DE19816951A1 - Arrangement to measure contactless optical position, movement direction and speed - Google Patents

Arrangement to measure contactless optical position, movement direction and speed

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Abstract

The arrangement has a part, which illuminates the object (3) with one or more at least approximately collimated beams. The beam cross-section and inclination are selected so that the object obscures a varying fraction of the beam along the measurement path. The intensity of the part of the beam not obscured by the object is measured to derive the object's position, movement direction and speed.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur optischen Positions-, Bewegungsrichtungs- und Geschwindigkeitsbestimmung eines sich linear bewegenden Meßobjektes. Die Anordnung ist verwendbar für ein Meßobjekt beliebiger Kontur, das während der Translation keine Drehbewegung relativ zum Koordinatensystem der Anordnung ausführt.The invention relates to an arrangement for optical position, direction of movement and Determining the speed of a linearly moving test object. The arrangement is Can be used for a measurement object of any contour that does not exist during translation Performs rotational movement relative to the coordinate system of the arrangement.

Die Anordnung ist auch verwendbar für Meßobjekte, die während der Translation eine Drehbewegung ausführen, wenn die Meßobjektkontur rotationssymmetrisch ist und die Drehbewegung um die rechtwinklig zur Translationsrichtung ausgerichtete Symmetrieachse erfolgt.The arrangement can also be used for measuring objects which are a during translation Carry out a rotary movement when the measurement object contour is rotationally symmetrical and the Rotational movement around the axis of symmetry aligned perpendicular to the direction of translation he follows.

Ein bevorzugter Anwendungsfall ist die optische Positions-, Bewegungsrichtungs- und Geschwindigkeitsbestimmung einer sich linear bewegenden Kugel, insbesondere einer rollenden Kugel.A preferred application is the optical position, direction of movement and Determining the speed of a linearly moving ball, in particular a rolling ball Bullet.

Es sind berührungslose optische Meßvorrichtungen bekannt, bei denen an, die Oberfläche des Meßobjektes bestimmte Anforderungen gestellt werden, z. B. DE OS 43 17 064, DE OS 195 27 421 (Oberfläche des Meßobjektes als Hologramm). Die DE OS 195 44 917 A1 verwendet zur Entfernungsmessung ein optisches Interferometerverfahren mittels Laser, wobei die Laserumhüllung einer Reduzierung störender Umwelteinflüsse dient. Neben optischen, beruhrungslosen Meßverfahren auf der Basis von Hologrammen oder Interferenzverfahren sind Verfahren bekannt, bei denen mittels eines Triangulationsmeßsystems die von der Oberfläche des Meßobjektes reflektierte Lichtstrahlung in einer Sammeleinrichtung gebündelt wird und in zwei Erkennungsabschnitten (Nahbereich und Fernbereich) ausgewertet wird (DE OS 43 19 819). Der Nachteil dieser Vorrichtung besteht, aufgrund der Messung reflektierten Lichtes, in einer nicht ausreichenden Unterdrückung von Streulicht und der erfindungsgemäß erforderlichen Homogenität der Reflektionsfläche des Meßobjektes.Non-contact optical measuring devices are known in which the surface of the Measurement object certain requirements are made, for. B. DE OS 43 17 064, DE OS 195 27 421 (Surface of the measurement object as a hologram). DE OS 195 44 917 A1 used for Distance measurement an optical interferometer method using laser, the Laser coating serves to reduce disruptive environmental influences. In addition to optical, are non-contact measurement methods based on holograms or interference methods Known methods in which by means of a triangulation measuring system from the surface of the Measuring object reflected light radiation is bundled in one collecting device and in two Detection sections (close range and long range) is evaluated (DE OS 43 19 819). Of the The disadvantage of this device, due to the measurement of reflected light, is not one sufficient suppression of stray light and the required according to the invention Homogeneity of the reflection surface of the measurement object.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur berührungslosen optischen Positions-, Bewegungsrichtungs- und Geschwindigkeitsbestimmung eines Meßobjektes beliebiger Kontur zu schaffen, das sich relativ zu der Anordnung linear bewegt und während der Translation keine Drehbewegung relativ zu der Anordnung ausführt. Die Anordnung soll auch verwendbar sein für Meßobjekte mit rotationssymmetrischer Kontur, die während der Translation eine Drehbewegung um die rechtwinklig zur Translationsrichtung ausgerichteten Symmetrieachse ausführen.The invention has for its object an arrangement for non-contact optical Any position, direction of movement and speed determination of a measurement object To create a contour that moves linearly relative to the arrangement and during translation performs no rotational movement relative to the arrangement. The arrangement should also be usable  be for measuring objects with a rotationally symmetrical contour that a during translation Rotational movement around the axis of symmetry aligned perpendicular to the direction of translation To run.

