DE3702691A1 - Beruehrungsloser abstandssensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen berührungslosen Abstandssensor, wobei für die Anordnung von Projektionsachse, Detektorebene und der Hauptebene des auf den Detektor abbildenden Objektivs die Scheimpflugbedingung eingehalten ist. Derartige Abstandssensoren sind u. a. in folgenden Schriften beschrieben: DE-A1-28 53 978, DE-C2-33 02 948, EP-A1-01 63 347, EP-A1-01 56 991, US-A-43 73 805 und US-A-44 53 083.

Bei diesen bekannten Abstandssensoren wird ein Lichtbündel in der Regel senkrecht auf die Oberfläche des Objekts projiziert, dessen Abstand ermittelt werden soll. Der projizierte Lichtpunkt wird dann von einem mit seiner optischen Achse gegen die Projektionsachse geneigten Objektiv auf einen linearen, photoelektrischen Detektor wie z. B. eine Diodenzeile oder ein sogenanntes CCD-Array abgebildet. Dabei entsteht ein von der Position des auffallenden Lichtflecks abhängiges Signal, welches ein Maß für die Objektentfernung darstellt.

Der nutzbare Meßbereich eines solchen Abstandssensors ist der Teil der Projektionsachse, der auf die photoempfindliche Fläche des Detektors abgebildet wird, und seine Auflösung wird von der Zahl der Einzelelemente des Detektors bestimmt. Für hochgenaue Messungen steht deshalb nur ein relativ kleiner Meßbereich zur Verfügung, der außerdem noch dadurch eingeschränkt ist, daß die Signale der Elemente in den Randbereichen des Detektors oft für andere Aufgaben wie z. B. für die Maschinennachführung benötigt werden und deshalb nicht ohne weiteres für die eigentliche Meßaufgabe genutzt werden können.

Verwendet man den Abstandssensor der eingangs genannten Art als optischen Tastkopf in einem Koordinatenmeßgerät, so besteht die Forderung nach möglichst hoher Meßgenauigkeit bzw. Auflösung bei gleichzeitig möglichst großem Meßbereich. Denn wenn der Meßbereich zu klein ist, kann der Fall eintreten, daß beim Scannen des zu vermessenden Werkstücks eine Kante überfahren wird und dabei der Meßbereich abrupt verlassen wird, ohne daß die Maschinensteuerung Daten über die Nachführrichtung enthält. In solchen Fällen müßte der Tastkopf manuell gesteuert mit seinem Meßbereich wieder auf das Werkstück aufgesetzt werden. Derartige Störungen unterbrechen den sonst automatisch ablaufenden Meßvorgang.

Aus der DE-A1-33 00 333 ist ein Abstandssensor bekannt, für den das Problem der Meßbereichsüberschreitung dadurch gelöst ist, daß entweder das abbildende Objektiv oder ein Ablenkspiegel im Abbildungsstrahlengang verschoben werden, wenn der abgebildete Meßpunkt auf dem Detektor in dessen Randbereiche gelangt. Durch die mechanische Bewegung des betreffenden optischen Bauteils wird der Meßpunkt wieder auf die Detektormitte zurückgeführt, was einer Meßbereichsverschiebung gleichkommt. Nachteilig dabei ist allerdings die Verwendung mechanisch bewegter Teile, die den Regelkreis, mit dem die Meßbereichsverschiebung bewirkt wird, träge machen. Der bekannte Tastkopf ist deshalb für einen schnellen Scanbetrieb nicht geeignet.

In der EP-A1-0 134 597 ist ein Abstandssensor nach dem Triangulationsprinzip beschrieben (Fig. 4, 5) der zwei Detektoren und zwei Abbildungsoptiken besitzt, die symmetrisch zueinander angeordnet sind. Dadurch wird jeweils ein und derselbe Bereich der Projektionsachse mit gleichem Abbildungsmaßstab auf beide Detektoren abgebildet. Diese symmetrische Anordnung dient dazu, den Störabstand des Meßsignals gegenüber Falschlicht zu verbessern. Das Problem der Meßbereichsüberschreitung ist in dieser Schrift weder angesprochen noch gelöst.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen berührungslosen Abstandssensor des eingangs genannten Typs zu schaffen, der als optischer Tastkopf im schnellen Scanbetrieb eingesetzt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch eine Ausbildung gemäß den im Kennzeichen des Hauptanspruches angegebenen Maßnahmen dadurch gelöst, daß der Abstandssensor mindestens zwei auf- bzw. hintereinander liegende Meßbereiche unterschiedlicher Größe bzw. Ortsauflösung besitzt, indem Teile der Projektionsachse mit unterschiedlichem Abbildungsmaßstab bzw. unter verschiedenen Bildwinkeln auf mindestens zwei photoelektrischen Detektoren abgebildet sind.

