DE4009144A1 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung der mit aeusseren konturflaechen charakterisierten form und abmesssungen eines gegenstandes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der mit äußeren Konturflächen charakterisierten Form und Abmessun­ gen eines Gegenstandes, z. B. eines gebogenen Rohres, bei dem der Gegenstand in einen Meßfeld angeordnet wird, dann min­ destens zwei unabhängige Bilder zumindest eine Teiles des Ge­ genstandes mit Detektoren ermittelt und in elektrische Impuls­ serien umgewandelt als optische Informationsträger zur Verar­ beitung zwecks Bestimmung der Form und Abmessungen des Gegen­ standes verwendet werden. Die Erfindung betrifft weiterhin ei­ ne Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, die mit einem Meßfeld, einem optischen Meßsystem und einer Datenverarbei­ tungseinheit ausgebildet ist.

In verschiedenen Gebieten der Industrie tritt das Pro­ blem eines schnellen, automatischen, berührungslosen Vermessens der Abmessungen von dreidimensionalen Gegenständen komplizier­ ter Konfiguration auf, wie zum Beispiel bei der Herstellung von Rohrteilen der Auspuff- und Bremssysteme von Kraftfahrzeugen, die unregelmäßig gebogen sind, um sich der Form des Karos­ seriebodens anzupassen. Die genauen Abmessungen dieser Rohre, Torsionswinkel, Biegungswinkel und die Länge der zwischen den aufeinanderfolgenden Biegungen liegenden linearen Abschnitte müssen für die Qualitätskontrolle und Zwecke der Maschinenein­ stellung bekannt sein.

Zur Lösung dieses Problems wurden in der Industrie schon mehrere Verfahren ausgearbeitet. Bei früheren Kontrollverfahren wurden Meßschablonen verwendet. Später wurden Einrichtungen mit mechanischen Sensoren entwickelt, die den zu vermessenden Gegenstand aufgrund seiner Form abtasten, wie zum Beispiel die DEA-Standardmaschine. Die mechanischen Sensoren wurden zuerst durch ein kapazitives, dann induktives und schließlich op­ tisches berührungsloses Erfassungssystem abgelöst, wie z. B. in den ADDATAPLUS-Einrichtungen. Bei diesen Methoden erfolgt die Abtaststeuerung anhand der Anweisungen des Betreibers und die Form und Abmessungen des Gegenstandes werden durch die notwen­ dige Bewegung der Sensoren bestimmt. Die Verwendung mechani­ scher Bewegung zum Abtasten sowie das außerordentlich kompli­ zierte System der Bewegungsrückkopplung verursachen die Ver­ langsamung der Durchführung des Verfahrens wodurch die Kosten ziemlich hoch sind.

Im Patentdokument WO-A 86/03 830 wurde ein verbessertes Verfahren zur Lösung dargestellter Probleme vorveröffentlicht. Im wesentlichen werden dabei zwei Bilder eines Gegenstandes be­ stimmt, wozu zwei senkrecht zueinander strahlende Lichtquellen (Lasereinrichtungen) verwendet werden. Die Lichtquellen sind entlang zwei Linien bewegt, so bestrahlen sie eine in einem Meßfeld bestimmte Meßebene in Querrichtungen, und die Deckung des Lichtes durch den Gegenstand wird als die Position des beleuchteten Teiles des Gegenstandes ermittelt (diese Deckung wird durch Photodetektoren erfaßt). Die Meßebene wird zusam­ men mit den Lichtquellen in einer dritten Richtung (zweckmäßig senkrecht zur Meßebene) bewegt. Auf diese Weise können die Teilschnitte des Gegenstandes nacheinander bestimmt werden, je­ doch muß dazu das Erfassungsgerät über die ganze Fläche des Meßfeldes bewegt werden, was langwierig ist. Ein weiterer Nachteil dieses Verfahren ist, daß einige Oberflächenelemente des Gegenstandes, wie zum Beispiel die verdeckten Biegungen der Kontur können außer acht bleiben.

Die Aufgabe vorliegender Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, womit eine exakte, schnelle, be­ rührungsfreie, automatisierbare Vermessung durchgeführt werden kann. Es wird eine optische Methode empfohlen, wonach während des Vermessens der Gegenstand bewegungslos bleibt und die Po­ sition des Gegenstandes gegenüber dem Meßsystem durch Bewegung des letzteren eingestellt wird. Es ist eine Lösung zu verarbei­ ten, wonach die Probleme des Einklemmens und Bewegens des Ge­ genstandes nicht auftreten und das optische Meßsystem in engem Bereich bewegt werden soll.

