ES2200235T3 - Instalacion para el registro metrotecnico tridimensional de la posicion de puntos de la superficie de un objeto a medir. - Google Patents

Instalacion para el registro metrotecnico tridimensional de la posicion de puntos de la superficie de un objeto a medir.

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Abstract

LA INVENCION TRATA DE UN PROCEDIMIENTO PARA REGISTRAR MEDIANTE TECNICA DE MEDICION LA POSICION TRIDIMENSIONAL ESPACIAL DE UNOS PUNTOS SUPERFICIALES DE UN OBJETO A MEDIR (OBJETO DE MEDICION) EN UN SISTEMA ON LINE FOTOGRAMETRICO, MARCANDOSE MECANICAMENTE CON EL PUNTERO DE UN PULSADOR UN PUNTO SUPERFICIAL A MEDIR (OBJETO DE MEDICION), REGISTRANDOSE DESPUES LA POSICION TRIDIMENSIONAL ESPACIAL DEL PUNTERO EN EL MOMENTO DE LA MARCACION CON RESPECTO A UN SISTEMA DE REFERENCIA MEDIANTE AL MENOS UNA CAMARA ELECTRONICA Y RETENIENDOSE EN FORMA DE DATOS LAS COORDENADAS ESPACIALES TRIDIMENSIONALES OBTENIDAS. PARA PODER REGISTRAR GRANDES VOLUMENES DE MEDICION CON UNOS PROCESOS DE CALCULO SENCILLOS, SE PROPONE UTILIZADOR, SEGUN LA INVENCION, UN PULSADOR CON EL QUE ESTE FIRMEMENTE UNIDA AL MENOS UNA CAMARA ELECTRONICA, ESTANDO ORIENTADA AL MENOS UNA DE LAS CAMARAS A DISTANCIA CON RESPECTO AL OBJETO DE MEDICION SOBRE UNA SUPERFICIE TARGET QUE CUBRE TOTAL O PARCIALMENTE EL VOLUMEN DE MEDICION Y QUE MUESTRA EN SU POSICION ESPACIAL UNOS CONOCIDOS PUNTOS DE REFERENCIA QUE SE DISTRIBUYEN DURANTE LA MEDICION DE FORMA INVARIANTE Y SUPERFICIAL DENTRO DE UN MARCO LO MAS PRECISO POSIBLE, FORMANDO EL SISTEMA DE REFERENCIA.

Description

Instalación para el registro metrotécnico tridimensional de la posición de puntos de la superficie de un objeto a medir.

La invención se refiere a una instalación para el registro metrotécnico tridimensional de la posición de puntos de la superficie de un objeto a medir (objeto de medida) en un sistema on-line fotogramétrico.

En un sistema off-line fotogramétrico, se hacen tomas del objeto de medida por parte de un usuario que sostiene la cámara libremente desde direcciones distintas. Para ello, han de señalizarse previamente los puntos de medida físicamente sobre la superficie. En una etapa posterior de evaluación se calculan para estos puntos de medida señalizados las coordenadas tridimensionales.

El sistema off-line fotogramétrico tiene el inconveniente de que los puntos de medida han de estar señalizados físicamente. Esto exige un considerable coste en tiempo. Además es un inconveniente que de las coordenadas en 3D de los puntos de medida sólo se dispone bastante posteriormente a la toma que se hace del objeto de medida. Esto viene condicionado porque han de tomarse imágenes que sólo posteriormente pueden ser tratadas en el ordenador.

