DE3824613A1 - Verfahren und vorrichtung zum beruehrungslosen messen von entfernungen oder zum beruehrungslosen vermessen von objekten - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zum beruehrungslosen messen von entfernungen oder zum beruehrungslosen vermessen von objektenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum berührungs
losen Messen von Entfernungen oder zum berührungslosen
Vermessen von Objekten, mit den Verfahrensschritten:
- (a) Leiten von Licht wenigstens einer Lichtquelle auf einen Punkt eines zu vermessenden Objekts,
- (b) Erfassen des von dem Punkt des Objekts in wenigstens einer bestimmten Richtung reflektierten Lichts von lichterfassenden Mitteln,
- (c) Ermittlung der Lage des Punktes des Objekts durch Triangulation.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur
Durchführung des Verfahrens zum berührungslosen
Vermessen von Objekten, enthaltend:
- (a) wenigstens eine Lichtquelle zur Erzeugung wenigstens eines Lichtflecks auf dem zu vermessenden Objekt,
- (b) lichterfassende Mittel zum Erfassen des vom Objekt in einer bestimmten Richtung reflektierten Lichtes des Lichtflecks.
Unter "Lichtquelle" wird hier eine Quelle verstanden,
die elektromagnetische Wellen aussendet, also nicht nur
Lichtquellen zum Aussenden von Licht im sichtbaren
Bereich.
Beispielsweise bei der Erfassung und Vermessung von
Objekten mit empfindlichen Oberflächen (wie z.B. von
Wachsmodellen) ist die berührungslose Abtastung von
besonderer Bedeutung. Bei mechanischem Kontakt der
Meßvorrichtung mit dem Objekt besteht nämlich die
Gefahr einer Beschädigung des Objekts.
Es sind mehrere Verfahren und Vorrichtungen zum
Vermessen von Objekten bekannt.
Aus beispielsweise DE-OS 32 05 362 und DE-OS 36 29 689
sind Vorrichtungen bekannt, bei welchen die Abtastung
des zu erfassenden Objektes durch Berührung mittels
eines Tasters erfolgt. Solche Anordnungen sind
mechanisch sehr aufwendig und können empfindliche zu
untersuchende Objekte beschädigen. Außerdem arbeiten
solche Vorrichtungen sehr langsam.
Durch die DE-OS 35 11 611 ist ein Meßsystem bekannt,
mit welchem eine Oberfläche berührungslos abgetastet
wird. Ein berührungsloses Verschiebungsmeßgerät bewegt
sich längs der zu messenden Fläche und ein Meßfühler
kontrolliert die Stellung des Verschiebungsmeßgerätes.
Die Koordinaten der Meßfläche werden in einer
Koordinaten-Verarbeitungseinheit ermittelt und einem
Rechner zugeführt. Zum Erfassen der einzelnen Punkte
der Meßfläche muß also bei dieser Anordnung jedesmal
das ganze Verschiebungsmeßgerät bewegt werden. Dies
erfordert einen hohen mechanischen Aufwand und das
Meßsystem arbeitet sehr langsam.
Die DE-OS 31 45 823 beschreibt ein Verfahren zur
Koordinatenvermessung von großen Objekten durch
Vorwärtseinschneiden mit Hilfe zweier in festem Abstand
zueinander aufgestellter Winkelmeßgeräte. Mit Hilfe
eines Zielmarkenprojektors werden die anzuzielenden
Punkte des Objekts markiert. Es werden zwei aufwendige
Winkelmeßgeräte benötigt. Die Erfassung von mehreren
Punkten des Objekts ist nur unter großem Zeitaufwand
und mit geringer Genauigkeit möglich. Der Meßvorgang
ist nicht automatisierbar.
Durch beispielsweise DE-OS 29 03 529 und DE-OS 21 13 522
ist es bekannt, Objekte zu vermessen, indem ein
Lichtfleck auf das Objekt projiziert wird, und mit
Hilfe einer Abbildungsoptik ein Bild des Lichtflecks
auf einem positionsempfindlichen Detektor erzeugt wird.
Aus der Lage des Bildes des Lichtflecks, d.h. der Lage
information des Detektors, wird durch Triangulation der
Abstand zu dem gerade beleuchteten Punkt des Objekts
bestimmt. Es ist auch bekannt, den Projektor und das
Abbildungssystem zu einer Baugruppe zusammenzufassen,
die durch geeignete Führungsmittel über das Objekt
bewegt werden kann. Die DE-OS 33 42 675 beschreibt ein
ähnliches Verfahren, wobei zusätzlich die Form des
Lichtflecks gemessen wird. Hieraus läßt sich die
Neigung der Objektoberfläche zur Beobachtungsrichtung
ermitteln und dadurch die Genauigkeit der Entfernungs
bestimmung erhöhen. Mit solchen Verfahren und
Vorrichtungen läßt sich nur ein kleiner Raumbereich
erfassen, ohne daß die Vorrichtung selbst bewegt werden
muß. Um das ganze Objekt zu erfassen, müssen also die
Vorrichtungen häufig bewegt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zum
berührungslosen Vermessen von Objekten so auszubilden,
daß die Geschwindigkeit und die Genauigkeit des
Vermessens erhöht wird.
Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten
Art so auszubilden, daß sie sich bequem automatisieren
lassen.
Der Erfindung liegt schließlich die Aufgabe zugrunde,
eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so
auszubilden, daß die Konstruktion einfach und kompakt
wird.
Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben gelöst durch
- (c) jeweils erste schwenkbare optische Ablenkmittel zum Ablenken des Lichtes von der Lichtquelle auf das zu vermessende Objekt, und
- (d) jeweils zweite schwenkbare optische Ablenkmittel zum Ablenken des reflektierten Lichtes auf die lichterfassenden Mittel.
Das Licht der Lichtquelle wird auf die ersten
schwenkbaren optischen Ablenkmittel geleitet. Die
ersten optischen Ablenkmittel werden dann so
verschwenkt, daß sie das Licht der Lichtquelle auf
einen Punkt des Objekts leiten. In einem vorgebbaren
Abstand von den ersten optischen Ablenkmitteln
angeordnete zweite schwenkbare optische Ablenkmittel
werden so verschwenkt, daß sie das von dem Punkt des
Objekts in dieser Richtung reflektierte Licht auf die
lichterfassenden Mittel leiten. Aus dem vorgebbaren
Abstand zwischen den ersten und den zweiten Ablenk
mitteln und den Winkelstellungen der ersten und zweiten
Ablenkmittel läßt sich dann die Lage des Punktes genau
bestimmen.
Bei einigen bevorzugten Ausführungen der Erfindung sind
entweder mehrere Vorrichtungen zum Erfassen des Objekts
vorgesehen, wird die Vorrichtung auf oder durch Träger
oder das Objekt selbst in definierter Weise bewegt.
Ein Automatisieren des Verfahrens und der Vorrichtung
läßt sich dadurch erreichen, daß die beweglichen Teile
der Vorrichtung automatisch durch Steuer- bzw. Rechen
mittel bewegbar sind.
Im Gegensatz zu den durch die DE-OS 35 11 611 und die
DE-OS 31 45 823 bekannten Vorrichtungen ermöglicht die
vorliegende Erfindung eine sehr schnelle Erfassung und
Vermessung des Objekts. Die optischen Ablenkmittel
können eine sehr niedrige Masse haben und können
dadurch sehr schnell und genau bewegt werden, wobei die
u.U. mit großer Masse behafteten Lichtquellen und licht
erfassenden Mittel fest angeordnet sind.
Mit den aus der DE-OS 29 03 529, DE-OS 21 13 522 und
DE-OS 33 42 675 bekannten Vorrichtungen ist es zwar
möglich, einen kleinen Bereich des Objekts schnell zu
erfassen. Die Vorrichtungen müssen jedoch oft
verschoben werden, um das ganze Objekt zu erfassen.
Durch die Ausbildung mit den schwenkbaren optischen
Ablenkmitteln ist es mit dem Verfahren und der
Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung möglich,
einen sehr großen Raumbereich zu erfassen, ohne daß die
Vorrichtung selbst bewegt wird. Die optischen
Ablenkmittel können nämlich über einen beliebig großen
Winkel bewegt werden. Die Größe des erfaßten
Raumbereichs ist nicht etwa durch die Öffnung der
lichterfassenden Mittel beschränkt. Außerdem ermöglicht
die Ausführung mit mehreren Vorrichtungen oder mit
bewegtem Objekt eine Erfassung und Vermessung, ohne daß
die Vorrichtungen überhaupt verstellt werden müssen.
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der
Unteransprüche.
Einige Ausführungs- und Anwendungsbeispiele der
Erfindung sind nachstehend unter Bezugnahme auf die
zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.
Fig. 1 veranschaulicht das Prinzip des erfindungs
gemäßen Verfahrens zum Messen von
Entfernungen an einer einfachen Vorrichtung
nach der Erfindung.
Fig. 2 zeigt den Strahlengang von Fig. 1 in der X-Y-
Ebene.
Fig. 3 zeigt den Strahlengang von Fig. 1 in der Y-Z-
Ebene.
Fig. 4 zeigt eine tragbare Vorrichtung nach der
Erfindung mit einem längenveränderlichen
Träger für die ersten und zweiten optischen
Ablenkmittel, in teilweise auseinander
gezogenem Zustand.
Fig. 5 zeigt eine Ausführung der Erfindung mit um
zwei Achsen beweglichen ersten und zweiten
optischen Ablenkmitteln.
Fig. 6 zeigt eine Ausführung der Erfindung mit
schwenkbarem Träger für die ersten und
zweiten optischen Ablenkmittel.
Fig. 7 zeigt eine Ausführung der Erfindung mit
dritten optischen Ablenkmitteln.
Fig. 8 zeigt eine Ausführung der Erfindung mit
mehreren lichterfassenden Mitteln.
Fig. 9 zeigt einen bevorzugten Detektor als licht
erfassende Mittel.
Fig. 10 ist ein Blockschaltbild und veranschaulicht
die Signalverarbeitung bei einer Vorrichtung
nach der Erfindung.
Fig. 11 ist eine Draufsicht und zeigt eine Anordnung
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung nach
einer der Fig. 5 bis 8.
Fig. 12 ist eine Draufsicht und zeigt eine weitere
Anordnung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
nach einer der Fig. 5 bis 8.