Aufgabengemäß soll das Meßobjekt mindestens teilweise opak sein bzw. einen vom Brechungsindex der Umgebung abweichenden Brechungsindex aufweisen. Bei der zu schaffenden Anordnung sollen die Ausführung der Messung oder das Meßergebnis nicht oder nur vernachlässigbar gering von der Oberflächenbeschaffenheit des Meßobjektes beeinflußt werden. Die Ausführung der Messungen soll möglich sein, ohne daß das Meßobjekt zum Zwecke der Durchführung der Messung vorbehandelt werden muß, z. B. durch Aufbringen von Reflektoren, Markierungen u. dgl. Weiterhin wird von der zu erarbeitenden Lösung gefordert, daß über möglichst größere Strecken ein linearer Zusammenhang zwischen den Meßergebnissen und der Position des Meßobjektes besteht.According to the task, the measurement object should be at least partially opaque or one from Refractive index of the environment have different refractive index. With the one to be created Arrangement should not or only the execution of the measurement or the measurement result are negligibly influenced by the surface quality of the test object. The execution of the measurements should be possible without the measurement object for the purpose of Performing the measurement must be pretreated, e.g. B. by applying reflectors, Markings and The like. Furthermore, the solution to be worked out requires that Larger distances possible, a linear relationship between the measurement results and the Position of the target exists.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Mittel gelöst, wobei insbesondere eine von Null verschiedene Neigung des bzw. der Lichtbündel in Bezug auf die Translationsrichtung des Meßobjektes als eines der erfindungswesentlichen Merkmale hervorzuheben ist. Vorzugsweise Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.This object is achieved by the means specified in claim 1, in particular one non-zero inclination of the light beam or beams with respect to the direction of translation of the test object is to be emphasized as one of the features essential to the invention. Preferred embodiments of the invention result from the subclaims.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind Mittel zum Beleuchten des Meßobjektes mittels zweier Lichtbündel vorgesehen sind, deren Achsen symmetrisch zur Translationsrichtung des Meßobjektes angeordnet sind. In dieser Ausführungsform wird das Meßobjekt sowohl aus Richtung des Anfangs als auch des Endes der Meßstrecke beleuchtet, wobei die Querschnitte und Neigungen der Lichtbündel so dimensioniert sind, daß entlang der Meßstrecke die Bahn eines Punktes der Kontur des Meßobjektes innerhalb des bzw. der Durchmesser(s) des/der Lichtbündel(s) verläuft.In a particularly preferred embodiment of the invention, means for illuminating the Measurement object are provided by means of two light beams, the axes of which are symmetrical to Translation direction of the measurement object are arranged. In this embodiment The object to be measured is illuminated from both the beginning and the end of the measuring section, the cross sections and inclinations of the light beams are dimensioned so that along the Measuring path the path of a point of the contour of the measuring object within the or The diameter (s) of the light beam (s) runs.

Die Meßwerte für die den jeweiligen Lichtbündeln zugeordneten Strahlungsleistungen werden mittels einer elektronischen Schaltung aufbereitet, die ein Positionssignal und gegebenenfalls ein Bewegungsrichtungssignal sowie ein Geschwindigkeitssignal erzeugt.The measured values for the radiation powers assigned to the respective light beams are processed by means of an electronic circuit which contains a position signal and, if appropriate Direction of movement signal and a speed signal generated.

Zur Auswertung der Meßergebnisse wird eine elektronische Schaltung verwendet, die die Mittel besitzt, die vom jeweiligen Empfänger detektierten Signale aufzubereiten und ein Positionssignal, ein Bewegungsrichtungssignal und ein Geschwindigkeitssignal zu erzeugen. An electronic circuit is used to evaluate the measurement results has to prepare the signals detected by the respective receiver and a position signal, generate a direction of motion signal and a speed signal.  

