TWI279520B - Automatic non-contact type laser measuring system - Google Patents

Description

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五、發明說明（1) 本發明所屬之技術領域】 是 確 本發明是有關-種非接觸式雷射自動量測系 有關：種無需利用以量測器纟、工具接觸物件、，而 地顯示出物件各部尺寸的自動量測系統。 、月 先前技術】

早期市面上有關不以量測器具、工具接觸物件 ^測物件各部尺寸的「非接觸式」自動量測系統，係以動 「CCD (Charge Coupled Device，電荷無合裝置）機 覺」自動量測系統為其主流，而其應用的原理，乃是^二 電何粞合裝置（C C D )來擷取待量測物件的影像，並以/寺 測定物件所佔有的畫素（p i xe 1 )，來計算實際的尺寸^ 然而使用該種「電荷耦合裝置（CCD )機械視^自動量測 系統」來進行非接觸的量測，亦會由於電荷耦合裝置/、 (CCD )本身的晝素及所應用光源的影響，而有所t限制， 兹並予歸納如下： 在量 1 ·電荷耦合裝置（CCD )受到本身晝素的限制 測大尺寸之物件時，並無法達到高精度的要求。 2 ·當待量測物件之尺寸分佈範圍甚廣時，必需依照不 同的解析度與不同視野的鏡頭，將待量測物件先行分類。 3·使用電荷耦合裝置（CCD )進行量測時，由於一台 電^搞合裝置（CCD )只能擷取一維影像，亦即，只能^十 ^單二方向的外觀特性進行測量，因此，如果要量測包括 高度等外觀尺寸時，必需同時使用多台電荷耦合裝置 (CCD ) ’如此，會增加使用時教導與校正等的困難度。

、工279520 五、發明說明（2) 4·使用電荷耦合裝置（CCI))進行量測時，由於其主 疋利用不同的光源來凸顯外觀的特徵，所以，光源之使 條件相當嚴苛，故不利量測外觀複雜的物件，以及少量 多樣的物件。 係由於使用電荷耦合裝置（CCD)進行量測物件時， 置（CT η不）同^光源來凸顯外觀特徵，因此，使用電荷耦合裝 等ϋ + h !^^,測物件時，會受到待量測物件的顏色及光澤 =制：故亦容易受到量測環境的影響。 •測#系二I期習見之電荷耦合裝置（CCD )機械視覺自動 ί合運動控制歩署沾 近期乃有一種利用雷射光配 的控制二4、置的自動量測設備問世，其係採用一般傳統 命二妹社式，而以使用雷射光連續得到的位置點所讀取的 :=胃，直接繪出待量測物件的縱截面曲線，但是，是 種雷射: 疋疋 -產士1電：？動位置之解析度甚小時，會因讀取點數過多而 # A 4動速度過慢的問題，故影響量測的速度，且不利生 座作業。 A * t，〔先的運動機構本身之精度與解析度均有限制，通 i產^ί到目前產業界的要求，故將會使得所量測的數 值產生過大的誤差。 4紙 k ί射光之發射與反射係有一特定的角度，故在量測 》父為複雜之待量測物件時，容易產生接收反射之雷射 光被遮蔽的問題。 人对之宙射

