DE3410377A1 - Three-dimensional measuring instrument of contactless design - Google Patents
Three-dimensional measuring instrument of contactless designInfo
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Abstract
Description
Mi 7270Wed 7270
Dreidimensionale Meßvorrichtung der kontaktlosen BauartThree-dimensional measuring device of the non-contact type
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung eines Gegenstandes mit einer sehr kleinen gekrümmten Oberfläche, und zwar bezieht sich die Erfindung insbesondere auf eine dreidimensionale Meßvorrichtung der kontaktlosen Bauart, die dazu geeignet ist, dreidimensionale Messungen auszuführen.The invention relates to a device for measuring an object with a very small curved Surface, and the invention relates in particular to a three-dimensional measuring device of the non-contact Type that is suitable for performing three-dimensional measurements.
Wenn eine mechanische.Komponente mit einer Vielzahl von gekrümmten Oberflächen verwendet werden soll, so ist es oftmals erforderlich, festzustellen und zu bestätigen, daß deren Krümmung richtig oder nicht richtig ist. Wenn ein zu untersuchender Gegenstand einen Durchmesser im Bereich von 3 bis 25 mm besitzt, so muß seine gekrümmte Oberfläche normalerweise eine sehr feine Oberflächenrauheit im Bereich von 10 bis 50 Mikron besitzen. Beispielsweise war es für ein Rohr mit einem sehr kleinen Durchmesser und unregelmässig geformten Oberflächen bislang bekannt, daß kein genaues Meßverfahren existiert, und zwar infolge des Auftretens eines speziellen Grenzphänomens. Aus diesem Grunde wurde beim üblichen Verfahren die Krümmung einer bestimmten Oberfläche des Gegenstandes aufgrund der Erfahrungen des Benutzers ausgeführt, wobei der zu messende Gegenstand wiederholt durch den Benutzer zwischen der Bearbeitungs- oder Zusammenbau-When a mechanical. Component with a variety of curved Surfaces to be used, it is often necessary to determine and confirm that their Curvature is correct or incorrect. When an object to be examined has a diameter in the range of 3 to 25 mm, its curved surface must normally have a very fine surface roughness in the area from 10 to 50 microns. For example, for a pipe that was very small in diameter and irregular formed surfaces heretofore known that an accurate measurement method does not exist due to the occurrence of a special boundary phenomenon. For this reason, in the usual method, the curvature of a certain surface was chosen of the object carried out based on the experience of the user, the object to be measured being carried out repeatedly the user between the machining or assembly
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werkstatt und der Konstruktionsabteilung hin-_ und hergetragen werden mußte.workshop and the construction department carried back and forth had to become.
Zusammenfassung der Erfindung. Die vorliegende Erfindung sieht nunmehr ein neues dreidimensionales Meßverfahren vor, welches die Nachteile des Standes der Technik, insbesondere die obengenannten Nachteile vermeidet. Die erfindungsgemäße dreidimensionale Meßvorrichtung kann zur Messung der Konfiguration einer mechanischen Komponente verwendet werden, eines Teils oder eines anderen Gegenstandes, der eine Oberfläche mit einer vergleichsweise kleinen Krümmung besitzt, wobei die Messung durchgeführt wird, ohne daß irgendeine Berührung dazwischen stattfindet.Summary of the invention. The present invention now provides a new three-dimensional measuring method, which avoids the disadvantages of the prior art, in particular the disadvantages mentioned above. The inventive three-dimensional measuring device can be used to measure the configuration of a mechanical component, a part or another object that has a surface with a comparatively small curvature, the measurement being made without any contact therebetween.
