WO2010015458A2 - Optischer sensor und verfahren zum vermessen von profilen - Google Patents

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WO2010015458A2
WO2010015458A2 PCT/EP2009/057957 EP2009057957W WO2010015458A2 WO 2010015458 A2 WO2010015458 A2 WO 2010015458A2 EP 2009057957 W EP2009057957 W EP 2009057957W WO 2010015458 A2 WO2010015458 A2 WO 2010015458A2
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Stefan Freitag
Bernard Poks
André ABEE
Andreas Bachthaler
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Data M Sheet Metal Solutions Gmbh
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    • B21D5/006—Bending sheet metal along straight lines, e.g. to form simple curves combined with measuring of bends
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B21D5/06—Bending sheet metal along straight lines, e.g. to form simple curves by drawing procedure making use of dies or forming-rollers, e.g. making profiles
    • B21D5/08—Bending sheet metal along straight lines, e.g. to form simple curves by drawing procedure making use of dies or forming-rollers, e.g. making profiles making use of forming-rollers

Definitions

  • the invention relates generally to an optical sensor and method for measuring profiles, and more particularly to an optical sensor and method for optically measuring profiles made on wire rolling apparatus. Moreover, the invention also relates to an optical sensor for optically measuring profiles produced on wire drawing and sheet bending apparatus as well as on cold and hot rolling apparatuses.
  • the light-section method based on the principle of triangulation generally involves the measurement of a height profile of a measurement object to be detected along a narrow and bright light line which is projected onto the measurement object by a line projector, for example a laser.
  • a line projector for example a laser.
  • An electronic camera records the projection of the light line on the measurement object and an evaluation circuit downstream of the camera determines the displacement of the light line in the camera image with the methods of photogrammetry and converts this shift into 3D coordinates that correspond to the height profile of the measurement object.
  • the surface measuring device of DE 44 39 307 C2 implements the known principle of the light-section method in that it provides illumination optics and observation optics arranged at a triangulation angle which is not equal to zero.
  • the illumination optics generates a light line, which is projected onto the surface of the measurement object and then sharply imaged on a 2D CCD sensor of the observation optics.
  • the observation optics of DE 44 39 307 C2 moreover comprises two lenses or lens systems with different focal lengths and an aperture located between the two lenses or lens systems which delimits the beam path and is spaced from the respective focal length of the lenses or lens systems ,
  • the main axis of the observation optics of DE 44 39 307 C2 is inclined with respect to the surface of the CCD sensor by an angle which is not equal to 90 ° and additionally from the two focal points of the lenses or lens systems and angles of the main axis of the observation optics with the plane depends on the measured object to be detected.
  • illumination and observation optics of DE 44 39 307 C2 causes an enlargement of the height measurement range of the measurement object
  • the known illumination and observation optics do not permit detection of the height measurement range of the measurement object, thereby detecting different locations of the measurement object with different depth of field, which is especially true in the case where profiles of wire rolling devices are to be detected is required.
  • the two lenses or two lens systems including lighting and observation optics of DE 44 39 307 C2 is complicated and can not be realized with the optics of a conventional camera.
  • another object of the present invention is to provide an optical sensor or a method for measuring profiles with a relatively simple optics already present in a conventional camera.
  • FIG. 1 shows the image of a height profile of a measurement object on a sensor element with a conventional illumination and observation optics which is constructed according to the principles of DE 44 39 307 C2.
  • FIG. 2 shows the illustration of a height profile of a measurement object on a sensor element that deviates from the sensor element of FIG.
  • FIG. 3 shows a section of FIG. 2 in enlarged form.
  • FIG. 4 shows the schematic view of an optical sensor with the measurement object, wherein the sensor element according to FIG. 1 or FIG. 3 is installed in the optical sensor.
  • FIG. 5 shows the schematic view of an optical sensor with the measurement object, wherein the optical sensor according to the present invention is constructed and includes the sensor element of FIG. 1 or 3.
  • FIG. 6 shows a measuring arrangement according to the invention which can be constructed with optical sensors of FIG. 4 or 5.
  • FIG. 1 the illustration of a schematically illustrated height profile 1 of a measurement object is shown on a sensor element 2 with a known illumination and observation optics, which is constructed according to the principles of DE 44 39 307 C2.
  • the sensor element 2 is arranged rotated in accordance with the Scheimpflug principle.
  • the schematic influencenprof ⁇ l 1 extends between two points A and B, which is divided by the optical axis 3 of a likewise schematically shown thick lens 4 in two areas I 1 and I 2 .
  • Thick lenses are those whose distance between the vertices on the optical axis are no longer small compared to their radii of curvature.
  • the sensor element 2 is arranged such that it is not parallel to the main planes H 1 and H 2 of the thick lens 4, so that the image A 1 and B 1 of the height profile 1 in the plane of the sensor element 2 corresponds to a larger depth range.
  • the non-parallel arrangement of the sensor element 2 with respect to the principal plane H 1 and H 2 of the lens 4 allows a greater depth region corresponding to the region I 1 of the height profile 1 to be a region I 1 'in the plane of the Sensor element is displayed.
  • the second region I 2 of the height profile 1, which lies approximately in the normal depth range of the lens, is imaged in the region I 2 of the plane of the sensor element 2.
  • the sensor element 2 is immovable with respect to the optical axis 3, the optical axis 3 of the thick lens 4 generally passing through the center of the sensor element 2. Therefore, a change of the depth range or a selective detection of the height measuring range of the measuring object with the conventional arrangement is not possible.
  • FIGS. 2 and 3 an illustration of a schematically illustrated height profile 1 of a measurement object is shown on a plane of a sensor element 2, which deviates from the sensor element 2 of the figure.