In Fig. 1 sind mit X, Y und Z die Achsen eines recht
winkligen Koordinatensystems bezeichnet. Ein als
Lichtquelle 10 dienender Laser ist so ausgerichtet, daß
das von dem Laser ausgestrahlte Licht auf erste
optische Ablenkmittel 14 fällt, die hier als ein
Planspiegel ausgebildet sind. Der Spiegel 14 lenkt das
Laserlicht auf einen Punkt 26, dessen Abstand bzw.
Koordinaten bestimmt werden sollen. Hier ebenfalls als
Planspiegel ausgebildete zweite optische Ablenkmittel
16 lenken das von dem Punkt 26 in dieser Richtung
reflektierte Laserlicht auf lichterfassende Mittel 12,
die hier als handelsüblicher Lichtdetektor ausgebildet
sind. Die Spiegel 14 und 16 sind durch Stellmittel 36
bzw. 38 um zwei Achsen schwenkbar. Die Stellmittel 36
und 38 sind mit Winkelskalen versehen. Der Spiegel 16,
der Detektor 12, der Laser 10 und der Spiegel 14 sind
in einer Linie an einem Träger 18 angeordnet, so daß
sie eine Einheit 30 bilden. Der Lichtweg ist
gestrichelt dargestellt und die Lichtrichtung ist durch
Pfeile angezeigt. Zum besseren Verständnis ist der
Punkt 26 mit den Koordinaten x, y, z des Punktes 26 an
den Koordinatenachsen X, Y, Z durch gepunktete Linien
verbunden.
Die in Fig. 1 beschriebene Anordnung funktioniert wie
folgt:
Der Spiegel 14 wird durch die Stellmittel 36 so
verschwenkt, daß er das Laserlicht auf den Punkt 26
lenkt. Anschließend wird der Spiegel 16 durch die
Stellmittel 38 so verschwenkt, daß er das von dem Punkt
26 in dieser Richtung reflektierte Licht auf den
Detektor 12 lenkt. An den vier Winkelskalen der
Stellmittel 36 und 38 werden die Winkel α, ϕ bzw. β,
ψ abgelesen. Bei dieser Anordnung sind dabei die Winkel
ϕ und ψ gleich. Wenn der Ursprung des frei wählbaren
Koordinatenkreuzes X, Y, Z in den Mittelpunkt des
Spiegels 14 gelegt wird und die X-Achse durch den
Mittelpunkt des Spiegels 16 verläuft, dann lassen sich
hieraus zusammen mit dem Abstand a zwischen den
Mittelpunkten der beiden Spiegel 14 und 16 die
Koordinaten des Punktes 26 trigonometrisch berechnen zu
(s. Fig. 2 und 3):
x = a/(1 + tan 2 α cot 2 β), y = a/(cot 2 α + cot 2 b) und
z = a tan 2 ϕ/(cot 2 α + cot 2 β),
z = a tan 2 ϕ/(cot 2 α + cot 2 β),
wobei die Längeneinheit die ist, in der a gemessen
wird.
Bei Entfernungsmessung ist meistens nur der Abstand des
Punktes 26 von einem gegebenen Ort interessant. Der
Abstand des Punktes 26 von dem Mittelpunkt des Spiegels
14 läßt sich berechnen zu
a/(cos 2 α cos 2 ϕ (1 + tan 2 α cot 2 β)).
Die jeweiligen Stellungen der Spiegel 14 und 16 können
in bekannter Weise automatisch durch Positionsgeber
abgegriffen werden und einem (nicht dargestellten) mit
der Einheit 30 integrierten Rechner zugeführt werden,
der die Koordinaten bzw. den Abstand automatisch
berechnet.
In Fig. 4 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung
dargestellt, die in einem mit einem Griff versehenen
Gehäuse 64 untergebracht ist. Der Träger 18 ist
auseinander- und zusammenschiebbar und mit einer
Längenskala zum Ablesen des Abstands a versehen. Dies
liefert eine sehr kompakte Bauweise, wobei trotzdem ein
genügend großer Abstand a zwischen den Spiegeln 14 und
16 realisierbar ist. Der Abstand a geht ebenfalls in
die Berechnung ein, so daß ein größerer Abstand a eine
höhere Genauigkeit bewirkt.
Fig. 5 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum
berührungslosen Vermessen von Objekten. Die optischen
Ablenkmittel 14 und 16 sind wieder als Planspiegel
ausgebildet. Der Spiegel 14 ist um die Achsen 56 und 60
schwenkbar. Der Spiegel 16 ist um die Achsen 58 und 62
schwenkbar. Die lichterfassenden Mittel 12 werden von
einem bevorzugten Detektor gebildet, der noch zu
beschreiben ist. Mit 34 sind Steuer- bzw. Rechenmittel
bezeichnet, die die Spiegel 14 und 16 über Stellmittel
36 bzw. 38 ansteuern und die Koordinaten x, y und z der
zu messenden Punkte ermitteln. Diese Koordinaten können
zur weiteren Verarbeitung an (nicht dargestellte)
externe Verarbeitungsmittel weitergegeben werden. Diese
externen Verarbeitungsmittel können beispielsweise
Koordinatenverarbeitungsmittel, Steuermittel eines
Roboterarms oder Ein- und Ausgabeeinheiten sein.
