CN1188659C - 无接触式三维测量物体的装置和确定测量点坐标的坐标系统的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无接触式三维测量物体的装置和在无接触式三维测量物体的装置上确定测量点坐标的坐标系统的方法。该装置和方法的特征在于其特别简单的实施。因此，它们也可有益地应用于特殊工件的生产厂家。由此提供了一个非常经济的和广阔的应用领域。在进行工件测量之前，通过第一次测量得出工件几何形状尺寸赋值的坐标系统。为此可将尺寸已知的边或线在旋转台上任意定位，并在旋转期间通过三角测量传感器进行测定。因此，依据本发明的装置的特征在于其最小的结构。通过仅以三角测量传感器的移动和旋转台的旋转的形式来确定物体外形所必须的运动的数量很小，来达到最小的测量误差。

Description

无接触式三维测量物体的装置和确定测量点坐标的坐标系统 的方法

技术领域

本发明涉及无接触式三维测量物体的装置和在无接触式三维测量物体的装置上确定测量点坐标的坐标系统的方法。

背景技术

三角测量法无论是在距离和长度的测量上，还是在二维和三维的轮廓测定上，都是应用最广泛的方法之一。在此方面使用了三角测量传感器，它是将一只激光器二极管的射线通过一个透镜聚焦到工件上。此时射线产生一个明亮的光点。如果利用定位检测器或者摄像机在固定的角度下观察光点，只要激光器射线的切点和工件相对于传感器运动，那么其投影位置就会在图像中移动。通过测量这一移动就可确定工件的距离，或者说能够通过照射的激光器射线垂直于工件的运动而测定表面轮廓。

在DE 43 01 538 A1中(无接触式三维测量，特别是测量牙齿咬模的方法和结构)使用了一种旋转台，所要测量的物体布置其上，一三角测量传感器和一与此相连的数据处理和控制单元用于确定圆形部件的几何形状。在此方面，测量或者基于

-  单个测量头的局部校准，汇总时可以考虑通过坐标变换测量面在空间中的实际位置，或者基于

-  整个测量装置利用至少一个校准物体进行校准，所有想了解的空间点都汇入一个总校准表中。在此方面校准是必要的。

在DE 44 07 518 A1中，介绍了一种以光学三角测量为基础的无接触式三维测量物体的装置和方法。三角测量传感器可以沿一个方向(y-方向)移行，并且可以X平面中在一个可选择的点摆动过一个预定的角度。为此存在三角测量传感器的两个相互独立的运动。所要测量的物体位于一旋转台上。旋转台一方面保证旋转运动，另一方面旋转台可借助于其他的传动装置沿与三角测量传感器的运动垂直方向上移动。随着三角测量传感器和旋转台的运动，确定放射源测量点的坐标。三角测量传感器的翻转运动导致尽可能从尺寸上确定物体的背面切割、掩盖的部位、盲孔或者类似部位。

在DE 40 37 383 A1中(连续无接触式测量外形的方法和实施此种测量法的装置)，利用三角测量的方法确定一运动着的截面的外形。在此方面只是由传感器测定截面的距离并由此测定其外形。不能在坐标系统中排列测量点。

在DE 195 04 126 A1(基于光学三角进行三维物体的无接触式测量的装置和方法)、DE 197 27 226 A1(无接触式测定中心插座槽的三维空间造型的测量设备和方法)和US 5 270 560(测定工件表面结构的方法和装置)中，有步聚地测量工件或者工件部件的所要测定的轮廓。在此方面只是相对测量各自的工件或者工件的各自部件。

物体表面上的坐标测量在DE 40 26 942 A1(无接触式测量物体表面的方法)中是借助摄像机摄取图像进行的。摄像机位于一种坐标测量仪的可沿三个空间方向(x-，y-方向，回转)移行的测量臂上。所要测量的物体布置在一旋转台上。

发明内容

本发明基于在三维上简单测量物体的尺寸并将三角测量数据上简单且精确地分配到该物体的几何尺寸的问题。

一方面，无接触式三维测量物体的装置，由一个接受物体的旋转台和一个带有至少一个辐射源的光学三角测量传感器、一个辐射检测器和一个聚焦透镜形式的镜组组成，其特征在于，三角测量传感器借助于一传动装置在导轨上布置在旋转台上方，使辐射源的辐射射中物体，物体处于旋转台上的坐标系统中，该坐标系统一方面由两条并行移动的线条或物体边、另一方面由到旋转台中心的距离已知的两个测量点所确定，所述线条或物体边具有已知距离和旋转台的确定角，所述确定角在旋转台的中心和辐射与线条或物体边的交点之间，所述两个测量点具有到旋转台中心的已知距离和三角测量传感器在测量点之间的已知的移动，旋转台和三角测量传感器的传动装置与一个数据处理及控制单元相连接。