  • the components of the measuring optics of Figures 2 and 3 are the same as those of the measuring optics of Figure 1 and include the height profile 1 with the areas I 1 and I 2 , the sensor element 2 with the areas I 1 'and I 2 ', and the thick lens 4 with the optical axis 3. Therefore, a more detailed explanation of the measuring optics of Figures 2 and 3 is omitted.
  • the sensor element 2 of the measuring optics is arranged displaceable with respect to the optical axis 3 of the thick lens 4, so that the depth of the regions I 1 and I 2 are adjustable.
  • the areas Ii and I 2 are approximately equal.
  • the adjustment may be selective as a function of the depth range of the measurement object to be detected.
  • the design specification of the points A 'and B' in the plane of the sensor element 2 is as follows.
  • the distance AH 2 is first drawn parallel to the optical axis 3, then the straight line H 2 -f -A ', then the distance Af-H ⁇ and then the straight line H 1 -A' parallel to the optical axis 3
  • the distance BH 2 is first drawn parallel to the optical axis 3, then the straight line H 2 -f -B ', then the distance B- ⁇ H 1 and then the straight line H 1 -B 1 parallel to optical axis 3.
  • the offset v of the sensor element 2 with respect to the optical axis 3 can be calculated in the manner described above. If z. B., as shown in Figure 2, the distance AB of the height profile 1 is selected symmetrically to the optical axis, then the offset v can be determined as a distance between the center of the distance A'-B 'and the optical axis 3. The position of the two main planes Hi and H 2 of the lens 4 and their focal points f and f are given by the manufacturer of the lens (the objective).
  • the offset v of the sensor element 2 with respect to the optical axis 3 of the lens 4 can be variously implemented mechanically or electronically, as known to those skilled in the art.
  • the offset v takes place in the defined plane of the sensor element 2, so that the inclination of the plane of the sensor element 2 with respect to the optical axis 3 remains constant.
  • the sensor element 2 of Figure 2 allows, similar to the above-described prior art DE 44 39 307 C2, a greater depth of focus and it can be detected a larger measuring range, the accuracy remains relatively high.
  • the sensor element of Figure 2 allows a well-defined and _ _
  • FIG. 4 an optical sensor which can be equipped with the measuring optics of FIGS. 1 to 3 is explained.
  • the optical sensor generally designated by reference numeral 5 and operating on the principle of the light-section method comprises a line projector 6, preferably with a laser as a light source with suitable optics (not shown) or with a laser with a movable mirror system (not shown) which is designed to rotate or pivot is.
  • a line projector 6 preferably with a laser as a light source with suitable optics (not shown) or with a laser with a movable mirror system (not shown) which is designed to rotate or pivot is.
  • the brightness of the laser can be regulated.
  • the line projector 6 is directed to a schematically illustrated measurement object 8, whose height profile is to be detected, and emits a narrow and bright light line 9 on the measurement object 8.
  • the optical sensor 5 is preferably contained in a housing 15.
  • the optical sensor 5 further comprises an image pickup element 7, preferably a video camera or camera with a lens assembly 19, which includes the lens 4 of Figures 2 and 3 and possibly a diaphragm 16.
  • the camera 7 is designed to allow the adaptation of its photosensitivity, so that the light of the laser is sharply imaged.
  • the aperture 16 may be controllable or automatic and has the function of avoiding unwanted reflections. Instead of a normal lens arrangement, a telecentric measuring lens can be installed.
  • the sensor element 2 Also integrated into the camera 7 is the sensor element 2 with an evaluation circuit 10 which is known per se.
  • the evaluation circuit 10 can be provided externally with respect to the camera 7.
  • Evaluation circuit 10 may be formed to electronically offset v of the sensor element 2 with respect to the optical axis 3 of the lens 4 and the camera 7 in a plane which is at a fixed angle to the optical axis 3 to implement.
  • the alternative mechanical means for displacing the sensor element 2 are not shown in FIG. 4, but can, as explained, be readily implemented by a person skilled in the art.
  • Evaluation circuit 10 can be advantageously equipped with an evaluation software that is resistant to disturbance contour to detect breakthroughs or impurities correctly.
  • the optical sensor 5 also includes optical filters 11 and 12 tuned to the wavelength of the line projector 6, e.g. As infrared light to suppress unwanted wavelengths that could falsify the measurement result.
  • the optical sensor 5 is mounted on a carriage 13 which is slidably mounted on a guide 14.
  • suitable means may also be provided to effect a height adjustment of the optical sensor 5 with respect to the measurement object 8.
  • the camera 7 may preferably be formed as a CCD or CMOS camera.
  • Camera 7 and line projector 6 are at an angle greater than 0 ° and smaller than 90 ° to each other, with an angle of 15 ° to 60 ° is preferable to keep the space of the optical sensor 5 small. Even more preferably, an angle in a range of 25 ° to 45 ° and most preferably an angle of about 30 ° is preferable
  • the line projector 6 or its light line 9 may be perpendicular to a reference surface of the measuring object 8, wherein the reference surface of the measuring object 8 is one which is parallel to the front of the housing 15 of the optical sensor 5.
  • An inclination of the line projector 6 or its light line 9 from the perpendicular to the reference surface of the measuring object 8 of about 1 ° to about 3 ° is advantageous in that disturbing reflections that may occur depending on the material properties of the measuring object 8 are avoided.
  • the camera 7 and line injector 6 are mounted approximately symmetrically about a reference surface of the measuring object 8, the angle therebetween being preferably 15 ° to 60 °, more preferably 25 ° to 45 ° and even more preferably about 30 °.
  • the camera 7 can be designed such that each point of intersection of the measuring object 8 with the plane of the light projector 6 is sharply imaged.
  • the sensor element 2 is preferably designed as a planar sensor and not as a line sensor.
  • the planar sensor can be designed as a CCD or CMOS sensor.
