DE69723213T2

DE69723213T2 - System zum Messen des Spiels und der Koplanarität zweier nebeneinander liegender Objekte

Info

Publication number: DE69723213T2
Application number: DE69723213T
Authority: DE
Inventors: Thomas Dalancon; Sandro Marta; Bernard Mutius; Laurent Lebrat
Original assignee: Esic S N; Esic Sn; ABB Barras Provence SA; Coord 3 SpA
Current assignee: Esic S N; Esic Sn; ABB Barras Provence SA; Coord 3 SpA
Priority date: 1996-12-02
Filing date: 1997-12-02
Publication date: 2004-04-22
Anticipated expiration: 2017-12-03
Also published as: DE69723213D1; FR2756626A1; EP0845656B1; KR19980063676A; ES2206670T3; JPH11183134A; US5999265A; EP0845656A1; FR2756626B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Messen von Abmessungen und insbesondere ein System zum Messen von Spielen bzw. Spalten und Fluchtungsfehlern bzw. Flächenversätzen zwischen einander gegenüberliegenden Flächen.
Im industriellen Bereich ist es oftmals erforderlich, Abstände zwischen zwei einander gegenüberliegenden Flächen zu messen, beispielsweise um sich zu vergewissern, dass diese Abstände in etwa den vorbestimmten Werten entsprechen und um zu bestimmen, wie diese Werte sich zeitlich ändern. Das zwischen zwei Flächen bestehende Spiel ist oftmals entscheidend für die mechanische Funktion der Gesamteinrichtung. Bei bestimmten aufwendigeren Kontaktformen zwischen Bauteilen ist der Fluchtungsfehler eng mit dem Spiel verbunden, stellt jedoch eher eine Frage der Ästhetik und Aerodynamik dar. 1 zeigt ein Schema, welches das Spiel und den Fluchtungsfehler zwischen zwei einander gegenüberliegenden Bauteilen angibt.
Das gewöhnliche Verfahren zum Messen von Spielen und Fluchtungsfehlern, insbesondere bei der Automobil- oder Luftfahrtindustrie, besteht darin, Abstandmesslehren oder Endmaße zu verwenden. Das Messwerkzeug selbst ist oftmals einem Gehäuse mit Mitteln zum Speichern und Verarbeiten von gesammelten Daten zugeordnet und/oder wird mit einem Computer bzw. einem Drucker verbunden. Diese gewöhnlichen Systeme sind mit mehreren Nachteilen behaftet.
Zunächst birgt jedes Kontaktmesssystem die Gefahr, die Flächen zu beschädigen, an denen die Messung erfolgt. Abgesehen von Problemen durch Erzeugen von Kratzern auf den Flächen, kann die Kraft, die auf die Flächen durch den Schnabel einer Abstandsmesslehre ausgeübt wird, zu einer Erhöhung des zwischen diesen Flächen bestehenden Abstands führen und damit die Messung verfälschen. Dieses letztgenannte Problem ist um so gravierender, als es sich um Messungen handelt, die an freitragenden Feinblechen erfolgen. Ferner ermöglichen diese gewöhnlichen Systeme es nicht, die im industriellen Bereich festgelegten und immer strenger werdenden Kriterien hinsichtlich Auflösung und Messgeschwindigkeit zu erfüllen. Noch entscheidender ist schließlich, dass die Qualität von Messungen, die mit derartigen Werkzeugen erfolgen, sehr von der Positionierung des Geräts bezüglich der Flächen abhängt, an denen die Messung erfolgt. Somit hängen die Wiederholbarkeit und Zuverlässigkeit der erzielten Messungen sehr vom Anwender ab.
Kürzlich wurden berührungslose Systeme zum Messen von Spielen und Fluchtungsfehlern vorgeschlagen, wie etwa ein System zur optischen Triangulation. (Ein Beispiel eines Systems zum Messen von Spielen und Fluchtungsfehlern durch optische Triangulation besteht in dem unter der Bezeichnung AFFLEUREDIX bekannten Produkt, das von der Firma EDIXIA hergestellt wird). Der allgemeine Aufbau eines solchen Systems ist in 2 dargestellt.
Das Grundprinzip des Systems zum Messen von Spielen und Fluchtungsfehlern durch optische Triangulation, das in 2 gezeigt ist, ist von der Bildmesstechnik abgeleitet. Ein lamellarer Laserlichtstrahl wird von einer Quelle (beispielsweise einer Laserdiode 5) in Verbindung mit optischen Elementen erzeugt. Diese lamellare Lichtebene wird auf die zu messenden Flächen 1, 2 so projiziert, dass ein Bereich mit einer Schnittstelle zwischen diesen Flächen beleuchtet und somit eine Überhelligkeitslinie erzeugt wird, die möglichst senkrecht zur Mittelachse des Spiels verläuft. Die Überhelligkeitslinie liegt im Sichtfeld einer Videokamera 7, die einen Matrixbildsensor (vom Typ CCD) enthält. Der Matrixsensor der Kamera wird von den Strahlen belichtet, die von der Überhelligkeitslinie stammen.
Da die innere Geometrie der Kamera 7 aufgrund einer vorhergehenden Kalibrierung bekannt ist, ist es möglich, jedem Pixel des Sensors eine räumliche Gerade zuzuordnen. Somit kann jedem Bildpunkt der Überhelligkeitslinie eine räumliche Gerade zugeordnet werden. Der Schnittpunkt dieser Geraden mit einem der die Lichtebene bildenden Strahlen bildet ein Dreieck, das in einer Ebene (der sogenannten "Epipolarebene") liegt. Mit der zuvor erfolgenden Kalibrierung ist es auch möglich, die Trennung zwischen Kamera 7 und Lichtquelle 5 (Basis) und dem Winkel zwischen dieser Basis und jedem Punkt auf der Überhelligkeitslinie zu bestimmen. Auch kann für jeden Punkt der Überhelligkeitslinie das entsprechende Dreieck aufgelöst werden, das sich in der Epipolarebene befindet, um die Position dieses Punktes dreidimensional zu bestimmen.
Nachdem die dreidimensionalen Positionen der Punkte auf der Überhelligkeitslinie bestimmt wurden, werden die Positionen der Ränder der beiden einander gegenüberliegenden Flächen bestimmt und danach die Trennung zwischen diesen Rändern (das Spiel zwischen den Flächen) berechnet. Die Berechung des Fluchtungsfehlers erfolgt über eine Bestimmung der Stelle der Hauptfläche eines jeden der einander gegenüberliegenden Teile und über eine Berechnung des Höhenunterschieds zwischen diesen beiden.
Die bekannten Systeme zur optischen Triangulation ermöglichen es, schnelle Messungen der Spiele und Fluchtungsfehler durchzuführen, ohne dabei Gefahr zu laufen, die Flächen zu beschädigen. Die Qualität der erfolgten Messung hängt jedoch immer noch von der Ausrichtung des Messgeräts ab. Nachfolgend wird dieses Problem anhand von 3 beschrieben.
In 3 ist der Fall der Projektion einer Überhelligkeitslinie ersichtlich, die nicht senkrecht zur Mittelachse des Spiels verläuft. In diesem Fall stellt der gemessene Wert J* nicht das tatsächliche Spiel dar, das zwischen den Flächen 1 und 2 besteht. Der tatsächliche Wert des Spiels J ist gleich J*cosθ, wobei θdie Verdrehung des Messgeräts bezüglich der Ausrichtung darstellt, die eine senkrecht zur Mittelachse des Spiels verlaufende Überhelligkeitslinie ergeben hätte. Das gleiche Problem stellt sich hinsichtlich Fluchtungsfehler bei Verdrehungen des Geräts in einer anderen Richtung.
Die Wiederholbarkeit der erfolgten Messungen bei den bekannten Systemen wird auch durch die Wahl der Bezugspunkte und -linien beeinflusst, zwischen denen die Abstände bestimmt werden, insbesondere bei der Kennzeichnung von gewölbten Flächen.