Um dieses Ziel zu erreichen, wird erfindungsgemäß eine kontaktlose Meßvorrichtung vorgeschlagen, und zwar zur Messung der geometrischen Konfiguration der Oberfläche eines zu messenden Gegenstandes, wobei die Vorrichtung im wesentlichen ein optisches System aufweist, um ein Bezugsmuster auf die Oberfläche des eine sehr feine Krümmung besitzenden Gegenstandes zu projizieren, und zwar unter Verwendung eines emittierten Laserstrahls; ein Empfangsabschnitt zur optischen Detektierung eines abgebildeten Musters ist vorgesehen, und zwar mittels eines Drehfühlers und einer zentralen Verarbeitungseinheit, um das abgebildete Muster in dem dreidimensionalen Koordinatensystem aufzubauen, und zwar unter Verwendung von dem Drehfühler übertragener Signale zur numerischen Berechnung der geometrischen Verformung des abgebildeten -Musters aus dem ursprünglichen Bezugsmuster. Die Vorrichtung nützt die ausgezeichneten physikalischen Eigenschaften aus, wie beispielsweise die Linearität des Laserstrahls, die Konvergenz der Linse und die Flachheit der Fokustiefe o.dgl. und die Messung wird ferner unter Anwendung der folgenden Schritte ausgeführt: Projektion einesIn order to achieve this goal, a contactless one is used according to the invention Proposed measuring device for measuring the geometric configuration of the surface of a to be measured Object, the device essentially comprising an optical system to provide a reference pattern on the To project the surface of the object having a very fine curvature using an emitted Laser beam; a receiving section for optically detecting an imaged pattern is provided, and by means of a rotary sensor and a central processing unit to convert the imaged pattern into the three-dimensional Build a coordinate system, using signals transmitted from the rotary sensor to the numerical Calculation of the geometric deformation of the shown sample from the original reference sample. the The device makes use of the excellent physical properties, such as the linearity of the laser beam, the convergence of the lens and the flatness of the depth of focus or the like. and the measurement is also applied the following steps: Project a
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Bezuqsmusters auf die gekrümmte Oberfläche eines zu messenden Gegenstandes, Dctektierung eines abgebildeten Musters mittels eines Drehfühlers, wobei das abgebildete Muster mit hoher Auflösbarkeit unter Verwendung eines emittierten Laserstrahls aufgebaut wird, und Verarbeitung der numerischen Daten bezüglich des Bezugsmusters und der numerischen Daten bezüglich der geometrischen Verformung des abgebildeten Musters in der ; zentralen Verarbeitungseinheit zur Bestimmung der geometri-. sehen Konfiguration der Oberfläche des Gegenstandes in dem dreidimensionalen Koordinatensystem.Reference pattern on the curved surface of a to be measured Object, Dctektierung an imaged pattern by means of a rotary sensor, the imaged pattern with high Resolvability using an emitted laser beam and processing the numerical data relating to the reference pattern and the numerical data relating to the geometric deformation of the pattern shown in the; central processing unit for determining the geometrical. see configuration of the surface of the object in which three-dimensional coordinate system.
Die Wellenlänge des verwendeten Laserstrahls für die Vorrichtung liegt vorzugsweise bei 780 nm _+ 100 nm. Ein Bezugsmuster, angeordnet auf einer Ebene, die sich rechtwinklig bezüglich der Bewegungsrichtung des Laserstrahls erstreckt, hat allgemein einen Durchmesser im Bereich von 0,5 bis 2 mm. Andererseits besitzt ein zu untersuchender Gegenstand einen Durchmesser im Beredich von 3 bis 25 mm.The wavelength of the laser beam used for the device is preferably 780 nm _ + 100 nm. arranged on a plane which extends at right angles with respect to the direction of movement of the laser beam, generally has a diameter in the range of 0.5 to 2 mm. On the other hand, an object to be examined has one Diameter in the area from 3 to 25 mm.
Vorzugsweise hat der Drehfühler eine eingebaute optische Faser zur Abtastung des abgebildeten Musters.Preferably, the rotary sensor has a built-in optical fiber for scanning the imaged pattern.
Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:Further advantages, objectives and details of the invention emerge from the description of exemplary embodiments based on the drawing; in the drawing shows:
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei das Arbeitsprinzip desselben veranschaulicht ist; Fig. 1 is a schematic side view of a device according to the invention, the working principle of which is illustrated;
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Beispiels des Bezugsmusters, identifiziert durch Bezugszeichen A und eines abgebildeten Musters, identifiziert durch das Bezugszeichen B;Figure 2 is a perspective view of an example of the reference pattern identified by reference numerals A and an imaged pattern identified by the reference character B;
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Fig. 3 ein Bloc-kdiagramni, welches schematisch.die erfindungsgemäße Vorrichtung veranschaulicht;Fig. 3 is a block diagram, which schematisch.die invention Device illustrated;
Fig. 4 eine Teilseitenansicht, die schematisch einen wesentlichen Teil der Vorrichtung gemäß Fig. 3 in vergrößertem Maßstab darstellt;FIG. 4 is a partial side view schematically showing an essential part of the device according to FIG represents on an enlarged scale;
Fig. 5 eine Ansicht des abgebildeten Musters und des Drehfühlers, undFig. 5 is a view of the pattern shown and the rotary sensor, and
Fig. 6 typische Wellenformen von'Signalen für die Vorrichtung. Figure 6 shows typical waveforms of signals for the device.
Im folgenden seien bevorzugte Ausführungsbeispiele im einzelnen beschrieben.Preferred exemplary embodiments are described in detail below.
