DE19855478B4

DE19855478B4 - Verfahren und Vorrichtung zur optischen Erfassung einer Kontrastlinie

Info

Publication number: DE19855478B4
Application number: DE19855478A
Authority: DE
Inventors: Bertram Kaupert
Original assignee: Steinbichler Optotechnik GmbH
Current assignee: Steinbichler Optotechnik GmbH
Priority date: 1998-12-01
Filing date: 1998-12-01
Publication date: 2006-01-12
Anticipated expiration: 2018-12-02
Also published as: JP2000186913A; DE19855478A1; US6741363B1; ITMI992478A1; IT1313851B1; ITMI992478A0

Abstract

Verfahren zur optischen Erfassung einer Kontrastlinie, bei dem die flächigen oder räumlichen Koordinaten der Kontrastlinie erfaßt werden, wobei die Erfassung mittels eines Scanners, vorzugsweise eines Laserscanners durchgeführt wird, der die Kontrastlinie linienförmig abtastet, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektion der Kontrastlinie dadurch erfolgt, daß die Intensität des vom Scanner bzw. Laserscanner emittierten Strahls derart gesteuert wird, daß die Intensität des remittierten Strahls auf dem Detektor (40) des Scanners bzw. Laserscanners stets einen konstanten Wert annimmt, wobei die Intensität des emittierten Strahls als Meßgröße zur Detektion der Kontrastlinie dient.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur optischen Erfassung einer Kontrastlinie. Die Erfindung betrifft ferner eine numerisch gesteuerte Maschine, insbesondere eine Werkzeugmaschine, einen Roboter oder eine Meßmaschine, sowie eine handgehaltene Einrichtung zur optischen Erfassung einer Kontrastlinie.

Bei vorbekannten Vorrichtungen zur optischen Erfassung von Kontrastlinien wird die Meßfläche von einem Laserstrahl abgetastet, der beispielsweise von einem verschwenkbar oder rotierbar angeordneten elektrisch gesteuerten Spiegel abgelenkt wird. Je nach Position des Spiegels wird der vom Spiegel reflektierte Laserstrahl in unterschiedlicher Richtung auf die Meßfläche geführt. Bei einer derartigen Vorrichtung besteht ein Nachteil darin, daß der Einstrahlwinkel des auf die Meßfläche treffenden Laserstrahls nicht für alle Meßpunkte identisch ist, sondern sich je nach Anordnung des Spiegels ändert. Hierdurch wird es erforderlich, bei der Auswertung den Einstrahlwinkel zu berücksichtigen.

Aus der DE 40 29 339 A1 ist eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6 bekannt, mit der das Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durchgeführt werden kann. Dabei wird der Punktlichtstrahl, der auf die Meßfläche auftrifft gegenüber der ursprünglichen durch die Strahlenquelle vorgegebenen Einstrahlrichtung ausgelenkt, ohne daß sich dabei der Einstrahlwinkel ändert. Der Punktlichtstrahl erfährt bei dieser vorbekannten Vorrichtung innerhalb einer Ablenkvorrichtung eine Parallelverschiebung, jedoch keine Änderung des Einstrahlwinkels. Mit einer derartigen Vorrichtung ist es möglich, eine ebene Meßfläche exakt zu untersuchen, wobei die Vorrichtung über die Meßfläche bei annähernd gleich bleibendem Abstand bewegt wird.

Die DE 31 51 800 A1 offenbart eine Anordnung zum Ermitteln der Lage eines Werkstückes mittels eines Photodetektors, der Signale erzeugt, die zur Bildung einer Summenspannung und zur Bildung einer Differenzspannung herangezogen werden. Die Summenspannung soll als Regelgröße konstant gehalten werden. Hierzu wird der Wert der Summenspannung einem Verstärker zugeführt, der bei Abweichung von einem gewünschten Wert die Intensität der von der Lichtquelle ausgehenden Strahlung in der gewünschten Weise ändert. Auf diese Weise soll der Einfluß der Intensität des reflektierten Lichtes auf das Meßergebnis eliminiert und der damit verbundene Meßfehler beseitigt werden.

