DE3311945C2

DE3311945C2 - Vorrichtung zur berührungslosen Messung von Winkeln

Info

Publication number: DE3311945C2
Application number: DE19833311945
Authority: DE
Inventors: Martin 6100 Darmstadt Oehmichen
Original assignee: KARL F ZIMMER oHG 6101 ROSSDORF DE; Karl F Zimmer Ohg 6101 Rossdorf
Current assignee: Tsi 52078 Aachen De GmbH
Priority date: 1983-03-31
Filing date: 1983-03-31
Publication date: 1986-07-31
Also published as: DE3311945A1

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur berührungslosen Messung von Winkeln und Winkeländerungen beschrieben, bei welcher nach dem Autokollimationsprinzip winklig zueinander angeordnete leuchtende Ränder in Verbindung mit einem rein linear ausgebildeten Lichtfühler dazu verwendet werden, Winkel und entsprechende Winkeländerungen in zwei zueinander senkrechten Richtungen zu messen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur berührungslose» Messung von Winkeln und Winkeländerungen in zwei zueinander senkrechten Richtungen, bei welcher mit Hilfe eines von einer Strahlungsquelle ausgehenden Strahlungsbündels ein Bild einer Meßmarke über ein Halbspiegelprisma oder dergleichen durch ein Objektiv auf eine den Winkeländerungen unterworfene reflektierende Fläche und nach der Reflexion gemäß dem Autocollimationsprinzip nach dem erneuten Durchgang durch das Halbspiegelprisma auf eine fotoelektrische Fühlereinrichtung projiziert wird.

Eine derartige Vorrichtung ist 1982 in dem Datenblatt 5154 der Firma OEM-Meßtechnik, München, unter der Bezeichnung Autocollimator 2010 H 24 beschrieben. Mit dieser Vorrichtung können Winkel oder Winkeländerungen in zwei Richtungen oder Ebenen dadurch gemessen werden, daß ein geeignetes Bild auf zwei in einem rechten Winkel zueinander angeordnete Fühler projiziert wird. Eine solche Einrichtung ist jedoch mit einem erheblichen gerätetechnischen Aufwand verbunden. Sie erfordert auch einen relativ hohen Platzbedarf. Außerdem können Ausrichtprobleme zwischen den beiden Fühlern auftreten. Schließlich ist es nicht möglich, wegen der hohen Lichtpfadlänge und des damit nach oben hin eingeschränkten Meßbereiches kurzbrennweitige Objektive zu verwenden.

Weiterhin ist aus der DE-OS 26 37 960 ein Winkelstellungsmeßfühler bekannt, bei welchem eine Punkt-Lichtquelle auf der den Winkeländerungen unterworfenen Flächen befestigt ist

Die Lichtquelle erzeugt ein Strahlenbündel, welches einen V-förmigen Schlitz passiert und danach auf einen Linienfühler auftrifft. Auf diese Weise wird bei einer Translationsbewegung der Punktlichtquelle deren Winkelposition in bezug auf den Meßfühler geändert und festgestellt Eine Winkeländerung läßt sich mit dieser Anordnung nur dann messen, wenn der Meßfühler selbst an der den Winkeländerungen unterworfenen Fläche befestigt wird. Eine berührungslose Messung von Winkeln und Winkeländerungen wäre nur unter dem großen Nachteil möglich, daß ein sehr schwerer Meßfühler an dem zu vermessenden Objekt befestigt werden müßte. Weiterhin ist nachteilig, daß eine Vergleichslichtquelle erforderlich ist, um in bezug auf deren Strahlenbündel das Wandern des erstgenannten Strahlenbündels beobachten zu können.

Ferner ist aus der DD-PS 74 363 ein Ausrichtgerät

bekannt, mit welchem bei optischen Systemen die geometrischen und optischen Achsen zueinander ausgerichtet werden können. Dabei wird die Lage eines projizierten Fadenkreuzes von einer Bedienpersori beobachtet und mittels mechanischer Einrichtungen in die Mitte des Meßbereichs verschoben. Der mechanische Verschiebeweg gibt einen Wert für die Lage der optischen Achse. Mit diesem Gerät lassen sich ebenfalls keine Winkel und Winkeländerungen messen.