Dementsprechend besteht vorliegende Erfindung in einem Verfahren zur Bestimmung der mit äußeren Konturflächen charak­ terisierten Form und Abmessungen eines Gegenstandes, bei dem der Gegenstand in einem Meßfeld angeordnet wird, dann minde­ stens zwei unabhängige Bilder zumindest eines Teiles des Gegen­ standes mit Detektoren ermittelt und in elektrische Impulsse­ rien umgewandelt als optische Informationsträger zur Verarbei­ tung zwecks Bestimmung der Form und Abmessungen des Gegenstan­ des verwendet werden, wobei das wichtigste ist, daß der Gegen­ stand bevor einer Hintergrundebene des Meßfeldes angeordnet wird, die Bilder des Gegenstandes, welche sowohl Teilbilder, als auch Gesamtbilder sein können, mit fest eingebauten oder zweckmäßig um Achsen verdrehbar unterstützten optischen Abbil­ dungseinheiten aufgenommen und dann digitalisiert in Speichern unter entsprechenden Adressen gespeichert werden, wonach aus den Speicheradressen mit einem Computer die Abmessungen der Bilder und unter Zuhilfenahme der letzteren, aufgrund von an sich bekannten optischen Abbildungsgesetzen die eigentlichen Abmessungen des Gegenstandes bestimmt werden.

In einer insbesondere günstiger Verwirklichung des er­ findungsgemäßen Verfahrens wird die relative Position der Hintergrundebene des Meßfeldes zu den optischen Abbildungsein­ heiten oder Detektoren mit optoelektronischen Elementen, zweck­ mäßig Winkelgebereinrichtungen ("angular encoder") bestimmt und dann werden die Bilder des Gegenstandes daraufgrund ein­ ander angepaßt. Dieses Verfahren ist dann wichtig, wenn der Gegenstand zu groß ist und in einem Bild nicht aufgenommen werden kann.

Die relative Position der Hintergrundebene des Meßfel­ des zu den optischen Abbildungseinheiten oder Detektoren kann auch mit auf der Hintergrundebene angegebenen Referenzpunkten bestimmt werden und damit können die Bilder einander angepaßt werden. Dann sind die Winkelgebereinrichtungen zur Anpassung der Teilbilder nicht unbedingt notwendig.

Die Auswertung der Meßergebnisse wird nach dem erfin­ dungsgemäßen Verfahren erleichtert, wenn die Bilder bei schat­ tenfreier Beleuchtung der Hintergrundebene des Meßfeldes auf­ genommen werden.

Die Lösung der gestellten Aufgabe wird auch durch die vorgeschlagene Vorrichtung gesichert, welche mit einem Meß­ feld, einem optischen Meßsystem und einer Datenverarbeitungs­ einheit ausgebildet ist, mit zwei oder mehr optischen Abbil­ dungseinheiten, Bilder des Gegenstandes erfassenden Detekto­ ren, die Bilder in digitalisierter Form enthaltenden Speichern und einem Computer ausgestattet ist, wobei die optischen Abbil­ dungseinheiten bevor einer Hintergrundebene eines einen zu mes­ senden Gegenstand aufnehmenden Meßfeldes angeordnet sind.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung sichert die insbeson­ dere bequemen Bedingungen der Arbeit, wenn die optischen Abbil­ dungseinheiten und Detektoren zusammen als mit Objektiven ver­ sehene Videokameras ausgebildet sind, wobei auf günstige Weise die optischen Abbildungseinheiten und Detektoren um Achsen ver­ drehbar befestigt sind. Die Videokameras ermöglichen die hohe Genauigkeit und Geschwindigkeit der Messungen.

Der Gegenstand kann leicht im Meßfeld angeordnet wer­ den, wenn dort Halter zur Unterstützung des Gegenstandes vorge­ sehen sind.

Bei Verwirklichung des Verfahrens wird die ständige Po­ sition sowohl des optischen Meßsystems als auch des Gegenstan­ des gewährleistet. Bei größeren Gegenständen können die Ge­ samtbilder aus mehreren Teilen bestehen, wobei die einzelnen Teilbilder des Gegenstandes von den optischen Abbildungseinhei­ ten oder den Lichtdetektoren bestimmt werden.

Wird das Bild des Gegenstandes in mehreren Schritten er­ mittelt, ist es zweckmäßig, das optische Element und den De­ tektor um Achsen zu drehen, um verschiedene Teile des Gegen­ standes zu erfassen.

Nach dem Verfahren ist bei der Bildbestimmung entweder gar keine Fortbewegung notwendig oder nur in Drehung des op­ tischen Elementes oder des Detektors um Achsen, der Gegenstand wird nicht bewegt, eine lineare Bewegung ist nicht notwendig.

