DE2127751A1

DE2127751A1 - Verfahren zur Ermittlung des Durchmessers eines runden Drahtes, Stabes oder Rohres mittels fotoelektrischer Abtastung

Info

Publication number: DE2127751A1
Application number: DE19712127751
Authority: DE
Inventors: Helmut 5090 Leverkusen; Sorgenicht Dietrich 5960 Opladen. MP GOIb 7-02 Kubisiak
Original assignee: EXATEST MESSTECHNIK GmbH
Current assignee: EXATEST MESSTECHNIK GmbH
Priority date: 1971-06-04
Filing date: 1971-06-04
Publication date: 1972-12-14
Also published as: DE2127751C3; DD98363A5; GB1391963A; US3761182A; IT955994B; FR2141725B1; DE2127751B2; FR2141725A1; JPS5219971B1; SE388031B

Description

der Firma EXATEST Meßtechnik GmbH., 509 Leverkusen, Friedrichstr.38

betreffend:

"Verfahren zur Ermittlung des Durchmessers eines runden Drahtes, Stabes oder Rohres mittels fotoelektrischer Abtastung"

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung de3 Durchmessers eines runden Drahtes, Stabes oder Rohres mittels periodischer fotoelektrischer Abtastung.

Das Grundprinzip solcher Verfahren besteht darin, daß mittels eines Blenden-Linsen-Systems eine Abbildung des Meßguts periodisch über einen Fotodetektor geführt wird, an dessen Ausgang bei HelligkeitssprUngen - also an den Kanten des Meßguts Impulse entstehen. Die Impulsdauer ist dem Meßgutdurchmesser proportional und kann dann ausgewertet werden.

Bei solchen optischen Systemen geht in den Meßwert auch der Abstand des Meßgutes von dem optischen System ein, und dieser Abstand läßt sich nicht konstant halten. Deshalb hat man verschiedentlich versucht, eine automatische Korrektur des Meßsignal β in bezug auf den Abstand vorzunehmen.

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Gemäß einem älteren Vorschlag der Anmelderin ist ein um das Meßgut rotierendes System vorgesehen, bei dem die Messung gleichzeitig von zwei einander diametral gegenüber liegenden Seiten erfolgt, so daß dio Fehler einander kompensieren, wenn die Ausgangssignale addiert werden. Allerdings sind solche umlaufenden Systeme sperrig und verlangen erheblichen mechanischen Aufwand·

Bei Walzblechbroitenmossungen hat man schon mit ebenfalls zwei optischen Maßsystemen gearbeitet, die orthogonal zueinander angeordnet sind* Beim Schwärmen des Walzgutes wird dann mittels eines Lagesignals, das von dem einen Meßsystem geliefert wird, das Breitensignal des anderen korrigiert. Da die Meßgrößen hier um Größenordnungen unterschiedlich sind, kommt man dabei mit verhältnismäßig einfachen Anordnungen aus.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren sur Ermittlung des Durchmessers eines runden Drahtes, Stabes oder Rohres mittels periodischer fotoelektrischer Abtastung unter Korrektur des Durchmessersignals durch ein Lagesignal zu schaffen, das einwandfrei bezüglich der Lage korrigierte Heßwerte auch dann liefert, wenn das Heßgut sich in der Meßebene in allen Richtungen unkontrollierbar bewegt, wobei die besondere Schwierigkeit darin besteht, das Lagesignal auf eine nicht meßbare Kante, nämlich di:.; Mittelachse des Moßgutes, zu beziehen. Denn ein Schwanken dos Durchmessers soll ja gerade angezeigt werden, die aus ihm resultierende Lageänderung der Meßkante bezüglich einer Bezugskanto jedoch nicht auskorrigiert werden. Dieses Problem ist bei dar bekannten Breitenmaßanlage nicht vorhanden, da eine Breitenändorung (die angezeigt wird) nicht automatisch auch zu einer scheinbaren Lageänderung führt.