Der Vorteil der Erfindung besteht in der schnellen, berührungslosen Messung, ohne daß durch die Messung eine Beeinflussung des Meßobjektes hervorgerufen wird (kraftlose Messung) oder daß an die Oberflächenbeschaffenheit des Meßobjektes spezielle, den Meßprozeß betreffende, Anforderungen gestellt werden.The advantage of the invention is the fast, contactless measurement without the Measurement is caused to influence the test object (powerless measurement) or that special to the surface condition of the measurement object, relating to the measurement process Requirements are made.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen:The invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment. The associated drawings show:

Fig. 1 Übersichtsdarstellung Fig. 1 overview

Fig. 2 Anordnung des optischen Erkennungssystems beispielhaft für Kanal 2 Fig. 2 arrangement of the optical detection system by way of example for channel 2

Fig. 3 Darstellung der Bestrahlung der Empfängerfläche in Abhängigkeit der Position des Meßobjektes nach Fig. 2 Fig. 3 showing the irradiation of the receiving surface depending on the position of the measurement object shown in FIG. 2

Fig. 4 Positionssignalverläufe der Empfangskanäle Fig. 4 position signal waveforms of the receiving channels

Fig. 5 Positionssignal der Vorrichtung. Fig. 5 position signal of the device.

Entsprechend Fig. 1 enthält die Anordnung zwei Baugruppen S1 und S2 (nachfolgend als Sender bezeichnet) zum Erzeugen zweier Lichtbündel L1 und L2, mit denen das Meßobjekt beleuchtet wird. Die Anordnung enthält auch zwei Baugruppen E1 und E2 (nachfolgend als Empfänger bezeichnet). Der Empfänger E1 ist auf den ihm gegenüberliegenden Sender S1 ausgerichtet und mißt die Strahlungsleistung des auf ihn auftreffenden, vom Meßobjekt 3 nicht abgeschatteten Anteils des Lichtbündels L1. Für die gegenseitige Zuordnung und Funktion von Sender S2, Lichtbündel L2 und Empfanger E2 gilt entsprechendes.According to FIG. 1, the arrangement contains two assemblies S1 and S2 (hereinafter referred to as transmitters) for generating two light bundles L1 and L2, with which the test object is illuminated. The arrangement also contains two assemblies E1 and E2 (hereinafter referred to as the receiver). The receiver E1 is aligned with the transmitter S1 opposite it and measures the radiation power of the portion of the light bundle L1 that strikes it and is not shadowed by the measurement object 3 . The same applies to the mutual assignment and function of transmitter S2, light bundle L2 and receiver E2.

Die Sender S1 und S2 enthalten als Lichtquelle z. B. Laserdioden, die vorzugsweise zur Unterdrückung von Streulicht moduliertes Licht unterschiedlicher Modulationsfrequenz erzeugen. Die Empfänger E1 und E2 bestehen aus jeweils einer Sammeleinrichtung (Linse) und einem optischen Sensor. Als Meßobjekt (3) dient eine Kugel, ein Rad oder ein sonstiger konturenscharfer Gegenstand, der zwischen den Sendern und Empfängern auf einer linearen Führung bewegt wird oder sich bewegt. Weil die Achsen (5) der Lichtbündel L1 und L2 zur Translationsrichtung (4) des Meßobjektes (3) geneigt sind, schattet das Meßobjekt die Lichtbündel in Abhängigkeit von seiner aktuellen Position ab (5.1), so daß aus den Meßwerten für die Strahlungsleistung des vom Meßobjekt (3) nicht abgeschatteten Anteils der Lichtbündel L1 und L2 eine Lage- und Bewegungsdetektierung mittels der elektronischen Auswertungs­ einrichtung (6) möglich ist. Dazu werden die von den Sendern S1 und S2 erzeugten Lichtbündel L1 und L2 so justiert, daß die jeweilige Mittelachse dieser Lichtbündel auf den Mittelpunkt des zugeordneten Empfängers zeigen und die Lichtbündel gleichzeitig durch die Bahn eines Punktes der Kontur des bewegten Meßobjektes geschnitten werden (Fig. 2).The transmitters S1 and S2 contain z. B. laser diodes, which preferably produce modulated light of different modulation frequency to suppress scattered light. The receivers E1 and E2 each consist of a collecting device (lens) and an optical sensor. A ball, a wheel or another sharp object is used as the measurement object ( 3 ), which is moved or moves on a linear guide between the transmitters and receivers. Because the axes ( 5 ) of the light bundles L1 and L2 are inclined to the translation direction ( 4 ) of the measurement object ( 3 ), the measurement object shadows the light bundle depending on its current position ( 5.1 ), so that from the measured values for the radiation power of the Measurement object ( 3 ) unshadowed portion of the light bundles L1 and L2 a position and movement detection by means of the electronic evaluation device ( 6 ) is possible. For this purpose, the light bundles L1 and L2 generated by the transmitters S1 and S2 are adjusted so that the respective central axis of these light bundles point to the center of the assigned receiver and the light bundles are simultaneously cut through the path of a point on the contour of the moving measurement object ( FIG. 2 ).

