DE3910855C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum berührungslosen Vermessen der Außenkonturen von dreidimensionalen Objekten mittels elektromagnetischen Wellen mit einem das Objekt tragenden, um die z-Achse in definierten Schritten drehbaren Drehteller, einer Abtasteinheit, die relativ zum Drehteller in X- und Z-Richtung bewegbar ist und die einen von ihr ausgehenden, am Objekt reflektierten Meßstrahl hinsichtlich des Auftreffpunktes auf dem Sensor der Abtasteinheit registriert und mit einer Auswerteeinheit zum Speichern und Verarbeiten der Einzelinformationen über Objektentfernung, X- und Z-Lage der Abtasteinheit und Drehlage des Drehtellers.

Im Bereich des Maschinenbaus findet heute bereits ein erheblicher Teil des Konstruierens auf dem Bildschirm einer EDV- Anlage statt. Ergebnis dieser Konstruktionstätigkeit sind Zeichnungen und Datensätze, die digital abgespeichert werden, und damit die Ausgangsgröße des CAD-Systems bilden.

Wenn diese Daten direkt als Eingangsgröße einer computergestützten Fertigungsstraße (CIM) dienen, läuft die gesamte, die Fertigung eines Produktes begleitende und begründende Theorie innerhalb der EDV-Anlage ab.

Dieser digitale Datenfluß wird dann gestört, wenn Daten realer Objekte in ihn integriert werden müssen. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn die realen, exakten Abmessungen körperlich vorliegender Objekte zur Grundlage weiterer Konstruktionen oder Fertigungsvorgänge gemacht werden müssen, oder wenn die vom CAD-System oder der CIM-Anlage errechneten Werte mit den realproduzierten Objekten verglichen werden müssen.

In diesem Falle mußten bisher die real vorliegenden Objekte von Hand vermessen und diese Meßwerte in die EDV eingegeben werden. Besonders bei komplexen, unregelmäßigen Formen und bei einer größeren Stückzahl von Objekten ist dieser Vorgang nicht nur zeitraubend, sondern auch extrem fehlerbehaftet.

Eine Einrichtung zur optischen Abstandsmessung von Oberflächen zu einem Bezugspunkt ist aus der DE 33 00 333 A1 bekannt. Die Abstandsmessung wird nach dem Triangulations-Entfernungsmeßprinzip durchgeführt. Dafür liegt die Sensoreinheit um eine bestimmte Strecke neben der die Wellen aussendenden Quelle. Das zu vermessende Objekt ist auf einem sich bei der Messung drehenden Drehtisch angeordnet. Während der Drehung ändert sich der Abstand der Oberfläche des zu messenden Objekts zur Meßeinrichtung und entsprechend wandert der auf dem Sensor abgebildete Lichtfleck seitlich aus. Die Ablenkung ist ein Maß für den Abstand der Oberfläche des Gegenstands von der Meßeinrichtung.

Eine weitere Einrichtung zum Messen dreidimensionaler Koordinaten ist aus der DE 35 11 611 A1 bekannt. Eine Abtasteinrichtung tastet dabei die orthogonalen Koordinatenpositionen längs der X-, Y- und Z-Achse einer zu messenden Fläche ab. Ein berührungsloses Verschiebungsmeßgerät bewegt sich längs der zu messenden Fläche und ein Meßfühler kontrolliert die Stellung des Verschiebungsmeßgerätes. Eine Koordinatenverarbeitungseinheit wandelt die Daten von der Positionsabtasteinrichtung zum Verschiebungsmeßgerät und vom Meßfühler in dreidimensionale Koordinaten der Meßfläche um. Diese Meßeinrichtung hat jedoch den Nachteil, daß sie sehr aufwendig ausgebildet ist. Dies ist vor allem darauf zurückzuführen, daß eine aufwendige Nachführung zum Messen zwingend erforderlich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art, einen einfacheren und kostengünstigeren Aufbau anzugeben und einen geringeren Rechenaufwand, insbesondere mit weniger Variablen zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Abtasteinheit in X- und Z-Richtung bewegbar ist, ein handelsüblicher EDV-Plotter als X- und Z-Schlitten für die Abtasteinheit verwendet wird und auf einem l-förmigen Grundgestell der Drehteller auf dem waagerechten Schenkel und der EDV-Plotter auf dem senkrechten Schenkel des Grundgestells angeordnet sind.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird als Meßeinheit ein Triangulations-Entfernungsmesser verwendet. Wie bereits oben erwähnt, liegt bei einem Triangulations- Entfernungsmesser die Sensoreinheit um eine bestimmte Strecke neben der die Wellen aussendenden Quelle. Ein derartiger Sensor besteht im wesentlichen aus einer Linsenoptik, die den auftreffenden reflektierten Strahl auf einen dahintergelegenen PSD (Position Sensitive Detector)-Streifen leitet.

Der ausgesandte Strahl bildet mit dem reflektierten Strahl am Reflextionspunkt einen Winkel, der um so kleiner ist, je weiter der reflektierende Punkt von der Strahlungsquelle ent­ fernt ist. Infolgedessen durchlaufen die reflektierten Strah­ len auch in einem unterschiedlichen Winkel die Optik des empfangenden Sensors und treffen auch an unterschiedlichen Stellen des PSD-Streifens, der dahinter liegt, auf. Der PSD verfügt an seinen beiden entgegengesetzten Enden über elek­ trische Anschlüsse, an denen im Ruhezustand der gleiche, beispielsweise auf Null gesetzte, Spannungswert anliegt.

Würde nun ein reflektierter Strahl genau in der Mitte des PSD auftreffen, so würde an dessen Endpunkten daraufhin ein Spannungssignal anliegen, welches unterschiedliche Vorzeichen, jedoch gleichen Betrag hat. Je nachdem, wie nahe der Auftreff­ punkt an einem der beiden Endpunkte des PSD liegt, werden die Beträge der an den Endpunkten anliegenden elektrischen Kon­ takte verschieden hoch sein, jedoch immer unterschiedliches Vorzeichen haben. Deshalb läßt sich, nach erfolgter Eichung, aus dem Verhältnis der anliegenden Spannungsbeträge an den Endpunkten des PSD die Entfernung des reflektierenden Punktes ableiten.

