DE102008033405A1

DE102008033405A1 - Optisches Verahren und Vorrichtungen zum Vermessen von großen Flächen mit länglichen Querschnitt.

Info

Publication number: DE102008033405A1
Application number: DE200810033405
Authority: DE
Inventors: Willibald Hawlitschek
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-07-16
Filing date: 2008-07-16
Publication date: 2010-01-28

Abstract

Vorgeschlagen werden ein kostengünstiges und industrietaugliches optisches Verfahren und Vorrichtungen zur Vermessung von Querschnittsflächen und Körpern. Dazu wird eine optische Messvorrichtung verwendet, die so konstruiert und positioniert ist, dass die zu vermessende Querschnittsfläche oder der Detektor der optischen Messvorrichtung um eine bestimmte Achse senkrecht zur vermessenden Querschnittsfläche rotiert. Durch den Detektor der optischen Messvorrichtung werden die Abstände der Tangenten, die in jeder wohl definierten Rotationslage senkrecht zur Rotationsachse und parallel zur optischen Achse, welche senkrecht zur Rotationsachse und parallel zur Normalen der Detektorfläche der optischen Messvorrichtung verläuft, verlaufen, an den durch die längste Sehne der zu vermessenden Querschnittsfläche getrennten Teilflächen der Querschnittsfläche zur Rotationsachse bestimmt. Zur Vermessung von Querschnittsflächen, bei denen die Differenz zwischen den maximalen und minimalen Messwerten größer ist als die Breite des Messfeldes des Detektors der optischen Messvorrichtung, wird vorgeschlagen, das Messobjekt mit der zu vermessenden Querschnittsfläche und die Rotationsachese oder den Detektor der optischen Messvorrichtung mit einer Positionsänderungsvorrichtung zu verbinden, mit Hilfe derer das Messobjekt oder der Detektor der optischen Messvorrichtung in zwei, vorzugsweise zueinander senkrechten, Richtungen, welche beide senkrecht zur Rotationsachse sind, definiert bewegt ...

