WO2009056303A1 - Verfahren und messgerät zur berührungslosen erfassung des räumlichen formverlaufs von bauteilen - Google Patents

Verfahren und messgerät zur berührungslosen erfassung des räumlichen formverlaufs von bauteilen Download PDF

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WO2009056303A1
WO2009056303A1 PCT/EP2008/009149 EP2008009149W WO2009056303A1 WO 2009056303 A1 WO2009056303 A1 WO 2009056303A1 EP 2008009149 W EP2008009149 W EP 2008009149W WO 2009056303 A1 WO2009056303 A1 WO 2009056303A1
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fork
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light
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Simon Grigull
Hubert Schill
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Rosenberger Ag
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/2433—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures for measuring outlines by shadow casting
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/002—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring two or more coordinates

Definitions

  • the invention relates to a method for non-contact detection of the spatial shape curve of components, in particular of bent tubes, wires, bar stock, semi-finished products, sheets or the like. according to the preamble of claim 1 and a measuring device therefor according to the preamble of claim 16.
  • the data acquisition on the test object is carried out using known 3D measuring systems, specifically via a mechanical probe or via a probing head operating with a laser light line. Even simple infrared light barriers are in use.
  • Both touch probes are mechanically connected to a measuring arm, which detects the coordinates in relation to the measuring table.
  • the 3D coordinates X - Y - Z are determined via an axis mechanism (the so-called measuring arm) with incremental encoders in conjunction with a PC.
  • the return of the determined measurement data z. B. to a pipe bending machine with corresponding bending angle setpoint changes already known. However, in this case only a random check with subsequent bending angle change is provided and the measurements are usually carried out only sporadically or according to the end customer predetermined amount in a lot size.
  • the present invention has the object to provide a method with which on the one hand a comprehensive review of preferably curved components directly on a machine, preferably a bending machine with continuous setpoint adjustment (adaptive control loop) and on the other hand, an individual detection of the spatial form or the spatial course of preferably so-called master parts or prototypes is possible in order to be able to transfer their shape progression to a production process. Furthermore, this is to create a suitable measuring device, which also for quality control of a running Production of z. B. bent tubes can be used.
  • each component illuminates progressively along its path through at least one light transmitter, and thereby the light emitted by the light source
  • each component is illuminated progressively along its course on both sides by at least one light emitter and at the same time the shadows caused by the component to be detected on both sides by at least one light receiver.
  • a process control is suitable in which at least one light transmitter and the at least one light receiver associated therewith in fork legs of a type
  • Measuring process along the course of a component by means of this non-contact cross-fork leg is measured.
  • the method according to the invention can be carried out particularly advantageously both with a hand-held and also with a type of measuring arm guided on a measuring arm, namely in order to be able to record the spatial data of a component, the type measuring fork without settling them, with or without measuring arm, continuously over the examinee guided, whereby its geometric data, actually the center axis, are detected.
  • the z. B. can reach down to a wire with a few tenths of a millimeter diameter, the detection can advantageously be done all around and an indication of the diameter is not given.
  • the diameter can also be detected and calculated for the first case by a special measurement of the measuring fork guided around the tube.
  • LEDs light-emitting diodes
  • CCDs charge-coupled lines
  • the light transmitter preferably the LED's are sequentially driven, and the light receiver, preferably CCD 's, read out in parallel.
  • the method according to the invention it is also expedient that it is operated with an integrated own energy source such as a rechargeable battery.
  • the type of measuring fork is operated with the aid of an integrated microprocessor and DSP electronics and optical sensors such that trigonometric functions-each based on the principle of shadow casting-have a 3D position Center axis of each component to be measured within a measurement field is detected, in which case the computing system generates a vectorial representation of the component to be measured.
  • the kind of measuring fork which may occur in particular when it is guided by a hand, is corrected primarily automatically via the path, acceleration and / or angular deviation.
  • the 3D data of the component measured by the type of measuring fork may be transmitted to a higher-level system such as PC, IPC, notebook, Palm or similar systems wirelessly or by means of at least one cable.
  • a higher-level system such as PC, IPC, notebook, Palm or similar systems wirelessly or by means of at least one cable.
  • This solution offers z. B. then when the inventive method is performed with a meh ' Rachsigen electromechanical measuring arm. This measuring arm is then wired with the Art Measuring fork connected and connected as a unit to a higher-level system such as PC, etc. In this case, the energy supply can also be external.
  • the navigation of the type measuring fork can be done in three-dimensional space without the measuring arm by means of integrated acceleration, rotation and magnetic field sensors based on a navigation system formed therewith.
  • the type measuring fork preferably along the longitudinal extent of a component to be measured, as along a multiply bent tube or the like, which serves in particular as a reference part, moves and its spatial course is stored to the result then to forward to a bending machine.
  • Processing processes within a process such as Equipment for bending workpieces such as pipes or the like. to control.
  • the type measuring fork is designed such that it emits an acoustic signal when the main measuring field is left by the manual component of the component to be measured.
  • a measuring device for contactless detection of the spatial shape curve of components in particular of bent tubes, wires, bar stock, semi-finished products, sheets or the like.
  • Particularly suitable is one which is in the form of a measuring fork, which at least one light emitter and at least has a light receiver.
  • Luminescence diodes including lasers - and charge-coupled lines (CCDs) - including CCD chamber systems - have proved successful as light emitters.
  • the measuring device itself expediently consists of an ergonomically designed, fork-shaped shell housing, in which in addition a microprocessor, a DSP electronics and optionally a separate energy source such as an accumulator are integrated.
  • a microprocessor e.g., a DSP electronics
  • a separate energy source e.g., a accumulator
  • the training of the measuring fork expediently such that a vectorial representation of the component to be measured can be read.
  • Measuring device of the respective imaginary central axis of the component to be measured performs a correction, and especially on the distance, acceleration and / or angular deviation.