Jeglicher Algorithmus zum Berechnen von Spiel und Fluchtungsfehler muss eine Definition der Bezugspunkte und -linien (oder Ebenen) enthalten, zwischen denen die Abstände gemessen werden sollen. Die Qualität und Wiederholbarkeit der Messungen von Spiel und Fluchtungsfehler hängen von einer zweckmäßigen Wahl der Definitionen für diese Bezugspunkte und -linien ab. Die Definitionen müssen feststehenden Stellen an verschiedenen Proben der angestrebten Teile entsprechen. Auch müssen sie die Erstellung einer geometrischen Konstruktion erleichtern, mit der es möglich ist, einen Wert von Spiel bzw. Fluchtungsfehler zu erhalten, welcher der physischen Abweichung entspricht, die normalerweise unter dieser Bezeichnung bekannt ist.
Die Bedeutung dieser Wahl von Bezugspunkten, -linien und -ebenen ist um so höher, als beim derzeitigen Design von Karosserien zu immer mehr gewölbten Formen übergegangen wird, die eher schiefen Flächen gleichkommen als der Anordnung von Ebenen und Zylindern. Die bei bekannten Systemen verweendeten Definitionen der Bezugsgrößen sind nicht gut auf die Kennzeichnung von Teilen mit dieser Form abgestimmt.
Hier bedeutet der Ausdruck "schiefe Fläche" jegliche geometrische Fläche, die nicht strikt durch eine Gleichung beschreibbar ist.
In dem amerikanischen Patent US-A-5 416 590 ist ein Gerät zum Messen von Spielen und Fluchtungsfehlern zwischen zwei einander gegenüberliegenden Bauteilen beschrieben, bei dem die Prinzipien der optischen Triangulation Anwendung finden, um die dreidimensionalen Positionen der Punkte an zwei Überhelligkeitslinien zu bestimmen, die von zwei miteinander konvergierenden Lichtebenen erzeugt werden. Jede der beiden Überhelligkeitslinien beleuchtet die Schnittstelle zwischen den beiden Bauteilen und erstreckt sich vorzugsweise senkrecht zur Achse des Spiels (diese Ausrichtung stellt den Idealfall dar). Messungen, die mit diesem Gerät erfolgen, sollen jedoch selbst im Falle einer Verdrehung des Geräts um 10° zur idealen Ausrichtung zuverlässig sein. Die Berechnungen von Spiel und Fluchtungsfehler enthalten einen Schritt zum Definieren von Bezugslinien und -ebenen für jedes der einander gegenüberliegenden Bauteile. Bei jedem Bauteil werden diese Bezugsparameter ausgehend von Positionierungsdaten relativ zu den beiden Überhelligkeitslinien (insbesondere ausgehend von den Daten bezüglich derjenigen Bereiche der beiden Linien, die sich an diesem Bauteil befinden) berechnet. Spiel und Fluchtungsfehler werden dann durch Analyse des Abstands zwischen den für jedes Bauteil bestimmten Bezugsparametern berechnet.
Aufgrund dessen, dass die bei dem System gemäß der US-A-S 416 590 verwendeten Lichtebenen konvergieren, hängt die Trennung zwischen den beiden Überhelligkeitslinien von dem Abstand zwischen dem Messgerät und den Flächen ab, an denen die Messung ausgeführt wird. Dies erfordert vom Anwender beim Positionieren des Geräts eine gewisse Sorgfalt, da er sich vergewissern muss, dass die beiden Überhelligkeitslinien im Sichtfeld der Kamera liegen und dass sie über einen Abstand voneinander entfernt liegen, der groß genug sein muss, um deren Auflösung durch die Kamera zu ermöglichen. Dieses Problem wird gemäß der US-A-5 416 590 dadurch gelöst, dass dem Anwender auferlegt wird, das Messgerät an die zu vermessenden Bauteile zu drücken. Diese Lösung ist jedoch mit der Gefahr behaftet, die Bauteile zu beschädigen. Ferner kann der Anwender nicht genau die Stelle sehen, an der die Messung erfolgt, was die Lokalisierung des Geräts an der richtigen Stelle erschwert.
Die Tatsache, dass die bei dem System gemäß der US-A-5 416 590 verwendeten Lichtebenen konvergieren, bedeutet, dass jede der Ebenen unter einem schiefen Winkel typischerweise von 40° bis 45° auf die Bauteile auftrifft. Die durch den Schnitt der Lichtebenen mit den Bauteilen erzeugten Bilder entsprechen somit nicht der geometrischen Form der beleuchteten Bauteile, sondern einer Verzerrung derselben aufgrund von der Perspektive.
Ferner werden bei dem in der US-A-5 416 590 angegebenen System die Bilddaten einer Binarisation vor der Berechnung der dreidimensionalen Positionen der Bezugspunkte unterzogen. Diese Vorgehensweise entzieht jedoch die Möglichkeit, auf eine "Unterpixel"-Interpolation der Position der Überhelligkeitslinie am Bild zurückzugreifen. Dies führt zu Auflösungsverlusten. Ferner erfolgt die Berechnung von Spiel und Fluchtungsfehler bei diesem bekannten System durch Modellbildung eines jeden Bauteils gemäß einer bestimmten Ebene, indem das Verfahren der kleinsten Fehlerquadrate Anwendung findet. Dieses Verfahren ermöglicht es nicht, bei Messungen, die an Bauteilen mit schiefer Oberfläche erfolgen, ein zuverlässiges Ergebnis zu erzielen (bzw. überhaupt ein Ergebnis zu erzielen).
Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, ein verbessertes Verfahren und ein verbessertes Gerät zum Messen des Spiels und des Fluchtungsfehlers zwischen zwei einander gegenüberliegenden Bauteilen anzugeben, wonach Verdrehungen des Messgeräts kompensiert werden können.
Die vorliegende Erfindung zielt auch darauf ab, ein verbessertes Verfahren und ein verbessertes Gerät zum Messen des Spiels und des Fluchtungsfehlers zwischen zwei einander gegenüberliegenden Bauteilen anzugeben, wonach die Rechenalgorithmen auf feststehenden und wiederholbaren Bezugspunkt- und Bezugsliniendefinitionen basieren, um die Qualität und Wiederholbarkeit von Messwerten zu verbessern, insbesondere bei Messungen, die an Bauteilen mit Flächen erfolgen, deren Profil einen Bereich mit großem Krümmungsradius und am Ende einen Bereich mit relativ kleinem Krümmungsradius enthält, wie etwa Falzbleche.
Die vorliegende Erfindung sieht ein System zum Messen des Spiels und des Fluchtungsfehlers zwischen den Flächen von zwei einander gegenüberliegenden Bauteilen vor, wobei jedes der Bauteile eine Hauptfläche und einen Rand aufweist, enthaltend:

– eine oder mehrere Lichtquellen, die zwei lamellare Lichtebenen auf die Bauteile projizieren, um zwei Überhelligkeitslinien zu erzeugen, die sich jeweils quer zu den Rändern der beiden Bauteile erstrecken,
– eine Kamera, die das Bild dieser beiden Überhelligkeitslinien auffängt, und
– eine Datenverarbeitungseinrichtung (30), derart, dass:
– das dreidimensionale Profil der Flächen entlang jeder Überhelligkeitslinie berechnet wird,
– Bruttowerte des Spiels und/oder des Fluchtungsfehlers zwischen den Flächen der beiden Bauteile ausgehend von mindestens einem dieser beiden Profile berechnet werden, und dadurch gekennzeichnet, dass die beiden projizierten lamellaren Ebenen parallel sind und Bruttowerte des Spiels und/oder des Fluchtungsfehlers korrigiert werden, um mögliche Drehungen des Geräts zu kompensieren, indem eine Berechnung durchgeführt wird, die den Bruttowert, die Trennung zwischen den beiden Lichtebenen und die Differenz zwischen der Position eines Bezugspunkts eines der beiden Profile und der Position des entsprechenden Bezugspunkts des anderen Profils verwendet.