  • the inclination of the sensor element 2 with respect to the optical axis 3 of the camera 7 is determined first, so that the offset v at a fixed inclination (and thus in a fixed plane) takes place.
  • the invention is not limited to arrangements operated only with a fixed inclination of the sensor element 2, and it is rather intended that means for determining the inclination are provided depending on the depth range of the optical sensor to be achieved.
  • the optical sensor allows a precise and simple distance adjustment, which is particularly advantageous in profiling systems, where the sensor is to be set to different dimensions, or in bending devices, where the sensor is to be set for different wide tools or for moving objects. Also, the height adjustment of the sensor is advantageous in connection with profiling systems to adjust sensors to different dimensions or bending devices for different levels of tools.
  • the optical sensor also allows the process along the measuring object (workpiece) to measure different positions.
  • the measurements provided by the optical sensor can be used to calculate the output parameters for the control of cold and hot rolling equipment, as well as wire drawing, wire rolling and sheet bending equipment, depending on the task and intended use and taking into account further measurements, such as.
  • the calculated measurement result is returned to the control of the device and regulated the forming process.
  • So z. B. the bending angle to the control of the bending device for controlling the bending angle or position of the roller tools are tracked.
  • the calculated measurement result can also be: for a good-bad analysis and / or display, for an in-line measurement, ie a measurement in the device during production, for an off-line measurement, a measurement outside the machine and of the production process, eg For quality control, for a statistical evaluation also with transfer to evaluation systems of the course of the measurement over path / time, z.
  • Eg last 100 m measurement to generate empirical distribution functions, for an evaluation and result presentation, for the output of the results via printer, for a good-bad statement, for a statistical evaluation (partial statistics), z.
  • histogram function for individual features for the output of a measurement data file for cross-section to a CAD system, for the activation of optical or acoustic signals (lamps, LEDs, horns ...), or used for an SPC interface.
  • the optical sensor is equipped with a second image pickup element T, which can also be implemented as a camera. Similar to the first camera 7, the camera T comprises an objective arrangement 19 ', which encloses the thick lens 4 and possibly a diaphragm 16', and a sensor element 2 '.
  • the second camera T may comprise an evaluation circuit 10 ', although it is preferable to have a common external evaluation circuit for both cameras.
  • the cameras 7 and T can be arranged symmetrically to the light line 9 or at different angles such. B. 30 ° and 60 °.
  • An optical filter 12 ' having a similar function to the optical filter 12 may also be provided.
  • the cameras 7 and 7 'according to the invention have different focal lengths to capture different depth ranges.
  • a measuring arrangement which are constructed with optical sensors Figure 4 or 5 can be described with reference to Figure 6.
  • the optical sensors 5 are arranged in the illustrated embodiment at an angle of 120 ° and linearly displaceable on a guide 14. An adjustment in the direction perpendicular to the guide, as shown by the arrows 17, is provided.
  • the number of optical sensors is three in the embodiment of FIG. 6, it is obvious to a person skilled in the art that their number can be varied according to the object 8 to be detected.
  • the measuring arrangement with a single optical sensor or with two opposite optical sensors or with four optical sensors distributed at an angle of 90 °.
  • the optical sensors of FIG. 4 are advantageously equipped with respective image recording elements with different focal lengths.
  • the camera image is distorted by the shooting angle of the camera as well as the camera's optical, geometric, and digital characteristics.
  • a transformation or a calibration of the camera is necessary.
  • a calibration in which a calibration image is used in the form of a pattern with a specific geometry.
  • a calibration matrix can then be determined by means of a coordinate transformation with polynomials of the n-th degree known to the person skilled in the art.
  • it is possible to calibrate the camera to Tsai see “A Versatile Camera Calibration Technique for High-Accuracy 3D-Machine Vision Metrology Using Off-the-shelf TV Cameras and Lenses", IEEE Journal of Robotic and Automation, Vol RA-3, No. 4, August 1987, pages 323 ff.).

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor (5) zum Vermessen von Profilen nach dem Prinzip des Lichtschnittverfahrens, der folgendes umfasst: mindestens einen Linienprojektor (6), der eine Lichtlinie (9) auf ein Messobjekt (8) ausstrahlt, dessen Profil zu vermessen ist; und mindestens zwei Bildaufnahmeelemente (7, 7') mit einem jeweiligen Sensorelement (2, 2') und einer jeweiligen Objektivanordnung (19, 19') zur Erfassung des reflektierten Strahls des Messobjekts (8), wobei die Bildaufhahmeelemente (7, 7') unterschiedliche Brennweiten haben, wobei jedes Sensorelement (2, 2') nicht parallel zur Ebene der Objektivanordnung (19, 19') angebracht ist.

Description

Akte: 4174/PAF/sb
Anmelder: data M Sheet Metal Solutions GmbH
Am Marschallfeld 17 D-83636 Valley/Oberlaindern
Optischer Sensor und Verfahren zum Vermessen von Profilen
Beschreibung
Die Erfindung betrifft allgemein einen optischen Sensor und ein Verfahren zum Vermessen von Profilen und insbesondere einen optischen Sensor und ein Verfahren zum optischen Vermessen von Profilen, die auf Drahtwalzvorrichtungen hergestellt werden. Darüber hinaus betrifft die Erfindung auch einen optischen Sensor zum optischen Vermessen von Profilen, die auf Drahtzieh- und Blechbiegevorrichtungen sowie auf Kalt- und Warmwalzvorrichtungen hergestellt werden.
Stand der Technik
Aus der DE 44 39 307 C2 ist eine Beleuchtungs- und Beobachtungsoptik für ein 3D-Oberflächenmessgerät bekannt, das nach dem an und für sich bekannten Prinzip des Lichtschnittverfahrens arbeitet.
