JP2008524561A - 三角測量センサーを用いた部品計測装置及び評価ユニット - Google Patents

Abstract

この発明は、部品の高さプロフィルを求めるために、少なくとも一つの三角測量センサーを備えたレーザー三角測量器を用いて、水平な移動方向にレーザー三角測量器に対して相対的に移動可能な設置面上に部品を配置して部品を計測する装置に関する。この装置では、測定面内における部品の高さプロフィル及び側面プロフィルを求めるために、少なくとも二つの三角測量センサーが、少なくとも一つの共通の測定面内に位置をずらして配置されている。

Description

この発明は、部品の高さプロフィルを求めるために、少なくとも一つの三角測量センサーを備えたレーザー三角測量器を用いて、水平な移動方向にレーザー三角測量器に対して相対的に移動可能な設置面上に部品を配置して部品を計測する装置に関する。

更に、この発明は、前記の部品を計測する装置のための評価ユニットに関する。

特許文献１により、レーザー三角測量器を用いて部品の高さプロフィルを求める、部品を計測する装置が周知である。この周知の装置は、部品の平坦な、或いは湾曲した表面の高さ画像を求めることに限定されたものである。

特許文献２により、レーザー三角測量器を用いて、紐状部品の高さプロフィルを検出する、部品を計測する装置が周知である。このレーザー三角測量器は、紐状部品の単一の表面上に向けられた、水平方向にレーザー三角測量器に対して相対的に移動可能な部品の垂直及び水平方向の計測を可能とする単一の三角測量センサーを備えている。このレーザー三角測量器は、比較的負担がかかり、部品の片側からの計測に限定されたものである。
ドイツ特許第１００６２２５１号明細書 ドイツ特許第４０２５６８２号明細書

この発明の課題は、部品を計測する装置又はその装置のための評価ユニットを改善して、小さい負担で部品の三次元的な幾何学的形状を非接触により計測可能とすることである。

この課題を解決するために、この発明は、請求項１の上位概念に関して、測定面内における部品の高さプロフィル及び側面プロフィルを求めるために、少なくとも二つの三角測量センサーが、少なくとも一つの共通の測定面内に位置をずらして配置されていることを特徴とする。

この発明による装置の特別な利点は、部品の輪郭を完全に調査することができる、部品の幾何学的な検査、即ち、三次元の検査が可能なことである。この発明では、少なくとも二つの三角測量センサーが、共通の測定面内に位置をずらして配置されており、その結果それらにより構成される検出ユニットが、言わばレーザー測定カーテンを構成し、そのカーテンを通して、部品を設置面上に置いて相対的に移動させるものである。

限られた空間範囲内における距離測定又は高さプロフィル測定だけが可能な三角測量センサーを空間的にずらして配置することにより、任意の大きさの測定領域の評価を行うことが可能となる。そのため、部品と三角測量センサー間の相対的な動きと関連して、簡単な手法で部品の三次元によるプロフィル測定を行うことができる。有利には、部品の多くの相異なる幾何学的形状を検出することができるように、三角測量センサーを互いに相対的に配置するか、或いは三角測量センサーの数を規定する。有利には、三角測量センサーは、複数の測定面内に配置され、それらの面内において、移動方向に対して交差して一列に配置されており、それぞれ部品に対して同じ空間方向を向いている。測定面は、有利には、部品の移動方向に対して互いにずらして配置される。

この発明の改善構成では、三角測量センサーは、三角測量センサーの相異なる面の光軸が互いに鋭角を成す形で互いにずらして配置される。このようにして、部品の完全な幾何学的形状を三次元の観点から検出可能であることが保証される。

この発明の改善構成では、部品の設置面は、三角測量センサーと部品間の相対的な動きを実現するために、精密移動機器を用いて移動することが可能な形に構成される。

この課題を解決するために、この発明による評価ユニットは、請求項１７の上位概念に関して、部品の目標データが、電子的に生成される三次元の基準モデルとして存在し、その基準モデルは、比較の際に、基準点及び／又は基準となる頂点の位置を合わせる形で、実際のデータにより表される実際のモデルと重ね合わされることを特徴とする。