Verwendet man als Strahlungsquelle dieses Entfernungsmessers eine Laserdiode, die mit sichtbarem Licht, beispielsweise der Wellenlänge 680 nm, arbeitet, so läßt sich während des Meßvorganges der Lichtpunkt auf dem zu vermessenden Objekt beobachten. Dies ist beispielsweise für die manuelle An­ steuerung bestimmter, zu vermessender Bereiche eines Objektes sinnvoll, oder um eine direkte Kontrolle der Funktionsfähig­ keit des Lasers zu haben.

Der Nachteil liegt natürlich darin, daß aufgrund der im sicht­ baren Bereich liegenden Wellenlänge auch der Sensor zur Re­ gistrierung der Meßstrahlen durch das sichtbare Licht der Um­ gebung beeinflußt werden kann. Diese Beeinflussung durch das Umgebungslicht wird ausgeschlossen, indem der Laser für die Einzelmessungen sehr kurz gepulst wird, also für jeden Meß­ vorgang beispielsweise nur für etwa 120 µsec eingeschaltet wird, und auch der PSD nur während dieser Zeit aktiviert ist. Zusätzlich wird ein entsprechender elektronischer Filter nachgeschaltet, der die elektrischen Auswirkungen des Um­ gebungslichtes auf dem PSD eliminiert, also die Normalbe­ strahlung als Nullwert ansetzt.

Mit einem solchen Entfernungsmesser, der mittels PSD direkt verwertbare, analoge elektrische Signale liefert, kann aller­ dings eine EDV-Anlage, die üblicherweise nur digitale Signale als Eingangsgrößen verarbeiten kann, noch nicht direkt be­ schickt werden. Zusätzlich liefert jeder Meßvorgang an den Endpunkten des PSD zwei gleichzeitig auftretende Spannungs­ werte, wogegen eine digitale Recheneinheit nach Möglichkeit nur mit einem Eingangswert pro Zeiteinheit beschickt werden soll, um den Hardware-Aufwand gering zu halten.

Aus diesem Grund wird noch vor der Analog-Digital-Umformung der Spannungswerte einer der beiden Spannungswerte zeitlich gepuffert und etwa 40 µsec später der Recheneinheit zuge­ führt, die diesen Wert dann mit dem vorher registrierten ersten Spannungswert vergleicht und aus der Relation dieser Werte einen einzigen, der Entfernung entsprechenden, digi­ talen Meßwert erstellt nach der Formel

der von jeder Standard-EDV verarbeitet werden kann.

Um mit einer solchen Meßeinheit zum Messen der Entfernung zu Datensätzen zu kommen, die die Form eines abzutastenden Ge­ genstandes in allen drei Dimensionen wiedergibt, sind jedoch zusätzlich spezielle Meßverfahren sowie deren gerätetechnische Umsetzung erforderlich. Dabei muß man auch hinsichtlich der zu vermessenden Objekte unterscheiden: Obwohl der Normalfall ein Objekt sein wird, dessen gesamte Umfangsfläche, also so­ wohl Vorder- als auch Rückseite, erfaßt werden soll, kann es auch den Fall geben, daß die dreidimensionale, also relief­ artige, Vorderseite eines Objektes zu vermessen ist, und die Rückseite dieses Gegenstandes ohne Interesse ist.

Der einfachste Fall ist wohl eine im wesentlichen gerade, reliefartige Oberfläche, deren Berge und Täler keine Hinter­ schneidungen aufweisen, also von einem senkrecht auf dieses Gelände auftreffenden Meßstrahl vollständig erfaßt werden. Dieses Relief wird einfach dadurch vermessen, indem der Meß­ strahl das gesamte Relief entlang parallel verlaufender Linien abtastet, wobei jede dieser Linien wiederum aus ein­ zelnen, benachbart liegenden Meßpunkten besteht. Sofern der Meßstrahl immer senkrecht zur generellen Lage dieses Reliefs auftrifft, also für jeden neuen Meßpunkt die Meßeinheit parallel versetzt und über den vermessenen Punkt gebracht wird, wird auch die Meßeinheit Punkt für Punkt und Linie für Linie parallel über der Fläche des zu vermessenden Reliefs entlangbewegt, so daß jeder einzelne Meßwert den Abstand des zu vermessenden Punktes von der Ebene, in der sich die Meß­ einheit bewegt hat, angibt. Mit Hilfe dieser Datensätze kön­ nen beliebige graphische Darstellungen der Reliefform erzeugt werden, etwa beispielsweise Schnitte in Ebenen parallel zu der Ebene, in der sich die Meßeinheit bewegt hat, wodurch Höhenlinien wie bei der üblichen Landkartendarstellung ent­ stehen. Ebenso können graphische Darstellungen in Form von Längs- oder Querschnitten erzeugt werden.

Selbstverständlich gelten die ermittelten Abstandswerte immer nur in bezug auf die Ebene, innerhalb deren die Meßeinheit beim punktförmigen bzw. linienförmigen Abtasten der Relief­ fläche bewegt wurde.

Anders dagegen bei der Vermessung beispielsweise eines Zylinders, dessen im wesentlichen zylindrische Mantelfläche zusätzlich reliefartig ausgebildet ist:
Wenn auch diese Oberfläche keine Hinterschneidungen, also für den Meßstrahl unzugängliche, da abgedeckte, Ausnehmungen aufweist, genügt es, diesen zu vermessenden Zylinder entlang einer Mantellinie abzutasten, und dies für so viele parallel nebeneinanderliegende Mantellinien zu wiederholen, bis der gesamte Umfang des Zylinders, also die vollen 360°, vermessen sind. Dabei ist es im Prinzip unerheblich, ob sowohl beim Vermessen einer einzigen Mantellinie als auch bei der Wie­ derholung dieser Linienvermessung über den gesamten Umfang des zu vermessenden Zylinders die Meßeinheit bezüglich des Objektes oder umgekehrt bewegt wird. Wichtig ist lediglich, daß für jeden Meßvorgang die Relativlage von Meßeinheit und damit dem Verlauf des Meßstrahls und dem Objekt bekannt ist.

