SE463483B

SE463483B - Arrangement for measurement of a measurement point on a surface

Info

Publication number: SE463483B
Application number: SE8901219A
Authority: SE
Inventors: R Wiklund
Original assignee: Geotronics Ab
Priority date: 1989-04-06
Filing date: 1989-04-06
Publication date: 1990-11-26
Also published as: SE8901219L; SE8901219D0

Abstract

The invention relates to an arrangement for measurement of measurement points on a surface. A main measuring station with distance measuring equipment is held aimed towards marking equipment positioned in relation to the surface and determines continuously the position thereof. The marking equipment itself has an angular-deviation measurement arrangement 23 which measures the angle between the stretch between the marking equipment and the main measurement station and a normal to the marking equipment, and also a vertical angle sensor arrangement 25 which measures the angular position of the marking equipment in relation to a vertical in at least two mutually opposite directions. The marking equipment also has a distance sensor unit 26 which indicates the distance to the measurement surface. On the basis of all the measurement data obtained, a calculating unit 27 calculates the coordinates of each measurement point. <IMAGE>

Description

463 485 10 15 20 25 30 35 40 Uppfinningen beskrivs närmare nedan under hänvisning till de bifogade ritningarna, där fig. 1A visar en första utföringsform av ett arrangemang en- ligt uppfinningen, fig. 1B visar'ett vektordiagram, med vars hjälp arrangemanget i fig. 1A klargörs, fig. 2 visar en andra utföringsform av arrangemanget enligt upp- finningen tillämpat på uppmätning av den yttre formen av en bil, fig. 3 visar en variant av den i fig. 2 visade utföringsfor- men och fig. 4 visar ytterligare en variant av den i fig. 2 visade ut- föringsformen. The invention is described in more detail below with reference to the accompanying drawings, in which Fig. 1A shows a first embodiment of an arrangement according to the invention, Fig. 1B shows a vector diagram, by means of which the arrangement in Figs. Fig. 2A shows a second embodiment of the arrangement according to the invention applied to measuring the external shape of a car, Fig. 3 shows a variant of the embodiment shown in Fig. 2 and Fig. 4 shows further a variant of the embodiment shown in Fig. 2.

I fig. 1A visas en stav 1 försedd med en enhet 2, som visas schematiskt inom streckade linjer och i en betydligt större storlek än den verkliga. Dessutom har staven 1 en enkel rikt- anordning 3, här visad i form av ett kubhörnsprisma, mot vil- ken en huvudstation (icke visad) siktar. Huvudmätstationen har en avståndsutrustning omfattande en avståndsmätare och en vertikal- och horisontalvinkelmätare för att mäta avståndsmä- tarens inriktning. Huvudmätstationen mäter kubhörnsprismats 3 position (Xp, Y , ZP) (fig. 1B). Företrädesvis är huvudmät- stationen av enpsådan typ, som automatiskt ställer in sig mot ett mål och sedan följer detta. Utformningen av en dylik sta- tion beskrivs icke närmare, eftersom detta icke har något sam- band med den uppfinningsidê, som beskrivs här. Ej heller visas eventuella arrangemang på staven för att hjälpa till vid huvud- mätstationens inställning och målföljning. Ett målföljningsarran- gemang visas emellertid i den samlöpande svenska patentansök- ningen nr 8901221-5.Fig. 1A shows a rod 1 provided with a unit 2, which is shown schematically within dashed lines and in a much larger size than the actual one. In addition, the rod 1 has a simple directing device 3, shown here in the form of a cube corner prism, towards which a main station (not shown) aims. The main measuring station has a distance equipment comprising a distance meter and a vertical and horizontal angle meter to measure the direction of the distance meter. The main measuring station measures the position of the cube corner prism 3 (Xp, Y, ZP) (Fig. 1B). Preferably, the main measuring station is of the one-of-a-kind type, which automatically adjusts to a target and then follows it. The design of such a station is not described in more detail, since this has no connection with the inventive idea described here. Nor are any arrangements shown on the pole to assist in the main measuring station's setting and target tracking. However, a case tracking arrangement is shown in the co-pending Swedish patent application no. 8901221-5.