Zur Justage und zum Abgleich der optischen Achsen des Meßsystems und zur Fokussierung der jeweiligen Lichtbündel besitzen sowohl die Sender als auch die Empfänger Einstellvorrichtungen.For adjustment and adjustment of the optical axes of the measuring system and for focusing the Both the transmitter and the receiver have adjustment devices for the respective light bundle.

Durch Justage der Sender und Empfänger werden Querschnitt und Neigung der Lichtbündel L1 und L2 so eingestellt, daß die Bahn eines Punktes der Kontur des Meßobjektes entlang einer gedachten Diagonale dieses Lichtbündels verläuft (Fig. 1/Fig. 2). Der Meßbereich der Anordnung ist durch die Forderung begrenzt, daß die Bahn eines Punktes der Kontur des Meßobjektes im Lichtbündel liegt.By adjusting the transmitter and receiver, the cross section and inclination of the light bundles L1 and L2 are set so that the path of a point on the contour of the measurement object runs along an imaginary diagonal of this light bundle ( Fig. 1 / Fig. 2). The measuring range of the arrangement is limited by the requirement that the path of a point on the contour of the measuring object lies in the light beam.

Die Messungen im Nahbereich von Meßobjekt und Empfänger (Strecken s01 bis s1/2 bzw. s2/2 bis s022) führen aus unterschiedlichen Gründen zu ungenauen Meßergebnissen (Fig. 4). Ein besonderer Vorzug der symmetrischen Ausführung entsprechend Fig. 1 besteht daher darin, daß die elektronische Auswerteeinrichtung (6) die Meßwerte aus diesen Nahbereichen von der Verarbeitung ausschließt und nur Meßwerte aus den genauen Meßbereichen des jeweiligen Empfängers nutzt (Strecken s1/2 bis s1 bzw. s2 bis s2/2 in Fig. 4 und Fig. 5).The measurements in the vicinity of the DUT and the receiver (s lines 01 to s 1/2 and s 2/2 s to 02 2) result for various reasons in inaccurate measurements (Fig. 4). Therefore, a particular advantage of symmetric type according to Fig. 1 consists in that the electronic evaluation device (6) excludes the measured values from these vicinities of the processing, and only measurement values from the exact measurement ranges of the respective recipient uses (distances S 1/2 to s 1 or s 2 to s 2/2 in Fig. 4 and Fig. 5).

Claims (7)

