DE19926439C1

DE19926439C1 - Verfahren zur Bestimmung eines Koordinatensytems für Messpunktskoordinaten an einer Vorrichtung zur berührungslosen dreidimensionalen Vermessung von Körpern

Info

Publication number: DE19926439C1
Application number: DE1999126439
Authority: DE
Inventors: Dieter Gebauer; Bernhard Steiger; Rosa Gorzel; Dieter Auerbach; Andre Vecsei; Ralf Straube
Original assignee: Mpt Praez Steile Mittweid GmbH
Current assignee: Mpt Praez Steile Mittweid GmbH
Priority date: 1999-06-10
Filing date: 1999-06-10
Publication date: 2000-12-07
Anticipated expiration: 2019-06-11

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur berührungslosen dreidimensionalen Vermessung von Körpern, bestehend aus einem Drehtisch zur Aufnahme des Körpers und einem optischen Triangulationssensor. DOLLAR A Die Vorrichtung zeichnet sich durch ihre besonders einfache Realisierung aus. Damit ist diese vorteilhafterweise auch an Produktionsstätten spezieller Werkstücke einsetzbar. Der einfache Aufbau ist weiterhin auch sehr ökonomisch, so dass ein breiter Anwendungsbereich gegeben ist. DOLLAR A Bevor die Messungen der Werkstücke erfolgt, wird über eine erste Messung ein Koordinatensystem für eine maßliche Zuordnung der Geometrie der Werkstücke ermittelt. Dazu werden maßlich bekannte Kanten oder Linien auf dem Drehtisch beliebig plaziert und während einer Drehung über den Triangulationssensor ausgemessen. DOLLAR A Damit zeichnet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung durch ihren minimalen Aufbau aus. Durch die geringe Anzahl der notwendigen Bewegungen in Form nur einer translatorischen des Triangulationssensors und einer rotatorischen des Drehtisches zur Bestimmung des Profils eines Körpers wird ein minimaler Meßfehler erreicht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Koordinatensystems für Messpunktskoordinaten an einer Vor richtung zur berührungslosen dreidimensionalen Vermessung von Körpern.

Das Triangulationsverfahren ist eines der am weitesten verbrei teten Verfahren sowohl bei der Abstands- und Längenmessung als auch für die zwei- und dreidimensionale Konturerfassung. Zur Anwendung kommt dabei ein Triangulationssensor, wobei ein Strahl einer Laserdiode durch eine Linse auf das Werkstück fokussiert wird. Dabei erzeugt dieser einen hellen Lichtfleck. Wird dieser unter einem festen Winkel mit einem Lagedetektor oder einer Kamera betrachtet, so verschiebt sich sein Abbil dungsort im Bild, sofern sich der Schnittpunkt des Laserstrahls und das Werkstück relativ zum Sensor bewegen. Durch Messung dieser Verschiebung ist der Abstand des Werkstücks bestimmbar oder bei einer Bewegung senkrecht zum beleuchtenden Laserstrahl die Oberflächenkontur erfassbar.

In der DE 43 01 538 A1 (Verfahren und Anordnung zur berührungs losen dreidimensionalen Messung, insbesondere zur Messung von Gebissmodellen) wird ein Drehtisch, auf dem der zu vermessende Körper angeordnet ist, ein Triangulationssensor und eine damit verbundene Datenverarbeitungs- und Steuereinheit zur Bestimmung der Geometrie von Rundteilen eingesetzt. Die Messung basiert dabei entweder

- auf einer lokalen Kalibrierung der einzelnen Messköpfe, wobei bei der Zusammenfassung die tatsächliche Lage der Messflächen im Raum durch Koordinatentransformation zu berücksichtigen sind, oder
- auf einer Kalibrierung der gesamten Messeinrichtung mit wenigstens einem Kalibrierkörper, wobei alle interessierenden Raumpunkte in einer gemeinsamen Kalibriertabelle erfasst wer den. Eine Kalibrierung ist dabei unumgänglich.

