DE3538103A1

DE3538103A1 - Positionsmessung mit laserstrahl

Info

Publication number: DE3538103A1
Application number: DE19853538103
Authority: DE
Inventors: Stefan Reich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1985-10-26
Filing date: 1985-10-26
Publication date: 1987-04-30

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, mit dem die Koordinaten eines bewegten Gegenstandes in Echtzeit ermittelt werden. Die Anwendung liegt in der Steuerung von Maschinen, z. B. Laufkatze in automat. Lagerhallen (Brückenkran), Roboterarm, etc.

Die Messung kann in ein, zwei oder drei Dimensionen erfolgen. Eine weitere Anwendung der Erfindung ermöglicht die optische Prüfung von Maßen, z. B. Toleranzen an Frästeilen. Stand der Technik:

bekannte Methoden messen die Laufzeit eines reflektierten Strahls, was sehr hohe Genauigkeit bei der Zeitmessung erfordert und entsprechenden Aufwand. Andere Verfahren benutzen einen abgelenkten Laserstrahlk (Scanner). Hierbei ist das Problem die genaue Erfassung des Ablenkwinkels, weiterhin der hohe Aufwand und die nötige genaue Justage der Instrumente.

Die vorliegende Erfindung benutzt einen rotierenden Spiegel zum Ablenken des Laserstrahls, der an einer Schwungscheibe montiert ist. Hierdurch wird erreicht, daß die Winkelgeschwindigkeit, bezogen auf den festen Raum, zeitlich konstant ist. Die Ermittlung des Winkels erfolgt über Zeitmessung. Ein Lichtsensor am beweglichen Meßobjekt und ein feststehender Referenz-Sensor empfangen das Laserlicht und steuern die Zeitmessung. Das Zeitintervall wird elektronisch gezählt und normiert mit der Gesamt-Umlaufzeit, die vorzugsweise ebenfalls aus den Sensor-Impulsen gewonnen wird. Hieraus ergibt sich der Meßwinkel. Bewegt sich das Meßobjekt längs einer Achse, kann der Meßwinkel über Sinusfunktion auf lineare Ortskoordinate umgerechnet werden.

Mehrere Meßwinkel aus verschiedenen Raumwinkeln gleichzeitig ermittelt, können digital umgerechnet werden auf lineare Ortskoordinaten im 2- oder 3-dimensionalen Raum. Die Umrechnung erfolgt über die bekannten Winkelfunktionen.

Optische Strahlaufweitung quer zur Ablenkrichtung bewirkt, daß der Laserstrahl nicht auf eine Ebene beschränkt ist und ermöglicht so eine Drei-Koordinaten-Messung, siehe Anspr. 6) In diesem Fall kann für alle Strahlen ein gemeinsamer bewegter Lichtsensor benützt werden, wenn die Drehspiegel mit einer Synchronschaltung (Anspruch 7) so gesteuert sind, daß sie in abwechselnder Folge das Meßgebiet durchlaufen. Anstelle des bewegten Sensors kann auch ein Spiegel am Meßobjekt befestigt sein und den Strahl so umlenken, daß er ein zweites Mal in den feststehenden Sensor trifft.

Ausf.-Beispiel Fig. 1 und 2 (siehe Anspr. 2, 3 und 4).

Der Elektromotor 1 treibt die Schwungscheibe 2 an, auf der der Spiegel 3 montiert ist. Der Strahl des Lasers 4 gelangt durch die Zylinderoptik 5 (siehe Anspr. 6) auf diesen Spiegel 3 und, hiervon abgelenkt, in den Raum. Diese Anordnung ist als Ablenkeinheit 10 zusammengefaßt.

Diese Ablenkeinheit 10 und eine weitere 11 sind in den Ecken eines Raumes installiert (Fig. 2). Im Meßgebiet 15 bewegt sich der Lichtsensor 14, der z. B. am Arm eines Krans 16 montiert ist. Der Strahl aus der Ablenkeinheit 10 trifft im Verlauf seiner Drehung jeweils in den ihm zugeordneten feststehenden Lichtsensor 12 und nach einem Zeitintervall dann in den bewegten Sensor 14. Durch elektronische Zählung dieses Zeitintervalls und Division durch die Umlaufzeit ergibt sich der Meßwinkel. Entsprechend trifft der Strahl aus 11 in den feststehenden Sensor 13 und dann in 14, wodurch der Winkel ermittelt wird.

Zusätzlich zu den Sensoren 12 und 13 können weitere Sensoren 17 und 18 im jeweils rechten Winkel dazu angebracht sein, so daß die Normierung des Winkels nicht über einen Umlauf, sondern über 90 Grad Strahlwinkel = 45 Grad Spiegeldrehung erfolgen kann.

Zweites Ausführungsbeispiel, Fig. 3 :

Gemäß Anspr. 5 ist ein flächenhafter Lichtsensor 17 im Strahlengang der Ablenkeinheit 10. Der abgelenkte Laserstrahl läuft zunächst in die lichtempfindliche Fläche, trifft danach auf die Kante des Meßobjekts 16, sodaß er ab Punkt 18 im Lichtsensor 17 unterbrochen ist). Hinter dem Meßobjekt trifft der Strahl im Punkt 19 erneut auf den Sensor. Es wird die Zeitspanne zwischen Unterbrechung und Wiedereintritt des Strahls ausgewertet, und daraus die Breite des Meßobjekts ermittelt.