Ebenso ist es unerheblich, ob zunächst eine Mantellinie ver­ messen und diese Messung in Winkelschritten über die gesam­ ten 360° der Umfangsfläche wiederholt wird, oder zunächst eine volle Umfangslinie vermessen wird, die durch parallel hierzu erfolgende, kreisförmige Messungen ergänzt wird.

In allen Fällen ist die Umrechnung der so gewonnenen Meßwerte am einfachsten, wenn dabei der Meßstrahl auf die Rotations­ achse gerichtet ist, unabhängig davon, ob um diese Rotations­ achse das zu vermessende Objekt oder die Meßeinheit selbst rotiert.

Weist das Objekt dagegen Hinterschneidungen auf, die bei die­ ser Ausrichtung des Meßstrahles nicht abgetastet werden kön­ nen, so muß zusätzlich zum Abtasten dieser Hinterschneidungen die Meßeinheit in einer Tangentialebene zu dem als Beispiel betrachteten zu vermessenden Zylinder seitlich versetzt wer­ den, da auf diese Weise die meisten Hinterschneidungen zu­ sätzlich erfaßt werden können.

Wenn weiterhin - um beim Beispiel des zu vermessenden Zylin­ ders zu bleiben - die obere oder auch die untere Stirnfläche des Zylinders abgetastet werden sollen, so muß zwischen Meß­ einheit und Objekt eine entsprechende Relativbewegung statt­ finden, also der Meßstrahl bezüglich der Längsachse des Zylin­ ders so verlagert werden, daß diese etwa parallel liegen und sich die Meßeinheit oberhalb der zu vermessenden Stirnflächen befindet.

In der Regel gibt es jedoch bei den meisten zu vermessenden Objekten eine Referenzfläche, die nicht mehr abgetastet wer­ den muß, so daß es beim Beispiel des Zylinders ausreichen würde, entweder nur die Mantelfläche abzutasten oder zusätz­ lich etwa bei senkrecht stehendem Zylinder die obere Stirn­ fläche, was beispielsweise zu verwirklichen ist, wenn die Meßeinheit über die Höhe der oberen Stirnfläche hinaus bewegt und der Meßstrahl so verschwenkt werden könnte, daß er zwar immer noch auf die Längsachse des Zylinders auftrifft, jedoch nicht mehr unter einem Winkel von 90°. Auf diese Art und Weise könnte, bei Relativdrehung des Zylinders um seine Längsachse vor der Meßeinheit, auch die obere Stirnfläche des Zylinders vermessen werden.

Da die Relativbewegungen, die dem beschriebenen Meßverfahren zugrundeliegen, in sehr kleinen Schritten und sehr exakt voll­ zogen sowie bei Durchführung der Messung bekannt sein müssen, ist der gerätetechnische Aufwand zur Durchführung dieser Meßverfahren sehr hoch, wenn ein annehmbar genaues Meßergebnis erzielt werden soll.

Der hierfür notwendige finanzielle Aufwand hält sich jedoch dann in Grenzen, wenn hierfür Baugruppen eingesetzt werden können, die für einen eventuell anderen Verwendungszweck, allerdings in großen Stückzahlen hergestellt werden und des­ halb relativ preisgünstig verfügbar sind.

Im vorliegenden Fall wurde aus diesem Grunde die notwendige Relativbewegung zwischen Meßeinheit und Objekt dadurch er­ zielt, daß das Objekt auf einen Drehteller gestellt wird, dessen Rotationsachse die Z-Achse darstellt.

Im Abstand vor diesem Drehteller ist die Meßeinheit, deren Meßstrahl im rechten Winkel auf die verlängerte Rotations­ achse des Drehtellers auftrifft, entlang der Z-Achse beweg­ bar, so daß ein auf den Drehteller gestelltes Objekt entlang seiner Mantellinie vermessen werden kann. Durch Drehung des Drehtellers wird diese Mantellinien-Messung in beliebig kleinen Teilschritten über den vollen Umfang des Meßobjektes wiederholt. Sollen auf diese Weise jedoch Objekte vermessen werden, die Hinterschneidungen aufweisen, so muß die Meßein­ heit zusätzlich auch in X-Richtung verfahrbar sein.

Für diese Verfahrbarkeit der Meßeinheit in X- und Z-Richtung, also zwei aufeinander senkrecht stehenden Richtungen, wird als Bewegungseinheit ein handelsüblicher Plotter verwendet, wie er als Peripherie-Gerät an EDV-Systemen zum Anfertigen von Zeichnungen und Graphiken Verwendung findet. Bei derarti­ gen Plottern ist der bzw. sind die Zeichenstifte entlang einer geraden Schiene verfahrbar, welche in ihren Randbereichen wiederum entlang einer dazu senkrecht verlaufenden Schiene verfahrbar ist.

Da derartige Plotter bereits an die Ausgangssignale von EDV- Anlagen angepaßt sind und auch zum Erstellen von Zeichnungen die Genauigkeitsanforderungen im Bereich von Hundertsteln oder gar Tausendsteln von Millimetern liegen, muß anstelle der Zeichenstifte lediglich die Meßeinheit so montiert werden, daß der Meßstrahl senkrecht von der Bewegungsebene des Plotters abstrebt.

Wird ein solches Gerät, welches bei der Verwendung als Plot­ ter üblicherweise liegend betrieben wird, mit der Meßeinheit ausgestattet und senkrecht aufgestellt, so ist hierdurch be­ reits die Bewegung der Meßeinheit in X- und Z-Richtung gege­ ben. Wird nun im Abstand vor dieser Einheit ein Drehteller so aufgestellt, daß dessen Rotationsachse parallel beispiels­ weise zur Z-Richtung liegt, so können auf diesem Drehteller abgestellte Objekte entlang ihres gesamten Umfanges vermes­ sen werden. Um sicherzustellen, daß die Rotationsachse des Drehtellers tatsächlich parallel zur Bewegungsebene der Meß­ einheit liegt, ist es empfehlenswert, sowohl die die Meßein­ heit tragende Einheit als auch den Drehteller auf einem ge­ meinsamen Grundgestell zu befestigen, welches eine etwa L-förmige Gestalt aufweist, dessen senkrechter Schenkel den modifizierten Plotter und dessen waagrechter Schenkel den Drehteller trägt.