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Verfahren und Vorrichtungen zur Vermessung von Querschnittsflächen und Körpern.
Die Vermessung von Körpern ist nach Stand der Technik mit verschiedenen Verfahren möglich. Eine Zusammenfassung der verschiedenen Verfahren wird z. B. in [1], [6] und in [7] gegeben.
Stand der Technik
Bekannt ist die Bestimmung von Körperoberflächen durch die 3D-Photogrammetrie bei der durch Einsatz des Messprinzips der Triangulation gleichzeitig eine größere Anzahl von 3D-Raumkoordinaten von Objektpunkten mit Hilfe von Kameras bestimmt werden [1], [6].
Stand der Technik sind auch 3D-Streifenprojektionsverfahren bei denen ein periodisches Gitter aus einer Projektionsrichtung auf das Messobjekt projiziert und aus einer anderen Beobachtungsrichtung mit einer CCD-Kamera (Kamera mit ladungsgekoppelten Elementen) aufgenommen wird [1], [6].
Nachteilig bei beiden genannten Verfahren sind die teilweise unzulänglichen Messgenauigkeiten, die durch Form und Beschaffenheit der zu vermessenden Oberfläche begrenzten Einsatzmöglichkeiten und die relativ hohen Kosten von Vorrichtungen nach diesen Verfahren.
Eine weitere weit verbreitete Klasse von Sensoren arbeitet mit dem Triangulationsverfahren [1], [6]. Bei diesen Verfahren kommen ein Laser als punktförmige Beleuchtungsquelle und eine positionsempfindliche Photodiode (PSD) oder eine CCD-Zeile als Detektoren zum Einsatz. Der Abstand zwischen (fixierten) Sensor und zu messender Oberfläche wird durch die Auswertung der räumlichen Verschiebung des durch Reflexion an der Oberfläche gewonnen Messsignals auf dem Detektor unter Anwendung trigonometrischer Formeln berechnet. Bekannt [1], [6] sind auch 2D-Lichschnittverfahren bei denen ebenfalls das Triangulationsprinzip Anwendung findet, dabei werden die punktförmige Beleuchtung durch Aufweitung des Laserstrahles durch einen Lichtvorhang sowie der Zeilendetektor durch eine CCD-Matrix Kamera ersetzt. Nach Kalibrierung und mit Hilfe von Bildverarbeitungsalgorithmen erhält man das Höhenprofil der Oberfläche entlang der Laserlinie.
Nachteilig bei Triangulationsverfahren ist der starke Einfluss der Rückstrahleigenschaften der zu messenden Oberflächen auf die Messunsicherheit und Begrenzungen bezüglich Messbereich und Arbeitsabstand. Eine zwei- oder dreidimensionale Vermessung von größeren Objekten mit ausgeprägten Differenzen in den Abmaßen entlang dreier zueinander senkrecht stehender Achsen, d. h. im zweidimensionalen Fall von großen Querschnittsflächen mit eher länglichen Querschnitt, ist auch auf Grund des relativ geringen Messbereiches schwierig.
Stand der Technik sind auch Sensoren die nach dem Prinzip der konoskopischen Holographie arbeiten [6].
Bei praktischer Anwendung dieses Sensortyps [8] hat sich die relative hohe Messungenauigkeit und der notwendige hohe Rechenaufwand als nachteilig erwiesen.
Weite Verbreitung haben insbesondere auch Sensoren gefunden, die oft als Lasermikrometer, Laserscanner, LED- oder optische Mikrometer bezeichnet werden ([1] bis [6]). Im Weiteren wird der Begriff Lasermikrometer verwendet. Die Lasermikrometer funktionieren nach dem Prinzip einer Lichtschranke, d. h. ein von einer Lichtquelle generierter Lichtvorhang aus parallelem Licht wird zwischen Lichtquelle und Detektor durch das zu untersuchende Objekt partiell unterbrochen. Oft wird dieses Prinzip auch Abschattungsprinzip genannt. Als Detektoren kommen bei Lasermikrometern in der Regel einfache Photodioden, PSD oder auch CCD-Zeilen zum Einsatz.
Wird das Messobjekt definiert um eine Achse senkrecht zur Ebene des Lichtvorhangs des Lasermikrometers gedreht und ist die Messvorrichtung entsprechend kalibriert, können verschiedene Parameter des Messobjektes wie z. B. maximaler und minimaler Durchmesser bestimmt werden.
Mit Lasermikrometern können nur Objekte mit nicht konkaven Querschnittsflächen, d. h. Querschnittsflächen ohne Hinterschneidungen, vermessen werden.
Wenn die zu vermessenden Querschnittsfläche oder der Detektor der optischen Messvorrichtung definiert um eine bestimmte Achse rotiert, ist nach Stand der Technik [7], [9] die Vermessung jeglicher nicht konkaver Querschnittsfläche mit prinzipiell beliebiger Genauigkeit möglich.