この発明による評価ユニットの特別な利点は、検査する部品の方向を調整する必要の無い形で、所定の基準モデルと検出した実際のモデル間において三次元的に形状を合わせることが可能になることである。基準モデルの目標データを保存した計算ユニット、有利には、コンピュータを用いて、部品の幾何学的形状の自動的な又は手動による評価が行われる。

評価ユニットの改善構成では、実際のモデルの予め選定可能な幾何学特性を検査することが可能な検査プログラムが配備される。有利には、それによって、例えば、穴の間隔、穴の直径、半径、形状の精確さ又はその他の幾何学特性の検査などの部品の幾何学的形状の瞬間的な検査が、有利に、或いは排他的に行うことができる。

評価ユニットの改善構成では、そこで算出された評価データがメモリに保存され、その結果幾何学特性及び製造場所に関する部品の追跡可能性が得られる。

以下において、この発明の実施例を図面にもとづき詳しく説明する。

この発明による部品２を計測する装置１は、部品２の製作時に用いられ、完成した部品２の幾何学的形状を検査する役割を果たす。

この発明による装置１は、基本的にレーザー三角測量器３と、評価ユニット４と、計測する部品２を載せるための設置面５とから構成される。

部品２用の設置面５は、位置を固定して振動を吸収する形に据え付けられた設置台として構成されている。設置台５の寸法は、例えば、１．５ｍｘ０．６ｍである。

レーザー三角測量器３は、水平な移動方向６に設置台５に対して相対的に移動可能な形で配置されている。そのために、図示されていない駆動部をレーザー三角測量器３に組み込むことができる。

この発明の図１による第一の実施構成では、レーザー三角測量器３は、互いに等しい間隔に配置された三つの三角測量センサー９を備えており、それらのセンサーは、移動方向６に対して交差する形で移動可能な支持体１１の水平な横梁１０上に固定されている。三角測量センサー９は、横梁１０の下側に固定されており、それらの各レーザービーム１２により、水平な移動方向６に対して垂直に、かつ設置台５に対して垂直に延びる垂直な測定面１３を形成している。

横梁１０の高さは、支持体１１の垂直方向に延びる脚部１４の長さにより決まり、これらの脚部は、それぞれ横梁１０の端部と設置台５の間を延びている。脚部１４の高さは、例えば、０．２ｍとすることができる。そのため、支持体１１は、移動可能な橋脚又は三角測量センサー９と組み合わせて移動可能な光学的なカーテンを形成し、このカーテンを通して、部品２を水平な移動方向６に対して相対的に移動させる。部品２は、設置台５上の任意の位置に保持することができる。このような三角測量センサー９の配置によって、垂直な測定面１３内において、方向ｈにおける高さプロフィルと方向ｑにおける側面プロフィルの両方を検出する。そうすることによって、二次元的な観点での部品２の完全な輪郭測定が行われ、その場合連続的に、或いは短い時間間隔で行われる支持体１１の移動によって、三角測量センサー９による部品２の完全な検出と共に、部品２の完全な三次元による輪郭測定が可能となる。

評価ユニット４では、レーザー三角測量器３により供給される計測した部品２の実際のデータと、評価ユニット内に保存された部品２の目標データとの比較が行われる。部品２の目標データは、例えば、ＣＡＤ技術を用いて、三次元の電子的な形式で存在する、部品２の基準モデルを表している。この基準モデルには、取得した実際のデータを基準モデルと合わせるための基準となる幾何学的形状（穴、円筒、頂点、輪郭形状）を組み込むことができる。モデルを互いに合わせるための第二の方法は、適合度計算を用いることである。この手法により、部品２を設置面５上の任意の位置に置いて作業通りに部品２の測定を行うことができる。評価ユニット４の評価プログラムにより、基準モデルの特異な基準点をそれに対応する実際のモデルの特異点と重ね合わせて、実際のモデルを基準モデルに自動的に合わせることが可能となる。

