CN103322943A - 激光投影系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了激光投影系统及方法。用于在工件上投影图像的激光投影系统包含摄影测量组件和激光投影仪，所述摄影测量组件和所述激光投影仪中的每一个均与计算机通信。摄影测量组件包含用于扫描工件的第一照相机，并且所述激光投影仪将激光图像投影到任意位置。光被从工件的方向传输到摄影测量组件。摄影测量组件通过朝摄影测量组件传送的光将所述工件的坐标用信号通知计算机，并且所述计算机能够被编程以用于确定激光图像的几何位置。计算机建立所述摄影测量组件、所述激光投影仪和所述工件的几何相关性，并且以用于将激光图像重对准到关于工件的被校正的几何位置。

Description

激光投影系统及方法
在先申请
本申请要求2012年3月22日提交的美国临时专利申请No.61/614252的优先权。
技术领域
本申请总体上涉及用于工业环境的激光投影系统。更具体而言，本申请涉及借助于摄影测量组件在工件上投影激光模板。
背景技术
摄影测量过程和组件已经被用于在各种设定中识别对象的位置。在一些情况下，摄影测量已被发现对于用于基于计算机的对象中的半导体的制造是有用的。但是，摄影测量还没有被证明可用于在大规模生产设定中的大规模对象的制造。
可替代地，激光投影仪已被用于在大规模生产产品的制造中作为组装辅助将组装模板投影在对象上。但是，投影模板也不可用于大规模生产，其中各种工件被生产，并且投影几何准确的投影图像的机会是有限的。因此，原始设备的制造仍继续使用物理方式，并且在一些情况下，使用钢模板来指引在工件上进行的加工。
因此，存在对于提高能够以与激光投影仪成精确几何关系地定位对象以精确投影模板用作组装辅助的能力的需要。
发明内容
用于在工件上投影图像的激光投影系统和方法包括使用摄影测量组件和激光投影仪，摄影测量组件和激光投影仪中的每一个均与计算机通信。摄影测量组件包括用于扫描工件的第一照相机。激光投影仪在激光图像可被照相机读取的情况下将激光图像投影到任意位置。摄影测量组件通过扫描从工件的方向传送的光将工件的坐标用信号通知计算机。计算机可编程用于由从工件的方向传送的光来确定工件的几何位置。计算机建立摄影测量组件、激光投影仪与工件之间的几何相关性，并且用信号通知激光投影仪以将模板投影到工件的希望的几何位置上。
第一次，实现了一种低成本的在工件上生成激光模板的方法。在工业设定中使用摄影测量系统来帮助几何坐标系统中定位激光投影模板降低了成本，同时提高了在工件上执行的加工的质量和尺寸精度。将物理模板固定在工件上仅提供了一般尺寸精度，而本发明的借助于摄影测量设备来投影激光图像或模板的方法提供了小于1毫米的制造公差。
附图说明
参照下文结合附图的详细描述，本发明的其它优点可被容易察觉并变得更好理解。
图1示出本发明的激光投影系统的第一实施例。
图2a和2b示出本发明的激光投影系统的可替代实施例。
图3示出用于第二实施例的反射探测器。
图4示出和与激光投影系统相关联的摄影测量组件相关联的照相机的透镜视图。
图5a和5b示出本发明的激光投影系统的可替代实施例。
具体实施方式
图1中以10总体上示出用于在工件上投影图像的激光投影系统。激光投影系统包括摄影测量组件12和激光投影仪14，摄影测量组件12和激光投影仪14中的每一个均经由计算机16通信。计算机16通过电路18与激光投影仪14通信并且通过电路20与摄影测量组件12通信。尽管在此示例中电路18、20被表示为硬连线，但是本领域技术人员应理解，计算机16、摄影测量组件12和激光投影仪14之间的射频传输或等同的传输也在本发明的范围内。
摄影测量组件包括第一照相机22，并且在此实施例中，包括第二照相机24。发明人设想可替代实施例可仅使用第一照相机22，下文将对此进行解释。发明人想到的一种类型的照相机是Basler AG制造的型号为acA2500-14GM的工业照相机。但是，具有等同功能性的其他工业型照相机也适用于本发明的投影系统10。
摄影测量组件12适于扫描工件26和周围环境28并且拍摄其图像，以用于在三维坐标系中定位工件26。
激光投影仪14将激光图像投影到任意位置30，其中激光图像的至少一些被投影到工件26上。激光图像采取多个激光束、激光图案或制造模板或它们的组合的形式。