Schließlich sind aus den beiden US-PS 39 89 384 und US-PS 38 27 807 Anordnungen bekannt, bei welchen eine V-förmige Maske mit einem Lichtstrahl abgetastet wird und die Zeit gemessen wird, die zwischen zwei Lichtdurchgängen verstreicht

Der Erfindung liegi die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur berührungslosen Messung von Winkeln und Winkeländerungen der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welcher eine genaue Messung von Winkeländerungen hoher Frequenz mit Hilfe einer besonders einfachen photoelektrischen Fühlereinrichtung zu erreichen ist

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß das Bild der Meßmarke hell in dunkler Umgebung erscheint und von zwei Geraden begrenzt wird, die sich unter einem spitzen Winkel schneiden, daß die eine der beiden Geraden parallel zu der einen der beiden Winkel-Änderungsrichtungen angeordnet ist und daß die photoelektrische Fühlereinrichtung als strahlungsempfindlicher Linienfühler ausgebildet ist, der sich nur linear parallel zu der anderen der beiden Winkel-Änderungsrichtungen erstreckt

Eine alternative Lösung der Aufgabe sieht vor, daß das Bild der Merkmale in dunkler Umgebung erscheint und von zwei Geraden begrenzt wird, die sich unter einem spitzen Winkel schneiden, daß die Winkelhalbierende des spitzen Winkels parallel zu der einen der beiden Winkel-Änderungsrichtungen angeordnet ist und daß die photoelektrische Fühlereinrichtung als strahlungsempfindlicher Fühler ausgebildet ist, der sich nur linear parallel zu der anderen der beiden Winkel-Änderungsrichtungen erstreckt.

Durch diese alternative Lösung der Erfindungsaufgabe ergibt sich speziell der wesentliche Vorteil, daß die beiden Geraden zur optischen Achse des Autokollimator-Objektives jeweils den gleichen Abstand haben. Durch diese Anordnung ergeben sich besonders geringe Abbildungsfehler. Auf diese Weise läßt sich eine sehr hohe Meßgenauigkeit erreichen.

Um störendes Streulicht soweit wie möglich auszuschalten, sieht die alternative Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes weiterhin vor, daß die beiden Geraden als schmale Leuchtbänder ausgebildet sind, deren Umgebungsbereich jeweils dunkel ist.

Die Auswertung kann bei der alternativen Lösung der Erfindungsaufgabe vorzugsweise dadurch erfolgen, daß der Linienfühler als Diodenzeile ausgebildet ist.

Im Unterschied zu derjenigen Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes, bei welcher die eine der beiden Geraden parallel zu der einen der beiden Winkel-Änderungsrichtungen angeordnet ist, erfolgt bei der hier in Rede stehenden alternativen Ausführungsform die Auswertung in der Weise, daß für das Maß der Winkeländerung senkrecht zu der Winkelhalbierenden diejenige Strecke auf der fotoelektrischen Fühlereinrichtung herangezogen wird, welche zwischen einem vorgebbaren Nullpunkt und der Mitte zwischen den beiden Geraden liegt, wobei die Mitte durch die Winkelhalbierende festgelegt ist.

Gemäß der Erfindung ist der wesentliche technische Fortschritt erreichbar, daß mit einer eindimensionalen Fühlereinrichtung und daher mit außerordentlich geringem technischem Aufwand und dabei zugleich mit hoher Genauigkeit die gewünschte Messung von Winkeln und Winkeländerungen in zwei Richtungen durchgeführt werden kann.

Weiterhin erweist sich die erfindungsgemäße Einrichtung dadurch als besonders vorteilhaft, daß nur eine ίο sehr geringe Menge an Streulicht in der Apparatur vorhanden ist Die erfindungsgemäße Anordnung kommt nämlich mit einer sehr geringen Lichtenergie aus.

Wenn in beiden Meßrichtungen gleiche Meßbereiche erfaßt werden sollen, kann vorzugsweise vorgesehen sein, daß der spitze Winkel fünfundvierzig Grad beträgt. Der Meßbereich in der x-Richtung läßt sich jedoch durch entsprechende Veränderung des Winkels α der jeweiligen Meßaufgabe anpassen. Durch geeignete Wahl dieses Winkels besteht daher bei der erfindungsgemäßen Anordnung die Möglichkeit, für die y-Richtung und für die x-Richtung unterschiedliche Empfindlichkeiten und Meßbereiche zu realisieren.

