DE3824820A1

DE3824820A1 - Geraet zum beruehrungslosen optischen bestimmen von geometrischen abmessungen eines objektes

Info

Publication number: DE3824820A1
Application number: DE19883824820
Authority: DE
Inventors: Gebhard Birkle
Original assignee: Individual
Current assignee: Birkle Sensor GmbH and Co
Priority date: 1988-07-21
Filing date: 1988-07-21
Publication date: 1990-01-25
Also published as: WO1990001141A1; EP0425544A1; DE3824820C2

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Gerät zum berührungslosen optischen Bestimmen von geometrischen Abmessungen eines Objektes gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Es sind Laser-Geräte zur Maßbestimmung der Abmessungen von Objekten be kannt, die nach dem Prinzip der Abschattung von Licht durch das Meßobjekt arbeiten. Das zu bestimmende Maß wird von den Schattenkanten, die Hell- Dunkelübergänge bilden, abgeleitet. Derartige Geräte haben einen Stammechanis mus, der entweder ein rotierendes oder schwingendes Spiegelelement ist.

Derartige Laser-Geräte erzielen gegenüber der üblichen Meßkamera wohl eine höhere Genauigkeit, sie sind jedoch aufgrund des sich bewegenden Scann mechanismus sehr empfindlich und störanfällig.

Technische Aufgabe

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der genannten Gattung zu schaffen, die einen verschleißfreien Ablenkmechanismus besitzt, der bei Schwenkbewegungen um beliebige Achsen nicht beeinflußt wird und der beliebige Aufstellungs- oder Einbaulagen ermöglicht.

Darstellung der Erfindung

Die Lösung der Aufgabe besteht erfindungsgemäß in den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung besitzt den hervorstechenden Vorteil, daß diese keine um Achsen schwingende oder drehende Lichtablenkmechanismen besitzt, sondern daß der Ablenkmechanismus verschleißfrei ist. Eine Schwenkbewegung des Gerätes um beliebige Achsen bleibt ohne Einfluß auf Ablenkmechanismus, weshalb die Erfindung beliebig aufgestellt oder eingebaut werden kann. Vorteilhaft kann die Erfindung in Mehrfachanwendung in Meßvorrichtungen vorgesehen werden, um dergestalt verschiedene Abmessungen eines Objektes beim Durchgang desselben durch die Meßvorrichtung zu erfassen. Die Erfindung kann höchst vorteilhaft als zustellbares Meßwerkzeug, z.B. mit einer Roboterbedienung, verwendet werden.

Desweiteren besitzt die Erfindung eine hohe Meß- bzw. Abtastfrequenz, z.B. 2 kHz, die ungefähr um den Faktor 10 höher liegt, als bei bekannten Geräten, deren Ab tastfrequenz typischerweise 200 Hz beträgt.

In vorteilhafter Weise bestimmt zu Beginn der Messung das Spannungs-Meßsignal U ₁ bez. U ₂ des Zeilensensors den anzuwendenden Meßbereich der Vorrichtung aufgrund der Beziehungen M=D 1+H+S beziehungsweise M=D 1+S.

In vorteilhafter Weise ist mit der Erfindung eine Austastbewegung quer zur Meßlinie möglich, z.B. eine Schwenkbewegung um ±5 Winkelgrade.

Desweiteren besitzt die Erfindung zwei Klassen der Meßgenauigkeit, je nachdem, ob der Zeilensensor über einen in der Zeile schwingenden Umlenkspiegel ausge steuert wird oder nicht. Dadurch wird eine Grob- und eine Feinmaßbestimmung möglich, z.B. mit den Meßgenauigkeiten A±0,1 mm; B=±0,02 mm. Die Ausführung nur mit feststehendem Zeilensensor ohne schwingenden Umlenk spiegel ermöglicht eine einfache und robuste Ausführungsform der erfindungs gemäßen Vorrichtung, deren Genauigkeit für viele Anwendungszwecke aus reichend ist.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Breite des einfallenden Lichtbandes durch die Optik um das Doppelte auseinander zu ziehen. Bei spezifischen Anforderungen an den Meßbereich kann auch ein Auseinanderziehen des Lichtbandes um das Dreifache oder ein anderes Mehrfache sinnvoll sein.