  • the measuring device is designed in such a way that in particular the 3D data of the component measured with the fork legs can be transmitted wirelessly or by means of at least one cable connection to a higher-level system such as PC, IPC, notebook, Palm or similar systems, where a USB sticker is well suited for this, if you provide an appropriate connection to the meter.
  • a higher-level system such as PC, IPC, notebook, Palm or similar systems, where a USB sticker is well suited for this, if you provide an appropriate connection to the meter.
  • the 3D data recorded with the fork legs can be stored separately and, with this data, in particular machining processes within the process sequence, such as installations for bending workpieces such as pipes or the like. specifically controllable.
  • the fork-shaped shell housing of the measuring device has purpose-bound control buttons and at least one signal generator which sounds an acoustic signal, especially if the forked measuring device differs from the main measuring field of the component to be measured in a manual operation of the fork-shaped measuring device. This will make that the Acoustically asked measuring device leading person to correct its routing in favor of the imaginary center line.
  • a light receiver preferably in the form of a charge-coupled line
  • Light emitter preferably in the form of light-emitting diodes
  • Fig.l is a simplified representation of communication • Vector of the invention
  • FIG. 2 shows a measuring fork head shown in a longitudinal section with measuring fields of the measuring device according to the invention
  • FIG. 3 shows the measuring fork head according to FIG. 2 with a sketch of an LED arrangement
  • FIG. 4 shows the measuring fork head according to FIG. 2 with a sketch for a correction of a CCD position
  • FIG. 5 shows the measuring fork head according to FIG. 2 with the sketch of a shadow cast by an introduced object on one side.
  • the communication graph shown in simplified form in Fig.l shows the designated measuring device 1 according to the invention with a measuring fork head 2, in which measuring fields 3 are indicated.
  • the data acquired by the measuring device 1 can be either wirelessly - indicated at 4 - indicated by cable at 5 - or by means of a USB sticker 6 z. B. to a notebook 7 and from this or directly to a processing machine, such as a pipe bending machine. 8 are transmitted.
  • the measuring fork head 2 is shown in detail in a longitudinal section, and this forms the fork-shaped working end of a shell housing 9, which merges into an ergonomically designed handle 10.
  • the shell housing 9 is made of plastic, with a suitable light metal is also possible. It is important that the housing material of the measuring fork head 2 only minimally reflected.
  • the measuring fork head 2 has fork legs 11 and 12, whose essential leg portions 13 and 14 extend at right angles to each other and as a light receiver CCD's 15 and 16 in line form.
  • the leg portions 13 and 14 also have end portions 17 and 18 which are approximately parallel to each other, in each of which three light emitters in the form of LEDs 19 and 20 are housed.
  • the measuring fields 3 sketched in FIG. 2 in the measuring fork head 2 are highlighted as follows: In the regions designated by 21, a test object is detected only by one or more LEDs of a fork side. Is it z. B. only one LED, so only an object detection, but no position detection is possible. With two or three LEDs, however, a very rough detection of the position is possible. Normally, however, the areas 21 do not serve the measurement.
  • a test object is detected by at least one LED of each side.
  • the expected accuracy may be sufficient for one measurement.
  • a signal generator (not shown) is provided, which causes an acoustic warning sound sounds when leaving the designated by 23 safe main field by the user.
  • between two and five LEDs are involved in the illumination of the measuring object edges. The achieved accuracy can therefore fluctuate accordingly.
  • the illumination of the measuring object or its edges takes place through all six LEDs 19 and 20, which are then evaluated by the measuring device via their shadow cast on the CCDs 15 and 16. With a corresponding parameterization, the measurement accuracy within the central region of the main operating field 23 is constant.
  • the present measuring system of the measuring device 1 consists of three individual measuring forks according to the principle of shadow casting. These are switched sequentially and an average of the measured values is formed.
  • the basic principle of a simple measuring fork before namely a two-sided illumination of a specimen with ideally point-like light sources and an evaluation of the cast shadow by optical sensors.
  • the LEDs 19 and 20 are used for illumination and CCD lines 15 and 16 are used to record the shadow.
  • the lighting system was simply tripled, with the orientation chosen to maintain the sensor system. Due to the sequential modulation of the LED's 19 and 20 and the parallel reading of the CCD's 15 and 16, a high accuracy can be obtained despite the inferior compared to a laser light source. It also drastically reduces costs.
  • the optical paths precisely. As there would be the dimensions of all the components, the length and position of the photosensitive area on the CCDs 15 and 16 and the angles of emission of the LEDs 19 and 20.
  • the wavelength of the LED's 19 and 20 should be in one of the sensitivity maxima of the CCD's 15 and 16 and should also be clearly visible to humans. In this case, the highest possible light output with homogeneous radiation must be achieved, and the radiation angle must match the system.
  • the CCD's 15 and 16 it is advantageous if they are as simple as possible in the modulation and thereby have a high resolution and the largest possible line length. Moreover, it is advantageous if their sensitivity can be varied within a wide range, which z. B. is to accomplish well by an electronic shutter.
  • the mechanical construction of the shell housing 9 it is provided that as narrow as possible a light path to the CCD 's to reduce interference from ambient light
  • FIG. 5 the shadow is shown by an inserted object 29 on one side, from which it can be seen that on the CCD surface of the CCD line 16 actually three sufficiently different shadow images are obtained.
  • Two sensor plates can be seen in FIGS. 2-5, namely from the respective CCD line 15 or 16 and in each case one attached gyroscope 30 or 31 (eg FIG.
  • the outsourcing of the gyroscopes 30, 31 on these boards significantly simplifies the assembly work for the 3-axis system.
  • acceleration sensor path-dependent
  • a gyroscope as a type Kreiselkompas, responsible for x, y, z position data in space provided.
