DD288452A5 - Verfahren zum messen des abstandes zu einer objektoberflaeche - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen des Abstandes zu einer Objektoberflaeche, beispielsweise zu einem Werkstueck zum Ermitteln der Lage oder zum UEberpruefen der Abmasze, insbesondere bei der automatisierten Fertigung von Einzelteilen. Bei den Verfahren werden mehrere Lichtquellen verwendet, die Lichtstrahlen in Richtung des zu messenden Objektes aussenden, wobei diese Lichtstrahlen von der Objektoberflaeche reflektiert und in Abhaengigkeit von der Entfernung zur Objektoberflaeche auf dem Empfaenger abgebildet werden. Erfindungsgemaesz wird eine Messung im Grobmeszbereich durchgefuehrt, durch einen optoelektronischen Wandler ausgewertet, ein Feinmeszbereich zugeordnet und eine Messung im Feinmeszbereich durchgefuehrt. Durch die Verbindung von einer Grobmessung und einer Feinmessung ist es moeglich geworden, in einem groszen Meszbereich mit hoher Meszgenauigkeit zu messen. Fig. 4{optoelektronisches Meszverfahren; Abstandsmessung; Werkstueckoberflaeche; Abmaszueberpruefung; automatisierte Fertigung; Einzelteile; Lichtquellen; Lichtstrahlen; Grobmeszbereich; Feinmeszbereiche; Meszbereiche}

Description

Hierzu 6 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen des Abstandes zu einer Objektoberfläche, beispielsweise zu einem Werkstück zum Ermitteln der Lage oder zum Überprüfen der Abmaße, insbesondere bei der automatisierten Fertigung von Einzelteilen.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Gemäß DD-WP 234727 A1 ist ein Verfahren zur Messung der Linearverschiebung reflektierender Planoberflächen bekannt, bei welchem eine Strahlungsquelle einen gerichteten, gebündelten Lichtstrahl unter einem Winkel zum Lot auf die Planoberfläche aussendet. Von der Planoberfläche wird der Lichtstrahl unter dem gleichen Winkel zum Lot auf eine strahlungsempfindliche Sensoranordnung bzw. einen optoelektronischen Wandler reflektiert. Dabai ist der Auftreffpunkt des Lichtstrahles auf die Sensoranordnung von der Verschiebung der Planoberfläche abhängig.

Nachteilig dabei ist, daß das Verfahren nicht zur Mess mg bei matten Oberflächen einsetzbar ist, da diese das Licht streuen und kein definierter Auftreffpunkt entsteht. Weiterhin ist nachteilig, daß entsprechend der Größe des Winkels des einfallenden Lichtstrahles zum Lot entweder der Meßbereich oder die Meßgenauigkeit gering ist. Bei einem großem Winkel zwischen dem einfallenden Lichtstrahl und dem Lot erzeugt bereits eine kleine Verschiebung der Planoberfläche eine große Verschiebung des Auftreffpunktes auf der Sensoranordnung, wobei die maximale Verschiebung des Auftreffpunktes durch die Größe der Sensoranordnung begrenzt ist. Bei einem kleinen Winkel zwischen dem einfallenden Lichtstrahl und dem Lot erzeugt eine große Verschiebung der Planoberfläche eine kleine Verschiebung des Auftreffpunktes auf der Sensoranordnung, was zur Folge hat, daß durch die begrenzte Auflösung der Sensoranordnung nur eine geringe Meßgenauigkeit erreicht wird. Weiterhin ist gemäß DE 3318331A1 eine Entfernungsmeßeinrichtung bekannt, bei welcher mehrere Lichtquellen periodisch nacheinander Lichtstrahlen in Richtung des zu messenden Objektes aussenden, die Lichtstrahlen von der Objektoberfläche reflektiert und von mehreren Lichtempfangsvorrichtungen ausgewertet werden. Dadurch erfolgt die Teilung des Entfernungsmeßbereiches in Blöcke und eine Meßschaltung vergleicht die Signale mit einem Bezugspegelsignal, ordnet die Objektentfernung dem Block zu, in welchem sich die Objektoberfläche befindet, und gibt dabei ein Entfernungssignal in Form eines diskreten Signals aus. Die mögliche Auflösung dieses Signals entspricht der Anzahl der Blöcke. Nachteilig dabei ist, daß die Meßzeit hoch ist, da daß Meßergebnis erst nach einer vollen Periode, in der alle Lichtquellen nacheinander Licht ausgesendet haben, vorliegt. Weiterhin ist es nachteilig, daß der gerätetechnische Aufwand hoch ist, da mehrere Lichtempfangsvorrichtungen und damit eine aufwendige Meßschaltung zur Anwendung kommt. Ein weiterer Nachteil besteht in der geringen Meßgenauigkeit, die sich aus derTeilung des Entfernungsmeßbereiches in Blöcke ergibt. Die Anzahl der Blöcke ist durch die Zahl der Lichtquellen und der Lichtempfangsvorrichtungen begrenzt und die Meßgenauigkeit wird von der Größe der Blöcke bestimmt.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Messen des Abstandes zu einer Objektoberfläche zur Verfügung zu stellen mit geringem gerätetechnischem Aufwand bei hoher Meßqualität und kurzer Meßzeit.

