FI95078B - Menetelmä ja laitteisto pitkänomaisten kappaleiden muodon optiseksi mittaamiseksi - Google Patents

Description

95078

Menetelmä ja laitteisto pitkänomaisten kappaleiden muodon optiseksi mittaamiseksi 5 Tämän keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdannon mukainen menetelmä pitkänomaisten kappaleiden muodon optiseksi mittaamiseksi.

Keksinnön kohteena on lisäksi laitteisto menetelmän toteuttamiseksi.

10 Mitattaessa optisesti pitkänomaisten kappaleiden, esim. lautojen, muotoa on vaikeutena se geometrinen tosiseikka, että mitattavien kappaleiden muoto olennaisesti poikkeaa mittaavan instrumentin kuva-alan (esim. neliömäisestä) muodosta. Jos mitattava kappale kokonaisuudessaan mahtuu kuva-alaan, sen leveysdimension suhteellinen mittatarkkuus on kertaluokkaa heikompi kuin pituusdimension suhteelli-15 nen mittatarkkuus.

Tämä pulma on pyritty ratkaisemaan mm. siten, että sovitetaan useita kameroita riviin mitattavan kappaleen pituussuunnassa. Ratkaisun hankaluutena on kuitenkin tarvittavien laitteiden suuri lukumäärä sekä kuvien yhteenliittämisen vaikeus.

20

Toinen tunnettu keino on kuvata näkökentässä liikkuva kappale useana peräkkäisenä kuvana. Tämän ratkaisun hankaluutena on puolestaan vaikeus jäljestää kappaleelle riittävän pitkä häiriötön kulku.

25 Suomalaisessa patentissa 68910 on esitetty laitteisto, jonka avulla voidaan poistaa monia optisten mittausmenetelmien haittoja ja saada aikaan oleellisesti parannettu laitteisto pitkänomaisten kappaleiden muodon optiseksi mittaamiseksi.

Patentin 68910 laitteisto perustuu siihen, että kuva vääristetään eri suunnissa 30 erilaisen kaarevuuden omaavan peilin tai linssin avulla niin, että mittauskamera • · 2 95078 "näkee" mitattavan kappaleen pituus- ja leveysdimensiot samaa suuruusluokkaa olevina ja kuvaterävyys säilytetään käyttämällä pitkänomaista rakomaista aukkoa kameran mittausoptiikassa. Kaarevan peilin avulla pitkäkin kappale saadaan mahtumaan mittaavan kameran kuva-alaan, koska kamera näkee peilistä heijastuvan 5 kappaleen todellista lyhyempänä. Lisäksi suhteellinen mittaustarkkuus saadaan peilin avulla tapahtuvan reduktion ansiosta kappaleen poikittaissuunnassa yhtä suureksi kuin sen pituussuunnassa (esim. 1 % leveydestä ja 1 % pituudesta, vaikka pituus on 10-kertainen leveyteen verrattuna).

10 Patentissa FI 68910 kuvattu laitteisto käsittää vaakatasossa olevan mittausalustan, jolle mitattavat sahatut puutavarakappaleet syötetään yksi kerrallaan. Mittausalustan yläpuolelle on sovitettu peili, jonka tarkoituksena on heijastaa mittausalustalla olevan kappaleen kuva kameran optiikkaan. Kamera on kytketty kuvankäsittelylaitteisiin kamerasta saadun kuvainformaation muokkaamiseksi ohjaustiedoiksi esim. sahausop-15 timointia silmällä pitäen. Tarkkailumonitorista voidaan seurata kappaleen redusoitua muotoa.

Peilin heijastuspinnalla on pituus- ja leveyssuunnassa erisuun kaarevuus niin, että kameran optiikkaan heijastunut kappaleen kuva on pituussuunnassa supistunut le-20 veyssuuntaan verrattuna. Tämä perustuu siihen, että peilin heijastuspinnan profiili mitattavan kappaleen pituussuunnassa on mitattavaa kappaletta kohti kupera, kun taas • heijastuspinnan profiili mitattavan kappaleen poikittaissuunnassa on suoraviivainen.

Tämä aiheuttaa sen, että mitattavan kappaleen pituus kameran kuvatasolla redusoituu suuruusluokaltaan kappaleen leveyttä vastaavaksi.

