DE102021212654A1

DE102021212654A1 - Verfahren und Messvorrichtung zum Abmessen eines Objekts unter Verwendung einer Messvorrichtung mit einer Lichtquelle und einer Sensoreinheit, die eine Mehrzahl von Erfassungspixeln aufweist

Info

Publication number: DE102021212654A1
Application number: DE102021212654.5A
Authority: DE
Inventors: Reiner Ramsayer; Meiko Boley
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-11-10
Filing date: 2021-11-10
Publication date: 2023-05-11

Abstract

Der hier vorgestellte Ansatz betrifft ein Verfahren zum Abmessen eines Objekts (108) unter Verwendung einer Messvorrichtung (100) mit einer Lichtquelle (102) und einer Sensoreinheit (104) mit einer Mehrzahl von Erfassungspixeln (105). Das Verfahren umfasst einen Schritt des Ausgebens eines Lichtstrahls (106) an einer ersten Position des Objekts (108), einen Schritt des Erfassens eines Reflexionsstrahls (118) unter Verwendung eines der Erfassungspixel (105), einen Schritt des Bestimmens einer Pixelposition des Erfassungspixels (105), wenn das Erfassungspixel (105) eine Intensitätsänderung detektiert, einen Schritt des Ermittelns eines Höhenwerts des Objekts (108) an der ersten Position unter Verwendung der Pixelposition, wenn die Pixelposition bestimmt wurde, und einen Schritt des Setzens der Höhe des Objekts (108) an der ersten Position. Die Höhe des Objekts (108) wird auf eine Höhe einer der ersten Position vorangegangenen Position gesetzt, wenn keine Pixelposition bestimmt wurde. Die Höhe des Objekts (108) wird auf den Höhenwert gesetzt, wenn die Pixelposition bestimmt wurde.

