FI96902C - Optoelektroninen kulma-anturilaite, tätä koskeva menetelmä sekä optoelektroninen mittausjärjestelmä - Google Patents

Description

96902

Qptoelektroninen kulma-anturilaite. tätä koskeva menetelmä sekä optoelektroninen mittaus-) äri estelmä Tämä keksintö koskee optoelektronista kulma-anturilaitetta, 5 menetelmää mainitun laitteen kalibroimiseksi kaksiulotteisia (avaruus-) kulmanmittauksia varten ja myös optoelektronista järjestelmää lukuisien pinnalla olevien pisteiden kolmiulotteisten koordinaattien samanaikaiseksi mittaamiseksi.

io Erityisemmin keksintö koskee optoelektronista anturia suuntien mittaamiseksi kahdessa ulottuvuudessa pistekokoisiin aktiivisiin valolähteisiin tai pisteisiin, jotka on valaistu valolähteillä, kuten esitetään patenttivaatimuksen 1 johdanto-osassa. Mainittu optoelektroninen kulmanmittauslaite 15 kalibroidaan kerran ja lopullisesti kulmien mittaamiseksi kahdessa ulottuvuudessa (avaruussuunta) kohti valolähteitä tai valoa heijastavia pisteitä, joita valaistaan yhdellä tai useammalla valolähteellä, käyttäen korkean tarkkuuden kulma-vertailua.

20

Keksintö koskee myös patenttivaatimuksen 2 johdanto-osassa esitettyä menetelmää.

Edelleen keksintö koskee yleistä optoelektronista järjes-25 telmää avaruuskoordinaattien mittaamiseksi yhtä tai useampaa valonlähdettä tai valoa heijastavia pisteitä varten, joita valaistaan yhdellä tai useammalla valonlähteellä, sisältäen ainakin kaksi kulma-anturia, kuten esitetään patenttivaatimuksen 4 johdanto-osassa. Sanottua järjestelmää käytetään 30 kohteen aseman, suuntauksen ja/tai pintageometrian kosketuk-settomiin mittauksiin.

Keksintö sisältää menetelmän mainitun optoelektronisen anturin linssijärjestelmän pyörimisakseleiden aseman määrittämi-35 seksi ja myös menetelmiä sanotun optoelektronisen anturin kalibroimiseksi kulmasuunnan mittamiseksi kahdessa ulottuvuudessa valonlähteeseen tai pisteeseen, joka on valonlähteellä valaistu.

96902 2

Edelleen keksintö kohdistuu optoelektroniseen järjestelmään lukuisien pinnalla olevien pisteiden koordinaattien samanaikaiseksi mittaamiseksi, käsittäen laitteen, joka on suunniteltu projisoimaan lukuisia valotäpliä pinnalle kulma-antu-5 reiden yhteydessä. Tämä laite muodostuu yhdestä tai useammasta hilasta, jotka jakavat kollimoidun valonsäteen lukuisiksi säteiksi, jotka keskitetään pistekokoisten valotäplien kuvioksi pinnalle, esimerkiksi kuten on kuvattu julkaisussa Applied Optics, Voi. 23, No. 2, tammikuun 15., 1984, sivut 10 330-332.

Kosketuksettomat kulman mittaukset tehdään tavanomaisesti käyttäen teodoliittia, joka tähdätään käsin kohteeseen. Tekniikan taso on tällä alalla täysin automaattinen, servo-15 ohjattuja teodoliitteja valmistaa Kern and Wild Leitz. Sel laiset laitteet voidaan tähdätä automaattisesti tunnetun muotoisiin kohteisiin, jos kohteiden suurinpiirtein asemat tunnetaan. Tällöin voidaan lukea kulmat automaattisesti kahdessa ulottuvuudessa. Se tosiasia, että teodoliitti koh-20 distetaan fysikaalisesti kohti kutakin kohdetta käyttäen servomoottorijärjestelmää, merkitsee että järjestelmällä on hyvin rajoitettu mittaustaajuus.

Kosketuksettomista, automaattisista geometrianmittauksista on 25 suuri tarve pinnan muotojen tutkimisessa, esimerkiksi autote ollisuudessa. Tänään näihin sovellutuksiin käytetään mekaanisia koordinaatinmittauskoneita (CMM). CMM:t ovat kalliita, minomutkaisia, joustamattomia ja useimmat niistä ovat suorassa kosketuksessa pinnan kanssa. Nämä rajoitukset tekevät ne 30 käyttökelvottomiksi tuotantolinjalaittestossa, tästä syystä nykyinen laaduntarkkailu perustuu pistetestaukseen mallineilla.

Nykyiset optoelektroniset järjestelmät voidaan jakaa kolmeen 35 luokkaan niiden mittausperiaatteen mukaisesti: strukturoitu valo, aluemittaukset (optinen tutka) ja pistetihennysteknii-kat.

Il - 96902 3

Strukturoidun valon tekniikat perustuvat valotäplien tai -viivojen projisoimiseen pinnalle sen muodon mittaamiseksi, esimerkiksi Moiri-tekniikat. Näiden tekniikoiden yleiset ominaisuudet ovat, että projisoidun kuvion kuva rekisteröi-5 dään käyttäen videokameroita tai tavanomaista valokuvausta ja että tarvitaan vertailupinta tai vertailukuvion kuva järjestelmän kalibroimiseen sen todillisessa laitteistossa.

Aluemittaustekniikoilla, jotka perustuvat tavallisesti laser-io pulssin lentoaikaan, on hyvin suuri syvyysresoluutio, mutta alhainen sivuttaisresoluutio ja rajoitettu mittauskenttä.

Monet yhtiöt valmistavat optoelektronisia järjestelmiä, jotka perustuvat pistetihennykseen, esim. Seatex Norjassa ja Sagem 15 Ranskassa. Heidän järjestelmänsä käyttävät yhtä optoelekt- ronista anturia ja sisältävät lasersäteen suunnan toisena tunnettuna suuntana heidän pistetihennyslaskelmia varten. Vaikeudet lasersäteen tarkaksi ja vakaaksi suuntaamiseksi rajoittavat järjestelmien tarkkuutta ja paikan päällä tapah-20 tuva kalibrointi on tarpeen. Tarve kiinteästä, hyvin tunnetusta peruslinjasta rajoittaa työalueen joustavuutta.

Tämän keksinnön tarkoitus on aikaansaada järjestelmä minkä tahansa kohteen aseman, suuntauksen ja/tai pinnan geometrian 25 staattiseksi ja dynaamiseksi korkean tarkkuuden mittaamiseksi, välttäen nykyisten mittaustekniikoiden haitat.

Tämän keksinnön tarkoitus on edelleen tuottaa täysin automaattinen ja kosketukseton kulma-anturi, joka on kerran ja 30 lopullisesti tehdaskalibroitu kaikkia korkean tarkkuuden mittauksia varten. Mikään lisäkalibrointi ei ole tarpellinen mittauslaitteistossa, lukuunottamatta koordinaattijärjestelmien määrittelyä. Edelleen on tämän keksinnön tarkoitus, että kulma-anturin ei tule sisältää yhtään liikkuvaa osaa, sen 35 tulee olla melkein tunteeton taustavalolle ja se sallii useiden pisteiden kulmien samanaikaisen mittaamisen.

96902 4

Lopuksi tämä keksintö tekee mahdolliseksi hyvin nopeat ja tarkat lukuisien pinnalla olevien pisteiden kolmiulotteisten koordinaattien mittaukset.

5 Tämän keksinnön mukaisen anturin tunnusomaiset piirteet on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

Valoherkät elementit voivat olla esimerkiksi CCD- tai CID-antureita. Linssin pyörähdyssymmetrian hyvin määritelty io keskus antaa avaruussuuntien yksiselitteisen määritelmän, jossa kaikkien pisteiden, joilla on sama suunta tämän pisteen suhteen, kuva muodostetaan anturin samaan pisteeseen.

Kulma-anturin käyttö on rajoitettu suunnan mittauksiin aktii-15 visiin valonlähteisiin tai valoa heijastaviin pisteisiin, joita valaistaan aktiivisilla valonlähteillä, joilla on sama spektrijakautuma kuin niillä, joita käytettiin kalibroimista varten. Tämä takaa korkean mittaustarkkuuden, koska saadaan korkea signaalikohinasuhde, eivätkä mitkään kromaattiset 20 aberraatiot anna tukea virheelle.

Keksinnön mukaisen menetelmän tunnusomaiset piirteet on esitetty patenttivaatimuksen 2 tunnusmerkkiosassa.

25 Tämän keksinnön mukaisen järjestelmän tunnusomaiset piirteet on esitetty patenttivaatimuksen 4 tunnusmerkkiosassa.

Tämän keksinnön lisäominaispiirteet on annettu seuraavassa esimerkkien kuvauksessa ollen keksintöä rajoittamaton, viita-30 ten oheisiin piirustuksiin.

Kuviot la-b kuvaavat kulma-anturin peruskomponentteja.

Kuvio 1 c esittää kulma-anturin alhaaltapäin.