Das Gerät ist unmittelbar nach dem Einschalten meßbereit, wobei ein intermit tierender Betrieb des Gerätes möglich ist.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematisierte Ansicht eines Gerätes in Draufsicht auf die Ebene, in der sich die Lichtquelle, die Spiegelprismen, das Meßfenster und die Empfangseinheit befinden, die hier aus einem Schwingelement, daran befestigter Umlenkspiegel und Zeilensensor besteht,

Fig. 2 eine um 90° gedrehte Seitenansicht der Fig. 1, um die Schmalheit des Gerätes zu demonstrieren,

Fig. 3 eine Ansicht eines Gerätes mit zusätzlicher feststehender Abbildungs optik und CCD-Zeilensensor oder -Matrix als Kamera zur Angabe der Position des Objektes oder auch zur Messung um 90° versetzt oder zur Mittenbestimmung des Objektes,

Fig. 4a-c die Signalverläufe bei stehendem Umlenkspiegel oder nur mit fest stehendem Zeichensensor und zwar,

Fig. 4a ohne Objekt im Meßfenster,

Fig. 4b mit Objekt im Meßfenster, wobei das Objektmaß größer als (H+S) M=D 1+H+S ist,

Fig. 4c mit Objekt im Meßfenster, wobei das Objektmaß kleiner als (H+S) M=D 1+S ist,

Fig. 5a-c die Signalverläufe bei Verschiebung der H/D-Übergänge auf einer Diodenzeile mit 12 Elementen bei bewegtem Umlenkspiegel und einem Objektmaß größer (H+S) M=D 1+H+S,

Fig. 5a nämlich die H/D-Übergänge mit dem Abstand M 1, die ein Maß M 2 signalisieren,

Fig. 5b den Versatz der H/D-Übergänge um die Strecke X 1, wobei der Belichtungsübergang von Element 22 ₉ auf 22 ₈ die Markierung für die Korrekturgröße X 1 zur verfeinerten Maßbestimmung signalisiert,

Fig. 5c nach weiterem Versatz um die Strecke X 2 bei Signalisierung des Be lichtungsüberganges von Element 22 ₄ auf 22 ₃ die Korrekturgröße X 2,

Fig. 6a-c die analogen Signalverläufe gemäß den Fig. 5a-c mit einem Objektmaß kleiner (H+S) M=D 1+S und

Fig. 7 Y das Meßsignal eines CCD-Sensors mit den lichtempfindlichen Elementen P (0) bis P(N) in der Zeile und Z eine mögliche Kompa ratorschwelle in Analogie zur Lichtintensität über der Lichtbandbreite.

Bevorzugte Ausführung der Erfindung

Gemäß den Fig. 1 und 2 besitzt die Erfindung eine Laser-Lichtquelle 2, die z.B. aus einer Laser-Diode 3 und einer Aufweitungsoptik 5 besteht, die das Laserlicht zu einem Lichtband der Breite H paralleler Strahlen aufweitet. Das Lichtband fällt auf ein erstes Spiegelprisma 8 mit mindestens der Eintrittsbreite H, welches das Licht band umzulenken und in Richtung seiner Breite beispielsweise zu verdoppeln im stande ist. Hierfür besteht das Spiegelprisma 8 aus einem Dachkantprisma 9, dessen lichtempfangende Eintrittsfläche gleich oder breiter als die Breite H des Lichtbandes ist. Das Dachkantprisma 9 besitzt eine ebene Dachschräge 10, die als halbdurchlässige Spiegelfläche mit 50% Reflexion ausgebildet ist. An die Dach schräge 10 schließt sich in Richtung der optischen Eintrittsachse des Prismas 9 ein weiteres Dachkantprisma 11 an, dessen Dachschräge 12 als volle, ebene Spiegel fläche gestaltet ist und dessen optische Eintrittsachse mit der des Dachkantprismas 9 zusammenfällt.