Beim auf dem Prinzip der Triangulation basierenden Lichtschnittverfahren erfolgt allgemein die Vermessung eines Höhenprofils eines zu erfassenden Messobjekts entlang einer möglichst schmalen und hellen Lichtlinie, die von einem Linienprojektor, beispielsweise einem Laser, auf das Messobjekt projiziert wird. Eine elektronische Kamera erfasst die Projektion der Lichtlinie auf dem Messobjekt und eine der Kamera nachgeschaltete Auswerteschaltung bestimmt die Verschiebung der Lichtlinie im Kamerabild mit den Methoden der Photogrammetrie und rechnet diese Verschiebung in 3D-Koordinaten um, die dem Höhenprofil des Messobjekts entsprechen.
Das Oberflächenmessgerät der DE 44 39 307 C2 setzt das bekannte Prinzip des Lichtschnittverfahrens um, indem es eine Beleuchtungsoptik und eine unter einem Triangulationswinkel, der ungleich Null ist, angeordnete Beobachtungsoptik bereitstellt. Die Beleuchtungsoptik erzeugt eine Lichtlinie, die auf die Oberfläche des Messobjekts projiziert wird und anschließend auf einem 2D CCD-Sensor der Beobachtungsoptik scharf abgebildet wird.
Die Beobachtungsoptik der DE 44 39 307 C2 umfasst darüber hinaus zwei Linsen bzw. Linsensysteme mit unterschiedlichen Brennweiten und eine sich zwischen den beiden Linsen bzw. Linsensystemen befindliche Blende, die den Strahlengang begrenzt und um die jeweilige Brennweite der Linsen bzw. Linsensysteme von diesen beabstandet ist.
Die Hauptachse der Beobachtungsoptik der DE 44 39 307 C2 ist in Bezug auf die Oberfläche des CCD-Sensors um einen Winkel geneigt, der ungleich 90° ist und zusätzlich von den zwei Brennpunkten der Linsen bzw. Linsensysteme und Winkel der Hauptachse der Beobachtungsoptik mit der Ebene des zu erfassenden Messobjekts abhängig ist.
Während Beleuchtungs- und Beobachtungsoptik der DE 44 39 307 C2 eine Vergrößerung des Höhenmessbereichs des Messobjekts bewirkt, erlaubt die bekannte Beleuchtungs- und Beobachtungsoptik keine Erfassung des Höhenmessbereichs des Messobjekts, um dadurch unterschiedliche Stellen des Messobjekts mit unterschiedlichen Tiefenschärfen zu erfassen, was insbesondere in dem Fall, in dem Profile von Drahtwalzvorrichtungen erfasst werden sollen, erforderlich ist.
Darüber hinaus ist die zwei Linsen bzw. zwei Linsensysteme einschließende Beleuchtungs- und Beobachtungsoptik der DE 44 39 307 C2 kompliziert und kann nicht mit der Optik einer herkömmlichen Kamera realisiert werden.
Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen optischen Sensor bzw. ein Verfahren zum Vermessen von Profilen bereitzustellen, der/das die Nachteile des Standes der Technik vermeidet und der in der Lage ist, unterschiedliche Stellen des Messobjekts mit unterschiedlichen Tiefenschärfen zu erfassen.
Im Rahmen der obigen Aufgabe besteht eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung eines optischen Sensors bzw. eines Verfahrens zum Vermessen von Profilen mit einer relativ einfachen Optik, die in einer herkömmlichen Kamera bereits vorhanden ist.
Diese und weitere der nachstehenden Beschreibung zu entnehmenden Aufgaben werden durch einen optischen Sensor gemäß Anspruch 1, von einer Messanordnung gemäß Anspruch 10 oder 13, sowie von einem Verfahren gemäß Anspruch 14 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den anhängigen Ansprüchen angegeben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 zeigt die Abbildung eines Höhenprofils eines Messobjekts auf einem Sensorelement mit einer herkömmlichen Beleuchtungs- und Beobachtungsoptik die nach den Grundsätzen der DE 44 39 307 C2 aufgebaut ist.
Figur 2 zeigt die Abbildung eines Höhenprofils eines Messobjekts auf einem Sensorelement, das vom Sensorelement der Figur 1 abweicht.
Figur 3 zeigt einen Abschnitt der Figur 2 in vergrößerter Form.
Figur 4 zeigt die schematische Ansicht eines optischen Sensors mit dem Messobjekt, wobei das Sensorelement gemäß der Figur 1 oder Figur 3 in den optischen Sensor eingebaut wird.
Figur 5 zeigt die schematische Ansicht eines optischen Sensors mit dem Messobjekt, wobei der optische Sensor gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist und das Sensorelement der Figur 1 oder 3 einschließt.
Figur 6 zeigt eine erfindungsgemäße Messanordnung, die mit optischen Sensoren der Figur 4 oder 5 aufgebaut werden kann.