Fig. 1 zeigt schematisch das Arbeitsprinzip der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Wenn ein Lichtstrahl L von einer Lichtquelle 1 emittiert wird, so wird ein Bezugsmuster A mit vorbestimmten Daten in der Form von Zahlen (im folgenden als Bezugsmuster bezeichnet) auf die Oberfläche eines zu messenden Gegenstandes 4 (im folgenden als Gegenstand bezeichnet) projiziert. Da der Gegenstand 4 gekrümmt ist, und zwar im . dargestellten Fall konvex, ist das abgebildete Muster B nicht von kreisförmiger Gestalt wie das Bezugsmuster A, sondern "hat die Form einer Ellipse. Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht eines Beispiels des Bezugsmusters A und des abgebildeten Musters B. Wie man aus der Zeichnung erkennt, hat das Bezugsmuster A einen Durchmesser im.Bereich von 0,5 bis 2 mm und erstreckt sich in einer zweidimensionalen Ebene, wohingegen das abgebildete Muster B (mit einem Durchmesser im Bereich von ungefähr 0,5 bis 2 mm) ein Ellipsenmuster ist, welches der Form der Oberfläche des Gegenstandes entspricht. Diese Verformung des Gegenstandes wird nunmehr numerisch festgestellt, so daß die Krümmung der Oberfläche desselben gemessen wird. ·Fig. 1 shows schematically the working principle of the device according to the invention. When a light beam L from a light source 1 is emitted, a reference pattern A with predetermined data in the form of numbers (hereinafter referred to as Referred to as reference pattern) on the surface of an object 4 to be measured (hereinafter referred to as the object) projected. Since the object 4 is curved, namely in. illustrated case is convex, the illustrated pattern B is not is circular in shape like the reference pattern A, but is in the shape of an ellipse. Fig. 2 is a perspective view View of an example of reference pattern A and the illustrated pattern B. As can be seen from the drawing, this has Reference pattern A has a diameter in the range 0.5 to 2 mm and extends in a two-dimensional plane, whereas the depicted pattern B (with a diameter in the range of approximately 0.5 to 2 mm) is an elliptical pattern, which corresponds to the shape of the surface of the object. This deformation of the object now becomes numerical so that the curvature of the surface thereof is measured. ·
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Die vorliegende Erfindung basiert auf dem obenerwähnten Prinzip der Messung einer vergleichsweise kleinen gekrümmten Oberfläche am Gegenstand. Im allgemeinen ist ein Bezugsmuster A von solcher Art, daß es visuell in einer punktförmigen Konfiguration beobachtet wird (einen Durchmesser im Bereich von !· 0,5 bis 1 mm besitzt).Um sicherzustellen, daß es mit ausge-The present invention is based on the above-mentioned principle of measuring a comparatively small curved surface on the subject. In general, a reference pattern A is such that it is visually in a point configuration is observed (has a diameter in the range of! · 0.5 to 1 mm).
zeichneter hoher Auflösbarkeit projiziert und abgebildetprojected and mapped with high resolution
wird, verwendet die Erfindung einen Laserstrahl, der eine j ausgezeichnete Linearität und Konvergenz besitzt. Im Hinblickthe invention uses a laser beam which is excellent in linearity and convergence. With regard to
auf die Tatsache, daß die Punkte P und P1 auf der Oberfläche des Gegenstandes 4 in Fig. 1 eine sich voneinander unterscheidende Brenntiefe aufweisen, wird ein Laserstrahl vorzugsweise wegen seiner guten physikalischen Eigenschaften verwendet. Es wurde festgestellt, daß das abgebildete Muster B genauer detektiert werden kann und die erhaltenen Ergebnisse werden daher als Bezugsdaten verwendet, und zwar dann, wenn der Laserstrahl auf dem Gegenstand in der gleichen Richtung empfangen wird, wie dies für die Emission des Laserstrahls gilt. Aus diesem Grunde ist die Anordnung derart getroffen, daß der reflektierte Laserstrahl mittels eines Sensors 3 detektiert wird, und zwar über einen Halbspiegel 2, der mittig zwischen dem Durchgang des Laserstrahls angeordnet ist.In view of the fact that the points P and P 1 on the surface of the object 4 in Fig. 1 have different focal depths, a laser beam is preferably used because of its good physical properties. It has been found that the depicted pattern B can be detected more accurately and the results obtained are therefore used as reference data when the laser beam is received on the object in the same direction as that for the emission of the laser beam. For this reason, the arrangement is such that the reflected laser beam is detected by means of a sensor 3, specifically via a half mirror 2 which is arranged centrally between the passage of the laser beam.
Als nächstes sei ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.Next, a preferred embodiment is shown in FIG Invention described.
Fig. 3 ist ein Blockdiagramm, welches schematisch die kontaktlose dreidimensionale Meßvorrichtung gemäß der Erfindung veranschaulicht. Die dreidimensionale Meßvorrichtung weist im wesentlichen eine Laserstrahlquelle 1, ein optisches System 2, einen Empfangsabschnitt 3 und eine zentrale Verarbeitungseinheit 5 (im folgenden als CPU bezeichnet) auf, so daß der von der Laserstrahlquelle 1 emittierte Laserstrahl durch ein Bezugsmuster A verläuft und sodann auf einen Gegenstand 4 über das optische System 2 projiziert wird.Fig. 3 is a block diagram schematically showing the non-contact three-dimensional measuring device according to the invention illustrated. The three-dimensional measuring device essentially has a laser beam source 1, an optical one System 2, a receiving section 3 and a central processing unit 5 (hereinafter referred to as CPU), so that the laser beam emitted from the laser beam source 1 passes through a reference pattern A and then onto an object 4 is projected via the optical system 2.