35

Kuviot 2 a-c kuvaavat kulmanmittausperiaatetta.

Kuviot 3 a-b kuvaavat menetelmää kulma-anturin alustan säätämiseksi pyörähdyssymmetriakeskuksen suhteen.

it . 96902 5

Kuviot 4 a-c kuvaavat menetelmää kulma-anturin kalibroimi-seksi käyttäen valaistua nauhaa tai rakoa.

Kuvio 4 d kuvaa kulma-anturin alustaa vaakasuuntaiseksi ja 5 pystysuuntaiseksi kulmakalibroimiseksi.

Kuviot 5 a-b esittävät mekaanisen laitteen, jota käytetään kallistamaan ja pyörittämään kulma-anturia.

io Kuvio 5 c kuvaa mekaanisen laitteen, jota käytetään kallistamaan ja pyörittämään kulma-anturia pystysuuntaiseksi kulman kalibroimiseksi.

Kuviot 6 a-e kuvaavat menetelmää kulma-anturin kalibroimi-25 seksi käyttäen aktiivisten valonlähteiden tai valaistujen täplien matriisia.

Kuvio 7 on kaaviomainen lohkokuva yleisestä geometrianmit-tausj ärj estelmästä.

20

Kuviot 8 a-d kuvaavat geometrianmittausjärjestelmän eri käyttöjä.

Kuviot 9-10 kuvaavat lasersäteen jakamista lukuisiksi säteik-25 si lukuisien keskitettyjen täplien muodostamiseksi suoraa viivaa pitkin.

Kuvio 11 kuvaa kahden keskenään suorakulmaisen hilan käyttöä muodostamaan kiskitettyjen täplien kaksiulotteisen kuvion.

30

Kuvio 12 kuvaa järjestelmän kokoonpanoa pintaprofiilin tutkimiseksi sisältäen kaksi kulma-anturia, laserin ja kaksi * hilaa, joita käytetään muodostamaan kiskitettyjen täplien kaksiulotteinen kuvio.

Kuvio 13 kuvaa yhden hilan ja pyörivän peilin käyttöä pinnan tutkimiseksi.

35 96902 6 Tämä keksintö aseman ja geometrian mittaamisia varten perustuu täysin automaattiseen ja tarkasti tehdaskalibroituun kulma-anturiin, kuten kuvataan kuviossa 1. Kulma-anturi on rakennettu tavanomaisena puolijohdevideokamerana, joka muo-5 dostuu kameran kotelosta 1, linssistä 2 ja kaksiulotteisesta valoherkkien elementtien 11 matriisista 3. Linssi on standardi pallomainen kameralinssi, jolla on polttoväli, jonka antavat etupäässä näkökenttävaatimukset. Jos linssissä on mahdollisesti heijastuksenestopäällyste tai optinen suodatin, 10 se täytyy sovittaa käytettävien valonlähteiden spektrijakautumaan. Valoherkät elementit voivat olla esimerkiksi CCD:tä (Charge Coupled Device) tai CID:tä (Charge Injected Device). Johtuen suurista tarkkuusvaatimuksista käytetään matriiseja, joiden resoluutio on korkein saatavilla oleva. Järjestelmis-15 sä, missä mittausnopeus on ensimmäisenä etusijalla, käytetään alemman resoluution matriiseja.

Mainitun tyypin kamera on kaupallisesti saatavilla. Tämä kamera on tehty kulma-anturiin sen tosiasian pohjalta, että 20 linssillä 2 on hyvin määritelty ja tunnettu pyörähdyssym- metrian 7 keskus, minkä määrittää tosiasia, että niiden pisteiden kuvat, jotka sijaitsevat samassa suunnassa tämän keskuksen suhteen, ovat täsmälleen päällekkäisiä. Symmet-riakeskus sijaitsee aina optisella akselilla. Avaruussuunta 25 annetaan kulmina kahden suorakulmaisen akselin suhteen. Tässä tapauksessa voitaisiin käyttää mitä tahansa keskenään suorakulmaisten akselien paria, joiden lähtöpiste on mainitussa symmetriakeskuksessa ja jotka ovat optisen akselin normaaleja. Sopimuksien mukaan käytetään vaaka- ja pystyakselia. 30 Kaksi akselia ovat yhdensuuntaisia kameran kotelon vaaka- ja pystyakselien kanssa. Mekaanista asennuslaitetta 4 voidaan säätää käyttämällä rakoja 8 ja pultteja 9 pystypyörähdysakse-v Iin 6 määrittämiseksi. Pallo-optiikan takia määritetään vastaava vaakapyörähdysakseli sen suorakulmaisuudella pysty-35 akselin ja optisen akselin suhteen. Kulma-anturi kalibroidaan mittaamaan kulmia kahdessa ulottuvuudessa näiden kahden pyörähdysakselin suhteen.

ii 96902 7

Kuvio 2 kuvaa periaatetta avaruussuunnan mittaamiseksi.Täysin automaattinen kulma-anturin toiminta perustuu aktiivisten valonlähteiden, esimerkiksi valoa emittoivien diodien käyttöön, jotka on suunnattu kohti pintaa. Linssi 2 muodostaa 5 kuvan valopistelähteestä 10 valoherkkien elementtien 11 matriisille 3 valaistuna täplänä 12. Kuva aikaansaa lukumäärän valoherkkiä elementtejä 11 valaisun voimakkuus jakautumalla, jonka antaa valopistelähteen 10 koko ja linssin 2 optinen resoluutio. Valotäplän 12 asema matriisissa on ainutkertainen ίο avaruussuunnan mitta kuvatulle pisteelle 10. Avaruussuunta annetaan kahtena kulmana a ja β. β on kulma avaruussuunnan ja vaakasymmetriatason välillä, jonka kulma-anturi antaa, a on kulma optisen akselin ja valopistelähteen 10 vaakasymmet-riatasolle projektion suunnan välillä, a ja B ovat molemmat 15 0 pitkin optista akselia oleville pisteille.

Useimpia käyttöjä varten on valoherkän matriisin resoluutio itsessään liian alhainen. Resoluution parantamiseksi lasketaan valotäplän asema matriisissa tarkemmin käyttäen voimak-20 kuusjakauman tilastollista analyysiä, esimerkiksi painopis-telaskelmaa, kuten kuvataan kuvioissa 2 b ja 2 c.

Linssissä 2 on aukkokulma, mikä rajoittaa kulma-anturin mittausaluetta. Tyypillinen näkökenttä on 30 astetta sekä 25 vaakasuuntaan että pystysuuntaan. Linssin vääristymisomi- naisuuksille ei ole asetettu mitään tiukkoja vaatimuksia, koska nämä korjataan kalibroimismenetelmällä, tästä syystä ei vaadita vääristymistä vapaata linssiä. Johtuen tästä laajasta näkökentästä vältetään mikä tahansa mekaaninen kulma-anturin 30 pyörittäminen sen tähtäämiseksi mittauspisteeseen, kuten on laita tavanomaisilla tai automaattisilla teodoliiteilla. Kulma-anturi kalibroidaan kiinteälle polttoetäisyydelle. Linssin kenttäsyvyys rajoittaa kulma-anturin pitkittäistä työaluetta.

35

Kulma-anturit ovat suunniteltuja mittaamaan suuntia valonlähteisiin, jotka emittoivat valoa hyvin määritellyllä spektri jakautuma 11 a, tavallisesti näkyvällä tai lähellä infrapunaa olevalla spektrin alueella. Tarkennustason asema ja tästä 96902 8 syystä valotäplän kuva riippuu valon spektrijakautumasta. Täten kulma-anturi kalibroidaan käytettäväksi hyvin määritellyillä aallonpituuksilla ja kalibroiminen tehdään käyttäen aktiivisia valonlähteitä tai pisteitä, joita valaistaan 5 valonlähteillä, joilla on tämä spektrijakautuma. Tämä tekniikka takaa korkean tarkkuuden ja tekee mahdolliseksi kyseessä olevien valopistelähteiden automaattisen erottamisen taustasta. Signaalikohinasuhde parantuu käyttäen optista suodatinta, joka sopii valonlähteiden spektrijakautumaan. io Suodatin täytyy asentaa ennen kalibroimista johtuen sen optisesta vaikutuksesta linssijärjestelmään.

Kulma-antureiden ehdotetut käytöt ovat riippuvaisia korkean tarkkuuden kulmamittauksista. Tästä syystä tarvitaan tarkkoja 15 menetelmiä pyörähdyssymmetriakeskuksen määrittämiseksi ja kulma-antureiden kalibroimiseksi. Korkean kalibroimistarkkuu-den saamiseksi on tehtävä suuri lukumäärä kalibrointimittauk-sia. Tästä syystä on tehty laajalti työtä täysin automaattisten kalibrointimenetelmien kehittämiseksi.