Dabei wird jedoch davon ausgegangen, dass sich der Abstand zwischen dieser Rotationsachse und dem Detektor der optischen Messvorrichtung während der gesamten Rotation nicht ändert. Dies führt dazu, dass Querschnittsflächen bei denen die Differenz zwischen den maximalen und minimalen Messwerten nach den Verfahren in [7] und [9] größer ist als die Breite des Messfeldes des optischen Detektors der Messvorrichtung, d. h. im Vergleich zum Messfeld des optischen Detektors der Messvorrichtung großen Flächen mit eher länglichen Querschnitt, nicht vermessen werden können.
Aufgabenstellung
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein kostengünstiges und industrietaugliches optisches Verfahren und Vorrichtungen zur Vermessung von nicht konkaven Querschnittsflächen und Körpern zur Verfügung zu stellen, mit denen mit Hilfe von Lasermikrometern oder mit anderen nach dem Abschattungsprinzip arbeitenden optischen Sensoren bei Verwendung der in [7] und [9] beschriebenen rechentechnischen Auswerteverfahren auch Querschnittsflächen bei denen die Hälfte der Differenz zwischen maximaler Sehne der Querschnittsfläche und der längsten Sehne senkrecht zur maximalen Sehne der Querschnittsfläche größer ist als das Messfeld des optischen Detektors der Messvorrichtung, d. h. Querschnittsflächen, die im Vergleich zum Messfeld des optischen Detektors der Messvorrichtung groß sind und einen eher länglichen Querschnitt besitzen, vermessen werden können.
Lösung der Aufgabe
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass eine optische Messvorrichtung verwendet wird, die so konstruiert und positioniert ist, dass die zu vermessenden Querschnittsfläche oder der Detektor der optischen Messvorrichtung um eine Achse, hier weiter als Rotationsachse bezeichnet, senkrecht zur vermessenden Querschnittsfläche rotiert.
Die z-Achse eines gedachten kartesischen Koordinatensystems der Messvorrichtung fällt mit der Rotationsachse zusammen, die zwei Achsen x und y des gedachten kartesischen Koordinatensystems liegen dabei innerhalb der Ebene der zu vermessenden Querschnittsfläche.
Durch den Detektor der optischen Messvorrichtung werden die Abstände der in definierten Rotationslagen senkrecht zur Rotationsachse und parallel zur optischen Achse der Messvorrichtung verlaufenden Tangenten an den durch die längste Sehne der zu vermessenden Querschnittsfläche getrennten Teilflächen der Querschnittsfläche zur Rotationsachse bestimmt.
Zur Bestimmung dieser Abstände benötigt man im Allgemeinen neben den originären Messwerten des Detektors der optischen Messvorrichtung auch noch einen Wert A₀, der dem Abstand zwischen Rotationsachse und Anfang (im Sinne der Breite) des Messfeldes des Detektors der optischen Messvorrichtung im Koordinatensystem entspricht. Als Anfang des Messfeldes wird dabei diejenige Kante des Messfeldes des Detektors der optischen Messvorrichtung bezeichnet, beginnend von welcher der originäre Messwert des Detektors der optischen Messvorrichtung bestimmt wird. Fällt die Rotationsachse mit dem Anfang des Messfeldes zusammen ist A₀ = 0. Allgemein gilt: Abstand = originärer Messwert – A₀, wenn sich die Rotationsachse innerhalb und Abstand = originärer Messwert + A₀, wenn sich die Rotationsachse außerhalb des Messfeldes des Detektors der optischen Messvorrichtung befindet.
Vor Berechung der Querschnittsfläche ist ggf. eine Umrechnung der originären Messwerte notwendig [9], um die in [7] und [9] beschriebenen Algorithmen nutzen zu können.