Para la determinación de las coordenadas en sólo un plano o en sólo una dirección, la DE 195 14 815 A1 da a conocer un equipo de medida de coordenadas con una cabeza de medida desplazable en un carro sobre una unidad de guía a lo largo de una regla graduada y con un palpador para medir una pieza. El palpador está fijado a un cuerpo basculante, que puede bascular alrededor de un punto de giro y que está dispuesto sobre un carro que puede desplazarse sobre la unidad de guía. En el cuerpo basculante, a ambos lados del punto de giro, están dispuestas cabezas de medida asociadas a la regla graduada, a cierta distancia de la regla graduada y del punto de giro, de tal manera que al medir el cuerpo basculante se desplaza en paralelo a la regla graduada, captándose y evaluándose, para un posicionado a grandes rasgos, una coordenada como dimensión en la dirección longitudinal de la regla graduada. Tras colocar el palpador sobre la superficie de la pieza, bascula el cuerpo basculante alrededor de su punto de giro. Para un posicionado fino se capta y se evalúa una coordenada en ángulo recto respecto a la superficie de la regla graduada como medida de la distancia entre las cabezas de medida y la regla graduada. Las cabezas de medida están configuradas entonces como cámaras de medida, en las que se proyectan marcas definidas de la regla graduada con ayuda de un sistema óptico sobre un plano de imagen formado por una línea CCD. A partir de las señales de medida se determinan la posición y la altura del centro de proyección de las cabezas de medida con ayuda de un ordenador.

La US 5,440,392 da a conocer un sistema fotogramétrico online, en el que se explora mecánicamente un punto de la superficie (punto de medida) a medir en cada caso con la punta de un palpador mecánico, se calcula a continuación la posición espacial en 3D de la punta del palpador con el instante de palpación con respecto a un sistema de referencia utilizando al menos una cámara electrónica y se fijan en cuanto a datos las coordenadas espaciales en 3D calculadas. Para ello hoy día deben instalarse fijamente, por lo general, sobre un trípode o un dispositivo similar, al menos dos cámaras, que observan el objeto a medir. Los puntos de medida que se encuentran sobre este objeto a medir son explorados por un usuario con un palpador mecánico sobre el que se encuentran marcas de medida. Las coordenadas de estas marcas de medida se calculan automáticamente y con ello también la posición de la punta de medida y con ello las coordenadas del punto de medida.

El inconveniente esencial de este sistema on-line consiste en que las cámaras han de estar configuradas tal que sean estables en cuanto a lugar a lo largo del todo el tiempo y en que las cámaras sólo permiten un volumen de medida limitado, precisamente sólo en la zona que es cubierta por al menos dos cámaras. Según el estado actual de la técnica, esta zona es de una magnitud sólo de aprox. 1 m^{2}, si han de lograrse precisiones en la gama de menos de 1/10 mm. Puesto que este volumen de medida en la práctica a menudo no es suficiente, han de desplazarse las cámaras de posición, para por ejemplo poder captar una zona de medida volumétrica adicional con un objeto de medida formado por ejemplo por un vehículo. Este traslado de las cámaras precisa no obstante en cada caso un nuevo calibrado completo del sistema y con ello es especialmente costoso en tiempo.

La US 4,753,569 da a conocer una instalación para calibrar robots industriales. Se trata allí del ajuste de la posición espacial del programa de movimiento dentro del volumen de trabajo del robot industrial en relación a un punto de referencia absolutamente predeterminado espacialmente o a un sistema de referencia (también llamado "puesta a cero"). El punto de referencia del programa de movimiento del robot industrial es un punto virtual al final del trabajo del brazo del robot; este punto virtual se calcula y dado el caso se corrige. En un ejemplo de ejecución, en la articulación de la mano del brazo de robot están dispuestas fijamente dos cámaras, cuyos ejes ópticos están orientados al tool-center-point de la articulación de la mano. Las cámaras están dotadas de una batería de fotodiodos como órganos sensibles a la luz. Se prevén varios cuadros alumbrados por una lámpara y que pueden ser captados por las cámaras, que presentan en cada caso cuatro puntos de orientación detectables ópticamente con claridad, cuyas posiciones absoluta y relativa entre sí son conocidas. Los cuadros de orientación se encuentran en un plano horizontal y/o planos verticales.