Unter Bezugnahme auf die Figur 1 wird die Abbildung eines schematisch dargestellten Höhenprofils 1 eines Messobjekts auf ein Sensorelement 2 mit einer bekannten Beleuchtungs- und Beobachtungsoptik gezeigt, das nach den Grundsätzen der DE 44 39 307 C2 aufgebaut ist. Das Sensorelement 2 ist gemäß dem Scheimpflug-Prinzip gedreht angeordnet. Das schematische Höhenprofϊl 1 erstreckt sich zwischen zwei Punkten A und B, die durch die optische Achse 3 einer ebenfalls schematisch dargestellten dicken Linse 4 in zwei Bereiche I1 und I2 unterteilt ist. Als dicke Linsen werden jene bezeichnet, deren Abstand der Scheitelpunkte auf der optischen Achse nicht mehr klein gegenüber deren Krümmungsradien sind. Sie können daher nicht durch eine Ebene ersetzt werden und somit verläuft ein Lichtstrahl über einen optischen Weg in der Linse, der zwischen den Hauptebenen H1 und H2 der Linse 4 liegt. Das Sensorelement 2 ist derart angeordnet, dass es nicht parallel zu den Hauptebenen H1 und H2 der dicken Linse 4 liegt, so dass die Abbildung A1 und B1 des Höhenprofils 1 in der Ebene des Sensorelements 2 einem größeren Tiefenbereich entspricht. Anders ausgedrückt, gestattet die nicht parallele Anordnung des Sensorelements 2 in Bezug auf die Hauptebene H1 und H2 der Linse 4, dass ein größerer Tiefenbereich, der dem Bereich I1 des Höhenprofils 1 entspricht, als ein Bereich I1' in der Ebene des Sensorelements abgebildet wird. Der zweite Bereich I2 des Höhenprofils 1 , der in etwa im normalen Tiefenbereich des Linse liegt, wird im Bereich I2 der Ebene des Sensorelements 2 abgebildet.
Bei der in der Figur 1 gezeigten herkömmlichen optischen Anordnung ist das Sensorelement 2 in Bezug auf die optische Achse 3 unbeweglich, wobei die optische Achse 3 der dicken Linse 4 in der Regel durch die Mitte des Sensorelements 2 verläuft. Daher ist eine Änderung des Tiefenbereichs oder eine selektive Erfassung des Höhenmessbereichs des Messobjekts mit der herkömmlichen Anordnung nicht möglich.
Unter Bezugnahme auf die Figuren 2 und 3 wird eine Abbildung eines schematisch dargestellten Höhenprofils 1 eines Messobjekts auf einer Ebene eines Sensorelements 2 gezeigt, das vom Sensorelement 2 der Figur abweicht.
Die Bestandteile der Messoptik der Figuren 2 und 3 sind dieselben wie jene der Messoptik der Figur 1 und umfassen das Höhenprofil 1 mit den Bereichen I1 und I2, das Sensorelement 2 mit den Bereichen I1' und I2', sowie die dicke Linse 4 mit der optischen Achse 3. Daher wird eine eingehendere Erläuterung der Messoptik der Figuren 2 und 3 weggelassen.
Das Sensorelement 2 der Messoptik ist verschiebbar in Bezug auf die optische Achse 3 der dicken Linse 4 angeordnet, so dass die Tiefe der Bereiche I1 und I2 justierbar sind. Bei einem Versatz des Sensorelements 2 um den Betrag v von der - - optischen Achse 3, wie in der Figur 3 ersichtlich, sind die Bereiche Ii und I2 in etwa gleich. Für den Fachmann versteht sich jedoch, dass die Justierung selektiv abhängig von dem zu erfassenden Tiefenbereich des Messobjekts erfolgen kann.
Die Konstruktionsvorschrift der Punkte A' und B' in der Ebene des Sensorelements 2 ergibt sich wie folgt. Für den ersten Punkt A1 wird zunächst die Strecke A-H2 parallel zur optischen Achse 3 gezeichnet, dann die Gerade H2-f -A', dann die Strecke A-f-Hϊ und anschließend die Gerade H1-A' parallel zur optischen Achse 3. Für den zweiten Punkt B1 wird zunächst die Strecke B-H2 parallel zur optischen Achse 3 gezeichnet, dann die Gerade H2-f -B', dann die Strecke B-^H1 und anschließend die Gerade H1-B1 parallel zur optischen Achse 3.
Der Versatz v des Sensorelements 2 in Bezug auf die optische Achse 3 kann auf die vorstehend beschriebene Art und Weise berechnet werden. Wird z. B., wie in der Figur 2 dargestellt, die Strecke A-B des Höhenprofils 1 symmetrisch zur optischen Achse gewählt, kann dann der Versatz v als Abstand zwischen der Mitte der Strecke A'-B' und der optischen Achse 3 ermittelt werden. Die Lage der beiden Hauptebenen Hi und H2 der Linse 4 und ihrer Brennpunkte f und f sind durch den Hersteller der Linse (des Objektives) gegeben.
Der Versatz v des Sensorelements 2 in Bezug auf die optische Achse 3 der Linse 4 kann verschiedenartig, wie dem Fachmann bekannt, mechanisch oder elektronisch implementiert werden. Der Versatz v erfolgt in der festgelegten Ebene des Sensorelements 2, so dass die Neigung der Ebene des Sensorelements 2 in Bezug auf die optische Achse 3 konstant bleibt.
Das Sensorelement 2 der Figur 2 erlaubt, analog zum vorstehend erläuterten Stand der Technik der DE 44 39 307 C2, eine größere Tiefenschärfe und es kann ein größerer Messbereich erfasst werden, wobei die Genauigkeit relativ hoch bleibt. Darüber hinaus erlaubt das Sensorelement der Figur 2 ein genau definiertes und _ _
begrenztes Blickfeld. Anders ausgedrückt kann mit der Messoptik der Figur 2 eine selektive Erfassung des Höhenmessbereichs des Messobjekts erfolgen.
Unter Bezugnahme auf die Figur 4 wird ein optischer Sensors erläutert, der mit der Messoptik der Figuren 1 bis 3 ausgestattet werden kann.
Der allgemein mit Bezugszeichen 5 bezeichnete und nach dem Prinzip des Lichtschnittverfahrens arbeitende optische Sensor umfasst einen Linienprojektor 6, vorzugsweise mit einem Laser als Lichtquelle mit (nicht gezeigter) geeigneter Optik oder mit einem Laser mit (nicht gezeigtem) beweglichem Spiegelsystem, das drehend oder schwenkend ausgebildet ist. Vorteilhaft kann die Helligkeit des Lasers regelbar sein.
