DE102019204613A1

DE102019204613A1 - Messsystem zur optischen Messung

Info

Publication number: DE102019204613A1
Application number: DE102019204613.4A
Authority: DE
Inventors: Lars Tobeschat; Christoph Grüber; Thomas Wisspeintner
Original assignee: Micro Epsilon Optronic GmbH
Current assignee: Micro Epsilon Optronic GmbH
Priority date: 2019-04-01
Filing date: 2019-04-01
Publication date: 2020-10-01
Also published as: WO2020200372A1; CN113574345A; JP2022526320A; US20220155445A1; EP3775768A1; JP7391986B2

Abstract

Ein Messsystem zur optischen Messung, insbesondere zur Abstands- und/oder Positions- und/oder Geschwindigkeits- und/oder Farbmessung, definiert mindestens einen äußeren Fixpunkt, der ein äußeres Koordinatensystem definiert oder darin liegt und mindestens einen inneren Fixpunkt, der ein inneres Koordinatensystem definiert oder darin liegt. Die beiden Koordinatensysteme haben eine eindeutige Lage zueinander, die eine Justage oder Kalibrierung des Systems impliziert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Messsystem zur optischen Messung, insbesondere zur Abstands- und/oder Positions- und/oder Geschwindigkeits- und/oder Farbmessung.
Aus der Praxis sind Messsysteme der hier in Rede stehenden Art hinlänglich bekannt. Grundsätzlich geht es hier um die optische Messtechnik mit schier unbegrenzten Anwendungsmöglichkeiten. Hierzu geeignete Messsysteme bestimmen berührungsfrei die jeweilige Messgröße eines Messobjekts von einer Referenzebene. Der notwendige Beleuchtungsfleck (Punkt, Linie, beliebiges Muster wie Streifenlicht oder ähnliches) der optischen Sendeachse zur Bestimmung der Messgröße befindet sich regelmäßig in einem toleranzbehafteten Kegelstumpf (Position (x/y/z) und Winkel (α)), der eindeutig der Referenzebene zugeordnet ist.
Zum Stand der Technik und zu bevorzugten Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Lehre sei auf die nachfolgenden Figuren verwiesen. In Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der beanspruchen Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigen

1 in schematischer Ansicht, am Beispiel der Punkt-Triangulation Abweichungen einer realen Sendeachse von Messsystemen von der idealen Sendeachse gemäß Stand der Technik,
2 in schematischer Ansicht, ebenfalls am Beispiel der Punkt-Triangulation, den Zielbereich der Messapplikation nebst Lageabweichung des Beleuchtungsflecks,
3 in schematischer Ansicht das erfindungsgemäße Ausrichten eines äußeren mechanischen Bezugskoordinatensystems zum Koordinatensystem der Messapplikation,
4 in schematischer Ansicht den Zusammenhang von äußerem und inneren Koordinatensystem nebst Sendeoptik, und
5 in schematischer Ansicht die Verschmelzung von innerem und äußerem Koordinatensystem, insbesondere die Verschmelzung von äußerem Gehäuseteil und optomechanischem Träger im Innteren des Gehäuses.

Zum Stand der Technik sei auf 1 verwiesen, die am Beispiel der Punkt-Triangulation Abweichungen realer Sendeachsen von der idealen Sendeachse zeigt. 1 zeigt im Konkreten Abweichungen einer realen Sendeachse von Messsystemen 1 und 2, Messebenen durch MBA (Messbereichsanfang), MBM (Messbereichsmitte) und MBE (Messbereichsende). Es ist ein toleranzbehafteter Kegelstumpf abgebildet, der das Problem bei der Messung in der jeweiligen Messebene erkennen lässt. Die Lage des für die Messung notwendigen Beleuchtungsflecks auf dem Messobjekt variiert nämlich mit dem Abstand und/oder bei Sensortausch des gleichen Sensortyps und führt nicht selten bei Messen zum Verlassen des für die Messapplikation geforderten Zielbereichs, wie dies 2 am Beispiels der Punkt-Triangulation zeigt. 2 bezieht sich auf den Zielbereich der Messapplikation und die Lageabweichung des Beleuchtungsflecks.
Das im Stand der Technik auftretende Problem lässt sich bislang nur individuell für jedes Messsystem lösen, nämlich wie folgt:

Grundsätzlich ist eine optische Ausrichtung in den Zielbereich möglich, nämlich durch eine mechanische und/oder elektromechanische Justage des Messsystems. Regelmäßig findet dabei ein Verschieben, Kippen oder Rotieren des Messsystems statt. Dies kann zu einem systematischen Abstandsfehler führen, wenn nämlich das Messsystem in einer anderen Aufspannung als bei der ursprünglichen Kalibrierung betrieben wird.

