DE19642585A1 - Optischer Meßschieber - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur einfachen, berührungslosen, optischen Breitenvermes­ sung von dreidimensionalen Objekten mit vorzugsweise ebenen Begrenzungsflachen nach dem Prin­ zip der aktiven Triangualation, wobei die zu messenden Ebenen mit einer linienförmigen Markierung am Meßort versehen werden, die senkrecht auf diese Ebene projiziert werden, vorzugsweise in Rich­ tung der fortlaufenden Breitenmessung (Bewegungsrichtung), und diese Markierungen jeweils von ei­ nem positionsempfindlichen optischen Sensor (vorzugsweise Flächen-CCD-Kamera) aufgenommen werden, welche erfindungsgemäß über dem Objekt in der zu messenden Ebene positioniert werden, wobei Markierung und Schärfenebene zusammenfallen. Durch Verbindung der optischen Sensoren mit einer Einrichtung zur Breitenverstellung und einer Datenverarbeitung stellt die Einrichtung ein leistungsfähiges Sensorsystem zur Breitenmessung dar.

Die Erfindung wird wegen ihrer Ähnlichkeit in Anordnung und Gebrauch zu einem mechanischen Meßschieber hier "optischer Meßschieber" genannt.

Der Stand der Technik läßt sich entnehmen aus der Veröffentlichung "Bildverarbeitung, Symposium 8. bis 10. Nov. 1989/Technische Akademie Esslingen/ISBN 3-924813-22-1, S. 7.1 bis 7.26".

Danach ist die aktive Triangulation ein sehr bekanntes Verfahren für die 3-D-Vermessung von Objek­ ten, wobei im einfachsten Fall ein Lichtpunkt auf das Objekt projiziert wird, der unter einem dazu ab­ weichenden Winkel beobachtet und vermessen wird. Wird statt eines Lichtpunktes eine Linie proji­ ziert, führt das zum Lichtschnittverfahren. Nachteilig bei der Breitenmessung mit diesem Verfahren ist, daß kleine Abweichungen der Projektionsrichtung grobe Meßfehler erzeugen. Außerdem führen unsaubere Kanten bei üblichen Meßanordnungen im Lichtschnittverfahren zu groben Meßfehlern der Breite. Diesen Meßfehler vermeidet ein Verfahren mit parabolförmigem Spiegel gemäß Patent WO 94/24516, was allerdings zwei aufwendige, parabolisch geformte Spiegel erfordert, die über die gesamte Meßbreite ausgedehnt sein müssen. Außerdem arbeitet dieses Meßprinzip im Durchlichtverfahren mit dem Nachteil, daß bei "schiefen" Seiten oder beim Verkanten des Meßobjektes ein grober Meßfehler durch Abschattung entsteht.

Von Koordinatenmeßmaschinen mit optischen Sensoren bzw. Meßmikroskopen ist die erfindungsge­ mäße Positionierung des Sensors über dem Objekt exakt in der zu messenden Ebene bekannt, wobei zur Breitenmessung im ersten Fall die exakte Verschiebung des Sensors über dem Objekt, im zweiten Fall die exakte Verschiebung des Objektes unter dem Sensor notwendig ist. Hierbei ist ein großer ge­ rätetechnischer Aufwand bei gleichzeitig hoher Flexibilität verwirklicht. Als Beleuchtung kommen die bekannten Verfahren zur Anwendung (Auflicht/Durchlicht/Hell- oder Dunkelfeld/gerichtetes oder diffuses Licht), so daß bei "schiefen" Seiten oder beim Verkanten ebenfalls ein grober Meßfehler durch Abschattung entsteht. In keinem Fall ist dabei die erfindungsgemäße Projektion einer punkt- oder linienförmigen Markierung für den Meßort bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei der optischen Breitenmessung mit der aktiven Trian­ gulation die groben Meßfehler durch Abweichen der Projektionseinrichtung oder durch unsaubere Kanten oder durch Abschattung bei "schiefen" Seiten oder beim Verkanten zu vermeiden und gleich­ zeitig den hohen gerätetechnischen Aufwand bekannter Systeme zu vermeiden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die zu messenden Ebenen mit einer lini­ enförmigen Markierung am Meßort versehen werden, die senkrecht auf diese projiziert werden, vor­ zugsweise in Richtung der fortlaufenden Breitenmessung (Bewegungsrichtung), und diese Markierun­ gen jeweils von einem positionsempfindlichen Sensor (vorzugsweise Flächen-CCD-Kamera) aufge­ nommen werden, welche erfindungsgemäß über dem Objekt in der zu messenden Ebene auf Soll-Breite positioniert werden, wobei Markierung und Schärfenebene zusammenfallen (Anspruch 1).

