DE3624782C2 - Einrichtung zum berührungslosen Erfassen der Kontur eines Prüflings, insbesondere einer Kraftfahrzeugkarosserie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1. Eine Einrichtung dieses Aufbaus ist in der DE-PS 33 14 686, G01B 11/28, beschrieben, jedoch im Hinblick auf dann auftretende Schwierigkeiten verworfen, wenn der vom Projektor ausgesandte Lichtstrahl teilweise oder ganz auf den Prüf­ ling fällt, weil dann durch gerichtete Reflexion am Prüfling die Sensoranordnung ein Signal erzeugen kann, das mit demjenigen Signal übereinstimmt, das bei fehlen­ der Abschattung des beleuchteten Bereichs der Projektionsfläche durch den Prüfling auftritt. Zur Vermeidung dieser Schwierigkeiten sieht die in der Patentschrift im einzelnen beschriebene Lösung vor, Projektor und Sensoranordnung zwar an dersel­ ben, quer zur Strahlrichtung bewegbaren Traversiervorrichtung anzuordnen, jedoch seitenversetzt und mit Einstellung einer der Sensoranordnung zugehörigen Abbildungs­ optik scharf auf den auf der Projektionsfläche vom Lichtstrahl des Projektors erzeugten Lichtfleck.

Diese Lösung des Problems der Vermeidung der Erzeugung von Fehlsignalen durch teilweise oder vollständige Reflexion am Prüfling auf geometrischem Wege, nämlich durch Vorsehen eines Querversatzes zwischen Projektor und Sensoranordnung, setzt aber eine bestimmte Richtung der Relativbewegung zwischen diesen Einrichtungen einerseits und dem Prüfling andererseits voraus. Diese Relativbewegungen müssen nämlich so erfolgen, daß zunächst der betreffende Rand bzw. Umriß des Prüflings in den Weg des vom Projektor ausgehenden Lichtstrahls tritt; würde die Relativbewegung dagegen in umge­ kehrter Richtung so erfolgen, daß zunächst der Strahlenweg zwischen Lichtfleck auf der Projektionsfläche einerseits und Sensoranordnung andererseits unterbrochen wird, käme es zur Erzeugung eines Fehlsignals.

Auch die Einrichtung nach der prioritätsälteren DE-OS 34 09 522, G01B 11/28, bietet nicht die Möglichkeit der Erzielung einer hohen Meßgenauigkeit unabhängig zwischen der jeweiligen Richtung der Relativbewegung zwischen Prüfling und Projektor bzw. Sensor­ anordnung. Zwar ist dort dem Sensor ein Schwellwertgeber nachge­ schaltet, der eine Signalauswertung nur dann zuläßt, wenn das vom Sensor kommende Intensitätssignal auf einen Wert gesunken ist, der beispielsweise 50% des Intensitätssignal bei vollem Strahlquerschnitt entspricht. Eine derartige Intensitätsver­ ringerung tritt jedoch bereits dann ein, wenn der Prüfling noch kaum in den Querschnitt des vom Projektor ausgesandten Strahls eingedrungen ist. Das bedeutet, daß bei Richtungsumkehr der mehrfach erwähnten Relativbewegung ein Meßfehler auftritt, der praktisch dem Durchmesser des Strahles des Projektors ent­ spricht.

Ein derartiger Meßfehler tritt grundsätzlich auch bei der Vor­ richtung zur berührungslosen Vermessung von Körpern nach der ebenfalls prioritätsälteren DE-OS 34 39 617, G01B 11/24, auf, in der eine Aufweitung des Laserstrahls und die Erfassung des Schattenbildes beispielsweise mittels einer Videokamera erfolgt, an die eine Auswerteeinheit angeschlossen ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu schaffen, die unab­ hängig von der jeweiligen Richtung der Relativbewegung zwischen Prüfling einerseits sowie Projektor und Sensoranordnung anderer­ seits ist.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht in den kennzeichnenden Merk­ malen des Patentanspruchs 1, vorteilhafte Ausbildungen der Er­ findung beschreiben die Unteransprüche.

Bei der Erfindung sind also Projektor und Sensoranordnung gleichachsig angeordnet, d. h. der bei der beschriebenen vorver­ öffentlichten Anordnung vorgesehene Querversatz zwischen beiden ist vermieden. Zur Unterscheidung zwischen zur Signalerzeugung dienendem, an der Projektionsfläche reflektierten Licht einer­ seits und für die Signalerzeugung schädlichem, am Prüfling reflektierten Licht andererseits wird die Rotationssymmetrie sowohl des vom Projektor emittierten Strahls als auch des an der Projektionsfläche reflektierten Strahls bezüglich der gemein­ samen Achse ausgenutzt. Die Intensitätsverteilung ist in guter Annäherung durch eine Gauß′sche Glockenverteilung gegeben, und durch Erzeugung des Positionierungssignals nur dann, wenn die Kontur des Prüflings in den Schwerpunktstrahl hineinragt, also im Scheitel der Gauß′schen Verteilungskurve liegt, kommt es auf die Richtung der Relativbewegung nicht an, mit der diese rela­ tive Lage von Prüfling und gemeinsamer Achse von Projektor und Sensoranordnung erreicht wurde. Außerdem gelangt zur Sensoran­ ordnung bei dieser Wahl der zur Erzeugung des Positionierungs­ signals führenden "Abschattung" durch den Prüfling ein Signal mit so hoher Intensität, daß irgendwelche unerwünschten reflek­ tierten Strahlungen das Meßergebnis nicht beeinflussen.

