DE102008062458B4 - Measuring method for laser-based measurement of workpieces, assemblies and tools - Google Patents
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Abstract
Messverfahren zur laserbasierten Vermessung von Werkstücken, Baugruppen und Werkzeugen unter Verwendung eines Lasers (1) als Lichtquelle sowie eines als CCD- oder CMOS-Matrixsensor ausgebildeten optischen Sensors (2) als Messsignalempfänger (2), wobei ein zu vermessendes Objekt (4) in den Strahlengang des Lasers (1) derart eingebracht wird, dass nur ein von dem zu vermessenden Objekt (4) nicht verdeckter Teil der Laserstrahlung (3) auf den optischen Sensor (2) trifft, dadurch gekennzeichnet, dass das zu vermessende Objekt (4) und der Laser (1) so zueinander positioniert werden, dass die Polarisationsrichtung der linear polarisierten Laserstrahlung (3) der Richtung einer Hauptkante des zu vermessenden Objektes (4) entspricht, dass in den Strahlengang des Lasers (1) mindestens ein Polarisationsfilter (5) derart eingebracht wird, dass dessen Ausrichtung der Polarisationsebene der Richtung der linearen Polarisierung der Laserstrahlung (3) entspricht, dass der optische Sensor (2) gegenüber der Hauptkante des zu vermessenden Objektes (4) um eine in etwa in Richtung des Strahlenganges der Laserstrahlung (3) weisende Achse gedreht wird, und zwar derart, dass die Ausrichtung der Zeilen des CCD- oder CMOS-Matrixsensors (2) um einen Winkel > 0° und < 45° gegenüber der Hauptkante des zu vermessenden Objektes (4) verdreht ist, und dass eine Signalverarbeitung von mittels dem Sensor (2) erfassten Bildpunktsignalen zur Erkennung und Vermessung einer in Richtung der Hauptkante verlaufenden Kontur des zu vermessenden Objektes (4) mittels einer Regressionsrechnung durchgeführt wird.Measuring method for laser-based measurement of workpieces, assemblies and tools using a laser (1) as a light source and an optical sensor (2) designed as a CCD or CMOS matrix sensor as Messsignalempfänger (2), wherein an object to be measured (4) in the Beam path of the laser (1) is introduced such that only one of the object to be measured (4) uncovered part of the laser radiation (3) on the optical sensor (2), characterized in that the object to be measured (4) and the laser (1) are positioned relative to one another such that the polarization direction of the linearly polarized laser radiation (3) corresponds to the direction of a main edge of the object (4) to be measured, such that at least one polarization filter (5) is introduced into the beam path of the laser (1) is that its orientation of the plane of polarization corresponds to the direction of the linear polarization of the laser radiation (3) that the optical sensor (2) gegenüb it is the main edge of the object to be measured (4) is rotated about an approximately in the direction of the beam path of the laser radiation (3) facing axis, in such a way that the alignment of the lines of the CCD or CMOS matrix sensor (2) by an angle > 0 ° and <45 ° relative to the main edge of the object to be measured (4) is rotated, and that a signal processing by means of the sensor (2) detected pixel signals for detecting and measuring a running in the direction of the main edge contour of the object to be measured (4 ) is performed by means of a regression calculation.
Description
Die Erfindung betrifft ein Messverfahren zur laserbasierten Vermessung von Werkstücken, Baugruppen und Werkzeugen während Fertigungsprozessen im Maschinen- und Anlagenbau.The invention relates to a measuring method 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 des Messverfahrens zur laserbasierten Vermessung von Werkstücken, Baugruppen und Werkzeugen können Abmaße und Formen sowie die Lage von Geometrieelementen zueinander vermessen werden.The measured data obtained can be used to compensate in particular the dimensional trends or the dimensional drift due to thermally induced deformations and / or as a result of tool wear. Depending on the design of the measuring procedure for the laser-based measurement of workpieces, assemblies and tools, dimensions and shapes as well as the position of geometric elements relative to each other can be measured.
Gegenwärtig werden taktile, induktive und optische Messsysteme zur Werkstückvermessung eingesetzt.At present, 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 less suitable for the process-accompanying measurement of workpieces and tools, since they either have a high mechanical and wear sensitivity or have unsatisfactory accuracies in the case of inductive measuring systems.