Die Verwendung der beiden parallelen Projektionsebenen ermöglicht neben der Bestimmung von Bruttowerten des Spiels und des Fluchtungsfehlers eine Kompensation von eventuellen Verdrehungen des Messgeräts. Somit ist es mit der vorliegenden Erfindung möglich, genaue Messungen des Spiels und des Fluchtungsfehlers zwischen zwei Flächen zu erhalten und dabei eine Stellungsunsicherheit des Messgeräts in Kauf zu nehmen, wodurch eine gute Wiederholbarkeit gewährleistet wird.
Durch die erfindungsgemäß angewandten Algorithmen werden genaue Werte des Spiels und des Fluchtungsfehlers schnell mit einer Auflösung und einer Wiederholbarkeit der Messung ausgewertet, die gegenüber bekannten Systemen erhöht sind.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Berechnung des Spiels und des Fluchtungsfehlers zwischen zwei Flächen durch Auswahl von besonderen Bezugspunkten und -linien in jedem der beiden Profile. Durch diese Definitionen der Bezugsgrößen zeigen die Werte des Spiels und des Fluchtungsfehlers, die erfindungsgemäß erhalten werden, eine sehr gute Wiederholbarkeit und entsprechen streng den theoretischen Spezifikationen, selbst bei der Kennzeichnung von gefalzten Bauteilen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht bzw. bestehen die zum Erzeugen von Lichtebenen verwendete(n) Lichtquelle(n) aus monochromatischen Quellen, insbesondere aus Laserdioden, und das durch die Kamera aufgefangene Licht wird gefiltert. Damit ist es möglich, die Interferenzen zwischen dem von den Überhelligkeitslinien kommenden Licht, das von der Kamera aufgefangen werden muss, und dem von in der Umgebung vorhandenen weiteren Quellen kommenden Licht zu eliminieren. Dieses letztgenannte Merkmal ist deshalb sehr vorteilhaft, weil es damit möglich ist, Messungen durchzuführen, wenn das Messgerät so von den einander gegenüberliegenden Bauteilen beabstandet ist, dass der Anwender genau die Stelle sehen kann, wo die Lichtebenen diese Bauteile beleuchten.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich beim Lesen der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen, die sich nur beispielhaft verstehen, in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, worin zeigen:
1 ein Schema, das die Definition der Parameter "Spiel" und "Fluchtungsfehler" zwischen zwei einander gegenüberliegenden Bauteilen darstellt,
2 ein Schema, das die wesentlichen Elemente eines Systems zum Messen des Spiels und des Fluchtungsfehlers mittels der gewöhnlichen optischen Triangulation zeigt,
3 ein Schema, das zeigt, wie der Wert des gemessenen Spiels von der Ausrichtung des Messgeräts abhängt,
4 ein Schema, das die wesentlichen Bestandteile eines Messsystems gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Endung angibt,
5 das Bezugssystem der Vorrichtung,
6a) bis 6c) die Lichtebenen, die auf zu kennzeichnende Bauteile auftreffen, bei einer idealen Positionierung des Messgeräts, wobei 6a) eine Ansicht in Richtung der y-Achse, 6b) eine Ansicht in Richtung der x-Achse und 6c) eine Ansicht in Richtung der z-Achse zeigt,
7a) bis 7c) die Lichtebenen, die auf zu kennzeichnende Bauteile auftreffen, wenn die Ausrichtung des Geräts eine Drehung bezüglich der idealen Position aufweist, wobei 7a) den Fall einer Drehung um die x-Achse, 7b) den Fall einer Drehung um die y-Achse und 7c) den Fall einer Drehung um die z-Achse zeigt,
8a) und 8b) Bezugspunkte und -linien, die gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung definiert sind,
9 ein Schema, das angibt, wie der Wert eines Spiels gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung berechnet wird,
10 ein Schema, das angibt, wie der Wert eines Fluchtungsfehlers gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung berechnet wird,
11 ein Schema, das ein weiteres Verfahren gemäß der Erfindung darstellt, mit dem es möglich ist, Werte des Spiels und des Fluchtungsfehlers zu bestimmen, und
12 ein Schema, das ein weiteres Verfahren gemäß der Erfindung darstellt, mit dem es möglich ist, die Stelle des ersten Bezugspunkts I zu bestimmen.
Bevor die bei der vorliegenden Erfindung Anwendung findenden Algorithmen und Berechnungen beschrieben werden, wird kurz der Aufbau und die Anordnung von Elementen eines Systems gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
4 zeigt ein Schema, das die wesentlichen Elemente des Systems zum Messen des Spiels und des Fluchtungsfehlers gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angibt. Das System besteht aus einer Bildaufnahmevorrichtung 20, die mit einer Datenverarbeitungs- und Speichereinheit 30 verbunden ist. Bei der vorliegenden Ausführungsform erfolgt die Verbindung zwischen Bildaufnahmevorrichtung 20 und Datenverarbeitungseinheit 30 durch Funkübertragung. Vorzugsweise besitzt die Datenverarbeitungseinheit 30 mehrere Kommunikationskanäle, beispielsweise fünf Kommunikationskanäle, um von den fünf Bildaufnahmevorrichtungen 20 kommende Daten empfangen zu können.
Dieses Funkkommunikationsverfahren verleiht dem Anwender eine größere Bewegungsfreiheit als das gewöhnliche Verfahren per Drahtverbindung. Im Falle einer Qualitätsprüfung, die in der Automobilindustrie Anwendung findet, erleichtert dieses Verfahren Messungen in einem Fahrzeugpark. Die Erfindung kann jedoch auch bei Systemen Anwendung finden, wo die Bildaufnahmevorrichtung 20 und die Datenverarbeitungseinheit 30 über eine Drahtverbindung kommunizieren.
Die Bildaufnahmevorrichtung 20 liegt in Form einer Messpistole mit zwei starren Messstäben 21 vor, die mit am Ende nachgiebigen Abstützungen ausgestattet sind. Im Betrieb zentriert der Anwender die Messpistole auf die Mittelachse des zu messenden Spiels, indem er die Messstäbe in leichtem Kontakt mit den beiderseits des Spiels befindlichen Flächen bringt. Damit wird ein stabiler Halt der Vorrichtung 20 während der Datenerfassungen gewährleistet. Ferner ist es durch den Raum, der zwischen der Messpistole und den Flächen besteht, an denen die Messung erfolgt, für den Anwender möglich, die Stelle genau zu sehen, wo sich die beiden während der Messung verwendeten Überhelligkeitslinien bilden. Somit ist es für den Anwender einfach, zu gewährleisten, dass die Messung an der richtigen Stelle erfolgt, was dann wesentlich ist, wenn die Messungen im Zusammenhang mit der Qualitätsprüfung einer Fertigungsstraße erfolgen.
Die Messpistole kann mit einer oder mehreren Markierungen versehen sein, die dazu bestimmt sind, die Ausrichtung der Pistole mit der Schnittstelle zwischen den zu kennzeichnenden Flächen zu vereinfachen. Aus den vorangehend erläuterten Gründen steht jedoch ein Spielraum zum Positionieren der Vorrichtung zur Verfügung, der durch die von der Verarbeitungseinheit 30 ausgeführten Berechnungen kompensiert wird.
Die Bildaufnahmevorrichtung 20 enthält zwei Lichtquellen 22 (in 5 dargestellt) mit zugeordneten optischen Elementen, die so abgestimmt sind, dass zwei im wesentlichen parallele lamellare Lichtebenen erzeugt werden, die vom Lauf der Messpistole ausgegeben werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind diese Lichtquellen Laserdioden. Derartige Laserdioden und Optiken zum Erzeugen von Ebenen sind bei Laservertrieben gängig erhaltbar. Alternativ kann auch nur eine Lichtquelle angewendet werden, die optisch auf zwei Läufe aufgeteilt ist.
Erfindungsgemäß wird bevorzugt, dass die Lichtquelle bzw. die Lichtquellen monochromatisch sind (was beispielsweise der Fall ist, wenn Laserdioden verwendet werden). Damit ist es möglich, zwischen dem von diesen Lichtquellen stammenden Licht und dem Licht mit unterschiedlicher Wellenlänge zu unterscheiden, das von in der Umgebung vorhandenen weiteren Lichtquellen stammt.