  • a navigation system obtained thereby which comes into play, in particular in the case of a handheld guide of the measuring device, works on the basis of acceleration, rotation and magnetic field sensors.
  • the invention in the production and processing z. B. of bent tubes and solid materials are used advantageously, in which case the system according to the invention can serve the detection of master parts and prototypes as well as the quality control of a current production.
  • the measuring fork. 1 without dropping them, with or without a measuring arm, simply guiding over the test object, whereby its geometrical data, more precisely its central axis, are recorded.
  • the invention can also be advantageously used for measuring turned parts within a lathe or a turning center.
  • the test specimen is set in rotation and the measuring fork is moved at a constant feed over the rotating part.

Abstract

Bei einem Verfahren und Messgerät (1) wird zur berührungslosen Erfassung des räumlichen Formverlaufs von Bauteilen, wie gebogenen Rohren oder dgl. jedes Bauteil fortschreitend entlang seines Formverlaufs durch mindestens einen Lichtsender (19, 20), vorzugsweise ein LED, beleuchtet und dabei die durch das Bauteil hervorgerufenen Schatten durch mindestens einen Lichtempfänger (15, 16), vorzugsweise ein CCD, erfasst und dadurch eine Messauswertung initiiert. Die so erhaltenen Daten können entweder drahtlos (4), per Kabel (5) oder mittels eines USB-Sticks (6) zu einer Bearbeitungsmaschine (8), wie einer Rohrbiegemaschine übertragen werden. Das Messgerät (1) besitzt insbesondere zu dessen Handführung ein Navigationssystem (30, 31).

Description

Verfahren und Messgerät zur berührungslosen Erfassung des räumlichen Formverlaufs von Bauteilen .
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur berührungslosen Erfassung des räumlichen Formverlaufs von Bauteilen, insbesondere von gebogenen Rohren, Drähten, Stangenmaterial, Halbzeugen, Blechen oder dgl . gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Messgerät hierfür gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 16.
Die bisherige Erfassung der räumlichen Form bzw. des Verlaufs von z. B. gebogenen Rohren erfolgt außerhalb von deren Bearbeitungsmaschinen manuell in eingespannter Lage auf sogenannten 3D-Messtischen. Die Messwerterfassung am Prüfling erfolgt dabei mit bekannten 3D-Messsystemen, und zwar über einen mechanischen Taster oder über einen mit einer Laserlichtlinie arbeitenden Antastkopf. Auch einfache Infrarotlichtschranken sind gebräuchlich. Beide Tastsysteme sind mechanisch mit einem Messarm verbunden, der die Koordinaten in Bezug auf den Messtisch erfasst. Hierbei werden die 3D-Koordinaten X - Y - Z über eine Achsenmechanik (den sogenannten Messarm) mit Inkrementaldrehgebern in Verbindung mit einem PC ermittelt.
Ferner ist die Rückführung der ermittelten Messdaten z. B. zu einer Rohrbiegemaschine mit entsprechenden Biegewinkel- Sollwertänderungen bereits bekannt. Allerdings ist hierbei nur eine Stichprobenüberprüfung mit anschließender Biegewinkeländerung vorgesehen und die Messungen erfolgen in der Regel nur sporadisch oder nach vom Endkunden vorher festgelegter Stückzahl in einer betreffenden Losgröße.
Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem einerseits eine umfassende Überprüfung von vorzugsweise gebogenen Bauteilen direkt an einer Maschine, vorzugsweise einer Biegemaschine mit kontinuierlicher Sollwertanpassung (adaptiver Regelkreis) und mit dem andererseits auch ein individuelles Erfassen der räumlichen Form bzw. des räumlichen Verlaufs von vorzugsweise sogenannten Meisterteilen oder Prototypen möglich ist, um deren Formverlauf auf einen Herstellungsprozess übertragen zu können. Ferner ist hierzu ein geeignetes Messgerät zu schaffen, welches darüber hinaus auch zur Qualitätskontrolle einer laufenden Produktion von z. B. gebogenen Rohren verwendet werden kann.
Bezüglich des Verfahrens wird die angegebene Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass jedes Bauteil fortschreitend entlang seines Verlaufs durch mindestens einen Lichtsender beleuchtet und dabei der durch das
Bauteil hervorgerufene Schatten durch mindestens einen
Lichtempfänger erfasst und dadurch eine Messauswertung initiiert wird.
Hierbei ist es nach Maßgabe der vorliegenden Erfindung besonders zweckmäßig, dass jedes Bauteil fortschreitend entlang seines Verlaufs beidseitig durch mindestens einen Lichtsender beleuchtet und gleichzeitig die durch das Bauteil hervorgerufenen Schatten beidseitig durch mindestens einen Lichtempfänger erfasst werden.
Ferner eignet sich eine Verfahrensführung, bei der mindestens eine Lichtsender und der diesem zugeordnete mindestens eine Lichtempfänger in Gabelschenkeln einer Art
Messgabel integriert werden, wobei dann während eines
Messvorgangs entlang des Verlaufs eines Bauteils mit Hilfe der dieses berührungslos übergreifenden Gabelschenkel gemessen wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann besonders vorteilhaft sowohl mit einer handgeführten als auch mit einer an einem Messarm geführten Art Messgabel durchgeführt werden, und zwar wird dabei um die räumlichen Daten eines Bauteils erfassen zu können, die Art Messgabel ohne sie abzusetzen, mit oder ohne Messarm, kontinuierlich über den Prüfling geführt, wobei dadurch dessen geometrische Daten, genau genommen dessen Mittelachse, erfasst werden. Je nachdem welches der beiden möglichen Erfassungsverfahren verwendet wird, ist es zweckmäßig, dazu vorher im Falle eines Rohres dessen Durchmesser zu ermitteln und der Messauswertung vorher einzugeben. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn es sich um große Rohrdurchmesser im Verhältnis zur Messgabeloffnung handelt.
