DE3110644A1

DE3110644A1 - "vorrichtung und verfahren zur optischen triangulationsmessung"

Info

Publication number: DE3110644A1
Application number: DE19813110644
Authority: DE
Inventors: Douglas Scott Mechanicville N.Y. Steele
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1980-07-23
Filing date: 1981-03-19
Publication date: 1982-02-18
Also published as: JPS5733308A; GB2081437A; IT1139324B; FR2487507A1; IL62195A; GB2081437B; US4349274A; FR2487507B1; IT8120585A0; NL8101424A; CA1159644A

Description

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-A-

Vorrichtung und Verfahren zur optischen
Triangulationsmessung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und auf ein Verfahren zur optischen Triangulationsmessung, bei der ein • Meßstrahl benutzt wird, und betrifft insbesondere
eine Vorrichtung und ein Verfahren, bei denen die Position des Meßstrahls die Meßgenauigkeit beeinflußt.

Optische Triangulationssysteme werden üblicherweise für
Meß- und Prüfzwecke benutzt. Als Beispiel ist ein solches
bekanntes System zur optischen Triangulation in Fig. 1A gezeigt und insgesamt mit 10 bezeichnet. In dem System 10 ist ein Werkstück 12 so angeordnet, daß es das von einer Lichtquelle 14 abgegebene Licht empfängt. Die Lichtquelle 14 ist mit einer idealisierten Mittellinie M. gezeigt, längs welcher das Meß strahlenbündel 15 der Lichtquelle geleitet wird. Das
idealisierte Meßstrahlenbündel 15 trifft auf eine Fläche 12S

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des Werkstückes 12 in einem Punkt A. auf und wird dann durch eine Fokussierungslinse 16 reflektiert und trifft in einem Punkt A. auf einen Photodetektor 18 auf. Es ist eine Bezugsebene vorgesehen, die mit REF bezeichnet ist. Ein Punkt B ist der Schnittpunkt zwischen der Bezugsebene und der idealisierten Mittellinie M. der Lichtquelle 14. Die Reflexion von dem Punkt B aus durch die Fokussierungslinse 16 hindurch ergibt einen Auftreffpunkt B¹ auf dem Photodetektor 18. Aus Gründen, die weiter unten dargelegt sind, wird der Auftreffpunkt B* als Bezugs- oder Nullpunkt des Photodetektors 18 genommen.

Die Reflexion des idealisierten Meßstrahls 15 von der Fläche 12 S (von dem Punkt Aj in dem Punkt A^ auf dem Photodetektor 18 ist ein Maß für den Abstand zwischen der Bezugsebene und der Fläche 12S. Insbesondere ist der Abstand zwischen den Punkten A. und B' über ähnliche Dreiecke auf den Abstand zwischen den Punkten B und A₁ bezogen. Der Abstand zwischen A. und B¹ (Nullpunkt) wird einfach verarbeitet und ergibt den Abstand d zwischen der Bezugsebene und der Fläche 12S. Das Ausgangssignal 19 des Photodetektors 18 ist typischerweise ein elektrisches Signal, das eine Information enthält, die den Abstand zwischen A. und B¹ (Nullpunkt) darstellt. Dieses Ausgangssignal wird typischerweise durch eine Meßsignalschaltung 20 empfangen, die das elektrische Signal interpretiert und ein den Abstand d darstellendes Meßausgangssignal 22 erzeugt.

Das System 10 von Fig. 1A kann zwar für viele Verwendungszwecke mit Erfolg eingesetzt werden, bei einem solchen System tritt jedoch ein Problem aufgrund der Drift der Lichtquelle 14 auf. Insbesondere verursachen thermische und andere Bedingungen häufig das Driften oder Auswandern der Lichtquelle 14, so daß die Lichtquelle 14 eine Lage mit einer tatsächlichen Mittellinie haben kann, die gegenüber der idealisierten Mittellinie M. verschoben ist. Als

