DE102022114088A1 - Method, computer program product and measuring system for operating at least one triangulation laser scanner for measuring surface coordinates of a workpiece to be measured - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren 40, ein Computerprogrammprodukt und ein Messsystems 18 zur Messung von Oberflächenkoordinaten eines zu vermessenden Werkstücks 7, wobei das Verfahren 40 folgende Schritte umfasst:• Bereitstellen 42 mindestens eines Triangulations-Laserscanners 1 mit einem Sensorchip 11, einer Abbildungsoptik 9, und einer Laserlinien-Lichtquelle 3 zur Erzeugung einer Laserlinie 16 auf dem zu vermessenden Werkstück 7;• Bereitstellen 44 eines Werkstücks 7, dessen zu vermessende Oberfläche mindestens einen Bereich 15 mit optisch transparentem Material aufweist;• Erfassen 50 der Oberfläche des mindestens einen Bereichs 15 des zu vermessenden Werkstücks 7 mittels des mindestens einen Triangulations-Laserscanners 1 durch Relativbewegung des mindestens einen Triangulations-Laserscanners 1 zu dem zu vermessenden Werkstück 7 oder umgekehrt, wodurch wenigstens ein Teil der Oberfläche des mindestens einen Bereichs 15 des Werkstücks 7 mit der Laserlinie 16 überstrichen und hierbei zwei laterale Ist-Positionen der Bildpunkte 16* der Laserlinie 16 auf dem Sensorchip 11 erfasst werden;• Erzeugen 54 von Oberflächenkoordinaten des mindestens einen Bereichs 15 des zu vermessenden Werkstücks 7 anhand der auf dem Sensorchip 11 erfassten Bildpunkte 16* der Laserlinie 16 mittels mindestens einer Auswerteeinheit 30, wobei die Oberflächenkoordinaten anhand der lateralen Ablage einer der beiden erfassten Ist-Positionen der Bildpunkte 16* gegenüber der Nominal-Position der Bildpunkte der Laserlinie 16 berechnet werden.The invention relates to a method 40, a computer program product and a measuring system 18 for measuring surface coordinates of a workpiece 7 to be measured, the method 40 comprising the following steps: • Providing 42 at least one triangulation laser scanner 1 with a sensor chip 11, an imaging optics 9, and a laser line light source 3 for generating a laser line 16 on the workpiece 7 to be measured; • Providing 44 a workpiece 7 whose surface to be measured has at least one area 15 with optically transparent material; • Detecting 50 the surface of the at least one area 15 of the workpiece 7 to be measured by means of the at least one triangulation laser scanner 1 by relative movement of the at least one triangulation laser scanner 1 to the workpiece 7 to be measured or vice versa, whereby at least part of the surface of the at least one area 15 of the workpiece 7 is swept over with the laser line 16 and in this case two lateral actual positions of the image points 16* of the laser line 16 are detected on the sensor chip 11; • Generate 54 surface coordinates of the at least one region 15 of the workpiece 7 to be measured based on the image points 16* of the laser line 16 detected on the sensor chip 11 by means of at least one Evaluation unit 30, wherein the surface coordinates are calculated based on the lateral offset of one of the two detected actual positions of the image points 16* compared to the nominal position of the image points of the laser line 16.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, ein Computerprogrammprodukt und ein Messsystem zum Betrieb eines Triangulations-Laserscanners zur Messung von Oberflächenkoordinaten eines zu vermessenden Werkstücks.The invention relates to a method, a computer program product and a measuring system for operating a triangulation laser scanner for measuring surface coordinates of a workpiece to be measured.

Triangulations-Laserscanner zur Erfassung von Oberflächenkoordinaten eines zu vermessenden Werkstücks sind hinlänglich aus dem Stand der Technik bekannt. Bei den neueren Triangulations-Laserscannern wird hierbei ein CMOS Sensorchip eingesetzt, welcher die Erfassung von Bilddateien in sogenannten HDR Formaten ermöglicht. Bei den Triangulations-Laserscannern wird zur Auswertung der Oberflächenkoordinaten eines zu vermessenden Werkstücks die laterale Abweichung der Bild-Lage einer Laserlinie gegenüber Ihrer Nominalposition auf dem Sensorchip zum Abstand des Triangulations-Laserscanners zur Oberfläche des zu vermessenden Werkstücks mittels klassischer Triangulation in Beziehung gesetzt. Bei Triangulations-Laserscannern ist somit lediglich die laterale X- und Y- Position eines hellen Bildpunktes auf dem Sensorchip von Bedeutung. Insbesondere bei Triangulations-Laserscannern mit einer Scheimpflug-Anordnung der Laserlichtebene, der Objektiv-Ebene des Abbildungssystems und der Empfängerebene des CMOS Sensorchips zueinander, werden auch nur diejenigen Oberflächenpunkte des zu vermessenden Werkstücks auf den CMOS Sensor abgebildet, die sich in der Laserlichtebene, die auch der Bildebene entspricht, befinden. Durch Verwendung eines Farbfilters vor dem Objektiv werden Umgebungseinflüsse reduziert. Somit lassen sich mit Triangulations-Laserscannern mit einer Scheimpflug-Anordnung lediglich diejenigen X- und Y-Positionen als zweidimensionale Daten auf dem Sensorchip erfassen, die einem Schnittpunkt der Laserlichtebene mit einem Oberflächenpunkt des Werkstücks entsprechen.Triangulation laser scanners for detecting surface coordinates of a workpiece to be measured are well known from the prior art. The newer triangulation laser scanners use a CMOS sensor chip, which enables the capture of image files in so-called HDR formats. With triangulation laser scanners, to evaluate the surface coordinates of a workpiece to be measured, the lateral deviation of the image position of a laser line compared to its nominal position on the sensor chip is related to the distance of the triangulation laser scanner to the surface of the workpiece to be measured using classic triangulation. With triangulation laser scanners, only the lateral X and Y position of a bright image point on the sensor chip is important. In particular with triangulation laser scanners with a Scheimpflug arrangement of the laser light plane, the lens plane of the imaging system and the receiver plane of the CMOS sensor chip in relation to each other, only those surface points of the workpiece to be measured that are in the laser light plane are imaged on the CMOS sensor corresponds to the image plane. Using a color filter in front of the lens reduces environmental influences. Thus, with triangulation laser scanners with a Scheimpflug arrangement, only those X and Y positions that correspond to an intersection of the laser light plane with a surface point of the workpiece can be recorded as two-dimensional data on the sensor chip.

Bei der Vermessung von Werkstücken mit Bereichen aus optisch transparentem Material, insbesondere bei Glasoberflächen, deren Oberflächenkoordinaten mit Hilfe eines Triangulations-Laserscanners gemessen werden sollen, kann es vorkommen, dass statt einer Bildlinie auf dem Sensorchip gleich zwei Bildlinien auf dem Sensorchip des Triangulations-Laserscanners vorhanden sind. Die zweite Bildlinie stammt dann von dem reflektierten Laserlicht der Rückseite des optisch transparenten Materials. In der Regel ist diese zweite Bildlinie in Bezug auf die Intensität schwächer und kann daher für die Auswertung der Oberflächenkoordinaten softwaretechnisch unterdrückt werden. Allerdings funktioniert diese Diskriminierung der zweiten Bildlinie anhand der Intensität nicht immer zuverlässig. Von daher wird häufig für die Messung von Glasoberflächen ein sogenanntes „Ant-Glare-Spray“ verwendet.When measuring workpieces with areas made of optically transparent material, especially glass surfaces whose surface coordinates are to be measured using a triangulation laser scanner, it can happen that instead of one image line on the sensor chip, there are two image lines on the sensor chip of the triangulation laser scanner are. The second image line then comes from the reflected laser light from the back of the optically transparent material. As a rule, this second image line is weaker in terms of intensity and can therefore be suppressed by software for the evaluation of the surface coordinates. However, this discrimination of the second image line based on intensity does not always work reliably. For this reason, a so-called “ant-glare spray” is often used to measure glass surfaces.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren, ein Computerprogrammprodukt und ein Messsystem zum Betrieb mindestens eines Triangulations-Laserscanners anzugeben, mit Hilfe derer die Erzeugung von Oberflächendaten eines Werkstücks mit Bereichen aus optisch transparentem Material, insbesondere von Glasoberflächen, zuverlässig möglich ist.The object of the present invention is therefore to provide a method, a computer program product and a measuring system for operating at least one triangulation laser scanner, with the aid of which the generation of surface data of a workpiece with areas made of optically transparent material, in particular glass surfaces, is reliably possible.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb mindestens eines Triangulations-Laserscanners als Teil mindestens eines Koordinatenmessgeräts zur Messung von Oberflächenkoordinaten eines zu vermessenden Werkstücks umfassend folgende Schritte:

  • • Bereitstellen mindestens eines Triangulations-Laserscanners mit einem Sensorchip, einer Abbildungsoptik, und einer Laserlinien-Lichtquelle zur Erzeugung einer Laserlinie auf dem zu vermessenden Werkstück;
  • • Bereitstellen eines Werkstücks, dessen zu vermessende Oberfläche mindestens einen Bereich mit optisch transparentem Material aufweist;
  • • Erfassen der Oberfläche des mindestens einen Bereichs des zu vermessenden Werkstücks mittels des mindestens einen Triangulations-Laserscanners durch Relativbewegung des mindestens einen Triangulations-Laserscanners zu dem zu vermessenden Werkstück oder umgekehrt, wodurch wenigstens ein Teil der Oberfläche des mindestens einen Bereichs des Werkstücks mit der Laserlinie überstrichen und hierbei zwei laterale Ist-Positionen der Bildpunkte der Laserlinie auf dem Sensorchip erfasst werden;
  • • Erzeugen von Oberflächenkoordinaten des mindestens einen Bereichs des zu vermessenden Werkstücks anhand der auf dem Sensorchip erfassten Bildpunkte der Laserlinie mittels mindestens einer Auswerteeinheit, wobei die Oberflächenkoordinaten anhand der lateralen Ablage einer der beiden erfassten Ist-Positionen der Bildpunkte gegenüber der Nominal-Position der Bildpunkte der Laserlinie berechnet werden.
This object is achieved by a method for operating at least one triangulation laser scanner as part of at least one coordinate measuring machine for measuring surface coordinates of a workpiece to be measured, comprising the following steps:
  • • Providing at least one triangulation laser scanner with a sensor chip, imaging optics, and a laser line light source for generating a laser line on the workpiece to be measured;
  • • Providing a workpiece whose surface to be measured has at least one area with optically transparent material;
  • • Detecting the surface of the at least one area of the workpiece to be measured by means of the at least one triangulation laser scanner by moving the at least one triangulation laser scanner relative to the workpiece to be measured or vice versa, whereby at least part of the surface of the at least one area of the workpiece is connected to the laser line swept over and two actual lateral positions of the pixels of the laser line on the sensor chip are recorded;
  • • Generating surface coordinates of the at least one area of the workpiece to be measured based on the image points of the laser line recorded on the sensor chip by means of at least one evaluation unit, the surface coordinates being based on the lateral position of one of the two recorded actual positions of the image points compared to the nominal position of the image points Laser line can be calculated.

Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass statt einer Unterdrückung der zweiten Bildlinie die Positionsauswertung der zweiten Bildlinie mit einer anschließenden Plausibilitätsüberprüfung der Positionsdaten gegenüber den anderen Positionsdaten der nicht optisch transparenten Bereiche unmittelbar am Übergang der unterschiedlichen Bereiche (Datenanschluss) zuverlässigere Informationen darüber liefert, welche der zwei Bildlinien des optisch transparenten Bereichs die Oberflächenkoordinaten dieses Bereichs repräsentiert. Die Auswertung bzw. Erfassung der beiden Bildlinien kann hierbei zum Beispiel Sensor-nah auf dem FPGA stattfinden, indem zum Beispiel die Nullstellen der ersten Ableitung des Doppelpeaks pro Sensorzeile berechnet werden. Aber auch andere Algorithmen des Standes der Technik können für die Auswertung der beiden Peaks der beiden Bildlinien genutzt werden. Statt einem Datenanschluss an nicht optisch transparente Bereiche des Werkstücks können auch CAD-Daten oder Qualitätsinformationen wie Peak-Höhe, Peak-Breite, Anzahl der Pixel in Sättigung für die Entscheidung herangezogen werden, welche der beiden Bildlinien die Oberflächenkoordinaten des Bereichs mit optisch transparentem Material letztendlich repräsentiert. Alternativ ist es auch denkbar, dass die zu erwartende Dicke des optisch transparenten Materials bei der Auswertung von Bildlinien vorgegeben wird. Anhand der gewonnenen Positionsdaten der Bildlinien kann dann der Triangulations-Laserscanner bzw. das FPGA selbst erkennen, wann ein Bereich mit optisch transparentem Material gemessen wird, und kann dann die entsprechenden Oberflächendaten an die Auswerteeinheit übertragen.According to the invention, it was recognized that instead of suppressing the second image line, the position evaluation of the second image line with a subsequent plausibility check of the position data compared to the other position data of the non-optically transparent areas directly at the transition of the different areas (data connection) provides more reliable information about which of the two image lines of the optically transparent area represents the surface coordinates of this area. The evaluation or capture of the two image lines can, for example, take place close to the sensor on the FPGA, for example by calculating the zeros of the first derivative of the double peak per sensor line. But other prior art algorithms can also be used to evaluate the two peaks of the two image lines. Instead of a data connection to non-optically transparent areas of the workpiece, CAD data or quality information such as peak height, peak width, number of pixels in saturation can also be used to decide which of the two image lines will ultimately be the surface coordinates of the area with optically transparent material represented. Alternatively, it is also conceivable that the expected thickness of the optically transparent material is specified when evaluating image lines. Based on the position data obtained from the image lines, the triangulation laser scanner or the FPGA itself can then recognize when an area with optically transparent material is being measured and can then transmit the corresponding surface data to the evaluation unit.

In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in einem weiteren Schritt die mindestens eine lokale Dicke des optisch transparenten Materials des mindestens einen Bereichs anhand beider erfassten Ist-Positionen der Bildpunkte berechnet. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass durch die Auswertung beider Bildlinien des optisch transparenten Bereichs auch gleichzeitig eine Auswertung der lokalen Dicken des optisch transparenten Materials möglich ist. Die Auswertung der lokalen Dicke des optisch transparenten Materials kann hierbei zum Beispiel durch einen Flächenfit an die beiden Oberflächenpunktewolken der erfassten Bildlinien erfolgen.In one embodiment of the method according to the invention, in a further step, the at least one local thickness of the optically transparent material of the at least one region is calculated based on both recorded actual positions of the image points. According to the invention, it was recognized that by evaluating both image lines of the optically transparent area, an evaluation of the local thicknesses of the optically transparent material is also possible at the same time. The evaluation of the local thickness of the optically transparent material can be carried out, for example, by a surface fit to the two surface point clouds of the captured image lines.

In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in einem weiteren Schritt beim Ausrichten des Triangulations-Laserscanners gegenüber dem mindestens einen Bereich des zu vermessenden Werkstücks auf CAD Daten des Werkstücks zurückgegriffen. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass der Triangulations-Laserscanner im Verhältnis zum optisch transparenten Bereich richtig positioniert wird, so dass sicher eine auswertbare zweite Bildlinie auf dem Sensorchip entsteht.In a further embodiment of the method according to the invention, CAD data of the workpiece is used in a further step when aligning the triangulation laser scanner with respect to the at least one area of the workpiece to be measured. This can ensure that the triangulation laser scanner is positioned correctly in relation to the optically transparent area, so that an evaluable second image line is reliably created on the sensor chip.

In einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in einem weiteren Schritt die erstellten Daten zusammen mit einer Darstellung der Oberflächenkoordinaten der erfassten Oberfläche gegenüber einem Nutzer visualisiert, wobei der mindestens eine Bereich mit optisch transparentem Material gegenüber dem Nutzer gekennzeichnet wird. Hierdurch werden die Oberflächenbereichen des mindestens einen Bereichs mit optisch transparentem Material dem Nutzer gegenüber noch einmal explizit zur Kenntnis gebracht.In another embodiment of the method according to the invention, in a further step, the data created is visualized to a user together with a representation of the surface coordinates of the detected surface, with the at least one area being marked to the user with optically transparent material. As a result, the surface areas of the at least one area with optically transparent material are once again explicitly made known to the user.

In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der für die eigentliche Messung vorgesehene Messablauf in einem weiteren Schritt anhand eines für das Werkstücks notwendigen Prüfplans und anhand von CAD Daten des Werkstücks simuliert und gegebenenfalls im Hinblick auf die Ausrichtung des Triangulations-Laserscanners gegenüber dem mindestens einen Bereich des zu vermessenden Werkstücks optimiert. Hierdurch wird eine, im Hinblick auf den mindestens einen Bereich mit optisch transparentem Material optimale Planung des eigentlichen Messablaufs ermöglicht, zum Beispiel, indem der Winkel zwischen dem Triangulations-Laserscanner und der Oberfläche konstant gehalten wird.In one embodiment of the method according to the invention, the measurement sequence intended for the actual measurement is simulated in a further step using a test plan necessary for the workpiece and using CAD data of the workpiece and, if necessary, with regard to the alignment of the triangulation laser scanner with respect to the at least one area of the optimized workpiece to be measured. This enables optimal planning of the actual measurement process with regard to the at least one area with optically transparent material, for example by keeping the angle between the triangulation laser scanner and the surface constant.

In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in einem weiteren Schritt ein Verlauf der lokalen Dicke des optisch transparenten Materials des mindestens einen Bereichs des zu vermessenden Werkstücks ermittelt und / oder gegenüber einem Nutzer visualisiert. Hierdurch wird eine Überprüfung der Solldicke des optischen transparenten Materials ermöglicht.In a further embodiment of the method according to the invention, in a further step, a course of the local thickness of the optically transparent material of the at least one region of the workpiece to be measured is determined and / or visualized for a user. This makes it possible to check the target thickness of the optically transparent material.

In einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Übertragung der Datenmenge der Bildaufnahmen des Triangulations-Laserscanners zu mindestens einer Auswerteeinheit des mindestens einen Koordinatenmessgeräts drahtlos. In another embodiment of the method according to the invention, the data volume of the image recordings from the triangulation laser scanner is transmitted wirelessly to at least one evaluation unit of the at least one coordinate measuring machine.

Hierdurch wird eine flexible Vermessung eines Werkstücks ermöglicht, da auf ansonsten notwendige Kabel des Triangulations-Laserscanners verzichtet wird.This enables flexible measurement of a workpiece, as there is no need for otherwise necessary cables for the triangulation laser scanner.

In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die mindestens eine Auswerteeinheit des mindestens einen Koordinatenmessgeräts die Datenmengen von mehreren Triangulations-Laserscannern parallel verarbeiten. Insbesondere zur Vermessung von großen Bauteilen wie z.B. Flugzeugtragflächen oder Schiffsrümpfen ist der parallele Einsatz von mehreren Scannern notwendig, um die Vermessungszeit zu begrenzen.In one embodiment of the method according to the invention, the at least one evaluation unit of the at least one coordinate measuring machine can process the data volumes from several triangulation laser scanners in parallel. In particular, when measuring large components such as aircraft wings or ship hulls, the parallel use of several scanners is necessary in order to limit the measurement time.

In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist mindestens ein äußeres Messsystem zur Referenzierung des mindestens einen Triangulations-Laserscanners relativ zum Werkstück vorhanden und die mindestens eine Auswerteeinheit kann Datenmengen des mindestens einen Triangulations-Laserscanners und/oder von mehreren Triangulations-Laserscannern anhand von Referenzierungsinformationen lagerichtig zusammenfügen. Durch ein solches äußeres Referenzierungsmesssystem können die Daten des oder der Triangulations-Laserscanner in einem globalen Koordinatensystem zusammengefügt werden.In a further embodiment of the method according to the invention, at least one external measuring system is present for referencing the at least one triangulation laser scanner relative to the workpiece and the at least one evaluation unit can use data quantities from the at least one triangulation laser scanner and/or from several triangulation laser scanners of referencing information in the correct position. With such an external referencing measuring system, the data from the triangulation laser scanner or scanners can be combined in a global coordinate system.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird darüber hinaus durch ein Computerprogrammprodukt gelöst, bei dem eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens auf mindestens einer Steuer- bzw. Auswerteeinheit implementiert ist.The object of the present invention is also achieved by a computer program product in which an embodiment of the method according to the invention is implemented on at least one control or evaluation unit.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird ferner durch ein erfindungsgemäßes Messsystem gelöst, welches ein Computerprogrammprodukt mit einer implementierten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens und mindestens einen Triangulations-Laserscanner umfasst.The object of the present invention is further achieved by a measuring system according to the invention, which comprises a computer program product with an implemented embodiment of the method according to the invention and at least one triangulation laser scanner.

In einer Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Messsystem mindestens ein äußeres Messsystem zur Referenzierung mindestens einen Triangulations-Laserscanners relativ zum Werkstück, wobei mindestens eine Auswerteeinheit die Daten des mindestens einen Triangulations-Laserscanners und/oder von mehreren Triangulations-Laserscannern anhand der Referenzierungsinformation lagerichtig zusammenfügt. Durch ein solches äußeres Referenzierungsmesssystem können die Daten des oder der Triangulations-Laserscanner in einem globalen Koordinatensystem zusammengefügt werden.In one embodiment, the measuring system according to the invention comprises at least one external measuring system for referencing at least one triangulation laser scanner relative to the workpiece, with at least one evaluation unit combining the data from the at least one triangulation laser scanner and/or from several triangulation laser scanners in the correct position based on the referencing information. With such an external referencing measuring system, the data from the triangulation laser scanner or scanners can be combined in a global coordinate system.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Figuren, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.Further features and advantages of the invention result from the following description of exemplary embodiments of the invention based on the figures, which show details essential to the invention, and from the claims. The individual features can be implemented individually or in groups in any combination in a variant of the invention.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. In diesen zeigt

  • 1 eine schematische Darstellung eines Triangulations-Laserscanner des Standes der Technik in Seitenansicht;
  • 2 eine Darstellung der Pixel des CMOS Sensorchips eines Triangulations-Laserscanners des Standes der Technik mit Scheimpflug-Anordnung bei der Aufnahme einer von einer Kugeloberfläche reflektierten Laserlinie;
  • 3 eine schematische Darstellung eines Triangulations-Laserscanners des Standes der Technik in Frontalansicht;
  • 4 eine Darstellung des Arbeitsbereichs eines Triangulations-Laserscanners als Trapez-Fläche der Laserlinien-Ebene auf dem CMOS Sensorchip sowie eine aufgenommene Messlinie eines flachen, zu vermessenden Werkstücks;
  • 5 eine Darstellung einer zweidimensionalen Projektion der erhaltenen dreidimensionalen Oberflächenkoordinaten eines zu vermessenden Werkstücks;
  • 6 eine Darstellung des Arbeitsbereichs des erfindungsgemäßen Triangulations-Laserscanners als Trapez-Fläche der Laserlinien-Ebene auf dem CMOS Sensorchip sowie eine mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgenommene Messlinie eines optisch transparenten Bereichs des zu vermessenden Werkstücks;
  • 7 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Triangulations-Laserscanners in Seitenansicht, dessen Laserlinie an der Vorderseite und an der Rückseite des transparanten optischen Bereichs des zu vermessenden Werkstücks reflektiert wird;
  • 8 eine schematische Darstellung der Datenaufnahme mittels eines erfindungsgemäßen Messsystems; und
  • 9 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrensablaufs.
Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the figures. In these shows
  • 1 a schematic representation of a triangulation laser scanner of the prior art in side view;
  • 2 a representation of the pixels of the CMOS sensor chip of a prior art triangulation laser scanner with a Scheimpflug arrangement when recording a laser line reflected from a spherical surface;
  • 3 a schematic representation of a triangulation laser scanner of the prior art in a front view;
  • 4 a representation of the working area of a triangulation laser scanner as a trapezoidal area of the laser line level on the CMOS sensor chip as well as a recorded measuring line of a flat workpiece to be measured;
  • 5 a representation of a two-dimensional projection of the obtained three-dimensional surface coordinates of a workpiece to be measured;
  • 6 a representation of the working area of the triangulation laser scanner according to the invention as a trapezoidal surface of the laser line plane on the CMOS sensor chip and a measuring line of an optically transparent area of the workpiece to be measured recorded using the method according to the invention;
  • 7 a schematic representation of the triangulation laser scanner according to the invention in side view, the laser line of which is reflected on the front and back of the transparent optical area of the workpiece to be measured;
  • 8th a schematic representation of data acquisition using a measuring system according to the invention; and
  • 9 a schematic representation of the process sequence according to the invention.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Triangulations-Laserscanners 1 des Standes der Technik in Seitenansicht. Ein solcher Laserscanner weist eine Laserlichtquelle 3 auf, deren Laserlicht in der Regel durch eine Beleuchtungsoptik in eine Laser-Ebene aufgefächert wird. Diese Laser-Ebene erstreckt sich in 1 senkrecht zu der Papierebene, so dass in 1 lediglich eine vertikale Linie 5 dieser aufgefächerten Laser-Ebene eingezeichnet ist. Diese eingezeichnete Linie 5 darf nicht mit der lateralen Laserlinie 16, siehe 3 und 4, auf dem zu vermessenden Werkstück 7 verwechselt werden, welche sich lateral innerhalb der Laser-Ebene und damit senkrecht zu der Papierebene erstreckt. Der Messbereich eines solchen Triangulations-Laserscanners 1 erstreckt sich nun in horizontaler Richtung bezüglich 1 entlang des zentralen Bereichs der aufgefächerten Laser-Ebene der Laser-Lichtquelle 3 und in vertikaler Richtung bezüglich der 1 zwischen dem Minimal-Abstand und dem Maximal-Abstand eines zu vermessenden Werkstücks 7 gegenüber der Laser-Lichtquelle 3, bei denen noch eine Abstandsmessung sinnvollerweise möglich ist. 1 shows a schematic representation of a triangulation laser scanner 1 of the prior art in a side view. Such a laser scanner has a laser light source 3, the laser light of which is usually fanned out into a laser plane by illumination optics. This laser level extends in 1 perpendicular to the plane of the paper, so that in 1 only a vertical line 5 of this fanned-out laser plane is drawn. This drawn line 5 must not coincide with the lateral laser line 16, see 3 and 4 , on the workpiece 7 to be measured, which extends laterally within the laser plane and thus perpendicular to the paper plane. The measuring range of such a triangulation laser scanner 1 now extends in the horizontal direction with respect to 1 along the central area of the fanned laser plane of the laser light source 3 and in the vertical direction with respect to 1 between the minimum distance and the maximum distance of a workpiece 7 to be measured relative to the laser light source 3, at which a distance measurement is still sensibly possible.