另一方面，本发明提供一种在无接触式三维测量物体的装置上确定测量点坐标的坐标系统的方法，所述无接触式三维测量物体的装置带有一个接受物体的旋转台，一个带有至少一个辐射源的光学三角测量传感器，一个辐射检测器和一个聚焦透镜形式的镜组，所述光学三角测量传感器借助于一个传动装置在导轨上可移动布置在旋转台的上方，从而使辐射源的辐射射中物体，和一个旋转台和三角测量传感器的传动装置的数据处理及控制单元，在该数据处理及控制单元处，借助于至少两条相互并行移动且相距已知距离的线条或者物体边，通过对于旋转台中心与线条或物体边处辐射的交点之间三角测量传感器的测量点和旋转台的角度的转动和连续把握，以及通过确定的三角测量传感器的移动位置的已知线段，从中得出三角测量传感器的测量点到旋转台中心的距离以及三角测量传感器相对于作为坐标原点的旋转台中心的其他坐标。

无接触式三维测量物体的装置和在无接触式三维测量物体的装置上确定测量点坐标的坐标系统以其特别简单的实施为特征。因此，它们也可有益地应用于特殊工件的生产厂家。结构非常简单，而且方法以简单的和经济的结构为条件，从而具有广阔的应用范围。

基础是一个光学三角测量传感器。在此方面通过一个透镜把一只激光器二极管的射线聚焦到工件上。在工件上产生一个光点。该光点被固定角度的辐射检测器所接收。如果工件相对三角测量传感器运动，那么光点的投影位置就会在图像中移动。通过测量移动就可确定工件的轮廓。在进行工件测量之前，通过第一次测量得出工件几何形状尺寸值的坐标系统。为此将具有已知尺寸的边或线条的物体在旋转台上定位，并在旋转期间通过三角测量传感器进行测定。物体在旋转台上的定位是任意的。在旋转台的表面也可堆放或插入线条代替物体。

随着三角测量传感器只在一个轴线上的运动和工件的旋转运动，工件可通过三角测量传感器扫描。三角测量传感器还连接一导轨，三角测量传感器借助于相应的传动装置，可以在旋转台上物体上方的仅一条轴线上移动。三角测量传感器此外这样在中间部件上定位，使辐射源的辐射落在旋转台上。

通过有目的地控制各自的传动装置和坐标系统，由此得到很高的测量速度和测量精度的工件几何形状的连续测定。因此，依据本发明的装置的特征在于其最小的结构。通过仅以三角测量传感器的移动和旋转台的旋转的形式来确定物体外形所必须的运动的数量很小，来达到最小的测量误差。该装置的优点是特别适用于旋转对称的工件。该方法的优点是可用于测量旋转对称的工件。

控制和测定工件的几何形状的优点是在一台作为数据处理及控制单元的计算机上进行。

下面介绍本发明具有优点的扩展。

利用向三角测量传感器照射的激光器射线的垂直运动测定工件的表面轮廓。

三角测量传感器或者通过铰链结合布置在旋转台的上方，或者通过万向球接头布置在旋转台的上方，并且至少存在一个可直接或者间接测量辐射和物体之间的角度的传感器。三角测量传感器投射到工件上的辐射的角度可以改变。因此工件表面的凸起或凹陷更容易或者完全地测定。三角测量传感器的角度的测量可以确定投射辐射的坐标数据。

用带有与辐射源的辐射相比具有多次反射形式下的较高散射特性表面的物体加载，在辐射时导致检测器上投影失真并由此产生测量误差。为尽可能避免这一测量误差，在至少想要了解的物体的区域装有已知厚度的覆盖物体，其表面与辐射相比具有较小的散射特性。在分析测量结果时，从测量值中扣除覆盖物体的厚度，从而物体的原始尺寸作为校正的测量值存在。

测定工件坐标系统的有益变异是并行走向的线或者物体边，其中线条或者物体边之间的距离为已知。为此在旋转台上定位相应构成的物体或者说具有这样布置的线条的物体。

测定坐标系统只有在首次投入使用或者说更换标准位置时才需要。因此，测定坐标系统的物体只有在采取这些措施时才需要。

一种支持工件在旋转台上定位的有益变形是至少两个以一定距离相互布置的止档或者至少一块与旋转台成为一体的磁铁。同时，定位器的辅助作用有助于尽可能防止工件在旋转台上定位时在其运动期间变化。若是相同形状的工件，定位器的辅助作用是在更换工件时保持近似于相同的位置。这样可以简单和更快地测量几何形状，从而可以使例如生产监督部门对制造工艺中可能出现的缺陷更快地做出反应。