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Beispiel ist in Fig. 1A eine gestrichelte tatsächliche Mittellinie M gezeigt, die zu der idealisierten Mittellinie M. parallel, gegenüber dieser aber verschoben ist, wobei das Meßstrahlenbündel 15 auf die Fläche' 12S in einem Punkt A_ statt in dem Punkt A₁ auftrifft. Es ist zu beachten, daß diese Verschiebung der Lichtquelle 14 dazu führt, daß das reflektierte Meßstrahlenbündel auf den Photodetektor 18 in einem Punkt auftrifft, der gegenüber dem Punkt verschoben ist, in welchem es aufgetroffen wäre, wenn die Lichtquelle auf der idealisierten Mittellinie M. angeordnet gewesen wäre. Insbesondere trifft das Meßstrahlenbündel 15 auf der gestrichelten tatsächlichen Mittellinie M. auf den Photodetektor 18 in einem Punkt A statt in dem Punkt A. auf.

el . 1

Unter diesen Driftbedingungen wird daher das Photodetektorausgangssignal 19 aufgrund des Meßfehlers, der durch die Verschiebung der Lichtquelle 14 gegenüber der Position der idealisierten Mittellinie M. hervorgerufen wird, unkorrekt sein.

Ein weiteres üblicherweise benutztes Triangulationsmeßsystem ist in Fig. 1B gezeigt und insgesamt mit 25 bezeichnet. Das System 25 gleicht im wesentlichen dem System 10 von Fig. 1, so daß, wo immer möglich, gleiche Bezugszahlen zum Bezeichnen gleicher Teile benutzt werden. Das System 25 ist ein Beispiel für optische Triangulationsmeßsysterae, in denen ein Photodetektor 18 so angeordnet ist, daß er einen Teil des Meßstrahlenbündels 15 empfängt, das von der Flasche 12S des Werkstückes 12 reflektiert wird. Derjenige Teil des reflektierten MeßStrahlenbündels, der von dem Photodetektor empfangen wird, repräsentiert den Auftreffpurikt des Meßstrahlenbündels auf dem Werkstück 12. Ebenso wie in Fig. 1A wird ein Bezugs- oder Nullpunkt typischerweise auf dem Photodetektor 18 gewählt. Der Übersichtlichkeit halber ist die Bezugsebene in Fig. 1B nicht gezeigt. In Fig. 1B ist die Mittelliniendrift gezeigt, wobei die tatsächliche Mittellinie M. der Lichtquelle 14 verschoben dargestellt ist, was

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zu einem Auftreffpunkt C auf der Fläche 12S führt, wobei

ei

aber aufgrund der Vorrichtung, die eine idealisierte Mittellinie M. hat, der Photodetektor, 18 den Auftreffpunkt auf der Fläche 12S als einen idealisierten Punkt C. interpretiert, was einen Meßfehler ergibt.

Die Erfindung schafft eine Vorrichtung zur optischen Triangulationsmeßung, bei der eine Lichtquelle so angeordnet ist, daß sie/ein Meßstrahlenbündel liefert, das auf ein Werkstück gerichtet wird. Die Lichtquelle hat eine idealisierte Mittellinie und eine tatsächliche Mittellinie, wobei die Abweichung zwischen diesen Mittellinien einen Meßfehler hervorruft. Ein Photodetektor ist so angeordnet, daß er einen Teil des von dem Werkstück reflektierten Meßstrahlenbündels empfängt, wobei ein Teil des reflektierten Meßstrahlenbündels den Auftreffpunkt des MeßStrahlenbündels auf dem Werkstück repräsentiert. Der Photodetektor liefert ein Photodetektorausgangssignal, welches den Auftreffpunkt des Meßstrahlenbündels auf dem Photodetektor repräsentiert. Eine intelligente Meßschaltung empfängt das Photodetektorausgangssignal und erzeugt ein Meßausgangssignal, welches den Auftreffpunkt des Meßstrahlenbündels auf dem Werkstück repräsentiert. Es ist eine Einrichtung zum überwachen der Beziehung zwischen der idealisierten Mittellinie und der tatsächlichen Mittellinie und zum Erzeugen eines die Abweichung zwischen ihnen darstellenden Ausgangssignals vorgesehen. / einen Meßstrahl bzw.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen

die Fig. 1A und 1B schematische Darstellungen von bekannten optischen Triangulationsvorrichtungen, auf die sich die Erfindung bezieht,

