Null ist und sich die Oberfläche des Objektes in dem Brennpunkt befindete

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens umfaßt eine Lichtquelle zur Erzeugung des Lichtstrahles hoher Intensität, eine Vorrichtung zum Aufspalten des Lichtstrahles in mehrere räumlich getrennte Sekundäretrahlem, ein optisches System zur Vereinigung der Sekundärstrahlen in einem gemeinsamen Brennpunkt, eine Vorrichtung, um Licht; das von einem im Bereich des Brennpunktes angeordneten Objekt reflektiert wirds auf einen optischen Detektor zu lenken, und im Wege des reflektierten Lichtes eine Vorrichtung, um dem reflektierten Licht eine Nutationsbewegung zu erteilen, und ein optisches Kreuz» Sie Anordnung ist derart getroffen, daß der optische Detektor in Abhängigkeit von dem durch das optische Kreuz hindurchfallende, eine Nutationsbewegung ausführende Licht ein impulsförmigee Ausgangssignal erzeugt, dessen Gehalt an harmonischen zu Null wird, wenn der Brennpunkt auf die Oberfläche des Objektes fällt.

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Eine solche Vorrichtung zur kontaktieren Abstandsmessung kann als Vorrichtung zur Aufzeichnung der Kontur von Objekten "benutzt werden,, Bei einer solchen Vorrichtung wird Vorzugsweise ein optischer Sender (Laser) als Quell© für das Licht ^noher Intensität benutzte Der La-seir-Strahl kann mit Hilfe eines Strahlenspaltkreuises in ©ine Anzahl getrennter Sekundärstrahlen aufgespalten werden» Diese getrennten Sekundärstrahlen können auf das Objekt fokussiert werden ₉ dessen Distanz oder dessen Konturen ermittelt werden sollen,. Das von dem Objekt reflektierte Lieht kann dazu veranlaßt werden₉ ein Empfangskreuz abzutasten, das vor einem optischen Detektor angeordnet istο Servo-Antriebe können dazu benutzt werden, ©inen Tastkopf, der die Lichtquelle enthält, so zu bewegen,, daß die getrennten Sekundärstrahlen auf dem Objekt fokussiert bleiben, so daß sie auf der Oberfläche des Objektes einen einzigen Punkt bilden,

unabhängig davon,, wie sich die Kontur des Objektes ändert» Aus der Bewegung des Tastkopfes können Informationen über den Verlauf der Kontur des Objektes abgeleitet werden«

Eine Anwendung von Präzisionsmessungen besteht in dar modernen Industrie bei der automatischen Oberflächenbearbeitung und der Herstellung von Werkzeugen,, Hierbei ist es häufig vorteilhaft» ein Modell dies zu erzeugenden Gegenstandes heraus teilen, nach dem Schablonen, Formwerkzeuge oder Zeichnungen angefertigt

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werden können* Es ist bei diesen Arbeitsverfahren allgemein üblich s, zusammen mit automatischen Y/erkzeugmaschinen ein UrModell oder eins ür^Seiiablone au benutzen, um danach große Mengen gleioh ausgebildeter Fertigerzeugnisse herausteilen»

tfenn von dieser Technik Gebrauch gemacht wird, müssen bei d@r Herstellung öder Konstruktion die Konturen des Modelles in @ine Form umgesetzt werden₈" nach dar dia in großen'Mengen ^u erzeugenden Gegenstand® hergestellt werden können_o Biese Umsetzung kann zeitraubend® Handmesaungen oder die Konstruktion won Schablonen für aufeinanderfolgende Querschnitte des Objektes erforderlich machen<> Es ist dahar vorteilhaft, Vorrichtungen zur Aufzeichnung der Kontur oder des Profiles zu Törwendsn₈ die es ermöglichen, die Konturen des Objektes schnell, genau und voraugsvreiaa automatisch zn bestimmen» Es ist weiterhin vorteilhaft ₉ wenn die Aufzeichnungsvorriohtung in der Lage ists ein Ausgangssignal in Form τοη Digital= oder Analog-Signalen zu liefern, die dazu benutzt werden können, automatische Werkzeugmaschinen für die Formherstellung oder die Werkstückbearbeitung zu programmieren» Me vorliegende Erfindung ist besonders für solche automatischen Vorrichtungen zur Aufzeichnung der Konturen von Mutzen, weil sie eine gröüere Meßgenauigkeit ermöglicht, als bisher erreichbar war« Die AusgÄnge-