Die optischen Verhältnisse sind so beschaffen, daß die Breite H des ursprünglichen Lichtbandes von beiden Dachkantprismen 9, 11 in einer Linie nebeneinander liegend zur Breite 2 H verdoppelt wird, wobei zwischen beiden eine Lücke S ent steht, so daß die optischen Austrittsachsen der Dachkantprismen 9, 11 parallel zu einander verlaufen.

In Richtung der Normalen der nebeneinanderliegenden Austrittsflächen der Dach kantprismen 9, 11 ist ein Objekt 7 angeordnet. Das kleinste bestimmbare Maß d des Objektes ist bedingt durch den Abstand der inneren Begrenzungsstrahlen s 1/ s 2 bzw. die Lücke S, das größte durch den Abstand der äußeren Begrenzungsstrahlen a 1/ a 2.

Den Austrittsflächen des Spiegelprismas 8 planparallel gegenüberstehend ist ein Spiegelprisma 8′ angeordnet, welches spiegelsymmetrisch zum Spiegelprisma 8 aufgebaut ist und deshalb die Lichtbänder 2 H umlenkt und wieder zum Lichtband der Breite H′zusammensetzt, wobei vorzugsweise H = H′ ist. Das Spiegelprisma 8′ besteht aus den beiden Dachkantprismen 9′ und 11′, wobei das Dachkantprisma 11′ eine Dachschräge mit einer Spiegelfläche mit 100% Reflexion, das Dach kantprisma 9′ eine Dachschräge mit einer Spiegelfläche mit 50% Reflexion be sitzen, gleichzeitig setzt das Dachkantprisma 9′ die Lichtbänder 2 H wieder zum Lichtband H′ zusammen. Das Objekt 7 zwischen den beiden Spiegelprismen 8, 8′ erzeugt somit in Richtung der optischen Eintrittsflächen des Spiegelprismas 8′ eine Abschattung mit den Begrenzungsstrahlen i 1 und i 2. An das Spiegelprisma 8′ schließt sich in Richtung seiner optischen Austrittsachse eine opto-elektrische Empfangseinheit 13 an.

Die opto-elektrische Empfangseinheit 13 besteht z.B. aus einem Piezoschwinger 14, an dessen oszillierendes Teil ein Umlenkspiegel 15 mit schräg stehender Spiegelfläche angeordnet ist, der das Licht auf einen feststehenden Sensor 18 um lenkt, der vorzugsweise eine CCD-Zeilensensor mit lichtempfindlichen Elementen in einer Zeile 17 ist. Die Zeile 17 besitzt mindestens eine Länge H′′, die vorzugs weise gleich der Breite H des Lichtbandes bzw. der Austrittsbreite H′ des Spiegel prismas 8′ ist; H=H′=H′′.

Die beschriebene Anordnung ist vorzugsweise in einem Gehäuse 1 untergebracht, welches länglichflach gestaltet ist und an einem Ende zwei sich gegenüber stehende Schenkel 5, 5′ besitzt, die zwischen sich ein nach außen hin offenes Meß fenster 8 einschließen, das mittig sich in Richtung der Gerätelängsachse 18 er streckt, die gleichzeitig Symmetrieachse des Gerätes ist. In jedem Schenkel 5, 5′ ist ein Spiegelprisma 8, 8′ dergestalt angeordnet, daß die optischen Austritts- bzw. Ein trittsfläche sich planparallel gegenüberstehen, zwischen denen das zu messende Objekt 7 plaziert werden kann. Die Laser-Lichtquelle 2 und die Empfangseinheit 13 sind zwecks kleiner Bauweise parallel zueinander jeweils vor bzw. hinter dem be treffenden Spiegelprisma 8, 8′ angeordnet.

Fig. 3 zeigt ein Gerät, welches zusätzlich eine feststehende Empfangseinheit 19 besitzt, bestehend aus einer Abbildungsoptik 20 und einem Zeilensensor 21, z.B. ein CCD-Zeilensensor oder CCD-Matrix als Kamera zur Angabe der Position des Objektes oder auch zur Messung um 90° versetzt oder zur Mitten- oder Lagen bestimmung des Objektes.