Auch lässt sich das Messsystem in einem bekannten Koordinatensystem kalibrieren, beispielsweise in einer Koordinatenmessmaschine, wonach der Zielbereich durch eine Positionskorrektur des jeweiligen Messsystems getroffen bzw. erreicht wird. Eine solche Kalibrierung kann beispielsweise mittels eines Normals, beispielsweise durch eine Kugel, oder durch optische Vermessung erfolgen.
Die aus der Praxis bekannten Messsysteme sind in Bezug auf die zuvor genannte Problemstellung nachteilig, da es zur Vermeidung von Messfehlern stets erforderlich ist, aufwändige Kalibrierungen/Justagen vorzunehmen, und zwar über eine Justage bei der ursprünglichen Montage hinaus. Insbesondere der jeweilige Sendestrahl bereitet bei einer auch nur geringen Dejustage Probleme in der Messung, zumal dadurch der Austrittspunkt des Strahls nicht eindeutig definierbar ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Messsysteme zur optischen Messung dahingehend zu optimieren, dass zusätzliche Ausrichtungen und/oder Justagen und/oder Kalibrierungen durch den Anwender nicht erforderlich sind.
Das erfindungsgemäße Messsystem soll nur noch an seinem äußeren mechanischen Bezugskoordinatensystem zum Koordinatensystem der Messapplikation ausgerichtet werden. Das Messsystem soll so aufgebaut sein, dass die optische Ache und/oder das optische Koordinatensystem einen eindeutigen Bezug zu einem äußeren mechanischen Bezugskoordinatensystem hat/haben. Durch diesen eindeutigen Bezug der beiden Koordinatensysteme kann der toleranzbehaftete Kegelstumpf entsprechend den Ausführungen zu den 1 und 2 in der Mehrzahl der Messanwendungen ganz erheblich minimiert werden, jedenfalls soweit, dass auf eine zusätzliche Ausrichtung und/oder Justage und/oder Kalibrierung verzichtet werden kann. 3 zeigt eine solche Ausrichtung des äußeren mechanischen Bezugskoordinatensystems zum Koordinatensystem der Messapplikation.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Zum besseren Verständnis der Erfindung sind die nachfolgenden Begriffsdefinitionen von Vorteil:

1. Unter dem Koordinatensystem des Messsystems wird das äußere mechanische Bezugskoordinatensystem verstanden. Es ist nachfolgend auch als äußeres Koordinatensystem bezeichnet. Es ist das Koordinatensystem, das den Sensor von außen definiert und welches am Gehäuse des Sensors seine(n) Bezugspunkt(e) besitzt. Es stellt dasjenige Koordinatensystem dar, dass der Kunde nutzt, um den Sensor exakt zu positionieren und auszurichten. Im Rahmen einer einfachen Ausgestaltung werden dazu am Sensor befindliche Anschraubpunkte, Befestigungsbohrungen oder Befestigungsösen, Bezugskanten oder Bezugsflächen genutzt.
2. Das Koordinatensystem Sendeoptik ist das optische Koordinatensystem. Hier handelt es sich um ein zunächst virtuelles Koordinatensystem, welches die Lage des Lichtstrahls definiert. Dieses ist überwiegend abhängig von den optomechanischen Komponenten, in Bezug auf die Lichtquelle beispielsweise der Laser, in Bezug auf die Abbildungsoptik beispielsweise Linsen, Spiegel, Gitter etc. und in Bezug auf die Mechanik, beispielsweise Blende, Halter, Verbindungselemente, etc.
3. Das Koordinatensystem Empfangsoptik ist zunächst ebenfalls ein virtuelles Koordinatensystem, welches die Lage des Detektors definiert. Dieses ist überwiegend abhängig von den optomechanischen Komponenten (in Bezug auf den Empfänger beispielsweise die CCD-Zeile, die CCD-Matrix, in Bezug auf die Abbildungsoptik beispielsweise die Linsen, Spiegel, Gitter, etc. und in Bezug auf die Mechanik beispielsweise die Blende, Halter, Verbindungselemente, etc.
4. Das innere Koordinatensystem ist ein mechanisches Koordinatensystem im Innern des Messsystems, welches als Bezug für die optische Achse dient.
5. In dem Koordinatensystem Messapplikation handelt es sich um das Koordinatensystem des Kunden, in dem sich der Zielbereich der Messapplikation befindet.