Der Linienprojektor 6 ist auf ein schematisch dargestelltes Messobjekt 8 gerichtet, dessen Höhenprofil zu erfassen ist, und strahlt eine möglichst schmale und helle Lichtlinie 9 auf das Messobjekt 8 aus. Der optische Sensor 5 ist vorzugsweise in einem Gehäuse 15 enthalten.
Der optische Sensor 5 umfasst weiterhin ein Bildaufhahmeelement 7, vorzugsweise eine Videokamera oder Kamera mit einer Objektivanordnung 19, die die Linse 4 der Figuren 2 und 3 und möglicherweise eine Blende 16 einschließt. Vorteilhaft ist die Kamera 7 ausgebildet, um die Anpassung ihrer Lichtempfindlichkeit zu erlauben, so dass das Licht des Lasers scharf abgebildet wird. Die Blende 16 kann regelbar oder automatisch sein und hat die Funktion, unerwünschte Spiegelungen zu vermeiden. Statt einer normalen Objektivanordnung kann ein telezentrisches Messobjektiv verbaut werden.
Ebenfalls in die Kamera 7 integriert ist das Sensorelement 2 mit einer an und für sich bekannten Auswerteschaltung 10. Die Auswerteschaltung 10 kann extern in Bezug auf die Kamera 7 bereitgestellt werden. Darüber hinaus kann die — —
Auswerteschaltung 10 ausgebildet sein, um elektronisch Versatz v des Sensorelements 2 in Bezug auf die optische Achse 3 der Linse 4 bzw. der Kamera 7 in einer Ebene, die in einem festgelegten Winkel zur optischen Achse 3 liegt, zu implementieren. Die alternativen mechanischen Mittel zum Versetzen des Sensorelements 2 sind in der Figur 4 nicht dargestellt, können aber, wie erläutert, von einem Fachmann ohne weiteres implementiert werden.
Auswerteschaltung 10 kann vorteilhaft mit einer Auswertesoftware ausgestattet werden, die störkonturfest ist, um Durchbrüche oder Verunreinigungen korrekt zu erfassen.
Der optische Sensor 5 umfasst auch optische Filter 11 und 12, die auf die Wellenlänge des Linienprojektors 6 abgestimmt sind, z. B. Infrarotlicht, um unerwünschte Wellenlängen, die das Messergebnis verfälschten könnten, zu unterdrücken.
Der optische Sensor 5 ist auf einem Schlitten 13 angebracht, der auf einer Führung 14 verschiebbar angeordnet ist. Darüber hinaus können auch geeignete Mittel bereitgestellt werden, um eine Höhenverstellung des optischen Sensors 5 in Bezug auf das Messobjekt 8 zu bewerkstelligen.
Die Kamera 7 kann vorzugsweise als CCD- oder CMOS-Kamera ausgebildet werden.
Kamera 7 und Linienprojektor 6 stehen in einem Winkel größer als 0° und kleiner als 90° zueinander, wobei ein Winkel von 15° bis 60° zu bevorzugen ist, um den Bauraum des optischen Sensors 5 klein zu halten. Noch mehr bevorzugt ist ein Winkel in einem Bereich von 25° bis 45° und am meisten bervorzugt ein Winkel von etwa 30° zu bevorzugen ist Der Linienprojektor 6 bzw. seine Lichtlinie 9 können senkrecht zu einer Bezugsoberfläche des Messobjekts 8 stehen, wobei die Bezugsoberfläche des Messobjekts 8 eine ist, die parallel zur Vorderseite des Gehäuses 15 des optischen Sensors 5 verläuft. Eine Neigung des Linienprojektors 6 bzw. seiner Lichtlinie 9 von der Senkrechten zur Bezugsoberfläche des Messobjekts 8 von etwa 1° bis etwa 3° ist insofern vorteilhaft, da störende Reflexionen, die abhängig von der Materialbeschaffenheit des Messobjekts 8 auftreten können, vermieden werden.
In einer Alternative sind Kamera 7 und Linienprqjektor 6 in etwa symmetrisch zu einer Bezugsoberfläche des Messobjekts 8 angebracht, wobei der Winkel dazwischen bevorzugt 15° bis 60°, mehr bevorzugt 25° bis 45° und noch stärker bevorzugt etwa 30° beträgt.
Die Kamera 7 kann derart gestaltet werden, dass jeder Schnittpunkt des Messobjekts 8 mit der Ebene des Lichtprojektors 6 scharf abgebildet wird.
Das Sensorelement 2 ist vorzugsweise als flächiger Sensor und nicht als Zeilen- Sensor ausgebildet. Der flächige Sensor kann als CCD- oder CMOS-Sensor ausgebildet werden.
Die Neigung des Sensorelement 2 in Bezug auf die optische Achse 3 der Kamera 7 wird als erstes festgelegt, so dass der Versatz v bei festgelegter Neigung (und somit in einer festgelegten Ebene) erfolgt. Die Erfindung ist jedoch nicht auf Anordnungen beschränkt, die nur mit einer festen Neigung des Sensorelement 2 betrieben werden und es ist vielmehr beabsichtigt, dass Mittel zur Festlegung der Neigung abhängig von dem zu erzielenden Tiefenbereich des optischen Sensors bereitgestellt werden.
Dadurch, dass keine Winkel und kein Abstand im gegenwärtigen optischen Sensor absolut festgelegt sind, kann dieser gut an veränderte Messaufgaben angepasst werden, und selbst wenn bei einem fertigen optischen Sensor Winkel und Abstände, bedingt durch die Abmessungen des Gehäuses, in einem begrenzten Umfang veränderlich sind, erfüllt der gegenwärtige optische Sensor voll und ganz die gestellten Aufgaben.