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch die linienförmige Markierung der Meßort eng begrenzt ist und grobe Meßfehler durch unsaubere Kanten oder durch Abschattung bei "schiefen" Seiten oder Verkanten des Meßobjektes vermieden werden. Durch die er­ findungsgemäße Positionierung der CCD-Kameras in der Ebene der Begrenzungsfläche wird die Markierung nur als sehr schmales Band an der diffus reflektierenden Oberfläche erkannt, so daß Positionierungsfehler der Markiereinrichtung keine groben Meßfehler erzeugen, wie das bei üblichen Triangulationsverfahren der Fall ist. Durch die linienförmige Ausdehnung in Richtung der Bewegung können viele Meßorte gleichzeitig erfaßt und integriert werden, was gegenüber bekannten, linienför­ migen Markierungen quer zur Bewegungsrichtung eine bedeutend geringere Häufigkeit (Frequenz) der Abtastung und damit einfachere Sensoren und Bildverarbeitungssysteme ermöglicht.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in der Schutzansprüchen 2 bis 11 angegeben. Durch Neigung der Anordnung gemäß Anspruch 2 liegt die Markierunglinie schräg zur Bewegungs­ richtung, so daß die Objektbreite statt auf einer Linie auf einem Band mit der Breite, gebildet aus der Länge der Markierungslinie mal dem Tangens des Neigungswinkels, gemessen wird, wodurch ein größerer Bereich der breitenbestimmenden Begrenzungsflächen bei Bedarf erfaßt wird.

Durch Anpassung der Länge der Markierungslinie an die Meßaufgabe (optisch oder elektronisch) nach Anspruch 3 können auch solche Objekte vermessen werden, deren ebene Begrenzungsflächen begrenzt oder wie bei gekrümmten Oberflächen punktförmig ausfallen.

Durch die vorteilhafte Verwendung von CCD-Flächensensoren nach Anspruch 4 wird die breitenbe­ stimmende Markierungslinie in Zeilenrichtung erfaßt, wodurch zeilenweise eine Vorverarbeitung (Integration) der Meßdaten, insbesondere bei Bewegung stattfindet und wodurch spaltenweise die Breitenschwankung direkt proportional zum Abbildungsmaßstab der verwendeten Optik angezeigt wird, was die Meßwertverarbeitung vereinfacht. Durch synchrones Erfassen der breitenbestimmenden Markierungen durch beide CCD-Kameras gemäß Anspruch 5 bleiben kleine Querbewegungen, Ver­ kantungen oder Schwingungen des Meßobjektes ohne Einfluß auf die Breitenmessung.

Für die linienförmige Markierungseinrichtung gemäß Anspruch 6 sind unterschiedliche Projektions­ einrichtung, z. B. Laserstrich oder Lichtleiter mit linienförmiger Aufweitung oder eine LED-Zeile mit passendem Projektionsobjektiv vorgesehen, wobei die aufgebrachte Lichtenergie ausreichen muß, ein ausreichendes Signal in der CCD-Kamera zu erzeugen, abhängig vom diffusen Reflektionsvermögen der zu messenden Oberfläche. Dieses ist bei vielen Oberflächen wie Stein, Keramik, Ziegel, Holz, Pappe oder Papier der Fall, wodurch sich bereits ein breites Anwendungsspektrum ergibt.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des "Optischen Meßschiebers" besteht nach Anspruch 7, wenn eine gepulst ansteuerbare Zeile aus einzelnen Lichtquellen für die Markiereinrichtung verwendet wird, wo­ bei diese in geeigneter Relation zur Bewegungsrichtung und -geschwindigkeit getaktet wird, so daß sich strukturierte Linienbeleuchtungen bis hin zu einem mitlaufenden Linienabschnitt oder Punkt er­ geben. Damit wird das breitenbestimmende Signal abhängig von der Oberflächenstruktur gesteuert und ausgewertet.