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Fig. 2 eine schematische Darstellung, die eine Ausführungsform einer optischen Triangulationsmeßvorrichtung nach der Erfindung zeigt,

Fig. 3 ein Funktionsblockschaltbild, das weitere

Einzelheiten eines Teils der Vorrichtung von Fig. 3 zeigt, wobei die Lichtquelle parallelverschoben wird, um den Meßfehler zu verringern,

Fig. 4 ein Funktionsblockschaltbild eines Teils der Vorrichtung von Fig. 2, wobei der Meßfehler durch Kompensationssignalverarbeitung verringert wird, und

Fig. 5 eine äußerst schematische Darstellung eines Teils der Vorrichtung von Fig. 2, die einen dreidimensionalen Anwendungsfall zeigt.

In Fig. 2 ist eine Ausführungsform einer optischen Triangulationsvorrichtung nach der Erfindung insgesamt mit 30 bezeichnet. Die optische Triangulationsvorrichtung 30 gleicht im wesentlichen dem optischen Triangulationssystem 10 von Fig. 1A, so daß, soweit möglich, gleiche Bezugszahlen zum Bezeichnen gleicher Teile benutzt worden sind.

Die optische Triangulationsvorrichtung 30 enthält weiter eine Einrichtung zum überwachen der Beziehung zwischen der idealisierten Mittellinie M. und der tatsächlichen Mittellinie M und zum Bilden eines Ausgangssignals, das die Abweichung zwischen ihnen darstellt. Insbesondere ist in einer Ausführungsform der Erfindung ein Strahlenteiler 32 zwischen der Lichtquelle 14 und dem Werkstück 12 angeordnet. Der Strahlenteiler 32 ist eine herkömmliche Vorrichtung, die unter Berücksichtigung der Wellenlänge des MeßStrahlenbündels geeignet ausgewählt wird. Der Strahlenteiler 32 ist so angeordnet, daß er

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das Meßstrahlenbündel 15 auffängt, wobei er die Mehrheit der Lichtenergie ungestört durchläßt und eine geringere Lichtenergiemenge reflektiert. Der Meßstrahl 15 geht daher durch den Strahlenteiler 32 durch und kreuzt Punkte B und A wie in Fig. 1A. Das von dem Strahlenteiler reflektierte Meßstrahlenbündel 15' wird auf einen Überwachungsphotodetektor 34 gerichtet. Der Überwachungsphotodetektor 34 ist eine herkömmliche Vorrichtung, wie beispielsweise eine gegabelte Siliciumphotodiode. Der Photodetektor 34 wird benutzt, um die Position des Meßstrahlenbündels 15 durch die Position des reflektierten Meßstrahlenbündels 15' zu überwachen. Gemäß Fig. 2 kann der Photodetektor 34 einfach ein Negativ/Positiv-Photodetektor sein, bei dem eine Mitten- oder Bezugsposition eine Nullposition ist. Insbesondere kann das auf die Nullposition fallende Meßstrahlenbündel 15* zu einem Ausgangssignal 35 führen, das eine Nullpolarität darstellt, wohingegen das zwischen null und einem negativen Punkt auftreffende Meßstrahlenbündel 15' zu zunehmenden Größen negativer Polarität führen kann. Ebenso wird das zwischen einem Nullpunkt und einem positiven Punkt auftreffende Meßstrahlenbündel 15' zu einem zunehmend positiven Ausgangssignal 35 führen. Der Strahlenteiler 32 und der Überwachungsphotodetektor 34 sind so angeordnet, daß sie frei von räumlicher Drift sind.