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Auf diese Weise wird "ein gekrümmtes Muster B-mit geänderten Digitaldaten in der Form einer Zahl auf die Oberfläche des Gegenstandes 4 abgebildet. Als nächstes empfängt der Empfangsabschnitt 3 den Laserstrahl vom Gegenstand über das optische System 2 und mißt dann das abgebildete Muster B. Daraufhin werden detektierte Daten in die CPU 5 eingegeben. Die CPU 5 verarbeitet die detektierten Daten unter Bezugnahme auf vorbestimmte Daten des Bezugsmusters A und Informationen vom optischen System 2, um die dreidimensionale geometrische Verformung des abgebildeten Musters B festzustellen.In this way, "a curved pattern is B-modified with." Digital data mapped onto the surface of the object 4 in the form of a number. Next, the receiving section 3 receives the laser beam from the object through the optical System 2 and then measures the imaged pattern B. Thereupon, detected data is input into the CPU 5. The CPU 5 processes the detected data with reference to predetermined ones Data of the reference pattern A and information from the optical system 2 to the three-dimensional geometric Determine the deformation of the sample B shown.
Fig. 4 veranschaulicht im einzelnen einen wesentlichen Teil der dreidimensionalen Meßvorrichtung, auf die sich die Erfindung bezieht. Die dargestellte Vorrichtung weist einen Lichtquellenabschnitt auf, mit einem Laser II und zwar beispielsweise einen H-N -Laser, wobei ein Bezugsmuster A integral in den Lasergenerator 11 eingebaut ist. In der Praxis ist·der in der Vorrichtung verwendete Laserstrahl in der Form eines Punktstrahls vorhanden. Speziell wird der Laserstrahl mittels einer Linse eingebaut in die Vorrichtung vergrößert, und zwar beim Durchgang durch das Bezugsmuster A und sodann wird er wiederum mittels einer weiteren darin eingebauten Linse verkleinert, so daß er in der Form eines Punktstrahls emittiert wird, und zwar mit einem Durchmesser im Bereich von 0,5 bis 1 mm. Auf diese Weise wird das Bezugsmuster auf ein Ziel mit ausgezeichneter hoher Auflösbarkeit abgebildet. Das optische System umfaßt einen einzigen Halbspiegel 21, Reflektorspiegel 22, 23, einen Polygonspiegel 24 und eine zylindrische Linse 25. Der vom Lasergenerator 11 emittierte Laserstrahl wird zur rechtwinkligen Reflexion am Halbspiegel 21 veranlaßt und erreicht dann den Polygonspiegel 24 an seiner reflektierenden Oberfläche über die Reflektorspiegel 22 und 23. Der Polygonspiegel 24 kann irgendein konventioneller Polyhedron-Spiegel sein und im dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sichFig. 4 illustrates in detail an essential part of the three-dimensional measuring apparatus to which the invention is based relates. The device shown has a light source section with a laser II, for example one H-N laser, a reference pattern A being integrally built into the laser generator 11. In practice, · is that in the device used laser beam is in the form of a point beam. Specifically, the laser beam is made using a lens built into the device enlarged by passing through the reference pattern A and then it is again downsized by a further lens built therein so that it is emitted in the form of a point beam, and although with a diameter in the range from 0.5 to 1 mm. In this way, the reference pattern on a target becomes excellent high resolution. The optical system comprises a single half mirror 21, reflector mirror 22, 23, a polygon mirror 24 and a cylindrical lens 25. The laser beam emitted from the laser generator 11 becomes perpendicular Causes reflection at the half mirror 21 and then reaches the polygon mirror 24 on its reflective surface via reflector mirrors 22 and 23. Polygon mirror 24 can be any conventional polyhedron mirror and in the illustrated embodiment it is
um einen Hexahedron-Spiegel, dessen Querschnittsform ein normales Hexagon bildet, und zwar rechtwinklig bezüglich der Drehachse. Wenn man somit den Brennpunkt der zylindrischen Linse 25 bezüglich der Spiegeloberfläche des Polygon-Spiegels 24 versetzt, so wird die optische Achse des Punktstrahls veranlaßt, sich zu drehen, so daß dieser auf die Oberfläche des Gegenstandes 4 als ein fliegender Punktstrahl auftrifft. Wenn die optische Achse des Punktstrahls durch Drehbewegung versetzt wird, so wird der abgebildete Punkt nicht nur am MessungsZentrum P vorgesehen oder aufgebaut, sondern auch an außerhalb gelegenen Positionen P- und P^ und anderen, angeordnet in der Nähe des obenerwähnten Meßzentrums P, wodurch die Messung mit hoher Genauigkeit bewirkt wird. Es ist darauf hinzuweisen, daß die Drehung des Polygon-Spiegels 24 unter der Steuerung des CPU 5 ausgeführt wird, wobei er durch letztere überwacht wird, so daß die Erzeugung des Laserstrahls synchron mit der Detektion der Daten erfolgt, Der Empfangsabschnitt weist einen Laserstrahl-Durchgangsspiegel 31 auf, eine Weit-Linse 32 und einen