20

Kuten mainittiin johdannossa perustuu tämä keksintö pyöräh-dyssymmetriakeksuksen olemassaoloon, mikä antaa yksiselitteisen valotäpliä kohti olevan suunnan määritelmän. Linssin pyörähdyssymmetriakeskuksen määritelmä on, että kaikki valon-25 lähteet tai valaistut pisteet, jotka sijaitsevat samalla suunnalla tämän pisteen suhteen, kuvataan täsmälleen samassa : pisteessä linssin polttotasossa. Tämä merkitsee, että valo herkän matriisin rekisteröimät voimakkuusmaksimit ovat samoja kaikille sellaisille pisteille. Tätä määritelmää käytetään 30 säätämään asennuslaitteen 4 asemaa, kuten kuvataan kuvioissa 3a ja 3b.

. Kulma-anturi on asennettu pyörivän pöydän 13 päälle ja pantu vaakasuoraan. Minimissään kaksi valonlähdettä 14, 15 on 35 asennettu kulma-anturin vaakasymmetriatasossa olevalle vii valle. Jos kokoonpanoa havainnoidaan ylhäältäpäin kuten kuviossa 3b, voidaan piirtää tarkasti suora viiva pyörivän pöydän pyörähdysakselin ja kahden valopisteen kautta. Kahden valonlähteen korkeuksien sallitaan eroavan hiukan toisistaan

It 96902 9 muodostaakseen kaksi erilaista kuvatäplää valoherkälle matriisille. Suuremmat korkeuserot voivat aiheuttaa virheitä johtuen linssivääristymistä. Kahden valonlähteen keskinäistä erottamista rajoittaa linssin kenttäsyvyys.

5 Säädettävää asennuslaitetta 4 siirretään yhdensuuntaisesti linssin optisen akselin kanssa, kunnes kahden kuvatäplän voimakkuusmaksimien vaakasuuntaiset asemat yhtyvät kulma-anturin millä tahansa pyörähdyskulmalla Θ. Maksimiherkkyyden io saamiseksi pyöritetään kulma-anturia sen näkökentän äärirajoille. Asennuslaite 4 kiristetään oikeaan asemaan käytäen pultteja 9.

Tämä menetelmä määrittää linssin pystypyörähdysakselin 6 (z-15 akselin) ja tästä syystä pyörähdyssymmetriakeskuksen yk siselitteinen määritelmä on siinä, missä z-akseli 6 leikkaa optisen akselin 5. Täten asennuslaite määrittää pystypyörähdysakselin, mikä määrittää vaakakulmat.

20 Kolmannen symmetria-akselin (y-akselin) määrittää sen suora-. kulmaisuus optiseen akseliin ja pystyakseliin nähden, kuten havaittiin yllä, ja niiden yhteinen lähtöpiste. Standardilla kulma-anturilla ei ole mitään asennuslaitetta, mikä liittyy tähän akseliin. Asennuskannatintä 19 käytetään tämän akselin 25 määrittämiseen kalibrointimenettelyä varten, kuten kuvataan alla. Tämä kannatin otetaan pois kalibroinnin jälkeen.

Kulma-anturin kalibrointimeneteImien periaate on asentaa kulma-anturi pyörivän pöydän päälle ja rekisteröidä valonko lähteiden tai valaistujen pisteiden lineaarisen matriisin kuva-asemat pyörähdyskulman funktiona, kun pyörivää pöytää pyöritetään askel askeleelta. Kulma-anturi tulisi kalibroida olosuhteissa, jotka muistuttavat todellisen mittauskokoonpa-non olosuhteita. On kehitetty kaksi vaihtoehtoista kalibroin-35 timenetelmää. Tekniikka, joka käyttää pistekokoisia aktiivisia valolähteitä, kuvataan alla. Yksinkertaisempi kalibroin-timenetelmä perustuu siihen, että vaihdetaan erilliset valonlähteet lineaariseen valonlähteeseen, esimerkiksi valaistuun nauhaan tai rakoon.

96902 10

Kalibrointi käyttäen lineaarista valonlähdettä on kuvattu kuviossa 4a. Kulma-anturi on asennettu pyörivän pöydän 13 päälle. Pyörivä pöytä sisältää korkean tarkkuuden kulmaver-tailun ja se on servo-ohjattu salliakseen automaattisen 5 toiminnan. Kulma-anturi on pantu vaakasuoraan ja asennus- laitteen asemaa säädetään, kuten kuvataan yllä. Täten kulma-anturin ja pyörivän pöydän pyörähdysakselit yhtyvät. Lineaarinen laite on asennettu pystyyn. Seuraavassa kuvauksessa käytetään nauhaa 16 esimerkkinä sellaisesta lineaarisesta 10 laitteesta. Voidaan kuitenkin käyttää esimerkiksi rakoa valaistustekniikaa lukuunottamatta samalla tavalla. Nauhan tapauksessa sitä valaistaan antamaan diffuusisti heijastuvaa valoa rekisteröitäväksi kulma-anturissa. Jos käytetään rakoa, se asennettaisiin valaistun taustan eteen muodostamaan kapea 15 valaistu viiva.

Helpoin tapa asentaa täsmälleen pystysuora nauha on kiinnittämällä luotipaino 17 siihen. Nauhan pituus vastaa kulma-anturin pystysuoraa näkökenttää. Nauhaa valaistaan valonläh-20 teellä 18. Tämä valaiseminen kattaa nauhan kaikki osat.

. Voidaan käyttää piste pisteeltä valaisua saamaan tarkempi yhdenmukaisuus pistekokoisiin valonlähteisiin, joita käytetään todellisissa mittauslaitteistoissa. Sellaisessa tapauksessa valotäplää voidaan liikuttaa ylös ja alas pitkin nauhaa 25 käyttämällä pyörivää peiliä.

: Nauhan kuvassa on viivanmuotoinen voimakkuusjakautuma, kuten esitetään kuviossa 4b. Viivoilla on kaarevuus, jonka antaa linssivääristymät, kuten kuvataan kuviossa 4c. Kun pöytää 30 pyöritetään askelittain, viivan kuvan asema, minkä rekisteröi valoherkkä matriisi, mitataan pyörähdyskulman funktiona. Vaihtoehtoisessa tavassa voidaan saada samanlainen tulos käyttäen kiinteäkulmaista anturia, liikuttaen nauhaa lineaarisesti ja vaakasuunnassa hyvin määritellyllä tavalla linssin 35 optisen akselin suhteen.

Kalibrointitapahtuma toistetaan sen jälkeen, kun kulma-anturia on pyöräytetty 90 astetta sen optisen akselin ympäri ja sen jälkeen kun se on asennettu pyörivän pöydän päälle käytti 96902 11 täen kannatinta 19, kuten esitetään kuviossa 4d. Kaksi tietojen sarjaa käsitellään muodostamaan kaksiulotteinen kalib-rointitaulukko, joka talletetaan kaksiulotteiseen muistijärjestelmään vastaavassa kuvankäsittely-yksikössä.

5

Toinen kalibroimismenetelmä perustuu lukuisien valonlähteiden, jotka on asennettu pystysuoraan, yksiulotteiseen järjestelmään, käyttöön. Vaaditun tarkkuuden saamiseksi täytyy suuren lukumäärän valonlähteitä kattaa koko pystysuuntainen io näkökenttä. Tämän keksinnön mukaisesti tarkkuutta voidaan parantaa lisäämättä valonlähteiden lukumäärää käyttäen menetelmää, mikä perustuu kulma-anturin askelittain tapahtuvaan kallistukseen. Kutakin kallistettua asemaa varten kalibroidaan osa valoherkästä järjestelmästä. Käyttäen tätä menetel-15 mää voidaan valonlähteiden lukumäärää vähentää lyhyeksi, yksiulotteiseksi järjestelmäksi, mikä kattaa vain osan pystysuorasta näkökentästä.

Tarkoitukseen sopivat mekaaniset kallistuslaitteet, kuten 20 esitetään kuvioissa 5a, 5b ja 5c ja merkittään numeroilla 21 . tai 23, on kehitetty kallistamaan kulma-anturi vaakasuoran akselin ympäri, joka on optisen akselin normaali. Kahta vaihtoehtoista laitetta 21 tai 23 käytetään riippuen siitä, kumpiko kahdesta pyörähdysakselista on kalibroitava. Pys-25 tysuoran akselin kalibroimiseksi käytetään laitetta, joka on tehty kannattimista 20, 21 asennettuna kulma-anturiin ja vastaavasti pyörivään pöytään. Kaksi kannatinta 20, 21 ovat yhdistettyjä käyttäen pyörivää sovitinta 22. Vaakasuoran akselin kalibroimiseksi kannatin 23 asennetaan kulma-anturiin 30 käyttäen pyörivää sovitinta 24.