Darstellung des Wesens der Erfindung Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Messen des Abstandes zu einer Objektoberfläche, beispielsweise

zu einem Werkstück zum Ermitteln der Lage oderzum Überprüfen der Abmaße, insbesondere bei der automatisierten Fertigungvon Einzelteilen mit mehreren Lichtquellen, die Lichtstrahlen in Richtung des zu messenden Objektes aussenden und die

Lichtstrahlen von der Objektoberfläche reflektiert und in Abhängigkeit von der Entfernung zur Objektoberfläche auf G'em Empfänger abgebildet werden, zu schaffen, wobei Messungen an reflektierenden und matten Oberflächen vorgenommen

werden können, - bei einem großen Meßbereich mit hoher Meßgenauigkeit.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß eine Messung im Grobmeßbereich erfolgt, Indem ein erster Lichtstrahl

steil auf die Oberfläche eines Objektes gesendet, dort reflektiert und durch eine Abbildungsoptik auf einen optoelektronischen

Wandler abgebildet wird, wobei das von dem optoelektronischen Wandler gebildete Signal ausgewertet, einem Feinmeßbereich

zugeordnet und anschließend eine Messung im Feinmeßbereich durchgeführt wird, indem ein zweiter Lichtstrahl flach auf die

Oberfläche des Objektes gesendet, dort reflektiert, durch die Abbildungsoptik auf dem optoelektronischen Wandler abgebildet

und das Ergebnis ausgegeben wird.

Zweckmäßigerweise erfolgt die Zuordnung zu dem Feinmeßbereich durch die Veränderung der Entfernung zwischen dem Meßsystem und dem Objekt. Nach einem anderen Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, daß die Zuordnung zu dem Feinmeßbereich durch ein Vergleichen

der im Grobmeßbereich ermittelten Entfernung mit den Grenzen der Feinmeßbereiche erfolgt.

Die Feinmeßbereiche werden durch die Schnittpunkte der ausgesendeten Lichtstrahlen mit den Grenzlinien, die den Empfangsbereich des optoelektronischen Wandlers begrenzen, gebildet. Durch die Verbindung von einer Grobmessung und einer Feinmessung ist es möglich geworden, in einem großen Meßbereich

mit hoher Meßgenauigkeit zu messen. Durch die Ermittlung der Entfernung mit nur zwei Meßschritten ist es möglich, die

Messung in kurzer Zeit durchzuführen. Das erfindungsgemäße Verfahren sichert bei geringem technischen Aufwand eine hohe Meßqualität. Weiterhin ist es durch Verwendung einer Abbildungsoptik möglich geworden, die Entfernung sowohl bei

reflektierenden als auch bei matten Oberflächen zu bestimmen.

Ausfflhrungsbelsplel

Die Erfindung soll anhand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen in

Fig. 1 a: die Anordnung des Meßsystems mit einem Feinmeßbereich an einem Robotergreifer bei großer Objektentfernung; Fig. 1 b: die Anordnung des Meßsystems mit einem Feinmeßbereich an einem Robotergreifer bei kleiner Objektentfernung; Fig. 1c: die Anordnung des Meßsystems mit mehreren Feinmeßbereichen an einer Bearbeitungsmaschine; Fig. 2: die Darstellung der Funktion des Meßsystems entsprechend der Anordnung nacn Fig. 1 a; Fig. 3: die Darstellung der Funktion des Meßsystems entsprechend der Anordnung nach Fig. 1 b;

Fig. 4: die Darstellung des Meßsystems nach einem zweiten Ausführungsbeispiel mit mehreren Feinmeßbereichen nach Fig.1 c.