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signale ;> die für die Hirt- und Herbewegung oder Vor- und Rüekbewegung eines Las@r-Kopfes charakteristisch ist₉ kann ein genaues Maß der Änderung der Konturen ein@s Modslles liefern,, Dieses Ausgangssignal kann dann verarbeitet und auf Bändern oder Karten für eine spätere Benutzung gespeichert werden,, Dia Informationen können auch unmittelbar automatischen Werkzeugmaschinen als Eingangssignal zugeführt werden,, Die in dem Ausgangssignal enthaltene Dimensionsinformation kann in jeder gewünschten Weise durch elektronische oder mechanische Vorrichtungen maßstäblich Tergrößert oder verkleinert werden«

Durch die Verwendung eines in Richtung der drei Raumachssn wirkenden Antriebes für eine den optischen Sender und den optischen Detektor umfassende Baueinheit kann eine kontaktlose Konturaufzeichnung erzielt werden, bei der die harmonischen Komponenten des Ausgangssignales des Detektors beispielsweise durch ein abgestimmtes schmalbandiges Filter geleitet wird* um einen Servo-Mechanismus ein Fehlersignal für eine automatische Nachführung zu liefern» Wenn der Lichtstrahl Über die Oberfläche dee Objektes hinweggeführt wird, liefern die Vor- und Rückbewegungen des Servo-Antriebes ein direktes Maß für die Änderungen der Kontur des Objektes.

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Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung sind der folgenden Beschreibung zu entnehmen» in der die Erfindung anhand der in d«r Zeichnung dargestellten Aus·= führungsbeiapiele näher beschrieben und erläutert wird« Die der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmenden Merkmale w " können bei anderen Ausführungsformen der Erfindung einzeln für sich ©der in beliebiger Kombination Anwendung finden,.

Es zeigen:

Figo 1 eine bevorzugte Aueführungsform der Erfindung in schematischer Darstellung=

Fig* 2 einen Schnitt längs der Linie XI-XI durch das ein Strahlenspaltkreuz enthaltende optische System der Vorrichtung nach Figo 1„

Figo 3 eine Draufsicht längs der Linie HI=III auf das Empfangskreuz, der Vorrichtung nach Fig» 1,

Fig» 4A bis 4D eine Bilderfolge zur Veranschaulichung der

Wirkungsweise der Vorrichtung nach Figo 1

in dem Fall, daß die Oberfläche des Objektes im Brennpunkt des optischen Systems liegt»

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Fig» 5A bis 5B eine Bilderfolge zur Veranschaulichung der

Wirkungsweise der Vorrichtung nach Figo 1 für den FaIl₅, daß die Oberfläche des Objektes * leicht gegenüber dem Brennpunkt des optischen Systems Yerschoben ist?'

Figo 6a bis 63) eine Bilderfolge zur Veranschaulichimg der

Wirkungsweise der Vorrichtung nach Figo 1 für den Fall» daß die Oberfläche eines Objektes in erheblichem Maße aus dem Brennpunkt des optischen Systems herausgerückt ist_y

Figo 7 eine vereinfachte schaubildliche Darstellung einer Vorrichtung zur automatischen Konturenaufseichnung nach der Erfindung und

Figo 8 ein Blockschaltbild eines Teiles eines für die Konturen aufijeichnung benötigten elektromechanischen Systems

Die In Fig_o 1 dargestellte Aueführungsform der Erfindung weist eine Lichtquelle 10 auf_? die in der Lage ist_? einen im viesent lichen monochromatischem imä parallelen Lichtstrahl hoher Intensität auB^ueenden» Der hier gebrauchte Ausdruck "Lioht" soll nicht nur solche Strahlen bössßlcbFian» 6Ae in Aps: si^bi·

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baren BsreicJa des Spektrums elektromagnetischer Wellen liegen, sondern aueh Strahlen Im Infrarot= und Ultraviolettbereich» Die Lichtquelle 10 kann beispielsweise von einem optischen Sender (Laser) gebildet werden₉ der ein kontinuierliches Ausgangssignal lieferte

Ein Objekt 1I₉ zn dem der Abstand gemessen werden soils, ist In einer gewissen Entfernung YQn der Lichtquelle 10 angeordnet« Xn dem optischen Pfad zwischen der Lichtquelle 10 und dem Onjekt 11 sind eine Linse 12 und eine zusammengesetzte Linsen-Kreuss-Struktur 13 angeordnet» Die zusammengesetzte Linsen-Kreuz-Struktur 13 umfaßt ihrerseits eine ringförmig® Sende-Objektlinse 14-9 ein ringförmiges Sendekreuss 15 und eine Empfansga^Objektlinee 16₉ die in der Mitte der ringförmigen Sende-Objektlinse H angeordnet isto Obwohl das Sendekreuss 15 als dünnes₉ zentral angeordnetes 5ei3. dargestellt lßt₉ das zwischen zwei Hälften der Sende-Objekfclinae eingespannt ist, sind auch andere Anordnungen möglich» So kann beispielsweise, wezm eine billigere Struktur erwünscht let, das Kreuz einfach auf eine der Oberflächen der Sende-Obgektllnse 14 mit Farbe aufgetragen

