DE3702691C2 - Berührungsloser Abstandssensor - Google Patents
Berührungsloser AbstandssensorInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen berührungslosen Abstandssensor,
wobei für die Anordnung aus Projektionsachse, Detektoren und
abbildungsoptischen Elementen die Scheimpflugbedingung eingehalten ist. Derartige Abstands
sensoren sind in folgenden Schriften beschrieben:
DE-A1-28 53 978, DE-A1-33 02 948, EP-A1-01 63 347, EP-A1-01 56 991, US-43 73 805 und US-44 53 083.
DE-A1-28 53 978, DE-A1-33 02 948, EP-A1-01 63 347, EP-A1-01 56 991, US-43 73 805 und US-44 53 083.
Bei diesen bekannten Abstandssensoren wird ein Lichtbündel in
der Regel senkrecht auf die Oberfläche des Objekts projiziert,
dessen Abstand ermittelt werden soll. Der projizierte Licht
punkt wird dann von einem mit seiner optischen Achse gegen die
Projektionsachse geneigten Objektiv auf einen linearen, photo
elektrischen Detektor wie z. B. eine Diodenzeile oder ein soge
nanntes CCD-Array abgebildet. Dabei entsteht ein von der
Position des auffallenden Lichtflecks abhängiges Signal,
welches ein Maß für die Objektentfernung darstellt.
Der nutzbare Meßbereich eines solchen Abstandssensors ist der
Teil der Projektionsachse, der auf die photoempfindliche Fläche
des Detektors abgebildet wird, und seine Auflösung wird von der
Zahl der Einzelelemente des Detektors bestimmt. Für hochgenaue
Messungen steht deshalb nur ein relativ kleiner Meßbereich zur
Verfügung, der außerdem noch dadurch eingeschränkt ist, daß die
Signale der Elemente in den Randbereichen des Detektors oft für
andere Aufgaben wie z. B. für die Maschinennachführung benötigt
werden und deshalb nicht ohne weiteres für die eigentliche
Meßaufgabe genutzt werden können.
Verwendet man einen Abstandssensor der eingangs genannten Art
als optischen Tastkopf in einen Koordinatenmeßgerät, so besteht
die Forderung nach möglichst hoher Meßgenauigkeit bzw. Auf
lösung bei gleichzeitig möglichst großem Meßbereich. Denn wenn
der Meßbereich zu klein ist, kann der Fall eintreten, daß beim
Scannen des zu vermessenden Werkstücks eine Kante überfahren
wird und dabei der Meßbereich abrupt verlassen wird, ohne daß
die Maschinensteuerung Daten über die Nachführrichtung enthält.
In solchen Fällen müßte der Tastkopf manuell gesteuert mit
seinem Meßbereich wieder auf das Werkstück aufgesetzt werden.
Derartige Störungen unterbrechen den sonst automatisch
ablaufenden Meßvorgang.
Aus der DE-A1-33 00 333 ist ein Abstandssensor bekannt, für den
das Problem der Meßbereichsüberschreitung dadurch gelöst ist,
daß entweder das abbildende Objektiv oder ein Ablenkspiegel im
Abbildungsstrahlengang verschoben werden, wenn der abgebildete
Meßpunkt auf dem Detektor in dessen Randbereiche gelangt. Durch
die mechanische Bewegung des betreffenden optischen Bauteils
wird der Meßpunkt wieder auf die Detektormitte zurückgeführt,
was einer Meßbereichsverschiebung gleichkommt. Nachteilig dabei
ist allerdings die Verwendung mechanisch bewegter Teile, die
den Regelkreis, mit dem die Meßbereichsverschiebung bewirkt
wird, träge machen. Der bekannte Tastkopf ist deshalb für einen
schnellen Scanbetrieb nicht geeignet.