Kulma-anturi, sisältäen kallistuslaitteen, asennetaan pyörivälle pöydälle 13 ja sitten se pannaan vaakasuoraan. Kokoonpanoa on kuvattu kuviossa 6a. Tässä vaakasuoraan asetetussa 35 asemassa pyöritetään kulma-anturia pystyakselin (z-akselin) ympäri, kuten esitetään kuviossa 6b. Kalibrointikäyrät, kuten kuvataan kuviossa 6c, saadaan mittamalla samanaikaisesti pyörivän pöydän 13 kulma ja yksittäisten valonlähteiden 25-27 kuvan anturin asema. Tässä asemassa kalibroidaan valoherkän 96902 12 järjestelmän keskiosa. Lopun järjestelmän kalibroimiseksi kallistetaan kulma-anturia, kuten kuvataan kuviossa 6d. Mitataan kallistuskulma ja menetelmä toistetaan, s.o. pyöritetään pyörivää pöytää askelittain, kun taas pyörähdyskulma 5 ja kuvan asema rekisteröidään samanaikaisesti kalibrointi-käyrien laskemiseksi, kunnes koko näkökenttä on käyty täysin läpi.

Kallistuskulma voidaan mitata käyttäen kaltevuusmittaria. Vaihtoehtoisesti voidaan käyttää itse kulma-anturia siten, 10 että se on ennalta kalibroitu kahdessa symmetriatasossa (vastaten a=0 tai β=0 kuviossa 2a) . Sellainen kalibrointi tehdään käyttämällä yhtä valonlähdettä asennettuna samalle korkeudelle kuin kulma-anturin keskus. Tämän menetelmän käyttämiseksi kallistuskulman mittauksiin on asennettava 15 valonlähde juuri tälle samalle korkeudelle.

Kulma-anturia pyöritetään 90 astetta sen optisen akselin ympäri ja kalibrointimenetelmä toistetaan. Tässä asemassa käytetään asennuskannatinta 23. Huomattakoon, että kulma-20 anturi kallistetaan taas vaakasuoran akselin ympäri.

Perustuen rekisteröityyn tietoon lasketaan kaksiulotteinen kalibrointitaulukko ja talletetaan se vastaavaan kuvankäsittely-yksikköön kaksiulotteiseen muistimatriisiin.

25

Silloin kun käytetään lineaarista valonlähdettä, kuten kuvattiin yllä, pyörivä pöytä voidaan korvata kiinteällä kulma-anturin alustalla, jos laitteeseen asennetaan valonlähteitä, joita voidaan liikuttaa lineaarisesti ja vaakasuoraan pienin 30 askelin hyvin määritellyllä tavalla linssin optisen akselin suhteen.

: Kaikki kalibrointikäyrät voidaan varmistaa käyttäen pyörivää pöytää vertailuna ja mittaamalla kulmat valonlähteisiin hyvin 35 tunnetuissa asemissa.

Mainitut kulma-anturit voidaan yhdistää lukuisiin avaimet käteen mittausjärjestelmäratkaisuihin käytöstä riippuen. Yleinen kaaviomainen lohkokuva on kuvattu kuviossa 7. Kaa- li . 96902 13 viomainen kuva esittää järjestelmäkokoonpanon, joka on rakennettu kahdesta kulma-anturista 28a,b, jotka sallivat lukuisien valonlähteiden avaruusasemien mittaukset. Kuvatieto siirretään kulma-antureista tarkoitukseensa omistettuihin kuvan-5 käsittely-yksiköihin 29a,b analogisten tai digitaalisten voimakkuusarvojen sarjana kutakin yksittäistä valoherkkää elementtiä varten.

Seuraavat toimenpiteet suoritetaan kuvankäsittely-yksikössä: 10 - valotuksen ajoituksen säädöt, - voimakkusarvojen muuttaminen digitaalimuotoon, - digitaalikuvan tallennus kaksiulotteiseen muistimatriisiin - taustan valon häiriökuvan vähentäminen annettuna tallennettuna kuvana mitattuna, kun mikään valonlähde ei pala, is - piikin havaitseminen lukuisien voimakkuuksien maksimien arvioidun aseman löytämiseksi, - kunkin yksittäisen valotäplän, joka on annettu valoherkän anturin koordinaattijärjestelmässä, tarkan kuvan aseman laskeminen, 20 - kuvan asemakoordinaattien muuttaminen kulma-arvoiksi vaa kasuoran ja pystysuoran pyörähdysakselin suhteen käyttäen kaksiulotteista kalibroimistaulukkoa, joka on talletettu erilliseen muistimatriisiin.

25 Järjestelmä on suunniteltu toimimaan lukuisien samanaikaisten valonlähteiden kanssa, mikäli niiden keskinäiset asemat ovat yksiselitteisiä.

Kulma-arvot siirretään keskustiedonkäsittelylaitteeseen 30 30 lisälaskuja varten. Tiedonkäsittelylaitteen standardiversio sisältää välineen kolmiulotteisten koordinaattien laskemiseksi käyttäen pistetihennys- tai fotogrammetrisiä menetelmiä. Lisäpiirteet riippuvat käytöstä ja järjestelmän kokoonpanosta. Tyypillisiä käyttöjä selitetään alla.

Kuvan- ja tiedonkäsittely-yksiköiden suunnittelu perustuu kaupallisesti saataviin kuvankäsittelylaite- ja -ohjelma-komponentteihin.

35 96902 14

Tietojenkäsittely-yksikössä on siihen yhdistettynä ohjaus-pöytä 31. Tämä ohjauspöytä muodostuu monitorista ja näppäimistöstä käyttäjän ohjaustoimintoja varten. Esimerkiksi tätä yksikköä käytetään mittaustulosten on-line ja off-line näyt-s töihin.

Järjestelmissä pinnan geometrian mittaamiseksi käyttäen laseria tai laserdiodia pinnan pisteiden valaisemiseksi, on ohjainyksikkö 32 yhdistetty tietojenkäsittelylaitteeseen io ohjaamaan laseria 33 ja kaksiakselipeiliä 34. Peiliä käytetään suuntaamaan valonsäde 35 pinnalle ja kartoittamaan pintaa 36 kahdessa ulottuvuudessa.

Käytettäessä erillisiä aktiivisia valonlähteitä 38-40, esi-15 merkiksi valoa emittoivia diodeja, yhdistetään nämä tietojen käsittelylaitteeseen ohjainyksikön 37 kautta. Ohjainyksikkö syöttää valonlähteisiin sähköä ja sisältää ajoituspiirin niiden panemiseksi päälle ja pois päältä valotuksen säätöä varten tietojenkäsittelylaitteen antamien ohjeiden mukaan.

20

Kuvio 8a kuvaa kuinka järjestelmää käytetään alunperin mittaamaan valopistelähteen tai valaistun pisteen kolmiulotteiset koordinaatit. Minimissään kaksi kulma-anturia 28a,b mittaa pisteen 38 vaakasuuntaista ja pystysuuntaista kulmaa 25 vertailupisteen 41 suhteen. Tätä käyttöä varten tietojenkä sittely laite sisältää tavanomaisen pistetihennysohjelman, mikä on kaupallisesti saatavilla. Ohjelma perustuu tunnettuihin kahden kulma-anturin ja vertailupisteen koordinaatteihin, jotka on annettu yleiskoordinaattijärjestelmässä.

30

On olemassa erilaisia lähestymistapoja kulma-antureiden avaruussuuntautumisen mittamiseksi yleiskoordinaattijärjestelmän suhteen. Primitiivinen tapa on mitata niiden asemat käyttäen tavanomaisia kartoitustekniikoita ja saada selville 35 niiden suuntaus käyttäen vertailuvalonlähdettä hyvin tunne tussa asemassa. Tämän menetelmän käyttämiseksi kulma-anturit täytyy asettaa vaakasuoraan. Pitemmälle kehittynyt menetelmä on mitata kolmen valonlähteen suhteelliset kulmat tunnetuilla yleiskoordinaateilla ja laskea kulma-anturin asema ja suun- 15 . 96902 taus näistä mittauksista. Kolmas menetelmä on nippusäädöt, perustuen lukuisien valotäplien suhteellisten kulmien mittaamiseen, ainakin kahden niistä välimatkan ollessa tunnettu ja kolmannen valonlähteen koordinaattien määrittäessä koor-5 dinaattijärjestelmän suuntauksen. Nippusäädöt on tarkka menetelmä johtuen runsaista mittauksista. Tietojenkäsittely-laite sisältää ohjelman käytettävää menetelmää varten. Aloi-tusrutiini täytyy ajaa joka kerta, kun kulma-anturi on suunnattu uudelleen tai muutettu toiseen asemaan.

10

Enemmän kuin kahden kulma-anturin käyttö lisää rinnakkaisuutta ja tästä syystä se parantaa mittausten luotettavuutta ja tarkkuutta. Käyttäen vain kahta kulma-anturia saadaan rinnakkaisuutta z-koordinaateille.

15

Kohteen 42 aseman ja suuntauksen kuuden vapausasteen mittaaminen vaatii minimissään kolme valonlähdettä 38-40 kiinni-tetäväksi kohteeseen. Valonlähteiden asemien tulisi olla hyvin tunnettuja kohdesuunnatussa koordinaattijärjestelmässä.

20 Kolmen valonlähteen yleiskoordinaatit mitataan käyttäen . minimissään kahta kulma-anturia 28a,b ja vertailuvalonlähdet- tä 41, kuten kuvattiin yllä. Mitattujen yleiskoordinaattien suhdetta vastaaviin paikallisiin koordinaatteihin käytetään kohdeorientoituneen koordinaattijärjestelmän aseman ja suun- 25 tauksen laskemiseen yleiskoordinaattijärjestelmän suhteen.

