DE3511611A1

DE3511611A1 - Messsystem zum messen von dreidimensionalen koordinaten

Info

Publication number: DE3511611A1
Application number: DE19853511611
Authority: DE
Inventors: Takashi Nagasaki Ikeda; Hidenori Kohmo; Manabu Kubo; Ryosuke Taniguti
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1984-03-29
Filing date: 1985-03-29
Publication date: 1985-10-17
Also published as: IT8567307A0; DE3511611C2; US4688184A; IT1184935B; IT8567307A1

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Meßsystem zum Messen von dreidimensionalen Koordinaten, bei dem eine freie gekrümmte Oberfläche unter Verwendung eines berührungslosen Verschxebungsmeßgerätes abgefahren wird, beispielsweise unter Verwendung eines optischen oder magnetischen Sensors bzw. Meßfühlers oder dergleichen.

Figur 1 zeigt ein herkömmliches dreidimensionales Meßsystem unter Verwendung eines Meßfühlers, wobei das Bezugszeichen 1 eine lineare Skala oder einen linearen Maßstab zur Abtastung

der Positionen in kartesischen Koordinaten der drei Achsen, das heißt der X-Achse, der Y-Achse und der Z-Achse, angibt; das Bezugszeichen 20 bezeichnet einen Meßfühler, der sofort reagiert, wenn er mit der zu messenden Oberfläche in irgendeiner Richtung der X-Achse, Y-Achse oder Z-Achse in Kontakt gebracht wird; und das Bezugszeichen 50 bezeichnet ein Computer-System zur Eingabe der dreidimensionalen Koordinaten.

Die Wirkungsweise wird nachstehend näher erläutert. Der Meßfühler 20 vom Berührungstyp, nachstehend auch als Geber oder Meßkopf bezeichnet, erzeugt sofort ein Signal, wenn er mit der Hand gehalten und in Kontakt mit der Oberfläche eines zu messenden Gegenstandes gebracht wird. Das Signal wird dem Computer 50 eingegeben. Der Computer 50 erhält somit in diesem Augenblick von dem linearen Meßfühler die Koordinatendaten und gibt sie ein bzw. speichert sie ab.

Bei einem herkömmlichen dreidimensionalen Meßgerät der oben beschriebenen Art konnte die Messung durchgeführt werden, indem man den Meßfühler einfach mit den Stellen in Kontakt brachte, bei denen die Messung erfolgen sollte. Wenn somit eine gekrümmte Fläche ί3 von einem Punkt A zu einem Punkt B zu vermessen ist, wie es Figur 2 zeigt, so stellt der Benutzer Eckpunkte auf der gekrümmten Oberfläche fest und bringt den Meßfühler mit diesen in Kontakt, um die Messung vorzunehmen. Um die Daten der gekrümmten Fläche aufzunehmen, muß jedoch eine Vielzahl von Punkten gemessen werden, wie es mit N₁ bis N₁₀ in Figur 2 angegeben ist. Wenn ein hoher Genauigkeitsgrad erforderlich ist, ist die Messung mit einem sehr großen und arbeitsaufwendigen Einsatz durchzuführen .

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Meßsystem anzugeben, mit dem sich derartige Messungen automatisch und in zuverlässiger Weise bei geringem Arbeits- und Zeitaufwand durchführen lassen.

Mit dem erfindungsgemäßen System wird in vorteilhafter Weise erreicht, daß die bisher von Hand durchzuführenden Messungen automatisch vorgenommen werden können, wobei auch einzelne Punkte automatisch aufgenommen und abgespeichert werden, wobei die erforderliche Anzahl von Daten aufgenommen wird, die mit der jeweiligen, gegebenenfalls gekrümmten Oberfläche zusammenhängen.

Das erfindungsgemäße System zur Messung von dreidimensionalen Koordinaten ist durch die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend, auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile, anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:

Fig. 1 ein Blockschaltbild zur Erläuterung eines herkömmlichen dreidimensionalen Meßsystems; 20

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer zu messenden Oberfläche mit den erforderlichen Meßpunkten;

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines Meßsystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 4 ein Diagramm zur Erläuterung des Verfahrens bei der Abtastung von Einzelpunkten;

Fig. 5{a) und 5(b) schematische Darstellungen zur Erläuterung des Zusammenhanges bei der Abstrahlung und dem Empfang von Licht unter Verwendung eines optischen Verschiebungsmeßgerätes;

Fig. 6 ein Blockschaltbild eines berührungslosen Systems zur automatischen Messung von dreidimensionalen Koordinaten gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und in