Aus der DE 41 09 483 A1 ist ein Verfahren zur Detektion von Kanten und Bohrungen bekannt, bei dem ein optischer Tastkopf mit konstanter Strahlungsleistung über die Werkstückoberfläche geführt wird. Zusätzlich zu dem Abstandssignal des Tastkopfes wird die Intensität der vom Werkstück rückgestreuten Strahlung ermittelt und abgespeichert. Mit den zusammen mit den Koordinaten der Werkstückoberfläche im Bereich der Kanten und Bohrungen gleichzeitig abgelegten Intensitätsmeßwerten werden die Lagekoordinaten der Kanten und Bohrungen aus sprunghaften Änderungen des Intensitätsverlaufes bestimmt.

Die DE 195 26 526 A1 offenbart eine Vorrichtung zum optischen Abtasten von Meßflächen mit einer Strahlquelle für einen Punktlichtstrahl, einem Detektor zum Erfassen des von einem in der Meßfläche gelegenen Meßpunkt reflektierten Lichtsignals und einer Auswerteeinrichtung zur Lagebestimmung des Meßpunktes aus dem reflektierten Lichtsignal. Sender und Detektor sind in einem Gehäuse enthalten. Das Gehäuse enthält ferner einen Reflektor und/oder Empfänger einer optischen 3-D-Objektverfolgungseinrichtung. Die mittels dieser Einrichtung gewonnenen Informationen über die räumliche Lage des Gehäuses werden ebenfalls der Auswerteeinrichtung zugeführt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur optischen Erfassung einer Kontrastlinie zu verbessern.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und durch eine Vorrichtung nach Anspruch 6 gelöst. Bei dem Verfahren werden die flächigen oder räumlichen Koordinaten der Kontrastlinie erfaßt, wobei die Erfassung mittels eines Scanners, vorzugsweise eines Laserscanners durchgeführt wird, der die Kontrastlinie linienförmig abtastet. Bei einem derartigen Koordinatenmeßsystem lassen sich berührungslos sowohl die Oberflächen eines Meßobjektes, als auch charakteristische Linien auf dem Meßobjekt in ihrer flächigen bzw. räumlichen Ausdehnung erfassen. Die Kontrastlinien können beispielsweise Profillinien oder Rißlinien sein, wobei sowohl schmale Linien, deren Breite unter der Scanbreite der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt, als auch breite Linien bzw. Kontrastunterschiede erfaßbar sind. Der Kontrastunterschied kann auch durch einen Wechsel der Helligkeit der Kontrastfläche oder auch durch Farbunterschiede auf der Meßfläche gebildet werden. Ebenso ist es denkbar, daß die Kontrastlinien durch Konturen bzw. Formunterschiede gebildet werden.

Die Detektion der Kontrastlinie erfolgt dadurch, daß die Intensität des vom Scanner bzw. Laserscanner emittierten Strahls derart gesteuert wird, daß die Intensität des remittierten Strahls auf dem Detektor des Scanners bzw. Laserscanners stets einen konstanten Wert annimmt, wobei die Intensität des emittierten Strahls als Meßgröße zur Detektion der Kontrastlinie dient.

Das Intensitätssignal wird beispielsweise dem Intensitätsregelkreis der Laserelektronik entnommen, welcher dafür sorgt, daß der vorteilhaft als Triangulationslaser ausgeführte Laser trotz wechselnder Materialbeschaffenheit der zu prüfenden Oberfläche und trotz sich ändernder Reflektionswinkel des Laserstrahls zur Oberfläche in weiten Bereichen ein konstantes Distanzsignal liefert. Hohe Intensitäten lassen auf schlechte, niedrige Intensitäten auf gute Remission zurückschließen.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Erfassung der Kontrastlinie mittels eines Distanzsignals und/oder mittels eines Intensitätssignals erfolgt. Beim Digitalisieren von Kontrastlinien werden sowohl das Distanz- als auch das Intensitätssignal aus gewertet. Das Distanzsignal dient der Abstandsregelung während des Bewegungsablaufs sowie der Berechnung der Koordinaten des Meßpunktes. Mit dem Intensitätssignal werden Kontrastübergänge detektiert. Voraussetzung dafür ist, daß der entsprechende Detektor der Vorrichtung, der vorteilhaft als Infrarotdetektor ausgeführt ist, den Kontrastunterschied erkennen kann. Änderungen des Intensitätssignals ergeben sich beispielsweise durch die Übergänge an verschiedenfarbigen Flächen sowie durch Hell-/Dunkel- oder Dunkel-/Hell-Übergänge, aufgeklebte Tapes auf Materialien wie Plastilin und Ureol oder Markierungen mit Edding-Farbstift auf Papier.