In der EP-A1-013 45 97 ist ein Abstandssensor nach dem
Triangulationsprinzip beschrieben (Fig. 4, 5) der zwei
Detektoren und zwei Abbildungsoptiken besitzt, die symmetrisch
zueinander angeordnet sind. Dadurch wird jeweils ein und
derselbe Bereich der Projektionsachse mit gleichem
Abbildungsmaßstab auf beide Detektoren abgebildet. Diese
symmetrische Anordnung dient dazu, den Störabstand des
Meßsignals gegenüber Falschlicht zu verbessern. Das Problem der
Meßbereichsüberschreitung ist in dieser Schrift weder
angesprochen noch gelöst.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen
berührungslosen Abstandssensor des eingangs genannten Typs zu
schaffen, der als optischer Tastkopf im schnellen Scanbetrieb
eingesetzt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Ausbildung mit den im Anspruch 1
angegebenen Merkmalen gelöst.
Im Ergebnis sind dadurch also zwei Abstandssensoren mit
unterschiedlichen Meßbereichen und unterschiedlicher
Meßgenauigkeit in einem Tastkopf vereinigt. Damit ist ohne
mechanisch bewegte Teile ein für den schnellen Scanbetrieb
geeigneter optischer Tastkopf geschaffen, der auch über hohe
Kanten hinweg geführt werden kann. Denn wenn bei der Messung im
Scanbetrieb der kurze aber hochaufglöste Meßbereich verlassen
wird, stehen die Signale des dahinterliegenden oder ihn
übergreifenden Meßbereichs mit geringerer Auflösung als
Steuerdaten für die Rückführung des Tastkopfs in den genaueren
Meßbereich zur Verfügung.
Da der Projektionsteil des Abstandssensors und auch die
Steuerelektronik für die den verschiedenen Meßbereichen
zugeordneten Detektoren gemeinsam benutzt werden können, ist
die erfindungsgemäße Lösung wenig aufwendig und es kann ein
sehr kompakter Tastkopf realisiert werden, der universell
einsetzbar ist.
Das gleichzeitige Vorhandensein zweier unterschiedlicher
Meßbereiche ermöglicht außerdem eine Betriebsweise, bei der das
Meßobjekt in einem sogenannten Orientierungsscan erst einmal
schnell die Meßlinie abfährt, um die Bahndaten für den
eigentlichen Meßvorgang zu gewinnen. Bei diesem
Orientierungsscan wird der größere Meßbereich mit geringerer
Auflösung genutzt, der auch einen größeren Arbeitsabstand
besitzt, so daß die Kollisionsgefahr beim Orientierungsscan
stark verringert ist. Nach dem Orientierungsscan kann sofort
mit dem eigentlichen Feinmeßvorgang begonnen werden, ohne daß
ein Tastkopfwechsel vorgenommen werden müßte.
Weitere Vorteile der Erfindung sind den Unteransprüchen und der
nachstehenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der
Fig. 1 bis 6 der Zeichnung entnehmbar.
Fig. 1 ist eine Prinzipskizze eines ersten Ausführungs
beispiels der Erfindung;
Fig. 2 ist eine Prinzipskizze eines zweiten Ausfüh
rungsbeispiels der Erfindung;
Fig. 3 ist eine Prinzipskizze eines dritten Ausfüh
rungsbeispiels der Erfindung;
Fig. 4 ist eine Prinzipskizze eines vierten Ausfüh
rungsbeispiels der Erfindung;
Fig. 5 ist die Prinzipskizze eines fünften
Ausführungsbeispiels der Erfindung;
Fig. 6 ist die Prinzipskizze eines sechsten
Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Der in Fig. 1 dargestellte Abstandssensor besteht im
Projektionsteil aus einer Leuchtdiode oder Laserdiode (L₁) und
einem Projektionsobjekt, das ein Lichtbündel mit eng begrenztem
Durchmesser entlang der Projektionsachse (Z₁) etwa senkrecht
auf das zu messende Werkstück (W₁) projiziert. Der auf der
Werkstückoberfläche entstehende Lichtpunkt (P₁) wird durch ein
erstes Objektiv (O₁) auf einen Detektor (D₁) in Form einer
Diodenzeile oder eines CCD-Arrays und durch ein zweites
Objektiv (O₂) auf einen gleichartigen zweiten Detektor (D₂)
abgebildet. Die Anordnung von Projektionsachse (Z₁), der Haupt
ebenen (H₁) und (H₂) der Objektive (O₁) und (O₂) und der Ebene
(E₁), in der die beiden Detektoren (D₁) und (D₂) liegen, ist
dabei so gewählt, daß die Scheimpflugbedingung erfüllt ist.