Fig. 7(a) und 7(b) schematische Darstellungen zur Erläuterung von charakteristischen Kurven des optischen Meßfühlers und der Änderung von Daten im Laufe der Zeit in Vorschubrichtung.
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In den verschiedenen Figuren der Zeichnung werden durchgehend gleiche Bezugszeichen für gleiche oder entsprechende Teile verwendet. Nachstehend wird zunächst auf Fig. 2 der Zeichnung Bezug genommen. In Fig. 2 bezeichnet das Symbol £3 die Form der aus zumessenden Oberfläche, das Bezugszeichen 2 bezeichnet ein berührungsloses Verschiebungsmeßgerät, das sich längs der Oberfläche S3 bewegt, die Symbole S-j und S₂ bezeichnen Eckpunkte, die für die Oberfläche charakteristisch sind, und die Symbole N- bis N.q bezeichnen Koordinatenpositionen, die voneinander getrennt sind und vorgegebene Abstände voneinander haben.

Fig. 3 zeigt ein Meßsystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, wobei das Bezugszeichen 1 eine lineare Skala oder einen linearen Maßstab von drei orthogonalen Achsen bezeichnen; das Bezugszeichen 2 bezeichnet ein optisches Verschiebungsmeßgerät vom berührungslosen Typ; das Bezugszeichen 3 bezeichnet einen Winkelanzeigemeßfühler zur Steuerung bzw. Kontrolle des Winkels der optischen Achse des Verschiebungsmeßgerätes 2; das Bezugszeichen 4 bezeichnet eine Koordinaten- Ver arbe itung seinhe it, welche die von den einzelnen Sensoren oder Meßfühlern gelieferten Daten in dreidimensionale Koordinaten der zu vermessenden Oberfläche umwandelt; das Bezugszeichen 5 bezeichnet einen System-Computer oder eine Zentraleinheit, welche die verarbeiteten Daten registriert und die Daten an eine externe Einheit überträgt; das Bezugszeichen 6 bezeichnet einen Prozessor oder eine Verarbeitungseinheit, die die Koordinatendaten sofort erhält und spezielle Formen oder Gestalten bestimmt; das Bezugszeichen 9 bezeichnet einen Nachfahr- oder Folgeprozessor, der die X-, X- und Z-Koordinaten des kartesischen Koordinatensystems und den Winkel des berührungslosen Meßfühlers längs der zu vermessenden Oberfläche kontrolliert; und das

Bezugszeichen 10 bezeichnet einen Servo-Verstärker zum Antrieb der Achse.

Fig. 4 zeigt das Prinzip des erfindungsgemäßen Systems und stellt eine Vergrößerung der Darstellung in Fig. 2 dar. In Fig. 4 bezeichnen X . bis X_fc+2 ^{und Y}t-i ^{bis Y}t+2 Koordinatenpositionen der Messung in der Nähe des Punktes S₂.

Bei der vorliegenden Beschreibung geht es im wesentlichen um ein Verfahren zur Abtastung oder Messung von einzelnen Punkten sowie ein dazugehöriges System, das gemäß der Erfindung angegeben wird.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich, führt das System ein Nachfahren oder Abtasten mit einer Geschwindigkeit durch, die der erforderlichen Präzision für das zu vermessende Objekt entspricht, und die Daten der Sensoren oder Meßfühler 1 bis werden mit hoher Geschwindigkeit in die Koordinaten-Verarbeitungseinheit 4 eingegeben. Die Koordinaten-Verarbeitungseinheit 4 führt in Abhängigkeit von einer Abtastzeit des Meßfühlers eine dreidimensionale Koordinaten-Verarbeitung durch und überträgt die Daten zur Registrierung an den Computer 5, der nur die Daten eines Abstandes registriert, der vorher in Abhängigkeit von der Krümmung der Oberfläche bestimmt worden ist. Diese Daten werden durch die Symbole N₁ bis N₁₀ in Fig. 2 repräsentiert.

Die Daten von der Koordinaten-Verarbeitungseinheit 4 werden auch zu der Einzelpunkt-Verarbeitungseinheit 6 übertragen. Wenn die Daten gemäß einem nachstehend näher beschriebenen Algorithmus als Einzelpunkte bestimmt werden, zieht die Einzelpunkt-Verarbeitungseinheit 6 beispielsweise die Positionen Xt, Yt von Fig. 4 heraus und überträgt sie zusammen mit einer Z-Koordinate Zt dieses Augenblicks. Der Computer 5 registriert die obigen Daten im Anschluß an eine Koordinate Ng gemäß Fig. 2 und registriert sie, indem er einen speziellen Code anbringt, der anzeigt, daß die Daten

diejenigen eines Einzelpunktes sind.