Bei dünnen Querschnitten, die z. B. bis zu einem Draht mit wenigen Zehntelmillimetern Durchmesser herunter reichen können, kann die Erfassung vorteilhaft rundherum erfolgen und eine Angabe des Durchmessers ist nicht gegeben. Der Durchmesser kann auch für den ersten Fall durch eine spezielle, um das Rohr geführte Messung der Messgabel erfasst und berechnet werden.
Für eine effiziente Durchführung des erfindungsgemaßen Verfahrens ist es zweckmäßig, wenn bei dem Messgerät als Lichtsender Lumineszenzdioden (LED's) oder Laser und als Lichtempfänger ladungsgekoppelte Zeilen (CCD' s) verwendet werden, wobei zur Erhöhung der Messgenauigkeit die Anzahl der Lichtsender unter Beibehaltung der Anzahl der Lichtempfänger erhöht, vorzugsweise verdreifacht werden können. Dabei soll auch daran gedacht sein, dass als Lichtempfänger auch CMOS Empfangseinheiten verwendet werden können .
Bei der Auswertung der erfassten geometrischen Daten werden die Lichtsender, vorzugsweise die LED's, sequenziell angesteuert und die Lichtempfänger, vorzugsweise CCD 's, parallel ausgelesen. Damit das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft mit einer autarken handgeführten Art Messgabel durchgeführt werden kann, ist es ferner zweckmäßig, dass diese mit einer integrierten eigenen Energiequelle wie einen Akkumulator betrieben wird.
Auch ist es zweckmäßig, und zwar unabhängig wie das Verfahren im einzelnen durchgeführt wird, dass die Art Messgabel mit Hilfe eines integrierten Mikroprozessors sowie DSP Elektronik und optischer Sensorik derart betrieben wird, dass mit trigonometrischen Funktionen- auf dem Prinzip des Schattenwurfs jeweils eine 3D Position der Mittelachse des jeweils zu messenden Bauteils innerhalb eines Messfeldes erfasst wird, wobei hierbei das Rechensystem eine vektorielle Darstellung des zu messenden Bauteils generiert.
Hierbei ist es ferner von Vorteil, wenn bei einer von der Mittelachse abweichenden Führung der Art Messgabel, was insbesondere bei deren Handführung vorkommen kann, vornehmlich automatisch über die Wegstrecke, Beschleunigung und/oder Winkelabweichung korrigiert wird.
Auch kann es zweckmäßig sein, dass die durch die Art Messgabel erfassten 3D-Daten des gemessenen Bauteils an ein übergeordnetes System wie PC, IPC, Notebook, Palm oder ähnliche Systeme drahtlos oder mittels mindestens eines Kabels übertragen werden. Diese Lösung bietet sich z. B. dann an, wenn das erfindungsgemäße Verfahren mit einem meh'rachsigen elektromechanischen Messarm ausgeführt wird. Dieser Messarm wird dann kabelgebunden mit der Art Messgabel verbunden und als eine Einheit an ein übergeordnetes System wie PC usw. angeschlossen. In diesem Fall kann die Energiezufuhr auch extern erfolgen. Die Navigation der Art Messgabel kann dabei im dreidimensionalen Raum ohne den Messarm mittels integrierter Beschleunigungs-, Rotations- und Magnetfeldsensoren auf der Basis eines damit gebildeten Navigationssystems erfolgen.
Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens im freien „handheld" Betrieb ist es dagegen zweckmäßig, das Speichern von Messdaten innerhalb der Art Messgabel zu ermöglichen, und zwar in einem integrierten flüchtigen oder nichtflüchtigen Speicher. Außerdem kann über eine drahtlose Verbindung eine direkte Echtzeit-Datenübertragung mit z. B. einer Reichweite von mindestens 5 m, jedoch spezifizierten 30 m zur sofortigen Weiterverarbeitung erfasster Werte aufgebaut werden, wobei zu einem Empfang keine Spezialhardware erforderlich ist.
In diesem Zusammenhang ist es von Vorteil, wenn mit der Art Messgabel vorzugsweise entlang der Längsausdehnung eines zu messenden Bauteils, wie entlang eines mehrfach gebogenen Rohrs oder dgl., welches insbesondere als Referenzteil dient, bewegt und dessen räumlichen Verlauf gespeichert wird, um das Ergebnis dann an eine Biegemaschine weiterzuleiten .
Auch kann es zweckmäßig sein, die Speicherung vorzugsweise auf einen UBS-Sticker vorzunehmen, um dann mit diesem
Bearbeitungsprozesse innerhalb eines Prozessablaufs, wie Anlagen zum Biegen von Werkstücken wie Rohren oder dgl . , zu steuern .
Um eine handgeführte Datenerfassung z. B. eines Referenzbauteils zu optimieren, ist es schließlich von Vorteil, wenn die Art Messgabel derart ausgebildet ist, dass sie ein akustisches Signal abgibt, wenn durch die Handführung das Hauptmessfeld von dem zu messenden Bauteil verlassen wird.
Als Messgerät zum berührungslosen Erfassen des räumlichen Formverlaufs von Bauteilen, insbesondere von gebogenen Rohren, Drähten, Stangenmaterial, Halbzeugen, Blechen oder dgl. eignet sich besonders ein solches, das in der Form einer Messgabel ausgebildet ist, welche an ihren Gabelschenkeln mindestens einen Lichtsender und mindestens einen Lichtempfänger aufweist.
Als Lichtsender haben sich Lumineszenzdioden (LED's) - auch Laser - und als Lichtempfänger ladungsgekoppelte Zeilen (CCD' s) - auch CCD -Kammernsysteme- bewährt.
