DE102008062458A1 - Laser-based measuring device for use during manufacturing process in machine and equipment construction, has polarizing filter provided in radiation, where adjustment of plane corresponds to direction of linear polarization of radiation - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur laserbasierten Vermessung von Werkstücken, Baugruppen und Werkzeugen während Fertigungsprozessen im Maschinen- und Anlagenbau.The The invention relates to a device for laser-based measurement of Workpieces, assemblies and tools during Manufacturing processes in mechanical and plant engineering.
Die gewonnenen Messdaten können verwendet werden zur Kompensation insbesondere der Maßtrends bzw. der Maßdrift infolge thermisch bedingter Deformationen und/oder infolge des Werkzeugverschleißes. Je nach Ausführung der Einrichtung zur laserbasierten Vermessung von Werkstücken, Baugruppen und Werkzeugen können Abmaße und Formen sowie die Lage von Geometrieelementen zueinander vermessen werden.The obtained measurement data can be used for compensation in particular the dimensional trends or the dimensional drift due thermally induced deformations and / or as a result of tool wear. Depending on the version of the device for laser-based measurement of workpieces, assemblies and tools Dimensions and shapes as well as the location of geometric features to measure each other.
Gegenwärtig werden taktile, induktive und optische Messsysteme zur Werkstückvermessung eingesetzt.Currently tactile, inductive and optical measuring systems are used for workpiece measurement.
Taktile und induktive Messsysteme sind für die prozessbegleitende Vermessung von Werkstücken und Werkzeugen weniger gut geeignet, da sie entweder eine hohe mechanische und Verschleißempfindlichkeit besitzen oder im Falle der induktiven Messsysteme unbefriedigende Genauigkeiten aufweisen.tactile and inductive measuring systems are for the process-accompanying Measurement of workpieces and tools less well suited, because they either have a high mechanical and wear sensitivity or unsatisfactory in the case of inductive measuring systems Have accuracies.
Die besser geeigneten optischen Systeme arbeiten entweder als Auflicht- oder Gegenlichtsysteme, wobei nur die Gegenlichtsysteme eine einigermaßen befriedigende Messgenauigkeit erreichen.The better suited optical systems work either as incident light or backlight systems, with only the backlight systems being somewhat reasonably achieve satisfactory measurement accuracy.
Das
grundlegende Konzept eines Gegenlichtsystems beruht auf einer diffusen
Lichtquelle (z. B. Halogenlampe, Leuchtstoffröhre, Blitzlampe
usw.) und einer hochauflösenden Kamera, zwischen denen sich
das Messobjekt befindet und dessen von der Kamera erfasstes Schattenbild
computergestützt ausgewertet wird, um z. B. die Soll-Ist-Abweichung
eines Messobjektes zu ermitteln. Solche Lösungen sind z. B.
in den Messsystemen von Omron und Zoller enthalten (
Gemäß eines
anderen Konzeptes – dem Laserscanner – wird ein
Laserstrahl mit Hilfe eines meist rotierenden Spiegelsystems ausgelenkt,
um so ein zu vermessendes Objekt abzutasten. Fotodiodengetriggert
wird mit Hilfe der gleichzeitig erfassten Spiegelauslenkung das
jeweilige Ist-Maß eines Objektes berechnet. Solche Lösungen
sind zu finden unter
Einrichtungen
zur laserbasierten Vermessung von Werkstücken außerhalb
von Maschinen sind z. B. nach der
Gemäß der
Bei allen genannten optischen Systemen zur Vermessung von Werkstücken, Baugruppen und Werkzeugen steht darüber hinaus die Forderung nach einer möglichst dichten Positionierung des optischen Sensors am Messobjekt, um Fremdlichteinflüsse zu beschränken.at all mentioned optical systems for the measurement of workpieces, Assemblies and tools are also required a dense positioning of the optical sensor on the object to be measured, in order to limit external light influences.
Die Nachteile des Standes der Technik lassen sich in hohem Realisierungsaufwand, oftmals unbefriedigender Messsicherheit, mangelnder Robustheit während der Anwendung im Fertigungsprozess und letztlich eingeschränktem Anwendungsgebiet zusammenfassen.The Disadvantages of the prior art can be achieved in high implementation costs, often unsatisfactory measurement reliability, lack of robustness during the application in the manufacturing process and ultimately limited Summarize application area.
