ES2235478T3 - Procedimiento y disposicion para detectar la geometria de objetos mediante un dipositivo de medicion por coordenadas. - Google Patents

Abstract

Procedimiento para la medición de la geometría de objetos mediante un dispositivo de medición por coordenadas con un sistema óptico (10) para la detección y representación de al menos una mancha luminosa, un punto luminoso, una transición de contraste y/o un canto cuya posición es determinada por la geometría en al menos un detector (30), cuyas señales de salida son valoradas, pudiendo ajustarse con el sistema óptico una escala de representación seleccionable y una distancia seleccionable del objeto en cuestión, caracterizado porque el sistema óptico (10) incluye un sistema de lentes con distancia focal regulable (18), cuyos grupos de lentes (20, 22) son desplazados de forma independiente en cada caso, mediante accionamiento por motor, a posiciones para la escala de representación y la distancia del objeto.

Description

Procedimiento y disposición para detectar la geometría de objetos mediante un dispositivo de medición por coordenadas.

La invención se refiere a un procedimiento y a una disposición para la medición de la geometría de objetos mediante un dispositivo de medición por coordenadas con un sistema óptico para detectar y representar al menos una mancha luminosa, un punto luminoso, una transición de contraste o un canto, cuya posición se determina por la geometría, en al menos un detector, cuyas señales de salida son valoradas, pudiendo ajustarse con el sistema óptico una escala de representación seleccionable y una distancia seleccionable del objeto en cuestión.

Se conocen un procedimiento y una disposición del tipo descrito anteriormente (R.-J. Ahlers, W. Rauh: "Koordinatenmesstechnik mit Bildverarbeitung" en: VDI-Z 131 (1989) Nº 11, páginas 12 - 16). El dispositivo de medición por coordenadas conocido tiene un sistema de lentes especial con una trayectoria de los rayos telecéntrica. El sistema de lentes presenta, además, una estructura tal que un cambio del aumento no conlleva una variación de la distancia del objeto. Para mediciones de altura, en el dispositivo de medición por coordenadas conocido está previsto un dispositivo de enfoque automático que funciona como indicador del cero y requiere un movimiento mecánico adicional en la tercera dimensión.

También es conocido un dispositivo de control para objetivos con una distancia focal variable, en los que un grupo de lentes frontales, un primer elemento desplazable para la variación de la distancia focal y un segundo elemento desplazable para mantener constante el emplazamiento de la imagen están conectados en cada caso con sistemas de accionamiento para el desplazamiento axial. El control contiene un circuito de compuerta, con el que pueden inmovilizarse los elementos ópticos móviles en cualquier lugar independientemente de las condiciones de entrada (documento DE 26 11 639 C3).

A partir del documento DE 196 39 780 A1 se conoce un dispositivo de medición por coordenadas con el que se realizan tanto mediciones táctiles como ópticas para detectar estructuras de objetos. Aquí puede realizarse un enfoque automático del sistema óptico mediante una cámara. A partir del documento US 5.035.503 se conoce un dispositivo de medición por coordenadas con un sistema de lentes de distancia focal regulable que se usa para la detección y corrección de errores de desplazamiento de un dispositivo clásico de medición por coordenadas. El propio sistema de lentes no se usa para la medición directa de los objetos.

Finalmente se conoce un dispositivo para la medición de estructuras geométricas con un sistema de fotogrametría y un vástago palpador formado por un vástago flexoelástico y un elemento palpador unido con el vástago, de modo que durante la medición este elemento palpador se pone en contacto con el objeto a medir. En el vástago están fijadas marcas objetivo, por ejemplo, bolas, detectándose la posición de éstas respecto al sistema palpador de referencia del sistema de fotogrametría. La posición del elemento palpador se mide a partir de las posiciones de las marcas objetivo que irradian luz (documento DE 297 10 242 U1).

A partir del documento US 5.523.583 se conoce un dispositivo de medición de video con lentes ajustables para ajustar al mismo tiempo la escala de representación de la imagen y la distancia de trabajo.

La invención se basa en el problema de proporcionar un procedimiento adecuado para un amplio campo de aplicación y una disposición adecuada para el uso en un amplio campo de aplicación para la medición de la geometría de objetos con un sistema óptico que detecte con poco esfuerzo luz generada en función de la geometría y que la represente en al menos un detector, además de permitir altas resoluciones en una gran área de medición.