La EP-A-0 144 546 da a conocer una máquina de medida multicoordenada con captación interferométrica de la trayectoria de desplazamiento en los ejes de medida. Para cada eje de medida se prevé al menos una cabeza de interferómetro, compuesta por divisor de rayos, espejo de referencia y detector fotoeléctrico. Las cabezas del interferómetro se alimentan a través de fibras monomodo de una única caja fija de generador de láser.

La invención tiene como tarea básica mejorar la instalación descrita al principio de tal manera que, conservándose la precisión de medida, puedan medirse también grandes volúmenes de medida con un coste de medida bajo.

Esta tarea se resuelve mediante una instalación con las particularidades de la reivindicación 1.

Con las soluciones correspondientes a la invención pueden captarse en definitiva volúmenes de medida de cualquier magnitud conservándose la precisión de medida. El volumen de medida ya no está limitado por la posición y la dirección de toma de las cámaras, sino por el volumen abarcado por el techo del objetivo. Este techo del objetivo puede también ser una nave de producción completa equipada con puntos de referencia, de manera que en cualquier lugar dentro de esta nave de producción puedan determinarse las coordenadas 3D con la instalación correspondiente a la invención.

En todas las soluciones sólo es necesaria la determinación de los puntos de referencia una vez, al colocar o preparar el sistema. Al respecto, es esencial el hecho de que los puntos de referencia conocidos en su posición espacial permanezcan invariables durante la medición dentro de la precisión de medida. Además, los puntos de referencia han de ser obtenidos de tal manera que con su reconocimiento y a pesar de su extensión superficial sobre la superficie del objetivo cada punto de referencia pueda llevar asociado claramente un punto de posición con la precisión de medida deseada.

Por todo ello, el palpador de medida correspondiente a la invención ofrece frente a los procedimientos conocidos hasta ahora una alternativa económica, dado que la precisión alcanzable en el marco de la invención no se alcanza sólo debido a elevadas resoluciones de los sensores, sino que también puede realizarse ya con cámaras CCD estándar.

La medición superficial puede realizarse con la instalación correspondiente a la invención básicamente con una sola cámara. No obstante, el palpador está equipado, ventajosamente, con tres cámaras electrónicas, que están dispuestas decaladas perimetralmente en relación a una línea perimetral alrededor del eje del palpador, abarcando el eje óptico de cada cámara con el eje del palpador un ángulo agudo de en cada caso, ventajosamente 25º.

Una calibrado continuo durante la medición presupone el reconocimiento de tres puntos de referencia en cada cámara. Si no fuese necesario un tal calibrado durante una medición en marcha debido a una estructura del palpador de medida suficientemente rígida, entonces es suficiente el reconocimiento de dos puntos de referencia por cada cámara. El calibrado podría entonces realizarse una vez al día o bien antes de cada tarea de medida en una estación de calibrado separada.

La punta del palpador está alojada en el palpador de manera que es sustituible, ventajosamente. De esta manera pueden utilizarse puntas de palpador de diferente longitud, dado el caso con forma diferente. Puntas del palpador acodadas son convenientes cuando los puntos de medida no son directamente accesibles.

Otras particularidades de la invención son objeto de las reivindicaciones secundarias y se describirán más en detalle junto con otras ventajas de la invención en base a un ejemplo de ejecución.

En el esquema se representa esquemáticamente una forma constructiva de la invención que sirve como ejemplo. Se muestra en:

figura 1 una instalación para el registro metrotécnico de la posición de puntos de la superficie de un objeto de medida y

figura 2 a escala ampliada el palpador dibujado en la figura 1.

La instalación representada esquemáticamente en la figura 1 para el registro metrotécnico de la posición espacial de puntos de la superficie de un objeto de medida 1 presenta como sistema de referencia una superficie objetivo 2, que está configurada como techo del objetivo que abarca el volumen de medida y que presenta un punto de referencia 3 medido con elevada precisión.