Das ÄUBführurigabeiepiel nach Figo* 1 weist weiterhin einen optischen Detektor 17 auf₉ der in der Lage ist, ein elektrisches Auegangssignal zu erzeugen, deaeen Größe in Abhängigkeit von

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der Intensität des auf ihn auftraffanden Lichtes abhängte In dem optischen Pfad zwischen dem Objekt 11 und dem Detektor 17 befindet sich die Empfangs-Objektlinse 16» ein Empfangskreuz 21 und ein optisches Filter 22„

Im Betrieb wird"ein Lichtstrahl hoher Intensität₉ der τοη der .Lichtquelle 10 geliefert wird₉ auf die erste Linse 12 g©klebtet, Der durch gestriehelte Pfeile Teranschaulioiita Lichtstrahl divergiert nach dem JDurohtsmten durch die Linse 12 und wird auf die zusammengesetzte Linsen ~Kreus5~Struktur 13 gerichtete, Der mittlere Teil das divergierenden Lichtstrahles wird von der Rückseite eines Reflektors 18 aufgefangene Der ringförmig© äußere Teil des divergierenden Lichtstrahles durchdringt die Sende-Objektlinse 14 und wird durch das Sendekreuz 15 in Tier im wesentlichen sektorförmig© Anteile aufgespalten und auf das Objekt 11 fokussiert.- Es sei bemerkt, daß der Reflektor 18 vorzugswaise eine im wesentlichen elliptische Form hatj so daß er, wenn er wie in Figo 1 dargestellt unter einem Winkel angeordnet ist j, von der Lichtquelle 10 aus gesehen kreisförmig erscheint. Auf diese Weise ist die Empfangs-Objektlinee 16 für den ausgesandten Lichtstrahl abgedeckt» In der Praxis kann die Rückseite des Reflektors 18 entweder für das ?«m der Quelle 10 stammende Licht absorbierend oder reflektierend eein_e sofern

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er nur liehtundurchlässig ist» Die Lichtundurchlässigkeit ist wichtigj damit gewährleistet ist_s daß das auf dem Objekt 11 gebildet© Liohtmuster ausschließlich durch das Licht verursacht wircij das die Sende-Objektiinse 14 durchdringt ₉ und nicht durch anderes, das Objekt erreichendes Licht« das nicht das Sendekreuz 15 passiert hat, verzerrt, verwischt oder ver« schieiert wird ο

Wie oben erwähnt, wird das übertragene Licht von dem Sendekreuz 15 in vier Segmente aufgespalten und auf das Objekt 11 fokussiertο Bei dem in Figo 1 dargestellten Ausführungsbeispiel fällt der Bereich des Objektes 11₉ auf den das ausgesendete Licht fokussiert ist, mit d©m Brennpunkt des die beiden zwischen Lichtquelle und Objekt angeordneten Linse 12 und 14 umfaasenden optischen Systems zusammen» Wenn das Objekt 11 eine solche Lage hat_s bildet daa auagesandte Licht auf der Oberfläche des Objektes 11 einen Punkt,. Der Surohmesser des Punktes ist außerordentlich klein und wird im wesentlichen von der Qualität des die beiden Linsen 12 und H enthaltenden optischen Pfades bestimmt,

Das von dem auf dem Objekt 11 erzeugten Punktbild reflektiert® Licht gelangt au der Empfangs-Objektlinse 16_P die ein Koiares·- gieren des Xichtstrahles bewirkt« Der konvergierende Lichtstrahl