Ett från huvudmätstationen utsänt, nästan kollimerat ljus- knippe S träffar en optik bestående av en linsenhet 4 och ett filter 5, som filtrerar bort bakgrundsljuset genom att filtre- ra bort alla våglängder utom ett smalt område omkring det infallande ljusknippets våglängd. Optiken fokuserar ljuset mot en detektorenhet 6 med en utbredd area, på vilken en infallan- de strålningsträffpunkt är indikerbar. Detektorenheten 6 kan omfatta flera detektorer eller t.ex. vara en kvadrantdetektor 10 15 20 25 30 35 463 483 eller en s.k. SITEC-detektor. Signalerna från detektorenheten 6 indikerande träffpunktsläget på denna matas till en för- stärkare 7 och därefter till en analog/digital-omvandlare B. som matar en digital signal indikerande träffpunkten till en dator 9. Datorn 9 beräknar med ledning av den angivna träff- punkten vinkelavvikelsen 01 (se fig. lB) mellan normalen N mot staven och det nästan kollimerade ljusknippet S från huvudmätstationen.An almost collimated light beam S emitted from the main measuring station strikes an optic consisting of a lens unit 4 and a filter 5, which filters out the backlight by filtering out all wavelengths except a narrow area around the wavelength of the incident light beam. The optics focuses the light towards a detector unit 6 with a spread area, on which an incident radiation point of impact is indicative. The detector unit 6 may comprise several detectors or e.g. be a quadrant detector 10 15 20 25 30 35 463 483 or a so-called SITEC detector. The signals from the detector unit 6 indicating the hit point position thereon are fed to an amplifier 7 and then to an analog / digital converter B. which feeds a digital signal indicating the hit point to a computer 9. The computer 9 calculates the angular deviation on the basis of the specified hit point. 01 (see Fig. 1B) between the normal N against the rod and the almost collimated light beam S from the main measuring station.

Två vertikalvinkelmätare 10 och 11 mäter vertikalvinkeln i två inbördes ortogonala riktningar. Lämpligen utgörs vertikal- vinkelgivarna av två pendelaccelerometrar eller av en dubbel- pendelaccelerometer. Vertikalvinkelgivarna 10 och ll ger information om stavens 2 avvikelser 02 respektive 93 (Fíg. lB) från lodrätt läge. Deras utsignaler analogldigital- -omvandlas i en analog/digital-omvandlare 12 och matas till datorn 9.Two vertical protractors 10 and 11 measure the vertical angle in two mutually orthogonal directions. Suitably, the vertical angle sensors consist of two pendulum accelerometers or a double pendulum accelerometer. The vertical angle sensors 10 and 11 provide information about the deviations 02 and 93 (Fig. 1B) of the rod 2 from the vertical position. Their output signals are analog-to-digital converted into an analog-to-digital converter 12 and fed to the computer 9.

Huvudmätstationens mätresultat matas även till datorn 9. Över- föringen av data kan ske på olika sätt. t.ex. via kabel eller via radioförbindelse, modulation på överförd optisk sträle eller dylikt. Det är också möjligt att lagra alla data vid mättillfället separat i staven och i huvudmätstationen och vid ett senare tillfälle överföra data från huvudstationen till datorn 9. eller överföra data från både huvudstationen och staven till någon annan dator som får utföra beräkningarna.The measurement results of the main measuring station are also fed to the computer 9. The transmission of data can take place in different ways. for example via cable or via radio connection, modulation on transmitted optical beam or the like. It is also possible to store all the data at the measurement time separately in the rod and in the main measuring station and at a later time transfer data from the main station to the computer 9. or transfer data from both the main station and the rod to another computer which may perform the calculations.