Das Messgerät selber besteht zweckmäßigerweise aus einem ergonomisch gestalteten, gabelförmigen Schalengehäuse, in welchem zusätzlich ein Mikroprozessor, eine DSP Elektronik und gegebenenfalls eine eigene Energiequelle wie einen Akkumulator integriert sind. Zusammen mit der vorgesehenen optischen Sensorik ist es dann vorteilhaft möglich, dass mit Hilfe von trigonometrischen Funktionen auf dem Prinzip des Schattenwurfs eine 3D Position der Mittelachse des jeweiligen zu messenden Bauteils innerhalb des Messfeldes erfassbar ist. Dabei ist die Ausbildung der Messgabel zweckmäßigerweise derart, dass eine vektorielle Darstellung des zu messenden Bauteils ablesbar ist.
Insbesondere für eine Handführung des Messgerätes ist es besonders hilfreich, wenn in diesem ein Korrekturteil integriert ist, das bei einer abweichenden Führung des
Messgeräts von der jeweiligen gedachten Mittelachse des zu messenden Bauteils eine Korrektur vornimmt, und zwar vornehmlich über die Wegstrecke, Beschleunigung und/oder Winkelabweichung.
Auch ist es zweckmäßig, wenn das Messgerät derart ausgebildet ist, dass insbesondere die mit den Gabelschenkeln erfassen 3D-Daten des gemessenen Bauteils drahtlos oder mittels mindestens einem Kabelanschluss an ein übergeordnetes System, wie PC, IPC, Notebook, Palm oder ähnliche Systeme übertragbar sind, wobei sich hierfür auch ein USB - Sticker gut eignet, falls man einen entsprechenden Anschluss am Messgerät vorsieht. Damit sind die mit den Gabelschenkeln erfassten 3D-Daten separat speicherbar und mit diesen Daten insbesondere Bearbeitungsprozesse innerhalb des Prozessablaufs, wie Anlagen zum Biegen von Werkstücken wie Rohre oder dgl . gezielt steuerbar.
Ferner ist es zweckmäßig, wenn das gabelförmige Schalengehäuse des Messgerätes zweckgebundene Bedienungsknöpfen sowie mindestens einen Signalgeber aufweist, der ein akustisches Signal ertönen lässt, wenn insbesondere bei einer Handführung des gabelförmigen Messgeräts dessen Gabelschenkel vom Hauptmessfeld des zu messenden Bauteils abweichen. Dadurch wird die das Messgerät führende Person akustisch aufgefordert, dessen Wegführung zu Gunsten der gedachten Mittellinie zu korrigieren.
Zweckmäßig verlaufen die wesentlichen Schenkelteile der
Messgabel des Messgerätes rechtwinklig zueinander, wobei dann in jedem derartigen Schenkelteil ein Lichtempfänger, vorzugsweise in der Form von einer ladungsgekoppelten Zeile
(CCD's) vorgesehen ist. Gleichzeitig sind diese Schenkel an ihren freien Enden mit etwa parallel zueinander verlaufenden Endabschnitten versehen, in welche die
Lichtsender, vorzugsweise in der Form von Lumineszenzdioden
(LED's) untergebracht.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung; darin zeigt :
Fig.l eine • vereinfacht dargestellte Kommunikationsgrafik der Erfindung,
Fig.2 einen in einem Längsschnitt dargestellten Messgabel- Kopf mit Messfeldern des erfindungsgemäßen Messgeräts,
Fig.3 den Messgabel-Kopf nach Fig. 2 mit einer Skizze zu einer LED - Anordnung,
Fig.4 den Messgabel-Kopf nach Fig. 2 mit einer Skizze für eine Korrektur einer CCD - Position und
Fig.5 den Messgabel-Kopf nach Fig.2 mit der Skizze eines Schattenwurfs durch ein eingebrachtes Objekt auf einer Seite.
Die in Fig.l vereinfacht dargestellte Kommunikationsgrafik zeigt das mit 1 bezeichnete erfindungsgemäße Messgerät mit einem Messgabel-Kopf 2, in welchem Messfelder 3 angedeutet sind. Die durch das Messgerät 1 erfassten Daten können entweder drahtlos - angedeutet bei 4 - per Kabel angedeutet bei 5 - oder mittels eines USB - Stickers 6 z. B. zu einem Notebook 7 und von diesem oder direkt zu einer Bearbeitungsmaschine, wie eine Rohrbiegemaschine . 8 übertragen werden. In Fig.2 ist im Einzelnen der Messgabel-Kopf 2 in einem Längsschnitt gezeigt, und zwar bildet dieser das gabelförmige Arbeitsende eines Schalengehäuses 9, welches in einen ergonomisch gestalteten Handgriff 10 übergeht. Das Schalengehäuse 9 besteht aus Kunststoff, wobei ein geeignetes Leichtmetall ebenfalls möglich ist. Wichtig ist dabei, dass das Gehäusematerial des Messgabel-Kopfes 2 nur minimal reflektiert.
Der Messgabel-Kopf 2 besitzt Gabelschenkel 11 und 12, deren wesentliche Schenkelteile 13 und 14 rechtwinklig zueinander verlaufen und als Lichtempfänger CCD' s 15 und 16 in Zeilenform enthalten. Die Schenkelteile 13 und 14 besitzen ferner Endabschnitte 17 und 18, die etwa parallel zueinander verlaufen, in denen jeweils drei Lichtsender in der Form von LED's 19 und 20 untergebracht sind.
Die in Fig.2 in dem Messgabel-Kopf 2 skizzierten Messfelder 3 sind wie folgt hervorgehoben: In den jeweils mit 21 bezeichneten Bereichen wird ein Prüfling nur von einer oder mehreren LED's einer Gabelseite erfasst. Handelt es sich dabei z. B. um nur eine LED, so ist nur eine Objekterkennung, jedoch keine Positionserfassung möglich. Bei zwei oder drei LED's ist jedoch eine sehr grobe Erfassung der Position möglich. Im Normalfall dienen die Bereiche 21 jedoch nicht der Messung.