因此，三角测量传感器的照射的激光器射线垂直对准旋转台的表面。

对测定测量点坐标的坐标系统有益的是直线的或者环形弯曲的线条作为并行移动的线条或者物体边使用。

测定坐标系统只有在投入使用时或者变换标准位置时才需要。因此，测定坐标系统的物体只有在采取这些措施时才需要。

附图说明

现在借助图1至4说明本发明的实施例。附图中：

图1无接触式三维测量物体装置的基本结构，

图2以旋转台上已知距离带有两条并行移动线条的装置的原理图，

图3和

图4通过具有已知距离和已知角度的两条并行移动的线条或者物体边并通过三角测量传感器的已知移动确定坐标系统。

具体实施方式

下面用实施例进一步介绍无接触式三维测量物体的装置和确定测量点坐标的坐标系统的方法。

无接触式三维测量物体的装置由一接受物体的旋转台1和一带有至少一个辐射源3的光学三角测量传感器2，一个辐射检测器4和聚焦透镜5和聚焦透镜6形式的镜组组成。

辐射源3为一激光器二极管，辐射检测器4为一固体图像传感器。

在底座7上固定有u-形框架8。在底座7上和u-形框架8的中间部件的中心布置有旋转台1(图1中的图示)。旋转台1的直径小于u-形框架8的中间部件的长度。

此外，u-形框架8的中间部件有一导轨，三角测量传感器2对应地布置其中。三角测量传感器2因此借助于一相应的传动装置可在轴线上在旋转台1上方移动。传动装置与中间部件成为一体。三角测量传感器2此外这样在中间部件上定位，使辐射源3的辐射9垂直落在旋转台1上。

确定旋转台1的中心M并在极坐标系统中构成原点。

在装置的第一次投入使用或者位置改变时，为所要测量的物体调整该坐标系统。

为测定坐标系统，旋转台1有数个相互并行移动的线条(图2和图3)或者将测量物体在旋转台1上定位。该测量物体或者有相互并行移动的和直线构成的物体边或者有用于确定坐标系统(类似于图2和图3中的图示)的线条。线条或者物体边可以任意处于旋转台上。直线移动的线条或者物体边的距离为已知。旋转台在测定坐标系统的阶段完成旋转。此时在三角测量传感器2的测量点C、C’和D、D’中测定线条g1和g2。同时测定各自处于线条g1和g2上的测量点C、C’、D和D’的角度。通过并行移动的线条g1和g2或者物体边的已知距离d＝AB，所测得的角度α和β以及直线MB与线条g1和g2之间的直角，通过三角计算得出半径R1并由此得出三角测量传感器2的测量点C和旋转台1的中心之间的距离(图3中的图示)。

$R1=\frac{d}{\cos \mathrm{\β}/2-\cos \mathrm{\α}/2}$

通过三角测量传感器2或者旋转台1的移动c以及再次旋转测量角α和β，与R1相似地确定距离R2(图4中的图示)。移动c的方向同时确定坐标系统的方向。通过毕达哥拉斯(Pythagooas)定律测定坐标系统的坐标x和y。由此确定旋转台1的中心与三角测量传感器2x和y+c的实际位置的距离。因此可以从尺寸上确定物体的测量点。

$y=\frac{{R2}^2-{R1}^2-c^2}{2\·c}$

$x=\sqrt{{R1}^2-{\left[\frac{{R2}^2-{R1}^2-c^2}{2\·c}\right]}^2}$

为支持测量，可以在旋转台1上布置数个不同半径的圆。这些圆一方面使尺寸配合，另一方面使物体在旋转台1上的定位更为容易。

测量物体可以是带有数个环状线条的薄膜。该测量物体可以保留在旋转台1上并且同时对物体起到校准的辅助作用。为此将薄膜与旋转台1的表面粘贴。

旋转台1和三角测量传感器2及传动装置与一台计算机连接作为控制装置。计算机同时对测量结果进行分析。为此将辐射源3和三角测量传感器2的辐射检测器与计算机联接。

若是带有与辐射源3的辐射9相比有多次反射形式的较高散射特性的物体，它至少在所要了解的测量范围上装有覆盖物体。它们由只允许少量多次反射的材料构成，并且其厚度是已知的。这类覆盖物体由例如陶瓷组成。因此即使是带有光滑表面的物体的表面轮廓也能尽可能无误差地测量。