Drehfühler 33, der zur Drehung mittels eines (nicht gezeigten) Motors geeignet ist; der Drehfühler 33 ist mit einer optischen Faser 33a zum Zwecke des Abtastens ausgestattet. Der optische Empfang eines abgebildeten Musters, aufgebaut durch den fliegenden Punkt in der dargestellten Vorrichtung, wird mit der Hilfe des vorgenannten optischen Systems ausgeführt, und dies ist .bestrebt, gemeinsame Parameter zu erhalten, und zwar dadurch, daß veranlaßt wird, daß die Emissionsrichtung des Laserstrahls identisch zu der des Empfangs desselben ist. Ferner dient dies zur Erleichterung der Synchronisation zwischen der Drehung des Polygon-Spiegels 24 und der variierenden Faktoren, die bei den erhaltenen Daten auftreten. Auf diese Weise wird jedes abgebildete Muster veranlaßt, .sich nur in Abhängigkeit von der Konfiguration der Oberfläche des Gegenstandes 4 zu verformen. Es sei darauf hingewiesen, daß der Laserstrahl frei ist durch den Halbspiegel 21 zu laufen, wennaround a hexahedron mirror whose cross-sectional shape is a forms a normal hexagon, at right angles to the axis of rotation. If one thus has the focal point of the cylindrical Lens 25 offset with respect to the mirror surface of the polygon mirror 24, the optical axis of the point beam becomes caused to rotate so that it hits the surface of the object 4 as a flying point beam hits. When the optical axis of the point beam through Rotational movement is offset, the point shown is not only provided or set up at the measurement center P, but also at positions P- and P ^ located outside of it and others located in the vicinity of the above-mentioned measuring center P, thereby effecting the measurement with high accuracy will. It should be noted that the rotation of the polygon mirror 24 is carried out under the control of the CPU 5, it is monitored by the latter so that the generation of the laser beam occurs synchronously with the detection of the data, The receiving section has a laser beam passing mirror 31, a wide lens 32 and a rotation sensor 33, which is suitable for rotation by means of a motor (not shown) is; the rotary sensor 33 is provided with an optical fiber 33a for the purpose of scanning. The optical reception an imaged pattern, built up by the flying point in the illustrated device, is made with the aid of the aforementioned optical system, and this strives to obtain common parameters by, that the emission direction of the laser beam is made to be identical to that of the reception thereof. Furthermore, this serves to facilitate the synchronization between the rotation of the polygon mirror 24 and the varying one Factors that appear in the data obtained. In this way, each pattern depicted is caused to only depending on the configuration of the surface of the object 4 to deform. It should be noted that the laser beam is free to pass through the half mirror 21 when
ein abgebildetes Muster empfangen wird, aber- er tut· dies nicht, wenn er zum Gegenstand hin emittiert wird. Der Laserstrahl-Durchgangsspiegel 31 ist nicht stets erforderlich, und zwar in Abhängigkeit von der Position, wo der Drehfühler 33 angeordnet ist, aber er dient zur Ausrichtung der optischen Achse des Drehfühlers 33 mit der des optischen Systems. Andererseits ist der Weit- oder Breit-Linsenabschnitt 32 effektiv bei der Vergrößerung eines abgebildeten Musters um das Mehrfache oder mehr als Zehnfache je nach Erfordernis, wobei das abgebildete Muster am Laserstrahl-Durchgangsspiegel 31 reflektiert wird und einen Durchmesser von 0,5 bis 1 mm besitzt. Wie oben beschrieben, ist der Drehfühler 33 mit einer optischen Faser 33 ausgerüstet, die beispielsweisea mapped pattern is received, but - it does not do so, when it is emitted towards the object. The laser beam through mirror 31 is not always necessary, depending on the position where the rotary sensor 33 is arranged is, but it is used to align the optical axis of the rotary sensor 33 with that of the optical system. On the other hand, the wide lens portion 32 is effective in enlarging an imaged pattern several times or more than ten times as required, with the pattern shown on the laser beam passage mirror 31 is reflected and has a diameter of 0.5 to 1 mm. As described above, the rotary sensor 33 is with an optical fiber 33 equipped, for example