Diese Bedingung bedeutet für den in Fig. 1 dargestellten Fall,
daß die genannten Ebenen die Projektionsachse in einem Punkt
schneiden. Dadurch ist es möglich, den auf die Werkstück
oberfläche projizierten Punkt (P₁) unabhängig vom Abstand in
Richtung der Projektionsachse (Z₁) immer scharf auf die
Detektoren (D₁) und (D₂) abzubilden.
Das Objektiv (O₁) ist mit seiner Hauptebene (H₁) um einen
Winkel α₁ gleich 30° gegen die Detektorebene (E₁) geneigt,
während der Neigungswinkel α₂ des Objektivs (O₂) 45° beträgt.
Daraus ergeben sich für beide Objektive unterschiedliche
Objekt- und Bildentfernungen, so daß die mittleren Abbildungs
maßstäbe, unter denen die Projektionsachse (Z₁) auf die beiden
Detektoren (D₁) und (D₂) abgebildet wird, selbst bei gleicher
Brennweite der Objektive (O₁) und (O₂) unterschiedlich sind, so
entstehen zwei verschieden große, übereinander liegende Meßbe
reiche (₁) und (₂) für die Detektoren (D₁) und (D₂). In der
nachstehenden Tabelle ist angegeben, welche Größe die Meßbe
reiche abhängig von der Brennweite der Objektive (O₁) bzw. (O₂)
unter Zugrundelegung einer nutzbaren Zeilenlänge von 12 mm für
die Detektoren (D₁) bzw. (D₂) besitzen können:
Die Werte beziehen sich auf die in Fig. 1 skizzierte Anordnung
und setzen voraus, daß die Detektorebene (E₁) und die
Projektionsachse (Z₁) einen rechten Winkel miteinander bilden.
Im beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Länge der beiden
Diodenzeilen (D₁ und D₂) und ebenso die Anzahl der licht
empfindlichen Einzelelemente auf beiden Zeilen gleich (z. B. 512
pixel). Es kann sich aber als vorteilhaft erweisen, wenn z. B.
für die dem genaueren Meßbereich (Z₂) zugeordnete Diodenzeile
(D₂) ein Exemplar mit einer größeren Anzahl von Einzelelementen
(z. B. 1024 pixel) gewählt wird, um damit die Auflösung des
Meßbereichs (₂) zusätzlich zu verbessern.