Nach der erfindungsgemäßen Lehre ist das Messsystem, welches zur optischem Messung dient, insbesondere zur Abstands- und/oder Positions- und/oder Geschwindigkeits- und/oder Farbmessung, mit mindestens einem äußeren Fixpunkt ausgestattet, der ein äußeres Koordinatensystem definiert oder zumindest darin liegt. Des Weiteren ist mindestens ein innerer Fixpunkt vorgesehen, der ein inneres Koordinatensystem definiert oder der zumindest darin liegt. Die beiden Koordinatensysteme haben eine eindeutige Lage zueinander, die eine Justage oder Kalibrierung des Systems impliziert. Dreh- und Angelpunkt der erfindungsgemäßen Lehre ist somit die eindeutige Zuordnung der beiden Koordinatensysteme zueinander. Durch diesen eindeutigen Bezug der beiden Koordinatensysteme lässt sich der zuvor erörterte toleranzbehaftete Kegelstumpf ganz überwiegend minimieren, jedenfalls derart, dass auf eine zusätzliche Ausrichtung und/oder Justage und/oder Kalibrierung des Systems verzichtet werden kann. Insoweit sei abermals auf 3 verwiesen.
In besonders vorteilhafter Weise sind die beiden Koordinatensysteme identisch bzw. deckungsgleich.
Ebenso ist es denkbar, dass die beiden Koordinatensysteme durch Translation und/oder Rotation und/oder Spiegelung ineinander überführbar sind.
Das innere Koordinatensystem definiert die Lage der optischen Komponenten und/oder der bildgebenden Komponenten und/oder der bildaufnehmenden Komponenten.
Das äußere Koordinatensystem ist als mechanisches Bezugskoordinatensystem zu verstehen, welches zum Koordinatensystem der jeweiligen Messapplikation auszurichten ist. Die beiden Koordinatensysteme haben eine eindeutige Lage zueinander.
4 zeigt den Zusammenhang zwischen dem äußeren Koordinatensystem, dem inneren Koordinatensystem und der Sendeoptik. Eine eindeutige Lage der beiden Koordinatensysteme zueinander ist Grundlage des erfindungsgemäßen Systems.
Die bildgebenden Komponenten umfassen mindestens eine optomechanische Lichtquelle im Sinne einer Sendeoptik. Die bildaufnehmenden Komponenten umfassen mindestens ein optomechanisches Sensorelement im Sinne einer Empfangsoptik. Die Lage der optomechanischen Komponenten bzw. der Sendeoptik relativ zum inneren Koordinatensystem ist auf vorgebbare Werte einstellbar.
Der genannte äußere und der innere Fixpunkt sind einem vorzugsweise monolithischen Bauteil zugeordnet, einem Monoblock.
Sofern es sich bei dem Messsystem um ein System zur Laser-Triangulation handelt, ist es von Vorteil, wenn die Sendeoptik und die Empfangsoptik auf dem monolithischen Bauteil entsprechend der Fixpunkte justiert angeordnet sind. Das monolithische Bauteil trägt somit die Sendeoptik und die Empfangsoptik, die in einem vorgebbaren Verhältnis zueinander ausgerichtet bzw. justiert sind.
Das Weiteren sei vorausgesetzt, dass die optomechanischen Komponenten in einem Gehäuse angeordneten sind, dass sich nämlich die wesentlichen Bestandteile des Messsystems in einem Gehäuse befinden. In diesem Fall ist dem monolithischen Bauteil eine Doppelfunktion zuzuschreiben. Zum einen dient das monolithische Bauteil als Träger der optomechanischen Komponenten. Zum anderen kann das monolithische Bauteil Teil des Gehäuses sein. Dies begünstig die eindeutige Lage der Koordinatensysteme zueinander und vereinfacht den Aufbau des Messsystems.
Das monolithische Bauteil kann aus Metall präzise gefräst oder gegossen und gegebenenfalls nachgearbeitet sein. Auch ist es denkbar, dass das monolithische Bauteil aus Kunststoff spritzgusstechnisch hergestellt ist, beispielsweise aus faserverstärktem Kunststoff. Das monolithische Bauteil kann auch durch ein additives Verfahren erzeugt werden, beispielsweise durch 3D-Druck.
Das äußere Koordinatensystem und somit die Sensor-Positionierung oder Aufspannung kann mittels mechanischer Mittel ausgerichtet sein. Dazu eignen sind beispielsweise Positionierhülsen, Zentrierstifte, Anschlagkanten, etc. Es handelt sich hier um einfache Mittel zur Positionierung.
Zur Referenzierung des Koordinatensystems der Sendeoptik auf das äußere Koordinatensystem kann eine Justiervorrichtung vorgesehen sein bzw. herangezogen werden. Eine solche Justiervorrichtung stellt einen absoluten Bezug der Position eines Beleuchtungsflecks (x, y, z) zur Aufspannung des äußeren Koordinatensystems her.
Alternativ kann nach Ausmessung der Position eines Beleuchtungsflecks (x, y, z) in unterschiedlichen und absolut definierbaren Abständen die Aufspannung eines Sensors bzw. das äußere Koordinatensystem mechanisch exakt nachgearbeitet werden.
5 zeigt schematisch die Verschmelzung der beiden Koordinatensysteme, nämlich des inneren und des äußeren Koordinatensystems. Es handelt sich eigentlich um die Verschmelzung von äußerem Gehäuseteil und optomechanischem Träger im Innern des Gehäuses. Dabei ist wesentlich, dass die Sensor-Aufspannung bzw. das äußere Koordinatensystem absolut präzise reproduzierbar ist. Dies erfolgt beispielsweise mittels Positionierhülsen, Zentrierstiften, Anschlagskanten, etc.
Das zuvor erörterte erfindungsgemäße Messsystem hat den enormen Vorteil, dass es in der Mehrzahl der Anwendungen keine Einbaulagen-Justage erfordert. Dies reduziert den Wartungsaufwand und macht das System anwenderfreundlich.
Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lehre wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf den allgemeinen Teil der Beschreibung sowie auf die beigefügten Ansprüche verwiesen.
Schließlich sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Lehre lediglich zur Erörterung der beanspruchten Lehre dienen, diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele einschränken.