Um die Nachteile der Lösungen des Standes der Technik zu vermeiden, besteht die Aufgabe, eine Einrichtung zur laserbasierten Vermessung von Werkstücken, Baugruppen und Werkzeugen zu entwickeln, die aus einfachen und robusten Baugruppen besteht, eine hohe Messgenauigkeit auch unter ungünstigen Lichtverhältnissen besitzt und mit verringertem Kostenaufwand herstellbar ist. Außerdem ist eine geringe Baugröße der Einrichtung generell wünschenswert.Around to avoid the disadvantages of the prior art solutions the object is a device for laser-based measurement of workpieces, assemblies and tools, which consists of simple and robust components, a high measuring accuracy also has under unfavorable lighting conditions and can be produced at a reduced cost. Furthermore is a small size of the device in general desirable.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Einrichtung zur laserbasierten Vermessung von Werkstücken, Baugruppen und Werkzeugen gelöst, die die Merkmale des 1. Patentanspruches aufweist. Die Ansprüche 2 bis 12 enthalten besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.According to the invention this object by a device for laser-based measurement solved by workpieces, assemblies and tools, the having the features of the first claim. The requirements 2 to 12 contain particularly advantageous embodiments of the invention.
Dabei besteht das Wesen der Erfindung darin, dass in die Kombination eines Lasers als Messlichtquelle, der linear polarisiertes Licht aussendet, und eines optischen Sensors in Form eines CCD- oder CMOS-Matrixsensors als Messsignalempfänger Filter einbezogen sind, die eine optimale Belichtung des Sensors gewährleisten. Durch das Einbringen eines der Polarisationsrichtung der linear polarisierten Laserstrahlung angepassten Polarisationsfilters in den Laserstrahl kann ein erheblicher Teil des Fremdlichtes ausgeblendet und vom optischen Sensor ferngehalten werden.The essence of the invention is that in the combination of a laser as Mess light source emitting linearly polarized light, and an optical sensor in the form of a CCD or CMOS matrix sensor as a measuring signal receiver filters are included, which ensure optimum exposure of the sensor. By introducing a polarization filter adapted to the polarization direction of the linearly polarized laser radiation into the laser beam, a considerable part of the extraneous light can be masked out and kept away from the optical sensor.
Es kann insbesondere bei ungünstigen Lichtverhältnissen zweckmäßig sein, zwei Polarisationsfilter vorzusehen, von denen einer so orientiert ist, dass seine Polarisationsebene der Polarisierungsrichtung der Laserstrahlung entspricht, wogegen der zweite Polarisationsfilter so angeordnet ist, dass seine Polarisationsebene gegenüber dem ersten Polarisationsfilter verdreht ist. Bei einer solchen Anordnung wird durch den ersten Polarisationsfilter ein erheblicher Teil des Fremdlichtes zurückgehalten, während die Laserstrahlung nahezu ungedämpft durch den Polarisationsfilter hindurchtritt. Durch den zweiten Polarisationsfilter wird der verbliebene Teil des Fremdlichtes nahezu vollständig zurückgehalten und die Laserstrahlung gedämpft. Eine Optimierung kann dabei durch Veränderung der Richtung der Polarisationsebene des zweiten Polarisationsfilters erreicht werden.It especially in unfavorable lighting conditions be expedient to provide two polarizing filters, one of which is oriented so that its polarization plane the polarization direction of the laser radiation corresponds, whereas the second polarizing filter is arranged so that its polarization plane is rotated relative to the first polarizing filter. In such an arrangement, the first polarizing filter a significant portion of the extraneous light withheld during the laser radiation almost undamped by the polarization filter passes. Through the second polarization filter is the remaining Part of the extraneous light almost completely retained and attenuated the laser radiation. An optimization can doing so by changing the direction of the polarization plane of the second polarizing filter can be achieved.
Es kann weiterhin zweckmäßig sein, zusätzlich zu einem oder zwei Polarisationsfiltern einen Farbfilter vorzusehen, dessen Durchlasswellenlänge der Wellenlänge des meist monochromen Laserlichtes entspricht. Hierdurch kann der Fremdlichteinfluss auf den optischen Sensor weiter reduziert werden.It may still be appropriate, in addition to provide a color filter for one or two polarizing filters, whose transmission wavelength is the wavelength of the usually corresponds to monochrome laser light. As a result, the external light influence on the optical sensor can be further reduced.