El problema se soluciona, según la invención, en el caso de un procedimiento del tipo descrito al principio fundamentalmente porque el sistema óptico incluye un sistema de lentes con distancia focal regulable, cuyos grupos de lentes son desplazados de forma independiente en cada caso, mediante accionamiento por motor a posiciones para la escala de representación de la imagen y para la distancia del objeto. Este procedimiento es adecuado para la medición exacta de geometrías que pueden presentar grandes diferencias en el desarrollo del perfil.

En una forma de realización especialmente adecuada, la luz dependiente de la topografía es generada por un elemento palpador que se pone en contacto con el objeto y cuya posición es determinada directamente o indirectamente mediante el sistema óptico con ayuda de al menos una marca objetivo. Esta forma de realización permite la elección entre un procedimiento óptico, es decir, que trabaja sin contacto, y un procedimiento que trabaja con palpación mecánica, es decir, un procedimiento óptico-mecánico. La elección depende del tipo de la geometría a medir en cada caso, de las propiedades del material, de la escala de representación de la imagen deseada, de la profundidad deseada del foco y de la distancia de medición o de trabajo deseada.

Al medir la geometría del objeto con ayuda del elemento palpador, es conveniente ajustar la distancia de trabajo del sistema óptico con el sistema de lentes con distancia focal regulable de tal forma que el plano del objeto o de medición esté en el centro del elemento palpador.

Al medir la topografía de la superficie sin elemento palpador, es decir, solamente de forma óptica, es preferible ajustar la distancia de trabajo del sistema óptico con el sistema de lentes con distancia focal regulable de tal forma que el plano del objeto o de medición esté delante del elemento palpador. En este caso, el elemento palpador está fuera de la profundidad del foco del sistema óptico y no es visible.

Como alternativa, con el sistema de lentes con distancia focal regulable es posible ajustar el plano del objeto y de medición en el espacio del lado del elemento palpador orientado hacia el objeto.

En particular, la posición del elemento palpador y/o de la como mínimo una marca objetivo se determina mediante radiación reflectante y/o por radiación emitida por este elemento palpador o que lo oscurece y/o que es irradiada por el elemento palpador.

Es conveniente medir mediante el sistema óptico la desviación del elemento palpador provocada por el contacto con el objeto. La desviación puede detectarse mediante el desplazamiento de la representación de la imagen del elemento palpador en el detector. También es posible determinar la desviación del elemento palpador por valoración de la función de contraste de la representación de la imagen mediante un sistema de tratamiento de imágenes. La desviación también puede determinarse a partir de una variación del tamaño de la representación de la imagen de la como mínimo una marca objetivo, que se basa en la relación de la óptica geométrica entre objeto-distancia y aumento. Además, la desviación del elemento palpador puede determinarse mediante la aparente variación del tamaño de la representación de la marca objetivo debido a la pérdida de contraste por desenfoque.

En una disposición para la medición de la geometría de objetos mediante un dispositivo de medición por coordenadas con un sistema óptico para la detección y representación de al menos una mancha luminosa, un punto luminoso, una transición de contraste o un canto, cuya posición es determinada por la topografía de superficie, en al menos un detector cuyas señales de salida pueden ser valoradas, estando realizado el sistema óptico para el ajuste de una escala de representación seleccionable y una distancia seleccionable del objeto en cuestión, el problema se soluciona según la invención fundamentalmente porque el sistema óptico presenta un sistema de lentes con distancia focal regulable que contiene al menos dos grupos de lentes que pueden desplazarse axialmente de forma independiente mediante un accionamiento por motor, respectivamente. Con los grupos de lentes o paquetes de lentes se varía o ajusta la escala de representación de la imagen y/o la distancia de trabajo y/o la profundidad del foco.