Rinnakkaisuutta ja tästä syystä parantunut tarkkuus saadaan, jos kulma-antureiden tai valonlähteiden lukumäärää lisätään.

30 Kuvio 8c kuvaa kulma-anturin käyttöä profiilinmittauksiin.

Minimissään kahta kulma-anturia 28a,b käytetään mittaamaan valaistun täplän 35 kolmiulotteiset koordinaatit. Täplä kehitetään lasertutkimusjärjestelmällä, joka muodostuu laserista 33 ja kaksiakselisesta peilistä 34 , jota käytetään 35 suuntaamaan lasersäde kohti kohdetta 36. Lasersäde keskitetään aikaansaamaan minimikokoinen valotäplä. Samalla tavalla kuin käytetään kaksiakselista peiliä, kuten esitettiin, voidaan itse laseria pyörittää käyttäen kaksiakselista pyörivää järjestelmää.

96902 16

Lasertutkimusjärjestelmä, joka muodostuu laserista, kaksiak-selisesta peilistä, dynaamisesta keskitysmoduulista ja käyt-töelektroniikasta, on kaupallisesti saatavilla.

5 Kuten mainittiin yllä, lasertutkimusohjainta säädetään tieto-jenkäsittelylaitteella. Peiliä pyöritetään askelittain, askellisäyksen ollessa annettu mittaustarkkuusvaatimusten mukaisesti. Tietojenkäsittelylaitteessa on ohjelma älykästä pinnan tutkimista varten, esimerkiksi sen rekisteröimiseksi, ίο kohtaako lasersäde pinnan vai ei tai mitattujen kulmien muutoksen mittaamiseksi lasersäteen kulman funktiona sovittamaan askellisäykset pinnan kaarevuuteen.

Tietojenkäsittely laite sisältää ohjelman matemaattisen mallin is laskemiseksi, joka kuvaa pinnan geometriaa mitattujen koordinaattiako j en perusteella. Tietojenkäsittelylaite on suunniteltu liitettäväksi CAD-järjestelmään (Computer Aided Design), esimerkiksi vertaamaan mitattuja tuloksia nimellisiin suunnitteluparametreihin.

20 Käytettäessä ylläkuvattua menetelmää annetaan kolmiulotteiset pintakoordinaatit yleiskoordinaattiarvoina. Yleiskoordinaatit voidaan muuntaa paikalliseksi kohdeorientoiduksi koordinaatti järjestelmäksi. Esimerkkinä tämä tehdään helposti, jos 25 kohteella on minimissään kolme vertailupistettä, joilla on hyvin tunnetut paikalliskoordinaatit. Näiden pisteiden yleis-’ koordinaattien mittaus antaa tiedon, mikä on tarpeen koor- dinaattimuunnosta varten.

30 Lasermittaustekniikan käyttökelpoisuutta rajoittaa se tosi asia, että järjestelmä mittaa yksittäisten pisteiden koordinaatteja, yksi kerrallaan ja että järjestelmä sisältää mekaanisesti liikkuvia osia. Laserin uudelleensuuntaus ja kaiken tiedon siirto valoherkästä matriisista ovat molemmat 35 aikaavieviä prosesseja.

Lukuisia teollisia käyttöjä varten mitattavat olennaiset piirteet ovat poikkeamat valmistetun esineen ja suunnittelumallin välillä rajoitetussa lukumäärässä kriittisiä tarkis-

II

96902 17 tuspisteitä. Tämän keksinnön mukaista järjestelmää voidaan soveltaa käyttäen lukumäärää lasereita tai laserdiodeja 43-45 asennettuna kiinteisiin suuntiin, osoittaen kohti kriittisiä pisteitä 46-48, kuten esitetään kuviossa 8d. Kaikki valaistut 5 pisteet voidaan käsitellä rinnan antaen hyvin nopean esityk sen kaikista olennaisista mittapoikkeamista.

Tämä menetelmä on kallis johtuen siitä tosiasiasta, että tarvitaan erillinen valonlähde kutakin mitattavaa pistettä io varten ja saadaan aikaan pieni määrä tarkastuspisteitä.

Molempien profiilinmittaustekniikan, kuten on kuvattu yllä, haitat vältetään käyttämällä lukuisien valaistujen pisteiden avaruuskoordinaatteja, jotka pisteet on kehitetty käyttämällä 15 heijastuslaitetta, joka heijastaa keskitettyjen valotäplien kuvion pinnalle. Sellainen laite voidaan tehdä äskettäin kaupallisesti saatavksi tulleesta diffraktiohilasta, kuten on kuvattu julkaisussa Applied Optics, Voi. 23, No. 2, tammikuun 15., 1984, sivut 330-332. Nämä perustuvat yhdensuuntaisiin 20 optisiin kuituihin, kunkin kuidun toimiessa lieriömäisenä linssinä. Yksittäisistä kuiduista emittoitu valo interferoi muodostaakseen lähes ideaalisen interferenssikuvion. Näiden hilojen ominaispiirteet ovat, että täplävoimakkuus on yhtäläinen ja että täplän halkaisija on lähellä nollannen kerta-25 luvun säteen halkaisijaa. Asentamalla sellainen hila laserin lähtöön muodostuu suuri lukumäärä täpliä viivan pinnan poikki.

Kaksiulotteinen valaistujen pisteiden kuvio voidaan luoda 30 kahdella tavalla. Yksi on käyttää yhtä hilaa ja käyttää yksiakselista pyörivää peiliä valotäplien viivan liikuttamiseen pinnan poikki. Toinen menetelmä on asentaa kaksi hilaa yhteen luomaan kaksiulotteinen valotäplien kuvio.

35 Teknisesti ekvivalentteja välineitä, kuten tavanomaisia tai holograafisiä diffraktiohiloja voidaan käyttää samoilla tavoilla. Kuitenkin käytettäessä yllämainittua tyyppiä olevia kulma-antureita ovat tavanomaiset diffraktiohilat vähemmän 96902 18 käyttökelpoisia johtuen suuremmasta voimakkuuden ja täpläkoon vaihteluista.

Hila 49 muodostuu suuresta lukumäärästä yhdensuuntaisia 5 optisia kuituja 50 järjestettynä yhdeksi kerrokseksi, kuten esitetään kuviossa 9. Kuvio kuvaa hilan poikkileikkausta. Kukin kuitu 50 toimii kuten lieriömäinen linssi. Tuleva tasoaalto 51 jaetaan osiin ja kuidut keskittävät ne pisteisiin 52 juuri hilan taakse. Näistä pisteitä emittoidaan io lieriöaaltoja 53, joilla on laajat yhtäläisen voimakkuuden kulmat. Täten kutakin kuitua 50 voidaan pitää valopisteläh-teenä 52. Tuloksena oleva diffraktiokuvio 54 vastaa tavanomaisen hilan, jolla on äärettömän pieni rakoleveys, kuviota. Sellainen ideaalinen hila antaa äärettömän lukumäärän yhtä-15 Iäisiä voimakkuusmaksimeita. Käytettäessä optisten kuitujen hilaa tyypillisesti 30- 50 voimakkuusmaksimilla on suurempi voimakkuus kuin 50 % nollannen kertaluvun säteestä.

Täydellinen järjestelmä, joka on tarkoitettu projisoimaan 20 lukuisia valotäpliä pinnalle, on esitetty kuviossa 10. Se käsittää laserin 55, kuituhilan 49 ja keskitysoptiikan 56. Kollimoitu lasersäde hajaantuu hilalla 49 ja se muodostaa polttopisteen pinnalle 36. Optinen suunnittelu riippuu vaatimuksista polttoetäisyyden ja täpläkoon suhteen. Hila jakaa 25 lasersäteen moniksi säteiksi, jotka heijastetaan valotäplinä 58, jotka muodostavat kaarevan viivan pinnan poikki. Taipuneiden säteiden välinen suhteellinen kulma on vakio ja se on kuidun halkaisijan funktio.

30 Fokusoitujen valotäplien kaksiulotteinen kuvio aikaansaadaan käyttäen lisähilaa 59. Tämä hila on asennettu sellaisella tavalla, että optiset kuidut (raot) pyörivät ensimmäisen hilan 49 suhteen, kuten kuvataan kuviossa 11. 90 asteen keskinäinen pyörähdys antaa tuloksena suorakulmaisen valotäp-35 lien kuvion, kuten esitetään kuviossa 12.

Kuvio 12 kuvaa täydellistä järjestelmäkokoonpanoa pinnan profiilimittauksia varten. Valotäplien 58 kaksiulotteinen kuvio projisoidaan pinnalle 36 käyttämällä diffraktiohiloja li 96902 19 491 59 ja keskitysoptiikkaa 56. Kunkin yksittäisen täplän kolmiulotteiset koordinaatit saadaan mittaamalla kunkin täplän avaruuskulmat kahden kulma-anturin 60a, b suhteen, jotka on ylläkuvattua tyyppiä. Kaikki valotäplät rekisteröi-5 dään samanaikaisesti niin, että kutakin kuvaa varten valoherkkä matriisi sisältää lukumäärän voimakkuusmaksimeja.