Bei der Abstandmessung mittels eines solchen Triangulations-Laserscanners 1 des Standes der Technik wird das auf ein zu vermessendes Werkstück 7 auftreffende Laserlicht der Laser-Ebene mittels einer Abbildungsoptik 9 und eines CCD- oder CMOS-Sensorchips 11 aufgenommen. Das auftreffende Laserlicht erstreckt sich entlang einer Laserlinie 16 innerhalb der Laser-Ebene entsprechend dem Oberflächenprofil des zu vermessenden Werkstücks 7. When measuring the distance using such a triangulation laser scanner 1 of the prior art, the laser light of the laser plane striking a workpiece 7 to be measured is recorded by means of imaging optics 9 and a CCD or CMOS sensor chip 11. The occur The resulting laser light extends along a laser line 16 within the laser plane corresponding to the surface profile of the workpiece 7 to be measured.

Die Aufnahme dieser Laserlinie 16 mittels des Sensorchips 11 erfolgt nun unter einem fest vorgegebenen Winkel zwischen der Laser-Lichtquelle 3 und dem Sensorchip 11, so dass mittels Triangulation der Abstand des zu vermessenden Werkstücks 7 von der Laserlichtquelle 3 anhand der Ablage dx der Ist-Position der aufgenommenen Laserlinie auf dem Sensorchip 11 gegenüber der Nominalposition auf dem Sensorchip 11 ermittelt werden kann. Mit anderen Worten wird der Höhenunterschied DZ der Laserlinie 16 zwischen zwei Orten der Oberfläche des zu vermessenden Werkstücks 7 mittels Triangulation auf die Ablage dx zwischen den zwei Aufnahmeorten der Laserlinie auf dem Sensorchip 11 abgebildet. Anhand dieser Ablagedaten der Laserlinie 16 lässt sich nun ein Höhenprofil für die Schnittlinie der Laser-Ebene mit dem zu vermessenden Werkstück 7 ermitteln.The recording of this laser line 16 by means of the sensor chip 11 now takes place at a fixed angle between the laser light source 3 and the sensor chip 11, so that the distance of the workpiece 7 to be measured from the laser light source 3 is determined by triangulation based on the shelf dx of the actual position the recorded laser line on the sensor chip 11 can be determined compared to the nominal position on the sensor chip 11. In other words, the height difference DZ of the laser line 16 between two locations on the surface of the workpiece 7 to be measured is mapped onto the shelf dx between the two recording locations of the laser line on the sensor chip 11 by means of triangulation. Based on this storage data of the laser line 16, a height profile for the intersection of the laser plane with the workpiece 7 to be measured can now be determined.

Durch das Aneinanderfügen mehrerer, solcher benachbarter Profile, zum Beispiel durch das Abscannen des Werkstücks 7 mittels des Triangulations-Laserscanners 1a, lässt sich anschließend ein 3D Model der Oberfläche des Werkstücks 7 in Form einer Punktewolke erhalten. Hierzu kann der Triangulations-Laserscanner 1 per Hand, mittels der Pinole eines Koordinatenmessgeräts bzw. mittels eines Roboters oder anderweitig relativ zu dem zu vermessenden Werkstück 7 bewegt werden, oder umgekehrt.By joining several such adjacent profiles together, for example by scanning the workpiece 7 using the triangulation laser scanner 1a, a 3D model of the surface of the workpiece 7 can then be obtained in the form of a point cloud. For this purpose, the triangulation laser scanner 1 can be moved by hand, by means of the quill of a coordinate measuring machine or by means of a robot or otherwise relative to the workpiece 7 to be measured, or vice versa.

Triangulations-Laserscanner des Standes der Technik sind in der Regel unter Beachtung der Scheimpflug-Bedingung aufgebaut. Die Scheimpflug-Bedingung besagt, dass sich die Bildebene, die Objektebene und die Objektiv-Ebene alle in ein und derselben Gerade schneiden. Die Objektebene ist bei einem Triangulations-Laserscanner durch die Laser-Ebene der Laser-Lichtquelle und die Bildebene durch die Ebene des Sensorchips gegeben. Als Objektiv-Ebene gilt die Hauptebene des Objektivs. Die meisten Objektive haben allerdings zwei Hauptebenen, eine objektseitige und eine bildseitige. Die Scheimpflugsche Regel lautet daher präziser, dass sich die Schärfeebene mit der objektseitigen Hauptebene in der gleichen Entfernung von der Achse des Objektivs schneidet wie die Bildebene mit der bildseitigen Hauptebene, und dass beide Schnittgeraden zueinander parallel sind. Beide Schnittgeraden befinden sich hierbei auf derselben Seite der optischen Achse.Triangulation laser scanners of the prior art are generally constructed taking the Scheimpflug condition into account. The Scheimpflug condition states that the image plane, the object plane and the lens plane all intersect in the same straight line. In a triangulation laser scanner, the object plane is given by the laser plane of the laser light source and the image plane by the plane of the sensor chip. The main plane of the lens is considered the lens plane. However, most lenses have two main planes, one on the object side and one on the image side. Scheimpflug's rule therefore states more precisely that the plane of focus intersects with the main plane on the object side at the same distance from the axis of the lens as the image plane intersects with the main plane on the image side, and that both intersection lines are parallel to one another. Both cutting lines are on the same side of the optical axis.

Triangulations-Laserscanner mit Scheimpflug-Anordnung bieten den Vorteil, dass die gesamte Laser-Ebene des Messbereichs durch die Abbildungsoptik gleichermaßen scharf auf den Sensorchip abgebildet wird. Alternativ zu einer Scheimpflug-Anordnung können unter Verwendung von Freiformoptiken auch mehrere Abstände einer Ebene scharf auf einen Sensorchip abgebildet werden.Triangulation laser scanners with a Scheimpflug arrangement offer the advantage that the entire laser plane of the measuring area is imaged equally sharply on the sensor chip by the imaging optics. As an alternative to a Scheimpflug arrangement, several distances from a plane can also be sharply imaged on a sensor chip using free-form optics.

Die Scheimplug-Anordnung führt nun naturgemäß auch dazu, dass Punkte einer zu vermessenden Oberfläche, die sich außerhalb der Laser-Ebene des Triangulations-Laserscanners befinden, durch die Abbildungsoptik nicht mehr scharf auf den Sensorchip abgebildet werden. Somit können mittels eines Triangulations-Laserscanners mit Scheimpflug-Anordnung lediglich die Punkte innerhalb der Laser-Ebene erfasst werden. Hierzu wird auch auf die 3 und die 4 sowie die dazugehörige Beschreibung der US 2011/267431 verwiesen.The Scheimplug arrangement naturally also means that points on a surface to be measured that are outside the laser plane of the triangulation laser scanner are no longer sharply imaged onto the sensor chip by the imaging optics. This means that only the points within the laser plane can be detected using a triangulation laser scanner with a Scheimpflug arrangement. This is also referred to 3 and the 4 as well as the associated description of the US 2011/267431 referred.

Die 2 zeigt nun hierzu eine Darstellung einer Einzelaufnahme einer Laserlinie bei einer Messung einer Kugeloberfläche mittels eines Triangulations-Laserscanners des Standes der Technik mit Scheimpflug-Anordnung. Es ist anhand der 2 zu erkennen, dass lediglich die Schnittpunkte der Laser-Ebene mit der Kugeloberfläche auf den Sensorchip bei dieser Einzelaufnahme abgebildet wurden. Alle anderen Punkte der Kugeloberfläche können nicht auf den Sensorchip scharf abgebildet werden, von daher sind diese auch nicht in der Einzelaufnahme sichtbar. Das Bild der Laserlinie in der 2 umfasst in Ausdehnungsrichtung bzw. Erstreckungsrichtung der Laserlinie mehrere Tausend Pixel oder sogar mehr. Senkrecht bzw. quer zu dieser Ausdehnungsrichtung ist das Bild der Laserlinie hingegen auf wenige laterale Pixel beschränkt. Das Original der Einzelaufnahme zu 2 zeigt ein schwarzes Bild, in dem lediglich die aufgenommene Laserlinie als helle Kurve zu sehen ist. Zur Sicherstellung einer ordnungsgemäßen Veröffentlichung der 2 wurden die ursprünglichen Helligkeitswerte der Originalaufnahme für die Darstellung der 2 invertiert.The 2 now shows a representation of a single image of a laser line when measuring a spherical surface using a prior art triangulation laser scanner with a Scheimpflug arrangement. It is based on the 2 It can be seen that only the intersection points of the laser plane with the spherical surface were imaged on the sensor chip in this individual recording. All other points on the spherical surface cannot be imaged sharply on the sensor chip, which is why they are not visible in the individual image. The image of the laser line in the 2 includes several thousand pixels or even more in the direction of extension or extent of the laser line. However, perpendicular or transverse to this direction of extension, the image of the laser line is limited to a few lateral pixels. The original of the individual recording 2 shows a black image in which only the recorded laser line can be seen as a bright curve. To ensure proper publication of the 2 The original brightness values of the original recording were used to display the 2 inverted.