zum Abtasten eines speziellen Gebietes, abgedeckt durch einen Radius von 0,5 mm, verwendet wird, und zwar innerhalb des Punktes, der auf 5 mm Durchmesser vergrößert wurde. Die Abtastung wird mit höherer Genauigkeit an der Stelle bewirkt, die dichter an der Mitte des Punkts angeordnet ist, aber das abgebildete Muster, wird mit größerer Schwierigkeit diskriminiert. Andererseits besteht eine Tendenz, daß irgendein abgebildetes Muster leichter diskriminiert wird, wenn die Abtastung mit geringerer Genauigkeit bewirkt wird, und zwar an der von der Mitte des abgebildeten Musters weit weg gelegenen Position. Im Hinblick auf die Tatsache wird, wie oben erwähnt, die Position, wo die Abtastung bewirkt wird, selektiv derart bestimmt, daß ein gutes Gleichgewicht gehalten wird zwischen Genauigkeit und Diskrimination. Auf diese Weise erhält man eine fünf mal höhere Genauigkeit durch Begrenzung des Abtastvorgangs auf ein Gebiet, welches durch 1 mm im Durchmesser begrenzt ist, und zwar im abgebildeten Muster mit einem Durchmesser von 5 mm, und daher wird beispielsweise eine 5Ofach größere Genauigkeit sichergestellt durch Multiplikation der zehnfachen Vergrößerung des Breit- oder Weit-Linsenabschnittes. Wenn die Abtastungis used to scan a specific area covered by a radius of 0.5 mm, within of the point enlarged to 5 mm in diameter. The scanning is effected with higher accuracy at the point which is closer to the center of the point, but the pattern depicted, is discriminated with greater difficulty. On the other hand, there is a tendency that any mapped pattern is more easily discriminated when the scanning is effected with a lower accuracy, at that far from the center of the imaged pattern located position. In view of the fact, as mentioned above, the position where the scan is effected is selectively determined to strike a good balance between accuracy and discrimination. on in this way, five times the accuracy is obtained by limiting the scanning process to an area which is limited by 1 mm in diameter, namely in the pattern shown with a diameter of 5 mm, and therefore For example, a 50-fold greater accuracy is ensured by multiplying the ten-fold magnification of the wide or wide lens section. When the scanning
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innerhalb eines Gebietes bewirkt wird, welches durch 0,5 mn im Radius abgedeckt wird, so ist die optische Faser 33 derart dimensioniert, daß sie einen Durchmesser in der Größenordnung von 10 Mikron besitzt, was dem abzudeckenden Gebiet entspricht.is effected within an area covered by 0.5 mm in radius, the optical fiber 33 is dimensioned to have a diameter of the order of 10 microns, which corresponds to the area to be covered.
Als nächstes wird die Meßgröße erhalten durch die Abtastung des abgebildeten Musters mit Hilfe der optischen Faser 33Next, the measured quantity is obtained by scanning the imaged pattern with the aid of the optical fiber 33
im Drehfühler 33 photoelektrisch umgewandelt, und zwar mittels eines (nicht gezeigten) Photodetektors, eingebaut in "dem Drehfühler, und sodann erfolgt die übertragung zur CPU 5. Die obenerwähnte Datendetektionsoperation wird weiter unten im einzelnen beschrieben.converted photoelectrically in the rotary sensor 33 by means of a photodetector (not shown) built into "the rotary sensor, and then it is transmitted to the CPU 5. The above-mentioned data detection operation will be described below described in detail.
Fig. 5 zeigt eine vergrößerte schematische Darstellung einer Beziehung zwischen dem abgebildeten Muster und dem Drehfühler. Wie sich aus der Zeichnung ergibt, ist die optischeFig. 5 is an enlarged schematic illustration of a relationship between the depicted pattern and the rotary sensor. As can be seen from the drawing, the optical one
Faser 33 im Drehfühler derart konstruiert, daß sie beia Fiber 33 constructed in the rotary sensor so that they atia
spielsweise ein Gebiet abtastet, welches von einem 1 mm Durchmesser abgedeckt wird, und zwar im abgebildeten Muster B mit einem Durchmesser von· 5 mm. In diesem Zusammenhang sei bemerkt, daß die Beschreibung nur bezüglich eines abgebildeten Musters vorgenommen wird, wobei aus Gründen der Einfachheit keine Verformung angenommen wird. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird das abgebildete Muster B durch acht gerade Linien B1 gebildet, die sich radial von der Mitte des Punktes aus erstrecken, und zwar in einer einen gleichmäßigen Winkelabstand aufweisenden Beziehung, wobei eine Vielzahl von sich vertikal erstreckenden Maschenlinien C und eine Vielzahl von sich horizontal erstreckenden Maschenlinien CT vorgesehen ist. Die Konfiguration des Musters kann frei vorgesehen sein. Das Bildmuster kann irgendeine Konfiguration aufweisen, und zwar einschließlich konzentrischer Kreise und es kann sich daher um ein polarisiertes Muster handeln, welches dann erhältlich ist, wenn das Bezugsmuster in der Formfor example, scans an area which is 1 mm in diameter is covered, namely in the illustrated pattern B with a diameter of 5 mm. In this context it should be noted that the description is made with respect to an illustrated sample only, for the sake of simplicity no deformation is assumed. In the illustrated embodiment, the illustrated pattern B is straight through eight Lines B1 are formed which extend radially from the center of the point in a uniform manner Angularly spaced relationship, wherein a plurality of vertically extending mesh lines C and a Plurality of horizontally extending mesh lines CT is provided. The configuration of the pattern can be freely provided. The image pattern can be of any configuration have, including concentric circles, and it can therefore be a polarized pattern which is available when the reference sample is in the form