25

Mittaustarkkuuden säilyttämiseksi kameran optiikkaan liittyy kapea rakomainen aukko, joka esimerkkitapauksessa on vaakasuorassa asennossa ja mitattavan kappaleen pituussuuntaan nähden poikittainen. Tämä aukko vaikuttaa siten, että mitattavan kappaleen pituutta kuvaavat valonsädekomponentit voivat läpäistä optiikan vain 3 o aukon leveyttä vastaavalla alueella. Sensijaan kappaleen leveyttä kuvaavat valonsäde-komponentit voivat läpäistä optiikan koko aukon pituutta vastaavalla alueella.

» · I

II

3 95078

Esim. sahatavaran kanttauksessa lauta tulee poikittain tarkastuspaikalle ja jatkaa siitä suuntauksen jälkeen varsinaiseen kanttaukseen. Mittauskameran kuva-ala kattaa kaarevan peilin avulla koko laudan. Kuva-ala voi olla esim. 600 mm x 6000 mm, jolloin kamera muodostaa siitä suhteessa 4/3 olevan videokuvan, joka näkyy monito-5 rista. Saman tiedon sisältävä videosignaali digitalisoidaan ja siirretään ohjaustietokoneelle, joka analysoi kuvasta kappalemuodon, optimoi sahausasennon ja antaa tarvittavat suuntaustiedot.

Kuvan terävyyden säilyttämisperiaate toimii siten, että kaarevasta peilistä heijastuvat 10 hajasäteet rajataan pois pitkänomaisella raolla. Kaikki poikittaisessa leikkaustasossa kulkevat valonsäteet kohtaavat suoran peilipinnan ja kuvautuvat tunnettujen optiikan lakien mukaan kuvatasolle terävinä, ts. kaikki yhdestä pisteestä eri reittejä kulkevat valonsäteet tulevat samaan pisteeseen kuvatasolle. Pitkittäistasossa peilin kaarevuuden vuoksi eri reittiä kulkevat valonsäteet eivät enää kohtaa kuvapintaa samassa pai-15 kassa, vaan pisteet kuvautuvat viivoiksi. Estämällä rakolevyllä viimeksi mainittujen säteiden pääsy kuvatasolle kukin piste saadaan kuvautumaan vain yhteen pisteeseen, joten peilin kaarevuus ei heikennä terävyyttä.

Edellä kuvatun ratkaisun heikkoutena on se, että kaarevan peilin käyttö edellyttää 2 0 pitkänomaista valotusrakoa, jolloin kameran aukko on luonnollisesti suuri. Suuren aukon käyttö heikentää kuvan terävyyttä ja siten mittauksen tarkkuutta. Mittausta vaikeuttaa lisäksi ympäristön valaistusolosuhteiden vaihtelu ja mitattavan kappaleen tummuuserot. Kameran kuvasta tapahtuvaa hahmon tunnistusta voitaisiin oleellisesti helpottaa ja nopeuttaa, jos kappale muodostaisi selvän kontrastin taustaa vasten ja 25 kuvassa olisi mahdollisimman vähän tunnistettavaan kappaleeseen kuulumattomia pintoja. Pienillä kappaleilla ongelma on yleensä ratkaistavissa, mutta kun mitataan ' ‘ suuria, liikkuvia kappaleita, valaistusolosuhteiden vaikutuksen poisto on huomatta vasti vaikeampaa. Tyypillisessä sahatavaran mittaustilanteessa mittausalueen koko on suuruusluokkaa 1 x 8 m ja mittaus tapahtuu liikkuvalla kuljettimella, johon prosessin 30 valvojalla on oltava esteetön näkyvyys ja pääsy häiriötilanteiden selvittämiseksi. Tällaisessa tapauksessa valaistusolosuhteita ei voida vakioida esimerkiksi koteloi- » •« 95078 4 maila laitteisto.

Jos kappaleen silhuetin mittaaminen riittää sen muodon määrittämiseen, niin ongelma voidaan ratkaista jäljestämällä taustavalo niin kirkkaaksi, että kappale on aina 5 tummempi kuin sen tausta jopa silloin kun kappaleeseen osuu auringon valo.

Keksintö perustuu siihen, että kappaleen kameraan nähden vastakkaiselle puolelle sijoitetaan heijastin, joka eteen sijoitetaan valonlähde. Heijastin muotoillaan siten, että peilin kautta heijastuneet valonsäteet muodostavat polttopisteen. Kamera sijoi-10 tetaan tähän polttopisteeseen tai optisesti ekvivalenttiin pisteeseen, jolloin valon lähteestä lähteneet ja peilin kautta heijastuneet valonsäteet osuvat kameran aukkoon.