Über die Signale der Diodenzeile (D₂) kann der Abstand
(Z) zur Werkstückoberfläche (W₁) im Meßbereich (₂) mit hoher
Genauigkeit gemessen werden. Gleichzeitig können die Signale
der dem größeren Meßbereich (₁) zugeordneten Diodenzeile (D₁)
als Steuerdaten für eine Meßmaschine dienen, an dessen in
mehreren Raumrichtungen beweglicher Pinole der Abstandssensor
befestigt ist und von der er an der Kontur des Werkstücks (W₁)
entlang so verfahren wird, daß die Werkstückoberfläche immer im
Meßbereich (₂) bleibt. Wird der Meßbereich (₂) verlassen,
indem der Abstandssensor zum Beispiel die Kante (K) des Werk
stücks (W₁) überfährt, so wird über die Steuersignale der Dio
denzeile (D₂) der Maschinenantrieb gestoppt und die Kante (K)
anschließend mit geringerer Geschwindigkeit abgefahren, bei der
die Maschinenantriebe der Werkstückkontur folgen können.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel muß zur
Durchführung der vorstehend genannten Betriebsweise die
Scanrichtung senkrecht zu der von den Achsen des
Projektionssystems und der Abbildungssysteme aufgespannten
Ebene gewählt werden, um eine Abschaltung eines der beiden
Meßbereiche durch die Kante K zu vermeiden, d. h. der Pfeil A
und die Werkstückkontur W₁ erstrecken sich senkrecht zur
Papierebene. Diese Einschränkung in Bezug auf die Scanrichtung
ist dann nicht mehr erforderlich, wenn der nachstehend
beschriebene Aufbau nach Fig. 2 gewählt wird:
Der im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 dargestellte Abstands sensor unterscheidet sich von dem nach Fig. 1 nur dadurch, daß die Ebenen, in denen die beiden Abbildungssysteme bestehend aus den Objektiven (O₁₁) und dem Detektor (D₁₁) bzw. dem Objektiv (O₁₂) und und dem Detektor (D₁₂) liegen, um die Projektions achse gedreht sind und einen Winkel β 90° einschließen. In dieser räumlichen Anordnung der beiden Abbildungssysteme in verschiedenen Ebenen läßt sich außerdem ein sehr kompakter mechanischer Aufbau für den Abstandssensor realisieren.
Der im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 dargestellte Abstands sensor unterscheidet sich von dem nach Fig. 1 nur dadurch, daß die Ebenen, in denen die beiden Abbildungssysteme bestehend aus den Objektiven (O₁₁) und dem Detektor (D₁₁) bzw. dem Objektiv (O₁₂) und und dem Detektor (D₁₂) liegen, um die Projektions achse gedreht sind und einen Winkel β 90° einschließen. In dieser räumlichen Anordnung der beiden Abbildungssysteme in verschiedenen Ebenen läßt sich außerdem ein sehr kompakter mechanischer Aufbau für den Abstandssensor realisieren.
Es ist noch zu bemerken, daß die beiden Diodenzeilen (D₁₁) und
(D₁₂) in diesem Ausführungsbeispiel alternierend von einer
gemeinsamen Elektronikeinheit (L) angesteuert werden und auch
ein Betrieb möglich ist, bei dem wahlweise nur eine einzige der
beiden Diodenzeilen aktiviert ist.
Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 besitzt der Abstandssensor
neben dem Projektionsobjektiv (P₂₁,) das der Lichtquelle (L₂₁)
zugeordnet ist, nur ein einziges Abbildungsobjektiv (O₂₁) mit
großem Bildwinkel für die beiden hintereinander angeordneten
Diodenzeilen (D₂₁) und (D₂₂). Dieses Objektiv ist mit seiner
Hauptebene (H₂₁) um einen Winkel α = 45° gegen die Detektorebene
(E₂) geneigt, so daß der mittlere Abbildungsmaßstab, unter dem
die Projektionsachse abgebildet wird, 1 : 1 beträgt. Da aber für
die Abbildung auf die Detektoren (D₂₁) und (D₂₂) unter
schiedliche Bildwinkelbereiche des Objektivs (021) benutzt
werden, sind die auf die Diodenzeilen abgebildeten Meßbereiche
(₂₁) und (₂₂) verschieden groß und die Ortsauflösung in den
beiden Meßbereichen ist unterschiedlich. Den größeren und in
seinem unteren Randbereich deutlich nichtlinearen Meßbereich
(Z₂₁) ist ein längerer Arbeitsabstand zugeordnet. Mit
diesem Meßbereich kann das zu vermessende Objekt beispielsweise
in der eingangs genannten Betriebsweise Orientierungsscan
schnell abgefahren werden, wobei die Bahndaten für ein an
schließendes Vermessen im höher auflösenden Meßbereich (₂₂)
gewonnen werden.
Da die mechanischen Abmessungen der Diodenzeilen (D₂₁) und
(D₂₂) die ihrer lichtempfindlichen Fläche übersteigen, gibt
es zwischen den beiden Meßbereichen (₂₁) und (₂₂) eine tote
Zone. Das kann vermieden werden, wenn man wie in Fig. 4 darge
stellt hinter dem Abbildungsobjektiv (O₃₁) einen geometrischen
Strahlteiler in Form einer spiegelnden Schneide (S₃₁) anordnet.