Description

Stand der Technik
Der Ansatz geht von einem Verfahren und einer Messvorrichtung zum Abmessen eines Objekts unter Verwendung einer Messvorrichtung mit einer Lichtquelle und einer Sensoreinheit, die eine Mehrzahl von Erfassungspixeln aufweist, nach Gattung der unabhängigen Ansprüche aus. Gegenstand des vorliegenden Ansatzes ist auch ein Computerprogramm.
Die DE 10 2015 203 726 A1 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Überprüfen eines Verschlusses zum Verschließen eines Behältnisses.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein verbessertes Verfahren zum Abmessen eines Objekts unter Verwendung einer Messvorrichtung mit einer Lichtquelle und einer Sensoreinheit, die eine Mehrzahl von Erfassungspixeln aufweist, weiterhin eine verbesserte Messvorrichtung, die dieses Verfahren verwendet, sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
Der hier vorgestellte Ansatz bezieht sich auf eine Möglichkeit, um für eine Messvorrichtung eine Datenrate zu reduzieren und zugleich eine Bildqualität der entsprechenden Daten verbessern zu können. Das bedeutet, dass vorteilhafterweise eine Fehleranfälligkeit der Messvorrichtung reduziert wird.
Es wird ein Verfahren zum Abmessen eines Objekts unter Verwendung einer Messvorrichtung mit einer Lichtquelle und einer Sensoreinheit vorgestellt, die eine Mehrzahl von Erfassungspixeln aufweist. Das Verfahren umfasst dabei einen Schritt des Ausgebens eines Lichtstrahls an einer ersten Position des Objekts unter Verwendung der Lichtquelle, einen Schritt des Erfassens eines an einer Oberfläche des Objekts reflektierten, insbesondere diffus reflektierten, Reflexionsstrahls des Lichtstrahls unter Verwendung der Mehrzahl von Erfassungspixeln, einen Schritt des Bestimmens einer Pixelposition eines der Mehrzahl von Erfassungspixeln, wenn das Erfassungspixel im Schritt des Erfassens eine Intensitätsänderung detektiert, einen Schritt des Ermittelns eines Höhenwerts des Objekts an der ersten Position unter Verwendung der Pixelposition, wenn im Schritt des Bestimmens die Pixelposition bestimmt wird und einen Schritt des Setzens der Höhe des Objekts an der ersten Position, wobei die Höhe des Objekts auf eine Höhe einer der ersten Position vorangegangenen Position gesetzt wird, wenn im Schritt des Bestimmens keine Pixelposition bestimmt wird. Weiterhin wird im Schritt des Setzens die Höhe des Objekts auf den Höhenwert gesetzt, wenn im Schritt des Bestimmens die Pixelposition bestimmt wird.
Das Verfahren kann vorteilhafterweise in einer Messvorrichtung eingesetzt werden, deren Lichtquelle beispielsweise als eine Laserdiode ausgeformt sein kann. Die Messvorrichtung kann beispielsweise für eine industrielle Fertigung von Bauteilen, beispielsweise für Fließbandprozesse oder bei Schweißverbindungen, oder aber in der Automobilbranche eingesetzt werden. Die Sensoreinheit kann beispielsweise als eine Kamera realisiert sein, die schräg zu der Lichtquelle angeordnet sein kann. Die Erfassungspixel können beispielsweise gitterartig angeordnet sein und dadurch eine Erfassungsfläche ausformen. Jedes der Erfassungspixel kann dabei beispielsweise als ein eigenes Sensorelement ausgeformt sein. Im Schritt des Ausgebens kann entsprechend der Lichtquelle der Lichtstrahl beispielsweise als Laserstrahl ausgegeben werden, der beispielsweise an der Oberfläche des Objekts reflektiert werden kann. Die erste Position kann dabei beispielsweise als eine Position der Messvorrichtung über dem Objekt realisiert sein. Genauer gesagt kann die Messvorrichtung derart angeordnet werden, dass der Lichtstrahl im Wesentlichen senkrecht auf die Oberfläche des Objekts trifft. Vorteilhafterweise ist der Höhenwert mit der Pixelposition von einem der Erfassungspixel gekoppelt, auf den beispielsweise der Reflexionsstrahl trifft, da beispielsweise jeder der Erfassungspixel einem vorgegebenen Wert zugeordnet sein kann. Durch eine Veränderung der Position, an welcher der Lichtstrahl reflektiert wird, kann sich auch die Position verändern, an der der Reflexionsstrahl auf die Sensoreinheit trifft. Durch das Verfahren kann anders ausgedrückt das Objekt gescannt werden und dabei vorteilhafterweise eine Datenmenge der erfassten Messdaten reduziert werden, da nur die bestimmten Pixelpositionen, die eine Änderung gegenüber zuvor bestimmten Pixelpositionen aufweisen, für das Verfahren genutzt und beispielsweise gespeichert werden können.
Gemäß einer Ausführungsform kann im Schritt des Ausgebens der Lichtstrahl als Laserlinie ausgegeben werden. Vorteilhafterweise kann der Lichtstrahl demnach linienartig über das Objekt streichen, sodass dieses vollständig abgetastet werden kann. Dadurch können beispielsweise Unebenheiten, Kanten oder beispielsweise besondere Ausformungen des Objekts erfasst werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann im Schritt des Ermittelns die Höhe des Objekts an der ersten Position auf eine Referenzhöhe gesetzt werden, wenn im Schritt des Bestimmens keine Pixelposition bestimmt wird und keine Höhe einer der ersten Position vorangegangenen Position vorhanden ist. Das bedeutet, dass beispielsweise der ersten Position nachfolgende Positionen in einem weiteren Verlauf mit der Referenzhöhe verglichen oder in Korrelation damit gesetzt werden kann. Vorteilhafterweise kann die Referenzhöhe beispielsweise auf eine ebene Fläche auf dem Objekt oder beispielsweise eine Ablagefläche hindeuten, auf der das Objekt liegt.