Claims

Anspruch 1)
Verfahren und Gerät zur Positions- oder Größenmessung mit laserstrahl, bei dem ein beweglicher Spiegel den Strahl mit veränderlichem Winkel ablenkt, gekennzeichnet dadurch, daß der bewegliche Spiegel an einer angetriebenen rotierenden Schwungscheibe gekoppelt ist, um die Winkelgeschwindigkeit konstant zu halten, und daß mindestens ein Lichtsensor vorhanden ist und so angeordnet ist, daß pro Umdrehung mindestens einmal der abgelenkte Laserstrahl in den Sensor trifft, und ein zweites Mal in denselben oder in einen weiteren Sensor trifft, und daß ein Meßwinkel ermittelt wird durch Messung des Zeitintervalls zwischen den beiden Momenten des Lichteinfalls oder Lichtwechsels, bzw. durch Messung dessen Tastverhältnisses, und daß der Meßwinkel abhängig ist entweder vom Schatten eines Meßobjekts im Strahlengang oder von der Position eines beweglichen Meßobjektes, an welchem der weitere Lichtsensor oder ein Umlenkspiegel montiert ist.
Anspruch 2)
Verfahren und Anlage zur ein-, zwei, oder dreidimensionalen Positionsmessung mittels Laserstrahl nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß pro zu messende Dimension mindestens ein laserstrahl verwendet wird, dieser Strahl mittels je eines drehbaren Spiegels in zeitlich änderndem Winkel abgelenkt wird, daß ein Lichtsensor oder Spiegel sich entweder auf dem zu positionierenden Objekt befindet (mitbewegt wird) oder dahinter (Schattenmessung), und daß der Zeitmoment beim Eintreffen des Laserstrahls in den Sensor oder beim Abschatten desselben ermittelt wird und der Ablenkwinkel des/der Spiegel/s in diesem Moment ermittelt wird, und digital von Winkelkoordinaten in lineare Ortskoordinaten umgerechnet wird.
Anspruch 3)
Verfahren und Anlage nach Anspruch 2), gekennzeichnet dadurch, daß die Ermittlung der Ablenkwinkel geschieht, indem die Spiegel auf einer drehenden Schwungscheibe montiert sind, um deren Winkelgeschwindigkeit zeitlich konstant zu halten, und daß je ein zweiter, feststehender Lichtsensor vorhanden ist, um die Messung einer Zeitdifferenz zu ermöglichen, und daß der Winkel ermittelt wird durch Zeitmessung zwischen dem Ansprechen beider Sensoren und Normierung mit der momentanen Umlaufzeit.
Anspruch 4)
Gerät zur ein- oder mehrdimensionalen Positionsmessung eines bewegten Objektes oder einer Kante eines Meßobjektes nach einem der vorausgegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine oder mehrere Ablenkeinheiten mit je einem Elektromotor mit angekoppelter Schwungmasse, einen daran gekoppelten Spiegel, und je einen Laser, dessen Strahl auf den Spiegel gerichtet ist, und durch einen Lichtsensor, der am bewegten Meßobjekt oder dahinter befestigt wird, sowie mindestens einen festen Lichtsensor, und durch eine elektronische Zeitmeßschaltung, welche von dem Sensor angesteuert wird.
Anspruch 5)
Gerät zur Größenmessung oder Formprüfung eines Meßobjektes nach dem Verfahren nach Anspruch 1) gekennzeichnet durch einen Elektromotor mit Schwungscheibe, einen daran befestigten Spiegel, einen Laser, dessen Strahl auf den Spiegel gerichtet ist, und einen flächenempfindlichen Lichtsensor, wobei der lichtsensor so angeordnet ist, daß er vom Laserstrahl während eines Abschnitts seines Umlaufs getroffen wird und daß das Meßobjekt davor positioniert wird, um in Abhängigkeit seiner Größe einen Teil des Umlaufweges abzuschatten, und dadurch eine Messung des Tastverhältnisses zu ermöglichen.
Anspruch 6)
Gerät nach Anspruch 4) oder 5), gekennzeichnet dadurch, daß sich zwischen Laser und Drehspiegel eine Zylinderoptik im Strahl befindet, um eine Aufweitung des Strahls quer zur Drehrichtung, und vorzugsweise eine Fokussierung/kollimation des Strahls zur Drehrichtung hin zu bewirken.
Anspruch 7)
Anlage nach einem der vorausgegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine elektronische Drehzahl-Regelschaltung, dessen Eingangswerte die Ansprech-Frequenzen und -Phasen der Lichtsensoren sind und dessen Ausgangswerte die Stromstärken des Motoren sind, und an dem die Soll-Frequenzen so eingestellt sind, daß die verschiedenen Motoren die Strahlen für die verschiedenen Meßwinkel in synchronisierter und abwechselnder Folge durch das Meßgebiet laufen lassen.
Anspruch 8)
Verfahren und Gerät zur Positionsmessung nach einem der vorausgegangenen Ansprüche, bei dem das Meßobjekt auch Drehbewegungen ausführen kann, gekennzeichnet dadurch, daß auf dem bewegten Meßobjekt zwei oder mehrere Lichtsensoren in räumlichen Abstand zueinander befestigt sind, daß entsprechend dieser Lichtsensoren mehrere Zeitmessungen und Winkelermittlungen erfolgen, und daß die Winkelkoordinaten digital umgerechnet werden in Schub- und Drehkoordinaten des Meßobjekts, vorzugsweise in 3 Schubkoordinaten und 3 Drehkoordinaten.