Im Ergebnis sind dadurch also zwei Abstandssensoren mit unterschiedlichen Meßbereichen und unterschiedlicher Meßgenauigkeit in einem Tastkopf vereinigt. Damit ist ohne mechanisch bewegte Teile ein für den schnellen Scanbetrieb geeigneter optischer Tastkopf geschaffen, der auch über hohe Kanten hinweg geführt werden kann. Denn wenn bei der Messung im Scanbetrieb der kurze aber hochaufgelöste Meßbereich verlassen wird, stehen die Signale des an ihn anschließenden oder ihn übergreifenden Meßbereichs mit geringerer Auflösung als Steuerdaten für die Rückführung des Tastkopfs in den genaueren Meßbereich zur Verfügung.

Da das Projektionsteil des Abstandssensors und auch die Steuerelektronik für die den verschiedenen Meßbereichen zugeordneten Detektoren gemeinsam benutzt werden können, ist die erfindungsgemäße Lösung wenig aufwendig und es kann ein sehr kompakter Tastkopf realisiert werden, der universell einsetzbar ist.

Das gleichzeitige Vorhandensein zweier unterschiedlicher Meßbereiche ermöglicht außerdem eine Betriebsweise, bei der das Meßobjekt in einem sogenannten Orientierungsscan erst einmal schnell die Meßlinie abfährt, um die Bahndaten für den eigentlichen Meßvorgang zu gewinnen. Bei diesem Orientierungsscan wird der größere Meßbereich mit geringerer Auflösung genutzt, der auch einen größeren Arbeitsabstand besitzt, so daß die Kollisionsgefahr beim Orientierungsscan stark verringert ist. Nach dem Orientierungsscan kann sofort mit dem eigentlichen Feinmeßvorgang begonnen werden, ohne daß ein Tastkopfwechsel vorgenommen werden müßte.

Weitere Vorteile der Erfindung sind den Unteransprüchen und der nachstehenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Fig. 1-6 der Zeichnung entnehmbar.

Fig. 1 ist eine Prinzipskizze eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 2 ist eine Prinzipskizze eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 3 ist eine Prinzipskizze eines dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 4 ist eine Prinzipskizze eines vierten Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 5 ist die Prinzipskizze eines fünften Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 6 ist die Prinzipskizze eines sechsten Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Der in Fig. 1 dargestellte Abstandssensor besteht im Projektionsteil aus einer Leuchtdiode oder Laserdiode (L₁) und einem Projektiv (P₁), das ein Lichtbündel mit eng begrenztem Durchmesser entlang der Projektionsachse (Z₁) etwa senkrecht auf das zu messende Werkstück (W₁) projiziert. Der auf der Werkstückoberfläche entstehende Lichtpunkt (P₁) wird durch ein erstes Objektiv (O₁) auf einen Detektor (D₁) in Form einer Diodenzeile oder eines CCD-Arrays und durch ein zweites Objektiv (O₂) auf einen gleichartigen zweiten Detektor (D₂) abgebildet. Die Anordnung von Projektionsachse (Z₁), der Hauptebenen (H₁) und (H₂) der Objektive (O₁) und (O₂) und der Ebene (E₁), in der die beiden Detektoren (D₁) und (D₂) liegen, ist dabei so gewählt, daß die Scheimpflugbedingung erfüllt ist. Diese Bedingung bedeutet für den in Fig. 1 dargestellten Fall, daß die genannten Ebenen die Projektionsachse in einem Punkt schneiden. Dadurch ist es möglich, den auf die Werkstückoberfläche projizierten Punkt (P₁) unabhängig vom Abstand in Richtung der Projektionsachse (Z₁) immer scharf auf die Detektoren (D₁) und (D₂) abzubilden.