評価ユニットは、検査プログラムを有し、そのプログラムを用いて、実際のモデルの予め選定可能な幾何学特性が基準モデルと一致するかを検査する。それによって、例えば、部品２の特に製造と関連した（誤差を含む）特性を検査することができる。この幾何学的形状の検査には、例えば、部品２の穴の間隔、穴の直径、一定の半径及び形状の精確さの中の一つ以上を含めることができる。

評価ユニット４では、実際のモデルの基準モデルとの偏差を計算して、モニター又はプリンターを用いた出力により通常の形式で操作員に表示する。この表示には、所定の誤差の閾値を上回ったことが含まれ、そのことは、特に、対応する製造設備の設定変更と結び付けることができる。

更に、評価ユニット４は、評価ユニットで算出した評価データを保存するためのメモリを有する。それにより、製造場所及び製造時間に関する部品２の追跡可能性が保証される。

図２による装置１の第二の実施構成では、部品２０は、移動可能な設置台１８上に置かれる。部品２０を支持する設置台１８は、駆動部を用いて水平な移動方向６に動かされ、その場合設置台１８は、精密移送機１７を用いて移送される。例えば、設置台１８は、ベルトコンベヤーとして構成することもできる。

図２に図示した三角測量器３は、高さｈと部品２０に対する向きの両方を互いにずらして配置された少なくとも三つの三角測量センサー２１を有する。中央の三角測量センサー２１’は、設置台上における設置台１８の中央断面２２の領域に配置されている。この中央の三角測量センサー２１’の光軸２３は、垂直な測定面１３内を設置台１８に対して垂直に延びている。中央の三角測量センサー２１’の両側に配置された外側の三角測量センサー２１''の光軸２４は、それぞれ中央の三角測量センサー２１’の光軸２３に対して鋭角に延びている。

中央の三角測量センサー２１’は、外側の三角測量センサー２１''に対して高さをずらして配置されている。

鋭角αに向けられた外側の三角測量センサー２１''によって、高さプロフィルの測定の他に、部品２０の側面プロフィルの測定も保証されることとなる。

三角測量センサー９，２１，２１’，２１''が、水平な移動方向６に対しても互いにずらして配置されていることが分かる。この場合、垂直な測定面１３は、ある程度の「幅」を有する。

部品２，２０は、例えば、金属板から成る部品として構成することができる。レーザー三角測量器３の測定精度又はその解像度は、０．２ｍｍよりも小さくすることができる。測定プロセスは、一分以内に完了することができ、部品２のアンダーカットが有る場合、更なる測定プロセスを続けて測定時間を延長することができる。

基準モデル又は検査プログラムは、分散配置された評価ユニット４と接続された中央のデータサーバーに保存することができる。

この発明の図３及び４に図示した実施例では、それぞれ一列に配置された複数の三角測量センサー９を有する複数の測定面１３が、水平な移動方向６に対して順番に配置されている。この場合、一つの測定面１３の三角測量センサー９は、それぞれ部品２又は垂直面３０，３１に関して同じ空間的な方向／入射角を有する。例えば、三角測量センサー９は、第一の測定面１３’内において、それぞれ垂直面３０に対して第一の鋭角を成し、垂直面３０は、移動方向６に対して平行に延びている。この場合、この鋭角は、垂直面内を延びるとともに、センサーの光軸は、移動方向６に対して交差して右方向を向いている。そうすることによって、特に、計測する部品３３の移動方向６に延びる側面プロフィル３３’を検出する検出領域又は走査領域３２’が得られる。

移動方向６に対して後置された第二の測定面１３''の三角測量センサー９は、前述したセンサーと同様に、移動方向６と平行に延びる垂直面３０に対して鋭角な方向を向いている。第二の測定面１３''の三角測量センサー９の光軸は、測定面１３’と異なり、移動方向６に関して垂直面３０の左方向を向いており、その結果特に、移動方向６に延びる右側の側面プロフィル３３''を検出する検出領域又は走査領域３２''が得られる。有利には、第二の測定面１３''の三角測量センサー９は、垂直面３０に関して第一の測定面１３’の三角測量センサー９と鏡面対称に配置されている。