Die Kugeloberfläche des zu vermessenden Werkstücks 7 befand sich bei der Einzelaufnahme gemäß 2 entsprechend 1 unterhalb des Triangulations-Laserscanners 1. Dementsprechend ist der Scheitelpunkt der Laserlinie 16 auf der Kugeloberfläche um den Betrag DZ bei der Einzelaufnahme der 2 näher an dem Triangulations-Laserscanner 1 als die Randpunkte der Laserlinie 16. Von daher ist die Ist-Position des Scheitelpunkts der Laserlinie 16 bei der Einzelaufnahme der 2 um den Betrag dx gegenüber den Randpunkten der Laserlinie 16 erniedrigt, siehe hierzu auch die Erläuterungen zu 1.The spherical surface of the workpiece 7 to be measured was in accordance with the individual recording 2 accordingly 1 below the triangulation laser scanner 1. Accordingly, the vertex of the laser line 16 on the spherical surface is by the amount DZ in the individual exposure 2 closer to the triangulation laser scanner 1 than the edge points of the laser line 16. Therefore, the actual position of the vertex of the laser line 16 in the individual recording is the 2 reduced by the amount dx compared to the edge points of the laser line 16, see also the explanations 1 .

Die 3 zeigt im Gegensatz zu 1 einen Triangulations-Laserscanner 1 des Standes der Technik in Frontalansicht. Durch die Frontaldarstellung in 3 ist nun die aufgefächerte Laser-Ebene 5 als Trapez zu sehen, wobei die Laser-Ebene 5 beim Auftreffen auf dem zu vermessenden Werkstück 7 entlang dessen Oberflächenprofils eine laterale Laserlinie 16 erzeugt, welche von dem Sensorchip 11 durch die Abbildungsoptik 9, beides durch die Frontalansicht der 3 verborgen, hindurch aufgenommen werden kann.The 3 shows in contrast to 1 a triangulation laser scanner 1 from the state of the Technology in front view. Through the frontal presentation in 3 The fanned-out laser plane 5 can now be seen as a trapezoid, with the laser plane 5 generating a lateral laser line 16 along its surface profile when it hits the workpiece 7 to be measured, which is drawn from the sensor chip 11 through the imaging optics 9, both through the frontal view the 3 hidden, can be absorbed through.

Die 4 zeigt nun das Bild 16* einer Laserlinie 16 bei einer Messung eines flachen Werkstücks 7 innerhalb der auf den Sensorchip 11 abgebildeten trapezförmigen Laser-Ebene 5 des Triangulations-Laserscanners 1 entsprechend 3, wobei die Oberfläche des Werkstücks 7 eine unregelmäßige Oberflächenstruktur bzw. eine Oberflächenstruktur mit unterschiedlichem Reflexionsvermögen aufweist, wodurch die Helligkeit des Bildes 16* der Laserlinie 16 innerhalb der Abbildung der trapezförmigen Laser-Ebene 5 auf dem Sensorchip 11 variiert. Bei der 4 wurden die Intensitätsverhältnisse des Bildes 16* gegenüber der Originalaufnahme zur Sicherstellung einer ordnungsgemäßen Veröffentlichung der 4 ebenfalls entsprechend 2 invertiert. Die Originalaufnahme der 3 zeigt ein schwarzes Trapez mit hellen Pixeln der Laserlinie 16.The 4 now shows the image 16* of a laser line 16 during a measurement of a flat workpiece 7 within the trapezoidal laser plane 5 of the triangulation laser scanner 1 imaged on the sensor chip 11 3 , wherein the surface of the workpiece 7 has an irregular surface structure or a surface structure with different reflectivity, whereby the brightness of the image 16 * of the laser line 16 varies within the image of the trapezoidal laser plane 5 on the sensor chip 11. At the 4 The intensity ratios of the image 16* were compared to the original recording to ensure proper publication 4 also accordingly 2 inverted. The original recording of the 3 shows a black trapezoid with bright pixels of laser line 16.

Im unteren Teil der 4 wurde ein Qualitätskriterium zur Darstellung der Laserlinie 16 auf dem CMOS Sensorchip 11 anhand von Grauwerten innerhalb des Messbereichs angewendet. Dieses Qualitätskriterium kann hierbei ein Kriterium aus der Gruppe: laterale Peakhöhe, laterale Peakbreite, Verhältnis der lateralen Peakhöhe zu der lateralen Peakbreite, Peaksymmetrie, FWHM lateral, maximaler lateraler Gradient, Zahl der lateralen Pixel in Sättigung bzw. über einem Schwellwert, integraler Peakwert in lateraler Richtung sowie eine Faltung der Intensitätsverteilung der erfassten lateralen Bildpunkte der Laserlinie auf dem CMOS Sensorchip sein. Das in 4 konkret angewendete Kriterium der „lateralen Peakhöhe“ ist hierbei in Form der maximalen lateralen Intensität im unteren Teil der 4 entlang des Bildes 16* der Laserlinie 16 aufgetragen.In the lower part of the 4 a quality criterion was used to display the laser line 16 on the CMOS sensor chip 11 based on gray values within the measuring range. This quality criterion can be a criterion from the group: lateral peak height, lateral peak width, ratio of the lateral peak height to the lateral peak width, peak symmetry, FWHM lateral, maximum lateral gradient, number of lateral pixels in saturation or above a threshold value, integral peak value in lateral Direction and a folding of the intensity distribution of the detected lateral image points of the laser line on the CMOS sensor chip. This in 4 The specifically used criterion of the “lateral peak height” is in the form of the maximum lateral intensity in the lower part of the 4 applied along the image 16* of the laser line 16.

Hierbei ist zu beachten, dass bei Triangulations-Laserscanner des Standes der Technik bisher lediglich die Positionsdaten des Bildes 16* der Laserlinie 16 auf dem Sensorchip 11 an eine Auswerteeinheit übertragen wurden, siehe hierzu auch die 3 und die 4 sowie die dazugehörige Beschreibung der US 2011/267431 . Ein Qualitätskriterium in Form eines Maßes der Intensitätsverteilung diente bisher lediglich dazu, eine Messung bzw. ein Messpunkt als gültig oder ungültig zu erachten. Eine Inhaltliche Auswertung eines Qualitätskriteriums erfolgte daher nicht.It should be noted here that with triangulation laser scanners of the prior art, only the position data of the image 16* of the laser line 16 on the sensor chip 11 were transmitted to an evaluation unit, see also the 3 and the 4 as well as the associated description of the US 2011/267431 . A quality criterion in the form of a measure of the intensity distribution was previously only used to consider a measurement or a measuring point as valid or invalid. A content-related evaluation of a quality criterion was therefore not carried out.

Die 5 zeigt beispielhaft eine zweidimensionale Darstellung eines Blechteils 12 als ein zu vermessendes Werkstück 7, wobei das Blechteil 12 in einem flachen Abschnitt bzw. Bereich 13 und einen gewölbten Abschnitt bzw. Bereich 14 aufweist. Der gewölbte Bereich 14 wiederum läuft zu seinem unteren Ende hin flach aus und weist einen weiteren Bereich 15 aus, der aus optisch transparentem Material besteht.The 5 shows an example of a two-dimensional representation of a sheet metal part 12 as a workpiece 7 to be measured, the sheet metal part 12 having a flat section or area 13 and a curved section or area 14. The curved area 14 in turn tapers flat towards its lower end and has a further area 15 which consists of optically transparent material.

Nach oder während der Vermessung eines Werkstücks 7 wie zum Beispiel dem Blechteil 12 gemäß der 5 werden viele Einzelaufnahmen des Bleichteils 12 entsprechend 4 lagerichtig zusammengesetzt, so dass aus den X- und Y-Position der Pixel Höheninformationen für die Laserlinienschnitte entlang der Oberfläche des Bleichteils 12 gewonnen werden. Diese einzelnen Höheninformationen der Einzelaufnahmen werden mithilfe einer äußeren Referenzierung des Triangulations-Laserscanners in ein globales Koordinatensystem einer Auswerteeinheit übertragen. Zur äußeren Referenzierung des Tringulations-Laserscanners kann hierbei ein Koordinatenmessgerät dienen, wobei der Triangulations-Laserscanner an einem sogenannten Dreh-Schwenkgelenk zur beliebigen Ausrichtung im Raum befestigt sein kann. Mit Hilfe eines solchen Koordinatenmessgeräts kann somit die Position sowie die Pose des Triangulations-Laserscanners bei jeder Einzelaufnahme festgestellt und zur Auswerteeinheit für die lagerichtige Zusammensetzung der Einzelaufnahmen übermittelt werden. Ebenso sind Robotersysteme für diese Aufgabenstellung denkbar. Ferner können auch äußere Referenzierungssysteme gemäß der 1 der US 20110267431 für handgehaltene Triangulations-Laserscanner hierfür zum Einsatz kommen.After or during the measurement of a workpiece 7 such as the sheet metal part 12 according to 5 Many individual shots of the bleaching part 12 are taken accordingly 4 assembled in the correct position, so that height information for the laser line cuts along the surface of the bleaching part 12 is obtained from the X and Y positions of the pixels. This individual height information from the individual images is transferred into a global coordinate system of an evaluation unit using external referencing of the triangulation laser scanner. A coordinate measuring machine can be used for external referencing of the triangulation laser scanner, whereby the triangulation laser scanner can be attached to a so-called swivel joint for any orientation in space. With the help of such a coordinate measuring machine, the position and pose of the triangulation laser scanner can be determined for each individual exposure and transmitted to the evaluation unit for the correct positioning of the individual exposures. Robot systems are also conceivable for this task. Furthermore, external referencing systems can also be used according to the 1 the US 20110267431 for hand-held triangulation laser scanners can be used for this purpose.