Der Einzelpunkt wird durch Abtasten der Daten bestimmt, die einen sehr kleinen Abstand haben, wie es in Fig. 4 dargestellt ist, und durch Überwachung der Änderung bei den Koordinaten £Y/ ^X, &Z/ ^Y, ^Z/ /$L zu allen Zeitpunkten in der Bewegungsrichtung. Die Koordinaten werden abgetastet bzw. gemessen, wenn die Änderung plötzlich ansteigt.

Gemäß der Erfindung werden die Einzelpunkte mit einem System abgetastet bzw. gemessen, welches den Betrag der gegenseitigen Änderung in kartesischen Koordinaten überwacht. Der Betrag oder der Wert der Änderung im Laufe der Zeit läßt sich in kartesischen Koordinaten abtasten bzw. messen. In diesem Falle sollte die Nachfahr- oder Abtastgeschwindigkeit konstant gehalten werden oder die Bezugsänderung swer te sollten vorher für jede der Geschwindigkeiten bestimmt werden.

Gemäß der Erfindung ist ein Prozessor oder eine Verarbeitungseinheit vorgesehen, um den Betrag bzw. das Verhältnis der Änderung an gemessenen Koordinatenpunkten abzutasten, und zwar zusätzlich zu der Koordinaten-Verarbeitungseinheit, und die Berechnung wird mit einer Geschwindigkeit durchgeführt, die einer Abtastzeit des Meßfühlers entspricht. Somit können Eckpunkte oder Vertiefungen der Oberfläche automatisch gemessen werden, so daß die Funktion der berührungslosen dreidimensionalen Meßvorrichtung wesentlich verbessert wird.

Fig. 5(a) und 5(b) zeigen eine Vorderansicht bzw. eine Seitenansicht des berührungslosen optischen Verschiebungsmeßgerätes 2, das bei der oben beschriebenen Ausführungsform verwendet wird, und die Symbole Θ.. und θ_ bezeichnen Winkelsteuerwerte in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung bzw. in der Richtung nach links und rechts.

Fig. 6 zeigt ein Blockschaltbild zur Erläuterung der Wirkungsweise des Verschiebungsmeßgerates, wobei das Bezugszeichen 11 einen Bewegungsmechanismus bezeichnet, der mit einem linearen Maßstab ausgerüstet ist und eine Bewegung in einem orthogonalen System mit drei Achsen ausführt.

Das Bezugszeichen 12 bezeichnet einen Sensor- oder Fühlerarm, der an der Z-Achse montiert ist. Der Fühlerarm 12 kontrolliert eine Richtungssteuerachse Jf" des optischen Verschiebungsmeßgerätes 13, kontrolliert eine Θ-Achse, welche den Winkelkontrollwert Θ.. gemäß Fig. 5(a) kontrolliert, und kontrolliert eine ß-Achse, welche den Winkelkontrollwert B₂ gemäß Fig. 5(b) kontrolliert. Der Fühlerarm 12 ist außerdem mit drei angelenkten Achsen versehen, um deren Winkel abzutasten bzw. zu messen. An die Θ-Achse und die ß-Achse sind Winkelcodierer mit sehr hoher Präzision angeschlossen. Das Bezugszeichen 14 bezeichnet eine Koordinaten-Verarbeitungseinheit, welche die dreidimensionalen Koordinatendaten der gemessenen Oberflächen mit hoher Geschwindigkeit verarbeitet, und zwar unter Zugrundelegung der linearen Maßstabdaten, die sich auf die X-, Y- und Z-Achse beziehen, der Winkeldaten der Θ-Achse und der ß-Achse, der Daten des optischen Verschiebungsmeßgerätes und der Länge des Fühlerarmes. Das Bezugszeichen 15 bezeichnet einen Computer oder eine Zentraleinheit zur Registrierung der dreidimensionalen Koordinaten, die verarbeitet werden; das Bezugszeichen 16 bezeichnet einen Nachfahr- oder Abtastprozessor, der die Kontrolldaten beim überfahren der zu vermessenden Oberfläche verarbeitet, wobei der Fortschritt der dreidimensionalen Koordinaten überwacht wird; das Bezugszeichen 17 bezeichnet einen Sensorprozessor, der den Winkel Θ.. abtastet bzw. mißt, wenn hierbei eine Abweichung erfolgt, und zwar unter Zugrundelegung der Verschiebungsdaten des optischen Verschiebungsmeßgerätes und der Korrelation oder der Beziehung zwischen dem Wert des ausgestrahlten Lichtes und dem Wert des empfangenen Lichtes; und das Bezugszeichen 18 bezeichnet eine Servosteuerung, die sämtliche Achsen antreibt.