第三及び第四の測定面１３''’と１３^IV内において、三角測量センサー９，９’は、移動方向６と垂直に延びる垂直面３１に対して鋭角βに配置されている。第三の測定面１３^''' 内において、三角測量センサー９’の光軸は、移動方向６と反対方向に対して所定の角度β、例えば、３０°に対応する方向に向けられる、或いは入射し、その結果移動方向６と反対方向を向いた検出領域又は走査領域３２^''' が得られる。そうすることによって、上側の高さプロフィル３３^IVの他に、特に、部品３３の移動方向６に対して前方の側面プロフィル３３^''' が検出される。そうすることによって、移動方向６における部品３３の垂直な側面だけでなく、移動方向６に対して交差して延びる急勾配の側面も検出することができる。

垂直面３１に関して第三の測定面１３^''' の三角測量センサー９’と鏡面対称に配置された第四の測定面１３^IVのセンサー９によって、特に、部品３３の後方の側面プロフィル３３^V を検出する検出領域３２^IVを構成することができる。

当該の測定面１３’，１３^''，１３^''' ，１３^IVの方向に向けられた三角測量センサー９，９’によって、部品３３の完全な幾何学的形状を検出することができる。この発明による装置は、設置面５の縦側に渡って拡げること無く、相対的に小さい幅を有するものとなる。

これに代わって、測定面１３’，１３^''，１３^''' ，１３^IVに追加して、光軸が垂直方向に対して下向きの図示されていない測定面を更に配備することもできる。そうすることによって、陰となるために測定面１３’，１３^''，１３^''' ，１３^IVの斜めに向けられた三角測量センサー９では検出することができない、部品３３の比較的深い「谷間」を検出することができる。

前述した実施例では、測定面１３’，１３^''，１３^''' ，１３^IVに対応する三角測量センサー９は、それぞれ移動方向６と交差する方向に対して位置のずれを有する。相異なる測定面１３’，１３^''，１３^''' ，１３^IVの三角測量センサー９は、移動方向６に沿った位置のずれを有する。

これに代わって、測定面１３’，１３^''，１３^''' ，１３^IVの三角測量センサー９は、垂直面３０及び／又は垂直面３１に関して相異なる方向に向けることもできる。

この発明の実施形態では、一つの測定面の三角測量センサーは、相異なる波長領域で動作し、それぞれ三角測量センサーに対応する複数の個別座標系における部品の検出又は計算が行われる。三角測量センサーの数は、部品の大きさと幾何学的形状に依存する。例えば、第一の測定面の第一の三角測量センサーは、６２０ｎｍの波長領域で、同じ測定面の第二のセンサーは、６４０ｎｍの波長領域で、同じ測定面の第三のセンサーは、６６０ｎｍの波長領域で動作することができる。これらのセンサーにより検出された各画像データ（実際のデータ）は、評価ユニットの共通の全体座標系に纏められて、次にＣＡＤモデル又は三角測量センサーを用いて事前に検出しておいた部品の基準モデルの目標データと比較される。そうすることによって、有利には、個々のセンサーにより検出される部品の領域の重なり合いのために起こる、望ましくない、測定面内における測定結果を互いに妨害し合うことが防止される。

この効果は、三角測量センサーの前に相応のカラーフィルターを置くことによって促進することができる。

これに代わって、構造光又は写真測量にもとづく三角測量センサーを採用することができる。これに代わって、三角測量センサーが、閃光の伝搬時間を評価するために３Ｄカメラを有することもできる。

この発明の代替えの実施構成では、測定装置又は測定面を複数回通過させる形で部品を案内するものと規定することができる。その次に、検出したデータは、評価ユニットにおいて全体モデルに組み合わされる。

三角測量センサーは、有利には、校正された状態で配置され、互いに固定的な相対位置を有する。

この発明の図５と６による別の実施構成では、直立した柱の他に、その柱の上方端部と接続された横梁４３を備えた、移動方向６に移動可能な支持体４１が配備されている。横梁４３の垂直に延びる壁面上には、三つの三角測量センサー９を備えた支持板４４が配置されており、その支持板は、横梁４３の縦軸４２の周りを旋回可能な形に軸支されている。そのために、調整機器４０は、調整手段として、例えば、図示されていないステッピングモーターを有し、そのモーターを用いて、三角測量センサー９は、部品２の基準モデルにより得られた目標データに依存して、自動的に基準モデルと同期した方向に向けられる。そうすることによって、三角測量センサー９の部品２に対する向きを目標データから確実に調整することができ、その結果部品２の高さプロフィル及び側面プロフィルの実際の幾何学的形状を最適に検出することが可能となる。