BAD ORIGINAL

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Dieses speziell bei ließgut mit rundem Querschnitt auftretende Problem ist umso störender, je näher die Meßoptik dem Meßgut ist, weil der Abstandsfehler proportional der prozentualen Abstandsänderung ist. Andererseits ist es aber erwünscht, au3 Gründan der Abmessungen möglichst nahe an das Meßgut heranzugehen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Lagekorrektursignale durch ein Durchmesserkorrektursignal modifiziert werden. Dieses Durchmesserkorrektursignal kann der gemessene Durchmesser, der Solldurchmesser, oder auch ein Durchmesser sein, der quer zum Meßdurchmesser gemessen wird und damit ein zweites Durchmessersignal liefert.

In der Regel kann man voraussetzen, daß es sich bei dem Meßgut um exakt runde Querschnitte handelt, so daß es zulässig ist, bei der Korrektur von einem quer zum lleßdurchmesser liegenden Durchmesser auszugehen. Das hat nämlich Vorteile bei der Ableitung der Inipulse, wie nachfolgend anhand des Ausführungsbeispiels noch erläutert wird. Es muß allerdings darauf hingewiesen werden, daß diese AusfUhrungsform nicht zwingend ist; man könnte auch mit einem einzigen optischen Abtastsystem für den Durchmesser und einer einzigen, quer dazu angeordneten Lagebestimmungsanordnung auskommen. Allerdings müssen dann Vorkehrungen für die Synchronisation der korrelierten periodischen Abtaetvorgänge getroffen werden.

Ea i± bevorzugt, den Sollwert gemäß der Korrektur der Lageniinderung nachzuführon und ihn mit dem unveränderten Meßwert zu vergleichen, doch wäre bei entsprechender geänderter Schaltung auch eine direkte Korrektur de3 Meßwerte möglich.

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Die Erfindung soll nachstehend unter Bezugnahme auf die
beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden. ;

Fig. i zeigt halbschematisch den optischen Teil einer ! Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß '. der Erfindung; :

Fig. 2 stellt die Anordnung mit zwei Kameras dar; ^:

Fig. 3 ist eine Schemadarstellung, anhand der die Ab- ; leitung des Korrektursignals für die Anordnung ^: nach Fig. 2 erläutert wird; ^:

Fig. 4 zeigt das Blockschaltbild für die Auswertung der j

ί gemäß Fig. 2 gewonnenen Signale; und ;

Fig. 5 stellt im einzelnen die Blockschaltung der Ab- \ Standskorrektur aus der Schaltung nach Fig. 4
dar, während

Fig. 6 ein zugehöriges Impulsdiagramm ist.

Gemäß Fig. 1 wird ein Draht 10, das Meßgut, mittels einer ; * Gegenlichtguelle 12 von hinten angestrahlt. Ein Linsensystem 14
fokussiert das Bild des Drahtes über eine Spiegelfläche eines umlaufenden Polygonspiegels 16 in die Katodenebene eines Fotovervielfacher 18· Bei Umlauf des Spiegels 16 erscheint zunächst das. '■· Licht der Gegenlichtquelle 12 auf der Fotokatode, die danach - ν ausgehend von der "Kante" 20 des Meßguts - beschattet wird, bis \ wieder das volle Licht der Gegenlichtquelle wirksam wird· Die ; Dauer dea Impulses am Ausgang des Fotovervielfachers ist also < proportional dem Durchmesser des Drahtes 10, wobei als weitere
Einflußgrößen der Abstand des Drahtes von dem Linsensystem 14
und die Drehzahl des Spiegels 16 eingehen. Die Eliminierung des
Einflusses der Spiegeldrehzahl wie auch das Gesamtprinzip sind be-£ kannt. ;

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ORIGINAL INSPECTED

Zusätzlich zu der beschriebenen Anordnung ist noch eine Trigger lichtquelle 22 vorgesehen, deren enggebiindeltes Licht-* band Über einen Umlenkspiegel 24 ebenfalls auf den Polygon-* spiegel 16 fällt und von dort in eine Fotodiode 26 reflektiert wird. Der Zeitpunkt des Ausgangsimpulses von der Fotodiode ist somit ein Bezugspunkt, der einer ganz bestimmten Winkelstellung des Polygonspiegels 16 entspricht; es wird damit eine "virtuelle Bezugskante" geschaffen.