Zum Antrieb des Drehtellers wird vorteilhafterweise ein so­ genannter Schrittmotor verwendet, welcher so steuerbar ist, daß er sich in äußerst geringen Winkelteilungen weiter dreht. Sowohl der Drehteller mit seiner senkrecht zur Ro­ tationsachse stehenden Auflagefläche als auch die die Meß­ einheit tragenden, in X- und Z-Richtung verfahrbaren Schlitten sind über entsprechende Signalleitungen mit einer Recheneinheit gekoppelt, die auf diese Weise bei jedem Meß­ vorgang nicht nur die festgestellte Entfernung des reflek­ tierenden Punktes von der Meßeinheit, sondern auch die Dreh­ lage des Drehtellers und damit des Objektes sowie die Posi­ tion der Meßeinheit in X- und Z-Richtung kennt.

Die Umsetzung dieser Meßverfahren wird am besten im folgenden anhand der Figuren beispielhaft näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 eine Aufsicht auf die gesamte Anordnung, wobei sich ein Objekt mit unregelmäßig geformtem Umfang auf dem Drehteller vor der Meßeinheit befindet,

Fig. 2 eine Ansicht ähnlich der Fig. 1, wobei das Objekt eine Hinterschneidung aufweist und in unterschiedlichen Winkelstellungen dargestellt ist.

Fig. 3a eine Prinzipdarstellung der Triangulationsentfer­ nungsmessung,

Fig. 3b-3e Prinzipdarstellungen der Ausgangssignale des Position Sensitive Detectors (PSD),

Fig. 4 Frontansicht und Aufsicht der gesamten Vorrichtung,

Fig. 5 eine Geometrieskizze bei einem von der Rotations­ achse des Drehtellers versetzten Meßstrang.

Fig. 1 zeigt eine Aufsicht auf die in Funktion befindliche Vorrichtung: Der X-Schlitten 3 trägt die Meßeinheit 1 und ist mit dieser in X-Richtung entlang einer Schiene verfahr­ bar, die den Z-Schlitten 2 darstellt, welcher wiederum quer zur Zeichenebene der Fig. 1 entlang der Z-Achse verfahrbar ist, nämlich entlang des senkrechten Schenkels 7 des Grundgestelles.

Die Meßeinheit 1 sendet im Betrieb in kurzen Zeitabständen hintereinander einen Meßstrahl 14 in Y-Richtung, also senkrecht zur Bewegungsebene der Meßeinheit aus, welcher normalerweise auf die verlängerte Rotationsachse M des vor der Meßeinheit angeordneten Drehtellers 4 gerichtet ist, wie in Fig. 1 dargestellt. Wenn auf dem Drehteller 4 ein Objekt 10 steht, so wird dieser Meßstrahl 14 in seinem Auftreffpunkt A am Objekt 10 reflektiert. Da es sich bei der Oberfläche des Objekts normalerweise nicht um eine voll verspiegelte Fläche handelt, wird der Meßstrahl 14 in die unterschied­ lichsten Richtungen reflektiert, wobei einer dieser reflektierten Strahlen 15 auch die Optik 12 des Sensors 16 der Meßeinheit 1 trifft. Die Meßeinheit 1 ermittelt auf diese Art einen Meßwert, der der Entfernung zwischen der Meßeinheit 1 und dem Punkt A entspricht, wobei der Absolutwert dieser Entfernung weniger wichtig ist als die Veränderung dieser Entfernung, die sich in einer Veränderung des Meßsignales ausdrückt.

Am Drehteller 4, der das Objekt 10 trägt, ist ferner in der Fig. 1 eine Gradeinteilung angegeben, die jeweils bei Durchführung einer Einzelmessung bekannt und in der auswertenden Recheneinheit gespeichert ist. Auf diese Art und Weise läßt sich der für den Punkt A ermittelte Meßwert später, wenn ein halber Umlauf des Drehtellers 4 vollzogen ist, mit dem diametral gegenüberliegenden Meßpunkt A′ und dessen Meßwert vergleichen, woraus sich als Differenz der Durchmesser des Objektes 10 in dieser Schnittrichtung ergibt. Selbstverständlich kann auch der absolute Wert der Entfernung beispielsweise des Punktes A von der Meßeinheit ermittelt werden, wenn die Meßeinheit entsprechend geeicht ist.

Bei den in der Fig. 1 dargestellten Elementen wie Z- Schlitten 2, X-Schlitten 3 und senkrechtem Schenkel 7 eines ggf. vorhandenen Grundgestelles handelt es sich sinn­ vollerweise um einen senkrecht gestellten Plotter, wie er an EDV-Anlagen zur Ausgabe von Zeichnungen verwendet wird, wobei lediglich anstelle der Zeicheneinheit die Meßeinheit 1 montiert ist. Bei derartigen Plottern ist jedoch die auf ein bestimmtes Steuersignal hin erfolgende Verschiebung hinsicht­ lich Größe und Richtung genau bekannt. Auf diese Art und Weise kann die Meßeinheit 1 geeicht werden, indem diese so montiert wird, daß der Meßstrahl 14 in einer der Bewegungsrichtungen der Meßeinheit 1, also die X- oder die Z-Richtung zeigt. Läßt man die Meßeinheit dann durch Bewegung des entsprechenden Schlittens des Plotters schrittweise über den gesamten Meßbereich der Meßeinheit 1 auf ein feststehendes Objekt zu­ fahren, so wird hierdurch eine Eichung für die absolute Entfernungsmessung der Meßeinheit 1 vorgenommen.

Die Fig. 4A und B zeigen nochmals die Gesamtanordnung zur Durchführung von Messungen, jedoch ohne ein zu vermessen­ des Objekt: In der Frontansicht der Fig. 4A ist der senkrecht gestellte Plotter 17 zu erkennen, bei dem ein schienenförmi­ ger Z-Schlitten 2 in Z-Richtung entlang der Plotterebene verfahrbar ist. Auf diesem Z-Schlitten 2 ist wiederum ein X-Schlitten 3 entlang des Z-Schlittens 2 in X-Richtung ver­ fahrbar, welcher die Meßeinheit 3 trägt. An dieser Meßeinheit 3 sind die beiden Öffnungen zum Aussenden und Empfangen des Meßstrahles zu erkennen. Vor dem Plotter 17 dreht sich ein Drehteller 4 um eine vertikale, zur Z-Richtung parallele Drehachse M, wobei dieser Drehteller 4 durch einen Schritt­ motor 5 in definierten kleinen Winkelteilungen bewegt werden kann.