Das Verfahren kann einen Schritt des Eintragens der Höhe des Objekts an der ersten Position in ein Höhenprofil des Objekts umfassen. Durch das Höhenprofil kann vorteilhafterweise die Geometrie des Objekts rekonstruiert werden.
Beispielsweise kann das Höhenprofil in Verbindung mit 3D-Druckern realisiert werden, um beispielsweise eine Kopie des Objekts herstellen zu können. Alternativ kann das Höhenprofil für digitale Anwendungen genutzt werden.
Gemäß einer Ausführungsform können die Schritte des Verfahrens wiederholt ausgeführt werden, wobei im Schritt des Ausgebens der Lichtstrahl in einer der ersten Position nachfolgenden zweiten Position des Objekts unter Verwendung der Lichtquelle ausgegeben werden kann, und wobei im Schritt des Ermittelns ein Höhenwert des Objekts an der zweiten Position unter Verwendung der im wiederholten Schritt des Bestimmens bestimmten Pixelposition ermittelt werden kann, wenn im wiederholten Schritt des Bestimmens die Pixelposition bestimmt wird. In einem wiederholten Schritt des Setzens kann die Höhe des Objekts an der zweiten Position auf die Höhe der ersten Position gesetzt werden, wenn im wiederholt ausgeführten Schritt des Bestimmens keine Pixelposition bestimmt wird. Weiterhin kann die Höhe des Objekts auf den Höhenwert gesetzt werden, wenn im wiederholt ausgeführten Schritt des Bestimmens die Pixelposition bestimmt werden kann. Vorteilhafterweise können Veränderungen der Geometrie des Objekts dadurch stets erfasst und beispielsweise auch gespeichert werden, die für eine Rekonstruktion des Objekts notwendig sein können. Um vorteilhafterweise eine Datenmenge zu reduzieren, können demnach markante Veränderungen der Oberfläche des Objekts gespeichert werden und so lange als Referenz fungieren, bis die Erfassungspixel erneut eine Veränderung erfassen. Dazu können die Schritte des Verfahrens fortlaufend wiederholt werden.
Ferner kann das Verfahren einen Schritt des Führens der Messvorrichtung oder des Objekts entlang einer vorbestimmten Bahn umfassen, um eine vollständige Geometrie des Objekts erfassen zu können, wobei der Schritt des Führens zwischen den Schritten des Ausgebens durchgeführt werden kann. Das bedeutet, dass die Messvorrichtung oder das Objekt beweglich angeordnet sein kann. Die entsprechende Bahn, entlang der die Messvorrichtung oder das Objekt bewegt wird, kann beispielsweise vorgegeben sein. Vorteilhafterweise kann dadurch erreicht werden, dass das Objekt vollständig erfasst wird. Vorteilhafterweise ist der entsprechend andere Teil nicht beweglich ausgeformt, um beispielsweise ein versehentliches Verschieben zu vermeiden und dadurch Fehlerquellen auszuschließen.
Ferner wird eine Messvorrichtung mit einer Lichtquelle und einer Sensoreinheit vorgestellt, die eine Mehrzahl von Erfassungspixeln aufweist, wobei die Messvorrichtung eingerichtet ist, um die Schritte des Verfahrens in einer zuvor genannten Variante in entsprechenden Einheiten auszuführen und zusätzlich oder alternativ anzusteuern.
Die Messvorrichtung kann ausgebildet sein, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante des Ansatzes in Form einer Vorrichtung kann die dem Ansatz zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden. Hierzu kann die vereinfacht auch als Vorrichtung bezeichnete Messvorrichtung zumindest eine Recheneinheit zum Verarbeiten von Signalen oder Daten, zumindest eine Speichereinheit zum Speichern von Signalen oder Daten, zumindest eine Schnittstelle zu einem Sensor oder einem Aktor zum Einlesen von Sensorsignalen von dem Sensor oder zum Ausgeben von Daten- oder Steuersignalen an den Aktor und/oder zumindest eine Kommunikationsschnittstelle zum Einlesen oder Ausgeben von Daten aufweisen, die in ein Kommunikationsprotokoll eingebettet sind. Die Recheneinheit kann beispielsweise ein Signalprozessor, ein Mikrocontroller oder dergleichen sein, wobei die Speichereinheit ein Flash-Speicher, ein EEPROM oder eine magnetische Speichereinheit sein kann. Die Kommunikationsschnittstelle kann ausgebildet sein, um Daten drahtlos und/oder leitungsgebunden einzulesen oder auszugeben, wobei eine Kommunikationsschnittstelle, die leitungsgebundene Daten einlesen oder ausgeben kann, diese Daten beispielsweise elektrisch oder optisch aus einer entsprechenden Datenübertragungsleitung einlesen oder in eine entsprechende Datenübertragungsleitung ausgeben kann.
Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Sensoreinheit als eine eventbasierte Kamera ausgeformt sein, die ausgebildet ist, um die Schritte des Erfassens und des Bestimmens durchzuführen. Vorteilhafterweise können die Schritte des Erfassens und des Bestimmens zeitgleich oder zeitlich nacheinander durchgeführt werden. Durch ein zeitgleiches Ausführen der Schritte kann vorteilhafterweise eine Messdauer reduziert werden.
Weiterhin kann die Sensoreinheit als eine eventbasierte Kamera ausgeformt sein, die ausgebildet ist, um den Schritt des Ermittelns durchzuführen. Vorteilhafterweise kann entsprechend die Kamera die Logik, das bedeutet eine Steuereinheit der Messvorrichtung aufweisen.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
Ausführungsbeispiele des hier vorgestellten Ansatzes sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:

1 eine schematische Darstellung einer Messvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Verlaufs eines erfassten Reflexionsstrahls;
3 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Objekts;
4 eine Diagrammdarstellung eines Ausführungsbeispiels für eine eventbasierte Lasertriangulation;
5 eine Diagrammdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines rekonstruierten Höhenprofils;
6 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel zum Abmessen eines Objekts unter Verwendung einer Messvorrichtung; und
7 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Abmessen eines Objekts unter Verwendung einer Messvorrichtung.

In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele des vorliegenden Ansatzes werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Messvorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Messvorrichtung 100 weist eine Lichtquelle 102 und eine Sensoreinheit 104 mit einer Mehrzahl von Erfassungspixeln 105 auf. Die Lichtquelle 102 ist beispielsweise als eine Laserdiode realisiert oder realisierbar, die ausgebildet ist, um einen Lichtstrahl 106, beispielsweise einen Laserstrahl, auszugeben. Die Messvorrichtung 100 ist dabei ausgebildet, um die Schritte eines Verfahrens zum Abmessen eines Objekts 108 anzusteuern oder durchzuführen, wie es in mindestens einer der nachfolgenden Figuren näher beschrieben ist.
Dazu weist die Messvorrichtung 100 lediglich optional eine Steuereinheit 110 auf, die beispielsweise einzelne Schritte des Verfahrens ansteuert. Diese Steuereinheit 110 ist beispielsweise in der Lichtquelle 102, in der Sensoreinheit 104 oder alternativ extern der Lichtquelle 102 und der Sensoreinheit 104 realisiert, wie es in 1 der Fall ist. Beispielsweise steuert die Steuereinheit 110 die Lichtquelle 102 unter Verwendung eines Lichtsignals 112 an und wertet von der Sensoreinheit 104 erfasste Sensordaten 114 aus. Die Sensoreinheit 104 ist entsprechend als eine eventbasierte Kamera realisiert oder realisierbar, die beispielsweise eine eventbasierte Lasertriangulation ermöglicht.
Die Lichtquelle 102 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel im Wesentlichen senkrecht über dem Objekt 108 angeordnet, sodass der Lichtstrahl 106 ebenfalls senkrecht auf eine Oberfläche 116 des Objekts 108 trifft. Die Lichtquelle 102 ist beispielsweise derart ausgeformt, um eine Laserlinie auf das Objekt 108 auszugeben. Das bedeutet, dass der Lichtstrahl 106 als Laserlinie ausgegeben wird, die beispielsweise quer entlang der Oberfläche 116 auf die Oberfläche 116 trifft. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird der Lichtstrahl 106 als Reflexionsstrahl 118 an der Oberfläche 116 des Objekts 108 in Richtung der Sensoreinheit 104 reflektiert, die den Reflexionsstrahl 118 unter Verwendung der Erfassungspixel 105 erfasst. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind die Lichtquelle 102 und die Sensoreinheit 104 in einem bestimmten Winkel zueinander angeordnet.
Die Sensoreinheit 104 umfasst pixelbasierte Detektoren. Im Bereich der Lasertriangulation werden solche pixelbasierte Detektoren, welche unter einem Winkel zu dem Lichtstrahl 106 auf das auch als Werkstück bezeichnete Objekt 108 gerichtet sind, verwendet, um eine Verschiebung des Objekts 108 über einer Oberflächenhöhe der Oberfläche 116 zu erfassen. Dabei werden üblicherweise alle Pixel des Kamerachips ausgelesen, da unbekannt ist, auf welchen Pixeln die Abbildung des Lichtstrahls 106 der Laserlinie abgebildet wird. Dies beschränkt eine maximale Abtastrate auf die maximale Framerate der verwendeten Sensoreinheit 104 sowie eine Übertragungsrate des verwendeten Standards.
Vor diesem Hintergrund beschreibt der hier vorgestellte Ansatz die auch als Lasertriangulationssensor bezeichnete Messvorrichtung 100, welche die Lichtquelle 102 und die eventbasierte Kamera, das bedeutet die Sensoreinheit 104, aufweist. Die Sensoreinheit 104 zeichnet sich dadurch aus, dass ein Erfassungspixel 105, der im Folgenden vereinfacht auch als Pixel bezeichnet wird, nur dann ein Event generiert, wenn sich die Helligkeit mindestens um einen eingestellten Wert ändert. Dadurch werden stets nur die Pixel erfasst, bei denen sich etwas ändert. Dadurch ergibt sich eine extrem geringe Datenrate. Da von der Sensoreinheit 104 nur Events in einem Stream mit Ort- und Zeitangabe (xzt) generiert werden, werden diese anders als konventionelle Kamerabilder verarbeitet, wie es in einer der nachfolgenden Figuren näher erläutert ist.
Die Messvorrichtung 100 ist gemäß einem Ausführungsbeispiel beispielsweise im Bereich der industriellen Fertigung von Bauteilen oder beispielsweise in der Verkehrsindustrie einsetzbar. Im Bereich der industriellen Fertigung wird die Messvorrichtung 100 beispielsweise für Fließbandprozesse eingesetzt, bei denen Bauteile in hoher Geschwindigkeit sehr genau vermessen werden müssen oder wenn innerhalb eines schnellen Prozesses einzelne Prozesssequenzen oder - bereiche sehr schnell und hochaufgelöst vermessen werden müssen. Insbesondere bei Bauteilen, die sich sehr lokal aber an verschiedenen Stellen in der Höhe ändern können, ist die durch den vorgestellten Ansatz sehr hohe Abtastrate vorteilhaft. Weiterhin ist die Messvorrichtung 100 beispielsweise für Laserstrahlschweißprozesse zur Kantenfindung mit hoher Geschwindigkeit und Präzision einsetzbar. In Verbindung mit der Verkehrsindustrie wird die Messvorrichtung 100 beispielsweise zum Vermessen einer Straße vor einem Fahrzeug und zum Einstellen von Dämpfern und/oder einer Federung des Fahrzeugs einsetzbar.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Verlaufs 200 eines erfassten Reflexionsstrahls. Der Verlauf 104 wird beispielsweise von einer Messvorrichtung, genauer gesagt von einer Sensoreinheit, erfasst, wie sie in 1 beschrieben wurde. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist ein lediglich beispielhaftes Kamerabild einer Lasertriangulation dargestellt, das eine Laserlinie 202 des Reflexionsstrahls zeigt. Im Falle einer eventbasierten Kamera hieße das, dass die Erfassungspixel 105 der Sensoreinheit durchgehend veränderte Pixelpositionen erfassen. Anhand der Laserlinie 202 ist beispielsweise ein Höhenprofil des Objekts rekonstruierbar.
In anderen Worten ausgedrückt ist eine Nutzung einer eventbasierten Kamera insbesondere hinsichtlich Geschwindigkeit und Präzision durch Vermeidung von unscharfen Bildbereichen infolge der Belichtungszeiten herkömmlicher Kameras vorteilhaft. Ebenso lässt sich der hohe Dynamikbereich der Eventkameras vorteilhaft nutzen. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist ein beispielhaftes Bild dargestellt, das bei der Lasertriangulation mit der Laserlinie 202 entstanden ist. Der größte Teil des Bildes ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel schwarz abgebildet und nur eine dünne Linie, welche die Laserlinie 202 repräsentiert, ist hell und enthält Informationen. Zum Verdeutlichen des hier vorgestellten Ansatzes gegenüber konventioneller Technik werden lediglich beispielhaft folgende Annahmen für die konventionelle Technik getroffen:

Der Sensor umfasst beispielsweise 1000 x 1000 Pixel mit 8 bit, weist eine Bildgröße von 1 MB pro Bild auf sowie eine Datenrate von 680 MB/s. Ein Dynamikbereich beträgt zwischen ~40 und 50 dB, sodass der Sensor dabei eine maximale Framerate von 680 Hz aufweist.