第6頁 1279520 五、發明說明（3) 【本發明之内容】 由於習見之電荷耦合裝置（CCD) 系統上述之缺點，本發明乃在提供一 覺自動量測 量測系統，依本發明之此種非接觸式雷射自動 其係使用脈衝雷射光發射器來 列篁測系統， ’備高解析度的特性(解析度=達；〗光學… 尺%學:::Γ極…， 此為本發明之仍然可以達到高精度之要求， 择；^ 本發月之此種非接觸式雷射自動量測系統，其因為 制Γ试脈?雷射光發射器配合高精度之光學尺導引運動控 、軍無L進行對物件的量測，故可擴充運動控制之行程，在 卫制之行程範圍内，各種尺寸均可量測，此為本發 又另一目的。 備li 2本發明之此種非接觸式雷射自動量測系統，其已具 恭鉍I射之二維或線雷射之三維功能，因此即具備多台電 ，裝置（CCD )同時進行量測之功能，另外由於高精 ::以硬體方式達成，t無電荷耦合裝置（CCD)視覺系 的。用時之教導及校正之困難度，此為本發明之再一目 第7頁 1279520 五、發明說明（4) 依本發明 不採用以打光 源使用限制與 及少量多樣之 依本發明 用之脈衝雷射 各種顏色及光 待量測物件， 受外在環境的 參 又由於近 明乃在利用以 讀取光學尺的 升，此乃為本 而且，本 制，不會由於 與解析度，此 本發明之 法進行補償， 接收反射之雷 為本發明之其 之此種非接 來凸顯外觀 條件之問題 物件，此為 之此種非接 光發射器所 澤之待量測 另外，脈衝 干擾，此為 期的雷射量 脈衝雷射光 位置，故運 發明之他一 觸式雷射自 特徵之方式 ’故可量測 本發明之又 觸式雷射自 發射出來的 物件，甚至 雷射光受外 本發明之更 測裝置所具 疋義數值之 動機構的運 目的。 發明之系統的精度因為 運動機構之精度與解析 乃為本發明之其他一目 系統並又利用雷射遮蔽 故不會因為待測量物件 射光被遮蔽導致量測結 他另一個目的。 動量测系 進行量测 外觀複雜 一目的。 動量測系 脈衝雷射 於包括黑 在影響甚 一目的。 有的上述 方式，在 動速度即 係受到光 度而影響 的。 訊號，以 的外形較 果失真的 統，由於其 ，因此無光 之物件，以 統，其所採 光，可感測 色、白色的 小，幾乎不 問題，本發 特定的位置 可大幅提 學尺所控 量測的精度 軟體演算方 為複雜而有 問題，此又 至於本發明之詳細構造、應用原理、作用 參照下列依附圖所作之說明即可得到完全的了 、功效’則 【本發明之實施方式】 ~ 有關本發明之具體實施裝置結構，茲表昭 乂…、附圖說明於

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•下： 第1圖為本發明之非接觸式雷射自動量測系統的機台 =刀的立體示意圖·’第2A圖與第以圖為本發明之非接觸式 :射自動量測系統的機台部份的正面與侧面圖；第3圖為 機台上之機件組成示意圖。 如第1圖、第2A圖、第2B圖與第3圖所示，本發明之非 2式雷射自動量測系統具有一機台】，機台i為提供各個 =件固定之用者，其中央部份並有一台面u，且有支持架 ，以便支持上部的設施。在機台1的上部有一橫亙著的 Φ長形高精度運動控制軸13，該高精度運動控制軸13上，設 有一可於其上由一步進馬達丨9帶動而滑移之脈衝雷射光發 射器14，脈衝雷射光發射器14之雷射光的發射，係由一脈 衝雷射控制器1 5所控制，且有一脈衝雷射感知器丨6來减知 脈，，射光發射器14之雷射光發射狀態。一雷射值讀取與 计异單το 1 7即用以接收脈衝雷射感知器丨6所傳送過來的雷 f光號’亚予讀出；上述之高精度運動控制軸丨3上的脈 衝田射光赉射器1 4之運動，係由一運動軸控制器2 1所控 制’其並連設一光學尺22與可處理信號之高精度運動控制 卡23以得到精確的將脈衝雷射光發射器丨4滑移至定位；一 、、且開關2 0則具有多數個開關器，用以啟閉電源、或控制其 他機件的動作；上述的雷射值讀取與計算單元丨7並透過一 傳輸介，18，以將其計算出來的數據，傳送到電腦3〇。 、更詳細言之，請合併參照第3圖與第4圖本發明之非接 觸式雷射自動量測系統，其電路構成包括一用以控制高精

1279520 五、發明說明（6) 控制軸13的運動控制軸卡13()…精確 :運動控制軸13之移動位置之光學尺位置解析控制斤電： 射光源控制器電路14。、-用以控制脈 ^ 15 16感知脈衝雷射光發射器14所發射雷射光之靈敏产 ==射光源感應電路160、一接收並感知二之量二度 ===之高度：外JV内徑等類比信號之量測 =類比值，並予轉換成數位信號之讀表計算單: 單元一電路:Γ電路180、以… = Γ ΐ 步進馬達19為一高精度滾珠螺桿 y ^ _，、’且，"並由一步進馬達控制器電路1 9 0所控制。 接觸ϋΐί看第1圖、第3圖與第4圖’上述本發明之非 f ^ t . ^ , 控制哭恭跋ΗΠ 感電路161、脈衝雷射光源 100^°^, 、以及主控及整合單元電路300係與電源 卡U0係遠本發明之系統中’運動控制軸 '、興工及整合單疋電路30 0、步進馬達控制器電 1 ^虛带、先子尺位置解析控制電路22 0，以及脈衝雷射光源 1 =二=16。、光學尺位置解析控制電路22。另外並連接步' 控制器電路19G與主控及整合單元電糊Q ;主控及 路3GG並經過傳輸介面電路18(3，與數位信號之 二n 早元電路170相連接；脈衝雷射光源控制器電路 、接脈衝雷射光源感應電路160，脈衝雷射光源感應