Vorteilhafterweise sind Plotter 17 und Drehteller 4 auf einem gemeinsamen, L-förmigen Grundgestell 6 angeordnet um zu gewährleisten, daß die Rotationsachse M des Drehtellers 4 parallel vor der Bewegungsebene des Plotters 17 und parallel zu dessen Z-Achse liegt. In der Fig. 4A ist der waagerechte Schenkel 8 dieses Grundgestelles 6 zu erkennen, auf dem der Drehteller 4 montiert ist, wogegen die senkrechte Auf­ sicht der Fig. 4B den senkrecht stehenden Schenkel 7 zeigt, an dem der Plotter 17 montiert ist. Dementsprechend ist in Fig. 4B der Drehteller 4 von seiner Auflagefläche für die zu vermessenden Objekte her zu erkennen, die waagerecht vor dem Plotter 17 in Richtung des auszusendenden Meßstrahles liegt. Von dem Plotter 17 ist in der Darstellung der Fig. 4B haupt­ sächlich der schienenförmige Z-Schlitten 2 zu erkennen, entlang welchem der X-Schlitten 3 mit der darauf montierten Meßeinheit 1 in X-Richtung verfahren werden kann.

Die Fig. 3 sollen die Wirkungsweise des in der Meßein­ heit 1 verwendeten Triangulationsentfernungsmessers zeigen. In der Meßeinheit 1 befindet sich als Strahlungsquelle ein Laser 19, der in diesem Falle sichtbares Licht, vorzugs­ weise der Wellenlänge 680 nm aussendet, die in der Fig. 3A als ausgesendete Meßstrahlen 14 bzw. 14′ eingezeichnet sind und senkrecht von der Meßeinheit 1 abstreben. Je nach dem, in welcher Entfernung vor der Meßeinheit 1 sich eine ent­ gegenstehende, undurchsichtige Fläche befindet, wird dieser Meßstrahl entweder in einer Entfernung Y 1 oder in einer Entfernung Y 2 von der Meßeinheit 1 reflektiert. Die Reflexion des Meßstrahles erfolgt dabei normalerweise in die verschiedensten Richtungen, wobei jedoch auch einer der reflektierten Strahlen 15 bzw. 15′ die Optik 12 trifft, die den reflektierten Meßstrahl 15 bzw. 15′ auf den lichtempfindlichen PSD weiterleiten soll. Da sich inner­ halb der Meßeinheit die Strahlungsquelle und die aufnehmende Optik 12 bzw. der PSD 18 immer im gleichen Abstand zueinan­ der befinden, hängt es von der Entfernung des reflektierenden Objektes ab, welchen Winkel der ausgesandte Strahl 14 bzw. 14′ mit dem reflektierenden, die Optik 12 treffenden Strahl 15 bzw. 15′ bildet. Davon abhängig ist auch der Einfallswinkel der reflektierten Strahlen 15 bzw. 15′ in der Optik 12 und damit der Auftreffpunkt W 1 bzw. W 2 auf dem hinter der Optik 12 angeordneten, streifenförmigen Position Sensitive Detector 18.

Die Fig. 3B bis 3E zeigen schematisch einen solchen PSD 18. Ein solcher PSD verfügt an seinen Endpunkten über elektrische Anschlüsse, an denen als Meßwerte Spannungen U 1 bzw. U 2 abgenommen werden. Wird der PSD nicht bestrahlt, so zeigen beide Anschlüsse den gleichen Spannungswert, der dem Nullwert entspricht an. Treffen dagegen elektromagnetische Wellen einer Wellenlänge, auf die der PSD 18 anspricht, im Bereich zwischen den Endpunkten des PSD auf, so zeigen die beiden Endpunkte Spannungswerte U 1 bzw. U 2 an, wie in den Fig. 3C bis 3E dargestellt, wobei sie der Übersicht­ lichkeit halber mit unterschiedlichen Vorzeichen eingezeichnet sind.

In der Fig. 3C trifft die elektromagnetische Welle genau in der Mitte zwischen den Endpunkten des PSD 18 auf, was zur Folge hat, daß an den Anschlüssen Spannungswerte U 1 und U 2 gemessen werden, die den gleichen Betrag haben. Je nach dem, wie nahe sich der Auftreffpunkt W 1 bzw. W 2 am einen oder anderen Endpunkt des PSD 18 befindet, ändert sich das Verhältnis der an den Anschlüssen anliegenden Spannungsbeträge U 1 zu U 2, wie in den Fig. 3D und 3E dargestellt. Aus dem Verhältnis der Spannungswerte U 1 und U 2 läßt sich somit die Lage des Auftreffpunktes W 1 bzw. W 2 und damit, nach Durchführung etwa des oben beschriebenen Eichvorganges, die Entfernung Y 1 bzw. Y 2 der reflektierenden Fläche bestimmen.

Ziel der gesamten Vorrichtung ist es, beispielsweise bei dem in der Fig. 1 dargestellten Objekt 10 die Umfangskontur zu ermitteln. Dies kann auf unterschiedliche Arten geschehen: Entweder wird bei gleichbleibender Stellung des Drehtellers 4 und damit des Objektes 10 die Meßeinheit 1 in Z-Richtung einmal über die gesamte Höhe des Objektes 10 bewegt und somit eine Abtastung einer senkrechten Mantellinie dieses Objektes 10 vorgenommen. Wird dieser Vorgang jeweils nach einer geringfügigen Drehung des Drehtellers 4 über den gesamten 360° Umfang des Objektes 10 wiederholt, so ist die Mantel­ fläche dieses Objektes vermessen, und falls dieses Objekt 10 keine waagerechte obere Stirnfläche hat, sogar die gesamte Oberfläche des Objektes 10 mit Ausnahme der Fläche, mit der es auf dem Drehteller 4 steht. Bei dieser Aufstandsfläche sollte es sich normalerweise um eine ebene Referenzfläche handeln, um einen sicheren und gleichbleibenden Stand auf dem Drehteller 4 zu gewähr­ leisten.