In der DE 44 07 518 A1 wird eine Vorrichtung und ein Verfahren zum berührungslosen Vermessen dreidimensionaler Objekte auf der Basis der optischen Triangulation beschrieben. Der Triangula tionssensor ist in einer Richtung (y-Richtung) verfahrbar und über eine vorgegebene Winkellage an einem wählbaren Fixpunkt in der x-Ebene verschwenkbar. Dazu sind zwei voneinander unab hängige Bewegungen des Triangulationssensors vorhanden. Das zu vermessende Objekt befindet sich auf einem Drehtisch. Dieser gewährleistet zum einen eine Drehbewegung und zum anderen ist dieser mittels eines weiteren Antriebes in einer senkrecht zur Bewegung des Triangulationssensors verfahrbar. Mit den Bewe gungen des Triangulationssensors und des Drehtisches sind die Koordinaten des Messflecks der Strahlungsquelle bestimmt. Die Kippbewegung des Triangulationssensors führt dazu, dass Hin terschneidungen, verdeckte Stellen, Sacklöcher oder ähnliche stellen des Objekts weitestgehend maßlich bestimmbar sind. In der DE 40 37 383 A1 (Verfahren zum kontinuierlichen berüh rungsfreien Messen von Profilen und Einrichtung zur Durchfüh rung des Messverfahrens) wird das Verfahren der Triangulation zur Bestimmung der Außenkontur eines sich bewegenden Profils genutzt. Dabei wird nur der Abstand des Profils und damit des sen Kontur vom Sensor erfasst. Die Einordnung des Messflecks in ein Koordinatensystem ist nicht möglich.

In den DE 195 04 126 A1 (Vorrichtung und Verfahren zum berüh rungslosen Vermessen dreidimensionaler Objekte auf der Basis optischer Triangulation), DE 197 27 226 A1 (Messanordnung und Verfahren zum berührungslosen Erfassen der 3-dimensionalen Raumform einer Brillenfassungsnut) und US 5 270 560 (Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung der Oberflächenstruktur von Werk stücken) werden die zu erfassenden Profile der Werkstücke oder von Teilen der Werkstücke schrittweise aufgenommen. Dabei er folgt nur eine relative Vermessung des jeweiligen Werkstücks oder des jeweiligen Teiles des Werkstücks.

Die Koordinatenmessung an einer Objektoberfläche erfolgt in der DE 40 26 942 A1 (Verfahren zur berührungslosen Vermessung von Objektoberflächen) über die Aufnahme von Bildern mittels einer Kamera. Diese befindet sich an einem in drei Raumrichtungen (x-, y-Richtung, Schwenkung) verfahrbaren Messarm eines Koordi natenmessgeräts. Das zu vermessende Objekt ist auf einem Dreh tisch angeordnet.

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, Triangulationsmessdaten den geometrischen Abmessungen eines Körpers in drei Dimensionen einfach und korrekt zuzuord nen.

Dieses Problem wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.

Das Verfahren zur Bestimmung eines Koordinatensystems für Mess punktskoordinaten an einer Vorrichtung zur berührungslosen dreidimensionalen Vermessung von Körpern zeichnet sich durch seine besonders einfache Realisierung aus. Damit ist dieses vorteilhafterweise auch an Produktionsstätten spezieller Werk stücke einsetzbar. Das Verfahren bedingt einen einfachen und ökonomischen Aufbau, so dass ein breiter Anwendungsbereich gegeben ist.

Grundlage ist ein optischer Triangulationssensor. Dabei wird der Strahl einer Laserdiode durch eine Linse auf das Werkstück fokussiert. Auf dem Werkstück entsteht ein Lichtfleck. Dieser Fleck wird mit einem Strahlungsdetektor unter einem festen Winkel aufgenommen. Wenn sich das Werkstück relativ zum Trian gulationssensor bewegt, so verschiebt sich der Abbildungsort des Flecks im Bild. Durch die Messung der Verschiebung wird das Profil des Werkstücks bestimmt.

Bevor die Messungen der Werkstücke erfolgt, wird über eine ers te Messung ein Koordinatensystem für eine maßliche Zuordnung der Geometrie der Werkstücke ermittelt. Dazu wird ein Körper mit maßlich bekannten Kanten oder Linien auf dem Drehtisch plaziert und während einer Drehung über den Triangulationssen sor ausgemessen. Die Position des Körpers auf dem Drehtisch ist beliebig. Anstelle des Körpers sind auf der Oberfläche des Drehtisches auch Linien auf- oder einbringbar.

Mit einer Bewegung des Triangulationssensors in nur einer Achse und einer Rotationsbewegung des Werkstückes ist das Werkstück durch den Triangulatiossensor überstreichbar. Über eine geziel te Ansteuerung der jeweiligen Antriebe und dem Koordinatensys tem ist damit eine kontinuierliche Geometrieerfassung des Werk stücks mit einer sehr hohen Messwertrate und Präzision gegeben. Durch die geringe Anzahl der notwendigen Bewegungen in Form nur einer translatorischen des Triangulationssensors und einer ro tatorischen des Drehtisches zur Bestimmung des Profils eines Körpers wird ein minimaler Messfehler erreicht.

Das Verfahren ist vorteilhafterweise beim Vermessen rotations symmetrischer Werkstücke einsetzbar.

Die Steuerung und Ermittlung der Geometrie der Werkstücke er folgt vorteilhafterweise in einem Computer.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patent ansprüchen 2 bis 4 angegeben.