Avståndet 2 från en punkt för X0. YO. Zo. vilken är knutpunkt. där vinkelavvikelsemätanordningens 4-8 och verti- kalvinkelgivaranordningens 10. ll känsliga plan bildar vinkel med varandra är känd liksom avståndet från punkten (XP, YP, ZP) för prismat 3 och knutpunkten (X0, Yo. Z0) och är inmatade i ett minne i datorn 9. Genom geometriska beräkningar med användning av den uppmätta prismapositionen. strälningens S riktning. som företrädesvis överensstämmer med inriktningen hos huvudstationens avståndsmätare, de tre vink- larna ml. 92. m3 och de angivna avståndszonerna på staven beräknar datorn 9 läget för mätpunkten M. Resultatet kan visas på en presentationsenhet 14. ' 463 485 4 10 15 20 25 30 35 Mätförfarandet går ut på att rikta staven 1. vilken eventuellt kan vara utdragbar till bestämda lägen med uppmätta längder. sätta den på mätpunkten och därefter sikta in prismat och optiken mot huvudmätstationen. Han kan tänka sig prisma och ° optik vinklat mot staven för att lättare kunna användas och eventuellt göras vinklat i några valbara lägen. varvid in- - formation om aktuellt läge matas till datorn 9. som företrä- desvis är en míkrodator.The distance 2 from a point of X0. YO. Zo. which is the node. where the sensitive plane of the angle deviation measuring device 4-8 and the vertical angle sensor device 10. ll form an angle with each other is known as well as the distance from the point (XP, YP, ZP) of the prism 3 and the node (X0, Yo. Z0) and are input to a memory in computer 9. By geometric calculations using the measured prism position. the direction S of the radiation. which preferably corresponds to the orientation of the main station distance meter, the three angles ml. 92. m3 and the indicated distance zones on the rod, the computer 9 calculates the position of the measuring point M. The result can be displayed on a presentation unit 14. '463 485 4 10 15 20 25 30 35 The measuring method is to direct the rod 1. which may be extendable to fixed positions with measured lengths. place it on the measuring point and then aim the prism and optics at the main measuring station. He can imagine a prism and ° optics angled towards the rod so that it can be used more easily and possibly made angled in some selectable positions. whereby information about the current position is fed to the computer 9. which is preferably a microcomputer.

Istället för att ha en del av en stav. som ger avståndet I till mätpunkten kan avståndet ges av en avståndsmätare fast placerad och i inriktning med den linje. vars lutning avkänns av de två vertikalvinkelmätarna.Instead of having part of a rod. which gives the distance I to the measuring point, the distance can be given by a distance meter fixedly placed and in alignment with that line. whose inclination is sensed by the two vertical protractors.

I fig. 2 visas en utföringsform. där uppfinningsidèn utnyttjas vid uppmätning av en bilkaross. Det är besvärligt att direkt mäta in positionerna av de olika nätpunkterna på bilkarossen med direkt reflex. dvs. utan ditplacerade mätprismor. från en huvudmätstation. eftersom en dylik positíonsmätning lider av svagheten att: A. Reflexen är låg. eftersom ytan har dåliga reflektions- egenskaper.Fig. 2 shows an embodiment. where the inventive idea is used in measuring a car body. It is difficult to directly measure the positions of the various grid points on the car body with direct reflex. i.e. without measuring prisms placed there. from a main measuring station. since such a position measurement suffers from the weakness that: A. The reflex is low. because the surface has poor reflection properties.

B. Reflexen är ojämn över mätytan. vilket gör att det är svårt att bestämma vilken del av mätpunkten. som man verkligen mäter mot - detta speciellt vid ojämna ytor och vid snett infallande mätstråle.B. The reflex is uneven over the measuring surface. which makes it difficult to determine which part of the measuring point. which you really measure against - this especially with uneven surfaces and with obliquely incident measuring beam.

C. Räckvidden blir dålig i förhållande till mätning med t.ex. glasprismor.C. The range becomes poor in relation to measurement with e.g. glass prisms.

Ovanstående gäller speciellt då stora nätvolymer skall avkän- nas och mätningen skall utföras med stor precision.The above applies especially when large network volumes are to be detected and the measurement is to be performed with great precision.