Somit werden durch die mindesten eine Auswerteeinheit lagerichtig zusammengefügte dreidimensionale Punktewolken der Oberfläche des zu vermessenden Werkstücks erzeugt. The at least one evaluation unit thus creates three-dimensional point clouds of the surface of the workpiece to be measured that are assembled in the correct position.

Jedem Punkt dieser Punktewolken kann hierbei ein Grauwert entsprechend dem Qualitätskriterium zugeordnet werden. Hiervon können dann zweidimensionale Darstellungen der Oberfläche entsprechend 5 wiedergegeben werden, wobei die wiedergegebenen Grauwerte der zweidimensionalen Darstellung den ermittelten Grauwerten aus dem Qualitätskriterium entsprechen.Each point in these point clouds can be assigned a gray value according to the quality criterion. Two-dimensional representations of the surface can then be made accordingly 5 are reproduced, the reproduced gray values of the two-dimensional representation corresponding to the gray values determined from the quality criterion.

Die 6 zeigt nun eine Darstellung des Arbeitsbereichs des erfindungsgemäßen Triangulations-Laserscanners 1 als Trapez-Fläche der Laserlinien-Ebene 5 auf dem CMOS-Sensorchip 11 sowie ein mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgenommenes Bild einer Laserlinie 16 bei der Vermessung eines Bereichs 15 aus optisch transparentem Material des zu vermessenden Werkstücks 7. Das aufgenommene Bild der Laserlinie 16 besteht nun aus zwei voneinander getrennten Bereichen mit Bildpunkten 16*, die jeweils die Ist-Positionen der Bildpunkte 16* wiedergeben, die aufgrund der Rückreflexe der Laserlinie 16 von der Vorderseite und von der Rückseite des optisch transparenten Materials entstehen.The 6 now shows a representation of the working area of the triangulation laser scanner 1 according to the invention as a trapezoidal surface of the laser line plane 5 on the CMOS sensor chip 11 as well as an image of a laser line 16 recorded using the method according to the invention when measuring an area 15 made of optically transparent material of the workpiece to be measured 7. The recorded image of the laser line 16 now consists of two separate areas with image points 16*, each of which represents the actual positions of the image points 16*, which arise due to the back reflections of the laser line 16 from the front and back of the optically transparent material.

Die räumliche Anordnung des Triangulations-Laserscanners 1 in Bezug auf das zu vermessende Werkstück 7 bzw. den Bereich 15 mit optisch transparentem Material ist dabei in 7 in einer Seitenansicht dargestellt. Bei einer richtigen Positionierung des Triangulations-Laserscanners 1 in Bezug auf den transparenten Bereich 15 des Werkstücks 7 können durch den Triangulations-Laserscanner 1 zwei Rückreflexe der Laserlinie 16 auf dem CMOS-Sensorchip 11 aufgenommen werden. Der erste Rückreflex stammt von der Oberfläche und der zweite Rückreflex stammt von der Rückseite des optisch transparenten Bereichs 15. Hierbei ist es möglich, dass gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren die Position und die Pose des Triangulations-Laserscanners 1 auch während des Scans für die unterschiedlichen Richtungen der Oberflächennormalen des transparenten Bereichs 15 angepasst wird.The spatial arrangement of the triangulation laser scanner 1 in relation to the workpiece 7 to be measured or the area 15 with optically transparent material is in 7 shown in a side view. If the triangulation laser scanner 1 is correctly positioned in relation to the transparent area 15 of the workpiece 7, two back reflections of the laser line 16 can be recorded on the CMOS sensor chip 11 by the triangulation laser scanner 1. The first back reflection comes from the surface and the second back reflection comes from the back of the optically transparent area 15. It is possible that, according to the method according to the invention, the position and pose of the triangulation laser scanner 1 also during the scan for the different directions of the Surface normals of the transparent area 15 is adjusted.

Die 8 zeigt eine schematische Darstellung der Datenaufnahme mittels des erfindungsgemäßen Messsystems 18. Dieses erfindungsgemäße Messsystem 18 umfasst in dem Beispiel der 7 ein Koordinatenmessgerät 20 mit einer Steuerungseinheit 22 zur Steuerung des Koordinatenmessgeräts 20 und mit einer weiteren Steuerungseinheit 24 zur Steuerung des Triangulations-Laserscanners 1. Diese Steuerungseinheiten 22, 24 können aber auch in einer Einheit verwirklicht sein. Der Triangulations-Laserscanner 1 erzeugt zur Vermessung eines Werkstücks 7 eine Laserlicht-Ebene 5. Das Koordinatenmessgerät 20 dient mit seiner Steuereinheit 22 dazu, den Triangulations-Laserscanner 1 lagerichtig gegenüber dem zu vermessenden Werkstück 7 zu positionieren und auszurichten. Die Steuerungseinheit 22 leitet dabei Maschinendaten 26 an eine Auswerteeinheit 30 weiter. Diese Maschinendaten 26 beinhalten die Positions- und Ausrichtungsdaten des Triangulations-Laserscanners 1 innerhalb des Koordinatensystems des Koordinatenmessgeräts 20. Die weitere Steuerungseinheit 24 des Koordinatenmessgeräts 20 sorgt einerseits für eine Steuerung des Triangulations-Laserscanners 1 an sich und andererseits für eine Reduktion der am Sensorchip 11 des Triangulations-Laserscanners 1 anfallenden Daten auf lediglich diejenigen Daten der lateralen Ist-Position der Bildpunkte der Laserlinie und die Daten mindestens eines Qualitätskriteriums für jeden der Bildpunkte der erfassten Laserlinie. Diese reduzierte Datenmenge 28 wird seitens der weiteren Steuerungseinheit 24 ebenfalls an die mindestens eine Auswerteeinheit 30 weitergeleitet. Die Auswerteeinheit 30 erzeugt die Oberflächenkoordinaten des zu vermessenden Werkstücks anhand der auf dem CMOS Sensorchip 11 erfassten Bildpunkte 16* der Laserlinien 16 wobei die Oberflächenkoordinaten anhand der lateralen Ablage der erfassten Ist-Position der Bildpunkte 16* gegenüber der Nominal-Position der Bildpunkte der Laserlinie 16 berechnet werden. Hierbei werden die Daten des Triangulations-Laserscanners 1 aufgrund der Maschinendaten 26 des Koordinatenmessgeräts 20 positions- und lagerichtig aneinandergefügt.The 8th shows a schematic representation of the data acquisition using the measuring system 18 according to the invention. In the example, this measuring system 18 according to the invention includes 7 a coordinate measuring machine 20 with a control unit 22 for controlling the coordinate measuring machine 20 and with a further control unit 24 for controlling the triangulation laser scanner 1. These control units 22, 24 can also be implemented in one unit. The triangulation laser scanner 1 generates a laser light plane 5 for measuring a workpiece 7. The coordinate measuring machine 20, with its control unit 22, serves to position and align the triangulation laser scanner 1 in the correct position relative to the workpiece 7 to be measured. The control unit 22 forwards machine data 26 to an evaluation unit 30. This machine data 26 contains the position and alignment data of the triangulation laser scanner 1 within the coordinate system of the coordinate measuring machine 20. The further control unit 24 of the coordinate measuring machine 20 ensures, on the one hand, control of the triangulation laser scanner 1 itself and, on the other hand, a reduction in the on the sensor chip 11 of the Triangulation laser scanner 1 to only those data of the actual lateral position of the pixels of the laser line and the data of at least one quality criterion for each of the pixels of the detected laser line. This reduced amount of data 28 is also forwarded to the at least one evaluation unit 30 by the further control unit 24. The evaluation unit 30 generates the surface coordinates of the workpiece to be measured based on the image points 16* of the laser lines 16 recorded on the CMOS sensor chip 11, the surface coordinates being based on the lateral offset of the recorded actual position of the image points 16* compared to the nominal position of the image points of the laser line 16 be calculated. Here, the data from the triangulation laser scanner 1 are joined together in the correct position and position based on the machine data 26 of the coordinate measuring machine 20.