eines Schlitzes konstruiert ist. Ein Photodetektor 3-3, , eingebaut in den Drehfühler 33, mißt optisch einen mit schwarzen Linien bedeckten Teil, einen Teil gefärbt Weiß, einen Teil mit einem dichten Laserstrahl hindurch verlaufend und einen Teil mit einem dünnen Laserstrahl hindurch verlaufend, und zwar mit hoher Genauigkeit und die gemessenen Ergebnisse werden photoelektrisch umgewandelt, so daß sie zur CPU 5 übertragen werden können.of a slot is constructed. A photodetector 3-3,, built-in in the rotary sensor 33, optically measures a part covered with black lines, a part colored white, a part passing through with a dense laser beam and passing through a portion with a thin laser beam, and with high accuracy, and the measured results are photoelectrically converted so that they are transmitted to the CPU 5 can be.
Der an die CPU 5 gelieferte elektrische Strom hat eine spezielle Wellenform. Wenn ein Gegenstand 'eine flache Oberfläche besitzt, die sich rechtwinklig bezüglich der optischen Achse erstreckt, so nimmt der Strom eine wellige Form der Sinuskurve an, und zwar angeordnet in einem positiven Gebiet, wie dies in Fig. 6(a) dargestellt ist, wohingegen dann, wenn der Gegenstand eine Verformung in einer reduzierten Krümmung aufweist, der Strom eine Wellenform besitzt, die eine unregelmäßige Kurve ist, und zwar entsprechend dieser Verformung, wie dies in Fig. 6(c) dargestellt ist. Vor der Eingabe in die CPU wird der elektrische Strom verstärkt, und zwar mit Hilfe bestimmter Verstärker und daraufhin wird der untere Teil der Wellenform abgeschnitten, und zwar an einer Höhe ' gleich 50% bezüglich der gesamten Wellenhöhe, wodurch eine · Reihe .von digitalen Wellenformen erhalten wird, die in Fig. .6 (b) und (d) dargestellt sind. Wenn ein Gegenstand eine flache Oberfläche aufweist, so werden die auf diese Weise erhaltenen digitalen Wellenformen eine Serie von Impulswellenformen sein, die derart angeordnet sind, daß der Η-Teil und der L-Teil alternativ in einer regulär bestimmten zeitlichen Beziehung stehen, wohingegen dann, wenn ein Gegenstand einer Verformung in der Form von Rauheit auf der Oberfläche besitzt, es sich ergibt, daß der Η-Teil Zeiten t^ und t-, aufweist, die sich von den Zeiten t2 und t^ des L-Teils unterscheiden, und sie werden daher in die CPU in einer unregelmäßig bestimmten zeitli-The electric current supplied to the CPU 5 has a special waveform. When an object has a flat surface extending at right angles with respect to the optical axis, the current takes a wavy shape of the sine curve arranged in a positive region as shown in Fig. 6 (a), whereas when the object has a deformation in a reduced curvature, the current has a waveform which is an irregular curve corresponding to this deformation, as shown in Fig. 6 (c). Before entering the CPU, the electric current is amplified with the help of certain amplifiers and then the lower part of the waveform is cut off at a height equal to 50% of the total wave height, creating a series of digital waveforms which are shown in Figs. 6 (b) and (d). If an object has a flat surface, the digital waveforms obtained in this way will be a series of pulse waveforms arranged in such a way that the Η-part and the L-part are alternately in a regularly determined temporal relationship, whereas then, when an object has a deformation in the form of roughness on the surface, it turns out that the Η part has times t ^ and t- different from times t 2 and t ^ of the L part, and they are therefore entered into the CPU at an irregularly determined time
chen Beziehung eingegeben. Da jedoch der Krümmungsoberflächenkoeffizient entsprechend der Krümmung einer- zu messenden Bezuqskrümmungsoberflache zuvor in kodierter Form in der CPU gespeichert wurde, kann jedes verformte abgebildete Muster in das dreidimensionale Koordinatensystem eingebaut werden, und zwar durch Berechnung, wenn die Zeiten t., t2, t~, t, und die anderen veranlaßt werden, ihren entsprechenden Codes zu entsprechen. Infolgedessen kann die geometrische Konfiguration der Oberfläche eines Gegenstandes berechnet werden.entered relationship. However, since the curvature surface coefficient corresponding to the curvature of a reference surface to be measured has previously been stored in coded form in the CPU, every deformed mapped pattern can be incorporated into the three-dimensional coordinate system by calculation if the times t., T 2 , t ~ , t, and the others are made to match their respective codes. As a result, the geometric configuration of the surface of an object can be calculated.