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wird mittels Reflektoren 18 und 19 auf eine Nutationsplatte gerichtete Beim Durchtritt duroh die Nutationsplatte 20 wird der konvergierende Lichtstrahl τοη der optischen Achse abgelenkte Durcli Drehen der Nutationeplatte 20 mit Hilfe einer Ψ φ Motoranordnung„ die nur schematisch durch Wicklungen 23 angedeutet ist₉ kann der koirergierende Lichtstrahl reraniaßt werden» einen kreisförmigen Pfad ssu beschreiben,, Der eine Nutations«· bewegung ausführende Lichtstrahl wird dann auf ein Empfangskreuz 21 gerichtete Infolge der geometrischen Ausbildung ä@a Empfangskreuzes 21 wird der konvergierende Lichtstrahl periodisch unterbrochene so daß er während jeder Umdrehung der Nutationsplatte 20 nur Tiermal duroh das optische Filter 22 sjum Detektor 17 gelangte Das optische Filter 22 dient dazu, mir diejenigen ä Wellenlängen₉ die sich im Bereich der Betriebswellenlänge der Lichtquelle 10 befinden, passieren zu lassen und dadurcb dem Detektor 17 zügeführte Rausch« oder Hintergrundsignale zu reduzieren»

Zur weiteren Erläuterung der Wirkungsweise der Ausführungsform nach Fig₀ 1 wird auf ßen Querschnitt nach ?ig_o 2 Beaug genommene, der duroh die Mitte der zusammengesetzten Linsen-Kxeuss-Struktur 13 geht«,. In Figo 2 lat das Sendekreus. 15 als Kreuz dargestellt_P das den größten Teil äor Sendn-ObjelttXAneft 14 aMeckl_P abgesehen von -.""ier im wmm&li ttiwn frn leiikfö^'i.giä'n Belctoren i4e« t4bf. 14«'^v

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und 14do Die Empfängs-Objektlinse 16 ist* wie Oben angedeutet koaxial in der Mitte der Sende-Objektlinse angeordnet und mittels geeigneter Halte- oder Klebemittel an ihrem Platz gehalten, wie es in der einschlägigen Technik bekannt ist* Obwohl die zusammengesetzte Linsen~Kreu^~Struk$ur als zwei getrennte Linsen enthaltend dargestellt ist, versteht es sichj daß auch eine einzige linse in Verbindung mit einem geeigneten Kreuz benutzt werden kann_p das in seiner Mitte ™ eine kreisrunde öffnung freiläßt, um die Empfängs-Qbjektlinss zu

In jedem Fall sind die beiden Linsen 14 und 16 so angeordnet und ausgebildet, daß die Linse 16 die Brennebene' des optischer Sendesystems 12, 16 im Bereich des Empfangskreuzes 21 scharf abbildet, wie es in Figo 1 dargestellt ist. Wie aus der folgenden Beschreibung hervorgeht, ist es wünschenswert, daß die Schärfentiefe des optischen Sendesystems 12; 14 geringes^ 1st als die Schärfentiefe der Empfangs-Objektlinse 16, damit schon geringe Verschiebungen der ObjektOberfläche gegenüber der Brennebene des optischen Sendesystems eine deutliche Vergrößerung und Aufspaltung des Leuchtfleckes zur Folge haben, _^ dieser Leuchtfleck aber Im Bereich des Empfangskreuzes noch scharf abgebildet wird« Diese Forderung ist bei der koaxialen

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isj Anordnung der Linsen, wie sie bei dem dargestellten Ausfüllen

""■· rungsbeispiel verwendet wird, infolge der iatsache -verwirklicht' ct daß der durch die Sende-Gbjektllnse fällende Lichtkegel einen größeren öffnungswinkel aufweiet als der durch die Empfange Objektlinse fallende Lichtkegel „ BAD ORIGINAL ,/

Wie Pig» 3 zeigt, weist das Empfangskreuz 21 Tier undurchsichtige Quadranten 21 a, 2Ib₉ 21c und 21d auf₈ die τοη einem geeigneten Montagering 30 an ihrem Platss gehalten werden_o Zwischen den Quadranten befindet sich ein durchsichtiger ^w dielektrischer Spalt oder Luftraum in Form eines Kreuzes ο Das Empfangskreuz 21 hat infolgedessen eine geometrisch© Konfiguration-, die als das, NegatiY der Gestalt des Sendekreuzes 15 bezeichnet werden kann_o Das heißt, daß bei d©m Empfangskreuz der durchsichtige Bereich die Form eines Kreuzes hat₉ während bei dem Sendekreuz der undurchsichtige Bereich ein Kreuz bildete

Zur weiteren Beschreibung der Wirkungsweise der Ausführungeform nach Figo 1 wird nunmehr auf die Figo 4» 5 und 6 Bezug genommen_s die Zustände beim Betrieb der Vorrichtung nach Figo 1 darstellen, bei denen der beleuchtete Bereich des Objektes 11 in der Brennebens, etwas aus dar Brennebene und um ein erhebliches Haß außerhalb der Brennebene liegt«. Im einzelnen ist Fig« 4-A eine vergrößerte Ansicht des Objektes