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Fig. 7(a) zeigt ein Diagramm einer Kurve des optischen Verschiebungsmeßgerätes, wenn die θ ..-Achse sich ändert, und Fig. 7(b) zeigt ein Diagramm zur Erläuterung des Kontrollsystems, welches die Ö^-Achse konstant hält. In diesen Figuren der Zeichnung bezeichnet das Symbol I_pT die Menge des empfangenen Lichtes, und das Symbol I_D bezeichnet einen Treiberstrom für ein Licht emittierendes Element. Die Fig.7(b) zeigt ferner die Änderung von Daten im Laufe der Zeit in Vorschubrichtung.

Die Wirkungsweise des Systems wird nachstehend näher erläutert. Gemäß Fig. 6 wird die Koordinaten-Verarbeitungseinheit 4 mit den Koordinaten X, Y und Z von dem Bewegungsmechanismus 11 mit drei orthogonalen Achsen versorgt, wird mit den Daten θ und ß vom Fühlerarm 12 versorgt, und wird mit einem Verschiebungswert ^H von dem optischen Verschiebungsmeßgerät 13 versorgt, wobei Y" intern berechnet wird. Die Koordinaten-Verarbeitungseinheit 4 berechnet die dreidimensionalen Koordinaten der zu vermessenden Oberfläche, wobei außerdem die Länge oder der Abstand von einer Position, wo die kartesischen Koordinaten sich auf der Drehachse des Verschiebungsmeßgerätes des Fühlerarmes befinden, und die Daten zugrundegelegt werden, die sich auf den Abstand des Verschiebungsmeßgerätes beziehen. Die verarbeiteten Daten der jeweiligen Positionen werden in dem Computer bzw. der Zentraleinheit 15 gespeichert. Die gleichen Koordinatendaten werden auch in den Nachfahr- oder Abtastprozessor 16 eingegeben, der sie mit den Daten, die sich im Laufe der Zeit ändern und die bisher gemessen worden sind, vergleicht und der eine Berechnung durchführt, wie sich die einzelnen Achsen in der nächsten Zeit bewegen werden. In der Richtung, in der sich das optische Verschiebungsmeßgerät weiterbewegen wird, wird die Richtung ($„ = ß-Achse in Fig. 5) der Daten bestimmt, und zwar unter Zugrundelegung des Differenzwertes der vorherigen Daten und der neuen oder jetzigen Daten. Die Richtung (Θ. = Θ-Achse in Fig. 5) unter rechten Winkel'·, gegenüber der Vorschubrichtung kann jedoch nicht ohne die Neigungsdaten auf

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beiden Seiten kontrolliert werden. Somit ist ein Prozessor 17 vorgesehen, der die Neigung abtastet oder mißt, und zwar unter Zugrundelegung des Zusammenhanges oder der Relation zwischen dem Reflexionswinkel des optischen Meßfühlers und der Menge des empfangenen Lichtes, wie es in Fig. 7(a) dargestellt ist; dabei wird die gemessene Menge wiederum an den Nachfahr- oder Abtastprozessor 16 gegeben, um die Koordinaten präzise zu messen, wobei die Neigung des optischen Verschiebungsmeßgerätes in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung sowie in den Richtungen nach rechts und links auf einem richtigen Wert automatisch festgehalten wird.

Um das Verhalten in Bewegungs- oder Vorschubrichtung zu kontrollieren, wird die Änderung der Daten im Laufe der Zeit auf der zu vermessenden Oberfläche berechnet, wie es Fig. 7(b) zeigt, mit der vorliegenden Stellung verglichen und korrigiert, um einen vorgegebenen Winkel beizubehalten. Wenn eine richtige Stellung beibehalten wird und eine richtige Neigung in der Richtung nach links und rechts beibehalten wird, wird die Gesamtmenge des Lichtes, das reflektiert wird und wieder zurückkommt, in dem Falle des optischen Verschiebungsmeßgerätes gemäß Fig. 7(a) konstant gehalten. Wenn die Stellung jedoch abweicht, nimmt die Menge des reflektierten Lichtes ab, das heißt, es wird eine Verringerung der Lichtmenge abgetastet, und der Winkel kann korrigiert werden.