Claims

Messsystem zur optischen Messung, insbesondere zur Abstands- und/oder Positions- und/oder Geschwindigkeits- und/oder Farbmessung, mit mindestens einem äußeren Fixpunkt, der ein äußeres Koordinatensystem definiert oder darin liegt und mindestens einem inneren Fixpunkt, der ein inneres Koordinatensystem definiert oder darin liegt, wobei die beiden Koordinatensysteme eine eindeutige reproduzierbare Lage zueinander haben, die eine Justage oder Kalibrierung des Systems impliziert.
Messsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Koordinatensysteme identisch sind.
Messsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Koordinatensysteme durch Translation und/oder Rotation und/oder Spiegelung ineinander überführbar sind.
Messsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das innere Koordinatensystem die Lage der optischen Komponenten und/oder der bildgebenden Komponenten und/oder der bildaufnehmenden Komponenten definiert, insbesondere die optische Achse bezüglich Lage und Richtung.
Messsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das äußere Koordinatensystem ein mechanisches Bezugskoordinatensystem ist, welches zum Koordinatensystem der jeweiligen Messapplikation auszurichten ist.
Messsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bildgebende Komponenten mindestens eine optomechanische Lichtquelle im Sinne einer Sendeoptik umfassen.
Messsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bildaufnehmende Komponenten mindestens ein optomechanisches Sensorelement im Sinne einer Empfangsoptik umfassen.
Messsystem nach, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage der optomechanischen Komponenten bzw. der Sendeoptik relativ zum inneren Koordinatensystem auf vorgebbare Werte einstellbar ist.
Messsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere und der innere Fixpunkt einem vorzugsweise monolithischen Bauteil zugeordnet sind.
Messsystem mit einer Sendeoptik und einer Empfangsoptik, vorzugsweise zur Laser-Triangulation, nach einem der Ansprüche 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeoptik und die Empfangsoptik auf dem monolithischen Bauteil entsprechend der Fixpunkte justiert angeordnet sind.
Messsystem nach Anspruch 10, bei dem die optomechanischen Komponenten in einem Gehäuse angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das monolithische Bauteil die Funktion eines Trägers der optomechanischen Komponenten und die Funktion eines Gehäuseteils hat.
Messsystem nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das monolithische Bauteil aus Metall präzise gefräst oder gegossen und ggf. nachgearbeitet ist.
Messsystem nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das monolithische Bauteil aus Kunststoff, ggf. faserverstärkt, spritzgusstechnisch hergestellt ist.
Messsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das äußere Koordinatensystem und somit die Sensor-Positionierung oder Aufspannung mittels mechanischer Mittel, beispielsweise mittels Positionierhülsen, Zentrierstifte, Anschlagkanten, etc., hochgenau ausgerichtet ist.
Messsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zur Referenzierung des Koordinatensystems der Sendeoptik auf das äußere Koordinatensystem eine Justiervorrichtung vorgesehen ist, die einen absoluten Bezug der Position eines Beleuchtungsflecks (x, y, z) zur Aufspannung des äußeren Koordinatensystems herstellt.
Messsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass nach Ausmessung der Position eines Beleuchtungsflecks (x, y, z) in unterschiedlichen und absolut definierbaren Abständen die Aufspannung eines Sensors bzw. das äußere Koordinatensystem mechanisch exakt nachgearbeitet wird.