In der Messpistole ist eine Kamera 23 so angeordnet, dass die von den Laserdioden ausgegebenen Lichtebenen in einem Sichtfeld der Kamera liegen. Der Bildsensor der Kamera 23 kann beispielsweise ein ladungsgekoppeltes Element (CCD-Element) sein, das Pixel in Matrixanordnung oder jegliches andere Mittel zur elektronischen Bilderfassung enthält. Vorzugsweise enthält die Messpistole ein Filter (nicht dargestellt), das so angeordnet ist, dass es das an der Kamera einfallende Licht filtert. Dieses Filter ist über die Wellenlänge der monochromatischen Lichtquellen zentriert, die bei der Messpistole verwendet werden.
Die Messpistole 20 ist mit einem Anzeigemittel 24 versehen, an dem für den Anwender nützliche Informationen angezeigt werden, beispielsweise die Bezugsnummer des momentanen Messpunkts, die Werte des Spiels und des Fluchtungsfehlers oder auch Abweichungen zu den Sollwerten und Messungen außerhalb der Toleranzwerte. Dieses Anzeigemittel kann beispielsweise eine Flüssigkristallanzeige (LCD) sein.
Bei der Bildaufnahmevorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform finden Bauteile und Verfahren Anwendung, die an sich bereits bekannt sind und damit hier nicht näher erläutert werden. Beispielsweise können die Kalibrierung der Bildaufnahmevorrichtung 20 zum Bestimmen der Trennung zwischen jeder Laserquelle und der Kamera und die algebraischen Definitionen der jeweiligen Geraden, die jedes Pixel der CCD-Kamera 23 mit den Punkten einer jeden Lichtebene verbinden, usw., auch gemäß den bekannten Verfahren erfolgen, die bei gewöhnlichen Systemen zur optischen Triangulation Anwendung finden.
Der Messbereich kann zuvor einprogrammiert werden, um die Reihe von Messpunkten zu bestimmen, für welche die Daten erfasst werden, sowie die Sollwerte und die zugeordneten Toleranzen. Bei der vorliegenden Ausführungsform enthält die Messvorrichtung 20 zumindest einen Drücker zum manuellen Auslösen der Messung durch den Anwender. Auch kann sie mehrere Druckknöpfe enthalten, um dem Anwender zu gestatten, dem System verschiedene Angaben zu liefern, wie beispielsweise, dass er zum nächsten Messpunkt übergeht, dass eine Messung wiederholt wird, dass er den Betriebsmodus des Geräts ändert, usw.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die Bildaufnahmevorrichtung mit einem Sende-/Empfangsmodul 25 verbunden, das der Anwender beispielsweise am Gürtel tragen kann. Das Sende-/Empfangsmodul 25 kommuniziert über die bidirektionale Funkverbindung vom Typ RS232 mit einem Sende-/Empfangsmodul 35, das mit der Datenverarbeitungseinheit verbunden ist. Diese Verbindung ermöglicht die Fernsteuerung der Anzeige 24 und Einstellungen der Kamera 23 und der Laserdioden 22 der Bildaufnahmevorrichtung 20. Über eine zusätzliche Funkverbindung werden vom Sende-/Empfangsmodul 25 Bilddaten in Richtung der Datenverarbeitungseinheit 30 ausgegeben.
Die Datenverarbeitungseinheit ist vorzugsweise ein Mikrocomputer vom Typ PC, der mit Karten zur Digitalisierung und Bildverarbeitung und einer Software versehen ist, mit denen die Messbereiche einprogrammiert und Steuer- und Messdaten in einem von jeglichem Texteditor lesbaren Format registriert werden können. Vorzugsweise ist die Datenverarbeitungseinheit mit einer Anzeigeeinheit 32 verbunden. Bei der Messung werden die erhaltenen Werte zugleich am Bildschirm der Anzeigeeinheit und an der Anzeige 24 der Bildaufnahmevorrichtung 20 angezeigt. Die anfänglichen Bilddatenverarbeitungsschritte zum Erzeugen eines dreidimensionalen Profils für jede der Überhelligkeitslinien erfolgen nach Verfahren, die bereits bei gewöhnlichen Systemen zur optischen Triangulation bekannt sind. Die Profildatenverarbeitung gemäß der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend näher beschrieben.
Die Tatsache, dass die Bestimmung der Bezugspunkte der geometrischen Konstruktionen nicht auf der zweidimensionalen Nutzung der Bilder, sondern auf einem dreidimensionalen Profil basiert, das durch optische Triangulation errechnet wird, ermöglicht es, bei der Berechnung des Spiels und des Fluchtungsfehlers eine sehr hohe Genauigkeit zu erreichen. Die zweidimensionale Verarbeitung der Bilder der Projektionen von Lichtebenen führt nämlich zu Unsicherheiten bezüglich der Position der Bezugspunkte, die mit der Variation des Maßstabfaktors einhergehen (Bildgröße zu Objektgröße). Bei dieser Art der Bestimmung der Bezugspunkte muss zumindest eine konstante Entfernung des Messinstruments von den zu kennzeichnenden Oberflächen gewährleistet werden, was aufgrund von der Morphologie der Bauteile in der Praxis nicht immer durchführbar ist.
Die Genauigkeit des Geräts, das Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, wird dadurch optimiert, dass sie von der Position der Messpistole bezüglich der Messprobe sowohl hinsichtlich Abstand als auch hinsichtlich Winkelstellung unabhängig ist, solange letztere im optischen Arbeitsraum der Messpistole bleibt.
Es können mehrere Abwandlungen des Systems gemäß dieser Ausführungsform angestrebt werden, ohne dabei den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Beispielsweise kann bei der Bildaufnahmevorrichtung, die zum Erzeugen von Bilddaten verwendet wird, welche die Schnittstelle zwischen den einander gegenüberliegenden Bauteilen darstellen, eine zusätzliche Kamera Anwendung finden, um Zugang zu Punkten zu haben, die von der ersten Kamera nicht ersichtlich sind.
Nachfolgend werden die Schritte zum Berechnen der Spiele und Fluchtungsfehler gemäß der vorliegenden Erfindung zwischen einander gegenüberliegenden Falzteilen beschrieben. Teile dieser Form werden häufig im Rahmen der Automobilindustrie bzw. Luftfahrtindustrie verwendet.
Die Algorithmen der vorliegenden Erfindung enthalten zwei größere Schritte, nämlich eine Berechnung der Bruttowerte von Spiel und Fluchtungsfehler und eine Korrekturberechnung, um diese Werte bei eventuellen Drehungen des Messgeräts bezüglich der idealen Ausrichtung zu kompensieren. Um das Verständnis des Lesers zu erleichtern, wird zunächst die Korrekturberechnung unter der Annahme zweier Bruttowerte von Spiel und Fluchtungsfehler beschrieben. Dann wird erläutert, wie die Ausgangswerte von Spiel und Fluchtungsfehler gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bewertet werden.
Das Bezugssystem, das sich auf den optischen Sensor des Systems gemäß der vorliegenden, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bezieht, ist in 5 angegeben. Der Ausgangspunkt ist der Projektionsmittelpunkt von einer der beiden Laserquellen, die x-Achse verläuft senkrecht zur Überhelligkeitsebene, die y-Achse verläuft senkrecht zur Achse der Laserquelle und ist in der ersten Laserebene enthalten, und die z-Achse verläuft koaxial zur Achse der Laserquelle, die in Richtung der Überhelligkeitsprojektion gerichtet ist.
6a) bis 6c) zeigen Lichtebenen, die auf die Schnittstelle der beiden zu kennzeichnenden Teile 1, 2 bei idealer Positionierung des Messgeräts auftreffen. 6a) zeigt eine Ansicht in der Ebene x-z. 6b) zeigt eine Ansicht in der Ebene y-z. 6c) zeigt eine Ansicht in der Ebene x-y. Zwecks besserem Verständnis der Messgrößen zeigen diese Schemata (sowie die aus 7) Bauteile, die in ihren Profilen geradlinige Bereiche enthalten.