Der optische Sensor erlaubt eine präzise und einfache Abstandseinstellung, die bei Profilieranlagen, wo der Sensor auf unterschiedliche Dimensionen einzustellen ist, oder bei Biegevorrichtungen, wo der Sensor für unterschiedliche breite Werkzeuge oder für bewegte Objekte einzustellen ist, besonders vorteilhaft ist. Auch ist die Höheneinstellung des Sensors vorteilhaft in Verbindung mit Profilieranlagen, um Sensoren auf unterschiedliche Dimensionen einzustellen oder bei Biegevorrichtungen für unterschiedlich hohe Werkzeuge. Der optische Sensor gestattet auch das Verfahren längs des Messobjekts (Werkstücks) um unterschiedliche Positionen zu messen.
Die durch den optischen Sensor gelieferten Messwerte können zur Berechnung der Ausgabeparameter für die Steuerung von Kalt- und Warmwalzvorrichtungen, sowie für Drahtzieh-, Drahtwalz- und Blechbiegevorrichtungen verwendet werden, und zwar je nach Aufgabe und Einsatzzweck und unter Berücksichtigung von weiteren Messwerten, wie z. B. Kräften und Momenten der Vorrichtung - Antriebsleistung / Temperatur. Das berechnete Messergebnis wird an die Steuerung der Vorrichtung zurückgeführt und der Umformprozess geregelt. So kann z. B. der Biege winkel an die Steuerung der Biegevorrichtung zur Kontrolle des Biegewinkels oder Position der Rollenwerkzeuge nachgeführt werden. Das berechnete Messergebnis kann auch: für eine Gut-Schlecht- Analyse und / oder Anzeige, für eine In-Line-Messung, d. h. eine Messung in der Vorrichtung während der Produktion, für eine Off-Line-Messung, d. h.eine Messung außerhalb der Maschine und des Produktionsprozesses, z. B. zur Qualitätskontrolle, für eine statistische Auswertung auch mit Übergabe an Auswertesysteme des Verlaufs der Messung über Weg/Zeit, z. B. letzte 100 m Messung zur Erstellung empirischer Verteilungsfunktionen, für eine Auswertung und Ergebnispräsentation, für die Ausgabe der Ergebnisse über Drucker, für eine Gut-Schlecht- Aussage, für eine statistische Auswertung (Teilestatistik), z. B. Histogrammfunktion für einzelne Merkmale, für die Ausgabe einer Messdatendatei für Querschnitt zu einem CAD System, für die Ansteuerung für optische oder akustische Signale (Lampen, LEDs, Hupen...), oder für eine SPC-Schnittstelle verwendet werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung, die unter Bezugnahme auf die Figur 5 erläutert wird, ist der optische Sensor mit einem zweiten Bildaufhahmeelement T ausgestattet, das ebenfalls als Kamera ausführbar ist. Die Kamera T umfasst ähnlich zur ersten Kamera 7 eine Objektivanordnung 19', das die dicke Linse 4 und möglicherweise eine Blende 16' einschließt, und ein Sensorelement 2'. Darüber hinaus kann die zweite Kamera T eine Auswerteschaltung 10' umfassen, obgleich es zu bevorzugen ist eine gemeinsame externe Auswerteschaltung für beide Kameras zu haben. Die Kameras 7 und T können symmetrisch zur Lichtlinie 9 angeordnet werden oder in unterschiedlichen Winkeln wie z. B. 30° und 60°. Ein optischer Filter 12', der eine ähnliche Funktion hat wie der optische Filter 12 kann ebenfalls bereitgestellt werden. Die Kameras 7 und 7' haben erfindungsgemäß unterschiedliche Brennweiten haben, um unterschiedliche Tiefenbereiche zu erfassen.
Eine Messanordnung, die mit optischen Sensoren Figur 4 oder 5 aufgebaut werden kann, ist unter Bezugnahme auf die Figur 6 beschrieben. Die optischen Sensoren 5 sind in der abgebildeten Ausführung in einem Winkel von 120° angeordnet und auf einer Führung 14 linear verschiebbar. Auch eine Verstellung in senkrechter Richtung zur Führung, wie durch die Pfeile 17 gezeigt, ist vorgesehen. Obwohl in der Ausführung der Figur 6 die Anzahl der optischen Sensoren drei beträgt, ist es für den Fachmann selbstverständlich, dass ihre Anzahl je nach zu erfassendem Messobjekt 8 variierbar ist. So wäre es denkbar die Messanordnung mit einem einzigen optischen Sensor oder mit zwei gegenüberliegenden optischen Sensoren oder mit vier, in einem Winkel von 90° verteilten optischen Sensoren usw. auszubilden. Die optischen Sensoren der Figur 4 sind erfindungsgemäß vorteilhaft mit jeweiligen Bildaufnahmeelementen mit unterschiedlichen Brennweiten ausgestattet.
Bei dem optischen Sensor wird das Kamerabild durch den Aufnahmewinkel der Kamera sowie durch die optischen, geometrischen und digitalen Eigenschaften der Kamera verzerrt. Um aus den Koordinaten des Kamerabildes die realen Koordinaten und damit die tatsächliche Geometrie des Messobjektes berechnen zu können, ist eine Transformation oder eine Kalibrierung der Kamera notwendig. Besonders vorteilhaft ist eine Kalibrierung, bei der ein Kalibrierbild in Form eines Musters mit einer bestimmten Geometrie verwendet wird.