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電路1 6 0亦連接_卜卜垂&窃 ^ ^ ^ ,員比雷射篁測信號感知電路1 6 1，類比雷射 篁測#唬感知電路]βn & , , & ^ m 路17〇。 电路1 61又連接數位信號之讀表計算單元電 本發 面11放著 將開關20 動作，而 動步進馬 軸1 3上作 >脈衝雷射 1 6感知被 射值讀取 1 8傳送至 精確尺寸 下： 明之非 待量測 開啟電 利用光 達1 9帶 精確的 光，對 量測物 與計算 電腦30 ，其詳 接觸式 物件， 路，通 學尺22 動脈衝 滑移， 被量測 所反射 單元17 ，即可 細的動 雷射自動 而要對待 入電源， 與高精度 雷射光發 同時，脈 物件進行 之脈衝雷 ，經計算 從電腦3 0 作原理， 量測系 量測物 則運動 運動控 射器14 衝雷射 照射， 射光， 後，將 上得到 更合併 統，當機台1的台 件進行量測時，先 軸控制器2 1乃開始 制卡23之作用，驅 於高精度運動控制 光發射器1 4發射出 由脈衝雷射感知器 並將信號傳送至雷 數據經由傳輸介面 被量測物件各部的 參照第5圖說明於 *當電源尚未開啟，步進馬達組丨9不動，滾珠螺桿作動 回歸至原點位置（x，x) = (〇〇,〇〇〇) (so步驟），一曰

通電:電腦30中的主控及整合單元電路3〇〇乃下達運動模 式及量測指令，且開始擷取量測資料，並予以運算、分析 (S1步驟），然後，運動控制軸卡動作（S2步驟），^達 運動控制指令（S3步驟），步進馬達組的高精度滾珠螺桿 作動（S4步驟），到達指定位置，且指定位置即為實際^ 置時，乃將資訊傳到光學尺，利用位置解析控制電路2T2〇 权正（S5步驟），如此，周而復始，高精度運動控制軸！ 3

1279520 五、發明說明（8) 乃使得脈衝雷射光發射器1 4依指令位移，而光學尺位置解 析控制電路2 20讀取位置信號（S6步驟）後，並傳至主控 及整合單元電路3 0 0 (S7步驟）；在此期間，電腦30中的 主控及整合單元電路30 0下達運動模式及量測指令（S1步 驟）時’脈衝雷射光發射器1 4 一面發出脈衝雷射光，脈衝 雷射光源感應電路1 60也開始動作（S8步驟），類比雷射 量測信號感知電路1 6 1並感知待測物的尺寸信號（S 9步 驟）’此信號復傳送到電腦3 〇的主控及整合單元電路3 0 0 (si〇步驟）；而前後所得被量測物件高度並被比較（S1工 ►步驟）’若高度無變化，即將此資訊送到數位信號之讀表 計算單元電路1 7 〇，送出觸發訊號（S1 2步驟）到運動控制 轴卡1 3 0 ’維持高精度運動控制軸1 3上脈衝雷射光發射器 1 4的移動。 根據以上的敘述’可以很明確地知道，本發明之此種 非接觸式雷射自動量測系統，不但可以達到可量測各種 CS 2 t 2物件，且量測時’均可達到高精度的需求， u %二τ Ϊ單，無需特殊而極費時間的教導，更無需量測 困·，且外觀複雜、各種不同顏色的物件均可 里測’為合於實用性之發明。 需陳明者，以ρ裕、+、+ 例，若依本發明之iC本發明較佳具體的實施 仍未超出說明其產生之功能作用， 範圍内，合予^ 2月1不/函盍之精神時，均應在本發明之

第12頁 1279520__ 圖式簡單說明 第1圖為本發明之非接觸式雷射自動量測系統的機台 部份的立體示意圖； 第2A圖與第2B圖為本發明之非接觸式雷射自動量測系 統的機台部份的正面與側面圖； 第3圖為機台上之機件組成示意圖； 第4圖為本發明之非接觸式雷射自動量測系統的電路 方塊圖； 第5圖為本發明之非接觸式雷射自動量測系統的動作 原理示意圖。