Das bedeutet, dass der Sensor bei der Verwendung des Industriestandards nicht mit mehr als 680 Hz betrieben werden kann. Anschließend werden diese Daten verarbeitet, wozu eine spezialisierte Hardware (FPGA) zum Einsatz kommt, welche die Daten schnell verarbeiten kann und aus den 1000x1000 Pixel jene Daten extrahiert, die Informationen beinhalten. Wird dagegen eine Sensoreinheit als eventbasierte Kamera verwendet, wie sie beispielhaft in 1 beschrieben wurde, müssen nur diejenigen Pixel übertragen werden, die Informationen beinhalten. Für die Sensoreinheit, werden daher folgende beispielhafte Annahmen getroffen:

Der Sensor umfasst beispielsweise 1000 x 1000 Pixel mit 32 bit pro Event und weist als Dimensionen der Laserlinie auf dem Chip als Höhe 3 Px und als Breite 1000 Px auf. Dabei ändert die gesamte Linie die Höhe. Ein Dynamikbereich beträgt dabei mehr als 100 dB, sodass eine Datenmenge auf 12 kB pro Linie begrenzt sowie eine Datenrate für beispielsweise USB2 60 MB/s beträgt. Daraus folgt, dass die maximale Framerate beispielsweise bei 5 kHz liegt.