In weiterer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, daß die Scanlinie des Scanners bzw. des Laserscanners senkrecht zur Kontrastlinie ausgerichtet wird.

Dabei kann die Scanlinie derart nachgeführt werden, daß diese auch bei einer gekrümmten Kontrastlinie stets senkrecht zu der Kontrastlinie steht, wobei das Nachführen vorzugsweise durch Rotation des Meßkopfes des Scanners bzw. des Laserscanners erfolgt.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Anzahl der linienförmigen Abtastungen (Scanlinien) mit abnehmenden Krümmungsradius der Kontrastlinie zunimmt. Hierdurch wird es möglich, bei kleinen Krümmungsradien eine Vielzahl von Meßpunkten vorzusehen, um das Profil entsprechend genau zu erfassen. Somit wird die Meßvorrichtung in engen Krümmungsradien in ihrer Geschwindigkeit entsprechend reduziert, was die Erfassung von mehr Meßpunkten in diesen Bereichen ermöglicht.

Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur optischen Erfassung einer Kontrastlinie mit einer Strahlungsquelle, vorzugsweise einer Lichtquelle für kohärente Strahlung, vorzugsweise einer Laserdiode, einer Ablenkvorrichtung zur Ablenkung des von der Strahlungsquelle emittierten Strahls sowie mit einem Detektor zur Erfassung der remittierten Strahlen, wobei die Ablenkvorrichtung derart aus geführt ist, daß der von der Strahlungsquelle bzw. Laserdiode emittierte Strahl verschiebbar, vorzugsweise parallel verschiebbar ist und wobei mittels der vom Detektor erfaßten Strahlen die flächigen oder räumlichen Koordinaten der Kontrastlinie erfaßbar sind.

Gemäß der Erfindung ist eine Regeleinheit vorgesehen, durch die die Intensität des von der Strahlungsquelle bzw. Laserdiode emittierten Strahls derart veränderbar ist, daß die Intensität des vom Detektor erfaßten Strahls stets einen konstanten Wert annimmt.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Strahlungsquelle bzw. die Laserdiode, die Ablenkvorrichtung sowie der Detektor in einem Meßkopf angeordnet sind. Die Vorrichtung oder der Meßkopf kann um die Achse des von der Strahlungsquelle bzw. Laserdiode emittierten Strahls rotierbar ausgeführt sein. Der Meßkopf kann derart ausgeführt sein, daß er auf einer Werkzeug- oder Meßmaschine oder einem beliebigen anderen Roboter angeordnet werden kann. Weist die zu untersuchende bzw. die zu erfassende Linie einen gekrümmten Verlauf auf, so kann die Vorrichtung bzw. der Meßkopf mit Hilfe der Rotationsachse so nachgedreht werden, daß dessen Längsachse immer parallel zur Tangente an die Linie im gemessenen Punkt ausgerichtet ist. In diesem Zustand ist die Scanlinie senkrecht zu der zu untersuchenden Kontrastlinie ausgerichtet.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Detektor als Zeilensensor ausgeführt ist. Ebenso ist es denkbar, auch einen Flächensensor einzusetzen. Der erfindungsgemäße Sensor ist vorteilhaft als PSD (Position Sensitive Detector) oder als CCD (Charge Coupled Device) ausgeführt.

In weiterer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, daß die Ablenkvorrichtung derart ausgeführt ist, daß die Scanbreite 10 bis 12 mm beträgt.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Ablenkvorrichtung als rotierendes Prisma ausgeführt ist. Hierdurch wird erreicht, daß je nach Drehposition des Prismas eine Auslenkung der Strahlen erfolgt, ohne daß dabei die Einstrahlrichtung verändert wird. Durch ein derartiges rotierendes Prisma ist es möglich, eine linienförmige Abtastung der Kontrastlinie durchzuführen. Anstelle eines Prismas ist es ebenso denkbar, beliebige andere Ablenkvorrichtungen, mittels derer eine linienförmige Abtastung möglich ist, einzusetzen. Auch ein verschwenkbarer Spiegel ist einsetzbar.

Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine numerisch gesteuerte Maschine, insbesondere eine Werkzeugmaschine, einen Roboter oder eine Meßmaschine, die eine Vorrichtung zur optischen Erfassung einer Kontrastlinie nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 11 aufweist. Derartige NC-Maschinen weisen üblicherweise drei Linear- und zwei Rotationsachsen (Horizontalarm oder Portal) auf. Durch die vorzugsweise vorgesehene Rotierbarkeit des Meßkopfes bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung um die Achse des von der Strahlungsquelle emittierten Strahls wird eine weitere Rotationsachse geschaffen, die es ermöglicht, die Vorrichtung stets in der gewünschten Weise über der Kontrastlinie auszurichten.

Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine handgehaltene Einrichtung zur optischen Erfassung einer Kontrastlinie, die eine Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 11 aufweist. Hierbei ist vorteilhaft eine Detektionseinrichtung vorzusehen, mittels derer die Position der handgehaltenen Einrichtung exakt erfaßbar ist. Dabei kann die handgehaltene Einrichtung eine Mehrzahl von Lichtquellen aufweisen, deren Position mit entsprechenden Erfassungseinrichtungen detektierbar sind. Bei einer derartigen handgehaltenen Einrichtung wird somit mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Position der Kontrastlinie relativ zur handgehaltenen Einrichtung und mittels entsprechender Positionserfassungseinrichtungen die Position der handgehaltenen Einrichtung relativ zu einer Positionserfassungseinrichtung detektiert. Durch Kombination beider Meßergebnisse ist die flächige bzw. räumliche Struktur der Kontrastlinie bestimmbar.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung werden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:
1: Funktionsprinzip des Laserscanners,
2: Kontrasterkennung bei einem Dunkel-/Hell-Übergang,
3: Kontrasterkennung bei einem Hell-/Dunkel-Übergang,
4: Kontrasterkennung bei einem Tape,
5: Berechnung eines Formlinienpunktes mittels Tangentenschnitt,
6: Erfassung einer Rißlinie und
7: Erfassung eines Türspalts.
1 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung zur optischen Erfassung einer Kontrastlinie, die als Meßkopf 10 ausgeführt ist. Der Meßkopf 10 ist in 1, links in einer schematischen Seitenansicht, und in 1, rechts in einer schematischen Frontansicht dargestellt.
Der Meßkopf 10 weist die Laserdiode 20, die Ablenkvorrichtung 30 sowie den Detektor 40 auf, der als PSD (Position Sensitive Detector) ausgeführt ist. Im Strahlengang des von der Laserdiode 20 emittierten Laserstrahls sowie des von der Oberfläche eines Werkstückes remittierten Strahls sind optische Einrichtungen 50 zur Lenkung der Strahlen angeordnet.
Die Ablenkvorrichtung 30 ist als rotierendes Prisma ausgeführt, das sich sowohl im emittierten als auch im remittierten Strahl befindet.
Der Meßkopf 10 ist um eine Achse rotierbar, die mit dem in 1 dargestellten, von der Laserdiode 20 ausgehenden Laserstrahl fluchtet.
Die Intensität des von der Laserdiode 20 emittierten Strahls wird mittels einer nicht dargestellten Regeleinheit derart geregelt, daß die Intensität des auf dem Detektor 40 erfaßten Strahls unabhängig von der Oberflächenbeschaffenheit der untersuchten Oberfläche einen konstanten Wert annimmt. Daraus ergibt sich, daß hohe Intensitäten der Laserdiode 20 auf schlechte, niedrige Intensitäten auf gute Remission zurückschließen lassen.
Der als Triangulationslaser ausgeführte Laser des Meßkopfes 10 liefert dem Controller des Systems zwei unterschiedliche Meßsignale: Ein Distanzsignal, das die Entfernung (standoff) des Detektors 40 zur Oberfläche des Werkstückes angibt sowie ein Intensitätssignal, das ein Maß für den Remissionsgrad des zu messenden Oberflächenmaterials darstellt.
Der von der Laserdiode 20 ausgehende Laserstrahl wird mittels des rotierenden Prismas um einen von der Drehposition des Prismas abhängigen Betrag parallel verschoben, woraus sich die in 1, rechts dargestellte Scanbreite (scan width) ergibt. Trifft der eingehende sowie der aus dem Prisma austretende Laserstrahl senkrecht auf die jeweilige Oberfläche des Prismas erfolgt keine Ablenkung. In allen anderen Positionen wird der Laserstrahl parallel versetzt. Die von der Oberflä che remittierten Strahlen werden vom Detektor 40 erfaßt. Der Meßbereich (measurement range) des Detektors 40 wird durch den oberen und unteren der in 1, links dargestellten remittierten Strahlen angedeutet.