Weisen die zu messenden Oberflächen nur ein geringes diffuses Reflexionsvermögen auf, dann kön­ nen auch diese gemäß Anspruch 8 mit der erfindungsgemäßen Einrichtung gemessen werden, wobei diese Oberflächen für den Augenblick der Messung diffus reflektierend gemacht werden, z. B. durch geeignetes Bedampfen, Einstäuben oder Besprühen.

Eine vorteilhafte Ausführung des "Optischen Meßschiebers" gemäß Anspruch 9 liegt dann vor, wenn mindestens eine der beiden Projektions- und Kameraeinrichtungen auf einer Verstellschiene montiert wird, so daß diese parallel in Richtung der zu messenden Breite verschoben und fixiert werden kann, womit eine einfache Breitenvoreinstellung auf die zu messende Sollbreite ermöglicht wird. Diese Verstellung kann von Hand oder für einen automatisierten Betrieb mit Steilmotor geschehen.

Die Kalibrierung der Einrichtung gemäß Anspruch 10 erfolgt zweckmäßig und einfach dadurch, daß ein geeigneter Prüfkörper mit bekannter Breite zwischen die Markierungen eingelegt wird und die ge­ messene Breite darauf bezogen wird. In einem automatisierten Ablauf überprüft sich die Meßeinrich­ tung in sinnvollen Zeitabschnitten damit selbsttätig.

Eine weitere vorteilhafte Einrichtung entsteht gemäß Anspruch 11 dadurch, daß für die eine zu mes­ sende Begrenzungsfläche die Markierungs- und Kameraeinrichtung durch einen festen oder breiten­ einstellbaren Anschlag ersetzt wird und nur für die andere zu messenden Begrenzungsfläche eine Markierungs- und Kameraeinrichtung aufgewendet werden muß. Diese Ausführungsform kommt vor­ teilhaft zum Einsatz bei zwangsgeführten Objekten, wie z. B. Holzteilen in Aufteilsägen oder Abricht­ bänken, oder bei Höhenmessungen, wenn das Prüfobjekt durch die Schwerkraft auf die Tischfläche als Anschlag gedrückt wird, wie das bei Koordinatenmeßmaschinen der Fall ist, wodurch sich weitere Anwendungsgebiete erschließen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Fig. 1 bis 3 erläutert:

Fig. 1 zeigt schematisch das zu messende Objekt (2), das in seiner Soll-Breite (1) in fortlaufender Bewegungsrichtung (6) senkrecht zur Zeichenebene vermessen werden soll. Dazu werden auf die breitenbestimmenden, vorzugsweise parallelen Flächen (3) auf lotrechter Achse (5) mit geeigneten Projektionseinrichtungen (12) je eine linienförmige Markierung (4) aufgebracht, und zwar erfindungs­ gemäß parallel zur Bewegungsrichtung (6). Jede Projektionseinrichtung (12) ist dabei zweckmäßiger­ weise mit der zugehörigen Kamera (8) fest verbunden.

Senkrecht zur Projektions-Achse (5) und der Bewegungsrichtung (6) ist über den beiden Markie­ rungslinien (4) je eine Kamera verschiebbar und auf Sollbreite fixierbar auf dem Befestigungsrahmen (16) angebracht, deren Optik (11) die Markierung auf einem flächenförmigen CCD-Sensor (10) abbil­ det. Der Sensor ist dabei so ausgerichtet, daß die Markierungslinie in Zeilenrichtung abgebildet wird und im Takt der erfaßten Vorschublänge entsprechend der Markierungslänge (4) ausgelesen wird.

Die Abweichung (13) von der Soll-Breite (1) wird auf dem jeweiligen Sensor (10) in Spaltenrichtung proportional zum Abbildungsmaßstab registriert. Durch gleichzeitiges (synchrones) Auslesen (Takten) beider Kameras wird die Ist-Breite unabhängig von kleinen Querbewegungen, Verkantungen oder Schwingungen des Objekts erfaßt und in einem Bildverarbeitungssystem (14) ausgewertet. Die zuge­ hörigen Versorgungs- und Signalleitungen sind nur schematisch als Linie (15) angedeutet.