Gemäß Fig. 1 a befindet sich in der Mitte eines Robotergreifers 1, zwischen dessen Fingern 2 ein Meßsystem 3, das die Entfernung zum Objekt 4 bestimmt, welches sich auf einer festen Unterlage, z. B. einer Palette 5, befindet. Das Objekt 4 befindet sich außerhalb des Bereiches der Finger 2. Der Abstand beträgt ca. 100mm.

Gemäß Fig. 2 ist das Meßsystem 3 durch eine strichpunktierte Linie gekennzeichnet. Zum Meßsystem 3 gehören ein optoelektronischer Wandler 6, eine Abbildungsoptik 7, eine Ansteuer- und Auswerteelektronik 8 und zwei Leuchtdioden 9 und 10, wobei der optoelektronische Wandler 6 über der Abbildungsoptik 7 angeordnet und durch eine Leitung 11 mitderAnsteuer- und Auswerteelektronik 8 verbunden ist. Die Ansteuer- und Auswerteelektronik 8 ist über eine Leitung 12 mit der Leuchtdiode 9 und über eine Leitung 13 mit der Leuchtdiode 10 verbunden. Eine Ausgangsleitung 14 verbindet das ,Meßsystem 3 mit einem nicht dargestellten Roboter.

Das Meßsystem 3 arbeitet wie folgt. Der gemäß Fig. 1 a dargestellte Robotergreifer 1 befindet sich mit seinem Meßsystem 3 in einem relativ großen Abstand über dem Objekt 4. Die Ansteuer- und Auswerteelektronik 8 erhält vom Roboter über die Ausgangsleitung 14 einen Impuls, was zur Folge hat, dsß die Leuchtdiode 9 über die Leitung 12 aktiviert wird. Die Leuchtdiode 9 sendet einen Lichtstrahl S1 in Richtung des Objektes 4 aus, welcher im Punkt P1 von der Oberfläche des Objektes 4 als Lichtstrahl S1' reflektiert und durch die Abbildungsoptik 7 in den Punkt P1' des optoelektronischen Wandlers 6 abgebildet wird. In Abhängigkeit von der Lage des Punktes P1' auf dem optoelektronischen Wandler 6 wird über die Leitung 11 an die Ansteuer- und Auswerteelektronik 8 eine Spannung übertragen. Die Ansteuer- und Auswerteelektronik 8 berechnet aus dieser Spannung die Entfernung zum Objekt 4 und gibt das Ergebnis über die Ausgangsleitung 14 an den nicht dargestellten Roboter aus. Der Lichtstrahl S1' darf sich nur innerhalb des Bereiches der Grenzlinie G1 und G 2 befinden, da sonst der Punkt P1' nicht mehr auf dem optoelektronischen Wandler 6 abgebildet wird und somit eine Messung nicht möglich ist. Die Schnittpunkte des Lichtstrahles S1 mit den Grenzlinien G1 und G 2 begrenzen einen Grobmeßbereich M1, in welchem sich die Oberfläche des Objektes 4 befinden muß.

Der Roboter berechnet aus der gemessenen Entfernung den bis zur Greifposition zurückzulegenden Weg und bewegt den Robotergreifer 1 um diesen Weg in einem Feinmeßbereich M 2 nach Fig. 3. Dabei wird der Abstand zum Objekt 4 so weit verringert, daß die Finger 2 gemäß Fig. 1 b das Objekt 4 greifen können. Der Abstand beträgt ca. 100mm. Zum hochgenauen Greifen ist nun eine Feinpositionierung und damit eine entsprechend genaue Messung notwendig.