Fig. 6 zeigt eine ähnliche Vorrichtung zum berührungs
losen Vermessen von Objekten. Hier sind jedoch die
Spiegel 14 und 16 nur um jeweils eine Achse 56 bzw. 58
schwenkbar gelagert. Der Träger 18 ist um die durch die
Mittelpunkte der beiden Spiegel 14 und 16 verlaufende
Achse 66 schwenkbar angeordnet. Zu diesem Zweck ist der
Träger 18 an einer in Lagerungen 84 und 86 gelagerten
Aufhängungsanordnung 88 befestigt.
Auch Fig. 7 zeigt eine ähnliche Vorrichtung zum
berührungslosen Vermessen von Objekten. Der Träger 18
ist fest angeordnet. Die Spiegel 14 und 16 sind um
jeweils eine Achse 56 bzw. 58 schwenkbar gelagert.
Zwischen den Spiegeln 14, 16 und dem zu vermessenden
Objekt 24 sind dritte optische Ablenkmittel 20, 22 in
Form von Planspiegeln um eine Achse 68 drehbar
angeordnet.
Fig. 8 zeigt eine weitere Vorrichtung nach der
Erfindung. Wie bei den anderen Ausführungen erzeugt ein
Laser 10 über einen um zwei Achsen 56 und 60 schwenk
baren Spiegel 14 einen Lichtfleck auf dem zu
erfassenden Objekt 24. Das reflektierte Licht wird
entweder von einem ersten Detektor 12 A über einen
Spiegel 16 A oder von einem zweiten Detektor 12 B über
einen Spiegel 16 B erfaßt. Der Detektor 12 A und der
Spiegel 16 A sind an einem gemeinsamen Träger 18 A
angeordnet. Der Detektor 12 B und der Spiegel 16 B sind
an einem gemeinsamen Träger 18 B angeordnet, der mit dem
Träger 18 A so verbunden ist, daß die beiden Träger 18 A
und 18 B um einen Winkel schwenkbar zueinander sind.
Diese Ausführung mit zwei empfangenden Spiegeln 16 A und
16 B und zwei Detektoren 12 A und 12 B hat den Vorteil,
daß ein größerer Teil des Objekts 24 erfaßt werden
kann, ohne daß die Vorrichtung 30 oder das Objekt 24
verschoben werden müssen.
Die in den in Fig. 5 bis 8 dargestellten Ausführungs
beispielen der erfindungsgemäßen Vorrichtung
vorgesehene Lichtquelle 10 kann ein impulsmodulierter
Laser sein. Die Impulsmodulation kann mittels eines
pulsbetriebenen Lasers oder mittels externer Mittel
erfolgen. Durch eine Modulation mit kleinem Impuls-
Pausenverhältnis, d.h. lange Pausendauer und kurze
Lichtdauer, kann der Laser Licht mit einer hohen
Intensität aussenden, ohne daß die Energie zu groß
wird. Da der Detektor 12 auf die Lichtintensität
anspricht, die Gefährlichkeit des Laserlichts für das
Auge jedoch mit der Energie des Laserlichts steigt,
bietet dies den Vorteil, daß unter Berücksichtigung
einer hohen Sicherheit hohe Lichtintensitäten verwendet
und damit größere Abstände gemessen werden können.
Die Stellmittel 36, 38, 40, 42, und 44 können beispiels
weise Schrittmotoren oder empfindliche Aktuatoren sein.
In Fig. 9 ist ein bevorzugter Detektor als lichter
fassende Mittel 12 dargestellt. In einem rohrförmigen
Gehäuse 70 sind mehrere lichtempfindliche Elemente 48
rasterförmig angeordnet, die für Licht einer bestimmten
Wellenlänge empfindlich sind. An die lichtempfindlichen
Elemente 48 ist ein (nicht dargestellter) frequenz
selektierender Verstärker angeschlossen, welcher
diejenige Impulsmodulationsfrequenz ausfiltert, mit
welcher das zu empfangende Laserlicht moduliert wird.
In dem Gehäuse sind weiterhin durch Stellmittel 46
verstellbare, optische Mittel 28 zum Fokussieren des
Lichts auf die lichtempfindlichen Elemente 48
vorgesehen. Die optischen Mittel 28 werden in Fig. 9
durch eine Blende repräsentiert. Sie können aber auch
z.B. durch ein Varioobjektiv verkörpert sein. In der
Nähe der Öffnung 72 des Detektors 12 ist ein Farbfilter
50 vorgesehen.
Durch die längliche Ausbildung des Gehäuses 70 wird ein
großer Teil des Hintergrundlichts abgeschirmt. Das
Filter 50 läßt nur Licht mit der Wellenlänge des Lichts
der Lichtquelle 10 durch. Der frequenzselektierende
Verstärker filtert diejenige Impulsmodulationsfrequenz
aus, mit welcher das zu empfangende Licht moduliert
wird. Dadurch wird sichergestellt, daß der Detektor 12
nur auf das Licht der Lichtquelle 10 anspricht, und
nicht auf irgendwelches Licht der Umgebung.