Anhand der Fig. 4a-c erfolgt nunmehr eine Betrachtung der Gerätefunktion bei stehendem Umlenkspiegel 15, was mit dem Vorhandensein nur des Zeilensensors 18 gleichzusetzen ist.

Die Spiegelprismen 8, 8′ leiten das Lichtband H der Lichtquelle 2 verbreitert durch das Meßfenster 8. Befindet sich in diesem kein Objekt, so werden 50° der Aus gangs-Lichtleistung auf den Zeilensensor 18 geleitet. Vereinfachenderweise sei zunächst ein konstanter Intensitätsverlauf über der Lichtbandbreite H angenommen. Die für die Messung wirksame Lichtbandbreite H entspricht der wirksamen Eintritts breite des Eintrittsfensters des Spiegelprismas 8. Der Sensor 18 liefert ein Signal wie es in Fig. 4a dargestellt ist. Die Reihe der lichtbeaufschlagten Diodenelemente P ₀ bis P _N liefert eine konstante Meßspannung U 2.

Ein Objekt 7 im Meßfenster 8 bewirkt eine Abschattung mit der Lichtbündelgrenze i 1 und i 2, die ebenfalls auf den Sensor 18 geleitet werden. Dabei reduziert das Spiegelprisma 8′ den Abstand der Grenzen um das Maß H. Der Meßspannung U 1 entsprechen ca. 25% der Ausgangslichtintensität. Der Meßspannungsverlauf entspricht dann Fig. 4b. Objektmaße größer (H+S) sowie kleiner (2H+S) verursachen diesen Verlauf des Meßsignales. Das Objektmaß errechnet sich nach M=D 1+H+S.

Objektmaße größer S sowie kleiner (H+S) verursachen Meßsignale nach Fig. 4c. Die Überschneidung der sich überlagernden, teilweise abgeschatteten Teile des Lichtbandes a 1- a 2 in Fig. 1 bewirkt die Meßspannung U 2 (Lichtintensität ca. 50% der Ausgangsintensität). ln der Verarbeitung der Meßsignale steuern U 1 bzw. U 2 die Erkennung des anzuwendenden Meßbereiches.

Die Meßauflösung der Erfindung ist auf der oben beschriebenen Funktionsbasis durch die geometrische Auflösung der Diodenzeile begrenzt. Deshalb werden zur feineren Maßbestimmung die Hell-Dunkel-Übergänge mit dem oszillierenden Spiegel 15 auf der Zeile 17 des Zeilensensors 18 mittels des Piezoschwingers 14 als Längentranslator verschoben. Die logische Verschaltung von CCD-Betrieb des Zeilensensors 16 und der Spiegelverstellung des Umlenkspiegels 15 ermöglichen die hochauflösende Maßgenauigkeit der Erfindung.

Anhand der Fig. 5a-c erfolgt die Betrachtung der Gerätefunktion für Objektmaße größer (H+S) bei oszillierendem Umlenkspiegel, wobei die Verschiebung der H/D-Übergänge auf der Diodenzeile 17 mit zwölf Elementen 22 ₁-22 ₁₂ dargestellt ist. Auf der Achse A-B erfolgen von A nach B drei Belichtungszustände des Zeilen sensors 18 in den Positionen Fig. 5a, Fig. 5b und Fig. 5c.

Fig. 5a: Die H/D-Übergänge mit dem Abstand M 1 treffen in die Elemente 22 ₄ bzw. 22 ₉ und signalisieren im abgeleiteten Binärsignal ein Maß M 2 in Analogie zu deren realen Abständen der Elemente 22 ₄ und 22 ₉.

Fig. 5b: Nach Versatz der H/D-Übergänge um die Strecke X 1 in Richtung des Pfeils ist Element 22 ₉ voll ausgeleuchtet. Der Belichtungsübergang von Element 22 ₉ auf 22 ₈ signalisiert die Markierung für die Korrekturgröße X 1 zur verfeinerten Maßbestimmung.