In dem mit 22 bezeichneten ringartigen Messbereich zwischen den Gabelschenkeln 11 und 12 wird ein Prüfling mindestens von je einer LED einer Seite erfasst. Die zu erwartende Genauigkeit kann für eine Messung ausreichend sein. Will man diese jedoch steigern, so wird in dem Messgerät ein Signalgeber (nicht dargestellt) vorgesehen, der bewirkt, dass bei einem Verlassen des mit 23 bezeichneten sicheren Hauptfeldes durch den Anwender ein akustischer Warnton ertönt. Je nachdem wo man sich in diesem ringartigen Messbereich mit dem Prüfling befindet, sind zwischen zwei und fünf LED's an der Ausleuchtung der Messobjekt-Kanten beteiligt. Die erreichte Genauigkeit kann daher entsprechend schwanken.
Schließlich erfolgt in dem - Hauptbetriebsfeld 23 des Messgabel-Kopfes 2 die Beleuchtung des Messobjektes bzw. dessen Kanten durch alle sechs LED's 19 und 20, welche dann über deren Schattenwurf auf die CCD' s 15 und 16 vom Messgerät ausgewertet werden. Bei einer entsprechenden Parametierung ist die Messgenauigkeit innerhalb des zentralen Bereichs des Hauptbetriebsfeldes 23 konstant.
Der Funktionsablauf des erfindungsgemäßen optischen Verfahrens ist wie folgt:
Im Grunde genommen besteht das vorliegende Messsystem des Messgeräts 1 aus drei einzelnen Messgabeln nach dem Prinzip des Schattenwurfs. Diese werden sequentiell umgeschaltet und ein Mittelwert aus den Messwerten gebildet. Hierbei liegt das Grundprinzip einer einfachen Messgabel vor, und zwar einer zweiseitigen Beleuchtung eines Prüflings mit idealer weise punktförmigen Lichtquellen und einer Auswertung des geworfenen Schattens durch optische Sensoren. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel dienen zur Beleuchtung die LED's 19 und 20 und zur Aufnahme des Schattens werden CCD -Zeilen 15 und 16 genutzt. Um nun die Genauigkeit zu erhöhen, wurde das Beleuchtungssystem einfach verdreifacht, wobei die Ausrichtung so gewählt wurde, dass das Sensorsystem beibehalten werden kann. Durch die sequentielle Aussteuerung der LED's 19 und 20 und das parallele auslesen der CCD' s 15 und 16 kann so trotz der im Vergleich zu einem Laser schlechteren Lichtquelle eine hohe Genauigkeit erhalten werden. Außerdem werden dadurch die Kosten drastisch reduziert.
Um den Gesamtaufbau des Messgeräts 1 und dessen Messgabel- Kopf 2 bestimmen zu können, ist es zweckmäßig, die optischen Wege genau zu spezifizieren. Als da wären die Maße sämtlicher Komponenten, die Länge und Position des lichtempfindlichen Bereichs an den CCD^s 15 und 16 und die Abstrahlwinkel der LED's 19 und 20.
Hierbei sind bei der Auswahl der Bauteile folgende Kriterien zu beachten: Die Wellenlänge der LED's 19 und 20 sollte in einem der Empfindlichkeitsmaxirna der CCD' s 15 und 16 liegen und auch für den Menschen gut sichtbar sein. Dabei muss eine möglichst hohe Lichtleistung bei homogener Abstrahlung erreicht werden, sowie muss der Abstrahlwinkel zum System passen. Bezüglich der CCD's 15 und 16 ist es von Vorteil, wenn diese möglichst einfach in der Aussteuerung sind und dabei eine hohe Auflösung und eine möglichst große Zeilenlänge besitzen. Außerdem ist es von Vorteil, wenn deren Empfindlichkeit in einem weiten Bereich variierbar ist, was z. B. durch einen elektronischen Shutter gut zu bewerkstelligen ist. Bei der mechanischen Konstruktion des Schalengehäuses 9 ist vorgesehen, dass zur Reduzierung von Störungen durch Umgebungslicht ein möglichst schmaler Lichtweg zu den CCD 's
15 und 16 erfolgt. Zweckmäßigerweise berücksichtigt man dies bei der Positionierung der CCD' s 15 und 16, damit durch die Gehäusekanten nicht bereits ein Teil des optischen Systems abgeschattet wird. Die LED's 15 und 16 selbst werden zum CCD -Mittelpunkt ausgerichtet, sodass deren Lichtkegel die gesamte jeweilige CCD - Fläche erreichen kann, was in Fig.3 im Einzelnen durch die Lichtstrahlenbündel 24 - 26 skizziert ist, d. h. das Ergebnis wurde hier durch das Einzeichnen der jeweiligen Abstrahlwinkel verifiziert. Zur Anwendung kommt dabei eine einfache geometrische Optik.
Um nun die sichere Ausleuchtung jeder CCD - Zeile 15 bzw.
16 zu verbessern ohne dabei die Gehäuseόffnung im Schalengehäuse 9 viel größer als die Zeile selbst machen zu müssen, ist es von Vorteil, wenn die Position jedes Sensors leicht korrigiert wird. Diese Korrektur erfolgte mit den in Fig.4 gezeigten Hilfslinien 27 und 28, was eine Versetzung um etwas mehr als 1,4 mm bedeutet. Die exakten Messfelder des in Fig.4 gezeigten Messgabel-Kopfes 2 ergeben sich analog dem Beispiel in Fig.2, indem man auch für die andere Seite Hilfslinien einzeichnet.