Ett sätt att eliminera ovanstående problem är att dela upp mätningen i principiellt två mätningar: l. Ett huvudmätsystem A. som mäter positionen av ett prísma 21 eller system av prismor. som är fast place- rat på en robotarm 22. Huvudmätsystemet görs företrä- desvis målföljande. så att det automatiskt hålls inriktat mot och mäter posítonen mot prismat 21. 10 15 20 25 30 35 4348 (ß \_l 2. På robotens arm finns det andra mätsystemet placerat, vilket har en vinkelmätanordning 23 av exempelvis samma typ som 4-8 i fig. l. vilken anordning ger vinkeln mellan det från huvudmätsystemet A utsända. väsentligen kollímerade strålknippet 24 och normalen mot den yta. på vilken enheten 23 är placerad. Liksom i utföríngsformen i fig. l finns två vertikalvinkel- mätare. vilket enbart markeras med ett block 25. En avståndsmätare 26 av en typ. som automatiskt kan mäta avståndet till närmaste yta. är fast placerad på robotarmens 22 undersida. företrädesvis i inriktning med den linje de båda vertikalvinkelmätarna 25 mäter vinkeln mot. men den kan även placeras i en i förväg vald vinkel däremot.One way to eliminate the above problems is to divide the measurement into basically two measurements: l. A main measurement system A. which measures the position of a prism 21 or system of prisms. which is fixedly mounted on a robot arm 22. The main measuring system is preferably made as follows. so that it is automatically kept directed towards and measures the position against the prism 21. 10 15 20 25 30 35 4348 (ß \ _l 2. On the arm of the robot the second measuring system is placed, which has an angle measuring device 23 of for example the same type as 4-8 in Fig. 1, which device gives the angle between the substantially collimated beam 24 emitted from the main measuring system A and the normal to the surface on which the unit 23 is located. As in the embodiment in Fig. 1, there are two vertical angle meters, which are only marked with a block 25. A distance meter 26 of a type which can automatically measure the distance to the nearest surface is fixedly placed on the underside of the robot arm 22. preferably in the direction of the line the two vertical protractors 25 measure the angle to, but it can also be placed in a pre-position. selected angle, however.

Det går naturligtvis att använda en avståndsmätare av EDM-typ även som avständsmâtaren 26. men en sådan är onödigt dyr i detta sammanhang. Det finns andra. relativt billiga avstånds- mätare. som kan användas istället. speciellt om robotarmen 22 förs relativt nära karossens yta. Robotarmen styrs då för övrigt så att avständsmätaren 26 mäter så vinkelrätt som möj- ligt mot karossen. En avståndsmätare. som mäter korta avstånd med hög precision. är en s.k. OPTICATOR. vid vilken en utsänd laserstråle efter reflektion mot mätytan får träffa en SITEC- -detektor efter att ha löpt genom en optik. Robotarmen 22 visas av åskådlighetsskäl vara placerad relativt långt från bilkarossens yta. Med användning av en OPTICATOR förs robot- armen mycket nära bilkarossen. t.ex. med ett avstånd på mellan någon centimeter och en decimeter. Resultatet av avståndsmät- ningen ligger då inom en tolerans på omkring en eller ett par um. Annan typ av avståndsmätare 27 kan vara den interfero- metera"ftåndsmätare. som beskrivs i den internationella patentansökningen PCT/SE89/00009. Även andra typer av av- ståndsmätare kan användas. t.ex. av akustisk typ. Det väsent- liga med denna avståndsmätare är således att den mäter nog- grant på korta avstånd.It is of course possible to use an EDM-type rangefinder also as the rangefinder 26. but such a rangefinder is unnecessarily expensive in this context. There are others. relatively cheap rangefinders. which can be used instead. especially if the robot arm 22 is moved relatively close to the surface of the body. The robot arm is then controlled so that the distance meter 26 measures as perpendicularly as possible to the body. A rangefinder. which measures short distances with high precision. is a so-called OPTICATOR. in which a emitted laser beam after reflection towards the measuring surface may hit a SITEC detector after passing through an optic. For clarity, the robot arm 22 is shown to be located relatively far from the surface of the car body. Using an OPTICATOR, the robot arm is moved very close to the car body. for example with a distance of between a few centimeters and a decimeter. The result of the distance measurement is then within a tolerance of about one or a couple of μm. Another type of rangefinder 27 may be the interferometer "rangefinder" described in International Patent Application PCT / SE89 / 00009. Other types of rangefinders may also be used. For example of the acoustic type. distance meter is thus that it measures accurately at short distances.

Roboten kan vara av en mycket enkel. billig och onoggrann typ. 463 483 6 10 15 20 25 30 35 som till och med kan vara skakig. t.ex. en sådan som används för mälningsarbeten eller dylikt. eftersom noggrannheten i uppmätningen ges av mätarrangemanget enligt uppfinningen.The robot can be of a very simple. cheap and inaccurate type. 463 483 6 10 15 20 25 30 35 which can even be shaky. for example one used for painting work or the like. since the accuracy of the measurement is given by the measuring arrangement according to the invention.