La instalación incluye además un palpador 4 que en su zona extrema superior está equipado con tres cámaras electrónicas 5 (ver en particular la figura 2), que están conectadas directa o indirectamente a un computador 6. El palpador 4 está equipado en su extremo inferior con una punta de palpador 7 sustituible. Las tres cámaras electrónicas 5 están dispuestas decaladas perimetralmente con referencia a una línea perimetral alrededor del eje del palpador 8, abarcando el eje óptico 9 de cada cámara 5 con el eje del palpador 8 un ángulo agudo \alpha, que ventajosamente es de unos 25º.

Con la punta de palpador 7 se palpan mecánicamente los puntos de la superficie a medir del objeto de medida 1. Las cámaras 5 fijadas rígidamente al palpador 4 están orientadas a la superficie del objetivo 2 y con ello a sus puntos de referencia 3 y sirven para calcular la posición espacial de la punta de palpador 7 en el instante de palpación con respecto a este sistema de referencia 2, 3. El computador 6 evalúa las imágenes que se le transmiten desde las cámaras 5 y calcula con ayuda del correspondiente programa de cálculo las coordenadas en 3D de la punta de palpador 7 y con ello las del correspondiente punto de medida.

Cada cámara electrónica 5 está dotada de un chip CCD plano, que presenta un tamaño mínimo de 512 x 512 píxel, pero que también puede presentar cualquier tamaño intermedio hasta el tamaño máximo disponible hoy día de 4000 x 4000 píxel.

Claims (6)

1. Instalación para el registro metrotécnico tridimensional de la posición de puntos de la superficie de un objeto a medir (objeto de medida) en un sistema on-line fotogramétrico, con un palpador (4) para la exploración mecánica de un punto de la superficie (punto de medida) a medir en cada caso con una punta de palpador (7), con al menos una cámara electrónica (5) para calcular la posición espacial en 3D de la punta de palpador (7) en el instante de exploración con respecto a un sistema de referencia (2, 3) y con un computador (6) conectado a la cámara electrónica (5), de las que al menos existe una, para la evaluación automática de las imágenes transmitidas por la cámara (5), de las que al menos existe una, y para calcular las coordenadas espaciales en 3D de la punta de palpador (7) con ayuda del correspondiente programa de cálculo,
estando unida la cámara electrónica (5), de las que al menos existe una, de manera rígida con el palpador (4), abarcando entre su eje óptico (9) y el eje del palpador (8) un ángulo agudo (\alpha) y estando orientada a la superficie del objetivo (2),
siendo el sistema de referencia un techo del objetivo (2) posicionado fijamente, que cubre completamente el volumen de medida a distancia del objeto de medida (1) y que presenta varios puntos de referencia (3) conocidos en su posición espacial, diferenciables ópticamente y distribuidos en la superficie, que están dispuestos sobre el techo del objetivo (2) tan próximamente que una cámara (5), de las que al menos existe una, capta simultáneamente tres puntos de referencia (3).
2. Instalación según la reivindicación 1,
caracterizada porque el palpador (4) está equipado con tres cámaras electrónicas (5) que, referidas a una línea perimetral alrededor del eje del palpador (8), están dispuestas decaladas perimetralmente, abarcando el eje óptico (9) de cada cámara (5) con el eje del palpador (8) un ángulo agudo (\alpha).
3. Instalación según la reivindicación 2,
caracterizada porque el ángulo agudo (\alpha) es en cada caso de 25º.
4. Instalación según la reivindicación 1, 2 ó 3,
caracterizada porque la cámara electrónica (5), de las que al menos existe una, está dotada de un chip CCD plano, con un tamaño mínimo de 512 x 512 píxel.
5. Instalación según una de las reivindicaciones precedentes,
caracterizada porque el palpador (4) puede equiparse con puntas de palpador (7) intercambiables de diferente forma y/o longitud.
6. Instalación según una de las reivindicaciones precedentes,
caracterizada porque cuando se utilizan tres cámaras CCD (5), al menos una de estas cámaras (5) abarca simultáneamente tres puntos de referencia (3), mientras que las otras dos cámaras (5) en cualquier posición abarcan a la vez al menos dos, pero preferentemente tres puntos de referencia (3).
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