激光投影仪14所生成的激光图像可被摄影测量组件12读取。更具体而言，激光图像可被第一和第二照相机22、24读取。第一和第二照相机22、24通过间隔条32被隔开已知的距离，该间隔条被由不经受由温度波动导致的尺寸变化的材料制成。在一个实施例中，间隔条32由单向碳纤维制造以提供对于尺寸变化的耐热性。
第一和第二照相机22、24通过如下操作识别激光投影仪14将激光图像投影于其上的任意位置30，即对该激光图像进行三角测量并且用信号通知计算机16计算该任意位置30在三维坐标系中的位置。
计算机16被编程以通过激光图形被投影在其上的被扫描的任意位置30的从照相机22、24传输的信号来计算摄影测量组件12、激光投影仪14和工件26的几何相关性。通过操作激光投影仪14以在工件26所限定的各种特征部（feature）（诸如，例如拐角或孔口）上投影激光图像并且如上所述地扫描该激光图像，可实现附加的精度。一旦照相机16建立了摄影测量组件12、激光投影仪14和工件26之间的几何相关性，激光图像被校正为关于工件26的几何位置，并且被用作用于在工件26上执行加工的组装辅助的模板。例如，激光模板识别焊接操作、机加工操作或者预期在工件26上执行的其他加工的位置。
一旦激光模板已被投影到工件26上的希望的位置上，计算机16周期性地提示投影仪14将激光图像投影到任意位置30，由其，摄影测量组件12进行扫描并且用信号通知计算机16计算摄影测量组件12、激光投影仪14和工件26之间的几何相关性，以验证这些物品均没有被移动，图像没有发生漂移以及激光模板在正确的几何位置投影到工件26上。这样，在制造操作期间模板的激光投影的精度被反复地更新。
在图2a和2b中总体上以110示出本发明的可替代实施例，其中相似的元件包含相似的元件号。在此实施例中，摄影测量组件12包含光源34（图4），光源34发射与激光图像分离地可被摄影测量组件12读取的光。但是，发明人构想，光源34发射在与激光投影仪34的波长范围相似的波长范围中的光。更具体而言，可想到，具有波长范围在540和520纳米之间的绿光被光源34和激光投影仪14两者发射。发明人还构想，如图4中最好地示出，光源34包含在第一和第二照相机22、24的各照相机透镜36周围间隔开的多个发光二极管。但是，本领域普通技术人员应理解，如下文将进一步解释的，光源34可与摄影测量组件12分离。
再次参照图2a和2b，光源34朝工件26发射光，反射靶（reflectivetarget）38被临时固定在该工件26上。反射靶38被设想是如下这样的反向反射靶，该反向反射靶用于使光朝向摄影测量组件12反射回以进入第一和第二照相机22、24的照相机透镜36，从而摄影测量组件12将反射靶38的位置用信号通知计算机16，允许计算机16计算工件26在几何坐标系中的准确位置。在此实施例中，发明人构想，反射靶38被编码以使得计算机能够识别哪个反射靶38正在用信号通知摄影测量组件12。例如，一种对反射靶38进行编码的方法是利用如下这样的两个反射元件，该两个反射元件被设置在各反射靶38上并且被间隔开已知的距离，使得计算机6能够读取来自各反射靶38的间隔开已知距离的两个反射图像。还认为，对反射靶38进行编码降低了摄影测量组件12读取来自环境28的反射以至于错误地实施坐标系中的工件26的位置的不正确计算的概率。
光源34周期地发送被构想为闪光形式的光，使得计算机16可连续地计算工件26在几何坐标系中的位置。一旦工件26在几何坐标系中被确立，则如前文实施例中所阐述的，激光投影仪14将激光图像投影到任意位置。因此，摄影测量组件12扫描从反射靶38反射的光以及通过激光投影仪投影到任意位置30上的激光图像，以精确确定摄影测量组件12、激光投影仪14和工件26的在几何坐标系中的空间关系。本领域技术人员应理解，光源34也可从固定反射靶38的位置发射光。这样，发光二极管34将替换反射靶38，并且将光直接发射到摄影测量组件12。应理解，当使用术语“反射”或“反射体”时，如上所述的发射光也可被包含，从而光被从工件的方向传送。