Wird der Laserscanner auf den Kontrastübergang positioniert, so läßt sich mit Hilfe der Scanfunktion die exakte Lage des Übergangs, bezogen auf ein definiertes Koordinatensystem, ermitteln. Eine zweite Position in geringer Entfernung davon liefert die Ausdehnungsrichtung der betrachteten Linie. Wird der Sensor an der Linie entlang bewegt, ergeben sich aneinandergereiht eine Vielzahl von Meßpunkten, die die räumliche Lage der Linie wiedergeben. Jeder Kontrastübergang liefert einen eigenen Meßpunkt, so daß das Ergebnis entweder aus einer oder aus zwei Polylinien besteht, je nachdem, ob eine Farbgrenze oder ein Tape erfaßt wurde. Weist die Linie einen gekrümmten Verlauf auf, so kann der Meßkopf 10 des Laserscanners mit Hilfe der Rotationsachse so nachgedreht werden, daß dessen Längsachse immer parallel zur Tangente an die Linie im gemessenen Punkt ausgerichtet ist.
Zur Erfassung der Kontrastlinie ist es erforderlich, daß zunächst in einem Such- und Zentriervorgang die Kontrastlinie detektiert und die Ausrichtung des Meßkopfes 10 bestimmt wird und anschließend die erfaßten Daten digitalisiert werden.
Dem Digitalisieren einer Kontrastlinie geht zunächst ein Such- und Zentriervorgang voraus, bei dem der zweidimensionale Arbeitsbereich des Laserscanners auf die Mitte der Linie zentriert und parallel zu deren Verlauf ausgerichtet wird. Dazu sind vom Anwender die Startposition, die Anzahl der Kontrastübergänge (einer oder zwei), die Suchgeschwindigkeit, die Digitalisierrichtung des Laserscanners, die Suchrichtung, die maximale Suchstrecke und die Orientierung des Sensors vorzugeben.
Der Meßkopf 10 wird zunächst auf eine definierte Startposition im "Umgebungsmaterial" gesetzt und dann bei eingeschaltetem Laser in vorgegebener Richtung ("links" oder "rechts" – bezogen auf die Meßkopf-Längsachse) in Richtung der Kontrastlinie bewegt. Die Intensität des "Umgebungsmaterials" an der Startposition lie fert die "Nullinie", von der aus die Kontrastunterschiede berechnet werden. Je nachdem ob an der Linie ein Wechsel von hellem nach dunklem oder von dunklem nach hellem Material erfolgt, ermittelt das System unterschiedliche Vorgabewerte für das nachfolgende Digitalisieren. Der oder die Meßpunkte werden immer auf dem "Umgebungsmaterial", unmittelbar neben dem Kontrastübergang ermittelt. Während des Suchvorgangs folgt der Laserscanner der Oberflächenkontur, d.h. der Abstand zur Oberfläche wird mit Hilfe des gemessenen Distanzsignals ständig konstant geregelt. Wurde nach der vorgegebenen maximalen Suchstrecke kein Überschreiben der Intensitätssignalschwelle festgestellt so sucht das System mit um 180° gedrehtem Meßkopf 10 in der Gegenrichtung. Bei Erreichen der Startposition ohne ein Kontrastsignal festzustellen, wird der Suchvorgang endgültig abgebrochen.
2 zeigt den Verlauf der Intensität der Laserdiode 20 beim Übergang Dunkel-Hell und 3 beim Übergang Hell-Dunkel. Erfaßt die erfindungsgemäße Vorrichtung ein Tape, ergibt sich der aus 4 ersichtliche Verlauf der Intensität aufgetragen über der Scanner-Auslenkung. Hier ergeben sich entsprechend der Breite des Tapes zwei Übergänge. In 2–4 sind die Intensitäten über der Auslenkung des Scanners aufgetragen.
Überschreitet der Intensitätskontrast innerhalb des aktuellen Scans den wählbaren Schwellenwert (Signalschwelle), beginnt die Zentrierung. Der Meßkopf 10 wird dabei so ausgerichtet, daß sich der Kontrastübergang bzw. beim Tape die Mitte zwischen linkem und rechtem Kontrastübergang in der Scanmitte befindet.
Die Koordinaten des ersten Meßpunkts werden zwischengespeichert, und der Meßkopf 10 erfährt einen Versatz von wenigen Millimetern entgegen der Suchrichtung und in Digitalisierrichtung, um die Orientierung der Linie in der Projektionsebene für das Anfahren beim späteren Digitalisieren zu ermitteln. An dieser Stelle wird durch einen erneuten Such- und Zentriervorgang ein zweiter Meßpunkt erfaßt. Der gesuchte Winkel der Rotationsachse errechnet sich dann nach folgender Formel:
mit