Gemäß Fig.3 ist das Meßsystem in die Position entsprechend Fig. 1 b gefahren und es ergibt sich weiterhin folgender Schritt im Meßverfahren. Die Ansteuer- und Auswerteelektronik 8 entaktiviert über die Leitung 12 die Leuchtdiode 9 und aktiviert über dio Leitung 13 die Leuchtdiode 10. Die Leuchtdiode 10 sendet einen Lichtstrahl S2 in Richtung des Objektes 4 aus, welcher im Punkt P2 von der Oberfläche des Objektes 4 als Lichtstrahl S 2' reflektiert und durch die Abbildungsoptik 7 in den Punkt P 2' des optoelektronischen Wandlers 6 abgebildet wird. In Abhängigkeit von der Lage des Punktes P2' auf dem optoelektronischen Wandler 6 wird über die Leitung 11 an die Ansteuer- und Auswerteelektronik 8 eine Spannung übertragen. Die Ansteuer- und Auswerteelektronik 8 berechnet aus dieser Spannung die Entfernung zum Objekt 4 und gibt das Ergebnis über die Ausgangsleitung 14 an den nicht dargestellten Roboter aus. Der reflektierte Lichtstrahl S 2' darf sich nur innerhalb des Bereiches der Grenzlinien G1 und G 2 befinden, da sonst der Punkt P 2' nicht mehr auf dem optoelektronischen Wandler 6 abgebildet wird und somit eine Messung nicht möglich Ist. Die Schnittpunkte des Lichtstrahles S 2 mit den Grenzlinien G1 und G 2 begrenzen den Feinmeßbereich M 2, in welchem sich die Oberfläche des Objektes 4 befinden darf. Da im Feinmeßbereich M 2 eine kleine Veränderung des Abstandes zum Objekt 4 eine große Verschiebung des Punktes P2' bewirkt, ist die Meßgenauigkeit groß. Der Roboter wertet das Ergebnis aus und positioniert den Robotergreifer 1 mit der erforderlichen Genauigkeit. Danach kann das Objekt 4 mit den Fingern 2 gegriffen werden. Bei der Darstellung in Fig. 2,3 und 4 wurden die von den Punkten P1 und P2 reflektierten Lichtstrahlen nur die dargestellt, die durch den Mittelpunkt der Abbildungsoptik 7 verlaufen. Gemäß Fig.4 ist ein Meßsystem nach einem zweiten Ausführungsbeispiel mit mehreren Feinmeßbereichen dargestellt. Das in Fig. 4 dargestellte Meßsystem 3 ist gegenüber dem in Fig. 2 und 3 dargestellten Meßsystem 3 um Leuchtdioden 15 und 16 erweitert, welche über Leitungen 17 und 18 mit der Ansteuer- und Auswerteelektronik 8 verbunden sind. Das Meßsystem 3 ist gemäß Fig. 1 c mit einem Stativ 19 an einer nicht dargestellten Bearbeitungsmaschine befestigt. Das Objekt 4, beispielsweise ein Drehteil, ist mittels Halterungen 20 und 21 in der nicht dargestellten Bearbeitungsmaschine befestigt. Der Abstand zwischen dem Meßsystem 3 und dem Objekt 4 ist während der Messung konstant, jedoch veränderbar in Abhängigkeit vom Durchmesser des Objektes 4 im Bereich von 100 mm bis 500 mm.

Das Meßverfahren arbeitet wie folgt. Die Ansteuer- und Auswerteelektronik 8 erhält von der nicht dargestellten Bearbeitungsmaschine über die Ausgangsleitung 14 einen Impuls, was zur Folge hat, daß die Leuchtdiode 9 über die Leitung 12 aktiviert wird. Die Leuchtdiode 9 sendet einen Lichtstrahl S1 in Richtung des Objektes 4 aus, welcher im Punkt P1 von der Oberfläche des Objektes 4 als Lichtstrahl S1' reflektiert und durch die Abbildungoptik 7 in den Punkten P1' des optoelektronischen Wandlers 6 abgebildet wird. In Abhängigkeit von der Lage des Punktes P1' auf dem optoelektronischen Wandler 6 wird über die Leitung 11 an die Ansteuer- und Auswerteelektronik 8 eine Spannung übertragen. Die Ansteuer- und Auswerteelektronik 8 berechnet aus dieser Spannung die Entfernung zum Objekt 4 grob und ordnet der grob gemessenen Entfernung zum Objekt 4 den dazugehörigen Feinmeßbereich M 2, M 3 oder M 4 zu. Die Zuordnung erfolgt durch den Vergleich der Entfernung mit den in der Ansteuer- und Auswerteelektronik 8 abgespeicherten Gronzen der Feinmeßbereiche M 2, M 3 und M4. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel nach Fig.4 wird der Entfernung der Oberfläche des Objektes 4 vom Meßsystem 3 der Feinmeßbereich M 4 zugeordnet. Die Ansteuer- und Auswerteelektronik 8 entaktiviert über die Leitung 12 die Leuchtdiode 9 und aktiviert überdie Leitung 18 die Leuchtdiode 16. Die Leuchtdiode 16 sendet einen Lichtstrahl S4 in Richtung des Objektes 4 aus, welcher im Punkt P4 von der Oberfläche des Otvaktes 4 als Lichtstrahl S4' reflektiert und durch die Abbildungsoptik 7 in den Punkt P4' des optoelektronischen Wandlers 6 abgebildet wird. - In Abhängigkeit von der Lage des Punktes P4' auf dem optoelektronischen Wandler 6 wird über die Leitung 11 an die Ansteuer· und Auswerteelektronik 8 eine Spannung übertragen. Die Ansteuer- und Auswerteelektronik 8 berechnet aus dieser Spannung die Entfernung zum Objekt 4 und gibt das Ergebnis über die Ausgangsleitung 14 an die nicht dargestellte Bearbeitungsmaschine aus, welche nach diesem Ergebnis über die weitere Bearbeitung des Werkstückes entscheidet.