Robotarmen 22 med delen B av mätarrangemanget enligt upp- finningen förs över mätobjektet. bilen. enligt ett inprogram- merat mönster. som ger en automatisk scanning med hög mätpre- cision. eftersom huvudsystemet hela tiden mäter mot prismat 21.The robot arm 22 with the part B of the measuring arrangement according to the invention is moved over the measuring object. the car. according to a programmed pattern. which provides an automatic scan with high measuring accuracy. because the main system constantly measures against the prism 21.

Det behöver inte heller vara en robotarm. som håller delen B' av mätarrangemanget utan detta kan vara anbragt i ett lådlik- nande hölje 31 och hållas av en människa. I denna utförings- form visas även ett utförande. där instrumentets A mätstråle 32 för avståndsmätning även utnyttjas för vinkelavvikelse- mätningen. vilket utföres med hjälp av ett väsentligen koaxiellt arrangemang. dvs prismat 3 och optiken 4. 5. 6 (i fig 1) är inte placerade med ett optiskt avstånd från var- andra. Koaxiella arrangemang är relativt vanliga inom optiken (se t ex US 4 712 915) och visas därför inte i en extra figur.It also does not have to be a robot arm. which holds the part B 'of the measuring arrangement without this can be arranged in a box-like housing 31 and held by a human. An embodiment is also shown in this embodiment. where the measuring beam 32 of the instrument A for distance measurement is also used for the angular deviation measurement. which is performed by means of a substantially coaxial arrangement. ie the prism 3 and the optics 4. 5. 6 (in Fig. 1) are not placed at an optical distance from each other. Coaxial arrangements are relatively common in optics (see, for example, US 4,712,915) and are therefore not shown in an additional figure.

Arrangemanget kan t ex bestå i att en stråldelare är placerad i strålgången framför det optiska systemet och riktar en del av den infallande strålningen mot prismat 3 och en annan del mot optiken 4. 5. 6. vilka optiska enheter då naturligtvis är riktade att mottaga strålning från stråldelaren.The arrangement may, for example, consist in that a beam splitter is placed in the beam path in front of the optical system and directs part of the incident radiation towards the prism 3 and another part towards the optics 4. 5. 6. which optical units are then of course directed to receive radiation from the beam splitter.

I stället för en stråldelare kan en snedställd spegel med li- ten area vara placerad centralt i strålgången och rikta den centrala delen av det infallande ljuset mot antingen prismat 3 eller optiken 4. 5. 6 (som då är riktad mot spegeln och inte rakt framåt som i fig 1).Instead of a beam splitter, a sloping mirror with a small area can be placed centrally in the beam path and direct the central part of the incident light towards either the prism 3 or the optics 4. 5. 6 (which is then directed towards the mirror and not straight ahead as in Fig. 1).

Det är svårt att undvika skakningar när delen B' hålls för hand. Dessa skakningar blir i själva verket mycket mera utta- lade än de som erhålles från ens den enklaste robot och måste därför kompenseras för. Detta kan utföras på gängse sätt genom att ett s k TN-system (translatíons normeríngs-system) (visat schematiskt streckat som blocket 33 i fig 1) omfattande sex stycken accelerometrar anordnade parvis motriktade utmed var och en av de kartesiska koordinatriktningarna x. Y. 2. dvs två o 10 15 7 465 483 accelerometrar i vardera koordínatriktningen. Signalerna från de sex accelerometrarna i TN-systemet 33 matas till datorn 9. som med hjälp av dessa signaler åstadkommer kompensering för skakningen under varje mättillfälle.It is difficult to avoid shaking when part B 'is held by hand. These shakes are in fact much more pronounced than those obtained from even the simplest robot and must therefore be compensated for. This can be done in the usual way by a so-called TN system (translation standardization system) (shown schematically dashed as block 33 in Fig. 1) comprising six accelerometers arranged in pairs opposite each of the Cartesian coordinate directions x. Y. 2 ie two o 10 15 7 465 483 accelerometers in each coordinate direction. The signals from the six accelerometers in the TN system 33 are fed to the computer 9. which by means of these signals provides compensation for the shaking during each measuring occasion.