Die besser geeigneten optischen Systeme arbeiten entweder als Auflicht- oder Gegenlichtsysteme, wobei nur die Gegenlichtsysteme eine einigermaßen befriedigende Messgenauigkeit erreichen.The more suitable optical systems operate as either incident or backlight systems, with only the backlight systems achieving reasonably 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 (Pfeifer, T. u. a., Optoelektronische Verfahren zur Messung geometrischer Größen in der Fertigung, Kontakt & Studium, Band 405, expert-Verlag, Ehningen bei Böblingen, 1993, S. 166 ff.).The basic concept of a backlight system is based on a diffuse light source (eg halogen lamp, fluorescent tube, flash lamp, etc.) and a high-resolution camera, between which the measurement object is located and its recorded by the camera silhouette is computer-aided evaluation, for. B. to determine the target-actual deviation of a measured object. Such solutions are for. As in the measuring systems of Omron and Zoller included (Pfeifer, T. et al., Optoelectronic method for measuring geometric sizes in manufacturing, contact & study, Volume 405, expert-Verlag, Ehningen at Böblingen, 1993, p 166 ff.) ,
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 www.betalasermike.com. Der wesentliche Nachteil der vorgenannten optischen Vermessungslösungen besteht in den hohen Kosten, den die sehr aufwändigen kamera- oder scannerbasierten Systeme bei ihrer Realisierung verursachen. Ein zusätzlicher Nachteil besteht in dem Fehlereinfluss, den einfallendes Fremdlicht verursachen kann.According to another concept - the laser scanner - a laser beam is deflected by means of a mostly rotating mirror system in order to scan an object to be measured. Photodiode-triggered the respective actual measurement of an object is calculated with the aid of the simultaneously detected mirror deflection. Such solutions can be found at www.betalasermike.com. The main disadvantage of the aforementioned optical surveying solutions is the high cost that the very expensive camera or scanner-based systems cause in their implementation. An additional disadvantage is the fault influence, which can cause incident extraneous light.
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.In all the above-mentioned optical systems for measuring workpieces, assemblies and tools is also the requirement for a dense positioning of the optical sensor on the measurement object in order to limit extraneous light influences.
Aus der
In der
Die Nachteile des Standes der Technik lassen sich in hohem Realisierungsaufwand, oftmals unbefriedigender Messgenauigkeit und Messsicherheit, mangelnder Robustheit während der Anwendung im Fertigungsprozess und letztlich eingeschränktem Anwendungsgebiet zusammenfassen.The disadvantages of the prior art can be summarized in high implementation costs, often unsatisfactory measurement accuracy and reliability, lack of robustness during use in the manufacturing process and ultimately limited application.
Um die Nachteile der Lösungen des Standes der Technik zu vermeiden, besteht die Aufgabe, ein Messverfahren zur laserbasierten Vermessung von Werkstücken, Baugruppen und Werkzeugen zu entwickeln, das mittels einfachen und robusten Baugruppen ausführbar ist, eine hohe Messgenauigkeit auch unter ungünstigen Lichtverhältnissen besitzt und mit verringertem Kostenaufwand durchführbar ist. Außerdem ist eine geringe Baugröße der Einrichtung, mit der das Messverfaren durchgeführt werde kann, generell wünschenswert.To avoid the disadvantages of the solutions of the prior art, the object is to develop a measuring method for laser-based measurement of workpieces, assemblies and tools that can be executed by simple and robust assemblies, has a high accuracy even under unfavorable lighting conditions and with reduced Cost is feasible. In addition, a small size of the device with which the measuring process can be carried out is generally desirable.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Messverfahren zur laserbasierten Vermessung von Werkstücken, Baugruppen und Werkzeugen gelöst, das die Merkmale des 1. Patentanspruches aufweist. Anspruch 2 beschreibt eine vorteilhafte Ausgestaltungen des Messverfahrens.According to the invention this object is achieved by a measuring method for laser-based measurement of workpieces, assemblies and tools, having the features of the first claim.
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 ein der Polarisationsrichtung der linear polarisierten Laserstrahlung angepasster Polarisationsfilter in den Laserstrahl eingebracht wird, dass das zu vermessende Objekt so in der linear polarisierten Laserstrahlung positioniert wird, dass die Polarisationsrichtung der linear polarisierten Laserstrahlung der Richtung einer wesentlichen Hauptkante des zu vermessenden Objektes entspricht, dass der Messsignalempfängers, d. h. der CCD- oder CMOS-Matrixsensors, gegenüber dieser Hauptkante des zu vermessenden Objektes gedreht angeordnet wird, und zwar derart, dass die Ausrichtung der Zeilen des Matrixsensors gegenüber der Hauptkante des zu vermessenden Objektes um einen Winkel größer 0° und kleiner 45°, bevorzugt um einen Winkel zwischen 4° und 10°, gedreht ist und eine Signalverarbeitung der mittels dem Sensor (
Bevorzugt wird der Messsignalempfänger dabei um eine in etwa in Richtung des Strahlenganges der Laserstrahlung weisende Achse gedreht.In this case, the measuring signal receiver is preferably rotated about an axis pointing approximately in the direction of the beam path of the laser radiation.