I 【圖式中元件名稱與符號對照】 I :機台 II :台面 12 :支持架 ' 1 3 :高精度運動控制軸 . 1 4 :脈衝雷射光發射器 1 5 :脈衝雷射控制器 1 6 ·•脈衝雷射感知器 _ 1 7 :雷射值讀取與計算單元 B 1 8 :傳輸介面 19 :步進馬達 20 :開關 2 1 :運動軸控制器 22 :光學尺

第13頁 1279520 圖式簡單說明 2 3 :高精度運動控制卡 3 0 :電腦 1 0 0 :電源 1 3 0 :運動控制軸卡 1 4 0 :脈衝雷射光源控制器電路 1 6 0 :脈衝雷射光源感應電路 1 6 1 :類比雷射量測信號感知電路 1 7 0 :數位信號之讀表計算單元電路 1 8 0 :傳輸介面電路 丨 1 9 0 :步進馬達控制器電路 2 2 0 :光學尺位置解析控制電路 30 0 :主控及整合單元電路

Claims (1)

127952〇 六 、申請專利範 SS94107516 修正 制高精 制所述 光的脈 感知|| 的脈衝 反射之 知電路 信說， 介面電 而所述 〜步進 2· 统，^ 感知t 元電路 運動控 器電路 應電路 制器電 經過傳 4妾；脈 1^’脈 量測系 制軸卡 之光學 光發射 Λ 一用 射器所 接收並 内徑等 感知電 讀表計 中的主 珠螺桿 〇 之非接 器電路 器電路 流可進 合單元 電路， 電路另 路；主 號之讀 則連接 連接類 解析並控 控制電 脈衝雷射 脈衝雷射 之靈敏度 測物件所 測信號感 雷射類比 、一傳輸 元電路； ’其並由 觸式雷射 、類比雷 、以及主 入本發明 電路、步 以及脈衝 外並連接 控及整合 表計算單 脈衝雷射 比雷射量 一種非接觸式雷射自動 度運動控制軸的運動控 運動控制軸之移動位置 用以控制所述脈衝雷射 衝雷射光源控制器電路 感知所述脈衝雷射光發 雷射光源感應電路、一 所里測之高度、外徑、 、、一可讀取從量測信號 並予轉換成數位信號之 路、以及設於所述電腦 步進馬達為一高精度滾 馬達控制器電路所控制 如申請專利範圍第1項 中所述之步進馬達控制 路、脈衝雷射光源控制 係與電源相接，以使電 制軸卡係連接主控及整 、光學尺位置解析控制 、光學尺位置解析控制 路與主控及整合單元電 輪介面電路，與數位信 衝雷射光源控制器電路 衝雷射光源感應電路亦 統，包括··一用以控 、一精確地 尺位置解析 器所發射之 以控制所述 發射雷射光 感知從待量 類比雷射量 路所傳來之 算單元電路 控與整合單 步進馬達組 自動量測系 射量測信號 控及整合單 之系統中； 進馬達控制 雷射光源感 步進馬達控 單元電路並 元電路相連 光源感應電 測信號感知

1279520 ^ ___案號 9410751R 六、申請專利範圍 日 修正 •電路，類比雷射量測信號感知電路又連接數位信號之讀表 計算單元電路。 • 3 ·如申請專利範圍第1項之非接觸式雷射自動量測系 統，其中更包括：具備有一雷射自動量測儀，該雷射自動 量測儀^有二機台，其中央部份並有一台面，在機台的上 部有一杈亙著的長形高精度運動控制軸，高精度運動控制 軸上，设有一可於其上由一步進馬達帶動而滑移之脈衝雷 、射光發射器，脈衝雷射光發射器之雷射光的發射，係由一 ‘脈衝雷射控制器所控制，且有一脈衝雷射感知器來感知脈 4衝雷射光發射器之雷射光發射狀態者。 4·如申請專利範圍第3項之非接觸式雷射自動量測系 統’其所述之雷射自動量測儀更具有一雷射值讀取與計算 單元用以接收脈衝雷射感知器所傳送過來的雷射光信號， 並予讀出。 5 ·如申睛專利範圍第3項之非接觸式雷射自動量測系 統，其所述之雷射自動量測儀中，所述之高精度運動控制 軸上的脈衝雷射光發射器之運動，係由一運動軸控制器所 控制，其並連設一光學尺與可處理信號之高精度運動控制 卡’以得到精確的將脈衝雷射光發射器滑移至定位。