Vorzugsweise kann vorgesehen sein, daß die beiden Geraden als schmale Leuchtbänder ausgebildet sind, deren Umgebungsbereich jeweils dunkel ist.

Mit dieser Anordnung kann bei der Verwendung hinreichend schmaler leuchtender Bänder, die im wesentlichen als leuchtende Linien ausgebildet sein können, störendes Streulicht in der Meßeinrichtung so gut wie vollständig ausgeschaltet werden.

In bestimmten Anwendungsfällen, in denen unter

Umständen Streulicht nicht problematisch ist, kann eine Anordnung verwendet werden, welche sich dadurch auszeichnet, daß die beiden Geraden als Kanten eines leuchtenden Dreiecks ausgebildet sind.

Dabei kann vorzugsweise vorgesehen sein, daß das

Dreieck ein" gleichschenkliges rechtwinkliges Dreieck ist, bei welchem die eine Gerade von der Hypothenuse und die andere Gerade von der einen Kathete gebildet

Grundsätzlich kann der Null-Punkt der Meßeinrichtung mehr oder weniger frei gewählt werden und so den Erfordernissen des jeweiligen Bedarfsfalles angepaßt werden. Vorzugsweise ist vorgesehen, daß der NuIl-Punkt der Meßeinrichtung durch den Schnittpunkt zwischen der Hypothenuse und dem Linienfühler gebildet ist.

Weiterhin sieht die erfindungsgemäße Anordnung vorzugsweise vor, daß der Linienfühler als Hell-Dunkel-Erfassungseinrichtung ausgebildet ist.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform ergibt sich weiterhin dadurch, daß der Linienfühler als Diodenzeile ausgebildet ist.

Grundsätzlich kann gemäß der Erfindung jeder lineare Lichtfühler verwendet werden, der bei einer entsprechenden Verlagerung der Schnittpunkte des Lichtfühlers mit den beiden Geraden eine entsprechende Änderung seines Ausgangssignals liefert.

Für die erfindungsgemäße Vorrichtung ergeben sich vielfältige Anwendungsmöglichkeiten überall dort, wo auch kleinste Winkeländerungen, die unter Umständen mit hoher Frequenz auftreten können, exakt reproduzierbar und genau gemessen werden sollen. Beispielsweise können die Winkeländerungen eines Automobü-Rades unter verschiedenen Belastungen im Prüffeld oder bei Fahrversuchen mit der erfindungsgemäßen Anordnung in besonders eleganter Weise gemessen werden.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt

F i g. 1 eine rein schernatische Darstellung einer ersten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes und

Fig. 2 in einer entsprechenden schematischen Darstellung eine zweite Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes und

F i g. 3 eine Alternative zur Darstellung in der F i g. 1.

Gemäß der Darstellung in der F i g. 1 werden als Bild 10, welches zur Messung der Winkeländerungen in zwei zueinander senkrechten Richtungen verwendet wird, zwei unter einem spitzen Winkel λ zueinander angeordnete leuchtende Bändern und 12verwendet.

Gemäß der Darstellung in der F i g. 2 werden die beiden Geraden durch die Kanten 11' und 12' eines leuchtenden Dreiecks 10' gebildet, dessen dritte Seite durch die Linie 15 dargestellt ist.

Wenn bei der Darstellung in der Fig. 1 eine Winkeländerung in der y-Richtung auftritt, wandern die beiden leuchtenden Bänder 11 und 12 derart vertikal nach oben aus, daß der Weg des horizontalen Randes 11 dem zugehörigen Winkel proportional ist. Eine solche Winkeländerung wird durch die Strecke b dargestellt.

Bei einer Winkeländerung in der ^-Richtung tritt eine Bewegung der leuchtenden Bänder 11 und 12 in der horizontalen Richtung auf, wobei die Strecke b unverändert bleibt, hingegen die Strecke a sich proportional zu der Winkeländerung vergrößert oder verkleinert.