更に、調整機器４０は、回転軸４５が横梁４３の縦軸４２に対して垂直に延びており、その回転軸４５の周りを旋回可能な形に三角測量センサー９を軸支するための調整手段を備えることができる。有利には、回転軸４５は、水平方向に延びている。このようにして、三角測量センサー９の部品２に対する改善された方向付けを実現することができる。調整手段として、センサー９にそれぞれステッピングモーターを組み込むことができ、センサー９は、離散的に、有利には、等間隔に動かれる形で回転される。

代替えの実施構成では、支持板４４及び個々のセンサー９用の調整手段は、縦軸４２又は回転軸４５の周りの連続的な位置に支持板４４又はセンサー９を設定する形で構成することもできる。そのために、サーボモーターを用いることができる。

この発明による装置の変化形態では、三角測量センサー９が開始位置に有る場合に、第一の大雑把な走査動作により部品２の位置を決定することができる。第二の工程において、第二の主走査動作が行われ、その場合部品２の実際のデータを検出するために、基準モデルの目標データに合わせて、三角測量センサー９の部品２に対する自動的な方向付けが行われる。その場合、三角測量センサー９の向きを目標データに動的に合わせている。これにより、部品２の高さプロフィル及び側面プロフィルの検出を一層最適化することができる。

この装置の代替えの変化形態では、調整機器４０は、第一の大雑把な走査動作において、部品の目標データを考慮すること無く、部品２の位置と寸法だけを検出する調整手段を備えることもできる。第二の主走査動作において、三角測量センサー９を固定的に配置するか、或いは移動させる形で部品２の測定点データ（実際のデータ）が検出される。

有利には、図５と６による装置の実施構成によって、部品２の走査の改善、特に高速化が可能となる。有利には、三角測量センサー９は、部品２の位置と向きを比較的短時間で検出することを可能とするために、ビデオセンサーとして構成することができる。

この発明の第一の実施構成による部品計測装置の斜視図 この発明の第二の実施構成による装置の測定面領域における垂直断面図 この発明の第三の実施構成による装置の平面図 図３の装置をＸ方向から見た側面図 この発明の第四の実施構成による装置の斜視図 図５の装置の側面図

Claims (19)