Der Triangulations-Laserscanner 1 der 8 des Koordinatenmessgeräts 20 weist einen CMOS Sensorchip 11, eine Abbildungsoptik 9, eine Laserlinien-Lichtquelle 3 zur Erzeugung einer Laserlinie 16 auf, wobei der CMOS Sensorchip 11 und die Laserlinien-Lichtquelle 3 in Relation zur Abbildungsoptik 9 unter einer Scheimpflug-Bedingung angeordnet sind.The triangulation laser scanner 1 8th of the coordinate measuring machine 20 has a CMOS sensor chip 11, an imaging optics 9, a laser line light source 3 for generating a laser line 16, the CMOS sensor chip 11 and the laser line light source 3 being arranged in relation to the imaging optics 9 under a Scheimpflug condition.

Die 9 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Verfahren 40 zum Betrieb mindestens eines Triangulations-Laserscanners 1 als Teil mindestens eines Koordinatenmessgeräts 18 zur Messung von Oberflächenkoordinaten eines zu vermessenden Werkstücks 7 umfassend folgende Schritte:

  • • Bereitstellen 42 mindestens eines Triangulations-Laserscanners 1 mit einem Sensorchip 11, einer Abbildungsoptik 9, und einer Laserlinien-Lichtquelle 3 zur Erzeugung einer Laserlinie 16 auf dem zu vermessenden Werkstück 7;
  • • Bereitstellen 44 eines Werkstücks 7, dessen zu vermessende Oberfläche mindestens einen Bereich 15 mit optisch transparentem Material aufweist;
  • • Erfassen 50 der Oberfläche des mindestens einen Bereichs 15 des zu vermessenden Werkstücks 7 mittels des mindestens einen Triangulations-Laserscanners 1 durch Relativbewegung des mindestens einen Triangulations-Laserscanners 1 zu dem zu vermessenden Werkstück 7 oder umgekehrt, wodurch wenigstens ein Teil der Oberfläche des mindestens einen Bereichs 15 des Werkstücks 7 mit der Laserlinie 16 überstrichen und hierbei zwei laterale Ist-Positionen der Bildpunkte 16* der Laserlinie 16 auf dem Sensorchip 11 erfasst bzw. ausgewertet werden;
  • • Erzeugen 54 von Oberflächenkoordinaten des mindestens einen Bereichs 15 des zu vermessenden Werkstücks 7 anhand der auf dem Sensorchip 11 erfassten Bildpunkte 16* der Laserlinie 16 mittels mindestens einer Auswerteeinheit 30, wobei die Oberflächenkoordinaten anhand der lateralen Ablage einer der beiden erfassten Ist-Positionen der Bildpunkte 16* gegenüber der Nominal-Position der Bildpunkte der Laserlinie 16 berechnet werden.
The 9 schematically shows a method 40 according to the invention for operating at least one triangulation laser scanner 1 as part of at least one coordinate measuring machine 18 for measuring surface coordinates of a workpiece 7 to be measured, comprising the following steps:
  • • Providing 42 at least one triangulation laser scanner 1 with a sensor chip 11, imaging optics 9, and a laser line light source 3 for generating a laser line 16 on the workpiece 7 to be measured;
  • • Providing 44 a workpiece 7 whose surface to be measured has at least one area 15 with optically transparent material;
  • • Detecting 50 the surface of the at least one area 15 of the workpiece 7 to be measured by means of the at least one triangulation laser scanner 1 by relative movement of the at least one triangulation laser scanner 1 to the workpiece 7 to be measured or vice versa, whereby at least part of the surface of the at least one Area 15 of the workpiece 7 is swept over with the laser line 16 and two actual lateral positions of the image points 16 * of the laser line 16 on the sensor chip 11 are recorded or evaluated;
  • • Generate 54 surface coordinates of the at least one area 15 of the workpiece 7 to be measured based on the image points 16* of the laser line 16 recorded on the sensor chip 11 by means of at least one evaluation unit 30, the surface coordinates being based on the lateral position of one of the two recorded actual positions of the image points 16* can be calculated compared to the nominal position of the pixels of the laser line 16.

Bei einem weiteren Schritt 46 des erfindungsgemäßen Verfahrens Verfahren 40 kann optional ein Vorbereitungsschritt 46 vorgesehen sein, bei dem das zu vermessende Werkstück 7 zunächst mit einer Laserlinie 16 mittels des für die eigentliche Messung vorgesehenen Messablaufs an Relativbewegungen vermessen wird und dabei aus den aufgenommenen, überbelichteten Pixeldaten und / oder Doppelpeaks 17 auf die für eine Messung kritischen Oberflächenbereiche des zu vermessenden Werkstücks 7 rückgeschlossen wird.In a further step 46 of the method 40 according to the invention, a preparation step 46 can optionally be provided, in which the workpiece 7 to be measured is first measured with a laser line 16 using the measuring sequence provided for the actual measurement of relative movements and from the recorded, overexposed pixel data and / or double peaks 17 are inferred from the surface areas of the workpiece 7 to be measured that are critical for a measurement.

Bei einem weiteren Schritt 48 des erfindungsgemäßen Verfahrens 40 kann optional oder alternativ zum Vorbereitungsschritt 46 zur Ausrichtung des Triangulations-Laserscanners 1 bzw. der Laserlinie 16 auf CAD Daten des Werkstücks 7 zurückgegriffen werden.In a further step 48 of the method 40 according to the invention, CAD data of the workpiece 7 can be used optionally or as an alternative to the preparation step 46 for aligning the triangulation laser scanner 1 or the laser line 16.

Ferner kann mindestens ein äußeres Messsystem, zum Beispiel das Koordinatenmessgerät 20 der 8, zur Referenzierung des mindestens einen Triangulations-Laserscanners 1 relativ zum Werkstück vorgesehen sein, wobei die mindestens eine Auswerteeinheit 30 die reduzierten Datenmengen des mindestens einen Triangulations-Laserscanners 1 und/oder von mehreren Triangulations-Laserscannern 1 anhand der Referenzierungsinformation des äußeren Messsystems lagerichtig zusammenfügt.Furthermore, at least one external measuring system, for example the coordinate measuring machine 20 8th , for referencing the at least one triangulation laser scanner 1 relative to the workpiece, the at least one evaluation unit 30 combining the reduced data quantities of the at least one triangulation laser scanner 1 and / or several triangulation laser scanners 1 in the correct position based on the referencing information of the external measuring system.

Mit Hilfe eines solchen Koordinatenmessgeräts 20 der 8 als äußerem Messsystem können zum Beispiel die zusammengefügten Datenmengen entsprechend der 5 gewonnen werden. Darüber hinaus kann es allerdings bei der Erfassung von Oberflächenkoordinaten ausgedehnter Werkstücke wie zum Beispiel Flugzeugrümpfen oder -tragflächen in Schritt 50 des erfindungsgemäßen Verfahrens 40 mittels mehrere voneinander unabhängiger Triangulations-Laserscannern 1 auch vorkommen, dass nur ein Teilbereich von einem Triangulations-Laserscanner 1 erfasst wird und das weitere Teilbereiche oder der restliche Teilbereich durch einen anderen Triangulations-Laserscanner 1 erfasst werden. Hierbei ist es dann notwendig, dass mindestens ein äußeres Messsystem im Zusammenspiel mit mindestens einer Auswerteeinheit 30 für die Zusammenführung der erfassten Daten in einem gemeinsamen Koordinatensystem sorgt.With the help of such a coordinate measuring machine 20 the 8th As an external measurement system, for example, the combined amounts of data can be compiled according to the 5 be won. In addition, however, when detecting surface coordinates of extended workpieces such as aircraft fuselages or wings in step 50 of the method 40 according to the invention using several independent triangulation laser scanners 1, it can also happen that only a partial area is detected by a triangulation laser scanner 1 and the further sub-areas or the remaining sub-area are detected by another triangulation laser scanner 1. It is then necessary that at least one external measuring system, in conjunction with at least one evaluation unit 30, ensures that the recorded data is brought together in a common coordinate system.

Darüber hinaus umfasst die vorliegende Erfindung ein Computerprogrammprodukt zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens 40 gemäß 9 auf mindestens einer Steuer- bzw. Auswerteeinheit 30 im Zusammenhang mit einem Triangulations-Laserscanner 1 gemäß 8 aufweisend einen CMOS Sensorchip 11, eine Abbildungsoptik 9 und eine Laserlinien-Lichtquelle 3 zur Erzeugung einer Laserlinie 16 auf einem zu vermessenden Werkstück 7, wobei der CMOS Sensorchip 11 und die Laserlinien-Lichtquelle 3 in Relation zur Abbildungsoptik 9 unter einer Scheimpflug-Bedingung angeordnet sind.In addition, the present invention includes a computer program product for carrying out the method 40 according to the invention 9 on at least one control or evaluation unit 30 in connection with a triangulation laser scanner 1 according to 8th comprising a CMOS sensor chip 11, an imaging optics 9 and a laser line light source 3 for generating a laser line 16 on a workpiece 7 to be measured, the CMOS sensor chip 11 and the laser line light source 3 being arranged in relation to the imaging optics 9 under a Scheimpflug condition .