En un perfeccionamiento ventajoso de la disposición está previsto delante del sistema óptico un elemento palpador y/o al menos una marca objetivo asignada a éste para detectar de forma óptica la posición. Gracias a la disposición del elemento palpador o de la como mínimo una marca objetivo, la disposición de medición según la invención puede trabajar en dos modos de funcionamiento diferentes. En un modo de funcionamiento, la geometría se mide sin contacto con el objeto. En el otro modo de funcionamiento, la geometría se mide indirectamente mediante la palpación y la desviación del elemento palpador. En la medición sin elemento palpador, el sistema de lentes con distancia focal regulable o sistema de lentes de foco variable se ajusta de tal forma que el plano del objeto o de medición se encuentre delante del lado del elemento palpador orientado hacia el sistema óptico, es decir, el elemento palpador está fuera de la profundidad de foco del sistema óptico. El elemento palpador es "invisible". Si se usa la desviación del elemento palpador para la medición, entonces el plano del objeto se coloca en el centro del elemento palpador mediante el sistema de lentes con distancia focal regulable.

El elemento palpador está dispuesto preferiblemente en el extremo de un pasador palpador flexoelástico de fibra de vidrio o de un conductor de luz. El vástago palpador de fibra de vidrio puede estar configurado en el extremo de forma esférica. También es posible dotar al vástago palpador de fibra de vidrio con al menos una marca objetivo. Por medio del conductor de luz se alimenta luz al extremo del vástago o a la o las marcas objetivo, siendo irradiada dicha luz por el extremo o por las marcas objetivo.

No obstante, también es posible realizar el elemento palpador o la marca objetivo como reflector en o sobre un vástago.

El vástago o el vástago de fibra de vidrio están preferiblemente curvados en forma de L, estando dispuesto el tramo adyacente al extremo de palpación a lo largo del eje óptico del sistema óptico.

Gracias a los dos modos de funcionamiento posibles, se amplía el campo de aplicación de la disposición de medición según la invención. El tipo de medición puede adaptarse a la estructura de la superficie del objeto en cuestión. Por consiguiente, la disposición de medición es adecuada como comprobador de la rugosidad, la forma o la ondulación con un amplio campo de aplicación, incluso para contornos difíciles. Pueden medirse estructuras superficiales de material duro y blando, como goma o plástico.

A este respecto, para el ajuste definido de la fuerza de palpación del elemento palpador, la varilla o vástago flexoelástico puede estar alojado, dado el caso de forma móvil, por una guía rígida o fundamentalmente rígida que sobresale de la varilla o vástago una longitud flexible deseada que presenta el elemento palpador o una marca objetivo asignada a éste.

Otros detalles, ventajas y características de la invención no solamente resultan de las reivindicaciones, de las características que se desprenden de éstas, por sí mismas y/o en combinación, sino también de la descripción expuesta a continuación de un ejemplo de realización preferido mostrado en un dibujo.

En el dibujo se muestra de forma esquemática una disposición de un dispositivo de medición por coordenadas para la detección de la geometría de objetos o cosas. La disposición incluye un sistema óptico 10, que presenta un objetivo básico 14 dispuesto detrás de un diafragma 12 y una lente fija 16 dispuesta delante del diafragma 12. Un sistema de lentes con distancia focal regulable o sistema de lentes de foco variable 18 forma el adaptador delante del objetivo básico 14. El sistema de lentes con distancia focal regulable 18 incluye un primer grupo de lentes 20 o un primer paquete de lentes y un segundo grupo de lentes 22 o un segundo paquete de lentes. Los dos grupos de lentes 20, 22 pueden ajustarse mediante accionamiento por motor de forma independiente uno de otro en sus posiciones axiales a lo largo de un eje óptico 24 del sistema óptico 10. En el dibujo, la posibilidad de ajuste se muestra de forma esquemática mediante un accionamiento por motor 26 conectado con el grupo de lentes 20 y un accionamiento por motor 28 conectado con el grupo de lentes 22. En un plano de representación detrás del objetivo básico 14, que está dispuesto fuera del sistema óptico 10 desplazable a lo largo del eje 24, se encuentra un detector 30, en particular un detector fotoeléctrico, al que se alimentan los rayos que salen del objetivo básico 14 a través de un espejo de desviación 29 y que está conectado en el lado de salida con una unidad de valoración 32, con la que se tratan y procesan las señales de salida del detector 30. La unidad de valoración 32 incluye en particular un ordenador. El detector 30 es, por ejemplo, una cámara.