Järjestelmä sisältää esiprosessorit 61a,b, jotka on tarkoitettu rekisteröimään ja käsittelemään tietoa kulma-antureis-10 ta. Esiprossorien suunnittelu ja toiminta riippuu siitä, minkä tyyppisiä kulma-antureita käytetään, kuten keskustellaan alla.

Kulmatiedot siirretään kahdelta esiprosessorilta tietojen-15 käsittelylaitteeseen 30 kolmiulotteisten koordinaattien laskemista varten. Käytetään standardeja pistetihennys- tai fotogrammetrisia menetelmiä. Tämä laskeminen perustuu selvän suhteen olemassaoloon kahdesta kulma-anturista tulevan tiedon välillä. Tämä merkitsee, että järjestelmä tarvitsee tavan 20 identifioida, mikä voimakkuusmaksimi vastaa erityistä valo- täplää jokaista kulma-anturia varten ja täten tietojenkäsit-telylaite sisältää yksinkertaisen valotäplän tunnistusohjel-man. Toinen menetelmä on käsin identifioida kukin valotäplä ennen koordinaattilaskelmia.

25 Käytettäessä yhtä hilaa on identifiointimenettely yksinker- • < J täinen. Rekisteröidään kaareva voimakkuusmaksimien viiva valoherkän matriisin poikki. Kaarevuus riippuu esineen muodosta.

30

Kuvio 13 kuvaa pinnan tutkimista käyttäen yhtä hilaa 49 ja yksiakselista pyörivää peiliä 34 luomaan kaksiulotteinen valotäpläkuvio (kuten esitettiin kuviossa 12) liikuttamalla valaistujen täplien 58 viivaa pinnan 36 poikki. Laseria 55 ja 35 peiliä 34 ohjataan ohjainyksiköllä 32, joka on yhdistetty tietojenkäsittelylaitteeseen. Peiliä pyöritetään askelittain askelpituudella, jonka antaa kuvion tiheysvaatimukset. Valo-täplien tiheä verkko antaa tarkan pinnan geometrian kuvauksen. Tietojenkäsittelylaite voi sisältää ohjelman älykkääksi 96902 20 tutkimisen ohjaamiseksi, esimerkiksi sen rekisteröimiseksi kohtaavatko lasersäteet todella kohteen tai anturin kulma-arvojen muutosten mittaamiseksi sovittaakseen askelpituuden kohteen kaarevuuteen.

5

Edellä kuvatut kulma-anturit ja yleiset geometrian mittausjärjestelmät ovat hyvin sopivia tämän valonprojisointitek-niikan yhteyteen. Geometrian mittausjärjestelmä sisältää minimissään kaksi kulma-anturia, eikä valonsäteiden avaruus-10 suuntia käytetä missään laskelmissa. Lukuisien valotäplien asemien mittamiseksi samanaikaisesti tulisi niiden voimakkuus jakautuman olla suhteellisen homogeeninen.

Tämän keksinnöllisen valonprojisointitekniikan käyttö ei ole 15 kuitenkaan rajoitettu tämän tyyppisiin kulma-antureihin, merkiten että muitakin kulma-antureita, esimerkiksi automaattisia teodoliitteja voidaan käyttää. Sellaiset teodo-liitit ovat tavallisesti rajoitettuja mittaamaan yksittäisiä valotäpliä ja tästä syystä tuloksena olisi rajusti lisäänty-20 nyt tiedonhankinta-aika.

Avaruuskoordinaattien laskemiseksi käyttäen pistetihennysal-goritmeja täytyy laskea kaksi avaruussuuntaa tunnetuista palloasemista, esimerkiksi käyttäen kahta kulma-anturia. 25 Taittuneiden säteiden avaruussuunnat eivät ole riittävän tarkkoja käytettäväksi yhtenä vaadittavana suuntana.

Vaikka ylläoleva kuvaus ja seuraavat patenttivaatimukset keskittyvätkin optisten kuituhilojen käyttöön, tulisi vaatiko muksia pitää sellaisina, että ne sisältävät teknisesti ekvivalentit välineet, kuten tavanomaiset diffraktiohilat ja sellaisten hilojen muunnokset ja holograafiset hilat. Edel-leen missä selitys ja patenttivaatimukset kuvaavat peilin käyttöä suuntaamaan uudelleen lasersäteen tutkimusjärjestel-35 mässä, tämän tulisi pitää sisältävän teknisesti ekvivalentit mekaaniset, mekaanisoptiset tai akusto-optiset välineet.

Il 96902 21

Erilaisia näihin keksintöihin perustuvia järjestelmäkokoonpanoja on kuvattu yllä. Nämä kokoonpanot kattavat lukuisia teollisia ja laboratoriokäyttöjä.

5 Esimerkki erillisten valonlähteiden koordinaattien mittauksesta on asennus- ja suuntauskäytöt. Dynaamisia mittauksia voidaan käyttää mittaamaan mekaanisten rakenteiden heilahteluja tai värähtelyjä. Kunkin valonlähteen optimaalisen aseman funktiona antavat niiden keskinäisten liikkeiden 10 havainnot tietoa rakenteen värähtelymoodeista.

Seuraava lista esittää esimerkkejä esineiden avaruusasemien ja suuntien staattisista tai dynaamisista mittauksista: - mallin liikkeet tuulitunneleissa tai hydrodynaamisissa 15 laboratorioissa tai muut samanlaiset käytöt, joissa vaaditaan suurta tarkkuutta, - kahden esineen suhteellinen paikoittaminen (telakointi), esimerkiksi robotin käsivarsi ja työkappale, tulo automaattisesti ohjatun ajoneuvojen ohjaamiseksi 20 tuotannossa ja varastointilaitoksissa.

Profiilin mittauksia käytetään kaarevien osien laaduntarkkailuun, joita osia valmistetaan etupäässä auto- ja ilmailuteollisuudessa. Nykyisellä mekaanisten koordinaattien 25 mittauskoneilla käytöllä on tiettyjä rajoituksia ja tästä johtuen on tarve tarkkoihin kosketuksettomiin mittausjärjestelmiin. Seuraavat ovat kaikkein tärkeimpiä käyttöjä: - kaarevien osien, joita valmistetaan käyttämällä numeerisesti ohjattuja jyrsinkoneita tai levymäisen metallin stans- 30 sausmenetelmässä, laaduntarkkailu, - stanssaustyökalujen laaduntarkkailu ja muodonmuutostar-kastukset, - pintojen digitalisointi esimerkiksi esteettisessä tai aerodynaamisessa uusien tuotteiden muotoilussa, joko malli- 35 tai täydessä mittakaavassa.

Täydellinen pinnan geometrian kartoitus saadaan käyttäen lasertutkimusjärjestelmää, mikä tutkii koko pinnan. Tämä menetelmä on hyvin joustava, koska tutkimuskuvio voidaan 96902 22 helposti sovittaa pinnan kokoon ja muotoon ja tarkkuusvaa-timuksiin.

Tänään stanssattujen tuotteiden laaduntarkkailu perustuu 5 mekaanisten mallineitten käyttöön. Näitä käytetään pinnan geometrian tarkastamiseen lukumäärässä kriittisiä pisteitä. Jokaiselle eri tuotteelle on valmistettava erityinen malline. Tämä laaduntarkkailumenetelmä on aikaavievä, täten sen käyttö on rajoitettu vain pistetesteihin.

10

Geometrianmittausjärjestelmä, joka perustuu järjestelmään, jossa projisoidaan monia pistekokoisia täpliä, kuten ehdotettiin yllä, korvaa näiden mallineiden käytön täysin. Olennainen tieto on todellisen pinnan profiilin poikkeama nimel-15 lisarvoista tietyissä kriittisissä tarkastuspisteissä. Tämä järjestelmä voi käsitellä kaikkia luotuja valotäpliä samanaikaisesti ja tästä syystä antaa sellaisten poikkeamien hyvin nopean esityksen. Nimellisarvot luetaan suoraan CAD-pohjalta.

20 Yksi heijastusjärjestelmä, joka sisältää kaksoishilat, voi luoda noin 1000 valotäplää tarkastuspisteiksi pinnan poikki. Kuviotiheyttä voidaan edelleen lisätä käyttäen moniheijastus-järjestelmiä. Pinnan tutkiminen suoritetaan loppuun sekunneissa. Sellainen järjestelmä voi korvata nykyisen mallinei-25 den käytön autoteollisuudessa ja sallia kaikkien valmistetu- jen osien 100 % tarkkailun sarjatuotantolinjalla. Tämä mer-.· kitsee nopeampia, luotettavampia ja paljon joustavampia ratkaisuja. Järjestelmä voidaan helposti sovittaa tarkastamaan toista tuotantolinjaa, jossa on erilainen pinnan kaare-30 vuus, koska ei vaadita mitään uusien mallineiden valmistusta.