Fig. 10 zeigt an einem Blockschaltbild die Signalver
arbeitung bei der in Fig. 5 dargestellten Vorrichtung
nach der Erfindung. An einem Rechner 34 sind die
Stellmittel 36 des Spiegels 14, die Stellmittel 38 des
Spiegels 16, die lichtempfindlichen Elemente 48 des
Detektors 12 und die Stellmittel 46 der optischen
Mittel 28 des Detektors 12 angeschlossen. Mit 74 sind
Aus- und Eingänge des Rechners 34 für externe
Verarbeitungsmittel bzw. Ein- und Ausgabeeinheiten
bezeichnet.
Entsprechende Blockschaltbilder der Signalverarbeitung
bei den in Fig. 6 bis 8 dargestellten Vorrichtungen
sehen ähnlich aus und werden nicht im einzelnen
beschrieben. Zusätzlich an den Rechner 34 angeschlossen
und von diesem gesteuert sind die Stellmittel 44 des
schwenkbaren Trägers 18 bzw. die Stellmittel 40, 42 der
drehbaren Spiegel 20, 22.
Das Verfahren nach der Erfindung zum berührungslosen
Vermessen von Objekten wird nachstehend an zwei
Beispielen erläutert.
In Fig. 11 befindet sich das zu vermessende Objekt 24
auf einem ebenfalls an den (hier nicht dargestellten)
Steuer- und Rechenmitteln 34 angeschlossenen Drehtisch
76. Zur Verringerung des Hintergrundlichts wird der
Drehtisch 76 von einer lichtabsorbierenden Wandung 78
umgeben. Die erfindungsgemäße Vorrichtung nach einem
der Ausführungsbeispiele von Fig. 5 bis 8 ist vor dem
Drehtisch 76 fest oder höhenverstellbar angeordnet.
Eine ebenfalls an den Steuer- bzw. Rechenmitteln 34
angeschlossene Aufnahmevorrichtung 32, z.B. eine
Videokamera, ist auf das Objekt 24 ausgerichtet.
Das zu vermessende Objekt 24 wird auf den Drehtisch 76
gelegt. Durch die Videokamera 32 wird die ungefähre
Lage des Objekts 24 festgestellt und an den Rechner 34
gegeben. Der Rechner 34 gibt nun Signale an die
Stellmittel 36, die den Spiegel 14 so verstellen, daß
das von dem Spiegel 14 reflektierte Laserlicht auf
einem Punkt 26 des Objekts 24 geleitet wird. Der
Spiegel 16 wird nun von dem Rechner 34 über die
Stellmittel 38 so verschwenkt, daß das von dem Punkt 26
in dieser Richtung reflektierte Laserlicht auf den
Detektor 12 fällt. Von dem Detektor 12 erhält der
Rechner 34 Informationen über die Lage des Lichtflecks
an den lichtempfindlichen Elementen 48. Der Spiegel 16
wird nun von dem Rechner 34 über die Stellmittel 38 so
justiert, daß der Lichtfleck auf dem Detektor 12
zentriert wird. Je nach gewünschter Genauigkeit der
Messung können nun die optischen Mittel 28 (z.B. die
Blende) von dem Rechner über die Stellmittel 46 so
verstellt werden, daß ein kleineres und schärferes Bild
auf den lichtempfindlichen Elementen 48 erzielt wird.
Die Koordinaten des Punktes 26 des Objekts 24 werden
von dem Rechner 34 nach dem anhand von Fig. 1 bis 3
dargestellten Rechenverfahren berechnet und abge
speichert. Der Spiegel 14 wird nun in definierter Weise
weiterverschwenkt, so daß ein weiterer Punkt des
Objekts in gleicher Weise erfaßt wird. Der Betrag der
Weiterverschwenkung des Spiegels 14 wird nach
gewünschter Genauigkeit der Vermessung vom Rechner 34
vorgegeben. Diese Weiterverschwenkung des Spiegels 14
kann aber auch in Abhängigkeit von den Koordinaten der
bereits erfaßten Punkte des Objekts erfolgen, oder so,
daß der Lichtfleck an dem Detektor 12 nicht
verschwindet. Dies bietet den Vorteil, daß die
anschließende Verschwenkung des Spiegels 16
vorherberechenbar ist. Es können auch die Spiegel 14
und 16 und die optischen Mittel 28 gleichzeitig
betätigt werden, was zu einer höheren Geschwindigkeit
der Messung führt. Wenn die von dem Laserstrahl über
den Spiegel 14 bei dieser Lage der Vorrichtung 30
relativ zu dem Objekt 24 erreichbaren Punkte des
Objekts 24 erfaßt sind, wird der Drehtisch 76 um einen
vorgebbaren Betrag gedreht und eine weitere Seite des
Objekts 24 in oben beschriebener Weise erfaßt. Dies
wird wiederholt, bis das ganze Objekt 24 erfaßt ist.
Vor jeder Drehung des Drehtisches 76 kann die
Vorrichtung 30 in der Höhe verstellt werden, um die
Höhenausdehnung des Objekts 24 besser erfassen zu
können.
In Fig. 12 sind vier erfindungsgemäße Vorrichtungen
30 A, 30 B, 30 C und 30 D nach einem der Ausführungs
beispiele von Fig. 5 bis 8 an einem drehbaren und
höhenverstellbaren kreisförmigen Träger 52 angeordnet.