Bei Objekten mit größerem Durchmesser würde die Leuchtdiode 15 in Funktion und bei noch größeren Durchmessern die Leuchtdiode 10 in Funktion treten. Im ersten Fall wird die Leuchtdiode 15 über die Leitung 17 aktiviert und sie sendet den Lichtstrahl S3 aus. Die Schnittpunkte des Lichtstrahles S3 mit den Grenzlinien G1 und G2 begrenzen den Feinmeßbereich M3. Im zweiten Fall wird die Leuchtdiode 10 über die Leitung 13 aktiviert und sendet den Lichtstrahl S2 aus. Die Schnittpunkte des Lichtstrahles S 2 mit den Grenzlinien G1 und G 2 begrenzen den Feinmeßbereich M 2.

Da die Lichtstrahlen S 2, S3 und S4 unter einem kleinen Winkel auf die Oberfläche des Objektes 4 auftreffen, ändert sich die Lage der zugehörigen Punkte auf dem optoelektronischen Wandler 6, z. B. die Lage des Punktes P2', sehr stark bei geändertem Durchmesser des Objektes 4. Dadurch ändert sich ebenfalls die vom optoelektronischen Wandler 6 über die Leitung 11 an die Ansteuer- und Auswerteelektronik 8 übertragene Spannung, und die Ansteuer- und Auswerteelektronik 8 kann die Entfernung zum Objekt 4 mit großer Genauigkeit bestimmen.

Claims (4)

1. Vorfahren zum Messen des Abstandes zu einer Objektoberfläche, beispielsweise zu einem Werkstück zum Ermitteln der Lage oder zum Überprüfen der Abmaße, insbesondere bei der automatisierten Fertigung von Einzelteilen mit mehreren Lichtquellen, die Lichtstrahlen in Richtung des zu messenden Objektes aussenden und die Lichtstrahlen von der Objektoberfläche reflektiert und in Abhängigkeit von der Entfernung zur Objektoberfläche auf dem Empfänger abgebildet werden, dadurch gekennzeichnet, daß eine Messung im Grobmeßbereich (M 1) erfolgt, indem ein erster Lichtstrahl (S 1) steil auf die Oberfläche eines Objektes (4) gesendet, dort reflektiert und durch eine Abbildungsoptik (7) auf einen optoeleki -onischen Wandler (6) abgebildet wird, wobei das von dem optoelektronischen Wandler (6) gebildete Signal ausgewertet, einem Feinmeßbereich (M 2; M3; M4) zugeordnet, daß anschließend eine Messung im Feinmeßbereich (M2; M3; M4) durchgeführt wird, indem ein zweiter Lichtstrahl (S2; S3; S4) flach auf die Oberfläche des Objektes (4) gesendet, dort reflektiert, durch die Abbildungsoptik (7) auf dem optoelektronischen Wandler (6) abgebildet und das Ergebnis ausgegeben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuordnung zu dem Feinmeßbereich (M 2; M3; M4) durch die Veränderung der Entfernung zwischen dem Meßsystem (3) und dem Objekt (4) erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuordnung zu dem Feinmeßbereich (M 2; M3; M4) durch ein Vergleichen der im Grobmeßbereich (M 1) ermittelten Entfernung mit den Grenzen der Feinmeßbereiche (M 2; M3; M4) erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Feinmeßbereiche (M 2; M 3; M4) durch die Schnittpunkte der ausgesendeten Lichtstrahlen (S2; S3; S4) mit den Grenzlinien (G 1; G 2), 6,a den Empfangsbereich des optoelektronischen Wandlers (6) begrenzen, gebildet werden.