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.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 eingebracht wird, 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 may be expedient, in particular in unfavorable light conditions, to provide two polarization filters, one of which is oriented such that its polarization plane corresponds to the polarization direction of the laser radiation, whereas the second polarization filter is introduced so that its polarization plane is rotated relative to the first polarization filter. In such an arrangement, a considerable part of the extraneous light is retained by the first polarization filter, while the laser radiation passes through the polarization filter almost undamped. By the second polarizing filter of the remaining part of the extraneous light is almost completely retained and attenuated the laser radiation. An optimization can be achieved by changing the direction of the polarization plane of the second polarization filter.
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 also be expedient to provide, in addition to one or two polarization filters, a color filter whose transmission wavelength corresponds to the wavelength of the mostly monochrome laser light. As a result, the extraneous light influence on the optical sensor can be further reduced.
Die Filter sollten möglichst unmittelbar vor dem optischen Sensor eingebracht werden. 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 placed as close to the optical sensor as possible. It is advantageous to accommodate the sensor and the filter in a predominantly opaque housing with a filter as an inlet window for 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 the device for laser-based measurement of workpieces, assemblies and tools is primarily dependent on the line spacing of the sensor matrix. Therefore, an increase in resolution is possible by inclining the matrix with respect to the direction of the laser radiation. Another way to increase the resolution is to fan out the laser radiation cone-shaped.
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.The arrangement of the measuring signal receiver, which is rotated with respect to the main edges of the workpiece to be measured, avoids line-parallel impingement of the laser light passing the main edge of the measuring object on the matrix sensor, thereby achieving a very considerable improvement in the measuring accuracy.
Eine weitere Verbesserung der Messgenauigkeit wird durch die 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 is achieved by the signal processing of the Sensor signal can be achieved by means of a regression calculation by known mathematical methods. Thus, the measurement accuracy can be increased beyond the resolution of the CCD or CMOS matrix sensor. In the simplest case this can be a linear regression calculation to improve edge detection.
Mit der erfindungsgemäßen, überraschend einfachen Lösung eines Messverfahrens zur laserbasierten Vermessung von Werkstücken, Baugruppen und Werkzeugen sind die folgenden Vorteile verbunden:
Der Aufbau einer Einrichtung, mit der das Messverfahren durchgeführt werden kann, 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 measuring method for laser-based measurement of workpieces, assemblies and tools:
The construction of a device with which the measuring method can be carried out is very simple with small dimensions in relation to previous camera and scanner solutions. 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 Bildbewertung 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.Due to a high realizable light intensity of the laser radiation compared to extraneous light this is in a variety of applications already by the first polarization significantly attenuated extraneous light for subsequent image evaluation of the sensor image without significant influence, so that the invention in its simple design, d. H. with only one polarizing filter, a large number of practical applications.
Das Messverfahren 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 aufwändige Linsenoptik, wie sie an Kamerasystemen verwendet wird, ist nicht erforderlich.The measuring method for the laser-based measurement of workpieces, assemblies and tools thus offers the possibility, with little effort, d. H. with simple and robust assemblies to achieve a high quality of measurement. An elaborate lens optics, as used on camera systems, is not required.
Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment.
Dabei zeigt die zugehörige Zeichnung eine Prinzipdarstellung einer Einrichtung zur Durchführung des Messverfahrens zur laserbasierten Vermessung von Werkstücken, Baugruppen und Werkzeugen mit zwei Polarisationsfiltern und einem Farbfilter.The accompanying drawing shows a schematic representation of a device for carrying out the measuring method for the laser-based measurement of workpieces, assemblies and tools with two polarizing filters and a color filter.
Gemäß Zeichnung besteht die Einrichtung 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
Zur Ermittlung des Messergebnisses wird eine Regressionsrechnung durchgeführt.A regression calculation is performed to determine the measurement result.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Laserlaser
- 22
- CCD-MatrixsensorCCD matrix sensor
- 33
- Laserstrahlenlaser beams
- 44
- Messobjektmeasurement object
- 55
- Polarisationsfilterpolarizing filter
- 66
- Polarisationsfilterpolarizing filter
- 77
- Farbfiltercolor filter
- 88th
- Gehäusecasing
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