Keksinnön edullisimman suoritusmuodon mukaisesti kappaleen kameraan nähden vastakkaiselle puolelle sijoitetaan elliptinen heijastin, jonka polttopisteeseen sijoite-15 taan valonlähde. Kamera sijoitetaan ellipsin toiseen polttopisteeseen tai optisesti ekvivalenttiin pisteeseen, jolloin valon lähteestä lähteneet ja ellipsin kautta peilistä heijastuneet valonsäteet osuvat kameran aukkoon.

Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, 20 mitä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

.' Keksinnön mukaiselle laitteistolle on puolestaan tunnusomaista se, mitä on esitetty patenttivaatimuksen 4 tunnusmerkkiosassa.

25 Keksinnön avulla saavutetaan huomattavia etuja.

Tärkein keksinnön etu on se, että hahmontunnistus kameralla helpottuu ja nopeutuu lisääntyneen kontrastin ansiosta, jolloin tulos on luotettavampi ja häiriöt vähäisempiä. Koska kamera on sijoitettu ellipsin polttopisteeseen, kamerassa voidaan käyttää 3 o pienempää aukkoa eikä pitkänomaista rakolevyä tarvita. Tällä tavoin voidaan välttää kaarevan peilin aiheuttama terävyysongelma. Tämän keksinnön avulla saadaan siten 11 5 95078 suomalaisessa patentissa 68910 kuvattua mittausmenetelmää huomattavasti parannet-' tua.

Keksintöä selitetään seuraavassa tarkemmin oheisten piirustusten avulla.

5

Kuvio 1 esittää yhtä tämän keksinnön suoritusmuotoa.

Kuvio 2 esittää toista tämän keksinnön suoritusmuotoa.

10 Tässä hakemuksessa optisesti ekvivalentilla pisteellä tarkoitetaan pistettä, joka on esimerkiksi peilin avulla heijastettu pois kyseisen pisteen tosiasiallisesta paikasta. Tällainen piste voi olla esimerkiksi elliptisestä heijastimesta tulevien valonsäteiden peilistä heijastunut valepolttopiste, jolloin ellipsin toinen polttopiste sijaitsee tosiasiallisesti peilin takana.

15 Tämän keksinnön avulla saadaan kameraan tulevan valon määrä niin suureksi, että kameran aukkoa voidaan pienentää niin paljon, että rakolevyä ei tarvita, vaan voidaan käyttää normaalia pyöreää aukkoa.

2 o Kuviossa 1 on esitetty yksi tämän keksinnön suoritusmuoto, jossa käytetään kahta kameraa 3 ja kahta valonlähdettä 6, 7. Kahdella kameralla saadaan luonnollisesti :' muototieto kahdesta eri suunnasta. Tässä laitteistossa on laitteiston keskiakselille K

sijoitettu kuljetus ja suuntausalusta 2, jota myöten mitattavat kappaleet 1 tulevat mittauspaikalle ja kulkevat edelleen seuraavaan työvaiheeseen siirtyen samalla 25 mittaustietojen mukaisesti optimaaliseen syöttöasentoon. Kuljetusalustan 2 yläpuolelle on sijoitettu ristikkorakenteinen teline 8, johon on ripustettu kaksi kameraa 3 ja patentin FI 68910 mukaiset kaarevat peilit 5. Peilit 5 on sijoitettu kuljetusalustan 8 sivuille ja hieman sen yläpuolelle siten, että peilit 5 osoittavat mitattavaa kappaletta 1 kohti ja heijastavat sen kuvan takaisin kappaleen 1 suuntaan. Peilien 5 etäisyys 30 mitattavasta kohteesta 1 on tyypillisesti 3 m.