δ:: Winkel der Rotationsachse
d^T _x,y:: Bewegungsvektor, transformiert ins Meßkopfsystem

Der Bewegungsvektor errechnet sich wie folgt: dx = qx – px dy = qy – py dz = qz – pz mit

d_x,y,z:: Bewegungsvektor
p_x,y,z:: erster Meßpunkt auf der Linie
q_x,y,z:: zweiter Meßpunkt auf der Linie

Zuletzt wird der Meßkopf 10 durch Drehen der Rotationsachse parallel zur Linie gestellt und auf den ersten Stützpunkt zurückpositioniert.
Beim Digitalisieren einer Kontrastlinie folgt der Laserscanner solange deren Verlauf, bis entweder der Arbeitsbereich der Meßmaschine oder ein vom Bediener vorgegebener Bereich verlassen wird, der Linienspeicher vollständig gefüllt ist oder (z.B. am Linienende) eine vorgegebene Signalschwelle unterschritten wird. Dazu sind vom Anwender die Digitalisiergeschwindigkeit, die Art der Filterung, die Digitalisierrichtung und das Flag für die Kopfdrehung vorzugeben.
Der Laserscanner wird in die angegebene Richtung auf Digitalisiergeschwindigkeit beschleunigt und folgt selbständig dem Konturverlauf, d.h. der Abstand zur Oberfläche wird mit Hilfe des gemessenen Distanzsignals ständig konstant geregelt. Der Rechner ermittelt laufend die aktuelle Abweichung der Mitte des Scanbereichs von der Mitte der Linie. Diese Abweichung zusammen mit der aktuellen Bewegungsrichtung erlaubt die Berechnung der neuen Komponenten des Geschwindigkeitsvektors und damit die korrekte Ansteuerung des Meßgeräts.
Die Komponenten des Geschwindigkeitsvektors der Laser-Projektionsebene (x- und y-Meßkopf) werden in festem Zeittakt nach folgenden Formeln berechnet:
mit

V_x,y:: auszugebende Geschwindigkeit
S_x,y:: Geschwindigkeits-Summenvektor
v_x:: aktuelle Geschwindigkeit
v_d:: max. Digitalisiergeschwindigkeit
d:: ermittelte Abweichung von der Linie
p_v:: Faktor für die Regelungsverstärkung
sI:: Länge des Summenvektors

Die Geschwindigkeit in Laserrichtung (z-Meßkopf) errechnet sich nach folgender Formel:
mit

v_z:: z-Komponente der auszugebenden Geschwindigkeit
d_L:: Laser-Meßbereich
d:: gemessener Distanzwert
p_d:: Regelungsverstärkung