11« die zeigt, wie der konvergierende, auagesandta Lichtstrahl« der durch Pfeile 40 angedeutet ist, einen Bereich des Objektes 11 beleuchtet, der in der Brennebene liegt,. I),;?. mit diese Weise erzeugte Bild ist in der Teilansicht des Objektes 11

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nach Fig; 4B dargestellt« Bei der vorliegenden Koinzidenz von Objektoberflache und Brennebene ist das Bild.ein sehr heller Lichtpunkte

Das von dem beleuchteten Funkt reflektierte Licht gelangt, wie oben beschrieben^ mir Empfangs-Objektlinse 16« !Danach wird das reflektierte Bild in einer Nutationsbewegung auf einem kreisförmigen Pfad um di© Achse des Empfangskreuzes 21 herumgeführt₉ wie es in Fig₀ 4C veranschaulicht ist_o Die Umlaufgeschwindigkeit des die Nutationsbewegung ausführenden reflektierten Bildes ist offensichtlich durch die Drehgeschwindigkeit der Nutationsplatte 20 bestimmte Bei jedem Durchlaufen seines kreisförmigen Pfades auf dem Empfangs= kreuz 21 passiert das reflektiert® Bild die durchlässigen W ' Stellen des Kreuzes und erreicht den Detektor 17« Infolge der geometrischen Ausbildung des Empfangskreuzes 21 fällt das reflektierte Licht bei jedem Umlauf viermal durch das Kreuz hindurch _o Infolgedessen besteht das Ausgangssignal des Detektors, das in Figo 4D graphisch dargestellt ist, aus einer Serie von Impulsen, deren Frequenz das vierfache der Nutationsfrequens; beträgt-«

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Die Fig» 5A, 5B, 50 und 5D veranschaulichen die gleiche, vorstehend beschriebene Folge, jedoch für den FaIl₉ daß sich das Objekt 11 dicht hinter der Brennebene befindet» Wie aus den Figo 5A und 5B ersichtlich, ist das auf der Objektfläche erzeugte Bild größer und besteht aus vier Liehtquadranten_f die durch die Maskenwirkung des Sendekreuzes erzeugt werden» Dem reflektierten Strahl wird wieder eine Nutationsbewegung auf dem Empfangskreuz 21 erteilt₉ wie es in Figo 5C veranschaulicht ist₉ und auf den Detektor übertragen» Das Ausgangssignal des Detektors ο das in Figo 3D dargestellt ist« besteht aus verbreiterten Impulsen; die einen geringen Anteil an der zweiten Harmonischen aufweisen» Der Gehalt des Detektor-Ausgangssignalee an Harmonischen wird weiter erhöht; wenn das Objekt 11 sich weiter von der Brennebene entfernt» Die Folge der Fig» 6A₉ 6B₉ 6G und 6D veranschaulicht den Zustand_s der vorliegt, wenn sich das Objekt in einem wesentlichen Abstand von der Brennebene befindete Wie in Figo 6D dargestellt_s wird das Ausgangssignal des Detektors im wesentlichen von der zweiten Harmonischen gebildete

Es ist offensichtlich, daß das Ausgangssignal des Detektors dazu benutzt werden kann? den Zustand au bestimmen, bei dem

sich das Objekt in der Brennebens der Sendelinse befindet»

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Zu diesem Zweck wird etfit^eder das Objekt oder- {lie optische Anordnung, die im Folgenden als "tastkopf' bezeichnet wird* so bewegt9 daß der Gehalt des Detektqr-Auagangsaignales an harmonischgn auf ein liinimum gebracht wirdα Wie es im Folgenden noch beschrieben wirdj kann dies mit Hilfe eines Seirwo-Mechanismus er£olgen₉ indem tin Pehlprsignal» das "von dem harmonischen Gehalt des Ausgangssignales des Detektors als Steuersignal für eine solche Einstellung des Abstandes zwischen Tastkopf und Objekt dient9 bfi d@m, dar harmonische Sehalt des Detektor-AuagangBsignales ein Minimum ist» fiir daa A^^tajnd des 3?astkopf8a vom Objekt, bsi dem die Brennebene un_d die Ob^ektoberflache zusammenfallen, kann ein Bezugspunkt festgelegt werden, Nach der lestlegung eines solche^ Bezugspunktes kanri eine Mikrqmeter.akala oder ein linearer Bewegungsumaetzere die bzwo der mit dem. AntKieb^mechaniamus gekoppglt iat₈ dazu benutzt: wterden₉ um den Abstand zwischen dem ^|z^spunkt und deg