Fig. 5c: Nach weiterem Versatz um die Strecke X 2 signalisiert der Belichtungs übergang von Element 22 ₄ auf 22 ₃ die Korrekturgröße X 2.

Die verfeinerte Maßbestimmung berechnet sich aus M=M 2+X 1+(T-X 2). Es sind verschiedene Varianten der beschriebenen Maßverfeinerung möglich, jedoch ent halten sämtliche die Ermittlung von 2 Korrekturgrößen.

In den Fig. 6a-c ist analog die Gerätefunktion für Objektmaße kleiner (H+S) dargestellt.

Gegenüber den Signalmodellen der Fig. 4, 5 und zeigt Fig. 7 das technisch realisierbare Meßsignal Y in U(V) des CCD-Sensors, aufgetragen über die licht empfindlichen Elemente P ₀ bis P _N. Die dargestellte Komparatorschwelle Z entspricht einem Lichtintensitätsverlauf über dem Maß H des Lichtbandes. Mit der Komparatorfunktion erfolgt einfacherweise eine Binarisierung des Primärsignals.

In einer einfachen Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung besitzt diese keinen schwingenden Umlenkspiegel, sondern das austretende Lichtband des zweiten Spiegelprismas wird direkt einem Zeilensensor aufgegeben. Eine derartige Vorrichtung ist mechanisch und softwaremäßig vereinfacht. Die Meßgenauigkeit dieser Vorrichtung ist für viele Anwendungsbereiche voll ausreichend.

Bei spezifischen Anforderungen an den Meßbereich kann es sinnvoll sein, das einfallende Lichtband innerhalb der ersten Optik auf das Dreifache oder Mehrfache seiner ursprünglichen Breite auseinanderzuziehen und innerhalb der zweiten Optik wieder auf die ursprüngliche Breite zusammenzusetzen.

Gewerbliche Anwendbarkeit

Die Erfindung stellt einen Laser-Meßscanner zur Verfügung, der insbesondere eine hohe Adaptionsflexibilität in der Kombination des Gerätes mit dem Fertigungspro zeß besitzt, beispielsweise als zustellbares Meßwerkzeug in einer Roboterstraße der Automobilindustrie, z.B. zum Messen des Durchmessers von Wellen, oder in der Werkzeugindustrie.

Liste der Bezugszeichen

1 Gehäuse
2 Laser-Lichtquelle
3 Laserdiode
4 Aufweiterungsoptik
5, 5′ Schenkel
6 Meßraum oder Meßfenster
7 Objekt
8, 8′ Spiegelprismen
9, 9′ Dachkantprismen
10, 10′ halbdurchlässige Spiegelflächen
11, 11′ Dachkantprismen
12, 12′ volle Spiegelflächen
13 Empfangseinheit
14 Piezoschwinger
15 Umlenkspiegel
16 Zeilensensor
17 Zeile des Zeilensensors
18 Längsachse
19 Empfangseinheit
20 Fokussierungsoptik
21 Zeilensensor
22₁-22₁₂ Element des Zeilensensors
a 1, a 2 äußere Begrenzungsstrahlen
i 1, i 2 Begrenzungsstrahlen der Objekt-Abschattung
s 1, s 2 innere Begrenzungsstrahlen
S Lücke
d Durchmesser des Objektes
H Lichtband-Breite oder Eintrittsbreite des Lichtbandes
H′ Austrittsbreite der Spiegelprismas 8′
M 1, M 2 Abstände
X 1, X 2 Strecken
P 1 Oszillationsrichtung des Piezoschwingers
H′′ Zeilenlänge des Zeilensensors