7a), 7b) und 7c) stellen die Lichtebenen dar, die an der Schnittstelle der beiden Bauteile 1, 2 bei Verdrehung des Messgeräts aus der idealen Positionierung heraus jeweils um die Achsen x, y, z einfallen.
Bei Drehung des Messgeräts um die x-Achse, ergibt sich keine Auswirkung auf die ausgewerteten Werte von Spiel und Fluchtungsfehler insofern, dass diese Werte ausgehend von Bildpunkten berechnet werden, die von nur einer der projizierten Lichtebenen erzeugt werden (d. h. bei der Berechnung von Spiel und Fluchtungsfehler werden Punkte verwendet, die sich alle in ein und derselben Ebene parallel zur Ebene y-z befinden).
Bei Drehung des Messgeräts um die y-Achse bzw. um die z-Achse werden die Werte von Fluchtungsfehler und Spiel jeweils verändert. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann dieses Problem dadurch gelöst werden, dass eine Korrektur der anfänglich berechneten Werte von Spiel und Fluchtungsfehler erfolgt. Um jede dieser Korrekturen durchführen zu können, wird ein Bezugspunkt auf dem einen zu kennzeichnenden Bauteil bestimmt, die Koordinaten dieses Bezugspunkts in jedem der Halbprofile bestimmt, die jeweils dem Bild dieses Bauteils in den beiden Überhelligkeitslinien entsprechen, und die lichte Positionsdifferenz dieses Bezugspunkts zum Durchführen der Korrektur verwendet.
Bei einer Drehung des Messgeräts um die y-Achse ist das Spielunveränderlich. Jedoch entspricht der lichte Fluchtungsfehler nicht mehr dem tatsächlichen Fluchtungsfehler. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann dieses Problem dadurch gelöst werden, dass eine Korrektur des anfänglich berechneten Werts des Fluchtungsfehlers nach der folgenden Gleichung durchgeführt wird:
wobei A den korrigierten Wert des Fluchtungsfehlers, A* den anfänglichen Wert des Fluchtungsfehlers, Δx die kalibrierte Trennung zwischen den Lichtebenen und Δz in der Projektionsrichtung (z) die Positionsdifferenz zwischen den Bezugspunkten der beiden Halbprofile darstellt.
Bei Drehung des Messgeräts um die z-Achse ist der Fluchtungsfehler unveränderlich. Jedoch entspricht das lichte Spiel nicht mehr dem tatsächlichen Spiel. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann dieses Problem dadurch gelöst werden, dass eine Korrektur des anfänglich berechneten Werts des Spiels gemäß der nachfolgenden Gleichung erfolgt:
wobei J den korrigierten Wert des Spiels, J* den anfänglichen Wert des Spiels, Δx die kalibrierte Trennung zwischen den Lichtebenen und Δy die Positionsdifferenz der entsprechenden Bezugspunkte der beiden Halbprofile in der Richtung (y) orthogonal sowohl zur Projektionsrichtung (z) als auch zur Richtung (x) senkrecht zur Überhelligkeitsebene darstellt.
Anhand von 8 bis 10 wird nachfolgend das bevorzugte Verfahren zum Berechnen der Ausgangswerte von Spiel und Fluchtungsfehler gemäß der vorliegenden Endung erläutert.
Zunächst werden die ausgehend von einer der Überhelligkeitslinien erzeugten Daten verarbeitet, um jeweils die Bezugspunkte und -linien bezüglich eines jeden der beiden Bauteile zu bestimmen. Danach werden die Abstände zwischen diesen Bezugspunkten und -linien ausgewertet, um Ausgangswerte von Spiel und Fluchtungsfehler zu erhalten. Aus den nachfolgend erläuterten Gründen werden danach vorzugsweise auf die gleiche Art und Weise die Daten verarbeitet, die ausgehend von einer weiteren Überhelligkeitslinie erzeugt werden, um ein zweites Paar von Spiel- und Fluchtungsfehlerwerten zu erzeugen.
Die Bestimmung der Bezugspunkte und -linien am Profil des einen der einander gegenüberliegenden Bauteile wird nachfolgend anhand von 8 beschrieben. Es findet das gleiche Verfahren Anwendung, um die entsprechenden Punkte und Linien am Profil des anderen Bauteils zu bestimmen.
Das Beispiel aus 8 betrifft einander gegenüberliegende Bauteile, die beide mit gefalzten Flächen versehen sind. Im Gegensatz zur einfachen Theorie, nach welcher der Krümmungsradius im Bereich der Falzung bei diesen Bauteilen konstant sein soll, sind sich die Erfinder der vorliegenden Erfindung darüber bewusst geworden, dass der Krümmungsradius sich an dieser Stelle ändert, so als ob die betreffende Krümmung gewissermaßen abgeflacht wäre. Das nachfolgende Verfahren zum Bestimmen der Bezugspunkte und -linien wird bei Falzteilen optimiert.
Zunächst wird ein erster unveränderlicher Bezugspunkt 1 bestimmt, indem eine Besonderheit der für Falzbleche repräsentativen Krümmungen zunutze gemacht wird, die darin besteht, dass sie stets einen Bereich aufweisen, in dem eine schnelle Änderung des Krümmungsradius stattfindet (siehe 8a)). Ausgehend von dem Krümmungsende (das die geringste Krümmung aufweist) und mit Analysieren des Werts des gleitenden Krümmungsradius wird an der Krümmung eine Position bestimmt, in welcher dieser Radius einen Schwellwert R_S unterschreitet. Diese letztgenannte Position definiert den Punkt I.
Die Auswahl des Schwellwertes R_S erfolgt nach einer statistischen Analyse der Form von Bauteilproben, an denen die Messung erfolgen soll. Wenn dessen Wert zu groß ist, führt das Messrauschen zu einer schlechten Wiederholbarkeit der Position von Punkt I. Wenn der Wert zu gering ist, könnte es passieren, dass die Krümmungsänderung nicht ertasst werden kann. In der Praxis wurde herausgefunden, dass im Falle von Falzblechen der geeignete Schwellwert R_S oftmals mit der Materialstärke der Bleche zusammenhängt. Beispielsweise ist ein Schwellwert R_S von 3 mm bei Falzblechen mit einer Materialstärke von 0,7 mm geeignet (allgemeiner ist dieser Wert bei jeglichem Falzblech mit normaler Materialstärke geeignet, d. h. dessen Materialstärke im Bereich von 0,67 mm bis 0,8 mm liegt).
Nachdem der Bezugspunkt I bestimmt wurde, wird ein erster Konstruktionspunkt P₁ in einem Abstand R₁ von 1 erhalten, dann wird ein zweiter Konstnuktionspunkt P₂ in einem Abstand R₂ von P₁ erhalten. Danach wird eine Gerade D, bestimmt, die durch die Punkte P, und P₂ verläuft.
Gegebenenfalls kann bei leicht gewölbten Oberflächen auch eine erste Bezugslinie D₁ durch die bessere Gerade definiert werden, die durch die Punkte des Profils verläuft, das sich zwischen den Konstruktionspunkten P₁, P₂ befindet.
Die Abstände R₁ und R₂ werden in Abhängigkeit von den Parametern des optischen Systems sowie von dem gewünschten Messbereich gewählt, wobei zugleich die Stabilität der gewählten Bezugspunkte und -linien optimiert wird.
Um eine für die Hauptfläche des betreffenden Bauteils repräsentative Bezugsgerade zu finden, muss der Bezugspunkt P₁ im flachsten Bereich der betreffenden Fläche liegen. Damit die Bezugsgerade D_I, feststehend und wiederholbar ist, müssen die Bilddaten zuvor bezüglich Punkt P₂ sensiert werden. Damit darf sich dieser Punkt P₂ nicht außerhalb des Sichtfeldes der Kamera befinden.