Die vorliegende Erfindung sieht somit eine kontaktlose dreidimensionale Vorrichtung vor zur Messung von sehr kleinen Krümmungen eines Rohrs, der feinen Rauheiten an der Oberfläche eines Gegenstandes o.dgl., und zwar unter Verwendung eines Laserstrahls, wobei die Messung mittels der folgenden Schritte ausgeführt wird: Projektion eines Bezugsmusters auf die gekrümmte Oberfläche eines Gegenstandes, Detektierung der geometrischen Verformung des abgebildeten Musters entsprechend der gekrümmten Oberfläche mittels eines Drehfühlers und sodann Aufbau eines dreidimensionalen Koordinatensystems mit Hilfe einer CPU. Dieses erfindungsgemäße Meßverfahren erhöht die Betriebswirksamkeit und es wird somit eine verbesserte Qualitätskontrolle sichergestellt.The present invention thus provides a contactless three-dimensional one Device for measuring very small bends in a pipe, the fine roughness on the surface of an object or the like using a laser beam, and the measurement is made by the following Steps carried out: projection of a reference pattern onto the curved surface of an object, detection the geometric deformation of the pattern shown according to the curved surface by means of a rotary sensor and then construction of a three-dimensional coordinate system with the help of a CPU. This measuring method according to the invention increases the operational efficiency and thus an improved quality control is ensured.
Abwandlungen der Erfindung liegen im Rahmen fachmännischen 'Handel.sModifications of the invention are within the scope of those skilled in the art 'Handel.s
Zusammenfassend sieht die Erfindung folgendes vor:In summary, the invention provides the following:
Eine dreidimensionale kontaktlose Meßvorrichtung dient zur Messung der geometrischen Form der Oberfläche eines Gegenstandes, und zwar unter Verwendung eines Laserstrahls als Projektionsmittel. Die Vorrichtung nutzt die ausgezeichneten physikalischen Eigenschaften des Laserstrahls aus, wie bei-A three-dimensional contactless measuring device is used to measure the geometric shape of the surface of an object, using a laser beam as a projection means. The device takes advantage of the excellent physical properties of the laser beam, such as
spielsweise seine Linearität, Konvergenz, Flachheit der Fokustiefe u.dgl. und die Erfindung sieht im wesentlichen ein optisches System vor, um ein Bezugsmuster auf die Oberfläche des Gegenstandes zu projizieren; ein Empfangsabschnitt dient zur optischen Detektierung eines abgebildeten Musters mittels eines Drehfühlers und eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) dient zum Aufbau des abgebildeten Musters in dem dreidimensionalen Koordinatensystem durch Verwendung von Signalen, die von dem Drehfühler übertragen wurden, um numerisch die geometrische Verformung des abgebildeten Musters aus dem Bezugsmuster zu berechnen. Die Wellenlänge des Laserstrahls ist vorzugsweise 780 nm _+ 100 nm. Im allgemeinen hat das Bezugsmuster einen Durchmesser im Bereich von 0,5 bis 2 mm, wohingegen ein zu messender Gegenstand einen Durchmesser im Bereich von 3 bis 25 mm aufweist. Der Drehfühler weist eine optische Faser auf, um das abgebildete Muster abzutasten.for example its linearity, convergence, flatness of the depth of focus and the like, and the invention essentially provides an optical system for creating a reference pattern on the surface project the object; a receiving section is used for the optical detection of an imaged pattern by means of a rotary sensor and a central processing unit (CPU) is used to build up the pattern shown in the three-dimensional Coordinate system by using signals transmitted by the rotary sensor to numerically determine the geometric Calculate the deformation of the pattern shown from the reference pattern. The wavelength of the laser beam is preferably 780 nm _ + 100 nm. In general, the reference pattern has a diameter in the range of 0.5 to 2 mm, whereas an object to be measured has a diameter in the range from 3 to 25 mm. The rotary sensor has an optical fiber to scan the imaged pattern.
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Claims (5)
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| JP10642883A JPS59231403A (en) | 1983-06-14 | 1983-06-14 | Non-contact type three-dimensional measuring device |
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Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| DE19843410377 Withdrawn DE3410377A1 (en) | 1983-06-14 | 1984-03-21 | Three-dimensional measuring instrument of contactless design |
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1984
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| DE4027328B4 (en) * | 1990-08-29 | 2004-07-22 | Sirona Dental Systems Gmbh | 3D camera for the detection of surface structures, in particular for dental purposes |
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
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