Da sich in der Regel nicht die gesamte Laserlinie 202 in der Höhe bewegt, sondern nur ein Bruchteil, lassen sich noch wesentlich höhere Geschwindigkeiten erreichen. Ändert sich beispielsweise nur ein Fünftel, lassen sich theoretisch 25 kHz bei einer Verbindung über USB 2.0 beziehungsweise über 200 kHz bei USB 3.0 erreichen. Hinzu kommt die Möglichkeit, die Laserlinie 202 direkt auf der Sensoreinheit auszuwerten, da diese in der Regel als intelligente Kamera ausgeführt wird. Hier skaliert die Geschwindigkeit mit der gewünschten Präzision, beispielsweise ergeben 1000 px breit bei 16 Bit z-Auflösung 2 kB pro Laserlinie 202. Damit lassen sich über USB 2.0 Laserlinien 202 mit 30 kHz und mit USB 3.0 mit 240 kHz verschicken.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Objekts 108. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist das Objekt 108 auf einer Aufnahmeplatte 300 angeordnet, die beispielsweise mit der Messvorrichtung verbunden ist, wie sie in 1 beschrieben wurde. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind vier aufeinanderfolgende Zeitpunkte t₁ bis t₄ verdeutlicht, an denen der Lichtstrahl auf das Objekt 108 und/oder die Aufnahmeplatte 300 trifft. Beispielsweise wird die Messvorrichtung in einer fließenden Bewegung über das Objekt 108 geführt, um eine Geometrie des Objekts 108 zu erfassen. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist mindestens eine Laserlinie 202 dargestellt, die entsprechend der Form des Objekts 108 verläuft. Der Lichtstrahl trifft dabei im Zeitpunkt t₁ auf die Aufnahmeplatte 300, auf der das Objekt 108 nicht angeordnet ist, sodass die Laserlinie 202 geradlinig auf der Aufnahmeplatte 300 sichtbar ist. Entsprechende Werte werden dabei beispielsweise als Referenzwerte hinterlegt. Im Zeitpunkt t₂ hingegen wurde das Objekt 108 bereits erfasst, sodass der in Richtung der Aufnahmeplatte 300 gerichtete Lichtstrahl verglichen mit der in t₁ erfassten Laserlinie 202 eine unebene Laserlinie 202 formt. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist eine Mehrzahl von Höhenwerten 302 gekennzeichnet, die eine erstmalige Veränderung der Laserlinie 202 symbolisieren. Diese Höhenwerte 302 werden beispielsweise jeweils für einen Abschnitt 303, in dem die Veränderung auftritt, gespeichert und als neue und/oder erweiterte Referenzwerte für den entsprechenden Abschnitt 303 hinterlegt, bis in diesem Abschnitt 303 eine erneute Veränderung des Höhenwerts 302 erfasst wird, der beispielsweise auch als Höhenposition bezeichnet wird. Zusätzlich werden die Referenzwerte ergänzt, wenn sich die Geometrie des Objekts 108 in anderen Abschnitten 303 verändert, wie es gemäß diesem Ausführungsbeispiel lediglich beispielhaft zwischen den Zeitpunkten t₂ und t₃ der Fall ist. Ab dem Zeitpunkt, ab dem weitere Höhenwerte 304 erfasst werden, werden diese ebenfalls mindestens so lange als Referenzwerte gespeichert, bis eine erneute Veränderung der Geometrie des Objekts 108 erfasst wird.
Anders ausgedrückt werden unabhängig von einer Wiederholrate an jedem Höhenwert 302 des Objekts 108 so genannte Events generiert, an dem sich die Laserlinie 202 verschiebt. Dazu wird gemäß diesem Ausführungsbeispiel die eventbasierte Kamera in einer bekannten Bahn über das Werkstück, das bedeutet das Objekt 108, geführt und dabei die Position und die Events aufgezeichnet. Anschließend oder auch schon währenddessen werden die Events auf ein globales Koordinatensystem übertragen. Da nur Änderungen im Höhenwert 302 Events auslösen, müssen die auch als z-Positionen bezeichnete Höhenwerte 302 extrapoliert werden und je nach dem vorherigen Zustand in dieser Spalte entschieden werden. Anschließend kann daraus die Gesamtgeometrie des Bauteils ermittelt werden.
4 zeigt eine Diagrammdarstellung eines Ausführungsbeispiels für eine eventbasierte Lasertriangulation. Dabei kann es sich um ein Diagramm 400 handeln, in das die Höhenwerte 302 eines Objekts übertragen wurden, wie sie in 3 beschrieben wurden. Das Diagramm 400 ist als ein dreidimensionales Koordinatensystem dargestellt. Anhand der eingetragenen Höhenwerte 302, die jeweils eine Höhe des Objekts an einer bestimmten Stelle repräsentieren, ist es möglich, ein Höhenprofil des Objekts zu ermitteln und/oder zu rekonstruieren.
Die Achsen x, y, z des Diagramms 400 repräsentieren dabei die Länge, Breite und die Höhe des Objekts. Die y-Achse repräsentiert weiterhin die fortschreitende Zeit t und entsprechende Erfassungszeitpunkte, wie sie beispielsweise in 3 beschrieben wurden.
5 zeigt eine Diagrammdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines rekonstruierten Höhenprofils 500. Das Diagramm stellt dabei ein beispielhaftes Höhenprofil 500 dar, das lediglich optional die in 4 beschriebenen Höhenwerte 302 umfasst. Die y-Achse repräsentiert dabei beispielsweise eine Länge des Objekts sowie die Zeit t. Die z-Achse repräsentiert eine Höhe des Objekts.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist das Höhenprofil 500 derart dargestellt, dass die einzelnen Höhenwerte 302 miteinander verbunden sind. Dabei wird jeweils davon ausgegangen, dass die Höhenwerte 302 jeweils eine Veränderung der Höhe des Objekts anzeigen. Das bedeutet, dass eine Extrapolation der z-Koordinate vom letzten bekannten Event durchgeführt wird. Dabei liegt die z-Koordinate an einem bestimmten Ort zunächst nicht überall vor und muss daher ermittelt werden. Dazu wird das letzte bekannte Event betrachtet und auf den aktuell betrachteten Ort extrapoliert. Dies ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel für einen Ort entlang der x-Achse dargestellt. Das gleiche Vorgehen gilt auch für jeden weiteren x-Ort.
6 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 600 gemäß einem Ausführungsbeispiel zum Abmessen eines Objekts unter Verwendung einer Messvorrichtung mit einer Lichtquelle und einer Sensoreinheit, die eine Mehrzahl von Erfassungspixeln aufweist. Das Verfahren 600 ist dabei in oder für eine Messvorrichtung realisierbar, wie sie beispielsweise in 1 beschrieben wurde. Das Verfahren 600 ist weiterhin ausgebildet, um ein Objekt abzumessen, wie es in den 3 bis 5 beschrieben wurde. Das Verfahren 600 umfasst dabei einen Schritt 602 des Ausgebens, einen Schritt 604 des Erfassens, einen Schritt 606 des Bestimmens, einen Schritt 608 des Ermittelns sowie einen Schritt 610 des Setzens.