Claims

1. Gerät zum berührungslosen optischen Bestimmen von geometrischen Abmes sungen eines Objektes, das sich im Strahlengang eines Lichtbandes von parallelen Strahlen befindet, mit einer Laser-Lichtquelle und einem opto-elektrischen Sensor zum Empfang des Lichtbandes und Erzeugen eines elektrischen Meßsignals, gekennzeichnet durch zwei sich im Abstand gegenüberstehende Spiegelprismen (8, 8′), die zwischen sich einen Meßraum (8) begrenzen, in den das Objekt (7) plazierbar ist, wobei das der Lichtquelle (2) benachbare erste Spiegelsprisma (8) das Licht (a 1, a 2, i 1, i 2, s 1, s 2) umlenkt und auf das zweite Spiegelprisma (8′) wirft, welches das Licht ebenfalls umlenkt und auf den Sensor (18) leitet, der ein Zeilen sensor mit einer Vielzahl von opto-elektrisch empfindlichen Elementen (22) (CCD) ist, wobei entsprechend der Abschattung des zweiten Spiegelprismas (8′) die Schattenkanten des Objektes eine bestimmte elektrische Spannung des Sensors bewirken, die ein Maß für die Abmessung (d) des Objektes darstellt.

2. Gerät mit den weiteren Merkmalen, daß die Spiegelprismen (8, 8′) spiegel symmetrisch gestaltet sind und das erste Spiegelprisma (8) die Breite des Lichtbandes auseinanderzieht und dergestalt auf das zweite Spiegelprisma (8′) wirft, die das auseinandergezogene Lichtband wieder zur ursprünglichen Breite zusammensetzt.

3. Gerät mit den weiteren Merkmalen, daß jedes Spiegelprisma (8, 8′) aus einem ersten Dachkantprisma (9, 9′), dessen Dachkantschräge (10, 10′) als teildurch lässige Spiegelfläche ausgebildet ist und einem zweiten Dachkantprisma (11, 11′) besteht, dessen Dachschräge eine volle Spiegelfläche (12, 12′) ist, die das von der halbdurchlässigen Spiegelfläche durchgelassene Licht empfängt und umlenkt, und das erste Spiegelprisma (8) so das Lichtband verdoppelt und die so erzeugten Bänder nebeneinanderliegend auf das gegenüberliegende Spiegelprisma (8′) wirft, das die Bänder wieder zum Lichtband der ursprünglichen Breite zusammensetzt und auf den Sensor (18) leitet.

4. Gerät mit den weiteren Merkmalen, daß das zweite Spiegelprisma (8′) das Licht auf einen Umlenkspiegel (15) leitet, der in Richtung der Zeile (17) des Zeilen sensors (16) translatorisch bewegbar ist.

5. Gerät mit den weiteren Merkmalen, daß der Umlenkspiegel (15) an einem Schwingelement (14) befestigt ist, dessen Schwingungsamplitude in Richtung der Zeile (17) des Zeilensensors (16) wenigstens der Breite eines opto-elektrischen Elementes (22 ₁-22 ₂) der Zeile (17) entspricht.

8. Gerät mit den weiteren Merkmalen, daß die Spiegelprismen (8, 8′) in einem Gehäuse (1) angeordnet sind, das zwei sich gegenüberstehende Schenkel (5, 5′) aufweist, die dazwischen den Meßraum (6) begrenzen und in jedem Schenkel eines der Spiegelprismen sich befindet, wobei die Lichtquelle (2) und die Empfangseinheit (13) parallel zueinander gerichtet hinter den Spiegelprismen an geordnet sind.

7. Gerät mit den weiteren Merkmalen, daß das Schwingelement ein Piezo- Schwinger (14) ist.

8. Gerät mit den weiteren Merkmalen, daß der Meßraum zwischen den Schenkeln (5, 5′) ein nach außen offenes Meßfenster (6) ist, welches sich mittig in Richtung der Längsachse (18) des Gerätes erstreckt.

9. Gerät mit den weiteren Merkmalen, daß die Spannungs-Meßsignale (U ₁,U ₂) des Zeilensensors (16) die Erkennung des anzuwendenden Meßbereiches (M=D 1+H+S; M=D 1+S) festlegen.

10. Gerät mit den weiteren Merkmalen, daß die Breite des in das erste Spiegel prisma einfallenden Lichtbandes innerhalb desselben um das Dreifache ausein andergezogen ist.