Uppmätningen av den yttre formen på ett stort föremål. såsom en bil, behöver inte nödvändigtvis ske beröringsfritt. Såsom visas i fig. 4. där lika delar med de som visas i fig. 2 har försetts med samma referensbeteckningar. kan avståndsmätaren 26 därför ersättas med en fast stav 34. t.ex. 10 cm lång. med en liten kula 35 som mätspets. Lämpligen har då stavens fast- sättningsanordning ett arrangemang (icke visat) för att av- känna, när kulan 35 gör kontakt med det föremål. bilen. som är under uppmätning.The measurement of the external shape of a large object. such as a car, does not necessarily have to be contactless. As shown in Fig. 4. where equal parts to those shown in Fig. 2 have been provided with the same reference numerals. the distance meter 26 can therefore be replaced with a fixed rod 34. e.g. 10 cm long. with a small ball 35 as a measuring tip. Suitably then the fastening device of the rod has an arrangement (not shown) for sensing, when the ball 35 makes contact with the object. the car. which is under measurement.

Många modifieringar är möjliga inom ramen för uppfinningen.Many modifications are possible within the scope of the invention.

Claims

463 485 10 15 20 25 30 35 Patent claim

Arrangement for measuring a measuring point on a surface by means of a stationary main measuring station (A) with distance measuring equipment comprising a distance meter and vertical protractor and horizontal protractor for the direction of the distance meter and a marking equipment comprising a measuring unit (3) unit . against which the main station measures the distance and direction to and calculates the position of the measuring unit. characterized in that the marking equipment comprises: a) an angle deviation measuring device (4-8). by which the angle between the distance between the marking equipment and the main measuring station (A) and a normal to the marking equipment is determined, b) a vertical angle sensor device (10. ll), which measures the angular position of the marking equipment relative to a vertical in at least two mutually different directions. c) a distance sensor unit (1:26. 27; 31. 32. 27). which gives the distance to the measuring point in a predetermined direction relative to the normal of the marking equipment, and d) a calculation unit (9:27). which calculates the distance to the position of the measuring point from a node, where the angle deviation measuring device and the sensitive plane of the vertical angle sensor device form an angle with each other with the guidance of the sensed angles. the distance obtained from the distance sensor unit and its location in relation to the node and the position of the measuring unit.

Arrangement according to claim 1, characterized in that the angular deviation measuring device comprises a detector device (6) with a spread area, where the point of impact of an incident radiation is indicable, and an optics (4.5). which focuses radiation (S) emitted from the main measuring station (A) towards the detector device.

Arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the vertical angle sensor device comprises two pendulum accelerometers or a double pendulum accelerometer '. 'x 10 15 20 25 30 35 9 463 483

Arrangement according to one of the preceding claims. k n n e e - t e c k n a t that the range sensor unit comprises a rod (12 31).

Arrangement according to claim 4, characterized in that the rod is adjustable in different lengths.

Arrangement according to any one of claims 1-3. k n n e t e c k - n a t that the distance sensor unit includes a distance meter. for example of optical. interferometric or acoustic type.

Arrangement according to one of the preceding claims. c a n e e - t e c k n a t that information on measured values measured by the main measuring station is fed to the calculation unit through a transmission arrangement.

Arrangement according to any one of claims 1-6. k n a n e t e c k - n a t of measuring data from all included measuring devices are arranged to be stored in memories in the main measuring station and the marking equipment for calculation in the calculation unit at a later time than the measuring occasion.

Arrangement according to one of the preceding claims. feel that the marking equipment is placed on a movable arm (22). by a robot or a person. which arm. is arranged to be carried over a surface. whose shape is to be measured.

Arrangement according to one of the preceding claims. k ä n n e - t e c k n a t that the main measuring station is of that type. which automatically keeps the station directed towards the measuring unit of the marking equipment.

11. ll. Arrangement according to one of the preceding claims. Note that the marking equipment is provided with a shaking compensation unit (33) connected to the calculation unit (9) in order to provide signals with which the calculation unit electrically compensates for shaking of the marking unit during measurement.