Die Drehung und Höhenverstellung des Trägers 52 erfolgt
über den hier nicht dargestellten Rechner 34 (Fig. 10).
Zunächst wird der Träger 52 mit den Vorrichtungen 30 A-D
hochgefahren. Das zu vermessende Objekt 24 wird von
einem Laufband 80 in einer Position unterhalb des
Trägers 52 gebracht. Zur Feststellung, wann das Objekt
24 sich in der gewünschten Position befindet, dienen
hier vier ebenfalls an den Rechner angeschlossene
Lichtschranken 78 A-D. Diese Aufgabe kann aber auch von
einer Aufnahmevorrichtung, z.B. einer Videokamera,
übernommen werden. Wenn die Lichtschranken 78 A-D die
gewünschte Position des Objekts 24 an den Rechner 34
signalisieren, wird der Träger 52 in seine unterste
Stellung hinuntergefahren. Das Objekt 24 wird von den
Vorrichtungen 30 A-D in der in dem ersten Beispiel
beschriebenen Weise abgetastet und erfaßt. Falls es zum
Erfassen des ganzen Objekts 24 nötig ist, wird der
Träger 52 in der Höhe verstellt und gedreht, wobei
diese Anordnung zum Erfassen des ganzen Objekts 24
weniger Drehungen benötigt als die Anordnung im ersten
Beispiel.
Wenn das Objekt in gewünschter Weise erfaßt ist, wird
der Träger 24 wieder hochgefahren und das nächste zu
erfassende Objekt 82 durch das Laufband 80 in Position
unterhalb des Trägers 52 gebracht. Das zweite Objekt 82
wird dann in gleicher Weise erfaßt wie das erste Objekt
24.
Um die Schnelligkeit des Erfassens des Objekts zu
erhöhen, kann eine geringere Anzahl von Punkten des
Objekts erfaßt werden und die Koordinaten der
dazwischenliegenden Punkte durch Fourieranalyse
bestimmt werden.
Claims (46)
1. Verfahren zum berührungslosen Messen von
Entfernungen oder zum berührungslosen Vermessen
von Objekten, mit den Verfahrensschritten:
- (a) Leiten von Licht wenigstens einer Lichtquelle (10) auf einen Punkt (26) eines zu vermessenden Objekts (24),
- (b) Erfassen des von dem Punkt (26) des Objekts (24) in wenigstens einer bestimmten Richtung reflektierten Lichts von lichterfassenden Mitteln (12),
- (c) Ermittlung der Lage des Punktes (26) des Objekts (24) durch Triangulation,
dadurch gekennzeichnet, daß
- (d) das Licht der Lichtquelle (10) auf erste schwenkbare optische Ablenkmittel (14) geleitet wird,
- (e) die ersten optischen Ablenkmittel (14) so verschwenkt werden, daß sie das Licht der Lichtquelle (10) auf einen Punkt (26) des Objekts (24) leiten, und
- (f) in einem vorgebbaren Abstand (a) von den ersten optischen Ablenkmitteln (14) angeordnete zweite schwenkbare optische Ablenkmittel (16) so verschwenkt werden, daß sie das von dem Punkt (26) des Objekts (24) in dieser Richtung reflektierte Licht auf die lichterfassenden Mittel (12) leiten.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß dritte verschwenkbare
optische Ablenkmittel (20, 22) so angeordnet und
verschwenkt werden, daß sie das Licht von den
ersten optischen Ablenkmitteln (14) auf den Punkt
(26) des Objekts (24) leiten und das von dem
Punkt (26) des Objekts (24) in einer bestimmten
Richtung reflektierte Licht auf die zweiten
optischen Ablenkmittel (16) leiten.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Lage des Punktes (26)
des Objekts (24) aus dem Abstand (a) zwischen den
ersten und den zweiten optischen Ablenkmitteln
(14 bzw. 16) und aus Verschwenkungen (α, β und γ,
δ) der optischen Ablenkmittel (14 bzw. 16)
geometrisch ermittelt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Lage des Punktes (26)
des Objekts (24) aus dem Abstand (a) zwischen den
ersten und den zweiten optischen Ablenkmitteln
(14 bzw. 16), aus Verschwenkungen (α und β) der
optischen Ablenkmittel (14 bzw. 16) und aus
Verschwenkungen (ϕ, ψ) der dritten optischen
Ablenkmittel (20,22) geometrisch ermittelt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Lage des Punktes (26)
des Objekts (24) aus dem Abstand (a) zwischen den
ersten und den zweiten optischen Ablenkmitteln
(14 bzw. 16), aus Verschwenkungen (α und β) der
optischen Ablenkmittel (14 bzw. 16) und aus der
Verdrehung (ω) eines für die ersten und die
zweiten optischen Ablenkmittel gemeinsamen
Trägers (18) geometrisch ermittelt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Erfassen
des Lichtflecks durch die lichterfassenden Mittel
(12), verstellbare optische Mittel (28) so
verstellt werden, daß der Öffnungswinkel und
damit das Bild des Lichtflecks (26) an den
lichterfassenden Mitteln (12) kleiner wird, und
die zweiten optischen Ablenkmittel (16), die
dritten optischen Ablenkmittel (22) und/oder der