Ebenso könnte jedoch die Meßeinheit 3 auf derselben Höhe, also dieselbe Z-Koordinate eingestellt bleiben, und in dieser Lage eine vollständige Drehung des Objektes 10 um die Rotationsachse M des Drehtellers 4 erfolgen. Auf diese Art und Weise würde quasi eine Höhenlinie des Objektes 10 abgetastet und durch Wiederholung solcher Höhenlinien­ erfassungen über die gesamte Höhe des Objektes 10 ebenfalls eine vollständige Vermessung dieses Objektes vollzogen.

Die auf diese Art von dem Objekt 10 abgenommenen Meßwerte, welches sich nicht exakt in der Mitte, sondern lediglich im Bereich der Rotationsachse M befinden muß, auf die der Meßstrahl 14 der Meßeinheit 1 normalerweise gerichtet ist, werden über in den Figuren nicht dargestellte Leitungen zusammen mit Informationen über die Lage der Meßeinheit sowie die Drehlage des Drehtellers 4 an eine Recheneinheit weitergegeben, bei der es sich beispielsweise um einen handelsüblichen PC handeln kann. Dabei besteht die Schwie­ rigkeit, daß ein solcher Computer normalerweise nur einen Eingangswert gleichzeitig verarbeiten kann, wohingegen die beiden gleichzeitig auftretenden Spannungswerte U 1 und U 2 des PSD, die ja analog anfallen, nicht gleichzeitig an die Recheneinheit 9 weitergegeben werden. Vielmehr wird einer dieser Spannungswerte sofort digitalisiert an die Recheneinheit weitergeleitet, wogegen der andere Spannungs­ wert zeitlich gepuffert an die Recheneinheit 9 gesendet wird, die diese anschließend vergleicht und in eine gemessene Entfernung umsetzt. Selbstverständlich ist dieser Zeitversatz geringer als der Zeittakt, in dem der Laser 19 der Meßeinheit 1 gepulst ist, um die Einzelmessungen durchzuführen.

Ist an diese Recheneinheit 9, wie üblicherweise vorhanden, ein Bildschirm angeschlossen, so können die gemessenen Werte unmittelbar in eine entsprechende bildliche Darstellung auf dem Bildschirm umgesetzt werden, also entweder in die abge­ tasteten einzelnen Höhenlinien des Objektes 10 oder in die abgetasteten einzelnen Mantellinien. Darüberhinaus kann der auf diese Art und Weise erstellte Datenfundus eines Objektes mittels der Recheneinheit in jedes beliebige Format, bei­ spielsweise die Formate der gängigen CAD-Systeme, umgewandelt werden, um innerhalb dieser Systeme als Eingangsgröße weiter­ behandelt zu werden. Üblicherweise betragen die Schrittweite des für die Bewegung der Meßeinheit verwendeten Plotters in seinen beiden Bewegungsrichtungen jeweils etwa 25 µm und für den Antrieb des Drehtellers 4 werden Schrittmotore 5 einge­ setzt, die eine volle 360°-Umdrehung in 1600 Schritte unter­ teilen, was einer Schrittlänge von etwa 1/4 Winkelgrad ent­ spricht. Die absolute Empfindlichkeit des Lasers hängt von dessen Meßbereich ab, bewegt sich jedoch zwischen 1 : 5000 und 1 : 10000, bezogen auf die maximal meßbare Entfernung, so daß sich mit einem solchen Laser gegebenenfalls auch Entfernungs­ differenzen von 1 µm registrieren lassen.

Darüberhinaus dürfte es wohl selbstverständlich sein, daß das zu vermessende Objekt weder allzu stark spiegeln darf noch durchsichtig sein darf.

Die am Beispiel der Fig. 1 beschriebenen Bewegungen der Meßeinheit 1 und des Objektes 10 sind dann ausreichend, wenn es sich um Objekte handelt, die in ihrem zu vermessenden Be­ reich keinerlei Hinterschneidungen aufweisen. In diesem Fall könnte also auf die Bewegungsmöglichkeit der Meßeinheit 1 in X-Richtung der Fig. 1 verzichtet werden, da es ausreicht, wenn der Meßstrahl 14 immer genau auf die verlängerte Rota­ tionsachse M des Drehtellers 4 und damit des Objekts 10 ge­ richtet ist.

Leider sind jedoch Hinterschneidungen, also Ausnehmungen, die gegebenenfalls durch davorliegende Vorsprünge etc. von einer Abtastung durch den Meßstrahl 14 ausgeschlossen sind, gerade bei kompliziert geformten Werkstücken relativ häufig. Eine Vermessung dieser Hinterschneidungen ist jedoch unter Umstän­ den möglich, wenn der Meßstrahl 14 außermittig ansetzt, wie dies in den Fig. 2 gezeigt ist:
Wie Fig. 2A zeigt, ist der Meßstrahl 14 (der Übersichtlich­ keit halber sind die reflektierten Strahlen 15 in den Dar­ stellungen der Fig. 2 weggelassen worden, und auch die Meß­ einheit 1 ist lediglich durch den Ausgangspunkt O der Meß­ strahlen 14 gekennzeichnet) auf die Rotationsachse M des Objektes 10 gerichtet. Das Objekt 10 dreht sich dabei im Uhr­ zeigersinn, so daß unmittelbar vor der Momentaufnahme der Fig. 2A der Bereich zwischen den Punkten P und P 1 des Ob­ jektes vom Meßstrahl 14 abgetastet wurde. Dreht sich nach der Erfassung des Punktes P 1 das Objekt 10 noch geringfügig im Uhrzeigersinn weiter, so wird als nächstes der Punkt P 5 erfaßt, wobei die Recheneinheit einen großen Unterschied zwischen den Meßwerten der unmittelbar hintereinander liegen­ den Punkte P 1 und P 5 feststellt, woraus auf eine dazwischen­ liegende Hinterschneidung geschlossen wird.