旋转台1可以或者有数个止档，或者至少一块磁铁与其成为一体。优点是旋转台1上的止档可以操作，以至于不同几何形状的物体可以尽可能简单地在旋转台1的中心定位。

在另一个实施形式中，u-形框架8构成L-形并如此对着旋转台1布置，使臂并行处于旋转台1的上方。该臂是三角测量传感器2的导轨(图2中的图示)。

Claims (12)

1.无接触式三维测量物体的装置，由一个接受物体的旋转台和一个带有至少一个辐射源的光学三角测量传感器、一个辐射检测器和一个聚焦透镜形式的镜组组成，其特征在于，三角测量传感器(2)借助于一传动装置在导轨上布置在旋转台(1)上方，使辐射源的辐射射中物体，物体处于旋转台上的坐标系统中，该坐标系统一方面由两条并行移动的线条(g1，g2)或物体边、另一方面由到旋转台(1)中心(M)的距离(R1，R2)已知的两个测量点所确定，所述线条(g1，g2)或物体边具有已知距离(d)和旋转台(1)的确定角(α，β)，所述确定角(α，β)在旋转台(1)的中心(M)和辐射与线条(g1，g2)或物体边的交点之间，所述两个测量点具有到旋转台(1)中心(M)的已知距离(R1，R2)和三角测量传感器(2)在测量点之间的已知的移动(c)，旋转台(1)和三角测量传感器(2)的传动装置与一个数据处理及控制单元相连接。

2.按权利要求1所述的装置，其特征在于，三角测量传感器(2)的辐射源(3)布置得使辐射源(3)的辐射垂直射中旋转台(1)的表面。

3.按权利要求1所述的装置，其特征在于，三角测量传感器(2)或者通过铰链结合布置在旋转台(1)的上方，或者通过万向球接头布置在旋转台(1)的上方，并且至少存在一个可直接或者间接测量辐射(9)和物体之间的角度的传感器。

4.按权利要求1所述的装置，其特征在于，当与多次反射形式下的辐射源(3)的辐射(9)相比物体具有较高散射特性时，至少在该物体表面的区域安装已知厚度和较小散射特性的覆盖物体。

5.按权利要求1所述的装置，其特征在于，一测量物体的并行移动的线条或者物体边直线形或者环形地布置在旋转台(1)上。

6.按权利要求1所述的装置，其特征在于，只是在确定坐标系统期间带有至少两个边的物体或者带有至少两条线条的物体才处于旋转台(1)上。

7.按权利要求1所述的装置，其特征在于，旋转台(1)至少具有两个以一定距离相互布置的止档用于物体。

8.按权利要求1所述的装置，其特征在于，至少有一块磁铁与旋转台(1)成为一体。

9.在无接触式三维测量物体的装置上确定测量点坐标的坐标系统的方法，所述无接触式三维测量物体的装置带有

-一个接受物体的旋转台(1)，

-一个带有至少一个辐射源(3)的光学三角测量传感器(2)，一个辐射检测器(4)和一个聚焦透镜形式的镜组，所述光学三角测量传感器借助于一个传动装置在导轨上可移动布置在旋转台(1)的上方，从而使辐射源(3)的辐射(9)射中物体，和

-一个旋转台(1)和三角测量传感器(2)的传动装置的数据处理及控制单元，

在该数据处理及控制单元处，借助于至少两条相互并行移动且相距已知距离(d)的线条(g1，g2)或者物体边，通过对于旋转台中心(M)与线条(g1，g2)或物体边处辐射的交点之间三角测量传感器(2)的测量点(C、C’、D、D’)和旋转台(1)的角度(α，β)的转动和连续测量，以及通过确定的三角测量传感器(2)的移动位置的已知线段(c)，从中得出三角测量传感器(2)的测量点到旋转台中心(M)的距离(R1，R2)，以及三角测量传感器(2)相对于作为坐标原点的旋转台中心(M)的坐标x，y。

10.按权利要求9所述的方法，其特征在于，三角测量传感器(2)的辐射源(3)这样布置，使辐射源(3)的辐射垂直射中旋转台(1)的表面。

11.按权利要求9或10所述的方法，其特征在于，直线或者环形弯曲的线条作为旋转台(1)上一测量物体的并行移动的线条或者物体边使用。

12.按权利要求11所述的方法，其特征在于，只在确定坐标系统期间带有至少两个边的测量物体或者带有至少两条线条的测量物体才处于旋转台(1)上。

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