So kann der beleuchtende Laserstrahl des Triangulationssensors nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 senkrecht auf die Oberfläche des Drehtisches gerichtet sein.

Günstig zur Ermittlung des Koordinatensystems für Messpunkts koordinaten ist es nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 3, als parallel verlaufende Linien oder Körperkanten gerade oder kreisförmig gebogene Linien zu verwenden.

Die Ermittlung des Koordinatensystems ist nur bei Inbetriebnah me oder einem Standortwechsel notwendig. Deshalb sind die Kör per zur Ermittlung des Koordinatensystems nach der Weiterbil dung des Patentanspruchs 4 nur bei diesen Maßnahmen notwendig.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Fig. 1 bis 4 erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen prinzipiellen Aufbau einer Vorrichtung zur be rührungslosen dreidimensionalen Vermessung von Körpern,

Fig. 2 eine prinzipielle Darstellung einer Vorrichtung mit zwei parallel zueinander verlaufenden Linien mit bekannten Abstand auf dem Drehtisch,

Fig. 3 und Fig. 4 eine Bestimmung des Koordinatensystems durch zwei paral lel verlaufende Linien oder Körperkanten mit bekannten Abstand und bekannten Winkeln und eine bekannte Ver schiebung des Triangulationssensors.

Die Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur berüh rungslosen dreidimensionalen Vermessung von Körpern besteht aus einem Drehtisch 1 zur Aufnahme des Körpers und einem optischen Triangulationssensor 2 mit mindestens einer Strahlungsquelle 3, einem Strahlungsdetektor 4 und Optiken in Form einer Fokuslinse 5 und einer Abbildungslinse 6.

Die Strahlungsquelle 3 ist eine Laserdiode und der Strahlungs detektor 4 ein Festkörperbildsensor.

Auf einer Grundplatte 7 ist ein u-förmiges Gestell 8 befestigt. Auf der Grundplatte 7 und mittig des Mittelteils des u-förmigen Gestells 8 ist der Drehtisch 1 angeordnet (Darstellung in der Fig. 1). Der Durchmesser des Drehtisches 1 ist kleiner als die Länge des Mittelteils des u-förmigen Gestells 8.

Das Mittelteil des u-förmigen Gestells 8 weist weiterhin eine Führung auf, in der der Triangulationssensor 2 korrespondierend angeordnet ist. Der Triangulationssensor 2 ist damit über dem Drehtisch 1 mittels einen entsprechenden Antrieb bewegbar. Der Antrieb ist in dem Mittelteil integriert. Der Triangulations sensor 2 ist weiterhin so an dem Mittelteil plaziert, dass die Strahlung 9 der Strahlungsquelle 3 senkrecht auf den Drehtisch 1 fällt.

Der Mittelpunkt des Drehtisches 1 wird bestimmt und bildet den Ursprung in einem Polarkoordinatensystem.

Bei der Erstinbetriebnahme oder einer Lageveränderung der Vor richtung wird dieses Koordinatensystem für die zu messenden Körper erstellt.

Zur Ermittlung des Koordinatensystems besitzt der Drehtisch 1 mehrere parallel zueinander verlaufende Linien (Fig. 2 und 3) oder ein Messkörper wird auf den Drehtisch 1 plaziert. Dieser weist entweder parallel zueinander verlaufende und geradlinig ausgebildete Körperkanten oder Linien zur Bestimmung eines Koordinatensystems (ähnlich der Darstellungen in den Fig. 2 und 3) auf. Die Linien oder Körperkanten können sich beliebig auf dem Drehtisch befinden. Der Abstand der geradlinig verlaufenden Linien oder Körperkanten ist bekannt. Der Drehtisch vollführt in der Phase der Ermittlung des Koordinatensystems eine Dre hung. Dabei werden die Linien g1 und g2 im Messfleck C und D des Triangulationssensors 2 erfasst. Gleichzeitig werden die Winkel der jeweils auf einer Linie g1 oder g2 liegenden Mess flecke ermittelt. Durch den bekannten Abstand d = AB der parallel verlaufenden Linien g1 und g2 oder Körperkanten, den gemessenen Winkeln α und β und den rechten Winkel zwischen der Gerade MB und den Linien g1 und g2 ist über trigonometrische Berechnungen der Radius R1 und damit der Abstand zwischen dem Triangulationssensor 2 und dem Mittelpunkt des Drehtisches 1 gegeben (Darstellung in der Fig. 3).