Joihinkin käyttöihin riittää yksi hila, joka kehittää valo-täplien viivan pinnan poikki. Esimerkki on auton puskurin kaarevuuden laaduntarkkailu.

Jos tarvitaan hyvin pieni lukumäärä tarkastuspisteitä, voidaan näitä pisteitä valaista käyttämällä paikallaan pysyviä laserlähteitä, ilman hiloja, suunnattuina pintaa kohti.

35 it 96902 23 Käyttämällä ehdotettuja ratkaisuja saadaan parantunut tuotteiden laatu johtuen useammin tapahtuvista ja luotettavammista tarkastuksista ja johtuen tarkkailun toteutettavuudesta nykyisten tekniikoiden ulkopuolelle. Järjestelmän kuoletusai-5 ka on hyvin hyvä johtuen sen kilpailukykyisestä hinnasta ja nykyisiä järjestelmiä laajemmasta käytöstä.

Useimpia käyttöjä varten mittausjärjestelmä tarvitsee kuljettaa mitattavan kohteen paikalle, esimerkiksi tuotantolinjalle io tai alihankkijan laitokselle. Tämä merkitsee, että koko laitteiston täytyy olla helposti kuljetettava ja sen toiminnan ei tulisi riippua kiinteiden kulma-antureiden asemista. Tämän keksinnön mukainen järjestelmä ei vaadi asiaan soveltuvaa mittauslaboratoriota. Edelleen järjestelmä voidaan suun-15 nitella teollisuusympäristöön.

Claims (14)

24 96902

1. Optoelektroninen kulma-anturilaite (28), joka mittaa ava-ruussuuntia kohti pistekokoisia valonlähteitä (10) tai heijastavia pisteitä, joita valaistaan erillisellä valonlähteel-5 lä, anturilaitteen käsittäessä kulma-anturin, jossa on pallo- linssi (2) ja kaksiulotteinen valoherkkien elementtien matriisi (3) , tunnettu siitä, että laitteeseen lisäksi sisältyy kuvankäsittelyväline (29) valonlähteiden tai valaistujen 10 pisteiden avaruussuunnan laskemiseksi valonlähteiden tai valaistujen pisteiden kuvan (12) korjaamattomasta asemasta sellaisina kuin ne rekisteröidään valoherkkien elementtien (11) matriisin (3) paikallisissa koordinaateissa, jolloin kuvankäsittelyvälineeseen sisältyy kaksiulotteinen 15 kalibrointitaulukko, joka liittää korjaamattomat asemat paikallisissa koordinaateissa kulmiin, jotka määräävät avaruus-suunnat, siten että kalibrointitaulukko luodaan vain yhdellä kalibroinnilla, joka suoritetaan laitteella, joka pystyy määrittämään kulma-anturin linssin (2) pyörähdyssymmetrian 20 keskuksen ja määrittämään anturilaitteen geometriset virheet, jotta saadaan avaruussuuntien ja kuvan (12) valoherkällä matriisilla (3) olevan aseman suhde, ja jolloin kuvankäsittelyvälineessä (29) on väline tilastollisen analyysin suorittamiseksi voimakkuus jakautumasta kerää-25 mällä ja vertaamalla monien vierekkäisten valoherkkien elementtien (11) rekisteröimät voimakkuusarvot ja näin parantamaan kulmamittausten resoluutiota ja tarkkuutta, jota muuten rajoittaa valoherkkien elementtien (11) koko.

2. Menetelmä, joka koskee optoelektronista kulma-anturia (28) , joka mittaa avaruussuuntia kohti pistekokoisia valonlähteitä (10) tai heijastavia pisteitä, joita valaistaan valonlähteellä, anturin käsittäessä pallolinssin (2) ja kaksiulotteisen valoherkkien elementtien (11) matriisin (3), 35 menetelmän ollessa tunnettu siitä, että kalibrointi suoritetaan vain kerran kalibroinnilla, joka sallii kulma-anturin (28) käytön eri sijainneissa vaatimatta mitään uudelleen kalibrointia, kalibroinnin käsittäessä: 96902 25 kulma-anturin linssin (2) pyörähdyssymmetrian (7) keskuksen määrittämisen korjaamalla säädettävän asennuslaitteen (4) sijaintia, joka asennuslaite on kiinnitetty kulma-anturiin asemassa, joka vastaa mainitun anturin pyörähdysakseleita (6) 5 niin, että jos linssin optinen akseli (5) määritetään x-akselina, asennuslaitteen (4) pystysuora symmetria-akseli määrittää kulma-anturin z-akselin, ja y-akseli määritetään sen suorakulmaisuudella x- ja z-akseleihin nähden, jolloin pyörähdys z-akselin ympäri määrittää vaakasuorat kulmat ja 10 pyörähdys y-akselin ympäri pystysuorat kulmat, asentamalla kulma-anturi pyörivän pöydän (13) päälle vaakasuoraan takaamaan, että optinen akseli on vaakasuora, asentamalla minimissään kaksi valonlähdettä (14, 15) suunnilleen samalle tasolle kuin optinen akseli (5) niin, että voidaan vetää suora linja 15 kahden valonlähteen ja pyörivän pöydän (13) pyörähdysakselin kautta, ja säätämällä kulma-anturin asennusta (4) pyörivään pöytään, kunnes kahden valonlähteen kuvat menevät päällekkäin, olkoon kulma-anturin pyörähdysasema mikä tahansa ja kiristämällä asennuslaite kulma-anturiin tähän asemaan, 20 kulma-anturin (28) kalibroimisen kulmien mittausta varten mainitun kahden pyörähdysakselin suhteen käyttäen olennaisen pystysuuntaan asennettua lineaarista välinettä, jossa on joko valonlähteiden (25, 26, 27) tai valaistujen heijastuspistei-den matriisi tai valaistu nauha tai rako (16), jonka lineaa-25 risen välineen pituus vastaa kulma-anturin näkökenttää yhdes sä dimensiossa, panemalla kulma-anturi vaakasuoraan niin, että yksi sen pyörähdysakseleista on tarkasti pystysuora, lineaarisen välineen ollessa asennettu yhdensuuntaisesti pyörähdysakselin kanssa, ja 30 joko asentamalla kulma-anturi korkean tason pyörivälle pöydälle (13) niin, että yksi pyörähdysakseleista on yhdensuuntainen ja yhtenevä pyörivän pöydän pyörähdysakselin kanssa, ja askelittain pyörittämällä kulma-anturia, kun lineaarisen välineen kuva ja vastaava pyörivän pöydän kulma 35 rekisteröidään samanaikaisesti kutakin askelta varten, tai askelittain liikuttamalla lineaarista välinettä tunnetussa suunnassa joka leikkaa anturin optisen akselin (5), ja rekisteröimällä valonlähteiden tai heijastuspisteiden lineaa- 96902 26 risen matriisin vaakasuora asema ja sitä vastaava kuva samanaikaisesti, näin määrittäen kulman ja valoherkän matriisin kuvan aseman välisen suhteen; ja 5 tämä menettely toistetaan toista kulma-anturin pyörähdys- akselia varten, mitä seuraa kaiken tiedon käsittely kaksiulotteisen kalibrointitaulukon tekemiseksi, mikä koskee ku-vakoordinaatteja avaruussuuntiin annettuna vaakasuuntaisena ja pystysuuntaisena kulmana, ίο jolloin kalibrointi perustuu valonlähteiden käyttöön, joilla on hyvin määritelty ja tunnettu spektrijakautuma, ja tilastollisesti analysoidaan monien vierekkäisten valoherkkien elementtien rekisteröimät voimakkuusarvot ja näin parannetaan kulmamittausten resoluutiota ja tarkkuutta, jota i5 muuten rajoittaa valoherkkien elementtien koko.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kalibrointi perustuu lineearisen välineen asentamiseen siten, että välineen pituus kattaa vain pienen osan 20 kulma-anturin (28) pystysuorasta näkökentästä ja että vain osa kulma-anturin (28) näkökentästä voidaan kalibroida kulma-anturi vaakatasossa, ja että loput kulma-anturin pystysuorasta näkökentästä kalibroidaan käyttäen asennuslaitetta (21, 23), mikä sallii kulma-25 anturin kallistamisen askelittain akselin ympäri, mikä on optisen akselin normaali niin, että kussakin kallistetussa asennossa kalibroidaan osa valoherkästä matriisista ja kallistuskulma mitataan käytettäväksi havaittujen kuvakoordi-naattien ja pyörivän pöydän kulman välisen suhteen laskemiin seksi.