Schließlich ist in Fig.5 der Schattenwurf durch ein eingebrachtes Objekt 29 auf einer Seite gezeigt, woraus zu ersehen ist, dass auf der CCD - Oberfläche der CCD - Zeile 16 tatsächlich drei ausreichend verschiedene Schattenbilder erhalten sind. Insgesamt befinden sich innerhalb des Messgeräts 1 vier Leiterplatten, wobei es sich bei einer um ein fertiges Bluethooth - Modell handelt. In den Fig.2 - 5 sind davon 2 Sensorplatten zu sehen, und zwar besehend aus der jeweiligen CCD - Zeile 15 bzw. 16 und jeweils einem daran befestigten Gyroskop 30 bzw. 31 (z. B. Fig.5) . Außerdem befindet sich eine nicht näher dargestellte Treiberschaltung für die LED's 19 und 20 der jeweiligen Gabelseite auf der Sensorplatte. Die Auslagerung der Gyroskope 30, 31 auf diese Leiterplatten vereinfacht den Montageaufwand für das 3-Achs-System erheblich.
Im Handgriff 10 des Messgeräts 1 ist u. a. neben einem Mikroprozessor und einer DSP Elektronik noch ein ebenfalls nicht im Einzelnen dargestellten Beschleunigungssensor (wegabhängig) sowie ein Gyroskop als Art Kreiselkompas, zuständig für x, y, z Positionsdaten im Raum, vorgesehen. Ein dadurch erhaltenes Navigationssystem, welches insbesondere bei einer Handführung des Messgeräts zum Tragen kommt, arbeitet dabei auf der Basis von Beschleunigungs-, Rotations- und Magnetfeldsensoren.
Insgesamt sind mit dem erfindungsgemäßen Messverfahren einerseits und mit dem erfindungsgemäßen Messgerät andererseits die verschiedensten Anwendungen möglich. So kann die Erfindung in der Produktion und in der Verarbeitung z. B. von gebogenen Rohren und Vollmaterialien vorteilhaft eingesetzt werden, wobei hier das erfindungsgemäße System dem Erfassen von Meisterteilen und Prototypen genauso wie der Qualitätskontrolle einer laufenden Produktion dienen kann. Um ein Bauteil zu erfassen, ist es lediglich erforderlich, die Messgabel 1 ohne sie abzusetzen, mit oder ohne Messarm, einfach nur über den Prüfling zu führen, wobei dessen geometrischen Daten, genau genommen dessen Mittelachse, erfasst werden.
Auch kann die Erfindung zur Vermessung von Drehteilen innerhalb einer Drehmaschine bzw. eines Drehzentrums vorteilhaft zum Einsatz kommen. Der Prüfling wird hierbei in Rotation versetzt und die Messgabel mit einem konstanten Vorschub über das sich drehende Teil gefahren.
Bezugszeichenliste
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Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur beruhrungslosen Erfassung des räumlichen Formverlaufs von Bauteilen, insbesondere von gebogenen Rohren, Drähten, Stangenmaterial, Halbzeugen, Blechen oder dgl . ,
dadurch gekennzeichnet,
dass jedes Bauteil fortschreitend entlang seines Verlaufs durch mindestens einen Lichtsender (19 bzw. 20) beleuchtet und dabei der durch das Bauteil hervorgerufene Schatten durch mindestens einen Lichtempfänger (15 bzw. 16) erfasst und dadurch eine Messauswertung initiiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Bauteil fortschreitend entlang seines Verlaufs beidseitig durch mindestens einen Lichtsender (19; 20) beleuchtet und gleichzeitig die durch das Bauteil hervorgerufene Schatten beidseitig durch mindestens einen Lichtempfanger (15; 16) erfasst werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Lichtsender
(19; 20) und der di'esem zugeordnete mindestens eine
Lichtempfänger (15; 16) in Gabelschenkeln (11; 12) einer Art Messgabel (1) integriert werden, wobei mit Hilfe der das Bauteil berührungslos übergreifenden Gabelschenkel (11; 12) während eines Messvorgangs entlang des Verlaufs des Bauteils gemessen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Art Messgabel (1) handgeführt wird.
5. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Lichtsender
(19; 20) Lumineszenzdioden (LED's) oder Laser und als Lichtempfänger (15; 16) ladungsgekoppelte Zeilen (CCD' s) und/oder CMOS Empfänger (15, 16) verwendet werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung der Messgenauigkeit die Anzahl der Lichtsender (19 bzw. 20) unter Beibehaltung der Anzahl der Lichtempfänger (15; 16) erhöht, vorzugsweise verdreifacht werden.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtsender, vorzugsweise LED's
(19; 20), sequenziell angesteuert und die Lichtempfänger, vorzugsweise CCD' s (15; 16), parallel ausgelesen werden.
8. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Art Messgabel (1) mit einer integrierten eigener Energiequelle wie einem Akkumulator betrieben wird.
9. Verfahren nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Art Messgabel (1) mit Hilfe eines integrierten Mikroprozessors sowie DSP Elektronik und optischer Sensorik derart betrieben wird, dass mit trigonometrischen Funktionen auf dem Prinzip des Schattenwurfs eine 3D Position der Mittelachse des jeweils zu messenden Bauteils innerhalb eines Messfeldes (23)erfasst wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Rechensystem der Art Messgabel (1) eine vektorielle Darstellung des zu messenden Bauteils generiert.
11. Verfahren nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelachse des jeweils zu messenden Bauteils bei einer von dieser abweichenden Führung der Art Messgabel (1) , insbesondere bei einer Handführung, vornehmlich über die Wegstrecke, Beschleunigung und/oder Winkelabweichung automatisch korrigiert wird.
12. Verfahren nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Art Messgabel (1) insbesondere erfassten 3D-Daten des gemessenen Bauteils an ein übergeordnetes System wie PC, IPC, Notebook (7), Palm oder ähnliche Systeme drahtlos (4) oder mittels mindestens eines Kabels (5) übertragen werden.