Infolgedessen muß die zwischen den Punkten P 1 und P 5 liegende Hinterschneidung später, also im selben oder in einem separa­ ten Umlauf des Objektes 10, bei außermittiger Lage des Meß­ strahles 14 abgetastet werden.

Befindet sich beispielsweise das Objekt 10 in der in Fig. 2B bezeichneten Lage, so wurde bei Beibehaltung der auf die Rotationsachse M gerichteten Lage des Meßstrahls 14 seit der Lage der Fig. 2A der Bereich zwischen den Punkten P 5 und P 6 des Objektes 10 abgetastet. Wird jedoch in dieser Lage das Objekt 10 stillgesetzt, und die Meßeinheit von der mittigen Lage 0 aus schrittweise nach links verfahren und dabei das Objekt 10 weiterhin vermessen, bis der Punkt P 2 erreicht ist, welcher sich dadurch auszeichnet, daß bei einem weiteren Ver­ satz der Meßeinheit nach links als nächstes der Punkt P 1 mit dem dazwischenliegenden zu großen Meßwertesprung erfaßt wird, so wurde hierdurch bereits der zwischen den Punkten P 5 und P 2 liegende, vorher nicht erfaßte Bereich der Hinterschneidung vermessen.

Wird das Gleiche wiederholt, wenn sich das Objekt 10 in der in Fig. 2C dargestellten Lage befindet, so kann hierdurch der zwischen den Punkten P 1 und P 3 liegende Bereich der Hinter­ schneidung vermessen werden, so daß nun insgesamt die gesamte Hinterschneidung abgetastet ist. Der Punkt P 3 stellt wiederum denjenigen Punkt dar, der sich durch einen großen Meßwerte­ sprung zu dem Punkt P 7 auszeichnet, der bei der Bewegung der Meßeinheit von links nach rechts unmittelbar nach dem Punkt P 3 erfaßt wird. Somit wird also in der in der Fig. 2C ge­ zeichneten Lage bei der Bewegung der Meßeinheit über die Po­ sitionen 0, 0′ nach 0′′ mittels der Meßstrahlen 14, 14′ und 14′′ der Bereich zwischen den Punkten P 8 und P 7 sowie zwischen den Punkten P 3 und P 1 erfaßt. Hierdurch wurde zwar wiederum ein Teilbereich der Hinterschneidung nicht erfaßt, durch Über­ deckung mit den in den Stellungen der Fig. 2A und 2B er­ mittelten Meßwerte ergibt sich jedoch eine vollständige Ab­ tastung des Umfangs des Objektes 10.

Selbstverständlich können die in den Fig. 2A und beispiels­ weise 2C ermittelten Meßwerte nur miteinander verglichen wer­ den, wenn für jede Einzelmessung sowohl die Lage des Objektes als auch die Lage der Meßeinheit exakt bekannt sind. Die Meß­ werte eines Objektes 10 können beispielsweise in Form von kartesischen Koordinaten oder auch in Form von Polarkoordina­ ten gespeichert und in eine Darstellung auf dem Bildschirm umgesetzt werden. Bei Darstellung in Polarkoordinaten wird ein Nullpunkt, beispielsweise der Drehpunkt M, als Referenz­ punkt verwendet, so daß die Lage jedes Meßpunktes im Ver­ gleich zum Referenzpunkt durch die Angabe eines Drehwinkels ϕ und einer zugehörigen Entfernung r vom Referenzpunkt angege­ ben wird, wenn es sich um eine zweidimensionale Darstellung handelt. Bei dreidimensionalen Darstellungen ist der Refe­ renzpunkt durch eine Referenzachse ersetzt, dessen Längs­ koordinate h zusätzlich angegeben sein muß, um bezüglich dieser Längsachse aufgrund der Koordinaten ϕ und r die Lage des Meßpunktes in der zur Referenzachse senkrecht liegenden Ebene vorzugeben.

Fig. 5 zeigt beispielsweise die Ermittlung der Polarkoordi­ naten des Punktes P 3 in der Fig. 2C: Die Höhenkoordinate h ist bekannt aus der Stellung des Z-Schlittens, der den X-Schlitten und damit die Meßeinheit 1 trägt. Ebenso ist die Differenz zwischen der auf die Rotationsachse M zielenden mittigen Stellung des Meßstrahles 14 und der Einstellung 0′ aus der Verschiebung des X-Schlittens 3, nämlich die Strecke a 3 bekannt, die notwendig war, um den Punkt P 3 zu erfassen. Die Meßeinheit liefert bei Vermessung des Punktes P 3 den Wert der Entfernung 13, so daß aufgrund des Vergleiches mit der bekannten Entfernung 10 zwischen dem Referenzpunkt M und der mittigen Lage 0 der Meßeinheit die Größe des Abstandes y₃ des Punktes P 3 in Y-Richtung vom Referenzpunkt M ermittelt werden kann.

Ferner ist auch aufgrund der Stellung des Schrittmotors 5 die Winkellage des Drehtellers 4 und damit der Winkel α 3 des Dreieckes P 3MO bekannt. Damit ist bereits die zweite Polar­ koordinate des Punktes P 3 bekannt, da es sich bei dem Winkel α 3 genau um den die Drehlage des Meßpunktes P 3 bezüglich der Referenzachse M handelt, nämlich um den Winkel ϕ 3. Als letzte Polarkoordinate zur Bestimmung des Punktes P 3 muß lediglich dessen Abstand von der Referenzachse M ermittelt werden, also der Wert r 3. Da es sich bei dem Dreieck mit den Seiten r 3, y 3 und a 3 um ein rechtwinkliges Dreieck handelt, kann der Wert für r 3 aus der Dreiecksgeometrie ermittelt wer­ den

cot (90°-α 3)×r 3=a 3

aus der man als einzige Unbekannte den Wert r 3 errechnen kann. Somit sind die Koordinaten des Punktes P 3 am Objekt 10 bekannt, und da es sich um Polarkoordinaten handelt, die direkt die Drehlage ϕ des Objektes 10 anzeigen, können diese Polarkoordinaten auch von der Recheneinheit sehr einfach mit Polarkoordinaten desselben Punktes P 3 verglichen werden, die bei einer anderen Drehlage des Objektes und damit auch ande­ rer Lage der Meßeinheit ermittelt wurden. Somit kann der Um­ fang des Objektes 10 unter Berücksichtigung des seitlichen Versatzes der Meßeinheit beispielsweise zwischen den Punkten O und O′′ problemlos ermittelt werden, wobei ein Vergleich der entsprechenden Koordinaten im kartesischen Koordinatensystem wesentlich rechenintensiver wäre als bei Verwendung von Polar­ koordinaten.