Die Filter sollten möglichst unmittelbar vor dem optischen Sensor angeordnet sein. Dabei ist es vorteilhaft, den Sensor sowie die Filter in einem überwiegend lichtundurchlässigen Gehäuse mit einem Filter als Einlassfenster für die Laserstrahlung unterzubringen.The Filters should be as close to the optical as possible Sensor be arranged. It is advantageous to the sensor as well the filters in a predominantly opaque Housing with a filter as an inlet window for to accommodate the laser radiation.
Die Auflösung und damit mögliche Messgenauigkeit der Einrichtung zur laserbasierten Vermessung von Werkstücken, Baugruppen und Werkzeugen ist vorrangig vom Zeilenabstand der Sensormatrix abhängig. Daher ist eine Steigerung der Auflösung durch Neigen der Matrix gegenüber der Richtung der Laserstrahlung möglich. Eine weitere Möglichkeit, die Auflösung zu steigern, besteht darin, die Laserstrahlung kegelförmig aufzufächern.The Resolution and thus possible measurement accuracy of Device for laser-based measurement of workpieces, Assemblies and tools are primarily based on the line spacing of the sensor matrix dependent. Therefore, an increase in resolution by tilting the matrix with respect to the direction of the laser radiation possible. Another way, the resolution To increase, the laser radiation is cone-shaped fanning.
Eine deutliche Verbesserung der Messgenauigkeit kann darüber hinaus durch eine gegenüber den Hauptkanten des zu vermessenden Werkstückes gedrehte Anordnung des Messsignalempfängers, d. h. des CCD- oder CMOS-Matrixsensors, erreicht werden, und zwar derart, dass die Ausrichtung der Zeilen des Matrixsensors gegenüber den Hauptkanten des Messobjektes um einen Winkel größer 0° und kleiner 45°, bevorzugt um einen Winkel zwischen 4° und 10°, gedreht sind. Bevorzugt ist der Messsignalempfänger um eine in etwa in Richtung des Strahlenganges der Laserstrahlung weisende Achse gedreht angeordnet. Durch die gegenüber den Hauptkanten des zu vermessenden Werkstückes gedrehte Anordnung des Messsignalempfängers wird ein zeilenparalleles Auftreffen des an den Hauptkanten des Messobjektes vorbeistreichenden Laserlichtes auf den Matrixsensor vermieden, wodurch eine sehr erhebliche Verbesserung der Messgenauigkeit erreicht wird.A Significant improvement in measurement accuracy can be about it out through one opposite the main edges of the to be measured Workpiece rotated arrangement of the measuring signal receiver, d. H. of the CCD or CMOS matrix sensor, namely such that the orientation of the rows of the matrix sensor is opposite the main edges of the object to be measured are larger by one angle 0 ° and less than 45 °, preferably at an angle between 4 ° and 10 °, are rotated. Is preferred the measuring signal receiver to one approximately in the direction of Beam path of the laser radiation facing axis arranged rotated. By facing the main edges of the to be measured Workpiece rotated arrangement of the measuring signal receiver is a line-parallel impact of the at the main edge of the measurement object avoiding passing laser light on the matrix sensor, whereby a very significant improvement of the measurement accuracy is achieved.
Eine weitere Verbesserung der Messgenauigkeit kann durch eine Signalverarbeitung des Sensorsignals mittels einer Regressionsrechnung nach bekannten mathematischen Methoden erreicht werden. Damit kann die Messgenauigkeit über die Auflösung des CCD- oder CMOS-Matrixsensors hinaus gesteigert werden. Im einfachsten Fall kann dies zur Verbesserung der Kantenerkennung eine lineare Regressionsrechnung sein.A Further improvement of the measuring accuracy can be achieved by signal processing of the sensor signal by means of a regression calculation according to known mathematical methods are achieved. This allows the measurement accuracy over increased the resolution of the CCD or CMOS matrix sensor become. In the simplest case, this can improve edge detection be a linear regression calculation.