Bei dieser Ausführungsform wird die θ.-Achse in der Richtung nach rechts und links in der Bewegungs- oder Vorschubrichtung kontrolliert, und die 9₂-Achse wird in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung kontrolliert, wie es Fig. 5(a) und 5(b) zeigen. Diese Relation kann jedoch auch umgekehrt werden.

Mit dem erfindungsgemäßen System der oben angegebenen Art wird somit die Stellung oder der Winkel des optischen Verschiebungsmeßgerätes in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung, in der es sich bewegt, bestimmt, und zwar unter

Zugrundelegung des Wertes der Änderung der Daten im Laufe der Zeit, wobei diese in geeigneter Weise festgehalten werden. Die Neigung des optischen Verschiebungsmeßgerätes in der Richtung nach links und rechts wird bestimmt unter Zugrundelegung der empfangenen Lichtmenge, die sich in Abhängigkeit vom Reflexionswinkel des optischen Verschiebungsmeßgerätes ändert, und wird in geeigneter Weise mit einem Winkel festgehalten, der die Neigung in Richtung nach links und rechts kontrolliert, so daß die Messung jederzeit mit hoher Präzision vorgenommen werden kann und auf einem stabilen Wert von empfangenem Licht beruht.

Claims

Meßsystem zum Messen von dreidimensionalen Koordinaten

Patentan spr üche

[1.] Meßsystem zum Messen von dreidimensionalen Koordinaten, gekennzeichnet durch

eine Positionsabtasteinrichtung (1), die orthogonale Koordinatenpositionen von X-, Y- und Z-Achsen auf einer zu vermessenden Oberfläche (S) abtastet; ein berührungsloses Verschiebungsmeßgerät (2), das sich längs der zu vermessenden Oberfläche (S) bewegt; einen Meßfühler (3), der die Stellung des Verschiebungsmeßgerätes (2) kontrolliert;

eine Koordinaten-Verarbeitungseinheit (4), welche die Daten von der Positionsabtasteinrichtung (1), von dem berührungslosen Verschiebungsmeßgerät (2) und von dem Meßfühler (3) in dreidimensionale Koordinaten der zu vermessenden Oberfläche (S) umwandelt; einen Computer (5), der die Daten, die von der Koordinaten-Verarbeitungseinheit (4) verarbeitet worden sind, registriert und an eine externe Einheit überträgt; und einen Einzelpunkt-Bestimmungsprozessor (6), der die Koordinatendaten von der Koordinaten-Verarbeitungseinheit (4) erhält und die spezielle Gestalt bestimmt und der die jeweiligen Koordinaten zum Computer (5) überträgt .
2. Meßsystem zum berührungslosen Messen von dreidimensionalen Koordinaten, gekennzeichnet durch einen Bewegungsmechanismus (11), der mit einem linearen Maßstab ausgerüstet ist und sich in Richtung der X-, Y- und Z-Achse in einem dreidimensionalen orthogonalen Koordinatensystem bewegt;

ein optisches Verschiebungsmeßgerät (13), das Reflexionen mißt;

einen Fühlerarm (12) mit drei gelenkigen Achsen, der das optische Verschiebungsmeßgerät (13) in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung, in Richtung nach links und rechts sowie in Vorschubrichtung gegenüber der Meßoberfläche (S) kontrolliert und ihren Winkel abtastet; eine Koordinaten-Verarbeitungseinheit (14), welche die dreidimensionalen Koordinatenpositionen der zu messenden Oberfläche unter Zugrundelegung der drei orthogonalen Achsen, der drei gelenkigen oder angelenkten Achsen und der Verschiebungswerte berechnet; einen Sensorprozessor (17) , der den Neigungswinkel gegenüber der Meßoberfläche abtastet, und zwar unter Zugrundelegung der vom optischen Sensor ausgestrahlten Lichtmenge und der Gesamtmenge von empfangenem Licht; einen Abtastprozessor (16), der die drei orthogonalen Achsen und die drei angelenkten Achsen unter

Berücksichtigung der Daten der dreidimensionalen Koordinaten, die sich im Laufe der Zeit ändern, und der Neigungsdaten des Sensorprozessors (17) kontrolliert und der das vom Meßfühler auf die zu messende Oberfläche ausgestrahlte Licht unter Beibehaltung eines geeigneten Winkels ausrichtet; und einen Rechner (15), der die dreidimensionalen Daten speichert.