In entsprechender Weise werden bei der Verwendung des leuchtenden Dreiecks 10' gemäß der Darstellung in der F i g. 2 die beiden Strecken a und b bei entsprechenden Winkeländerungen jeweils in Abhängigkeit von einer positiven oder negativen Winkeländerung entsprechend vergrößert bzw. verkleinert.

Aus der Darstellung in der Zeichnung geht hervor, daß in einem als Ausführungsbeispiel gewählten quadratischen Feld 14, in welchem der mit 0 bezeichnete Null-Punkt liegen kann, jeweils die Maße a und b ablesbar sind, die für Winkeländerungen entlang den Koordinaten χ und y repräsentativ sind.

Der Linienfühler 13 bzw. 13' ist in den F i g. 1 bzw. 2 jeweils rein schematisch als vertikale Strecke dargestellt, deren Schnittpunkte mit den Geraden 11 bzw. 11' und 12 bzw. 12' die für die Winkeländerungen repräsentativen Strecken a und b festlegen.

Es dürfte aus der Zeichnung klar ersichtlich sein, daß bei einer Winkeländerung in der Richtung χ die Strecke b konstant bleibt, während die Strecke a verändert wird. Umgekehrt bleibt bei einer Winkeländerung in der y-Richtung der absolute Betrag der Strecke a unverändert, während sich die Strecke b ändert

Die Umwandlung der durch die beiden Strecken a und b festgelegten Signalwerte in entsprechende Ausgangssignale kann in an sich bekannter Weise durchgeführt werden.

Es hängt von rein praktischen Erfordernissen ab, im Bedarfsfall die nach der F i g. 1 oder die nach der F i g. 2 ausgebildete Ausführungsform oder auch eine nach dem Grundgedanken der Erfindung ausgebildete, jedoch abgewandelte Ausführungsform zu verwenden.

Wenn die Richtung und damit das Vorzeichen der Koordinate χ vertauscht v/erden soll, so lassen sich einfach die leuchtenden Bänder 11 und 12 und in entsprechender Weise das als Dreieck ausgebildete leuchtende Bild 10' derart anordnen, daß eine in bezug auf den Linienfühler 13 bzw. 13' spiegelsymmetrische Anordnung verwendet wird.

Durch Verändern des Winkels «läßt sich der Winkelmeßbereich in der x-Richtung variieren, so daß für die y-Richtung und die x-Richtung auch unterschiedliche Meßbereiche gerätetechnisch verwirklicht werden können.

Die F i g. 3 veranschaulicht eine alternative bevorzugte Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes, bei welcher zwei leuchtende Bänder 11" und 12" derart unter einem spitzen Winkel <* zueinander angeordnet sind, daß die Winkelhalbierende zwischen den beiden leuchtenden Bändern parallel zu der einen Meßachse liegt. Dies bedeutet somit, daß die Winkelhalbierende des spitzen Winkels oc parallel zu der einen der beiden Winkel-Änderungsrichtungen angeordnet ist, die mit der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung erfaßt werden sollen. Dabei ist die Anordnung weiterhin derart getroffen, daß die Winkelhalbierende senkrecht zu einem strahlungsempfindlichen Linienfühler 13" angeordnet ist.

Bei der Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes nach der F i g. 3 tritt in Übereinstimmung mit den in den F i g. 1 und 2 veranschaulichten Ausführungsformen bei einer Winkeländerung in der x-Richtung, d. h. in der Richtung der Winkelhalbierenden, eine Bewegung der leuchtenden Bänder 11" und 12" in horizontaler Richtung auf, wobei die in der F i g. 3 eingezeichnete und nachfolgend erläuterte Strecke b unverändert bleibt, hingegen die Strecke a sich proportional zu der Winkeländerung vergrößert oder verkleinert. Die Größe der Strecke b bleibt dabei unverändert.

Die Strecke b in der F i g. 3 reicht von dem unteren Ende des Linienfühlers 13" bis zu demjenigen Punkt, in welchem der Linienfühler 13" von der Winkelhalbierenden des Winkels oc geschnitten wird. Wenn eine Winkeländerung in dery-Richtung auftritt, d. h. parallel zu der Längsausdehnung des Linienfühlers 13", so bleibt die Größe der Strecke a unverändert, während sich jedoch die Größe der Strecke b proportional zu der in Rede stehenden Winkeländerung vergrößert oder verkleinert.