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Anqrdnufig nach Art eines Brückenkran^ s, §o eingericlitgts, daß er eine g^w4in§elit® und gesteuerte Bewegung in drai Dimensionen auszuführen ¥ermagq Durch Kästen 71₉ 72 und 73 veranschaulicht© Antriebe bewirten die Bewegung des Sastkopfes in der x~_e y·= und ss-Riqhtung^ (Jemäß der in Figo 7 willkürlich gewählt <en Bezeichnungen entspricht die x-Achse der Horizontalrichtmngj die y·=Achse der Vertikalrichtung und die ss-Achse der auf dar x-y^Ebene senkrechten Richtung auf das Objekt 74°

Bei der in Figo 7 dargestellten Anordnung handelt &$ sich bei dein Objekt 74 um das Modell eines Personenkraftwagens, dessen Kontur gemessen werden SpIl₃ Es Tersteht sich jedoch« daß auch andere Modelle wie Bauten₉ Flugkörper und andere Objekte sowie auch Kunstw^^e von im wesentlichen unbeschränkter gestalt nach dem erfindungagemäßen Varfahran und mit der erfindungagemäßon Yp|!ripih1;u|ag auigernggsen

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in Figo 1 fqrtgelasaens um die Überaichtlichkeit zu erhöhβηο

-Schffiibtr pdf? -^gichftnierlte fiiid/ Mechanische x=-y~pphr«ibf^ können bei- |auf|a^||fin ajfffinp, ||f §||i Rittern» däa eeineratits die Antr-ifttoamGtprftng Antriebs BAD ORIGINAL

schrauben und lineare Bewegungsumsetzer tragen«, Ben Antriebe» motoren zugeführte Steuerspannimg®η können so programmiert seln₉ daß sie das optische System 70 veranlassen, die x~y~ Ebene etwa in der Weise abzutasten; wie der Strahl einer Kathodenstrahlröhre deren Schirm in einem Fernsehempfänger ^ abtastet» In manchen Fällen kann die Abtastung in inkrementalen Schritten τοη Bruchteilen eines Zentimeters erfolgen, je nach der gewünschten Genauigkeit«. Bei Bedarf können die Antriebsmotoren auch so gesteuert werden, daß eine kontinuierliche Abtastung erfolgte In jedem Falle liefert der Bewegungsumsetzer, der ein Teil jedes Antriebes bildet; ein Ausgangssignal, das für die Stellung des optischen Systems längs der x~ und y~Aehse charakteristisch ist ο

Für jede x-y«=Stellung_t für die eine Konturen- oder z-Information benötigt wird; wird das optische System in eine solche Stellung gebracht; in der seine Brennebene mit der Objektoberfläche zusammenfällt„ Diese Koinzidenz wird mit Hilfe des »-Antriebes 73 bewirkt, der mit dem Tastkopf durch eine Servo-Schleife gekoppelt ist» Wenn diese Koinzidenz erreicht istβ wird die z-Stellungsinforraation von einem dritten linearen Verschiebungsumsetzer abgelesen_B der mit dem z-Antrieb ge- * koppelt ist» Da die Brennweite des optischen Systemes bekannt

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und unveränderlich ist₉ kann der ^-Abstand sum Objekt für jede x-y-Stellung leicht berechnet und aufgezeichnet werden.,

Figo 8 zeigt in Form eines Blockschaltbildes einen Teil einer ^elektromechanischen Verwirklichung der vorliegenden Erfindung_o Der Block 80 ist der in Figo 1 dargestellte Tastkopf„ In der Praxis sind die Lichtquelle; das optische System und die dazugehörigen Bauteile in einer beweglichen Baueinheit vereinigt, wie es in Figo 7 gezeigt ist₉ um die Konturen des zu vermessenden Objektes zu verfolgen» In dem AusführungsbeiBpiel nach Figo 8 ist nur der Antrieb für die z-Achse dargestellte Wie oben erwähntj können die x~ und y-Antriebe Antriebsmotoren aufweiseng die mit Schrauben oder anderen mechanischen Mitteln Übertragung der Bewegung auf den Tastkopf 80 verbunden sind

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird dem Tastkopf 80 die Bewegung längs dar κ-Achse τοπ einem mit dem Tastkopf gekoppelten hydraulischen oder pneumatischen Zylinder 81 Grteilt« Mit dem Zylinder iot eine Druckmittelquelle 82 über ein elektrisch gesteuertes Ventil 83 gekoppelt« Daher kann durch ein dem Ventil 8*J sugeführtoe elektric:ließ Γ. Ignal der Suiluti den Druckmediums sum Zylinder 81 und weiterhin die Bewegung des Taetkopfes 80 "v*k .*t werden γ L?» Verfolgung d«r fCoatur das &n