Im Schritt 602 des Ausgebens wird ein Lichtstrahl, beispielsweise ein Laserstrahl, an einer ersten Position des Objekts unter Verwendung der Lichtquelle ausgegeben. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird der Lichtstrahl dabei als eine Laserlinie ausgegeben. Die erste Position beschreibt beispielsweise eine Position der Messvorrichtung über dem Objekt. Im Schritt 604 des Erfassens wird ein an einer Oberfläche des Objekts reflektierten Reflexionsstrahls des Lichtstrahls unter Verwendung der Mehrzahl von Erfassungspixeln erfasst. Weiterhin wird im Schritt 606 des Bestimmens eine Pixelposition eines der Mehrzahl von Erfassungspixeln bestimmt, wenn das Erfassungspixel im Schritt des Erfassens eine Intensitätsänderung detektiert. Im Schritt 608 des Ermittelns wird ein Höhenwert des Objekts an der ersten Position unter Verwendung der Pixelposition ermittelt, wenn im Schritt 606 des Bestimmens die Pixelposition bestimmt wird. Der Höhenwert ist beispielsweise auch als Höhenposition bezeichnet. Im Schritt 610 des Setzens wird die Höhe des Objekts an der ersten Position gesetzt. Die Höhe des Objekts wird dabei auf eine Höhe einer der ersten Position vorangegangenen Position gesetzt, wenn im Schritt 606 des Bestimmens keine Pixelposition bestimmt wird. Die Höhe des Objekts wird dagegen auf den Höhenwert gesetzt, wenn im Schritt des Bestimmens die Pixelposition bestimmt wird.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird im Schritt 608 des Ermittelns die Höhe des Objekts an der ersten Position auf eine Referenzhöhe gesetzt, wenn im Schritt 606 des Bestimmens keine Pixelposition bestimmt wird und keine Höhe einer der ersten Position vorangegangenen Position vorhanden ist. Das Verfahren 600 umfasst lediglich optional einen Schritt 612 des Eintragens der Höhe des Objekts an der ersten Position in ein Höhenprofil des Objekts, um beispielsweise die Geometrie des Objekts zu rekonstruieren.
Lediglich optional werden die Schritte 602, 604, 606, 608, 610 und/oder 612 des Verfahrens 600 wiederholt ausgeführt. Dabei wird im Schritt 602 des Ausgebens der Lichtstrahl an einer der ersten Position nachfolgenden zweiten Position des Objekts unter Verwendung der Lichtquelle ausgegeben. Im Schritt 608 des Ermittelns wird ein Höhenwert des Objekts an der zweiten Position unter Verwendung der im wiederholten Schritt 606 des Bestimmens bestimmten Pixelposition ermittelt, wenn im wiederholten Schritt 606 des Bestimmens die Pixelposition bestimmt wird. In einem wiederholten Schritt 610 des Setzens wird die Höhe des Objekts an der zweiten Position auf die Höhe der ersten Position gesetzt, wenn im wiederholt ausgeführten Schritt 606 des Bestimmens keine Pixelposition bestimmt wird. Die Höhe des Objekts wird wiederum auf den Höhenwert gesetzt, wenn im wiederholt ausgeführten Schritt 606 des Bestimmens die Pixelposition bestimmt wird. Das bedeutet, dass die wiederholten Schritte analog zu einer ersten Ausführung der Schritte durchgeführt werden. Lediglich die Position der Messvorrichtung über dem Objekt ist in diesem Fall abweichend.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren 600 weiterhin optional einen Schritt 614 des Führens der Messvorrichtung oder des Objekts entlang einer vorbestimmten Bahn, um eine vollständige Geometrie des Objekts zu erfassen. Dabei wird der Schritt 614 des Führens zwischen den Schritten 602 des Ausgebens durchgeführt.
Die hier vorgestellten Verfahrensschritte können wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
7 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens 600 zum Abmessen eines Objekts unter Verwendung einer Messvorrichtung. Das Verfahren 600 entspricht oder ähnelt mindestens beispielsweise dem in 6 beschriebenen Verfahren. Lediglich ist das Verfahren 600 gemäß diesem Ausführungsbeispiel als Flussdiagramm einer Event-Triangulation dargestellt und beschrieben.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird zunächst die Messvorrichtung gemeinsam mit der Laserlinie in einer bekannten Bahn über das Objekt geführt, was dem in 6 beschriebenen Schritt 614 des Führens entspricht. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird während der Lichtstrahl ausgegeben wird die Bahnposition, die auch als erste Position der Messvorrichtung beschrieben wurde, erfasst. Parallel dazu werden der Schritt 604 des Erfassens und der Schritt 606 des Bestimmens durchgeführt, wodurch eine Aufnahme des Events bewirkt wird. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel folgt darauf ein so genanntes Mapping der Event in einem globalen Koordinatensystem, was in 6 im Schritt 608 des Ermittelns des Höhenwerts des Objekts an der ersten Position unter Verwendung der Pixelposition, wenn im Schritt des Bestimmens die Pixelposition bestimmt wird, beschrieben wurde. Der Schritt 610 des Setzens unterteilt sich gemäß diesem Ausführungsbeispiel in eine Mehrzahl von Teilschritten. In einem ersten Teilschritt 700 wird dabei eine Beurteilung der Spalten oder Zeilen zum Zeitpunkt tj durchgeführt. Durch diese Beurteilung wird eine nachfolgende Herangehensweise unterschieden. Beispielsweise wird in einem zweiten Teilschritt 702 demnach die Höhe des Objekts an der ersten Position auf eine Referenzhöhe gesetzt, wenn keine Pixelposition bestimmt wurde und keine Höhe einer der ersten Position vorangegangenen Position vorhanden ist. Das bedeutet, dass im zweiten Teilschritt 702 eine erste Referenzposition gesetzt wird. In einem dritten Teilschritt 704 wird die letzte Referenzposition behalten, wenn kein Event in der Spalte erfasst wurde. In einem vierten Teilschritt 706 erfolgt eine Aktualisierung der z-Position, das bedeutet des Höhenwerts, ab dem Bahnort, der beispielsweise auch als zweite Position beschrieben wurde, wenn in derselben Spalte ein weiteres Event erfasst wurde. Nach dem Schritt 610 des Setzens wird auch gemäß diesem Ausführungsbeispiel die Geometrie des Objekts rekonstruiert, wie es in 6 als Schritt 612 des Eintragens der Höhe des Objekts an der ersten Position in ein Höhenprofil beschrieben wurde.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015203726 A1 [0002]