Träger (18) in Abhängigkeit von der Lage des
Bildes an den lichterfassenden Mitteln (12)
erneut verstellt werden, so daß das Bild
möglichst zentriert wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß anschließend die
ersten optischen Ablenkmittel (14), die dritten
optischen Ablenkmittel (20) und/oder der Träger
(18) so verschwenkt werden, daß das Licht der
Lichtquelle (10) auf mehrere Punkte des Objekts
(24) durch diese ersten bzw. dritten optischen
Ablenkmittel (14 bzw. 20) geleitet wird, und die
jeweiligen Verfahrensschritte für jeden dieser
Punkte wiederholt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Verschwenkung der
ersten optischen Ablenkmittel (14), der dritten
optischen Ablenkmittel (20) und/oder des Trägers
(18) in Abhängigkeit von den Koordinaten (x, y, z)
der bereits erfaßten Punkte des Objekts (24)
erfolgt.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch
gekennzeichnet, daß anschließend die relative
Lage zwischen dem Objekt (24) und der aus
Lichtquelle (10), lichterfassenden Mitteln (12),
ersten und zweiten optischen Ablenkmitteln (14
bzw. 16), Träger (18) und/oder dritten optischen
Ablenkmitteln (20, 22) bestehenden Einheit (30)
verändert wird, und die jeweiligen
Verfahrenschritte wiederholt werden, bis die
Lagekoordinaten aller in Betracht gezogenen
Objektpunkte erfaßt sind.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch
gekennzeichnet, daß die Veränderung der
relativen Lage zwischen dem Objekt (24) und der
Einheit (30) in Abhängigkeit von den Koordinaten
der bereits erfaßten Punkte des Objekts (24)
erfolgt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß die ungefähre
Lage des Objekts (24) durch eine feste oder
verstellbare Aufnahmevorrichtung (32), wie z.B.
eine Videokamera, vorbestimmt wird und eine oder
mehrere Verstellungen der ersten optischen
Ablenkmittel (14), der dritten optischen
Ablenkmittel (20), des Trägers (18) und/oder der
relativen Lage zwischen dem Objekt (24) und der
Einheit (30) in Abhängigkeit von dieser
ungefähren Lage erfolgt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, daß die Verstellungen
- (a) der ersten optischen Ablenkmittel (14),
- (b) der zweiten optischen Ablenkmittel (16),
- (c) der dritten optischen Ablenkmittel (20, 22),
- (d) des für die ersten und zweiten optischen Ablenkmittel (14 bwz. 16) gemeinsamen Trägers (18),
- (e) der optischen Mittel (28) der lichterfassenden Mittel (12),
- (f) der relativen Lage zwischen dem Objekt (24) und der Einheit (30) und/oder
- (g) der Aufnahmevorrichtung (32) über Steuer- bzw. Rechenmittel (34) automatisch erfolgt.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Lagekoordinaten der erfaßten Punkte des Objekts
(24) Rechenmitteln (34) zugeführt werden und für
weitere Auswertemittel zur Verfügung gestellt
werden.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, daß die jeweiligen
Verstellungen der ersten optischen Mittel (14),
der zweiten optischen Ablenkmittel (16), der
optischen Mittel (28) der lichterfassenden Mittel
(12), der dritten optischen Ablenkmittel (20)
und/oder des Trägers (18) so erfolgt, daß das
Bild des Lichtflecks an den lichterfassenden
Mitteln (12) während der Messung möglichst nie
verschwindet.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Lagekoordinaten des Objekts (24) aus den
Lagekoordinaten einer Anzahl von Punkten des
Objekts (24) durch Fourieranalyse ermittelt
werden.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, daß das Licht der
Lichtquelle (10) impulsmoduliert ist.
17. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum
berührungslosen Messen von Entfernungen oder zum
berührungslosen Vermessen von Objekten,
enthaltend:
- (a) wenigstens eine Lichtquelle (10) zur Erzeugung wenigstens eines Lichtflecks (26) auf dem zu vermessenden Objekt (24),
- (b) lichterfassende Mittel (12) zum Erfassen des vom Objekt (26) in einer bestimmten Richtung reflektierten Lichtes des Lichtflecks (24), gekennzeichnet durch
- (c) jeweils erste schwenkbare optische Ablenkmittel (14) zum Ablenken des Lichtes von der Lichtquelle (10) auf das zu vermessende Objekt (24), und
- (d) jeweils zweite schwenkbare optische Ablenkmittel (16) zum Ablenken des reflektierten Lichtes auf die lichterfassenden Mittel (12).
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, gekennzeichnet
durch dritte optische Ablenkmittel (20, 22),
die optisch zwischen dem Objekt (26) und den
ersten bzw. den zweiten optischen Ablenkmitteln
(14 bzw. 16) angeordnet sind.
19. Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch
gekennzeichnet, daß wenigstens die ersten und
die zweiten optischen Ablenkmittel (14 und 16) an
einem gemeinsamen Träger (18) angeordnet sind.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 19,
dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle
(10), die lichterfassende Mittel (12), die ersten
optischen Ablenkmittel (14), die zweiten
optischen Ablenkmittel (16) und/oder die dritten
optischen Ablenkmittel (20, 22) jeweils zueinander
verschiebbar angeordnet sind.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 oder 20,
dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle
(10), die lichterfassenden Mittel (12), die
ersten optischen Ablenkmittel (14), die zweiten
optischen Ablenkmittel (16) und/oder die dritten
optischen Ablenkmittel (20, 22) in geometrisch
zueinander bestimmbaren Positionen arretierbar
sind.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 21,
dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle
(10) und/oder die lichterfassenden Mittel (12)
zwischen den ersten und den zweiten optischen
Ablenkmitteln (14 bzw. 16) angeordnet sind.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 22,
dadurch gekennzeichnet, daß die ersten
und/oder die zweiten optischen Ablenkmittel (14
bzw. 16) durch Stellmittel (36 bzw. 38) jeweils
um eine Achse (56 bzw. 58) drehbeweglich
angeordnet sind.
24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 22,
dadurch gekennzeichnet, daß die ersten
und/oder die zweiten optischen Ablenkmittel (14
bzw. 16) durch Stellmittel (36 bzw. 38) jeweils
um zwei Achsen (56, 60 bzw. 58, 62) drehbeweglich
angeordnet sind.
25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 24,
dadurch gekennzeichnet, daß die dritten
optischen Ablenkmittel (20, 22) durch Stellmittel
(40, 42) drehbeweglich angeordnet sind.
26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 25,
dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (18)
durch Stellmittel (44) drehbeweglich angeordnet
ist.
27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 26,
dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des
Trägers (18) veränderbar ist.
28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 27,
dadurch gekennzeichnet, daß die ersten, die
zweiten und/oder die dritten optischen
Ablenkmittel (14, 16 bzw. 20, 22) als Reflektoren
ausgebildet sind.
29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 28,
dadurch gekennzeichnet, daß die
lichterfassenden Mittel (12) Detektormittel sind,
die nur auf Licht einer bestimmten Frequenz
und/oder einer bestimmten Impulsmodulation
ansprechen.
30. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 29,
dadurch gekennzeichnet, daß die
lichterfassenden Mittel (12) mit verstellbaren
optischen Mitteln (28) versehen sind.
31. Vorrichtung nach Anspruch 30, dadurch
gekennzeichnet, daß die verstellbaren
optischen Mittel (28) wenigstens eine Blende
enthalten.
32. Vorrichtung nach Anspruch 30 oder 31, dadurch
gekennzeichnet, daß die verstellbaren
optischen Mittel (22) ein Varioobjektiv
enthalten.
33. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 30 bis 32,
dadurch gekennzeichnet, daß die verstellbaren
optischen Mittel (28) durch rechnergesteuerte
Stellmittel (46) verstellbar sind.
34. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 33,
dadurch gekennzeichnet, daß die
lichterfassenden Mittel (12) mehrere
lichtempfindliche Elemente (48) enthalten.
35. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 34,
dadurch gekennzeichnet, daß die
lichterfassenden Mittel (12) Quadrantendetektoren
enthalten.
36. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 35,
dadurch gekennzeichnet, daß die
lichterfassenden Mittel (12) mit Filtern (50)
vesehen sind.
37. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 36,
dadurch gekennzeichnet, daß einige oder alle
beweglichen Teile der Vorrichtung automatisch
durch Steuer- bzw. Rechenmittel (34) bewegbar
sind.
38. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 37,
dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle
(10), die lichterfassenden Mittel (12), die
ersten optischen Ablenkmittel (14), die zweiten
optischen Ablenkmittel (16), die dritten
optischen Ablenkmittel (20, 22), der Träger (18)
und/oder die Steuer- bzw. Rechenmittel (34) zu
einer Einheit (30) zusammengefaßt sind.
39. Vorrichtung nach Anspruch 38, dadurch
gekennzeichnet, daß die Einheit (30) in einer
oder mehreren Richtungen verschiebbar und/oder um
mindestens eine Achse verschwenkbar an einem
Träger angeordnet ist.
40. Vorrichtung nach Anspruch 39, dadurch
gekennzeichnet, daß die Einheit (30) auf
einem kreisförmigen Träger (52) verschiebbar
angeordnet ist.
41. Vorrichtung nach Anspruch 40, dadurch
gekennzeichnet, daß der kreisförmige Träger
(52) drehbar und/oder höhenverstellbar ist.
42. Vorrichtung nach Anspruch 41, dadurch
gekennzeichnet, daß der kreisförmige Träger
(52) durch rechnergesteuerte Stellmittel (54)
verstellbar ist.
43. Anordnung nach einem der Ansprüche 17 bis 42,
dadurch gekennzeichnet, daß mehrere
Vorrichtungen bzw. Einheiten (30) vorgesehen
sind.
44. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 43,
dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle
(10) ein Laser ist.
45. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 44,
dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle
(10) impulsmodulierbar ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19883824613 DE3824613C2 (de) | 1988-07-20 | 1988-07-20 | Verfahren und Vorrichtung zum berührungslosen Vermessen von Objekten |
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DE19883824613 DE3824613C2 (de) | 1988-07-20 | 1988-07-20 | Verfahren und Vorrichtung zum berührungslosen Vermessen von Objekten |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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DE3824613A1 true DE3824613A1 (de) | 1990-04-26 |
DE3824613C2 DE3824613C2 (de) | 1993-12-16 |
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