1. Anordnung zur optischen Positions-, Bewegungsrichtungs- und Geschwindigkeitsbestimmung eines sich relativ zu dieser Anordnung linear bewegenden Meßobjektes, insbesondere eines sich linear bewegenden rotationssymmetrischen Meßobjektes mit zusätzlicher Drehbewegung um eine rechtwinklig zur Translationsrichtung ausgerichtete Symmetrieachse des Meßobjektes, mit
  • - Mitteln zum Beleuchten des Meßobjektes mittels eines oder mehrerer mindestens näherungsweise kollimierter Lichtbündel, deren Querschnitte und Neigungen in Bezug auf die Translationsrichtung des Meßobjektes so dimensioniert sind, daß das Meßobjekt von jedem der Lichtbündel einen entlang der Meßstrecke variierenden Anteil des jeweiligen Lichtbündelquerschnittes abschattet, und
  • - Mitteln zum Messen der Strahlungsleistung des vom Meßobjekt nicht abgeschatteten Anteils dieser Lichtbündel sowie einer Auswerteeinrichtung (6) zur Bestimmung von Position, Bewegungsrichtung und Bewegungsgeschwindigkeit des Meßobjektes aus diesen Meßwerten.
1. Arrangement for optical determination of position, direction of movement and speed of a measurement object moving linearly relative to this arrangement, in particular a linearly moving rotationally symmetrical measurement object with additional rotary movement about an axis of symmetry of the measurement object oriented at right angles to the translation direction
  • - Means for illuminating the measurement object by means of one or more at least approximately collimated light beams, the cross sections and inclinations of which are dimensioned with respect to the translation direction of the measurement object so that the measurement object shadows a portion of the respective light beam cross section of each of the light beams that varies along the measurement path, and
  • - Means for measuring the radiation power of the portion of this light beam not shadowed by the measurement object and an evaluation device ( 6 ) for determining the position, direction of movement and speed of movement of the measurement object from these measurement values.
2. Anordnung zur optischen Positions-, Bewegungsrichtungs- und Geschwindigkeitsbestimmung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Querschnitt und Neigung mindestens eines der Lichtbündel so dimensioniert sind, daß entlang der Meßstrecke die Bahn eines Punktes der Kontur des Meßobjektes innerhalb des/der Durchmesser(s) des/der Lichtbündel(s) verläuft.2. Arrangement for optical position, direction of movement and speed determination according to claim 1, characterized in that the cross section and inclination of at least one of the Beams of light are dimensioned such that the path of a point of the Contour of the measurement object runs within the diameter (s) of the light beam (s). 3. Anordnung zur optischen Positions-, Bewegungsrichtungs- und Geschwindigkeitsbestimmung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Beleuchten des Meßobjektes dasselbe sowohl aus Richtung des Anfangs als auch des Endes der Meßstrecke beleuchten.3. Arrangement for optical position, direction of movement and speed determination according to claim 1 or 2, characterized in that the means for illuminating the The object to be measured is the same from both the direction of the beginning and the end of the measuring section illuminate. 4. Anordnung zur optischen Positions-, Bewegungsrichtungs- und Geschwindigkeitsbestimmung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Beleuchten des Meßobjektes mittels zweier Lichtbündel vorgesehen sind, deren Achsen symmetrisch zur Translationsrichtung des Meßobjektes angeordnet sind. 4. Arrangement for optical position, direction of movement and speed determination according to claim 3, characterized in that means for illuminating the measurement object are provided by means of two light beams, the axes of which are symmetrical to Translation direction of the measurement object are arranged.   5. Anordnung zur optischen Positions-, Bewegungsrichtungs- und Geschwindigkeitsbestimmung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Lichtbündel moduliert ist.5. Arrangement for optical position, direction of movement and speed determination according to one of the preceding claims, characterized in that at least one of the Beam is modulated. 6. Anordnung zur optischen Positions-, Bewegungsrichtungs- und Geschwindigkeitsbestimmung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßobjekt (3) ruht und die Mittel zum Beleuchten des Meßobjektes sowie zum Messen der Strahlungsleistung eine Relativbewegung zum Meßobjekt ausführen.6. Arrangement for optical position, direction of movement and speed determination according to one of the preceding claims, characterized in that the measurement object ( 3 ) rests and the means for illuminating the measurement object and for measuring the radiation power perform a relative movement to the measurement object. 7. Anordnung zur optischen Positions-, Bewegungsrichtungs- und Geschwindigkeitsbestimmung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung Mittel aufweist, um Meßwerte von der Auswertung auszuschließen, welche von einem Bereich der Meßstrecke mit reduzierter Meßgenauigkeit herrühren.7. Arrangement for optical position, direction of movement and speed determination according to one of the preceding claims, characterized in that the Evaluation device has means to exclude measured values from the evaluation, which originate from an area of the measuring section with reduced measuring accuracy.
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