Durch eine Verschiebung c des Triangulationssensors 2 oder des Drehtisches 1 und nochmaliger Rotation und Messung der Winkel α und β wird der Abstand R2 analog dem R1 bestimmt (Darstellung in der Fig. 4). Die Richtung der Verschiebung c definiert gleichzeitig eine Richtung des Koordinatensystems. Über den Satz des Pythagoras werden die Koordinaten x und y des Koordi natensytems ermittelt. Dadurch wird der Abstand des Mittel punkts des Drehtisches 1 von der aktuellen Position des Triangulationssensors 2 x und y + c bestimmt. Damit sind die Messpunkte des Körpers maßlich bestimmbar.

Zur Unterstützung der Messung können mehrere Kreise mit unter schiedlichen Radien auf dem Drehtisch 1 angeordnet sein. Diese erleichtern zum einen die maßliche Zuordnung und zum anderen die Positionierung des Körpers auf dem Drehtisch 1.

Der Messkörper ist als Folie mit mehreren kreisförmigen Linien realisierbar. Dieser kann auf dem Drehtisch 1 verbleiben und dient gleichzeitig als Justierhilfe für die Körper. Dazu ist die Folie mit der Oberfläche des Drehtisches 1 verklebt. Die Antriebe des Drehtisches 1 und des Triangulationssensors 2 sind mit einem Computer als Steuerung verbunden. Der Computer dient gleichzeitig der Auswertung der Messergebnisse. Dazu sind die Strahlungsquelle 3 und der Strahlungsdetektor 4 des Trian gulationssensors 2 mit diesem zusammengeschaltet.

Bei Körpern mit einem hohen Streuverhalten in Form von Mehr fachreflexionen gegenüber der Strahlung 9 der Strahlungsquelle 3 wird dieser mit Auflagekörpern zumindest an den interes sierenden Messbereichen versehen. Diese bestehen aus einem Stoff, der nur geringe Mehrfachreflexionen zulässt, und dessen Dicke bekannt ist. Derartige Auflagekörper bestehen z. B. aus Keramik. Damit sind auch Oberflächenkonturen von Körpern mit glänzenden Oberflächen weitestgehend ohne Messfehler messbar.

Der Drehtisch 1 kann entweder mehrere Anschläge besitzen oder in ihm ist wenigstens ein Magnet integriert. Vorteilhafterweise sind die Anschläge auf dem Drehtisch 1 verfahrbar, so dass Körper unterschiedlicher Geometrie einfach weitestgehend mittig auf dem Drehtisch 1 plazierbar sind.

In einer weiteren Ausführungsform ist das u-förmige Gestell 8 L-förmig ausgebildet und so gegenüber dem Drehtisch 1 ange ordnet, dass sich ein Schenkel parallel über dem Drehtisch 1 befindet. Dieser Schenkel ist die Führung für den Triangula tionssensor 2 (Darstellung in der Fig. 2).

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung eines Koordinatensystems für Messpunktskoordinaten an einer Vorrichtung zur berührungslosen dreidimensionalen Vermessung von Körpern mit

- einem Drehtisch (1) zur Aufnahme des Körpers,
- einem optischen Triangulationssensor (2) mit mindestens einer Strahlungsquelle (3), einem Strahlungsdetektor (4) und einer Optik, der über dem Drehtisch (1) in einer Achse mittels eines Antriebs bewegbar so angeordnet ist, dass die Strahlung (9) der Strahlungsquelle (3) auf den Körper trifft, und
- einer Datenverarbeitungs- und Steuereinheit für Drehtisch (1), Antrieb und Triangulationssensor (2),

bei dem anhand von wenigstens zwei parallel zueinander verlaufenden Linien (g1, g2) oder Körperkanten mit bekanntem Abstand (d) durch deren Drehung und aufeinanderfolgende Erfassung im Messfleck des Triangulationssensors (2) Winkelbestimmungen (α, β) des Drehtisches (1) in einer ersten und in einer zweiten, um eine bekannte Strecke c verschobenen Stellung des Triangulationssensors (2) vorgenommen und daraus Abstände R1, R2 des Triangulationssensors (2) zum Drehtischmittelpunkt (M) und weiter Koordinaten x, y des Triangulationssensors (2) relativ zum Drehtischmittelpunkt (M) als Koordinatenursprung berechnet werden.

2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (3) des Triangulationssensors (2) so angeordnet ist, dass die Strahlung der Strahlungsquelle (3) senkrecht auf die Oberfläche des Drehtisches (1) trifft.

3. Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als parallel verlaufende Linien oder Körperkanten eines Messkörpers auf dem Drehtisch (1) gerade Linien oder kreisförmig gebogene Linien verwendet werden.

4. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich nur während der Bestimmung des Koordinatensystems ein Messkörper mit wenigstens zwei Kanten oder ein Messkörper mit wenigstens zwei Linien auf dem Drehtisch (1) befindet.