6 95078

Edelleen kuljetusalustan 2 sivuille ja hieman sen tason alapuolelle on sijoitettu valaisimet 6, 7 mitattavan kappaleen 1 valaisemiseksi. Kukin valaisin koostuu heijastimesta 7 ja valonlähteestä 6. Valaisin on kooltaan tyypillisesti 1x8 m. Valaisinten 6, 7 tehtävänä on riittävän kontrastin aikaansaaminen mitattavan kappaleen 1 ja taustan 5 välille valaisemalla kappale takaapäin. Optimaalisten valaistusolosuhteiden aikaansaamiseksi heijastimen 7 poikkileikkaus on muodostettu ellipsin päädyn muotoiseksi ja valonlähteenä käytettävä loisteputki 6 on sijoitettu ellipsin polttopisteeseen. Tällöin heijastin on sellainen, että jokainen valonlähteestä lähtevä valonsäde heijastuu heijastimesta ellipsin toiseen polttopisteeseen B. Koska kaarevat peilit 5 on sijoitettu 10 valaisimesta 6, 7 lähtevään valokeilaan 9, peili heijastaa koko mitattavan kappaleen 1 kuvan ja valaisimesta 6, 7 lähtevän valon peilin edessä olevaan valepolttopisteeseen B' valokeilana 10. Kun kamerat 3 on sijoitettu tähän pisteeseen B', niin kamera 3 näkee koko mittaustaustan koko heijastimen pituudelta lähes yhtä kirkkaana kuin valonlähteen 6 pintakirkkaus. Siten teoreettisesti oikea valaisimen 6, 7 muoto 15 saavutetaan siten, että heijastin 7 on elliptinen ja valonlähde sijaitsee lähemmässä polttopisteessä A ja kamera 3 toisessa polttopisteessä B suunnattuna kohti valaisinta 6, 7. Koska mittauksessa on käytettävä kaarevaa peiliä S, polttopiste peilautuu peilin 5 eteen ja kääntää polttopisteen B todellisen paikan valepolttopisteeseen B'.

2 o Tällainen taustavalon käyttötapa vaatii taustan suuren kirkkauden takia pientä kameran aukkoa, jolloin kaarevan peilin käyttöön liittyvä epätarkkuusongelma ratkeaa ilman muita toimenpiteitä.

Kuviossa 2 on esitetty tämän keksinnön toinen suoritusmuoto. Tämä suoritusmuoto 25 vastaa muutoin edellistä suoritusmuotoa, mutta tässä tapauksessa mittausalustan 2 yläpuolelle on sijoitettu kolmas peili 11 ja kolmas kamera 12. Mitattavan esineen kuva heijastuu kameraan keilana 13 ja peili 11 heijastaa sen kameran 12 optiikalle. Tässä suoritusmuodossa kolmas kamera 12 toimii samalla tavalla kuin patentin FI 68910 mukainen laitteisto. Kameran 12 optiikassa käytetään rakolevyä, jolloin 3 0 taustavaloksi riittää kahden ristikkäin menevän valaisimen 6, 7 valo. Tätä suoritus muotoa käytetään vain erikoistapauksissa, kuten esimerkiksi silloin kun järjestelmällä

II

7 95078 määritetään tukkien muotoa, ja halutaan saada selville myös tukin soikeus. Kolmannelle kameralle muodostuu kahdesta sivulla olevasta valaisimesta riittävän hyvät valaistusolosuhteet.

5 Mittaustuloksen käsittelyyn voidaan käyttää halutunlaista sopivaa välinettä, kuten esimerkiksi kuvankäsittelyohjelmistolla varustettua mikrotietokonetta 15, joka liitetään kaapelilla 16 kameroihin 3, 12.

Edellä esitettyjen lisäksi tällä keksinnöllä on muitakin suoritusmuotoja. Peilien ja 10 kameroiden sijoittelu voidaan vapaasti toteuttaa halutulla tavalla mitattavan kappaleen vaatimusten mukaan. Tällöin esimerkiksi voitaisiin käyttää kappaleen yläpuolelle ja toiselle sivulle sijoitettua kameraa taikka yksinkertaisimmissa tapauksissa vain yhtä kameraa. Laitteiston dimensiot on luonnollisesti sopeutettava käyttötarkoituksen mukaisesti. On myös ajateltavissa että peilit ja heijastimet korvataan niitä optisesti 15 vastaavilla linsseillä. Tämä suoritusmuoto soveltunee kuitenkin ainoastaan kohtuullisen pienidimensioisille kappaleille, koska suurten linssien valmistaminen on vaikeaa ja kallista. Elliptisen heijastimen sijasta voidaan käyttää muutakin heijastimen poikkileikkausta, jolla saadaan aikaan sellainen valokeila, joka heijastuu kaarevasta peilistä riittävän tarkaksi polttopisteeksi.