Dem Fotovervielfacher 18 und der Fotodiode 26 sind elektronische Schaltkreise nachgeschaltet, die in dem Block 30 zu~ sammongefaßt sind und an deren Ausgang ein Durchmesserimpuls χ und ein Lageimpuls y erscheinen, wie noch zu erläutern ist.

Fig. 2 stellt halbschematisch eina komplette Anlage dar mit zwei Gegenlichtquellen 12-, 12__, dem Heßgut 10, den Kameras 34_χ, 34_χΐ (umfassend jeweils die in Fig. 1 mit 14-18, 22-30 bezeichneten Teile), welche die Signale x_, y_ bzw. Xjt' ^vtt liefern, sowie mit der Auswerteschaltung 32, an deren Ausgängen schließlich die Durchmesserabweichungen vom Sollwert erscheinen. Man erkennt in Fig. 2 den sogenannten "Sehwärmbereich" 33 des Meßgutes, das heißt, denjenigen Bereich, innerhalb dem das Meßgut sich varlagern kann. Der Schwärmbereich ist natürlich nicht physisch begrenzt, sondern wird erfahrungsgemüß festgelegt, und zwar mittels des an der Fotodiode 26 ausgelösten Impulses, der ja eine "Bezugskante" markiert. Geometrisch entspricht der Zeitpunkt des Triggerimpulses einem Punkt auf der jeweiligen y-Ordinate, und der zeitliche Abstand "t" zwischen der Abfallflanke am Ausgang des Fotovervielfachers {Beginn der Beschattung durch den Draht) und dem Triggerimpuls entspricht geometrisch die Länge von Strecken auf den yj- bzw. y__-Achsen.

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Gemäß Pig. 2 stehen die optischen Achsen der beiden Kamoras 34 senkrecht aufeinander, so daß auch zwei senkrecht zueinander stehende Bezugskanten vorliegen. Aus der Gesamtinformation, die in den Signalen x_, y_, x__ und y_TT enthalten ist, werden korrekte Durchmessersignale gewonnen, die bezüglich der Lage des Drahtes IO innerhalb des gesamten Schwärmbereichs korrigiert, also lageunabhängig sind.

In Fig. 3 sind noch einmal die geometrischen Verhältnisse im einzelnen dargestellt, um darlegen zu können, wie die Korrektur bei der Auswertung erfolgt. Es sind nur das Meßgut 10, die Linsensysteme 14_ und 14__ sov/ie die geometrischen Größen und die zugeordneten Zeitachsen dargestellt.

Das Meßergebnis einer den Durchmesser χ des in Abstand a von dem Linsensystem befindlichen Meßguts 10 messenden Kamera wird bei einer Abstandsänderung ZX a gemäß dom Strahlensatz mit einem Fehler Z\ χ bohaftot, dessen Grüße aus der Gleichung

folgt. Die Abstandsänderung ·Α a wird mit Hilfe der zu der messenden Kamera senkrecht'angeordneten zweiten Kamera bestimmt; es gilt:

Δ a - y - - (2)

Die Verminderung von y um den halben Durchmesser ist erforderlich, weil y auf die äußere Kante des Heßguts bezogen 1st, für den Ort der Breite jedoch die Mittelachse des Maßguts maßgebend iat.