Das Objektiv (O₁) ist mit seiner Hauptebene (H₁) um einen Winkel α₁ gleich 30° gegen die Detektorebene (E₁) geneigt, während der Neigungswinkel α₂ des Objektivs (O₂) 45° beträgt. Daraus ergeben sich für beide Objektive unterschiedliche Objekt- und Bildentfernungen, so daß die mittleren Abbildungsmaßstäbe, unter denen die Projektionsachse (Z₁) auf die beiden Detektoren (D₁) und (D₂) abgebildet wird, selbst bei gleicher Brennweite der Objektive (O₁) und (O₂) unterschiedlich sind, so entstehen zwei verschieden große, übereinander liegende Meßbereiche (₁) und (₂) für die Detektoren (D₁) und (D₂). In der nachstehenden Tabelle ist angegeben, welche Größe die Meßbereiche abhängig von der Brennweite der Objektive (O₁) bzw. (O₂) unter Zugrundelegung einer nutzbaren Zeilenlänge von 12 mm für die Detektoren (D₁) bzw. (D₂) besitzen können:

Tabelle 1

Die Werte beziehen sich auf die in Fig. 1 skizzierte Anordnung und setzen voraus, daß die Detektorebene (E₁) und die Projektionsachse (Z₁) einen rechten Winkel miteinander bilden.

Im beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Länge der beiden Diodenzeilen (D₁ und D₂) und ebenso die Anzahl der lichtempfindlichen Einzelelemente auf beiden Zeilen gleich (z. B. 512 pixel). Es kann sich aber als vorteilhaft erweisen, wenn z. B. für die dem genaueren Meßbereich (₂) zugeordnete Diodenzeile (D₂) ein Exemplar mit einer größeren Anzahl von Einzelelementen (z. B. 1024 pixel) gewählt wird, und damit die Auflösung des Meßbereichs (₂) zusätzlich zu verbessern.

Über die Signale der Diodenzeile (D₂) kann der Abstand (Z) zur Werkstückoberfläche (W₁) im Meßbereich (₂) mit hoher Genauigkeit gemessen werden. Gleichzeitig können die Signale der dem größeren Meßbereich (₁) zugeordneten Diodenzeile (D₁) als Steuerdaten für eine Meßmaschine dienen, an dessen in mehreren Raumrichtungen beweglicher Pinole der Abstandssensor befestigt ist und von der er an der Kontur des Werkstücks (W₁) entlang so verfahren wird, daß die Werkstückoberfläche immer im Meßbereich (₂) bleibt. Wird der Meßbereich (₂) verlassen, indem der Abstandssensor zum Beispiel die Kante (K) des Werkstücks (W₁) überfährt, so wird über die Steuersignale der Diodenzeile (D₂) der Maschinenantrieb gestoppt und die Kante (K) anschließend mit geringerer Geschwindigkeit abgefahren, bei der die Maschinenantriebe der Werkstückkontur folgen können.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel muß zur Durchführung der vorstehend genannten Betriebsweise die Scanrichtung senkrecht zu der von den Achsen des Projektionssystems und der Abbildungssysteme aufgespannten Ebene gewählt werden, um eine Abschaltung eines der beiden Meßbereiche durch die Kante K zu vermeiden, d. h. der Pfeil A und die Werkstückkontur W₁ erstrecken sich senkrecht zur Papierebene. Diese Einschränkung in Bezug auf die Scanrichtung ist dann nicht mehr erforderlich, wenn der nachstehend beschriebene Aufbau nach Fig. 2 gewählt wird:

Der im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 dargestellte Abstandssensor unterscheidet sich von dem nach Fig. 1 nur dadurch, daß die Ebenen, in denen die beiden Abbildungssysteme bestehend aus den Objektiven (O₁₁) und dem Detektor F(D₁₁) bzw. dem Objektiv (O₁₂) und dem Detektor (D₁₂) liegen, um die Projektionsachse gedreht sind und einen Winkel β90° einschließen. In dieser räumlichen Anordnung der beiden Abbildungssysteme in verschiedenen Ebenen läßt sich außerdem ein sehr kompakter mechanischer Aufbau für den Abstandssensor realisieren.