Dieser Strahlteiler (S₃₁) lenkt den Abbildungsstrahlengang für
den Bildwinkelbereich, unter dem der Meßbereich (₃₁) auf die
Diodenzeile (D₃₂) abgebildet wird, um. Somit können die beiden
Detektoren (D₃₁) und (D₃₂) in verschiedenen Ebenen montiert
werden und die Meßbereiche schließen aneinander an. Die
Scheimpflugbedingung ist bei dieser Anordnung ebenfalls einge
halten, denn der Schnittpunkt der Hauptebene des Objektivs
(O₃₁) mit der Projektionsachse liegt in der Ebene des virtuel
len Bildes (V₃₂).
Natürlich ist es auch möglich anstelle des geometrischen
Strahlteilers (S₃₁) einen physikalischen Strahlteiler einzu
setzen, wenn der damit verbundene Intensitätsverlust nicht
stört.
Entsprechende Beispiele sind in den Fig. 5 und 6 darge
stellt. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 ist hinter dem
unter einem Winkel von 60° gegen die Projektionsachse geneigten
Abbildungsobjektiv (O₄₁) ein physikalischer Strahlteiler (S₄₁)
angeordnet, der ähnlich wie der geometrische Strahlteiler (31)
aus Fig. 4 den Teilstrahlengang für die Abbildung des Meßbe
reichs (₄₁) umlenkt. In der Bildebene im abgelenkten Teil
strahlengang ist die erste Diodenzeile (D₄₁) angeordnet.
Im anderen Teilstrahlengang des durch den Strahlteiler (S₄₁)
hindurchtretenden Lichtes befindet sich ein optisches Element
(O₄₂) in Form einer Negativlinse. Diese Linse bildet zusammen
mit dem Objektiv (O₄₁) ein Teleobjektiv, dessen Hauptebenen
(H₄₁) und (H₄₂) vor dem Objektiv liegen und das eine längere
Brennweite als das Einzelobjektiv (O₄₁) besitzt. Die Bildebene
(E₄₂) dieses aus (O₄₁) und (O₄₂) gebildeten Teleobjektivs ist
unter einem Winkel α₄₂ von 60° gegen die Hauptebenen (H₄₁) und
(H₄₂) geneigt. Diese bezüglich Projektionsachse und Bildebene
symmetrische Anordnung läßt sich z. B. erzielen, in dem die
Brennweite (f₁) von (O₄₁) zu 16 mm, die Brennweite (f₂) von
(O₄₂) zu - 13 mm und ein gegenseitiger Abstand zwischen (O₄₁)
und (O₄₂) von d = 13 mm gewählt wird. Mit ihr wird der Meßbe
reich (Z₄₂) unter einem mittleren Abbildungsmaßstab von 1 : 1 auf
die Diodenzeile (D₄₂) abgebildet. Dagegen beträgt der mittlere
Abbildungsmaßstab für den auf (D₄₁) ausgespiegelten Strahlen
gang 3 : 1.
Auch im Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 sind hinter dem im
Abbildungsstrahlengang des Objektivs (O₅₁) angeordneten
physikalischen Strahlteiler (S₅₁) zusätzliche optische Elemente
(O₅₂) und (O₅₃) angeordnet. Hier handelt es sich um eine Feld
linse (O₅₂) in der Bildebene (E₅₁) des Objektivs (O₅₁) und eine
Relaislinse (O₅₃), die den zentralen Bereich des in der Ebene
(E₅₁) abgebildeten Meßbereiches (₅₁) nochmals vergrößert auf
die Diodenzeile (D₅₂) abbildet. Für die nochmalige Abbildung
durch die Relaislinse (O₅₃) ist ebenfalls wieder die
Scheimpflug-Bedingung eingehalten, denn die Ebene (E₅₁) in
der das Zwischenbild entsteht, die Hauptebene der Relaislinse
(O₅₃) und die Bildebene (E₅₂) schneiden sich in einem Punkt. Im
Effekt wird durch die zweistufige Abbildung der Diodenzeile
(D₄₂) der kleinere Meßbereich (₄₂) zugeordnet, der
entsprechend höher aufgelöst werden kann.