此实施例中包含在图3中被最好地示出的探测器40。探测器40包括接触元件42，该接触元件42设置在轴46的远端46上。反射靶48被设置在轴46的与接触元件42相对的端部上。反射靶48被构想为包含多个臂50，每个臂均具有编码反射体52。使用四个反射体52已被证明提高了工件上的几何相关特征部的测量的精度，在反射器52与由接触元件42限定的探测器的轴线间隔开时尤其如此。通过在各臂50上安置间隔开已知距离的多个反射体52来对反射体52进行编码。但是，可使用可替代的编码方法，诸如，例如改变单独的反射体52的反射率。通过对反射体52进行编码，摄影测量组件12能够确定哪个特定的探测器48正在将来自光源34的光反射到摄影测量组件12。如下文将进一步描述的，当使用多个探测器40来识别工件26上的各种特征部时，编码是希望的。
再次参照图2a和2b，探测器40被示出为将从光源34接收的光反射到第一和第二照相机22、24，使得计算机16可确定探测器40在几何坐标系中的位置，工件26存在于该几何坐标系中。探测器40的接触元件42人工地触碰工件26上的特定特征部。此方法使得以尺寸精确的方式成流水线地执行在工件上执行加工所需的工件的重要特征部或基准（datum）的确定，并且减小了将激光模板投影到工件上所需的时间。例如，接触元件42触碰孔口的边缘（未示出），其是如下这样的基准，即工件位置必须与该基准精确地相关。一旦计算机16计算了探测器40的位置，则激光投影仪14发射模板形式的激光图像，进一步提高了激光图像在工件26上的位置的精度。接触元件26触碰特定元件的各个边缘或轮廓，以通过探测器40进一步限定元件的位置，这样再次提高了激光投影仪14在工件26上投影的模板的精度。可替代地，接触元件42包括不同的形状和大小，来反映需要坐标系中的位置识别的工件26的各种特征部。
图5a和5b中总体上以210示出投影系统的另一实施例。在此实施例中，摄影测量组件12利用单个照相机22，并且如上所述地与激光投影仪14和计算机16通信。由于单个照相机22被用于扫描工件26，因此希望建立工件26的相对位置的几何标度。因而，标度条54在标度条54上具有间隔开已知距离的标度反射靶56。通过利用间隔开的标度反射靶56和照相机22的三角测量，计算机16能够建立几何坐标系中的工件26的几何标度。如上所述，通过临时固定被编码的反射靶38来识别工件表面。光源34向反射靶38以及标度反射靶56发射光，并且摄影测量组件扫描反射图像以将工件26的坐标用信号通知计算机16，允许计算机16使摄影测量组件12、激光投影仪14和工件26在几何坐标系中相关。这使得激光投影仪14可如上所述地在工件26上投影激光模板。本领域技术人员应理解，探测器40也可与标度条54以及标度反射靶56组合地使用以精确确定工件26的各特征部的准确位置。
已经以说明的方式描述了本发明，但是应理解，已被使用的术语应具有描述性词语的性质而不是作为限制。本领域技术人员应明了，可依照上述教导对本发明作出许多变型和修改。因此，应理解，本发明可被以与具体描述的方式不同的方式实现。

Claims (25)

1.一种用于在工件上投影图像的激光投影系统，包含：
摄影测量组件和激光投影仪，所述摄影测量组件和所述激光投影仪中的每一个均与计算机通信；
所述摄影测量组件包含用于扫描工件的第一照相机，并且所述激光投影仪在激光图像能够被所述照相机读取的情况下将所述激光图像投影到任意位置；
所述摄影测量组件通过扫描从所述工件的方向传送的光将所述工件的坐标用信号通知所述计算机，其中所述计算机能够被编程以用于由从所述工件的方向传送的光确定工件的几何位置；以及
所述计算机建立所述摄影测量组件、所述激光投影仪和所述工件之间的几何相关性，并且用信号通知所述激光投影仪将模板投影到工件的希望的几何位置上。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述摄影测量组件包括光源，所述光源用于发射能够被所述摄影测量组件读取的、能够与所述激光图像区分开的光。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述光源发射具有光波长的光，并且激光器发射具有激光波长的激光图像，该激光波长的值接近于所述光波长的值。
4.根据权利要求2所述的系统，所述系统进一步包括标度条，所述标度条具有间隔开已知距离的、用于将从所述光源发射的光反射到所述照相机的反射靶。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述标度条包含用于在所述反射靶之间提供耐热距离的单向碳纤维。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述摄影测量组件包含第二照相机，所述第二照相机与所述第一照相机间隔开已知的距离。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述第一照相机和所述第二照相机被包含单向碳纤维的标度条间隔开。