Aus diesem Kalibrierbild und aus dem aufgezeichneten Bild des Musters mit einer bestimmten Geometrie verwendet kann alsdann mittels einer für den Fachmann bekannten Koordinatentransformation mit Polynomen des n-ten Grads eine Kalibriermatrix ermittelt werden. Alternativ dazu ist beispielsweise eine Kalibrierung der Kamera nach Tsai möglich (siehe "A Versatile Camera Calibration Technique for High-Accuracy 3D-Machine Vision Metrology Using Off-the-shelf ' TV-Cameras and Lenses", IEEE Journal of Robotic and Automation, Band RA-3, Nr. 4, August 1987, Seiten 323 ff.). Wenn in irgendeinem der Ansprüche erwähnte technische Merkmale mit einem Bezugszeichen versehen sind, wurden diese Bezugszeichen lediglich eingeschlossen, um die Verständlichkeit der Ansprüche zu erhöhen. Entsprechend haben diese Bezugszeichen keine einschränkende Auswirkung auf den Schutzumfang eines jeden Elements, das exemplarisch durch solche Bezugszeichen bezeichnet wird.

Claims

_Ansprüche
1. Optischer Sensor (5) zum Vermessen von Profilen nach dem Prinzip des Lichtschnittverfahrens, der folgendes umfasst: mindestens einen Linienprojektor (6), der eine Lichtlinie (9) auf ein Messobjekt (8) ausstrahlt, dessen Profil zu vermessen ist; und mindestens zwei Bildaufnahmeelemente (7, T) mit einem jeweiligen Sensorelement (2, 2') und einer jeweiligen Objektivanordnung (19, 19') zur Erfassung des reflektierten Strahls des Messobjekts (8), wobei die Bildaufnahmeelemente (7, T) unterschiedliche Brennweiten haben, wobei jedes Sensorelement (2, 2') nicht parallel zur Ebene der Objektivanordnung (19, 19') angebracht ist.
2. Optischer Sensor (5) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Objektivanordnung (19, 19') eine dicke Linse (4) umfasst.
3. Optischer Sensor (5) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Objektivanordnung (19, 19') eine Blende (16, 16') umfasst.
4. Optischer Sensor (5) nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Sensorelement (2, 2') in Bezug auf die optische Achse (3) des Bildaufnahmeelements (7) in einer Ebene (A' -B') verschiebbar gelagert ist, so dass der Tiefenbereich von mindestens einem der Bildaufnahmeelemente (7) justierbar ist.
5. Optischer Sensor (5) nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Sensor (5) in einem Gehäuse (15) untergebracht ist und dass am Gehäuse (15) optische Filter (11, 12, 12') jeweils in Ausrichtung mit der optischen Achse (3) der Bildaufnahmeelemente (7, T) und der Lichtlinie (9) des Linienprojektors (6) angebracht sind, die auf die Wellenlänge des Linienprojektors (6) abgestimmt sind.
6. Optischer Sensor (5) nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildaufnahmeelemente (7, 7') symmetrisch oder asymmetrisch zur Lichtlinie (9) des Linienprojektors (6) angeordnet sind.
7. Optischer Sensor (5) nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Neigung der Lichtlinie (9) des Linienprojektors (6) von einer Senkrechten zu einer Bezugsoberfläche des Messobjekts (8), die parallel zur Vorderseite des Gehäuses (15) des optischen Sensors (5) verläuft, etwa 1° bis etwa 3° beträgt.
8. Optischer Sensor (5) nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (2, 2') als flächiger CCD- oder CMOS-Sensor ausgebildet ist.
9. Optischer Sensor (5) nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es Mittel umfasst, um das Sensorelement (2, 2') mechanisch oder elektronisch zu verschieben und / oder Mittel umfasst, um den Neigungswinkel des Sensorelements (3) in Bezug auf die optische Achse (3) des Bildaufhahmeelements (7) einzustellen.
10. Messanordnung umfassend mindestens einen optischen Sensor (5) nach einem oder mehreren der vorangehen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Sensor (5) auf einem Schlitten (13) angebracht ist, der auf einer Führung (14) verschiebbar ist und dadurch, dass der optische Sensor (5) in Bezug auf die Führung (14) Höhenverstellbar angeordnet ist.
11. Messanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Vielzahl von Sensoren (5) umfasst.
12. Messanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass sie drei Sensoren (5) umfasst, die in einem Winkel von 120° angeordnet sind.
13. Messanordnung umfassend mindestens zwei optisches Sensoren (5) zum Vermessen von Profilen nach dem Prinzip des Lichtschnittverfahrens, wobei jeder der Sensoren (5) eine unterschiedliche Brennweite hat und folgendes umfasst: mindestens einen Linienprojektor (6), der eine Lichtlinie (9) auf ein Messobjekt (8) ausstrahlt, dessen Profil zu vermessen ist; und mindestens ein Bildaufnahmeelement (7) mit einem Sensorelement (2) und einer Objektivanordnung (19) zur Erfassung des reflektierten Strahls des Messobjekts (8), wobei das Sensorelement (2) nicht parallel zur Ebene der Objektivanordnung (19) angebracht ist.
14. Verfahren zum Vermessen von Profilen nach dem Prinzip des Lichtschnittverfahrens, das folgende Schritte umfasst:
Ausstrahlen einer Lichtlinie (9) auf ein Messobjekt (8), dessen Profil zu vermessen ist;
Erfassen des reflektierten Strahls vom Messobjekt (8) mit einem ersten Bildaufhahmeelement (7), das ein Sensorelement (2) und eine Objektivanordnung (19) umfasst, wobei das Sensorelement (2) nicht parallel zur Ebene der Objektivanordnung (19) angebracht ist und wobei das erste Bildaufnahmeelement (7) eine erste Brennweite hat; und
Erfassen des reflektierten Strahls vom Messobjekt (8) mit einem zweiten Bildaufnahmeelement (7'), das ein zweites Sensorelement (21) und eine zweite Objektivanordnung (19') umfasst, wobei das zweite Sensorelement (21) nicht parallel zur Ebene der Objektivanordnung (19') angebracht ist und wobei das erste _
Bildaufnahmeelement (7) eine zweite Brennweite hat, die unterschiedlich von der ersten Brennweite ist.
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