1. 部品の高さプロフィルを求めるために、少なくとも一つの三角測量センサーを備えたレーザー三角測量器を用いて、水平な移動方向にレーザー三角測量器に対して相対的に移動可能な設置面上に部品を配置して部品を計測する装置において、
   測定面（１３）内における部品（２，２０）の高さプロフィル及び側面プロフィルを求めるために、少なくとも二つの三角測量センサー（９，２１，２１’，２１^''）が、少なくとも一つの共通の測定面（１３）内に位置をずらして配置されていることを特徴とする装置。
2. 三角測量センサー（９）が、共通の測定面内に一列に、有利には、水平な移動方向（６）に対して交差して配置されているか、或いはこのような水平な移動方向（６）に対して交差して一列に配置された三角測量センサーが、水平な移動方向（６）に対して互いにずらして配置されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 測定面内に一列に配置された三角測量センサー（２１，２１’，２１^''）及び／又は第一の測定面の三角測量センサーが、隣接する測定面の三角測量センサーに対して互いに固定的な、或いは変更可能な鋭角（α）を成して配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の装置。
4. 中央の三角測量センサー（２１’）が、設置面上の設置面（１８）の中心断面（２２）の領域に配置されており、この三角測量センサー（２１’）の光軸（２３）が、設置面（１８）に対して垂直に、或いはそれと異なる向きに延びていることを特徴とする請求項３に記載の装置。
5. 中央の三角測量センサー（２１’）の両側には、それぞれ三角測量センサー（２１^''）が連なっており、その光軸（２４）が、一方では中央の三角測量センサー（２１’）の光軸（２３）と共に有利には垂直な測定面（１３）内に延びるとともに、他方ではそれぞれ中央の三角測量センサー（２１’）の光軸（２３）に対して有利には変更可能な鋭角（α）に延びていることを特徴とする請求項３又は４に記載の装置。
6. 中央の三角測量センサー（２１’）は、外側の三角測量センサー（２１^''）に対して垂直方向に上方にずらして、或いは変更可能な形に配置されていることを特徴とする請求項３から５までのいずれか一つに記載の装置。
7. 設置面（１８）が、精密移送機（１７）を用いて再現可能な形かつ位置決め可能な形に構成されていることを特徴とする請求項１から６までのいずれか一つに記載の装置。
8. 三角測量センサー（９）が、共通の固定的な支持体（１１）上に固定されていることを特徴とする請求項１から７までのいずれか一つに記載の装置。
9. 三角測量センサー（９）が、それぞれ三角測量センサー（９）の支持体（４１）に対して個別に移動可能な形及び／又は相対的に同期して移動可能な形に軸支された形態で、調整機器（４０）が配備されていることを特徴とする請求項１から７までのいずれか一つに記載の装置。
10. 調整機器（４０）が、支持体（４１）の横梁（４３）の縦軸（４２）の周りを旋回可能な形で横梁（４３）上に軸支された支持板（４４）を有し、その支持板上には、三角測量センサー（９）が、固定的な形及び／又は横梁（４３）の縦軸（４２）に対して直角方向に延びる回転軸（４５）の周りを旋回可能な形に軸支された形態で配置されていることを特徴とする請求項９に記載の装置。
11. 調整機器（４０）が、三角測量センサー（９）の方向を部品（２）に対して連続的又は離散的に、有利には、同じステップ幅で調整する調整手段を有することを特徴とする請求項９又は１０に記載の装置。
12. 調整機器（４０）が、部品（２）の基準モデルにより得られる部品（２）の目標データに依存して、三角測量センサー（９）の方向を自動的に調整するか、三角測量センサー（９）の位置を決定するか、或いはその両方を行う調整手段を有することを特徴とする請求項９から１１までのいずれか一つに記載の装置。
13. 調整機器（４０）が、固定的な開始位置に有る三角測量センサー（９）の第一の大雑把な走査動作により、部品（２）の位置を検出し、次に、第二の主走査動作において、部品（２）の実際のデータを検出するために、部品（２）の目標データに合わせて、部品（２）に対する三角測量センサーの方向を自動的に調整する調整手段を有することを特徴とする請求項９から１１までのいずれか一つに記載の装置。
14. 調整機器（４０）が、第一の大雑把な走査動作において、部品の目標データを考慮すること無く、部品（２）の位置と寸法だけを検出するとともに、第二の主走査動作において、三角測量センサー（９）を固定的に配置するか、或いは移動させる形で部品（２）の実際のデータを検出することを特徴とする請求項９から１３までのいずれか一つに記載の装置。
15. 支持体（４１）及び／又は横梁（４３）が、水平な移動方向（６）に移動可能な形に軸支されていることを特徴とする請求項１から１４までのいずれか一つに記載の装置。
16. 三角測量センサー（９）が、ビデオセンサーとして構成されていることを特徴とする請求項１から１５までのいずれか一つに記載の装置。
17. 部品（２，２０）の目標データを部品（２，２０）の実際のデータと比較する、請求項１から１６までのいずれか一つに記載の部品を計測する装置のための評価ユニットにおいて、
    部品（２，２０）の目標データが、電子的に生成される三次元の基準モデルとして存在し、その基準モデルは、比較の際に、基準点を合わせる形で実際のデータにより表される実際のモデルと重ね合わされることを特徴とする評価ユニット。
18. 評価ユニット（４）が、部品（２，２０）の実際のモデルの予め選定可能な幾何学特性を自動的に検査することが可能な検査プログラムを有することを特徴とする請求項１７に記載の評価ユニット。
19. 評価ユニット（４）が、評価データを保存するためのメモリを有することを特徴とする請求項１７又は１８に記載の評価ユニット。

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