Es wird verständlich, dass die Bildaufnahmevorrichtung ein bestimmtes Sichtfeld besitzt und dass dann, wenn der zu messende Bereich des Spiels sich bis zur Hälfte, zu drei Dritteln, usw., der Ausdehnung des Sichtfelds erstreckt, bei maximalem Spiel nur die Hälfte, ein Drittel usw. der Ausdehnung des Sichtfeldes übrig bleibt, um diejenigen Bereiche der beiden Bauteile anzupassen, die von der Kamera gesehen werden können. Wenn beispielsweise das Sichtfeld des Geräts auf 25 mm begrenzt ist und das vom System maximal messbare Spiel 12 mm beträgt, betreffen die sensierten Bilder der einander gegenüberliegenden Bauteile nur 13 mm der Oberflächen derselben (6,5 mm auf beiden Seiten des Raums zwischen den Bauteilen). Daraus folgt, dass die Summe der Abstände R₁ und R₂ so sein muss, dass der Konstruktionspunkt P₂ einem Punkt entspricht, der sich in dem betreffenden Bereich des Bauteils befindet, der von der Kamera gesichtet wurde.
Auch wurde herausgefunden, dass der Abstand zwischen den Konstruktionspunkten P₁ und P₂ lang genug sein muss, um die Stabilität der Bezugsgeraden zu gewährleisten. In der Praxis wird der Wert R₁ so gewählt, dass der Punkt P, einem Punkt entspricht, der sich an der Hauptfläche des Bauteils befindet, jedoch so nahe wie möglich am stärker gekrümmten Bereich am Rande des Bauteils, und es wird der Wert R₂ so gewählt, dass der Abstand zwischen den Punkten P₁ und P₂ maximiert wird. Gemäß dem vorangehend betrachteten Beispiel, wo ein Bereich eines jeden Teils mit einer Länge von 6,5 mm sichtbar ist, könnte R₁ = 1 mm und R₂ = 5,5 mm gewählt werden. Jedoch erfordert eine solche Wahl der Werte eine sehr hohe Positionierungsgenauigkeit des Geräts bezüglich der Mittelachse des Spiels. Demnach ist es vorzuziehen, bei diesem Beispiel R₂ = 4 mm zu wählen.
Nach Bestimmung der Bezugsgeraden D_I wird ein weiterer, unveränderlicher Bezugspunkt I bestimmt (siehe 8b)). Es wird die Stelle einer Konstruktionsgeraden D_K bestimmt, indem eine Parallele zur Bezugsgeraden D_I nach innerhalb des Bauteils über einen Abstand R_P nach unten versetzt wird.
Die Schnittfläche zwischen dieser Geraden D_K und dem Profil des Bauteils ergibt den Punkt I.
Das Spiel wird aus der Bestimmung des Abstands zwischen den Punkten K der beiden einander gegenüberliegenden Bauteile berechnet. Damit ist es vorzuziehen, dass dieser Punkt K einem Punkt nahe der maximalen Krümmung bei um 90° oder mehr gebogenen Bauteilen entspricht. Es soll nämlich ein Punkt gefunden werden, der demjenigen entspricht, der mit dem Schnabel einer Abstandsmesslehre bei einem Kontaktmesssystem in Kontakt gebracht wird. Auf diese Weise entspricht die durch das erfindungsgemäße Gerät erfolgte Messung des Spiels in der Tat der physikalischen Größe, die unter diesem Namen bei den Karosseriebauern verstanden wird.
Im Falle von Falzblechen, bei denen ein Blech um den Umfang eines weiteren Blechs gleicher Materialstärke gebogen wird, befindet sich dieser Punkt K in etwa in einer Position, die der Hälfte von drei Materialstärken der entsprechenden Bleche entspricht. Die Materialstärke der verwendeten Bleche beträgt im allgemeinen zwischen 0,67 und 0,8 mm und höchstens 1 mm, so dass sie ohne spezifische Beanspruchung für gewöhnliche Maschinen gezogen und/oder geschweißt werden kann und die Herstellungskosten vermindert werden. Bei Blechen mit einer Stärke von 0,7 mm beträgt somit der Sollabstand R_P 1,05 mm. Es ist jedoch vorteilhaft, dass dieser Punkt K einem Punkt entspricht, für den Bilddaten von der Kamera aufgenommen wurden. Somit ist es vorzuziehen, dass bei dem betrachteten Beispiel der Abstand R_P 0,8 mm beträgt.
Wenn die Schnittstelle der Gerade D_K und der Biegung in einem Bereich des Profils festgelegt ist, wo die Abtastung unzureichend ist, wird die Verlängerung der Biegung dadurch berechnet, dass darauf ein Modell durch ein Polynom mit dem zu wählenden Grad n abgestimmt wird, beispielsweise ein Polynom dritten Grades. Falls diese Verlängerung eine Schnittstelle schafft, die zu weit vom am nächsten liegenden Punkt der abgetasteten Punkte entfernt liegt, wird ein Fehler angegeben.
Nachfolgend wird die Berechnung des Bruttowerts des Spiels anhand von 9 beschrieben. Die Gerade D, eines der Bauteile versteht sich als Bezugsgerade. Als Spiel wird dann der Abstand zwischen den beiden Geraden D_B, D_B' ausgewertet, die durch die Punkte K bzw. K' gehen und beide senkrecht zur Geraden D_I verlaufen.
In bestimmten Fällen hängt der erhaltene Bruttowert des Spiels von der Geraden D_I bzw. D_I' ab, die als Bezugsgerade bei der Berechnung verwendet wurde. Somit ist es vorzuziehen, eine gleichbleibende- Vorgehensweise anzuwenden, wie etwa stets die Gerade D, zu verwenden, die gegenüber dem linken Bauteil festgelegt wurde. Es genügt, dass die Vorgehensweise für eine besondere Messposition des Messbereichs konstant bleibt, wobei verschiedene Vorgehensweisen für verschiedene Messpositionen vorgesehen sein können. Um jegliche Zweideutigkeit auszuräumen, kann die Ausrichtung der Bildaufnahmevorrichtung 20 in der richtigen Richtung dadurch gewährleistet werden, dass diese mit einer visuellen Markierung versehen wird. Gemäß einer Variante kann die richtige Ausrichtung der Bildaufnahmevorrichtung 20 dadurch gewährleistet werden, dass dem Anwender an der Anzeige 24 eine Anweisung angezeigt wird, die angibt, welche Ausrichtung der Vorrichtung für die betreffende Messposition geeignet ist.
Nachfolgend wird die Berechnung des Fluchtungsfehlers anhand von 10 beschrieben. Es wird ein weiterer Bezugspunkt L bestimmt, der dem Schnittpunkt der Geraden D_B mit der Geraden D_I eines der Bauteile entspricht. Die Gerade D_I' des weiteren Bauteils wird als Stellungsbezugsgerade verwendet. Dann wird als Fluchtungsfehler der Mindestabstand zwischen Punkt L und Gerade D_I' ausgewertet (in zur Geraden D_I' senkrechter Richtung).
Bei der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden zwei Paare von Bruttowerten für das Spiel und den Fluchtungsfehler berechnet, indem die von jeder der beiden jeweiligen Überhelligkeitslinien stammenden Daten verarbeitet werden. Die beiden Bruttowerte des Spiels werden miteinander verglichen, um zu bewerten, ob die Differenz zwischen denselben einen Schwellwert übersteigt. Im Falle, dass die Differenz zwischen den beiden Bruttowerten des Spiels groß ist, kann dies daher rühren, dass das zwischen den beiden Bauteilen vorhandene Spiel sich ausweiten kann. In der gleichen Weise werden die beiden Bruttowerte des Fluchtungsfehlers verglichen, um zu bewerten, ob die Differenz zwischen diesen einen Schwellwert übersteigt. Falls die Differenz zwischen den beiden Bruttowerten des Fluchtungsfehlers groß ist, kann dies dem Fall eines sich ausweitenden Fluchtungsfehlers entsprechen. Es ist vorzuziehen, einen Wert von Spiel bzw. Fluchtungsfehler bei einem Messpunkt zu erfassen, wo der betreffende Parameter sich nicht ausweiten kann.
Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Datenverarbeitungseinheit 30 so abgestimmt, dass sie das Vorhandensein eines sich ausweitenden Spiels (bzw. Fluchtungsfehlers) feststellt und der Bildaufnahmevorrichtung 20 eine Nachricht sendet, die angibt, dass kein Wert des Spiels (bzw. Fluchtungsfehlers) als relativ zum betreffenden Messpunkt festgehalten werden sollte.
Nachdem die Bruttowerte von Spiel und Fluchtungsfehler berechnet wurden, werden diese nach dem bereits beschriebenen Verfahren korrigiert, um eventuelle Verdrehungen der Bildaufnahmevorrichtung zur idealen Ausrichtung zu kompensieren. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird bei der Berechnung zur Kompensation als Bezugspunkt, dessen Positionsänderung ausgewertet wird, der vorangehend definierte Bezugspunkt I vennrendet.
Bei Verwendung eines Messsystems gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die Spiele und Fluchtungsfehler mit einer Gesamtmessunsicherheit von 0,1 mm (bei drei σ, wobei σ der Standardabweichung entspricht) bei einem Messbereich von 0 bis 10 mm für Spiele und bei 0 bis 8 mm für Fluchtungsfehler gemessen werden.
Der vorangehend beschriebe Algorithmus ermöglicht es, sehr gute Ergebnisse zu erzielen, wenn die Messungen an einander gegenüberliegenden Falzflächen erfolgen. Dies trifft in etwa bei 80% aller Fälle in der Automobilindustrie zu. Daneben gibt es weitere Fälle, auf die Varianten des vorangehend beschriebenen Verfahrens besser abgestimmt sind.
Falls die eine der einander gegenüberliegenden Flächen eine schiefe Fläche anders als die Falzfläche ist, ist die statistische Analyse, die zum Erstellen des bei der Bestimmung des ersten Bezugspunkts I zu verwendenden Schwellwerts R_S erforderlich ist, langwierig und deren Ausführung ist nicht unbedingt wirtschaftlich. Ein weiteres Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung, mit dem es möglich ist, Werte von Spiel und Fluchtungsfehler bei einer schiefen Fläche gegenüber einer gekrümmten Fläche (bei diesem Beispiel eine Falzfläche) zu bestimmen, wird nachfolgend anhand von 11 beschrieben.
Bei dieser Verfahrensvariante werden der erste Bezugspunkt I und die erste Bezugsgerade D, gegenüber der Falzfläche in der gleichen Weise wie bei dem vorangehend beschriebenen Verfahren bestimmt. Danach erfolgt eine Berechnung, um den kürzesten Vektor d zwischen dem Punkt I der Falzfläche und der gegenüberliegenden schiefen Fläche zu bestimmen. Die Werte der Komponenten dieses Vektors d, die zueinander parallel und zur Bezugsgeraden D, der Falzfläche senkrecht verlaufen, bilden die jeweiligen Bruttowerte von Spiel und Fluchtungsfehler.
Bei Teilen, die mit einer im wesentlichen ebenen, mit einem gekrümmten Rand verbundenen Hauptfläche versehen sind, ist es vorzuziehen, die Stelle des ersten Bezugspunkts I zu bestimmen, wobei vom vorangehend anhand von 8 beschriebenen Verfahren abgewichen wird. Diese weitere Variante des Grundverfahrens wird anhand von 12 beschrieben.
Bei der in 12 dargestellten Variante wird die Hauptfläche des Bauteils mit einer Geraden D_M nachgebildet, insbesondere mit derjenigen, die durch die meistmöglichen Punkte des Profils verläuft. Der Linienabstand, d. h. der Abstand zwischen jedem Punkt und der Geraden D_M wird daraufhin analysiert, indem diese Gerade D_M zum zu messenden Spiel verlängert wird. Als erster Bezugspunkt I wird der erste Punkt bestimmt, bei dem der Linienabstand gleich oder größer einem Schwellwert R_c ist.
Der Schwellwert R_c wird groß genug gewählt, damit die Oberflächenrauheit nicht die Berechnung verfälschen kann, jedoch klein genug, um die Schnittstelle zwischen dem flachen und dem gekrümmten Bereich der Fläche darzustellen. Im Falle der gewöhnlich in der Automobilindustrie verwendeten Bleche ist dieser Wert Rc = 0,1 mm.
Nach Bestimmung dieses ersten Bezugspunkts I kann das Verfahren zum Bestimmen von Bezugslinien und -punkten nach den gleichen Schritten erfolgen, wie das vorangehend anhand von 8 bis 10 beschriebene Verfahren.
Bei den bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden Werte von Spiel und Fluchtungsfehler bestimmt, indem die oben erwähnten Bezugspunkte und -linien verwendet werden, wonach die erhaltenen Werte korrigiert werden, um eventuelle Verdrehungen der Messvorrichtung zu kompensieren, wobei diese Korrektur durch die Projektion von zwei parallelen Lichtebenen auf die zu kennzeichnenden Teile möglich ist. Diese Kombination von Mitteln ermöglicht es, gegenüber den Systemen aus dem Stand der Technik eine deutlich höhere Leistung bezüglich Auflösung und Wiederholbarkeit zu erzielen. Wenn die Ausgangswerte von Spiel und Fluchtungsfehler ausgehend vom Bild einer Überhelligkeitslinie bestimmt werden, indem eine andere Auswahl von Bezugspunkten und -linien (und/oder Bezugsebenen) getroffen wird, ermöglicht es die Verwendung von zwei parallelen Lichtebenen zum Schaffen einer zweiten Überhelligkeitslinie, eine Korrektur dieser Werte durchzuführen, um den Anwender davon zu befreien, das Messgerät gemäß einer genauen Ausrichtung positionieren zu müssen.
Die Bezugspunkte und -linien, die bei der Berechnung der Bruttowerte von Spiel und Fluchtungsfehler gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verwendet werden, werden ferner dahingehend optimiert, dass deren Verwendung selbst bei einem System mit nur einer Lichtebene und damit ohne Kompensation von eventuellen Verdrehungen der Bildaufnahmevorrichtung zu einer verbesserten Messwiederholbarkeit führt.

Claims

System zum Messen des Spiels und des Fluchtungsfehlers zwischen den Flächen von zwei einander gegenüberliegenden Bauteilen, das aufweist: – eine oder mehrere Lichtquellen (22), die zwei lamellare Lichtebenen auf die Bauteile projizieren, um zwei Überhelligkeitslinien zu erzeugen, die sich je quer zu den Rändern der beiden Bauteile erstrecken, – eine Kamera (23), die das Bild dieser beiden Überhelligkeitslinien auffängt, und – eine Datenverarbeitungseinrichtung (30), derart, dass: – das dreidimensionale Profil der Flächen entlang jeder Überhelligkeitslinie berechnet wird, – Bruttowerte des Spiels (J*) und des Fluchtungsfehlers (A*) zwischen den Flächen der beiden Bauteile ausgehend von mindestens einem dieser beiden Profile berechnet werden, und dadurch gekennzeichnet, dass: – die beiden projizierten lamellaren Ebenen parallel sind, und – die Bruttowerte des Spiels und/oder des Fluchtungsfehlers korrigiert werden, um mögliche Drehungen des Geräts zu kompensieren, indem eine Berechnung durchgeführt wird, die den Bruttowert, die Trennung (Δx) zwischen den beiden Lichtebenen und die Differenz zwischen der Position eines Bezugspunkts eines der beiden Profile und der Position des entsprechenden Bezugspunkts des anderen Profils verwendet.
System zum Messen des Spiels und des Fluchtungsfehlers zwischen zwei einander gegenüberliegenden Bauteilen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bruttowert des Fluchtungsfehlers A* gemäß der folgenden Gleichung korrigiert wird:
wobei A den korrigierten Wert des Fluchtungsfehlers, Δx die Trennung zwischen den Lichtebenen und Δz in der Projektionsrichtung (z) die Positionsdifferenz zwischen den entsprechenden Bezugspunkten der beiden Profile darstellt.