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 2011267431 [0027, 0033]US 2011267431 [0027, 0033]
  • US 20110267431 [0035]US 20110267431 [0035]

Claims (12)

Verfahren (40) zum Betrieb mindestens eines Triangulations-Laserscanners (1) als Teil mindestens eines Koordinatenmessgeräts (18) zur Messung von Oberflächenkoordinaten eines zu vermessenden Werkstücks (7) umfassend folgende Schritte: • Bereitstellen (42) mindestens eines Triangulations-Laserscanners (1) mit einem Sensorchip (11), einer Abbildungsoptik (9), und einer Laserlinien-Lichtquelle (3) zur Erzeugung einer Laserlinie (16) auf dem zu vermessenden Werkstück (7); • Bereitstellen (44) eines Werkstücks (7), dessen zu vermessende Oberfläche mindestens einen Bereich (15) mit optisch transparentem Material aufweist; • Erfassen (50) der Oberfläche des mindestens einen Bereichs (15) des zu vermessenden Werkstücks (7) mittels des mindestens einen Triangulations-Laserscanners (1) durch Relativbewegung des mindestens einen Triangulations-Laserscanners (1) zu dem zu vermessenden Werkstück (7) oder umgekehrt, wodurch wenigstens ein Teil der Oberfläche des mindestens einen Bereichs (15) des Werkstücks (7) mit der Laserlinie (16) überstrichen und hierbei zwei laterale Ist-Positionen der Bildpunkte (16*) der Laserlinie (16) auf dem Sensorchip (11) erfasst werden; • Erzeugen (54) von Oberflächenkoordinaten des mindestens einen Bereichs (15) des zu vermessenden Werkstücks (7) anhand der auf dem Sensorchip (11) erfassten Bildpunkte (16*) der Laserlinie (16) mittels mindestens einer Auswerteeinheit (30), wobei die Oberflächenkoordinaten anhand der lateralen Ablage einer der beiden erfassten Ist-Positionen der Bildpunkte (16*) gegenüber der Nominal-Position der Bildpunkte der Laserlinie (16) berechnet werden.Method (40) for operating at least one triangulation laser scanner (1) as part of at least one coordinate measuring machine (18) for measuring surface coordinates of a workpiece (7) to be measured, comprising the following steps: • Providing (42) at least one triangulation laser scanner (1) with a sensor chip (11), imaging optics (9), and a laser line light source (3) for generating a laser line (16) on the workpiece (7) to be measured; • Providing (44) a workpiece (7) whose surface to be measured has at least one area (15) with optically transparent material; • Detecting (50) the surface of the at least one region (15) of the workpiece (7) to be measured by means of the at least one triangulation laser scanner (1) by moving the at least one triangulation laser scanner (1) relative to the workpiece (7) to be measured. or vice versa, whereby at least part of the surface of the at least one area (15) of the workpiece (7) is swept over with the laser line (16) and thereby two lateral actual positions of the image points (16*) of the laser line (16) on the sensor chip ( 11) be recorded; • Generating (54) surface coordinates of the at least one area (15) of the workpiece (7) to be measured based on the image points (16*) of the laser line (16) detected on the sensor chip (11) by means of at least one evaluation unit (30), whereby the Surface coordinates are calculated based on the lateral offset of one of the two recorded actual positions of the image points (16*) compared to the nominal position of the image points of the laser line (16). Verfahren (40) nach Anspruch 1, wobei das Verfahren (40) einen weiteren Schritt umfasst, bei dem mindestens eine lokale Dicke des optisch transparenten Materials des mindestens einen Bereichs (15) anhand beider erfassten Ist-Positionen der Bildpunkte (16*) berechnet wird.Procedure (40) according to Claim 1 , wherein the method (40) comprises a further step in which at least one local thickness of the optically transparent material of the at least one region (15) is calculated based on both recorded actual positions of the image points (16*). Verfahren (40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren (40) in einem weiteren Schritt (48) beim Ausrichten des Triangulations-Laserscanners (1) gegenüber dem mindestens einen Bereich (15) des zu vermessenden Werkstücks (7) auf CAD Daten des Werkstücks (7) zurückgreift.Method (40) according to one of the preceding claims, wherein the method (40) in a further step (48) aligns the triangulation laser scanner (1) with respect to the at least one area (15) of the workpiece (7) to be measured on CAD data of the workpiece (7). Verfahren (40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in einem weiteren Schritt die erstellten Daten zusammen mit einer Darstellung der Oberflächenkoordinaten der erfassten Oberfläche gegenüber einem Nutzer visualisiert werden und dabei der mindestens eine Bereich (15) mit optisch transparentem Material gegenüber dem Nutzer gekennzeichnet wird.Method (40) according to one of the preceding claims, wherein in a further step the data created is visualized together with a representation of the surface coordinates of the detected surface to a user and the at least one area (15) is marked to the user with optically transparent material . Verfahren (40) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der für die eigentliche Messung vorgesehene Messablauf in einem weiteren Schritt des Verfahrens (40) anhand eines für das Werkstücks (7) notwendigen Prüfplans und anhand von CAD Daten des Werkstücks simuliert und gegebenenfalls im Hinblick auf die Ausrichtung des Triangulations-Laserscanners (1) gegenüber dem mindestens einen Bereich (15) des zu vermessenden Werkstücks (7) optimiert wird.Method (40) according to one of Claims 2 until 4 , wherein the measurement sequence intended for the actual measurement is simulated in a further step of the method (40) using a test plan necessary for the workpiece (7) and based on CAD data of the workpiece and, if necessary, with regard to the alignment of the triangulation laser scanner (1) is optimized relative to the at least one area (15) of the workpiece (7) to be measured. Verfahren (40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in einem weiteren Schritt ein Verlauf der lokalen Dicke des optisch transparenten Materials des mindestens einen Bereichs (15) des zu vermessenden Werkstücks (7) ermittelt und / oder gegenüber einem Nutzer visualisiert wird.Method (40) according to one of the preceding claims, wherein in a further step a course of the local thickness of the optically transparent material of the at least one region (15) of the workpiece (7) to be measured is determined and / or visualized for a user. Verfahren (40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Übertragung der Datenmenge der Bildaufnahmen des Triangulations-Laserscanners (1) zu mindestens einer Auswerteeinheit (30) des mindestens einen Koordinatenmessgeräts (18) drahtlos erfolgt.Method (40) according to one of the preceding claims, wherein the data volume of the image recordings of the triangulation laser scanner (1) is transmitted wirelessly to at least one evaluation unit (30) of the at least one coordinate measuring machine (18). Verfahren (40) nach Anspruch 7, wobei die mindestens eine Auswerteeinheit (30) des mindestens einen Koordinatenmessgeräts die Datenmengen von mehreren Triangulations-Laserscannern (1) parallel verarbeiten kann.Procedure (40) according to Claim 7 , wherein the at least one evaluation unit (30) of the at least one coordinate measuring machine can process the data volumes from several triangulation laser scanners (1) in parallel. Verfahren (40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens ein äußeres Messsystem (20) zur Referenzierung des mindestens einen Triangulations-Laserscanners (1) relativ zum Werkstück (7) vorhanden ist und die mindestens eine Auswerteeinheit (30) Datenmengen des mindestens einen Triangulations-Laserscanners (1) und/oder von mehreren Triangulations-Laserscannern (1) anhand von Referenzierungsinformationen lagerichtig zusammenfügen kann.Method (40) according to one of the preceding claims, wherein at least one external measuring system (20) is present for referencing the at least one triangulation laser scanner (1) relative to the workpiece (7) and the at least one evaluation unit (30) receives data quantities from the at least one triangulation -Laser scanner (1) and/or several triangulation laser scanners (1) can be put together in the correct position based on referencing information. Computerprogrammprodukt zur Ausführung eines der Verfahren (40) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 auf mindestens einer Steuer- bzw. Auswerteeinheit (30) .Computer program product for executing one of the methods (40) according to one of the Claims 1 until 9 on at least one control or evaluation unit (30). Messsystem (18) umfassend ein Computerprogrammprodukt nach Anspruch 10 und mindestens einen Triangulations-Laserscanner (1).Measuring system (18) comprising a computer program product Claim 10 and at least one triangulation laser scanner (1). Messsystem (18) nach Anspruch 11 umfassend mindestens ein äußeres Messsystem (20) zur Referenzierung mindestens einen Triangulations-Laserscanners (1) relativ zum Werkstück, wobei mindestens eine Auswerteeinheit (30) die Daten des mindestens einen Triangulations-Laserscanners (1) und/oder von mehreren Triangulations-Laserscannern (1) anhand der Referenzierungsinformation lagerichtig zusammenfügt.Measuring system (18). Claim 11 comprising at least one external measuring system (20) for referencing at least one triangulation laser scanner (1) relative to the workpiece, wherein at least one evaluation unit (30) receives the data from the at least one triangulation laser scanner (1) and/or from several triangulation laser scanners (1) are assembled in the correct position based on the referencing information.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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