4. Järjestelmä yhden tai useamman valopistelähteen tai heijastavan pisteen (35), jota valaistaan yhdellä tai useammalla valonlähteellä, avaruuskoordinaattien optoelektroniseksi mit- 35 taamiseksi kolmiulotteisessa avaruuskoordinaattisysteemissä jossa on kolme akselia, tunnettu siitä, että se sisältää ainakin kaksi kulma-anturia (28a, b) , joista jokaisessa on pallolinssi ja valoherkkien elementtien (11) kaksidimensio-naalinen matriisi (3) siten, että kulma-anturit on sovitettu II 96902 27 antamaan kuva (12) valonlähteistä tai valaistuista heijastavista pisteistä (35) sellaisina kuin ne on rekisteröity valoherkkien elementtien matriisin paikallisissa koordinaateissa, ko. tehtävään tarkoitettuja kuvankäsittely-yksikköjä 5 (29), kunkin yksikön käsitellessä kunkin vastaavan kulma- anturin rekisteröimän kuvan kaksiulotteisiksi kulma-arvoiksi kutakin valonlähdettä tai valaistua pistettä varten, joissa yksiköissä on välineet tilastollisen analyysin suorittamiseksi voimakkuusjakautumasta keräämällä ja vertaa-io maila monien vierekkäisten valoherkkien elementtien (11) rekisteröimät voimakkuusarvot mikä näin parantaa kulmamit-tausten resoluutiota ja tarkkuutta , jota muuten rajoittaa valoherkkien elementtien (11) koko, ja tietojenkäsittely-laitteen (30) kunkin valonlähteen tai valaistun pisteen 15 koordinaattien laskemiseksi, jolloin mainittu tietojenkäsit-telylaite sisältää välineen saamaan suhteet yksittäisten kulma-antureiden sisäisen koordinaattijärjestelmän ja yleis-koordinaattijärjestelmän välillä, siten että tietojenkäsittely laite suorittaa operaation jollain seuraavista tavoista: 20 asentamalla kulma-anturit yhdensuuhtaiseksi jonkin maini tun akselin kanssa ja tunnettuihin asemiin ja laskemalla niiden suuntaukset mitatuista avaruussuunnista valonlähteeseen tai valaistuun pisteeseen (41), mikä sijaitsee tunnetussa asemassa ja jota siten käytetään yleisenä vertailupisteenä, 25 laskemalla kulma-antureiden asemat ja suuntaukset las kemiseksi mitattujen suuntien pohjalta ainakin kolmeen valo-pistelähteeseen (38, 39, 40) tunnetuissa yleiskoordinaateis-sa, laskemalla kulma-antureiden asemat ja suuntaukset mitat-30 tujen suuntien pohjalta vähintään kuuteen valopisteeseen, missä niiden keskinäinen erotusetäisyys on tunnettu ainakin kahdelle niistä.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen optoelektroninen järjes-35 telmä, jossa kukin kulma-anturi (28) mittaa avaruussuuntia kohti pistemäisiä valonlähteitä (35) tai valonlähteen valaisemia heijastavia pisteitä, ja jossa kussakin kulma-anturissa (28) on pallolinssi (2) ja valoherkkien elementtien (11) kak- 96902 28 sidixnensionaalinen matriisi (3) , tunnettu siitä, että siihen kuuluu lisäksi välineet (29) valonlähteiden (35) tai valaistujen pisteiden avaruussuuntien laskemiseksi kuvan (12) asemasta tai va-5 lonlähteistä tai valaistuista pisteistä sellaisina kuin ne rekisteröidään va 1 oh er kk ien elementtien matriisin (3) paikallisissa koordinaateissa, joihin laskentavälineisiin sisältyy kaksidimensionaalinen kalibrointitaulukko joka luodaan vain yhdellä kalibroinnilla, joka sallii kulma-anturin käytön eri 10 sijainneissa vaatimatta uudelleen kalibrointia, joka kalibrointi on tuloksena kulma-anturin linssin (2) pyörähdyssym-metrian keskuksen (7) määrittämisestä ja valoherkällä matriisilla olevan kuvan avaruussuuntien ja aseman suhteiden määrittämisestä käyttämällä suuren tarkkuuden kulmareferenssiä, is jolloin kalibrointitaulukko on saatu käyttämällä valonlähtei tä, joilla on hyvin määritelty ja tunnettu spektrijakautuma, ja välineet (29) tilastollisen analyysin suorittamiseksi monien vierekkäisten valoherkkien elementtien rekisteröimistä 20 voimakkuusarvoista kulmamittausten resoluution ja tarkkuuden mittaamiseksi.

6. Patenttivaatimuksen 4 tai 5 mukainen järjestelmä, jossa valopistelähteet ovat liikutettavia, järjestelmän ollessa 25 tunnettu siitä, että tietojenkäsittelylaite (39) käsittää välineen kunkin valonlähteen tai valaistun pisteen koordinaattien dynaamisen käyttäytymisen laskemiseksi perustan kiinteän koordinaatti-järjestelmän tai toistensa suhteen. 30

7. Jonkun patenttivaatimuksen 4-6 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä että järjestelmä käsittää lukuisia pistekokoisia valonlähteitä (38, 39, 40) ja virransyötön valonlähteitä varten, 35 että ainakin kolme valonlähteistä on kiinnitetty kuhunkin lukuisista kohteista (42) niin, että valonlähteiden asemat ovat tunnettuja kohdekiinnitetyssä paikallisessa koordinaatti järjestelmässä, ja li 29 9 6 9 0 2 että tietojenkäsittelylaite (30) käsittää välineen laskemaan kunkin kohteen (42) absoluuttisen ja suhteellisen aseman perustan kiinteän koordinaattijärjestelmän tai toistensa suhteen, perustuen kunkin valonlähteen mitattuihin 5 yleiskoordinaatteihin.

8. Patenttivaatimuksen 4-6 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että järjestelmä käsittää välineen (33, 34) pinnan (36) io valaisemiseksi piste pisteeltä ja että tietojenkäsittely laite sisältää välineen tallettamaan pinnalla olevia pisteitä vastaavan koordinaattisarjan ja välineen näiden koordinaattien käyttämiseksi kuvaamaan pinnan geometrian.

9. Patenttivaatimuksen 4-6 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että järjestelmä käsittää lukuisia valonlähteitä (43, 44, 45) osoittamassa kiinteisiin suuntiin valaistakseen vastaavan lukumäärän pisteitä (46, 47, 48) kohteessa tai pinnalla (36) 20 ja että tietojenkäsittelylaite (30) sisältää välineen valaistujen pisteiden koordinaattien laskemiseksi ja niiden vertaamiseksi nimellisarvoihin.

10. Jonkun patenttivaatimukset 4-6 mukainen järjestelmä 25 tunnettu siitä, että järjestelmä sisältää välineen pinnan valaisemiseksi piste pisteeltä, käsittäen suunnatun valonlähteen (55), joka emittoi valonsäteen (57), diffraktiohilan (49), ja keskitys-optiikan (56) hyvin määriteltyjen erillisten pistekokoisten 30 valotäplien (58), jotka muodostavat kaarevan viivan pinnan (36) poikki, kuvion saamiseksi.

11. Jonkun patenttivaatimuksen 4-6 mukainen järjestelmä tunnettu siitä, 35 että järjestelmä sisältää välineen pinnan valaisemiseksi piste pisteeltä, käsittäen suunnatun valonlähteen (55), joka emittoi valonsäteen (57), kaksi diffraktiohilaa (49, 59), joista kukin jakaa tulevan valonsäteen moniksi valonsäteiksi ja jotka on asennettu yhteen niin, että kahden hilan kuitujen 96902 30 pitkittäiset akselit ovat suorakulmaisia, ja keskitysoptiikan (56) erillisten pistekokoisten valotäplien (58) kaksiulotteisen kuvion saamiseksi pinnalle (36).

12. Jonkun patenttivaatimukset 4-6 mukainen järjestelmä tunnettu siitä, että järjestelmä sisältää välineen pinnan valaisemiseksi piste pisteeltä, käsittäen suunnatun valonlähteen (55), joka emittoi valonsäteen, diffraktiohilan (49), ja keskitysoptii-10 kan (56) hyvin määriteltyjen erillisten pistekokoisten valo-täplien (58), jotka muodostavat kaarevan viivan pinnan (36) poikki, kuvion saamiseksi, ja että järjestelmä sisältää yksiakselisen pyörivän peilin (34) liikuttamaan projisoitujen valotäplien viivaa pinnan 15 poikki suunnassa, joka on suorakulmainen valotäplien viivan suuntaan nähden.

13. Minkä tahansa patenttivaatimuksista 10-12 mukainen op-toelektroninen järjestelmä pinnalla sijaitsevien pisteiden 20 avaruuskoordinaattien mittaamiseksi, tunnettu siitä, että järjestelmä sisältää tietojenkäsittelylaitteen (30), joka pystyy kuvaamaan pinnan (36) geometriaa lukuisia valaistuja pisteitä (58) varten olevien mitattujen kordinaattiar-vojen pohjalta. 25

14. Minkä tahansa patenttivaatimuksista 10-12 mukainen op-toelektroninen järjestelmä pinnalla sijaitsevien pisteiden avaruuskoordinaattien mittaamiseksi, tunnettu siitä, että järjestelmä sisältää tietojenkäsittelylaitteen (30), 30 joka on suunniteltu vertaamaan kunkin valaistun pisteen (58) mitattuja avaruuskoordinaatteja nimellisarvoihin. Il 96902 31