Claims (7)

8 95078

1. Menetelmä pitkänomaisten kappaleiden (1) muodon optiseksi mittaamiseksi, jossa menetelmässä 5. kappale (1) tuodaan mittausalustalle (2), - kappaletta (1) valaistaan valonlähteellä (6, 7), - mittausalustalla (2) olevan kappaleen (1) kuva heijastetaan ainakin yhteen kameraan (3) ainakin yhdellä mittausalustasta (2) välimatkan päähän sijoitetulla kaarevalla peilillä (S), jolla on pituus- ja leveyssuunnassa erisuun 10 kaarevuus siten, että kameran (3) optiikkaan heijastunut kappaleen (1) kuva on pituussuunnassa supistunut leveyssuuntaan verrattuna, ja - kappaleen (1) muototieto viedään kameralta (3) kuvankäsittelylaitteelle (15), jossa kuvatieto muokataan halutunlaiseksi ohjausinformaatioksi, 15 tunnettu siitä, että - kappaletta (1) valaisevan valonlähteen (6, 7) valokeila (9, 13) suunnataan kaarevaa peiliä (5) kohti siten, että peilistä (5) heijastunut valo (10, 14) muodostaa polttopisteen (B') kameran optiikkaan. 20

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kappaletta (1) valaistaan kahdella valonlähteellä (6, 7), jolloin valokeilat (9) menevät ristikkäin ja käytetään kahta kameraa (3).

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kappaletta (1) valaistaan kahdella valonlähteellä (6, 7), joiden valokeilat (9, 13) menevät ristik-käin ja käytetään kolmea kameraa (3).

4. Laitteisto pitkänomaisten kappaleiden (1) muodon optiseksi mittaamiseksi, joka 3 0 laitteisto käsittää - mittausalustan (2) tai sen tapaisen mitattavaa kappaletta (1) varten, 9 95078 - ainakin yhden kameran (3) tai sen tapaisen mitattavan kappaleen (1) kuvaamiseksi, - kameraan (3) osoittavan valaisimen (6, 7), joka on sovitettu kamerasta (3) katsottuna mittausalustan (2) toiselle puolelle 5. kameraan (3) kytketyt kuvankäsittelylaitteet (15) kamerasta (3) saadun kuvatiedon ohjaustiedoiksi muokkaamista varten, ja - mittausalustan (2) tasosta välimatkan päässä olevan peilin (5) mittausalustal-la (2) olevan kappaleen (1) kuvan heijastamiseksi kameran (3) optiikkaan (6), jolloin peilin (5) heijastuspinta omaa pituus- ja leveyssuunnassa erisuuren 10 kaarevuuden niin, että kameran (3) optiikkaan (6) heijastunut kappaleen (1) kuva on pituussuunnassa supistunut leveyssuuntaan verrattuna, tunnettu siitä, että 15. valaisin (6, 7) käsittää mitattavan kappaleen (1) pituudelle ulottuvan pit känomaisen heijastimen (7), ja sen eteen sijoitetun valonlähteen (6), - valonlähteen (6, 7) sijainti ja poikkileikkaus on valittu siten, että heijastin (7) suuntaa valonlähteen (6) lähettämän valon kaarevaan peiliin (5) siten, että peilistä (5) heijastuva valo muodostaa polttopisteen (B'), ja 20. kamera (3) on sijoitettu siihen pisteeseen, mihin kaarevasta peilistä (5) heijastuvan valon polttopiste (B') muodostuu. «

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että heijastimen (7) poikkileikkaus on elliptinen ja valonlähde (6) on sijoitettu sen lähempään 25 polttopisteeseen (A) ja kamera (3) kaarevasta peilistä (5) heijastuneen valon muodostamaan polttopisteeseen.

6. Patenttivaatimuksen 4 tai 5 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että kameroita (3), peilejä (5) ja valaisimia (6, 7) on kaksi ja ne on sijoitettu symmetrisesti 30 mittausalustan (2) molemmin puolin. « 10 95078 t

7. Patenttivaatimuksen 4 tai 5 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että kameroita (3, 12) ja peilejä (5, 11) on kolme ja valaisimia (6, 7) on kaksi ja kaksi kameroista (3) ja peileistä (5) on sijoitettu symmetrisesti mittausalustan (2) molemmin puolin ja kolmas kamera (12) ja peili (5) on sijoitettu mittausalustan (2) yläpuolelle. • · II 11 95078