Der Strahlenteiler 32 und der Überwachungsphotodetektor 34 überwachen daher unabhängig voneinander die tatsächliche Position der Lichtquelle 14. Es sei insbesondere der Fall betrachtet, in welchem die Lichtquelle 14 zu der in Fig. 2 gezeigten Position der tatsächlichen Mittellinie M. driftet. Diese Lichtquellendrift wird durch den Photodetektor 34 erfaßt, der dann ein Ausgangssignal 35 erzeugt, welches diese Drift darstellt. Zu Erläuterungszwecken ist diese Drift als eine ein Ausgangssignal positiver Polarität erzeugende Drift gezeigt.

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Das Ausgangssignal 35 des Photodetektors 34 kann auf verschiedenerlei Weise benutzt werden. Beispielsweise kann das Ausgangssignal 35 einfach als eine Anzeige benutzt werden, daß die tatsächliche Position der Mittellinie der Lichtquelle gegenüber der idealisierten Position verschoben ist. In solchen Fällen kann das Ausgangssignal 35 benutzt werden, um eine Anzeige und/oder Alarmeinrichtung zu aktivieren. In gewissen Fällen kann es erwünscht sein, das Ausgangssignal 35 zu benutzen, um eine die Abweichung zwischen der tatsächlichen Mittellinie M. und der idealisierten Mittellinie M. repräsentierende Größe darzustellen, zum Beispiel anzuzeigen und/oder zu speichern.

Gemäß Fig. 3 wird das Ausgangssignal 35 des Photodetektors in einer Einrichtung 40 benutzt, um die Position der Lichtquelle 14 einzustellen. Zu diesem Zweck wird das Ausgangssignal 35 zu einer Kompensationssignalverarbeitungseinrichtung 42 geleitet, die ein Ausgangssignal 43 zum Betätigen eines Lichtquellenpositioniermotors 44 erzeugt. Die Signalverarbeitungseinrichtung 42 kann herkömmliche Einrichtungen enthalten, wie beispielsweise eine analoge Synchronmotorregelungs- und -antriebsschaltung. Der Motor 44 kann ein herkömmlicher Motor sein, beispielsweise ein Synchronservomotor mit Permanentmagnet. Der Lichtqüellenpositioniermotor 44 kann benutzt werden, um die Lichtquelle 14 in einer einzigen Ebene und/oder in drei Ebenen zu verschieben. In einem solchen Fall wird das Ausgangssignal 43 der Kompensationssignalverarbeitungseinrichtung 42 dem Lichtqüellenpositioniermotor 44 zugeführt, der dann die Lichtquelle 14 parallel verschiebt, um die Abweichung zwischen der idealisierten Mittellinie M. und der tatsächlichen Mittellinie M. zu verkleinern. Vorzugsweise ist eine Rückführungsschleife 45 zwischen der Positioniereinrichtung 44 und der Kompensationssignalverarbeitungseinrichtung 42 vorgesehen. Diese Rückführungschleife 45 gewährleistet, daß die Korrektur der Lichtquellenposition vollständig vorgenommen wird. Eine zweite Verbin-

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dung 43' zwischen der Kompensationssignalverarbeitungseinrichtung 42 und der Positioniereinrichtung 44 ist gestrichelt dargestellt und kann für räumliche Positionierzwecke benutzt werden.

In der Vorrichtung 50 in Fig. 4 wird das Ausgangssignal 35 benutzt, um ein kompensiertes Meßausgangssignal 22* zu erzeugen. Zu diesem Zweck wird das Ausgangssignal 35 an eine Kompensationssignalverarbeitungseinrichtung 52 angelegt, die ein Kompensationssignal 53 zum Kompensieren des durch die Abweichung hervorgerufenen Meßfehlers erzeugt. Das Ausgangssignal 53 der Kompensationssignalverarbeitungseinrichtung wird an eine Meßsignalschaltung 20 zusammen mit dem Ausgangssignal 19 des Photodetektors 18 angelegt. In der Vorrichtung 50 enthält die Information aus dem Photodetektor 18 einen Meßfehler aufgrund der Lichtquellendrift. Das Ausgangssignal 53 der Kompensationssignalverarbeitungseinrichtung 52 wird jedoch in die intelligente Meßschaltung 20 eingegeben, um den Meßfehler zu kompensieren, der sonst über den Photodetektor 18 hervorgerufen worden wäre. Demgemäß bildet die Meßsignalschaltung 20 das kompensierte Meßausgangssignal 22', welches das Ausgangssignal 22 von Fig. 1A darstellt, das kompensiert wird, um den Meßfehler zu verringern. Insbesondere kann die intelligente Meßschaltung 20 mit einer arithmetischen und logischen Einheit versehen sein, um die Eingangssignale 53 und 19 mathematisch zu verarbeiten und als Ergebnis das kompensierte Meßsignal 22' zu liefern.