System zum Messen des Spiels und des Fluchtungsfehlers zwischen zwei einander gegenüberliegenden Bauteilen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Bruttowert J* des Spiels gemäß der folgenden Gleichung korrigiert wird:
wobei J den korrigierten Wert des Spiels, Δx die Trennung zwischen den Lichtebenen und Δy die Positionsdifferenz der entsprechenden Bezugspunkte der beiden Profile in der Richtung (y) orthogonal sowohl zur Projektionsrichtung (z) als auch zur Richtung (x) senkrecht zur Überhelligkeitsebene darstellt.
System zum Messen des Spiels und des Fluchtungsfehlers zwischen zwei einander gegenüberliegenden Bauteilen nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass es für mindestens eines der Profile in dem eines der beiden einander gegenüberliegenden Bauteile darstellenden Profilbereich die Bestimmung eines ersten Bezugspunkts (I) enthält, in dem der Krümmungsradius des Profils einen vorbestimmten Schwellwert (R_S) annimmt.
System zum Messen des Spiels und des Fluchtungsfehlers zwischen zwei einander gegenüberliegenden Bauteilen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der vorbestimmte Schwellwert (R_S) in Abhängigkeit von den Ergebnissen einer statistischen Analyse der Bauteile ausgewählt wird, an denen die Messung durchgeführt wird, damit ein Wert vorliegt, der ausreichend hoch ist, um diese Krümmungsänderung erfassen zu können, aber niedrig genug ist, um das Messrau schen auf einen Pegel zu begrenzen, der der Wiederholbarkeit der Messung nicht schadet.
System zum Messen des Spiels und des Fluchtungsfehlers zwischen zwei einander gegenüberliegenden Bauteilen nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass es ausgehend von dem Profil für jedes der einander gegenüberliegenden Bauteile die folgende Bestimmung einer ersten Bezugslinie (D_I, D_I') enthält: a) in dem das Bauteil darstellenden Profilbereich wird der erste Bezugspunkt (I) festgelegt; b) es wird ein erster Konstruktionspunkt (P_I) festgelegt, der den Schnittpunkt des Profilbereichs mit dem Umfang eines Kreises mit dem Radius R_I darstellt, dessen Mitte der erste Bezugspunkt (I) ist; c) es wird ein zweiter Konstruktionspunkt (P₂) festgelegt, der den Schnittpunkt des Profilbereichs mit dem Umfang eines Kreises mit dem Radius R₂ darstellt, dessen Mitte der erste Konstruktionspunkt (P₁) ist; und d) als erste Bezugslinie (D_I) wird die Gerade bestimmt, die durch die beiden Konstruktionspunkte (P1, P2) verläuft.
System zum Messen des Spiels und des Fluchtungsfehlers zwischen zwei einander gegenüberliegenden Bauteilen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Bruttowert des Fluchtungsfehlers (A *) ausgehend von dem Profil durch Berechnen des Abstands zwischen den beiden ersten Bezugslinien (D_I, D_I') bewertet wird, die je gegenüber den beiden einander gegenüberliegenden Bauteilen bestimmt werden.
System zum Messen des Spiels und des Fluchtungsfehlers zwischen zwei einander gegenüberliegenden Bauteilen nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Bruttowert des Spiels (J*) ausgehend von einem der Profile durch Berechnen des Abstands zwischen zwei zweiten Bezugspunkten (K), die je in bezug auf eines der einander gegenüberliegenden Bauteile bestimmt werden, bewertet wird, wobei für jedes der Bauteile der zweite Bezugspunkt (K) wie folgt festgelegt wird: a) in dem das Bauteil darstellenden Profilbereich wird eine verschobene Bezugslinie (D_K) festgelegt, die im wesentlichen parallel zur ersten Bezugslinie (D_I) liegt, die gegenüber diesem Bauteil bestimmt wurde, und die zur ersten Bezugslinie in Richtung zum Inneren des Bauteils einen Abstand (R_P) aufweist, und b) als zweiter Bezugspunkt (K) wird der Schnittpunkt des Profils mit der verschobenen Bezugslinie (D_K) bestimmt.
System zum Messen des Spiels und des Fluchtungsfehlers zwischen zwei einander gegenüberliegenden Bauteilen nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (R_P) so gewählt wird, dass der zweite Bezugspunkt (K) dem größten Krümmungsradius der betroffenen Fläche entspricht.
System zum Messen des Spiels und des Fluchtungsfehlers zwischen zwei einander gegenüberliegenden Bauteilen nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Fall, in dem der zweite Bezugspunkt (K), der auf der Basis des Verfahrens erstellt wurde, einem Profilbereich entspricht, für den die Bilddaten nicht verfügbar sind, die Position des zweiten Bezugspunkts (K) berechnet wird, indem ausgehend von den verfügbaren Bilddaten ein Modell durch ein Polynom des zu wählenden Grads n gebildet wird.
System zum Messen des Spiels und des Fluchtungsfehlers zwischen zwei einander gegenüberliegenden Bauteilen nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Bruttowert des Spiels (J*) ausgehend von einem der Profile folgendermaßen bewertet wird: a) als zweite Bezugsgerade gegenüber einem ersten der Bauteile wird eine Gerade (D_B) bestimmt, die durch den zweiten Bezugspunkt (K), der für dieses erste Bauteil bestimmt wurde, und senkrecht zur ersten Bezugsgeraden (D_I) des ersten Bauteils verläuft; b) als dritte Bezugsgerade gegenüber dem anderen Bauteil wird eine Gerade (D_B') bestimmt, die durch den zweiten Bezugspunkt (K'), der für dieses andere Bauteil bestimmt wurde, und senkrecht zur ersten Bezugsgeraden (D_I) verläuft, die für das erste Bauteil bestimmt wurde; und c) als Bruttowert (J*) des Spiels wird der Abstand zwischen der ersten und der dritten Bezugsgeraden (D_B, D_B') berechnet.
System zum Messen des Spiels und des Fluchtungsfehlers zwischen zwei einander gegenüberliegenden Bauteilen nach Anspruch 8, 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Bruttowert des Fluchtungsfehlers (A*) ausgehend von einem der Profile wie folgt bewertet wird: a) als zweite Bezugsgerade gegenüber einem ersten der Bauteile bestimmt man eine Gerade (D_B), die durch den zweiten Bezugspunkt (K), der für dieses erste Bauteil bezeichnet ist, und senkrecht zur ersten Bezugsgeraden (D_I) des ersten Bauteils verläuft; b) man bestimmt den Schnittpunkt (L) dieser zweiten Bezugsgeraden (D_B), die für das erste Bauteil bestimmt wurde, mit der ersten Bezugslinie (D_I), die für dieses erste Bauteil bestimmt wurde, und c) man berechnet als Bruttowert des Fluchtungsfehlers (A*) den Mindestabstand zwischen dem Schnittpunkt (L) und der ersten Bezugsgeraden (D_I'), die für das andere, gegenüberliegende Bauteil bestimmt wurde.
System zum Messen des Spiels und des Fluchtungsfehlers zwischen zwei einander gegenüberliegenden Bauteilen nach einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturrechnung der Bruttowerte des Spiels und des Fluchtungsfehlers als Bezugspunkt, dessen Positionsänderung bewertet wird, den ersten Bezugspunkt (I) verwendet, der gegenüber einem der einander gegenüberliegenden Bauteile bestimmt wurde.
System zum Messen des Spiels und des Fluchtungsfehlers zwischen zwei einander gegenüberliegenden Bauteilen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass die beiden Lichtebenen ausgehend von einer monochromatischen Lichtquelle, oder auch monochromatischen Lichtquellen, erzeugt werden, die eine Wellenlänge λ aufweisen, und dass das von der Kamera empfangene Licht gefiltert wird, um die Wellenlängen zu eliminieren, die von der Wellenlänge λ entfernt sind.