Delante del sistema óptico 10 está dispuesto separado un elemento palpador 34 que está dispuesto en el extremo de un vástago palpador 36. El vástago palpador 36 está curvado o acodado en forma de L. El tramo del vástago palpador unido con el elemento palpador 34 delante de la curvatura está dispuesto a lo largo del eje óptico 24, que pasa también por el elemento palpador 34. En el vástago palpador 36 puede estar dispuesta al menos una marca objetivo, no mostrada en el dibujo. El espejo de desviación 29 es semitransparente.

El elemento palpador 34 y/o la marca objetivo pueden estar realizados como un cuerpo que irradia o refleja una radiación de forma tridimensional, en particular como bola o cilindro.

El vástago palpador 36 es flexoelástico, al menos en el tramo adyacente al elemento palpador 34. Un tramo 38 acodado en ángulo recto respecto al eje óptico 24 está dispuesto en su extremo en un manguito 40 que está fijado en un soporte 42. El soporte 42 puede estar conectado con un mecanismo de accionamiento desplazable en cinco grados de libertad. El soporte 42 y el sistema óptico 10 pueden estar conectados entre sí o formar una unidad rígida. El manguito 40 está realizado de forma rígida o fundamentalmente rígida, de modo que el extremo libre que sobresale del manguito 40 del vástago palpador 36 flexoelástico puede doblarse de forma definida, por lo que puede definirse una fuerza de palpación deseada del elemento palpador 34. El vástago o la varilla palpadora 36 pueden estar alojados fijamente en la guía o en el manguito 40 o pueden estar realizados de forma desplazable respecto a éstos, para poder definir la longitud flexible, es decir, el tramo que sobresale del manguito 40.

El vástago palpador 36 está realizado preferiblemente como conductor de luz o conductor de fibra óptica, cuyo extremo dispuesto en el soporte 42 es iluminado por una fuente luminosa 46 por medio de un sistema de lentes 44. El conductor de luz está envuelto por un manguito 48 impermeable a la luz hasta el tramo adyacente al elemento palpador 34 transparente.

Con la disposición mostrada en el dibujo pueden medirse superficies de objetos según dos procedimientos diferentes, es decir, uno sin contacto o uno mecánico/óptico. En el procedimiento sin contacto, de palpación óptica, el sistema de lentes con distancia focal regulable 18 se ajusta de tal forma que la distancia de trabajo 50 esté dispuesta delante del elemento palpador 34. Los grupos de lentes 20 y 22 se encuentran en las posiciones mostradas en el dibujo con líneas continuas. El elemento palpador 34 está dispuesto en este ajuste fuera de la profundidad de foco del sistema óptico 10. Esto significa que no es visible, por tanto, no es representado. Con la palpación sin contacto pueden medirse, por ejemplo, las superficies de material elástico o incluso blando.

En el procedimiento mecánico/óptico, se mide la posición del elemento palpador 34 que se pone en contacto mecánico con la superficie del objeto. Previamente, el sistema de lentes con distancia focal regulable 18 se ajusta de tal forma que el plano del objeto o de medición 52 se encuentre en el centro del elemento palpador 34, la denominada "bola palpadora". Por consiguiente, se mide la posición del elemento palpador 34 o de una marca objetivo no mostrada. Las deformaciones del vástago palpador 36 no influyen en la medición.

Las desviaciones en la dirección perpendicular respecto al eje del sensor y de la cámara pueden determinarse directamente mediante el desplazamiento de la imagen en un campo de sensor 54 dispuesto después del espejo de desviación 29 semitransparente, en particular, una cámara electrónica. La valoración de la imagen puede realizarse con un tratamiento de imágenes instalado en la unidad de valoración 32 de un dispositivo de medición por coordenadas. Por lo tanto, se realiza un sistema palpador que trabaja en dos dimensiones y que puede acoplarse de forma muy sencilla a una unidad de valoración óptica.

Para la detección de la desviación en la dirección del eje óptico del sensor y de la cámara se proporcionan varias posibilidades, entre otras, las siguientes:

1.