Auf diese Art und Weise kann beispielsweise eine vollständige Höhenlinie des Objektes 10, bestehend aus in diesem Fall 1600 Einzelmessungen, erstellt werden, und abhängig von der Höhe des Objektes 10 in Z-Richtung wird ein solcher Datensatz für jede zu vermessende Höhenlinie des Objektes erstellt, bis das gesamte Objekt 10 hinsichtlich seiner Oberflächenkontur gespeichert ist.

Besitzt dagegen ein solches Objekt 10 eine mehr oder weniger ebene obere Stirnfläche, die ebenfalls vermessen werden soll, so kann dies mit den bisher erläuterten Bewegungsmöglichkei­ ten der Meßeinheit 1 nicht vermessen werden. Hierzu müßte entweder die Meßeinheit 1 in Z-Richtung ausreichend weit über das Objekt 10 hinaus verfahren und anschließend die Meßein­ heit 1 so um die X-Achse verschwenkt werden, daß der Meßstrahl 14 nicht mehr senkrecht auf die verlängerte Rotationsachse M auftrifft, sondern unter einem spitzen Winkel, so daß durch eine anschließende Abtastung des Durchmessers der oberen Stirnfläche und Drehung des Drehtellers 4 wiederum die gesam­ te Fläche der oberen Stirnseite erfaßt wird. Das gleiche Er­ gebnis kann erzielt werden, wenn die Meßeinheit auch in Y- Richtung verfahrbar ist und der Meßstrahl 14 senkrecht nach unten gerichtet werden kann, da dann die gesamte obere Stirnfläche des Objektes 10 durch Verfahren der Meßeinheit in X- und Y-Richtung erfaßt werden könnte.

Mit den bisherigen Bewegungsmöglichkeiten, wie sie etwa in den Fig. 1 und 4 dargestellt sind, läßt sich die obere Stirn­ fläche des Objektes 10 nur vermessen, wenn dessen Lage um et­ wa 90° gekippt wird, so daß die in der Fig. 1 sichtbare obere Stirnfläche in etwa parallel zur Bewegungsebene der Meßeinheit 1 liegt. Dazu müßte jedoch die genaue Lage der oberen Stirnfläche im Vergleich zu den Umfangsflächen fest­ gelegt werden können, was beispielsweise durch die Erfassung eines markanten, gemeinsamen Punktes möglich wäre, etwa die Spitze C, die sich an der Kante zwischen der oberen Stirn­ fläche und der Umfangsfläche befindet. Diese Spitze C könnte nach Umlegen des Objektes 10 auch leicht manuell mit dem Meß­ strahl 14 angefahren werden, da dieser aufgrund der sicht­ baren Wellenlänge des Lasers einen sichtbaren Lichtpunkt hin­ terläßt.

Soll anstelle eines eine Umfangsfläche aufweisenden Objektes 10 eine reliefartige, aber im wesentlichen ebene Oberfläche abgetastet werden, so könnte hierbei auf den Einsatz des Dreh­ tellers 4 verzichtet werden, wobei diese im wesentlichen ebene Fläche lediglich in etwa parallel der Bewegungsebene des Plotters 17 gegenübergestellt werden müßte, um durch etwa zeilenweises Erfassen der Oberfläche in X- und Z-Richtung das gesamte Relief abzutasten.

Claims (12)

1. Vorrichtung zum berührungslosen Vermessen der Außenkonturen von dreidimensionalen Objekten mittels elektromagnetischer Wellen mit

• - einem das Objekt tragenden, um die Z-Achse in definierten Schritten drehbaren Drehteller,
• - einer Abtasteinheit, die relativ zum Drehteller in X- und Z-Richtung bewegbar ist und die einen von ihr ausgesandten, am Objekt reflektierten Meßstrahl hinsichtlich des Auftreffpunktes auf dem Sensor der Abtasteinheit registriert und
• - einer Auswerteeinheit zum Speichern und Verarbeiten der Einzelinformationen über Objektentfernung, X- und Z-Lage der Abtasteinheit und Drehlage des Drehtellers,

dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Abtasteinheit (1) in X- und Z-Richtung bewegbar ist,
• - ein handelsüblicher EDV-Plotter (17) als X- und Z- Schlitten (3, 2) für die Abtasteinheit (1) verwendet wird und
• - auf einem l-förmigen Grundgestell (6) der Drehteller (4) auf dem waagerechten Schenkel (8) und der EDV-Plotter (17) auf dem senkrechten Schenkel (7) des Grundgestells (6) angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßeinheit (1) ein Triangulations-Entfernungsmesser verwendet wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Triangulations-Entfernungsmesser mittels Laserstrahlen arbeitet.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehteller (4) mittels Servo-Motor angetrieben wird.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehteller (4) mittels Schrittmotor (5) angetrieben wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Laser mit sichtbarem Licht der Wellenlänge 680 nm verwendet wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3, 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser mit einer Abstrahldauer von je 120 µsec getaktet wird.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß von den bei jeder Messung analog ermittelten Spannungswerten der Meßeinheit (1) ein Spannungswert sofort an die Recheneinheit (9) weitergeleitet wird, während der andere Spannungswert um eine kurze Zeitspanne gepuffert und zeitlich versetzt weitergeleitet wird.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Triangulations- Entfernungsmesser als Sensor ein Position Sensitive Detector (PSD) verwendet wird.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Sensor ein CCD (Charge Coupled Devices) verwendet wird.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Meßeinheit verwendet wird, deren Meßgenauigkeit bis zu einem µm reicht, daß die Meßeinheit in Z-Richtung in Schritten von 25 µm verfahrbar ist und der Drehteller in Winkelschritten von ca. 1/4 Winkelgrad positionierbar ist.