Im weiteren wird die Erfindung mit Hinweis auf eine beispielsweise dargestellte Ausführung anhand der Zeichnung näher erläutert, ohne den Schutzbereich auf die Aus­ führung nach dem Beispiel, bzw. der Zeichnung zu beschränken. In der Zeichnung ist

Fig. 1 eine mit Videokameras verwirklichte Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Die Zielsetzung ist die Form und äußeren Abmessungen eines Gegenstandes 31 mit einer Genauigkeit von 1 mm zu bestim­ men. Die Messung wird in einer Meßanordnung nach Fig. 1 vor­ genommen.

Der Gegenstand 31, der in diesem Fall ein mehrfach gebo­ genes Rohr ist, wird in einem als eine Vertiefung von Abmessun­ gen 1 m × 1 m × 3 m aufgebauten Meßfeld 32 mit Haltern 20, 21, 22, 23 untergebracht, die die deformationsfreie Aufnahme des Gegenstandes 31 auf und bevor einer praktisch schattenfrei be­ leuchtbaren Hintergrundebene 1 sichern. Der Gegenstand 31 wird beleuchtet und seine Bilder mit zumindest zwei optischen Abbil­ dungseinheiten 2 und 3 von zwei Richtungen so aufgenommen, daß danach die Bilder digitalisiert und in bekannter Weise erreich­ baren Speicherzellen (Registern) in digitalisierter Form ge­ speichert werden. Die relative Position der zur Aufnahme ver­ wendeten Abbildungseinheiten 2 und 3 ist bekannt und mit hoher Genauigkeit bestimmt. Zur Digitalisierung können Detektoren 6 und 7 verwendet werden, welche wichtige Teile von Videokameras bilden.

Bei der Messung werden vorteilhaft mit Objektiven ver­ sehene CCD (charge coupled device) Videokameras und ihre Detek­ toren 6 und 7 als optischen Abbildungseinheiten 2 und 3 verwen­ det. Die Videokameras sind vor dem Meßfeld 32 drehbar in den senkrechten Achsen 12, 13 und den waagerechten Achsen 14, 15 unterstützt, wobei die Achsen 12, 13, 14 und 15 mit Motoran­ trieben 27, 28, 29, 30 gekoppelt sind. Mit den optischen Abbil­ dungseinheiten 2, 3 werden Bilder 4, 5 vom Gegenstand 31 er­ faßt, deren Informationsinhalt von den Detektoren 6, 7 abgeta­ stet und in elektrische Signale umgewandelt wird. Diese Signale werden mittels Digitalisierer 8, 9 (frame grabber) digitali­ siert und in digitaler Form in Speichern 10 und 11 gespeichert. Der Speicherinhalt wird von einem Computer 26 ausgewertet, der gleichzeitig zur Steuerung des Aufnahmens fähig ist. Unter Be­ achtung der angestrebten 1 mm Meßgenauigkeit und des Auflö­ sungsvermögens (ca. 500 Punkte pro Zeile, 500 Zeilen pro Bild) der herkömmlichen Bilderfassungseinrichtungen beträgt die maxi­ male Meßfläche 0,5 m × 0,5 m in jeder Position der Videokame­ ra. Insofern die Abmessungen des Gegenstandes 31 eine größere Meßfläche erfordert, müssen die Videokameras nach je einer Aufnahme in eine andere Stellung gedreht werden, um neue Teil­ bilder erfassen zu können. In diesem Fall müssen die aufge­ nommenen Bilder angepaßt werden, da auch mit einem Schrittmo­ torantrieb die Position nicht ausschließlich mit Impulszahlen zuverlässig bestimmt werden kann. Die Bilder können mit opto­ elektronischen Elementen 16, 17, 18, 19 (z. B. Winkelgeberein­ richtungen) oder mit auf der Hintergrundebene 1 angebrachten Referenzpunkten 24, 25 angepaßt werden, da die Position der Referenzpunkte auf den Bildern 4, 5 bekannt ist, kann mit den Videokameras die gesuchte Winkelposition bestimmt werden, die Motorantriebe 27, 28, 29, 30 steuern die Videokamera in die entsprechende Position mit Hilfe des Computers 26 aufgrund der in Speichern 10, 11 gespeicherten Speicheradressen der Refe­ renzpunkte 24, 25. Die beiden Anpassungsmethoden können einzeln oder zusammen angewendet werden.

Die wirklichen Abmessungen des Gegenstandes 31 folgen aus der Größe der mit den Detektoren 6 und 7 erfaßten Bilder, welche nach den Gesetzen der geometrischen Optik zur Bestimmung der Abmessungen zu verwenden sind. Dabei können die durch die zweite und weiteren Videokameras (optischen Abbildungseinheiten 2, 3) aufgenommene und zu den Speichern weitergeleiteten Bilder die Grund der Rechnungen bilden, wobei der Referenzabstand die Entfernung zwischen den Kameras ist. Die durch die Geber ermit­ telte Winkellage der Kameras sowie die auf der Hintergrundebene 1 angedeuteten Referenzpunkte 24, 25 geben die Möglichkeit, in Dreiecksystemen die Entfernungen zu bestimmen.