Zur Vermessung von Querschnittsflächen bei denen die Differenz zwischen den maximalen und minimalen Messwerten nach den Verfahren [7] und [9] größer ist als die Breite des Messfeldes des Detektors der optischen Messvorrichtung wird vorgeschlagen, das Messobjekt mit der zu vermessenden Querschnittsfläche und die Rotationsachse oder den Detektor der optischen Messvorrichtung mit einer Positionsänderungsvorrichtung zu verbinden, mit Hilfe derer das Messobjekt und die Rotationsachse oder der Detektor der optischen Messvorrichtung in zwei, vorzugsweise zueinander senkrechten, Richtungen, welche beide senkrecht zur Rotationsachse sind, definiert bewegt werden kann. Das Messobjekt mit der zu vermessenden Querschnittsfläche und die Rotationsachse werden dabei in die gleichen Richtungen und, in diesen Richtungen, um die gleichen Beträge bewegt. Erfindungsgemäß wird, falls notwendig, die zu vermessenden Querschnittsfläche und die Rotationsachse oder der Detektor der optischen Messvorrichtung mit Hilfe der Positionsänderungsvorrichtung vor der Messung des Abstandes in der aktuellen Rotationslage n·Δφ (n = 0, 1, 2, ..., N), mit N = Anzahl der Messpunkte pro Umdrehung und Δφ = Differenz der Winkel zweier benachbarter Rotationslagen, in eine Position bewegt, die die Messung des o. g. Abstandes möglich macht.
Wenn die beiden zueinander senkrechten Richtungen mit den Achsen x und y des oben beschriebenen kartesischen Koordinatensystem übereinstimmen, kann jede mit Hilfe der Positionsänderungsvorrichtung vorgenommene Positionsänderung Δd des Messobjektes und der Rotationsachse oder des Detektors der optischen Messvorrichtung in der Ebene der zu vermessenden Querschnittsfläche mit der Formel
beschrieben werden. Δx und Δy bezeichnen dabei die relative Änderung der Position der zu vermessenden Querschnittsfläche und der Rotationsachse oder des Detektors der optischen Messvorrichtung entlang der x-Achse und y-Achse.
Ist der relevante Rotationswinkel n·Δφ sowie die Ausgangsposition der zu vermessenden Querschnittsfläche und der Rotationsachse oder des Detektors der optischen Messvorrichtung bekannt, kann, bei einer Positionsänderung um Δd, die neue Position der zu vermessenden Querschnittsfläche und der Rotationsachse oder des Detektors der optischen Messvorrichtung, und somit auch der neue Abstand Aφ zwischen Rotationsachse und Anfang des Messfeldes des Detektors der optischen Messvorrichtung, der zur Bestimmung des Messwertes in der Rotationslage n·Δφ notwendig ist, eindeutig definiert werden.
Ausführungsbeispiele
1 zeigt eine Ausführungsvariante einer Vorrichtung entsprechend der erfindungsgemäßen Lösung. Bei dieser Ausführungsvariante bewegt sich der Detektor der optischen Messvorrichtung, in dieser Ausführungsvariante ein Lasermikrometer 1, während des Messvorganges, wobei die zu vermessende Querschnittsfläche, dargestellt durch die Kontur 4, und die Rotationsachse 3 während des gesamten Messvorganges ruhen.
In der Zeichnung schematisch dargestellt sind das Lasermikrometer 1 mit Lichtvorhang 2 in zwei verschiedenen Positionen, und zwar in Ausgangslage, bestimmt durch den Punkt (x₀, y₀) und, nach Drehung um den Winkel φ und Verschiebung um den Wert
bestimmt durch den Punkt (x_φ, y_φ), mit einer daran befestigten Positionsänderungsvorrichtung. Mit Hilfe der Positionsänderungsvorrichtung kann das Lasermikrometer definiert entlang der Achsen x und y des dargestellten Koordinatensystems bewegt werden. Die Rotationsachse 3 befindet sich im Koordinatenursprung des dargestellten Koordinatensystems und senkrecht zur Ebene der Zeichnung.
Bei bekannten A₀, x₀, y₀, x_φ, y_φ, und φ kann Aφ in 1 durch die Formel Aφ = tφcosα (3)mit
α = β – (180° – δ – γ – φ) (5) und
berechnet werden.
Die Positionsänderungsvorrichtung, mit der das Messobjekt mit der zu vermessenden Querschnittsfläche und die Rotationsachse oder der Detektor der optischen Messvorrichtung in zwei, vorzugsweise zueinander senkrechten, Richtungen, welche beide senkrecht zur Rotationsachse sind, definiert bewegt werden kann, kann zum Beispiel integraler Bestandteil eines handelsüblichen Koordinatenmessgerätes, eines handelsüblichen Messgerätes zur Vermessung von Nocken- und/oder Kurbelwellen oder eines Roboters sein. Das Koordinatenmessgerät, das Messgerät zur Vermessung von Nocken- und/oder Kurbelwellen oder der Roboter sind dabei so konstruiert, dass definierte Bewegungen in der Ebene der x- und der y-Achse (der Ebene der zu vermessenden Querschnittsfläche) möglich sind und eine Positionsänderung Δd der zu vermessenden Querschnittsfläche oder des Detektors der optischen Messvorrichtung nach Formel (1) gemessen werden kann und die Koordinaten der neuen Position daran anschließend an einen übergeordneten Rechner übergeben werden können.
Literatur