Es ist noch zu bemerken, daß die beiden Diodenzeilen (D₁₁) und (D₁₂) in diesem Ausführungsbeispiel alternierend von einer gemeinsamen Elektronikeinheit (L) angesteuert werden und auch ein Betrieb möglich ist, bei dem wahlweise nur eine einzige der beiden Diodenzeilen aktiviert ist.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 besitzt der Abstandssensor neben dem Projektionsobjektiv (P₂₁), das der Lichtquelle (L₂₁) zugeordnet ist, nur ein einziges Abbildungsobjektiv (O₂₁) mit großem Bildwinkel für die beiden hintereinander angeordneten Diodenzeilen (D₂₁) und (D₂₂). Dieses Objektiv ist mit seiner Hauptebene (H₂₁) um einen Winkel α=45° gegen die Detektorebene (E₂) geneigt, so daß der mittlere Abbildungsmaßstab, unter dem die Projektionsachse abgebildet wird, 1 : 1 beträgt. Da aber für die Abbildung auf die Detektoren (D₂₁) und (D₂₂) unterschiedliche Bildwinkelbereiche des Objektivs (O₂₁) benutzt werden, sind die auf die Diodenzeilen abgebildeten Meßbereiche (₂₁) und (₂₂) verschieden groß und die Ortsauflösung in den beiden Meßbereichen ist unterschiedlich. Den größeren und in seinem unteren Randbereich deutlich nichtliniearen Meßbereich (₂₁) ist ein längerer Arbeitsabstand zugeordnet. Mit diesem Meßbereich kann das zu vermessende Objekt beispielsweise in der eingangs genannten Betriebsweise Orientierungsscan schnell abgefahren werden, wobei die Bahndaten für ein anschließendes Vermessen im höher auflösenden Meßbereich (₂₂) gewonnen werden.

Da die mechanischen Abmessungen der Diodenzeilen (D₂₁) und (D₂₂) die ihrer lichtempfindlichen Fläche übersteigen, gibt es zwischen den beiden Meßbereichen (₂₁) und (₂₂) eine tote Zone. Das kann vermieden werden, wenn man wie in Fig. 4 dargestellt hinter dem Abbildungsobjektiv (O₃₁) einen geometrischen Strahlteiler in Form einer spiegelnden Schneide (S₃₁) anordnet. Dieser Strahlteiler (S₃₁) lenkt den Abbildungsstrahlengang für den Bildwinkelbereich, unter dem der Meßbereich (₃₁) auf die Diodenzeile (D₃₂) abgebildet wird, um. Somit können die beiden Detektoren (D₃₁) und (D₃₂) in verschiedenen Ebenen montiert werden und die Meßbereiche schließen aneinander an. Die Scheimpflugbedingung ist bei dieser Anordnung ebenfalls eingehalten, denn der Schnittpunkt der Hauptebene des Objektivs (O₃₁) mit der Projektionsachse liegt in der Ebene des virtuellen Bildes (V₃₂).

Natürlich ist es auch möglich anstelle des geometrischen Strahlteilers (S₃₁) einen physikalischen Strahlteiler einzusetzen, wenn der damit verbundene Intensitätsverlust nicht stört.

Entsprechende Beispiele sind in den Fig. 5 und 6 dargestellt. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 ist hinter dem unter einem Winkel von 60° gegen die Projektionsachse geneigten Abbildungsobjektiv (O₄₁) ein physikalischer Strahlteiler (S₄₁) angeordnet, der ähnlich wie der geometrische Strahlteiler (31) aus Fig. 4 den Teilstrahlengang für die Abbildung des Meßbereichs (₄₁) umlenkt. In der Bildebene im abgelenkten Teilstrahlengang ist die erste Diodenzeile (D₄₁) angeordnet.

Im anderen Teilstrahlengang des durch den Strahlteiler (S₄₁) hindurchtretenden Lichtes befindet sich ein optisches Element (O₄₂) in Form einer Negativlinse. Diese Linse bildet zusammen mit dem Objektiv (O₄₁) ein Teleobjektiv, dessen Hauptebenen (H₄₁) und (H₄₂) vor dem Objektiv liegen und das eine längere Brennweite als das Einzelobjektiv (O₄₁) besitzt. Die Bildebene (E₄₂) dieses aus (O₄₁) und (O₄₂) gebildeten Teleobjektivs ist unter einem Winkel α₄₂ von 60° gegen die Hauptebenen (H₄₁) und (H₄₂) geneigt. Diese bezüglich Projektionsachse und Bildebene symmetrische Anordnung läßt sich z. B. erzielen, in dem die Brennweite (f₁) von (O₄₁) zu 16 mm, die Brennweite (f₂) von (O₄₂) zu -13 mm und ein gegenseitiger Abstand zwischen (O₄₁) und (O₄₂) von d=13 mm gewählt wird. Mit ihr wird der Meßbereich (Z₄₂) unter einem mittleren Abbildungsmaßstab von 1 : 1 auf die Diodenzeile (D₄₂) abgebildet. Dagegen beträgt der mittlere Abbildungsmaßstab für den auf (D₄₁) ausgespiegelten Strahlengang 3 : 1.