Die Rotationsachse wird mit folgender Methode parallel zur Linie ausgerichtet:
mit

v_dax:: Geschwindigkeit der Rotationsachse
d_x,y:: Richtungsvektor
δ:: aktueller Winkel der Rotationsachse
p_dax:: Regelungsverstärkung

Eine positive Digitalisierrichtung ('+') bewirkt eine Bewegung mit der Vorderseite des Laserscanners voraus, eine negative Richtung ('–') entsprechend mit der Rückseite voraus. Bei Angabe beider Richtungen wird, ausgehend vom Startpunkt, nacheinander sowohl vorwärts als auch rückwärts digitalisiert und die Ergebnisse im Rechner zu einer Linie zusammengesetzt. Mit Hilfe der Kopfdrehung kann bei ungünstigen Reflektionsverhältnissen ein Fortsetzen der Digitalisierung mit um 180° gedrehtem Meßkopf 10 veranlaßt werden. Dies gilt sowohl für die Vorwärts- als auch für die Rückwärtsbewegung, so daß sich das Digitalisierergebnis aus bis zu vier Teilen zusammensetzen kann. Wurde eine Filtereinstellung gewählt, erfolgt vor der Datensicherung eine Glättung der gewonnenen Meßdaten.
Verliert der Laserscanner den Kontakt zur Oberfläche, d.h. wird der Meßbereich des Lasers verlassen, stoppt die Meßmaschine, und der laufende Digitalisiervorgang wird abgebrochen. Ebenso erfolgt ein Abbruch, wenn die vorgegebene Signalschwelle unterschritten wird.
Ein weiteres Anwendungsgebiet der erfindungsgemäßen Vorrichtungen ergibt sich bei einem aus der DE-OS 195 25 987 A1 bekannten Verfahren. Hierbei wird die Abtasteinrichtung zumindest annähernd senkrecht bezüglich des Verlaufes einer Raumkontur über diese hinweg bewegt und die Koordinaten einer Folge von Punkten (linker und rechter Tangentenpunkt, linker und rechter Radiuseinlaufpunkt) bestimmt, die auch in den der Raumkontur benachbarten Flächen liegen. Anschließend wird aus dem Tangentenschnitt der zugehörige Raumpunkt (Formlinienpunkt) bestimmt. Derartige Raumprofile treten beispielsweise an Charakterlinien von Fahr zeugen auf. Hierbei ergibt sich beispielsweise das aus 5 ersichtliche dachförmige Meßprofil. Parallel zur ersten Abtastebene wird die Raumkontur längs einer zweiten Abtastebene abgetastet und hier erneut der zugehörige Raumpunkt durch Tangentenschnitt festgelegt. In der durch die beiden Raumpunkte festgelegten Richtung erfolgt eine erneute Abtastung senkrecht zu dieser Richtung, wobei die erfindungsgemäße Vorrichtung ständig die Abweichung des ermittelten Linienpunktes von der Scanmitte berechnet und diese Information zur Steuerung des Meßgerätes nutzt, um dem Linienverlauf zu folgen.
Eine darüber hinaus gehende Einsatzmöglichkeit für die erfindungsgemäßen Vorrichtungen und das erfindungsgemäße Verfahren sind sogenannte Rißlinien. Rißlinien werden mittels eines Anreißwerkzeugs o.ä. in die Oberfläche des Meßobjekts "eingeritzt" bzw. geschnitten. Das charakteristische Meßprofil unterscheidet sich wesentlich von dem der Charakterlinie (s. 6). Der Meßpunkt befindet sich auf einer Verbindungslinie zwischen zwei Punkten auf der Oberfläche des Meßobjekts unmittelbar links und rechts neben dem Riß. Eine Linie senkrecht zur Verbindungslinie durch den Punkt in der Mitte der Einkerbung legt den Meßpunkt eindeutig fest. Die beiden Randpunkte und der Punkt in der Einkerbung lassen sich z.B. durch numerische Ableitung des gemessenen Querschnittprofils bestimmen. Die beschriebene Erfassung der Rißlinien ist beispielsweise im Modellbau interessant, bei dem im Modell angeordnete Rißlinien mit möglichst geringem Aufwand und gleichzeitig hoher Präzision digitalisiert werden müssen.
Weitere Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich im Bereich der Spaltvermessung. Im Automobilbereich lassen sich die Breite von Tür-, Heckklappen- bzw. Frontklappenspalte nur sehr aufwendig und meist mit mechanischen Verfahren bestimmen. Das typische Meßprofil eines solchen Spalts erfordert wiederum ein speziell angepaßtes Auswertverfahren (s. 7).
Sowohl bei Rißlinien wie auch bei der Spaltvermessung kommen das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäßen Vorrichtungen zur automatischen Verfolgung der Linien, zur Abstandsregelung und zur Nachführung der Rotati onsachse zum Einsatz. Die beschriebenen Verfahren unterscheiden sich lediglich durch die Art der Auswertung des Meßprofils.