Bei insbesondere kompliziert ausgestalteten Gegenständen ist es nicht genug, lediglich zwei Videokameras zu verwenden. Dann wird zumindest eine dritte optische Abbildungseinheit ein­ gesetzt, und noch günstiger eine vierte auch, wodurch die Zu­ verlässigkeit der Information bedeutend erhöht werden kann.

Claims (14)

1. Verfahren zur Bestimmung der mit äußeren Konturflä­ chen charakterisierten Form und Abmessungen eines Gegenstandes, bei dem der Gegenstand in einem Meßfeld angeordnet wird, dann mindestens zwei unabhängige Bilder zumindest eines Teiles des Gegenstandes mit Detektoren ermittelt und in elektrische Im­ pulsserien umgewandelt als optische Informationsträger zur Ver­ arbeitung zwecks Bestimmung der Form und Abmessungen des Gegen­ standes verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand (31) bevor einer Hintergrundebene (1) des Meßfeldes (32) angeordnet wird, die Bilder (4, 5) des Gegenstandes (31) mit optischen Abbildungseinheiten (2, 3) aufgenommen und dann digitalisiert in Speichern (10, 11) unter entsprechenden Adres­ sen gespeichert werden, wonach aus den Speicheradressen mit ei­ nem Computer (26) die Abmessungen der Bilder und unter Zuhilfe­ nahme der letzteren, aufgrund von an sich bekannten optischen Abbildungsgesetzen die eigentlichen Abmessungen des Gegenstan­ des (31) bestimmt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß ein Gesamtbild des Gegenstandes (31) in einer vorge­ gebenen Position der optischen Abbildungseinheiten (2, 3) oder Detektoren (6, 7) aufgenommen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß mehrere Teilbilder des Gegenstandes (31) in vorgege­ benen Positionen der optischen Abbildungseinheiten (2, 3) oder Detektoren (6, 7) aufgenommen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Teilbilder des Gegenstandes (31) durch Verdrehen der optischen Abbildungseinheiten (2, 3) oder Detektoren (6, 7) um vorbestimmte Achsen (12, 13, 14, 15) aufgenommen werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die relative Position der Hintergrund­ ebene (1) des Meßfeldes (32) zu den optischen Abbildungsein­ heiten (2, 3) oder Detektoren (6, 7) mit optoelektronischen Elementen (16, 17, 18, 19), zweckmäßig Winkelgebereinrichtun­ gen bestimmt wird und die Bilder (4, 5) des Gegenstandes dar­ aufgrund einander angepaßt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die relative Position der Hintergrunde­ bene (1) des Meßfeldes (32) zu den optischen Abbildungseinhei­ ten (2, 3) oder Detektoren (6, 7) mit auf der Hintergrundebene (1) angegebenen Referenzpunkten (24, 25) bestimmt wird und da­ mit die Bilder (4, 5) einander angepaßt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bilder (4, 5) bei schattenfreier Beleuchtung der Hintergrundebene (1) des Meßfeldes (32) aufge­ nommen werden.

8. Vorrichtung zur Bestimmung der mit äußeren Kontur­ flächen charakterisierten Form und Abmessungen eines Gegen­ standes, welche mit einem Meßfeld, einem optischen Meßsystem und einer Datenverarbeitungseinheit ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß mit optischen Abbildungseinheiten (2, 3), Bilder des Gegenstandes (31) erfassenden Detektoren (6, 7), die Bilder in digitalisierter Form enthaltenden Speichern (10, 11) und einem Computer (26) ausgestattet ist, wobei die opti­ schen Abbildungseinheiten (2, 3) bevor einer Hintergrundebene (1) eines einen zu messenden Gegenstand (31) aufnehmenden Meß­ feldes (32) angeordnet sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß mit mindestens drei optischen Abbildungseinheiten (2, 3) und Detektoren (6, 7) ausgestattet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die optischen Abbildungseinheiten (2, 3) und Detektoren (6, 7) mit Objektiven versehene Videokameras sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß die optischen Abbildungseinhei­ ten (2, 3) und Detektoren (6, 7) um Achsen (12, 13, 14, 15) verdrehbar befestigt sind.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß den optischen Abbildungseinhei­ ten (2, 3) optoelektronische Einrichtungen (16, 17, 18, 19) zweckmäßig Winkelgebereinrichtungen zugeordnet sind.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, daß auf der Hintergrundebene (1) des Meßfeldes (32) Referenzpunkte (24, 25) angedeutet sind.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, da­ durch gekennzeichnet, daß im Meßfeld (32) Halter (20, 21, 22, 23) zur Unterstützung des Gegenstandes (31) vorgesehen sind.