La desviación del elemento palpador 34 en la dirección del eje del sensor 24 (eje de la cámara) se mide mediante el detector 30; un sistema de enfoque como ya se conoce en la técnica de medición óptica por coordenadas en el enfoque de la superficie de la pieza. Aquí se valora la función de contraste de la imagen en la cámara electrónica.

2.

La desviación del elemento palpador en la dirección del eje del sensor o de la cámara se mide porque se valora el tamaño de representación de una marca objetivo, por ejemplo, en el caso de una marca objetivo circular o anular, la variación del diámetro. Este efecto depende de la representación óptico-geométrica de la imagen y puede optimizarse de forma selectiva mediante la configuración de la unidad óptica.

3.

También en una tercera posibilidad se valora la variación del tamaño de la marca objetivo, aunque, en este caso, la que resulta de la combinación de la variación óptico-geométrica del tamaño y el aumento aparente por los bordes borrosos. En comparación con la valoración de la función de la falta de nitidez, este procedimiento aprovecha que el tamaño real de la marca objetivo es invariable.

Los dos grupos de lentes 20 y 22 están dispuestos, durante la medición del objeto con el elemento palpador 34, a menor distancia entre sí que en la palpación óptica. Las posiciones correspondientes de los grupos de lentes 20, 22 están referenciadas con 20' y 22' en el dibujo.

Con la disposición de medición anteriormente descrita pueden variarse la escala de representación de la imagen, la profundidad de foco y la distancia de trabajo, o adaptarse a los requisitos de precisión y velocidad de la palpación de superficie. Puesto que la disposición de medición también puede adaptarse a las propiedades de los materiales, tales como la dureza, es adecuada para un amplio campo de aplicación.

Claims (19)

1. Procedimiento para la medición de la geometría de objetos mediante un dispositivo de medición por coordenadas con un sistema óptico (10) para la detección y representación de al menos una mancha luminosa, un punto luminoso, una transición de contraste y/o un canto cuya posición es determinada por la geometría en al menos un detector (30), cuyas señales de salida son valoradas, pudiendo ajustarse con el sistema óptico una escala de representación seleccionable y una distancia seleccionable del objeto en cuestión, caracterizado porque el sistema óptico (10) incluye un sistema de lentes con distancia focal regulable (18), cuyos grupos de lentes (20, 22) son desplazados de forma independiente en cada caso, mediante accionamiento por motor, a posiciones para la escala de representación y la distancia del objeto.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la mancha luminosa, el punto luminoso, la transición de contraste o el canto es generado por un elemento palpador (34) que se pone en contacto con el objeto y cuya posición es determinada directamente o indirectamente mediante el sistema óptico (10) con ayuda de al menos una marca objetivo.

3. Procedimiento según la reivindicación 2, caracterizado porque la distancia de trabajo del sistema óptico (10) se ajusta con el sistema de lentes con distancia focal regulable (18) de tal forma que el plano del objeto o de medición se encuentre en el centro del elemento palpador (34).

4. Procedimiento según la reivindicación 2, caracterizado porque la distancia de trabajo del sistema óptico (10) se ajusta con el sistema de lentes con distancia focal regulable (18) de tal forma que el plano del objeto o de medición se encuentre delante del elemento palpador (34).

5. Procedimiento según la reivindicación 2 ó 3, caracterizado porque la desviación del elemento palpador (34) provocada por el contacto con el objeto se mide con el sistema óptico (10).

6. Procedimiento según al menos la reivindicación 1, caracterizado porque en la medición mecánica/óptica en el objeto en cuestión se genera la mancha luminosa, el punto luminoso, la transición de contrate o el canto mediante un elemento palpador (34), que se pone en contacto con el objeto y cuya posición se determina directa o indirectamente con el sistema óptico mediante al menos una marca objetivo con una distancia de trabajo ajustada con el sistema de lentes con distancia focal regulable del sistema óptico, en el que el plano del objeto o de medición cruza el elemento palpador, y porque, en caso de una medición sin contacto en el objeto en cuestión, la distancia de trabajo del sistema óptico se ajusta con el sistema de lentes con distancia focal regulable de tal forma que el plano del objeto o de medición se encuentre por fuera del elemento palpador.