Die Erfindung nutzt die Tatsache aus, daß zwar der vom Projektor ausgesendete Strahl eine gewisse Divergenz besitzt, jedoch die Lage des Scheitels seiner Gaußschen Intensitätsverteilung (also der eigentliche Schwerpunktstrahl) infolge der hohen Richtungs­ stabilität des in der Regel genutzten Laserlichts außerordent­ lich konstant ist.

Dies gilt insbesondere dann, wenn die Projektionsfläche gemäß Patentanspruch 4 retroreflektierende Eigenschaften besitzt. Entsprechende retroreflektierende Folien und Anstriche sind im Handel. Sie weisen Glaskugeln von ca. 30 µm Durchmesser in statistischer Verteilung auf, die das einfallende Licht - in der Regel wird man Laserlicht verwenden - zunächst auf die hinteren verspiegelten Kugelflächen fokus­ sieren, von denen das Licht in seine Einfallsrichtung zurückgeworfen wird (Prinzip des "Katzenauges"). Die Ausrichtung der reflektierenden Projektionsfläche ist dann als unkritisch anzusehen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau der Einrichtung und

Fig. 2 eine mögliche Ausbildung der Diskriminator­ schaltung.

Betrachtet man zunächst Fig. 1, so sind auf einem nicht dargestellten, mittels eines Antriebs quer verfahrbaren Träger der Projektor 1, bestehend aus Laser 2 und tele­ zentrischem Abbildungssystem 3 (zur Begrenzung der Strahldivergenz), sowie die Sensoranordnung 4, bestehend aus der Fotodiode 5 mit vorgeschaltetem Abbildungs­ system 6, unter Verwendung des Umlenkspiegels 7 und des Umlenkprismas 8 so angeordnet, daß sie eine gemeinsame Achse 9 besitzen. In einem vorgegebenen Ab­ stand 10 befindet sich die Projektionsfläche 11 mit retroreflektierenden Eigenschaf­ ten; beispielsweise handelt es sich um eine Wand, die mit der beschriebenen retrore­ flektierenden Folie beschichtet ist.

Im Abstand zwischen den Einrichtungen 1 und 4 einerseits und der Projektionsflä­ che 11 andererseits befindet sich der zu vermessende Prüfling. Die Relativbewegung zwischen Prüfling und den Teilen 1 und 4 der Einrichtung ist durch den Pfeil 12 angedeutet.

Betrachtet man zunächst die bei 13 gezeichnete Lage der Prüflingskontur relativ zu dem den Lichtfleck 14 auf der Projektionsfläche 11 erzeugenden Lichtstrahl 15 und zur entsprechend verlaufenden, gerichtet reflektierten Strahlung sowie zur reflek­ tierten Streustrahlung 16, so erkennt man, daß die Prüflingskontur 13 nur einen geringen Teil der gestreuten Rückstrahlung 16 zurückhält, nicht aber den Schwer­ punktstrahl, so daß das Ausgangssignal der Sensoranordnung 4 sich deutlich vom Po­ sitionierungssignal unterscheidet. Ist dagegen durch weitere Relativbewegung der Prüfling in die Lage 13′ relativ zum Strahlengang gelangt, ragt er also in den Schwerpunktstrahl 15 hinein, so daß gleichsam eine Hälfte des Querschnitts des Schwerpunktstrahls durch ihn abgedeckt wird, so erzeugt die Fotodiode 5 ein Aus­ gangssignal, das in der nachgeordneten Auswerteeinrichtung die Erzeugung des Posi­ tionierungssignals veranlaßt, das die Stillsetzung des Antriebs für die Relativbewe­ gung bewirkt und zugleich in einem Rechner gespeichert werden kann.