8.根据权利要求2所述的系统，所述系统进一步包含反向反射靶，所述反向反射靶固定到所述工件以用于反射来自所述光源的光，由此将所述光传送到所述照相机，所述照相机将所述反向反射靶的位置用信号通知所述计算机，并且所述计算机确定所述工件的位置。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述反向反射靶包含编码，该编码使得所述计算机能够从由所述反向反射靶传送的光识别所述反向反射靶。
10.根据权利要求2所述的系统，所述系统进一步包含其上设置有反射靶的探测器，用于利用从所述光源发射并且被所述发射靶传送到所述摄影测量组件的光人工地识别工件的特征部。
11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述激光投影仪被编程以将图像投影到工件上，使得所述摄影测量组件能够确定所述工件在三维坐标系中的位置。
12.根据权利要求1所述的系统，其中，所述激光投影仪投影的图像是制造模板，所述制造模板提供用于对所述工件执行加工的位置。
13.一种在工件上投影图案的方法，包含以下步骤：
提供摄影测量组件和激光投影仪；
将来自所述工件的方向的光传送到所述摄影测量组件；
通过扫描通过所述激光投影仪投影的任意激光图像确定相对于所述摄影测量组件的所述激光投影仪在三维坐标系中的位置；
根据从所述工件的方向传送到所述摄影测量组件的光，确定相对于所述摄影测量组件以及相对于所述激光投影仪的所述工件在所述三维坐标系中的位置；以及
在确定所述工件在所述三维坐标系中的位置后，从所述激光投影仪将模板发射到所述工件的希望的几何位置上。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述传送来自所述工件的方向的光的步骤由以下进一步限定：
将来自光源或者所述激光投影仪生成的图案中的至少一个的光反射到所述摄影测量组件。
15.根据权利要求14所述的方法，进一步包括以下步骤：
所述摄影测量组件扫描包含所述工件的空间以便建立背景图像，并且从所述工件的方向传送的光减去所述背景图像。
16.根据权利要求14所述的方法，进一步包括以下步骤：
从所述激光投影仪朝向所述工件发射具有至少四个激光点的图案，其中所述激光点中的一些被发射到所述工件上。
17.根据权利要求13所述的方法，进一步包括以下步骤：
将来自光源的光发射到设置在所述工件上的用于朝向所述摄影测量组件传送光的反射靶，并且确定所述工件与所述摄影测量组件的空间关系。
18.根据权利要求13所述的方法，其中，所述传送来自所述工件的光的步骤进一步由以下限定：
通过利用反射探测器触碰所述工件上的特征部定位所述特征部并且朝所述摄影测量组件反射光以便确定所述特征部的几何位置。
19.根据权利要求13所述的方法，其中，所述提供摄影测量组件的步骤进一步由以下限定：
提供具有分隔开已知长度的两个照相机的摄影测量组件。
20.根据权利要求13所述的方法，进一步包括以下步骤：
通过扫描反射回所述摄影测量组件的光来确定所述工件与所述摄影测量组件的空间关系。
21.根据权利要求13所述的方法，其中，所述提供激光投影仪的步骤进一步由以下限定：
提供多个激光投影仪。
22.根据权利要求18所述的方法，进一步包括以下步骤：
检测激光图案的变化并且调整所述激光图案以校正所述激光图案与反射回所述摄影测量组件的光之间的空间关系。
23.根据权利要求18所述的方法，其中，所述从所述光源发射光以及从所述激光投影仪发射激光图案的步骤进一步由以下限定：
发射光以及发射激光图案，该光和激光图案具有相似波长。
24.根据权利要求18所述的方法，进一步包括以下步骤：
周期性地测量反射光与激光图案之间的空间关系以验证所述激光图案的位置，并且对所述激光投影仪进行的激光图案的发射进行校正。
25.根据权利要求18所述的方法，进一步包括以下步骤：
将反射靶固定到所述工件以将从所述光源产生的光传送到所述摄影测量组件，以便确定所述工件在三维坐标系中的位置。
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