Claims

Verfahren zur optischen Erfassung einer Kontrastlinie, bei dem die flächigen oder räumlichen Koordinaten der Kontrastlinie erfaßt werden, wobei die Erfassung mittels eines Scanners, vorzugsweise eines Laserscanners durchgeführt wird, der die Kontrastlinie linienförmig abtastet, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektion der Kontrastlinie dadurch erfolgt, daß die Intensität des vom Scanner bzw. Laserscanner emittierten Strahls derart gesteuert wird, daß die Intensität des remittierten Strahls auf dem Detektor (40) des Scanners bzw. Laserscanners stets einen konstanten Wert annimmt, wobei die Intensität des emittierten Strahls als Meßgröße zur Detektion der Kontrastlinie dient.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassung der Kontrastlinie mittels eines Distanzsignals und/oder mittels eines Intensitätssignals erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Scanlinie des Scanners bzw. Laserscanners senkrecht zur Kontrastlinie ausgerichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Scanlinie derart nachgeführt wird, daß diese auch bei einer gekrümmten Kontrastlinie stets senkrecht zu der Kontrastlinie steht, wobei das Nachführen vorzugsweise durch Rotation des Meßkopfes (10) des Scanners bzw. Laserscanners erfolgt.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der linienförmigen Abtastungen mit abnehmendem Krümmungsradius der Kontrastlinie zunimmt.
Vorrichtung zur optischen Erfassung einer Kontrastlinie mit einer Strahlungsquelle, vorzugsweise einer Lichtquelle für kohärente Strahlung, vorzugsweise einer Laserdiode (20), einer Ablenkvorrichtung (30) zur Ablenkung des von der Strahlungsquelle emittierten Strahls sowie mit einem Detektor (40) zur Erfassung der remittierten Strahlen, wobei die Ablenkvorrichtung (30) derart ausgeführt ist, daß der von der Strahlungsquelle bzw. Laserdiode (20) emittierte Strahl verschiebbar, vorzugsweise parallel verschiebbar ist und wobei mittels der vom Detektor (40) erfaßten Strahlen die flächigen oder räumlichen Koordinaten der Kontrastlinie erfaßbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine Regeleinheit vorgesehen ist, durch die die Intensität des von der Strahlungsquelle bzw. Laserdiode (20) emittierten Strahls derart veränderbar ist, daß die Intensität des vom Detektor (40) erfaßten Strahls stets einen konstanten Wert annimmt, und daß Mittel zur Detektion der Kontrastlinie vorgesehen sind, wobei als Meßgröße zur Detektion der Kontrastlinie die Intensität des emittierten Strahls dient.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle bzw. die Laserdiode (20), die Ablenkvorrichtung (30) sowie der Detektor (40) in einem Meßkopf (10) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung oder der Meßkopf (10) um die Achse des von der Strahlungsquelle bzw. Laserdiode (20) emittierten Strahls rotierbar ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (40) als Zeilensensor ausgeführt ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkvorrichtung (30) derart ausgeführt ist, daß die Scanbreite 10–12 mm beträgt.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkvorrichtung (30) als rotierendes Prisma ausgeführt ist.
Numerisch gesteuerte Maschine, insbesondere Werkzeugmaschine, Roboter oder Meßmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine eine Vorrichtung zur optischen Erfassung einer Kontrastlinie nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 11 aufweist.
Handgehaltene Einrichtung zur optischen Erfassung einer Kontrastlinie, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung eine Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 11 aufweist.