Claims

Verfahren (600) zum Abmessen eines Objekts (108) unter Verwendung einer Messvorrichtung (100) mit einer Lichtquelle (102) und einer Sensoreinheit (104), die eine Mehrzahl von Erfassungspixeln (105) aufweist, wobei das Verfahren (600) die folgenden Schritte umfasst: Ausgeben (602) eines Lichtstrahls (106) an einer ersten Position des Objekts (108) unter Verwendung der Lichtquelle (102); Erfassen (604) eines an einer Oberfläche (116) des Objekts (108) reflektierten Reflexionsstrahls (118) des Lichtstrahls (106) unter Verwendung der Mehrzahl von Erfassungspixeln (105); Bestimmen (606) einer Pixelposition eines der Mehrzahl von Erfassungspixeln (105), wenn das Erfassungspixel (105) im Schritt (604) des Erfassens eine Intensitätsänderung detektiert; Ermitteln (608) eines Höhenwerts (302) des Objekts (108) an der ersten Position unter Verwendung der Pixelposition, wenn im Schritt (606) des Bestimmens die Pixelposition bestimmt wird; und Setzen (610) der Höhe des Objekts (108) an der ersten Position, wobei die Höhe des Objekts (108) auf eine Höhe einer der ersten Position vorangegangenen Position gesetzt wird, wenn im Schritt (606) des Bestimmens keine Pixelposition bestimmt wird, und wobei die Höhe des Objekts (108) auf den Höhenwert (302) gesetzt wird, wenn im Schritt (606) des Bestimmens die Pixelposition bestimmt wird.
Verfahren (600) gemäß Anspruch 1, wobei im Schritt (602) des Ausgebens der Lichtstrahl (106) als Laserlinie (202) ausgegeben wird.
Verfahren (600) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei im Schritt (608) des Ermittelns die Höhe des Objekts (108) an der ersten Position auf eine Referenzhöhe gesetzt wird, wenn im Schritt (606) des Bestimmens keine Pixelposition bestimmt wird und keine Höhe einer der ersten Position vorangegangenen Position vorhanden ist.
Verfahren (600) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einem Schritt (612) des Eintragens der Höhe des Objekts (108) an der ersten Position in ein Höhenprofil (500) des Objekts (108).
Verfahren (600) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Schritte (602, 604, 606, 608, 610) des Verfahrens (600) wiederholt ausgeführt werden, wobei im Schritt (602) des Ausgebens der Lichtstrahl (106) an einer der ersten Position nachfolgenden zweiten Position des Objekts (108) unter Verwendung der Lichtquelle (102) ausgegeben wird, und wobei im Schritt (608) des Ermittelns ein Höhenwert (302) des Objekts (108) an der zweiten Position unter Verwendung der im wiederholten Schritt (606) des Bestimmens bestimmten Pixelposition ermittelt wird, wenn im wiederholten Schritt (606) des Bestimmens die Pixelposition bestimmt wird, und wobei in einem wiederholten Schritt (610) des Setzens die Höhe des Objekts (108) an der zweiten Position auf die Höhe der ersten Position gesetzt wird, wenn im wiederholt ausgeführten Schritt (606) des Bestimmens keine Pixelposition bestimmt wird, und wobei die Höhe des Objekts (108) auf den Höhenwert (302) gesetzt wird, wenn im wiederholt ausgeführten Schritt (606) des Bestimmens die Pixelposition bestimmt wird.
Verfahren (600) gemäß Anspruch 5, mit einem Schritt (614) des Führens der Messvorrichtung (100) oder des Objekts (108) entlang einer vorbestimmten Bahn, um eine vollständige Geometrie des Objekts (108) zu erfassen, wobei der Schritt (614) des Führens zwischen den Schritten (602) des Ausgebens durchgeführt wird.
Messvorrichtung (100) mit einer Lichtquelle (102) und einer Sensoreinheit (104), die eine Mehrzahl von Erfassungspixeln (105) aufweist, wobei die Messvorrichtung (100) eingerichtet ist, um die Schritte (602, 604, 606, 608, 610) des Verfahrens (600) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche in entsprechenden Einheiten auszuführen und/oder anzusteuern.
Messvorrichtung (100) gemäß Anspruch 7, wobei die Sensoreinheit (104) als eine eventbasierte Kamera ausgeformt ist, die ausgebildet ist, um den Schritt (604) des Erfassens und den Schritt (606) des Bestimmens durchzuführen.
Messvorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 8, wobei die Sensoreinheit (104) als eine eventbasierte Kamera ausgeformt ist, die ausgebildet ist, um den Schritt (608) des Ermittelns durchzuführen.
Computerprogramm, das dazu eingerichtet ist, die Schritte (602, 604, 606, 608, 610) des Verfahrens (600) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 auszuführen und/oder anzusteuern.
Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 10 gespeichert ist.