Auch im Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 sind hinter dem im Abbildungsstrahlengang des Objektivs (O₅₁) angeordneten physikalischen Strahlteiler (S₅₁) zusätzliche optische Elemente (O₅₂) und (O₅₃) angeordnet. Hier handelt es sich um eine Feldlinse (O₅₂) in der Bildebene (E₅₁) des Objektivs (O₅₁) und eine Realaislinse (O₅₃), die den zentralen Bereich das in der Ebene (E₅₁) abgebildeten Meßbereiches (₅₁) nochmals vergrößert auf die Diodenzeile (D₅₂) abbildet. Für die nochmalige Abbildung durch die Relaislinse (O₅₃) ist ebenfalls wieder die Scheimpflug-Bedienung eingeschaltet, den die Ebene (E₅₁) in der das Zwischenbild entsteht, die Hauptebene der Relaislinse (O₅₃) und die Bildebene (E₅₂) schneiden sich in einem Punkt. Im Effekt wird durch die zweistufige Abbildung der Diodenzeile (D₄₂) der kleinere Meßbereich (₄₂) zugeordnet, der entsprechend höher aufgelöst werden kann.

In den Ausführungsbeispielen der Fig. 1-6 sind als positionsempfindliche photoelektrische Detektoren Diodenzeilen genannt worden. Selbstverständlich ist es möglich anstelle von Diodenzeilen auch sogenannte CCD-Arrays oder andere positionsempfindliche Wandlerelemente einzusetzen. Schließlich ist auch die Zahl der übereinander gelegten oder aneinander anschließenden Meßbereiche nicht auf zwei beschränkt, sondern kann durchaus größer sein.

Claims (9)

1. Berührungsloser Abstandssenor nach dem Triangulationsprinzip, wobei für die Anordnung von Projektionsachse (Z₁), Detektorebene (E₁) und der Hauptebene (H₁, H₂) des auf den Detektor abbildenden Objektivs (O₁, O₂) die Scheimpflugbedingung eingehalten ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstandssensor mindestens zwei auf- bzw. hintereinander liegende Meßbereiche (₁, ₂) unterschiedlicher Größe bzw. Ortsauflösung besitzt, indem Teile der Projektionsachse (Z₁) mit unterschiedlichem Abbildungsmaßstab bzw. unter verschiedenen Bildwinkeln auf mindestens zwei photoelektrischen Detektoren (D₁, D₂) abgebildet sind.

2. Abstandssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Detektor (D₁, D₂) jeweils ein Objektiv (O₁, O₂) zugeordnet ist, und der Abbildungsmaßstab der Objektive (O₁, O₂) unterschiedlich ist.

3. Abstandssensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils aus der Projektionsachse und der optischen Achse eines der Objektive (O₁₁, O₁₂) gebildeten Ebenen einen Winkel ( ) einschließen, der kleiner als 90° ist.

4. Abstandssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den Detektoren (D₂₁, D₂₂) ein gemeinsames Objektiv (O₂₁) zugeordnet ist und die Abbildung auf die Detektoren unter verschiedenen Bildwinkeln erfolgt.

5. Abstandssensor nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch mindestens einen Strahlteiler (S₃₁) im bildseitigen Strahlengang des Objektivs (O₃₁).

6. Abstandssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge bzw. die Anzahl der Einzelelemente der photoelektrischen Detektoren unterschiedlich ist.

7. Abstandssensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß hinter dem Strahlteiler (S₄₁, S₅₁) weitere optische Elemente (O₄₂, O₅₂, O₅₃) angeordnet sind.

8. Abstandssensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Objektiv (O₄₁) in Verbindung mit dem weiteren optischen Element (O₄₂) ein Teleobjektiv darstellt.

9. Abstandssensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren optischen Elemente (O₅₂, O₅₃) eine nochmalige Abbildung der Bildebene (E₅₁) des Objektivs mit einem von 1 verschiedenen Abbildungsmaßstab erzeugen.