In den Ausführungsbeispielen der Fig. 1 bis 6 sind als
positionsempfindliche photoelektrische Detektoren Diodenzeilen
genannt worden. Selbstverständlich ist es möglich anstelle von
Diodenzeilen auch sogenannte CCD-Arrays oder andere positions
empfindliche Wandlerelemente einzusetzen. Schließlich ist auch
die Zahl der übereinander gelegten oder hintereinanderliegenden
Meßbereiche nicht auf zwei beschränkt sondern kann
durchaus größer sein.
Claims (9)
1. Berührungsloser Abstandssensor nach dem
Triangulationsprinzip mit
- - einer Projektionsachse, längs derer ein Lichtbündel ausgesendet wird,
- - mindestens zwei positionsempfindlichen photoelektrischen Detektoren, und
- - abbildungsoptischen Elementen, die unter Beachtung der Scheimpflug-Bedingung mindestens zwei aufeinander oder hintereinander liegende Abschnitte der Projektionsachse mit jeweils unterschiedlichem Abbildungsmaßstab und/oder unter unterschiedlichem Bildwinkel als Meßbereiche unterschiedlicher Größe und/oder Ortsauflösung entsprechend zugeordnet auf die mindestens zwei positionsempfindlichen photoelektrischen Detektoren abbilden.
2. Abstandssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Detektoren (D₁, D₂) aus einer Mehrzahl von
Einzelelementen bestehen, deren Anzahl unterschiedlich
ist.
3. Abstandssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß jedem Detektor (D₁, D₂) jeweils ein
Objektiv (O₁, O₂) zugeordnet ist und der
Abbildungsmaßstab der Objektive (O₁, O₂) unterschiedlich
ist.
4. Abstandssensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die jeweils aus der Projektionsachse und der optischen
Achse eines der Objektive (O₁₁, O₁₂) aufgespannten Ebenen
einen Winkel (β) einschließen, der kleiner als 90° ist.
5. Abstandssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß den Detektoren (D₂₁, D₂₂) ein
gemeinsames Objektiv (O₂₁) zugeordnet ist und die
Abbildung auf die Detektoren unter verschiedenen
Bildwinkeln erfolgt.
6. Abstandssensor nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch
mindestens einen Strahlteiler (S₃₁) im bildseitigen
Strahlengang des Objektivs (O₃₁).
7. Abstandssensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß hinter dem Strahlteiler (S₄₁, S₅₁) weitere optische
Elemente (O₄₂, O₅₂, O₅₃) angeordnet sind.
8. Abstandssensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß das Objektiv (O₄₁) in Verbindung mit einem weiteren
optischen Element (O₄₂) ein Teleobjektiv darstellt.
9. Abstandssensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die weiteren optischen Elemente (O₅₂, O₅₃) eine
nochmalige Abbildung der Bildebene (E₅₁) des Objektivs mit
einem von 1 verschiedenen Abbildungsmaßstab erzeugen.
Priority Applications (1)
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DE3620119 | 1986-06-14 | ||
DE3702691A DE3702691C2 (de) | 1986-06-14 | 1987-01-30 | Berührungsloser Abstandssensor |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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DE3702691C2 true DE3702691C2 (de) | 1995-11-30 |
Family
ID=6303049
Family Applications (1)
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DE3702691A Expired - Fee Related DE3702691C2 (de) | 1986-06-14 | 1987-01-30 | Berührungsloser Abstandssensor |
Country Status (1)
Country | Link |
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- 1987-01-30 DE DE3702691A patent/DE3702691C2/de not_active Expired - Fee Related
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