Fig. 2 zeigt schematisch die Kalibrierung der Meßeinrichtung, wobei ein Prüfkörper (17) mit bekann­ ter Breite (1) in den Meßraum zwischen die Markierungseinrichtung eingeschwenkt wird. Die sonst zu messenden Prüfobjekte müssen vorher aus dem Meßraum entfernt werden.

Fig. 3 zeigt schematisch, wie die Kamera gemeinsam mit der Projektionseinrichtung um den Winkel (9) geneigt angeordnet wird, so daß die Markierungslinie (4) schräg zur Bewegungsrichtung (6) liegt und dadurch die Objektebene statt auf einer Linie auf einem Band mit der Breite (18) registriert wird.

Claims (11)

1. Einrichtung zur berührungslosen, optischen Breitenmessung (1) von dreidimensionalen, ruhen­ den oder bewegten Objekten (2) mit vorzugsweise ebenen, parallelen Begrenzungsflächen (3) nach dem Prinzip der aktiven Triangulation, wobei auf die zu messenden Begrenzungsflächen jeweils eine optisch abtastbare Markierungslinie (4) lotrecht projiziert wird, die unter einem von der Projektionseinrichtung abweichenden Winkel mit einem positionsempfindlichen Sensor (8) beobachtet und mit einer geeigneten Datenverarbeitung ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Beobachtungsachse (7) sowohl senkrecht zu der Projekti­ onsachse (5) als auch senkrecht zu der Markierungslinie (4) und vorzugsweise senkrecht zur Bewegungsrichtung (6) steht, und zwar jeweils positioniert in der Ebene der Begrenzungsfläche (3) und damit auf der zu messenden Soll-Breite (1), wobei Markierung und Schärfenebene zu­ sammenfallen, und daß die Markierungslinie (4) vorzugsweise in Richtung der fortlaufenden Breitenmessung, d. h. Bewegungsrichtung (6) ausgerichtet ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kameraachse (7) zusammen mit der Markierungslinie (4) um einen Winkel (9) um die Achse (5) drehbar angeordnet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Markierungslinie (4) in ihrer Länge dem zu messenden Objekt optisch oder elektronisch angepaßt wird.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der positionsempfindliche Sensor (8) einen flächenhaft ausgebilde­ ter CCD-Sensor (10) mit angepaßter Optik (11) aufweist, und so orientiert wird, daß die Länge der Markierungslinie (4) in Zeilenrichtung und die Breitenschwankungen (13) in Spaltenrichtung erfaßt werden.

5. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die breitenbestimmenden Markierungslinien (4) von den beiden CCD-Kameras (8) synchron erfaßt werden.

6. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß für die linienförmige Markierungseinrichtung (12) abhängig vom diffusen Reflektionsvermögen der zu messenden Oberfläche unterschiedliche Projektionseinrich­ tungen zum Einsatz kommen.

7. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die linienförmige Projektionseinrichtung aus einer Zeile von ein­ zelnen Lichtquellen, vorzugsweise einer LED-Zeile besteht, die in geeigneter Relation zur Bewe­ gungsrichtung und -geschwindigkeit gepulst angesteuert wird.

8. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei geringem Reflexionsvermögen der Oberfläche diese in geeig­ neter Weise (z. B. durch Bedampfen, Einstäuben oder Besprühen) wenigstens für den Augenblick der Messung ausreichend diffus reflektierend gemacht werden.

9. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der beiden Projektions- und Kameraeinrichtungen parallel mit einer Verstelleinrichtung (16) in Richtung der Achse (5) versehen ist und damit auf die zu messende Soll-Breite (1) voreingestellt wird.

10. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalibrierung der Einrichtung auf eine bestimmte Soll-Breite durch das Einlegen eines geeigneten Prüfkörpers (17) mit bekannter Breite erfolgt.

11. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß an einer der beiden Begrenzungsflächen ein Anschlag statt einer Markierungs- und Kameraeinrichtung verwendet wird.