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Damit ergibt sich dor korrigierte Durchraesserwert zu

^xkorr

2 + .XV X »

^x - ^{ a " 2a⁰

Im vorliegenden AusfUhrungsbelspiel wird nun nicht der gemessene Durchmosscrwort korrigiert, sondern der zugehörige Sollwert Xg wird nachgeregelt. Der korrigierte Sollwert x_Kg ergibt sich demgemäß zu

^{ivS S} a 2a

Um die Auswertung zu vereinfachen, wird die Anordnung so getroffen, daO für jode Kamera ^ a aich nur in einer Richtung bewegt. Man erkennt in Fig. 3, daß für die beiden Kameras 34- und 34-^

gilt: ₂

xy x

^xksi - ^xs ⁺

^xksii ^{β x}s ~

^an ^2au

Die Standardabstände a_, &-- sind festgelegt als Strecke bis zur nächotgelegenen Begrenzung des Schwärmbereichs 33 für Kamera 34_. bis zur abgewandten Begrenzung des Schwärmbereichs für Kamera 34 .

Da der Umlenkspiegel 24 in den Kameras 34 fest installiert ist, muß gogobenenfalls auf elektronischem Woge noch eine feste Zoitvorcjabo zwischen dem Eintreffen des Triggersignals und dem Beginn dan Gchwärmborcichs 33 vorgesehen worden. Um also eine dor

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geometrischen Abmessung y_, y__ entsprechende Impulsdauer t'~, t_vII abzuleiten, muß. der von der Kamera gelieferte Positionsimpuls um den festen Zeitbetrag T^₁ # ¹^ττ verkürzt werden· Dies wird klar bei Betrachtung der Fig. 3, in die auch die Zeitkoordinaten eingezeichnet sind; der Triggerimpuls erfolgt im Zeitpunkt T_ bzw. T„.

Die angegebenen Rechenoperationen werden durch den elektronischen Teil der Anordnung vorgenommen. Fig. 4 zeigt das entsprechende Blockschaltbild.

Der Einfachheit halber ist angenommen, das die Signalverarbeitung analog erfolgt. In üblicher Welse wird der Ausgangsimpuls des Fotovervielfacher 18 in den beiden Kameras 34 einem Komparatorschaltkrois 40 zugeführt und mit dem korrigierten Sollwert verglichen; die Differenz ist die gesuchte Maßabweichung des Drahtdurchmessers, die an einem Anzeigegerät 42 wiedergegeben wird. Die Lagekorrektur erfolgt am Sollwert mittels Korrekturschaltkreisen 44, denen jeweils der Lageimpuls t und der unkorrigierte Sollwert x„ zugeführt wird und an deren Ausgang der korrigierte Sollwert x.,_ erscheint und den Kom-•paratorschaltkreisen 40 zugeführt wird. Der Sollwert liegt zunächst digital vor; er wird an einem Schalter 46 vorgewählt. Da er aber in analoger Form benötigt wird, miß noch ein Digital-Analog-Wandler 48 vorgesehen warden, dessen Aufbau nicht erfindungswesentlich ist. Der Korrekturschaltkreis 44 wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 4 und 5 näher erläutert.

Am y-Eingang des Schaltkreises gelangt der y-Impuls über einen Loitungsvorstärkor 50 an den Eingang eines monostabilen Multivibrators 52. Der y-Impuls beginnt mit dem Triggerimpuls T_, T₁₁ am Ausgang der Fotodiode 26 und endet, wenn der Fotovervielfacher die zugeordnete Meßgutkante abtastet (Impuls t_v)· Er muß

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nun noch um den festen Zeitbetrag T,, wie oben erwähnt, verkürzt werden; der Wert T^ wird durch die Rückkippzeit des monostabilen Multivibrators 52 - der einstellbar ist - bestimmt; sowohl der y-Impuls als auch der Ausgangsimpuls des monostabilen Multivibrators 52 werden den Eingängen eines UND-Gatters 54 zugeführt, an dessen Ausgang ein Lageimpuls t erscheint, dessen Dauer der Ablage des Meßgutes vom Rand des Schwärmbereichs entspricht.