Fig. 5 zeigt einen dreidimensionalen Anwendungsfall eines Teils einer Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung, der insgesamt mit 60 bezeichnet ist. Die Vorrichtung 60 gleicht der Vorrichtung 30 von Fig. 2, so daß, soweit möglich, gleiche Bezugszahlen zum Bezeichnen gleicher Teile verwendet worden sind. In der dreidimensionalen oder räumlichen Vorrichtung 60 sind ein zusätzlicher Strahlenteiler 32' und ein zusätzlicher Uberwachungsphotodetektor 34'

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Ri

vorgesehen, um die Mittellinienposition in zwei Ebenen zu überwachen, die vorzugsweise orthogonal zueinander sind.

Die Erfindung ist zwar in Verbindung mit Werkstücken und Verschiebungen derselben beschrieben worden, es ist jedoch klar, daß das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung allgemein für optische Triangulationszwecke verwendbar sind. Tatsächlich enthält das reflektierte Meßstrahlenbündel Information über verschiedene brauchbare Kennwerte des Auftreffpunktes des Meßstrahlenbündels auf dem Werkstück. In dieser Beziehung sind das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung für Verwendungszwecke bestens geeignet, bei denen die durch das reflektierte Meßstrahlenbündel gekennzeichnete Auftreffpunktinformation benutzt wird, um Materialkenndaten, Oberflächenkonturen, Uberzugseigenschaften und/oder Gefügeeigenschaften eines Werkstückes zu ermitteln. Beispielsweise sind das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung bestens geeignet, um an Flugzeugtriebwerken zerstörungsfreie Tests durchzuführen, beispielsweise solche, bei denen Schaufeln und andere heiße Triebwerksteile überprüft werden.

Außerdem ist zwar die Erfindung so beschrieben worden, daß sie eine Anzahl von Ausgangssignalen in Form von elektrischen Signalen umfaßt, es ist jedoch klar, daß diese Ausgangssignale in anderer Form vorliegen können, beispielsweise als optische Signale. Außerdem ist selbstverständlich die idealisierte Mittellinie lediglich eine willkürliche Bezugslinie, auf deren Basis die geeignete geometrische Messung vorgenommen wird. Die idealisierte Mittellinie ist deshalb einfach eine Bezugsgröße, die der Zweckmäßigkeit halber gewählt worden ist und, wenn zweckmäßig, geändert werden kann.

Weiter ist unter dem Begriff "Lichtquelle" eine Quelle elektromagnetischer Strahlung zu verstehen, die beispielsweise

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eine Strahlung in dem Bereich des fernen Infrarots oder des hohen Ultraviolette liefern kann. In diesem Zusammenhang können kollimierte Lichtquellen, wie beispielsweise herkömmliche Laservorrichtungen benutzt werden.