7. Disposición para la medición de la geometría de objetos mediante un dispositivo de medición por coordenadas con un sistema óptico (10) para la detección y representación de al menos una mancha luminosa, un punto luminoso, una transición de contraste o un canto, cuya posición es determinada por la geometría en al menos un detector (30) cuyas señales de salida pueden ser valoradas, estando realizado el sistema óptico para el ajuste de una escala de representación seleccionable y una distancia seleccionable del objeto en cuestión, caracterizada porque el sistema óptico (10) presenta un sistema de lentes con distancia focal regulable (18) que contiene al menos dos grupos de lentes (20, 22) que pueden desplazarse axialmente de forma independiente en cada caso mediante un accionamiento por motor.

8. Disposición según la reivindicación 7, caracterizada porque un elemento palpador (34) y/o al menos una marca objetivo asignada a éste para detectar de forma óptica la posición de la mancha luminosa o del punto luminoso está dispuesto delante del sistema óptico (10), pudiendo medirse el elemento palpador y/o la marca objetivo con el sistema óptico.

9. Disposición según la reivindicación 8, caracterizada porque con el sistema de lentes con distancia focal regulable (18) se ajusta el plano del objeto o de medición en la zona del lado del elemento palpador (34) orientado hacia el objeto.

10. Disposición según al menos una de las reivindicaciones 8 y 9, caracterizada porque con el sistema de lentes con distancia focal regulable (18) se ajusta el plano del objeto o de medición en la zona delante del lado del elemento palpador (34) orientado hacia el sistema óptico (10).

11. Disposición según al menos una de las reivindicaciones 8 a 10, caracterizada porque con el sistema de lentes con distancia focal regulable (18) está ajustado el plano del objeto o de medición pasando por el elemento palpador (34), en particular por el centro de éste.

12. Disposición según al menos una de las reivindicaciones 8 a 11, caracterizada porque el elemento palpador (34) está dispuesto en el extremo de un vástago palpador de conductor de luz (36).

13. Disposición según al menos la reivindicación 12, caracterizada porque el vástago palpador de conductor de luz (36) porta en el extremo un elemento palpador (34) esférico transparente.

14. Disposición según al menos una de las reivindicaciones 8 a 13, caracterizada porque el elemento palpador (34), o al menos una marca objetivo asignada a éste, está realizado como reflector, que está unido con una varilla o un vástago (36).

15. Disposición según al menos la reivindicación 14, caracterizada porque la varilla o el vástago (36) se extiende, a excepción de una longitud flexible libre, que presenta el elemento palpador (34) y/o una marca objetivo asignada a éste, en el interior de una guía rígida o fundamentalmente rígida, tal como el manguito (40).

16. Disposición según al menos una de las reivindicaciones 8 a 15, caracterizada porque la varilla o el vástago está acodado en forma de L y porque el tramo del vástago adyacente al elemento palpador (34) se extiende a lo largo del eje óptico (24) del sistema óptico (10).

17. Disposición según al menos una de las reivindicaciones 7 a 16, caracterizada porque un elemento palpador (34) y/o al menos una marca objetivo asignada a éste para detectar de forma óptica la posición de la mancha luminosa o el punto luminoso está dispuesto delante del sistema óptico (10), y porque con el sistema de lentes con distancia focal regulable (18) se ajusta el plano del objeto o de medición, en un primer modo de funcionamiento, en la zona del lado del elemento palpador (34) orientado hacia el objeto en cuestión y, en un segundo modo de funcionamiento, en la zona delante del lado del elemento palpador (34) orientado hacia el sistema óptico (10).

18. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la escala de representación se ajusta independientemente de la distancia de trabajo o la escala de representación se ajusta independientemente de la profundidad de foco o la distancia de trabajo se ajusta independientemente de la profundidad de foco, y viceversa en cada caso.

19. Disposición según la reivindicación 7, caracterizada porque los al menos dos grupos de lentes (2, 22) axialmente desplazables de forma independiente en cada caso mediante accionamiento por motor pueden ajustarse de tal forma que la escala de representación pueda ajustable independientemente de la distancia de trabajo, o la escala de representación pueda ajustarse independientemente de la profundidad del foco, o la distancia de trabajo pueda ajustarse independientemente de la profundidad del foco, y viceversa en cada caso.