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Objektes erfolgt mit Hilfe einer Serifo-Schleif e _s durch die das Fehlersignal des Tastkopfes 80 jzusammen mit dem Ausgangesignal eines Sohwinggenerators 86 und ©ines Sehrittspannungsgenerators 87 einem ersten Summenpunkt 85 zugeführt wird ο Die Summe dieser drei Signale wird dann einer elektronischen Steuereinheit 88 zugeführt j, die das Steuersignal für das Ventil 83 lieferte

Die Funktion des Schwinggenerators 86 besteht darin₉ ein periodisches Signal relativ kleiner Amplitude zu liefern, das dem Fehlersignal überlagert wirdo Dieoes Signal hat eine sehr kleine Vor- und Rüekbewegung das Tastkopfea zur Folge, selbst in der Stellung_s in der das Fehlersignal Null isto Die Schwingbewegung dient dazu.,, eine Richtungs- oder Phaseninformation , für die Servo-Schleife zu lieforn*

Der Schrittspannungegenerator 87 liefert dagegen Schrittspan'-nungen* die dazu dienen» den Tastkopf 80 in der Umgebung der gewünschten Arbeitsstellung zu halten» Hit anderen Worten sollen die Schrittspannungen verhindern, daß daa Objekt weit aus dem Brennpunkt des Tastkopfes gerät« Der Sohritt epannungagenerator 87 wird seinerseits yon der Summe der Signale einer Schrittbibliothek 89 und eines Bewegungsum-'*■ BAD ORIGINAL

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setzera 84 angesteuert_o D©r Wegumsetzer 84 -1st mechanisch mit dam Zylinder 81 gekoppelt und liefert ein Ausgangssignal-₉ das eine Punktion der geradlinigen Verschiebung des Tastkopfea 80 längs der z-Achse ist» Äußer als Eingangssignal für die " w Sohrittbibliothek 89 dient das Ausgangssignal des Bewegungsumsetzers 84 auch als Eingangssignal für ein. daten^erarbeitendea Gerät 91 ο

Dem datenTerarbeitenden Gerät 91 werdea außerdem die Ausgangssignale des Schwinggensrators 86 ηηύ des Schrittspannungs» generators 87 zugeführt. Diasas Gerät liefert ein Ausgangssignal₉ das für die Verschiebung /χ % läBgs der s-Achse charakteristisch ist ο Das Ausgangssignal a ±a\& wird da^n ainsm Var braucher 92 zugeführt, das beispielsweise Speichormittal -mum Aufzeichnen der χ=, y~ und ^-Informationen der Kontur für ©inen späteren Gebrauch enthält» Stattdessen kann der Verbraucher 92 auch8 wie oben erwähnt, von dem Eingabegerät einer automatischen Werkzeugmaschine gebildet werden»

Beim Betrieb wird der Tastkopf 80 vorzugsweise auf die «-«Achse des Bewegungesystems ausgerichtet» wie es Figo 7 zeigt* Die x~ und y-Antriebe werden so programmiert_v da8 sie das zu rermeeaende Objekt in diesen Sichtungen entweder kontinuierlich

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oder In inkrementalen Schritten abtasten, je nach der gewünschten Auflösung der Kontur,, Die x~ und y-S.tellungen, die von dem in Figo 7 angedeuteten Verschidbungsumsetssern geliefert werden» werden dem Verbraucher 92 zügeführt_o Weiterhin wird für jede tl-, y-Stellung der Tastkopf so nach= gestellts daß seine Brennebene mit der Objektoberfläche zusammenfällt, wie es anhand Figo 1 erläutert wurde₀ Die τοπ. dem datenverarbsitenden Gerät 91 erhaltene Information wird gleichzeitig dem Verbraucher 92 zugeführt_o Auf dies© Weise wird eine '&<=■ Verschiebung _s die den Abstand des Objektes von der vorgegebenen Bezugseltene darstellt_s für jede x, y-Stellung erhalten»

Es versteht sich, daß die vorstehend beschriebenen Ausführungen ^ λ beispiele nur eine kleine Anzahl der vielen möglichen speziellen Ausführungsbeispiele veranschaulichen, bei denen die Lehren der Erfindung verwirklicht sind, Ee können leicht zahlreiche abgewandelte Anordnungen nach den Lehren der Erfindung vom Fachmann geschaffen werden,, ohne dsn Rahmen der Erfindung mx verlassene