Somit ist festzustellen, daß sich bei der Ausführungsform nach der F i g. 3 die Auswertung des Meßwertes der Winkeländerung in der y-Richtung in der oben beschriebenen Weise ändert, während die Auswertung in der x-Richtung gleich bleibt.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, sowohl die relative als auch die absolute Lage der leuchtenden Bänder in Beziehung zu einer Linienfühler-Einrichtung in der Weise abzuwandeln, daß den Erfordernissen eines praktischen Anwendungsfalles jeweils Rechnung getragen wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur berührungslosen Messung von Winkeln und Winkeländerungen in zwei zueinander senkrechten Richtungen, bei welcher mit Hilfe eines von einer Strahlungsquelle ausgehenden Strahlungsbündels ein Bild einer Meßmarke über ein Halbspiegelprisma oder dergleichen durch ein Objektiv auf eine den Winkeländerungen unterworfene reflektierende Fläche und nach der Reflexion gemäß dem Autocollimationsprinzip nach dem erneuten Durchgang durch das Halbspiegelprisma auf eine fotoelektrische Fühlereinrichtung projiziert wird, dadurchgekennzeichnet, daß das Bild (10) der Meßmarke hell in dunkler Umgebung erscheint und von zwei Geraden begrenzt wird, die sich unter einem spitzen Winkel (ar) schneiden, daß die eine (11) der beiden Geraden parallel zu der einen (x) der beiden Winkel-Änderungsrichtungen (x, y) angeordnet ist und daß die fotoelektrische Fühlereinrichtung als strahlungsempfindlicher Linienfühler (13) ausgebildet ist, der sich nur linear parallel zu der anderen (y) der beiden Winkel-Änderungsrichtungen (x, y) erstreckt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der spitze Winkel (λ) fünfundvierzig Grad beträgt

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Geraden als schmale Leuchtbänder (11,12) ausgebildet sind, deren Umgebungsbereich jeweils dunkel ist.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Geraden als Kanten (W, 12') eines leuchtenden Dreiecks (10') ausgebildet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Dreieck (10') ein gleichschenkliges rechtwinkliges Dreieck ist, bei welchem die eine Gerade von der Hypothenuse (12') und die andere Gerade (11') von der einen Kathete gebildet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Null-Punkt der Meßeinrichtung durch den Schnittpunkt (0) zwischen der Hypothenuse und dem Linienfühler (13) gebildet ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Linienfühler (13) als Hell-Dunkel-Erfassungseinrichtung ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Linienfühler (13) als Diodenzeile ausgebildet ist.

9. Vorrichtung zur berührungslosen Messung von Winkeln und Winkeländerungen in zwei zueinander senkrechten Richtungen, bei welcher mit Hilfe eines von einer Strahlungsquelle ausgehenden Strahlungsbündels ein Bild einer Meßmarke über ein Halbspiegelprisma oder dergleichen durch ein Objektiv auf eine den Winkeländerungen unterworfene reflektierende Fläche und nach der Reflexion gemäß dem Autocollimationsprinzip nach dem erneuten Durchgang durch das Halbspiegelprisma auf eine photoelektrische Fühlereinrichtung projiziert wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Bild (10") der Meßmarke in dunkler Umgebung erscheint und von zwei Geraden begrenzt wird, die sich unter einem spitzen Winkel (a) schneiden, daß die Winkelhalbierende des spitzen Winkels (λ) parallel zu der einen (x) der beiden Winkel-Änderungsrichtungen (x, y) angeordnet ist und daß die photoelektrische FüMereinrichtung als strahlungsempfindlicher Fühler (13) ausgebildet ist, der sich nur linear parallel zu der anderen (y) der beiden Winkel-Änderungsrichtungen (x, y) erstreckt

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der spitze Winkel (<*) fünfundvierzig Grad beträgt

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Geraden als schmale Leuchtbänder (H", 12") ausgebildet sind, deren Umgebungsbereich jeweils dunkel ist

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Linienfühler (13") als Diodenzeile ausgebildet ist