Um das Produkt x^y zu bilden, ist an den Ausgang des UND-Gatters 54 ein elektronischer Schalter 56 mit seinem Steuereingang angeschlossen, an dessen Signaleingang der invertierte (Inverter 58) Sollwert x_g liegt. Am Ausgang des Schalters 56 erscheint mithin ein Impuls der Dauer t , proportional der Ablage des Meflguts, und der Höhe x_g. Das Integral dieser Impulse wird mittels Impedanzwandler 60 und Integrierstufe 62 gebildet und um den vorgegebenen Divisor a geteilt: Am Ausgang der Stufe 62 erscheint ein Signal, dessen Amplitude dem Wert S^ proportional 1st.

Der Solldurchmesser x_g wird in einer Quadrierstufe 64 quadriert, in einer Dämpfungsstufe 66 durch 2a dividiert und schließlich einem Eingang der Differenzstufe 68 zugeführt, an deren anderem Eingang das Signal vom Ausgang der Integrierstufe 62 liegt. Je nachdem, wie die aus einem Operationsverstärker bestehende Därapfungsstufe 66 ausgebildet wird, führt ihr Ausgang bezüglich des Ausgangs der Stufe 62 gleich- oder entgegengerichtetes Potential, und in der Stufe 68 kann Summo oder Differenz gebildet werden (für Kamera 34_χ Differenz, für Kamera 34__ Summa). Schließlich ist noch eine Summierstufa 70 vorgesehen, um den korrigierten Sollwert x«_s zu bilden. Für Kamera 34- wird der Summierstufe 70 das Ausgangssignal der Differenzstufo 68 mit entgegengesetztem Potential zugeführt als dem des Signale x_e entspricht, für Kamera 34__ jedoch

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mit gleichem Potential. Durch entsprechende Wahl dar Zeitkonstanten läßt sich erreichen, daö für dio Sollwortänderung die gleichen Zeitkonstanten gelten wie für den Istwert; im übrigen sind die einzelnen Schaltkreise al3 integrierte Halbleiterschaltkreise in an sich bekannter Weise ausgebildet.

(Pa tentanapr iiche ) 209851

Claims

Patentansprüche

1) Verfahren zur Ermittlung des Durchmessers eines runden Drahtes, Stabes oder Rohres mittels periodischer fotoelektrischer Abtastung, unter Korrektur der Durchmessersignale durch Lagesignale, welche den Abstandsänderungen des Meßgutea von dem Abtastgerüt entsprechen, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagesignale durch ein Korrekturdurchmessersignal modifiziert werden·

2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Korrekturdurchmassersignal das Heßdurchmessersignal ist·

3) Verfahren nach Anspruch X₁ dadurch gekennzeichnet, daß das Korrekturdurchmessersignal der Durchmessersollwert 1st.

4) Verfahren nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, daß das Korrckturdurchmessersignal ein quer zum Heßdurchmesser gemessenes zweites Durchmessersignal ist.

5) Verfahren nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektur an der Sollwertvorgabe vorgenommen wird.

6) Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit zv/ci Abtastkameras, deren optische Achsen senkrecht zueinander und zu der lleßgutachse stehen, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kamera (34) eine Korrektureinrichtung für das Meßsignal der anderen Kamera zugeordnet ist.

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7) Anordnung nach.Anspruch 6 zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß analoge Schaltkreise zur schrittweißen Lösung der liorrekturgleichung

+ , ^xsy ^xs² _%

X β X₁, ( -2- - -2, )

^KS * β 2a vorgesehen sind, worin

x_Kg der korrigierte Sollwert, x_s der Wennsollwert,

a der Abstand des Meßguts von der Abtastkamera und y der Abstand der einer virtuellen Bezugskante abgewandten Maflgutkante von dieser Bezugskante ist.

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