Infolge der Rotationssymmetrie der Intensitätsverteilung im Strahl bezüglich der Achse 9 ist es für die Gewinnung des Positionierungssignals völlig unerheblich, aus welcher Richtung die Prüflingskontur 13 sich bei der Relativbewegung der Strahl­ achse 9 nähert. Da ferner nicht die vollständige Abschattung des andernfalls be­ strahlten Bereichs 14 der Projektionsfläche 11 als Kriterium für die Erfassung der Prüflingskontur 13 bzw. 13′ ausgenutzt wird, erfolgt die Erzeugung des Positionie­ rungssignals bei Vorliegen eines eine hohe Intensität besitzenden Eingangssignals an der Sensoranordnung 4, so daß die fehlerhafte Erzeugung eines Positionierungssignals unter dem Einfluß von Reflexionserscheinungen am Prüfling ausgeschlossen ist.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die Diskriminatorschaltung in der Auswerte­ einrichtung. Die reflektierte Strahlung ist bei 20 angedeutet; sie fällt auf die Foto­ diode oder einen anderen Strahlungsempfänger 21, der der Fotodiode 5 in Fig. 1 entspricht.

Einen wesentlichen Bestandteil dieser Diskriminatorschaltung bilden die drei Diffe­ renzverstärker 22, 23 und 24, die über den Spannungsteiler mit den Widerständen 25, 26 und 27 sowie den Abgleichwiderstand 28 mit der Referenzspannungsquelle 29 sowie über die Leitung 30 mit dem Ausgang der Sensoranordnung in Verbindung steht. Die über den Abgleichwiderstand 28 abgegriffene Referenzspannung ist empi­ risch durch Vermessen eines Gegenstands mit bekannten Abmessungen und Vergleich der beim Abtasten dieses Gegenstands mittels der erfindungsgemäßen Einrichtung erzeugten Signale der Sensoranordnung bestimmt worden.

Die die einzelnen Differenzverstärker 22, 23 und 24 enthaltenden Diskriminator­ stufen sind so ausgelegt, daß nur bei der in Fig. 1 mit 13′ bezeichneten relativen Lage des Prüflings an der Ausgangsklemme des Differenzverstärkers 23 eine Span­ nung U ansteht, die die Übereinstimmung der Referenzspannung mit dem Ausgangs- Spannungssignal der Sensoranordnung wiedergibt und für die Erzeugung des Positio­ nierungssignals sorgt. Vorher liegt an der Ausgangsklemme des in Fig. 2 oberen Dif­ ferenzverstärkers 22 eine Spannung, die etwa den doppelten Wert 2U besitzt und an­ deutet, daß die zur Erzeugung des Positionierungssignals erforderliche Relativlage des Prüflings noch nicht erreicht ist. Ist die bei 13′ in Fig. 1 angedeutete Relativ­ lage des Prüflings überfahren worden, so steht an der Ausgangsklemme des Diffe­ renzverstärkers eine Spannung, die kleiner als die Spannung U ist, beispielsweise U/2 beträgt, und bei Konturabtastung die Umkehr der Relativbewegung einleitet. Die Wirkung der Signale 2U und U, also "Bewegung fortsetzen" und "Bewegungsrichtung umkehren", kann auch vertauscht werden, so daß dann ein Antasten der jeweiligen Kontur ausgehend von dem abgeschatteten Bereich erfolgt.

Mit der Erfindung ist also eine Einrichtung zum berührungslosen Erfassen der Kontur eines Prüflings geschaffen, die störstrahlungsfrei arbeitet und keine schwer zu erfül­ lenden geometrischen Bedingungen an den eigentlichen Meßvorgang stellt.

Claims (5)

1. Einrichtung zum berührungslosen Erfassen der Kontur eines Prüf­ lings, insbesondere einer Kraftfahrzeugkarosserie, der zwischen einer reflektierenden Projektionsfläche einerseits sowie einem Projektor und einer Sensoranordnung für reflektierte Strahlung in gleichachsiger Ausrichtung andererseits anzuordnen ist, mit einem Antrieb zur Erzeugung von Relativbewegungen zwischen Prüf­ ling einerseits sowie Projektor und Sensoranordnung quer zur ge­ meinsamen Achse derselben andererseits sowie mit einer von den Signalen der Sensoranordnung gespeisten, die Abschattung des be­ strahlten Bereichs der Projektionsfläche durch den Prüfling zur Gewinnung eines Positionierungssignals erfassenden Auswerteein­ richtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung eine Diskriminatorschaltung (22; 23; 24) für die Erzeugung des Positionierungssignals beim Eintreffen desjenigen Signals der Sensoranordnung (4) enthält, das der Antastung des Scheitels der Gaußschen Intensitätsverteilung im Querschnitt des Strahles (15) des Projektors (1) durch den Prüfling (13) zugeordnet ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Positionierungs- signal zur Stillsetzung des Antriebs dient.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerte­ einrichtung eine Aussage über Form und/oder Abmessungen des Prüflings (13) liefert.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Projektionsfläche (11) retroreflektierende Eigenschaften besitzt.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Diskriminatorschaltung eine Vergleichsstufe (23) enthält, der ein empirisch bestimmter Referenzwert und die Signale der Sensoranordnung (4) zur Erzeugung des Positionierungssignals bei Übereinstimmung von beiden zugeführt werden.