Mit
der erfindungsgemäßen, überraschend einfachen
Lösung einer Einrichtung zur laserbasierten Vermessung
von Werkstücken, Baugruppen und Werkzeugen sind die folgenden
Vorteile verbunden:
Der Aufbau ist im Verhältnis zu
bisherigen Kamera- und Scannerlösungen sehr einfach bei
geringen Abmessungen. Anstelle aufwändiger optischer Systeme oder
komplizierter Bewegungsmechanismen sind neben den robusten Bauteilen
Laserlichtquelle und optischer Matrixsensor lediglich ein oder zwei
Polarisationsfilter sowie ggf. ein Farbfilter notwendig.The following advantages are associated with the inventive, surprisingly simple solution of a device for laser-based measurement of workpieces, assemblies and tools:
The structure is in relation to previous camera and scanner solutions very simple with small dimensions. Instead of elaborate optical systems or complicated movement mechanisms, only one or two polarization filters and possibly a color filter are required in addition to the robust components laser light source and optical matrix sensor.
Aufgrund einer hohen realisierbaren Lichtintensität der Laserstrahlung im Vergleich zum Fremdlicht ist dieses bei einer Vielzahl von Anwendungen bereits durch den ersten Polarisationsfilter erheblich gedämpfte Fremdlicht für die nachfolgende Bild bewertung des Sensorbildes oft ohne nennenswerten Einfluss, so dass die Erfindung in ihrer einfachen Ausführung, d. h. mit nur einem Polarisationsfilter, einer großen Anzahl praktischer Anwendungen gerecht wird.by virtue of a high realizable light intensity of the laser radiation Compared to extraneous light, this is already the case for a large number of applications significantly attenuated by the first polarizing filter Extraneous light for the subsequent image evaluation of the sensor image often without appreciable influence, so that the invention in its simple design, d. H. with only one polarizing filter, a large number of practical applications.
Für die Vermessung von Werkstücken, Baugruppen und Werkzeugen mit einer bevorzugten für die Vermessung wesentlichen Hauptkante hat es sich als zweckmäßig erwiesen, den Laser und damit natürlich auch mindestens einen Polarisationsfilter so auszurichten, dass die Polarisationsrichtung der linear polarisierten Laserstrahlung der Richtung dieser Hauptkante entspricht.For the measurement of workpieces, assemblies and tools with a preferred major edge for the survey it has proven to be useful to the laser and of course with at least one polarization filter align so that the polarization direction of the linearly polarized Laser radiation corresponds to the direction of this main edge.
Die erfindungsgemäße Einrichtung zur laserbasierten Vermessung von Werkstücken, Baugruppen und Werkzeugen bietet so die Möglichkeit, bei geringem Aufwand, d. h. mit einfachen und robusten Baugruppen, eine hohe Messqualität zu erzielen. Eine aufwendige Linsenoptik, wie sie an Kamerasystemen verwendet wird, ist nicht erforderlich.The inventive device for laser-based measurement of workpieces, assemblies and tools thus offers the opportunity at low effort, ie with simple and robust assemblies to achieve a high quality measurement. A complex lens optics, as used on camera systems, is not required.
Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.The Invention is intended below to an embodiment be explained in more detail.
Dabei zeigt die zugehörige Zeichnung eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Einrichtung zur laserbasierten Vermessung von Werkstücken, Baugruppen und Werkzeugen mit zwei Polarisationsfiltern und einem Farbfilter.there shows the accompanying drawing a schematic diagram the device according to the invention for laser-based Measurement of workpieces, assemblies and tools with two polarizing filters and one color filter.
Gemäß Zeichnung
besteht die Einrichtung zur laserbasierten Vermessung von Werkstücken, Baugruppen
und Werkzeugen aus einem Laser
Der
Polarisationsfilter
Die
Filterreihung aus Polarisationsfiltern
Die
Feinheit der Auswertung, d. h. die Messgenauigkeit, ist dabei abhängig
von der Auflösung des CCD-Matrixsensors
- 11
- Laserlaser
- 22
- CCD-MatrixsensorCCD matrix sensor
- 33
- Laserstrahlenlaser beams
- 44
- Messobjektmeasurement object
- 55
- Polarisationsfilterpolarizing filter
- 66
- Polarisationsfilterpolarizing filter
- 77
- Farbfiltercolor filter
- 88th
- Gehäusecasing
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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