13. Verfahren nach mindestens einem der vorherigen
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Art Messgabel (1) vorzugsweise entlag der Längsausdehnung eines zu messenden Bauteils, wie entlang eines mehrfach gebognen Rohres oder dgl., welches insbesondere als Referenzbauteil dient, bewegt und dessen räumlicher Formverlauf gespeichert wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherung vorzugsweise auf ein UBS-Sticker
(6) erfolgt, mit welchem dann Bearbeitungsprozesse innerhalb eines Prozessablaufes, wie Anlagen (8) zum Biegen von Werkstücken wie Rohren oder dgl . , gesteuert werden .
15. Verfahren nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Art Messgabel (1) derart ausgebildet ist, dass sie ein akustisches Signal abgibt, wenn insbesondere bei einer Handführung die Art Messgabel (1) deren Hauptmessfeld (23) von dem zu messenden Bauteil verlassen wird.
16. Messgerät zum berührungslosen Erfassen des räumlichen Formverlaufs von Bauteilen, insbesondere von gebogenen Rohren, Drähten, Stangenmaterial, Halbzeugen, Blechen oder dgl., dadurch gekennzeichnet, dass dieses in der Form einer Messgabel (1) ausgebildet ist, deren Gabelschenkel (11 bzw. 12) mindestens einen Lichtsender (19 bzw. 20) und mindestens einen Lichtempfänger (15 bzw. 16) aufweist.
17. Messgerät nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, das als Lichtsender (19; 20) Lumineszenzdioden (LED' s) oder Laser und als Lichtempfänger (15; 16) ladungsgekoppelte Zeilen (CCD' s) dienen.
18. Messgerät nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, das als Lichtempfänger (15; 16) CCD-Kamerasysteme dienen.
19. Messgerät nach mindestens einem der Ansprüche 16 - 18, dadurch gekennzeichnet, dass dieses aus einem ergonomisch gestalteten, gabeförmigen Schalengehäuse
(9) besteht, in welchem zusätzlich ein Mikroprozessor sowie eine DSP Elektronik integriert sind.
20. Messgerät nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Schalengehäuse (9) des Messgeräts eine eigene Energiequelle wie einen Akkumulator integriert ist.
21. Messgerät nach mindestens einem der Ansprüche 16 - 20, dadurch gekennzeichnet, dass dieses derart ausgebildet ist, dass mit diesem aufgrund des integrierten Mikroprozessors sowie der DSP Elektronik und der optischen Sensorik mit Hilfe von trigonometrischen Funktionen auf dem Prinzip des Schattenwurfs eine 3D Position der Mittelachse des jeweils zu messenden Bauteils innerhalb eines Messfeldes (23) erfassbar ist.
22. Messgerät nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Messgabel (1) des Messgeräts derart ausgebildet ist, damit eine vektorielle Darstellung des zu messenden Bauteils ablesbar ist.
23. Messgerät nach mindestens einem der Ansprüche 16 - 22, dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere für eine
Handführung der Messgabel (1) in dieser ein
Korrekturteil integriert ist, welches bei einer abweichenden Führung der Messgabel (1) von der jeweiligen Mittelachse des zu messenden Bauteils die Abweichung anzeigt.
24. Messgerät nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrektur einer Mittelachsenabweichung automatisch durch das Korrekturteil erfolgt, und zwar vornehmlich über die Wegstrecke, Beschleunigung und/oder Winkelabweichung.
25. Messgerät nach mindestens einem der Ansprüche 16 - 24, dadurch gekennzeichnet, dass dieses derart ausgebildet ist, dass insbesondere die mit den Gabelschenkeln (11; 12) erfassten 3D-Daten des gemessenen Bauteils drahtlos (4) oder mittels mindestens einem Kabelanschluss (5) an ein übergeordnetes System, wie PC, IPC, Notebook (7), Palm oder ähnliche Systeme übertragbar sind.
26. Messgerät nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass dieses einen Anschluss für einen USB-Sticker (6) aufweist, mit dem die erfassten 3D-Messdaten speicherbar und damit insbesondere Bearbeitungsprozesse innerhalb eines Prozessablaufs, wie Anlagen zum Biegen (8) von Werkstücken wie Rohren oder dgl . steuerbar sind.
27. Messgerät nach mindestens einem der Ansprüche 16 - 26, dadurch gekennzeichnet, dass dieses mindestens einen Signalgeber aufweist, der ein akustisches Signal ertönen lässt, wenn insbesondere bei einer Handführung des gabelförmigen Messgeräts (1) dessen Gabelschenkel (11; 12) vom Hauptmessfeld (23) des zu messenden Bauteils abweichen.
28. Messgerät nach mindestens einem der Ansprüche 16 - 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Gabelschenkel (11; 12) des Messgerätes (1) eine Messgabel-Kopf (2) bilden, dessen wesentlichen Schenkteile (13; 14) rechtwinklig zueinander verlaufen.
29. Messgerät nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem rechtwinklig zueinander verlaufenden Schenkelteil (13 bzw. 14) mindestens ein Lichtempfänger (15; 16) , vorzugsweise in der Form von einer ladungsgekoppelten Zeile (CCD' s) vorgesehen ist.
30. Messgerät nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die rechtwinklig zueinander verlaufenden Schenkelteile (13; 14) an ihren freien Enden mit etwa parallel zueinander verlaufenden Endabschnitten (17; 18) versehen sind, in welche die Lichtsender (19; 20) , vorzugsweise in der Form von Lumineszenzdioden (LED's) untergebracht sind.
31. Messgerät nach mindestens einem der Ansprüche 16 - 30, dadurch gekennzeichnet, dass dessen Navigation im dreidimensionalen Bereich, insbesondere bei einer Handführung des Messgeräts- (1) mittels eines in dieses integrierten Navigationssystem durchführbar ist, das auf der Basis von Beschleunigungs-, Rotations- und Magnetfeldsensoren aufgebaut ist.
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