[1] T. Pfeifer; Fertigungsmeßtechnik; Oldenbourg Verlag, München, 1998; ISBN 3-486-24219-9
[2] Offenlegungsschrift DE 20023127 U1
[3] Offenlegungsschrift DE 10114961 A1
[4] Europäische Patentanmeldung EP 0266525 A1
[5] Patentschrift JP 08145636 A
[6] Claus P. Keferstein, Wolfgang Dutschke; Fertigungsmesstechnik; Teubner Verlag, 6. Auflage 2008; ISBN 978-3-8351-0150-0
[7] Patentschrift DE 10 2004 022 637 B4
[8] Jose Maria Enguita et al; Conoscopic holography-based long standoff profilometer for surface inspection in adverse environment; Optical Engineering, July 2006, vol. 45(7)
[9] Patentanmeldung vom 27.03.2008 beim Deutschen Patent- und Markenamt, Aktenzeichen 10 2008 015 809.7-54

Claims

Verfahren zur Vermessung von nicht konkaven Querschnittsflächen mit einer optischen Messvorrichtung, bei dem – der Detektor der optischen Messvorrichtung gegenüber der Querschnittsfläche oder die Querschnittsfläche gegenüber dem Detektor der optischen Messvorrichtung um eine Rotationsachse senkrecht zur Querschnittsfläche rotiert, – in wohl definierter Rotationslage der Detektor der optischen Messvorrichtung die Abstände zwischen der Rotationsachse und denjenigen Tangenten an der Querschnittsfläche misst, die senkrecht zur Richtung der Rotationsachse und senkrecht zur Detektorfläche an den durch die längste Sehne der Querschnittsfläche getrennten Teilflächen der Querschnittsfläche verlaufen, – die Querschnittsfläche in einem speziellen rechentechnischen Verfahren berechnet wird, dadurch gekennzeichnet, – dass das Messobjekt mit der zu vermessenden Querschnittsfläche und die Rotationsachse oder der Detektor der optischen Messvorrichtung mit einer Positionsänderungsvorrichtung verbunden ist, mit Hilfe derer die zu vermessende Querschnittsfläche und die Rotationsachse oder der Detektor der optischen Messvorrichtung in zwei, vorzugsweise zueinander senkrechten, Richtungen, welche beide senkrecht zur Rotationsachse sind, definiert bewegt und die neue Position der zu vermessenden Querschnittsfläche und der Rotationsachse oder des Detektors der optischen Messvorrichtung bestimmt werden kann.
Vorrichtung zur Vermessung von nicht konkaven Querschnittsflächen – mit einer optischen Messvorrichtung, wobei der Detektor der optischen Messvorrichtung gegenüber der Querschnittsfläche oder die Querschnittsfläche gegenüber dem Detektor der optischen Messvorrichtung rotiert und zwar um eine auf der Querschnittsfläche senkrecht stehenden Rotationsachse, – mit einem Detektor der optischen Messvorrichtung, der in wohl definierter Rotationslage die Abstände zwischen der Rotationsachse und denjenigen Tangenten an der Querschnittsfläche misst, die senkrecht zur Richtung der Rotationsachse und senkrecht zur Detektorfläche an den durch die längste Sehne der Querschnittsfläche getrennten Teilflächen der Querschnittsfläche verlaufen, – mit Berechnungsmitteln, um die Querschnittsfläche mit einem speziellen rechentechnischen Verfahren zu berechnen, dadurch gekennzeichnet, – dass das Messobjekt mit der zu vermessenden Querschnittsfläche und die Rotationsachse oder der Detektor der optischen Messvorrichtung mit einer Positionsänderungsvorrichtung verbunden ist, mit Hilfe derer die zu vermessende Querschnittsfläche und die Rotationsachse oder der Detektor der optischen Messvorrichtung in zwei, vorzugsweise zueinander senkrechten, Richtungen, welche beide senkrecht zur Rotationsachse sind, definiert bewegt und die neue Position der zu vermessenden Querschnittsfläche und der Rotationsachse oder des Detektors der optischen Messvorrichtung bestimmt werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 2., dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor der optischen Messvorrichtung ein Lasermikrometer ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2., dadurch gekennzeichnet, dass der der Detektor der optischen Messvorrichtung eine CCD-Zeile oder CCD-Kamera mit vorgeschalteter telezentrischer Optik ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2., dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsänderungsvorrichtung integraler Bestandteil eines Koordinatenmessgerätes ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2., dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsänderungsvorrichtung integraler Bestandteil eines Roboters ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2., dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsänderungsvorrichtung integraler Bestandteil eines Messgerätes zur Vermessung von Nocken- und/oder Kurbelwellen ist.