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P / ο

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Claims (1)

1. Verfahren zur kontaktlosera Messung des Ateatandes eu ©ine.m Objekt unter Verwendung slnes Lichtstrahles hoher Intensität, dadurch gekennzeichnet _s daß der Lichtstrahl Ib mehrsr® räum--· lieh getrennt® Sekundärstrahlen aufgespalten wird und die Sekundärstrahlen mit Hilfe eines optischen Systems derart konvergierend auf eine Oberfläche des Objektes gerichtet werden ₉ daß ihre Bilder auf der Oberfläche des Objektes zusammenfallen^ wenn sich diese Oberfläche im Brennpunkt der konvergierenden Sekundärgtrahlen befindet_f und voneinander' getrennt sind ρ wenn diese Fläche außerhalb dieses Brennpunktes liegt, daß die ron der Oberfläche reflektierten Lichtstrahlen in eine Nutationsbewegung versetzt und auf

   ' W ein Empfangskreus gerichtet werden, daß von den das Empfangskreuz durchdringenden nutlerenden Lichtstrahlen ein impuls ~ förmiges elektrisches Signal abgeleitet wird; das einen Gehalt an Harmonischen aufweist, we&n sich die Oberfläche des Objektes außerhalb des Brennpunktes befindet_y daß der Gehalt des elektrischen Signales an harmonischen festgestellt und die Distanz zwischen dem optischen System und dem Objekt

   ; geändert wird, bis der Gehalt des elektrischen Signalee an harmonischen gleich Null 1st und sich Infolgedessen die Oberfläche d©s Objektes im Brannpunkt befindet*

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   Zr. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nash Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet _f daß sie eine lichtquelle (10) zur Erzeugung eines Lichtstrahles hoher Intensität., eine Vor~ richtung (H, 15) zum Aufspalten des Lichtstrahles in mehrere räumlieh getrennt® Sekundärstrahlen_r ein optisches System (12, 14) zur Vereinigung der Sekundärstrahlen in einem gemeinsamen Brennpunkts eine Vorrichtung ₉ um Licht_s das von einem im Bereich des Brennpunktes angeordneten Objekt (11) reflektiert wird₉ auf einen optischen Detektor (i?) zu lenken,. und im V/ege des reflektierten Lichtes eine Vorrichtung (20, 23), um dem reflektierten Licht eine Nutationsbewegung zu erteilen, und ein optisches Kreuss (2t) umfaßt, derart, daß der optische Detektor in Abhängigkeit>on dem durch das optische Kreuz hindurchfallendes, eine Mutations bewegung ausführende Licht ein irapuleförmiges Auegangssignal erzeugt; dessen Gehalt an harmoniechen zu Null wird, wenn der Brennpunkt auf die Oberfläche des Objektes fällt»

   5ο Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie Servo-Einricbtungen aufweist, die auch den Gehalt des Auegangssignale β an harmonischen ansprechen und den Abstand der Vorrichtung zum Objekt so einstellen, daß der Brennpunkt stets auf der Objektoberfläohe liegt·

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   Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (10) τοη einem optischen Dauerstrich-Sender gebildet wird»

   ο Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4_S dadurch gekennzeichnet , daß die Vorrichtung zum Aufspalten des Lioht-Strahles von einem Strahlenspaltkreuz (15) gebildet

   Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5» dadurch kennzeichnet₉ daß die Vorrichtung zur Erteilung einer Nutationsbewegung von einer Nutationsplatte (20) gebildet wird ο

   7» Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet 9 daß die Lichtquelle, die optischen Mittel zur Führung der Lichtstrahlen und der optische Detektor in einem Tastkopf (80) angeordnet sind, der In einer zu dem Lichtstrahl senkrechten Ebene beweglich ist₉ daß auf das Ausgangssignal des optischen Detektors ansprechende Servo Einrichtungen (88, 81, 82, 83) vorgesehen sind, die mit dem Tastkopf gekoppelt sind und den Tastkopf längs des Lichtstrahles bewegen,, um den Abstand zwischen dem Tastkopf

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   und dem beleuchteten Flächenahschnitt dee Objektes konstant zu halten₉ und daß mit den Servo-Einrichtungen Mittel (84₉ 919 92) gekoppelt sind₉ um das Haß der Bewegung dös Tastkopfes in Richtung des Lichtstrahles in Abhängigkeit von einer Bewegung in der zum Lichtstrahl senkrechten Ebene λ anzuzeigen und/oder aufzuzeichnen«,

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