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Claims

Ansprüche :

1.^Vorrichtung zur optischen Triangulationsmessung, mit einer Lichtquelle (14), die so angeordnet ist, daß sie ein Meßstrahlenbündel (15) liefert, welches auf ein Werkstück (12) gerichtet wird, wobei die Lichtquelle eine idealisierte Mittellinie (M.) und eine tatsächliche Mittellinie (M.) hat und wobei die Abweichung zwischen diesen einen Meßfehler hervorruft, mit einem Photodetektor (18), der so angeordnet ist, daß er einen Teil des von dem Werkstück reflektierten Meßstrahlenbündels empfängt, wobei ein Teil des reflektierten MeßStrahlenbündeIs den Auftreffpunkt (A) des Meßstrahlenbündels auf dem Werkstück repräsentiert und wobei der Photodetektor ein Photodetektorausgangssignal (19) erzeugt, das den Auftreffpunkt (A) des Meßstrahlenbündels auf dem Photodetektor repräsentiert, und mit einer Meßsignalschaltung (20) zum Empfangen des PhotodetektorausgangssignaJs und zum Erzeugen eines Meßausgangssignals (22), das den Auftreffpunkt des Meßstrahlenbündels auf dem Werkstück repräsentiert,
gekennzeichnet durch eine Einrichtung (34) zum Überwachen

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der Beziehung zwischen der ideallisierten Mittellinie (M.) und der tatsächlichen Mittellinie (M.) und zum Erzeugen eines Überwachungsausgangssignals (35) , das die Abweichung zwischen diesen darstellt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (44), die auf das■Überwachungsausgangssignal (35) hin die Lichtquelle (14) parallel verschiebt, um die Abweichung und den Meßfehler zu verkleinern.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Kompensationssignalverarbeitungseinrichtung (42; 52), die auf das Überwachungsausgangssignal (35) hin ein Kompensationssignal (43; 53) zum Kompensieren des durch die Abweichung hervorgerufenen Meßfehlers erzeugt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsignalschaltung (20) eine Signalverarbeitungseinrichtung enthält zum Empfangen des Kompensationssignals (53) und zum Erzeugen eines kompensierten Meßausgangssignals (22'), das einen kleineren Meßfehler in bezug auf das Meßausgangssignal (22) aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachungseinrichtung enthält: einen Strahlenteiler (32) , der so angeordnet ist, daß er das Meßstrahlenbündel (15).aus der Lichtquelle (14) empfängt, wobei ein Hauptteil des Meßstrahlenbündels (15) durch den Strahlenteiler hindurchgeht, während ein kleinerer Teil des Meßstrahlenbündels an ihm reflektiert wird; einen Überwachungsphotodetektor (34), der so angeordnet ist, daß er einen Teil (15') des Meßstrahlenbündels empfängt, der von dem Strahlenteiler reflektiert wird, wobei dieser Teil des reflektierten Meßstrahlenbündels, der auf den Überwachungsphotodetektor auftrifft, die tatsächliche Mittellinie (M.) der Lichtquelle darstellt; und

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eine Photodetektorsignalverarbeitungseinrichtung zum Vergleichen des Auftreffpunktes des reflektierten Meßstrahlenbündels auf dem Überwachungsphotodetektor mit einem der idealisierten Mittellinie (M.) der Lichtquelle zugeordneten Auftreffpunkt und zum Erzeugen des Überwachungsausgangssignals (35) .

6. Verfahren zur optischen Triangulationsmessung, bei welcher eine Lichtquelle so angeordnet wird, daß sie ein Meßstrahlenbündel liefert, welches auf ein Werkstück gerichtet wird, wobei die Lichtquelle eine idealisierte Mittellinie und eine tatsächliche Mittellinie hat und wobei die Abweichung zwischen diesen einen Meßfehler hervorruft, und bei welcher ein Photodetektor, so angeordnet wird, daß er einen Teil des Meßstrahlenbündels empfängt, der von dem Werkstück reflektiert wird, gekennzeichnet durch folgende weitere Schritte:

überwachen der Beziehung zwischen der idealisierten Mittellinie und der tatsächlichen Mittellinie und Erzeugen eines Überwachungsausgangssignals, das die Abweichung zwischen diesen darstellt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch den Schritt des Verkleinerns des Meßfehlers durch Parallelverschieben der Lichtquelle zum Verkleinern der Abweichung.

8. Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch den Schritt des Verkleinerns des Meßfehlers durch Kompensieren der Abweichung.

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