DE4031453A1 - Triangulationsmessverfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Triangulationsmeßverfahren zur Positionsbestimmung eines Meßobjekts gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Triangulationsmeßgerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 5.

Triangulationsmeßverfahren werden zur Positionsbestimmung eines Meßobjekts angewandt. Bei diesem Verfahren ist in der Regel eine Strahlungsquelle zur Beleuchtung des Meßobjekts vorgesehen. Die Strahlung wird vom Meßobjekt auf einen po­ sitionssensitiven Sensor, der zumindest zwei strahlungsab­ hängige Ausgangssignale aufweist, aus denen die Position des Meßobjekts bestimmt werden kann, in Abhängigkeit von der Position und der Oberflächenbeschaffenheit des Meßob­ jektes reflektiert.

Die Anforderungen an ein System zur Durchführung eines der­ artigen Verfahrens bestehen in einer hohen Genauigkeit, ei­ nem geringen Rauschen, einer hohen Ortsauflösung und einer hohen Anstiegsgeschwindigkeit für die Ausgangssignale, die auch die Messung sich schnell bewegender Objekte erlauben soll.

Ein großes Problem bei der Anwendung von Triangulationsmeß­ verfahren besteht darin, daß die Strahlung durch die Meßob­ jekte unterschiedlich stark reflektiert wird. Das Triangu­ lationsmeßsystem muß daher über einen hohen Dynamikbereich verfügen, um einerseits sehr schwach reflektierte Signale und auf der anderen Seite sehr stark reflektierte Signale messen zu können. Bei sehr schwach reflektierten Signa­ len besteht darüber hinaus das Problem, daß der Abstand zum Rauschen, das durch die Sensoren und die Eingangsverstärker für die Ausgangssignale hervorgerufen wird, zu gering ist, um eine einwandfreie Messung zu garantieren.

Bei bekannten Triangulationsmeßgeräten wird daher die Emp­ fängerempfindlichkeit in Abhängigkeit von der auf den posi­ tionssensitiven Detektor einfallenden Lichtstärke geregelt. Dieses Verfahren ist jedoch mit einem hohen Hardware-Auf­ wand verbunden, da die Ausgangssignale des positionssensi­ tiven Detektors getrennt verstärkt werden müssen, wobei darauf geachtet werden muß, daß die Signale gleichmäßig und mit einer vorgegebenen Kennlinie geregelt werden.

Eine andere Möglichkeit zur Lösung des Dynamikproblems be­ steht in einer Regelung der Lichtleistung der Beleuchtung des Meßobjekts. Bei einem geringen Reflexionsgrad des Meß­ objekts wird die Lichtleistung der Beleuchtung derart hoch geregelt, daß die auf den positionssensitiven Detektor ein­ fallende Lichtmenge einem vorgegebenen Sollwert entspricht. Aufgrund der Reglerzeitkonstanten lassen sich mit einer derartigen Kompensation der Lichtstärkenunterschiede nur relativ langsame Systeme verwirklichen, mit denen die Messung sich schneller bewegender Objekte unmöglich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Triangulationsmeßverfahren und Triangulationsmeßgerät zu schaffen, die eine schnelle Bestimmung der Position eines Meßobjekts bei hoher Lichtdynamik, hoher Auflösung, hoher Genauigkeit und hohem Rauschabstand erlauben.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Triangulations­ meßverfahren der gattungsgemäßen Art durch die kennzeich­ nenden Merkmale des Anspruchs 1 und bei einem Triangula­ tionsmeßgerät der gattungsgemäßen Art durch die kennzeich­ nenden Merkmale des Anspruchs 5 gelöst. Vorteilhafte Wei­ terbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Idee der Erfindung besteht darin, die Ausgangssignale des positionssensitiven Detektors solange zu integrieren, bis die auf dem positionssensitiven Detektor eingestrahlte Lichtmenge einen vorgegebenen Sollwert erreicht hat. Erst dann erfolgt die Auslesung und Auswertung der aufintegrier­ ten Ausgangssignale zur Positionsberechnung des Meßobjekts.

Bei dem Triangulationsmeßgerät werden, nach dem Einschalten der Strahlungsquelle zu Beginn des Meßzyklus, die Ausgangs­ signale des positionssensitiven Sensors aufintegriert und in Differenz- und Summensignale umgewandelt. Wahlweise kön­ nen auch die zuerst in Differenz- und Summensignale umgewan­ delten Ausgangssignale aufintegriert werden. Erreicht der Wert der Integralsumme bzw. des Summenintegrals einen vor­ gebbaren Sollwert, so werden die aufintegrierten und umge­ wandelten Sensorausgangssignale zur weiteren Signalverar­ beitung ausgelesen. Nach Erreichen des Sollwerts kann die Strahlungsquelle abgeschaltet werden.

Die Ausgangssignale der Integratoren können unmittelbar ei­ nem Analog/Digital-Wandler zugeführt werden, wo sie in ei­ nen digitalen Meßwert umgesetzt werden können. Anschließend werden die Integratoren für den nächsten Meßzyklus zurück­ gesetzt, wobei das Rücksetzen durch die Rücksetzeinrichtung zeitgesteuert erfolgen kann.

Ein erfindungsgemäßes Triangulationsmeßgerät läßt sich mit sehr geringem Schaltungsaufwand und minimaler Baugröße her­ stellen. Es lassen sich zur Herstellung der Schaltung auf dem Markt befindliche Standard-Bauelemente verwenden, die in der Schaltung einfach zu dimensionieren sind. Aufgrund des Verfahrens ist kein Schaltungsabgleich erforderlich. Es sind Meßraten von mehr als 1000 Hertz möglich.

Das erfindungsgemäße Triangulationsmeßgerät hat eine sehr hohe Lichtdynamik von mehr als 100, wobei eine Vervielfa­ chung durch Modifikation möglich ist. Das Rauschen wird aufgrund der wenigen im Signalweg befindlichen Rauschquel­ len minimal gehalten. Eine Änderung der Reflexionsbedingun­ gen an dem Meßobjekt während der Meßzeit bleibt ohne Ein­ fluß auf die gemessenen Werte.

Als Strahlungsquelle wird vorzugsweise eine Laserlichtquel­ le verwendet, deren Strahlungsparameter durch eine konstan­ te Pulsleistung sehr konstant gehalten werden kann.

Bei dem erfindungsgemäßen Triangulationsmeßverfahren kann selbstverständlich ein eigener Strahlungsdetektor zur Ab­ leitung eines Meßsignals für die eingestrahlte Lichtmenge verwendet werden, obwohl aufgrund des geringeren Hardware- Aufwandes die Verwendung der Sensorflächen des positions­ sensitiven Detektors für diese Aufgabe vorteilhafter ist.

Als Integratoren können Kondensatoren verwendet werden.

Die Positionsbestimmung des Meßobjekts erfolgt bei dem er­ findungsgemäßen Triangulationsmeßgerät durch die Division des Differenzwertes durch den Summenwert. In einer vorteil­ haften Weiterbildung der Erfindung ist hierbei als Auswer­ teschaltung ein Analog/Digital-Wandler in dem Triangula­ tionsmeßgerät vorgesehen, der selbst als Dividierer arbei­ tet. Der ausgegebene Digitalwert entspricht dann dem Ver­ hältnis der zu wandelnden Spannung zur angelegten Referenz­ spannung. Der Ausgang des Integrators des Summensignals wird hierbei am Referenzspannungseingang und das Ausgangs­ signal des Integrators des Differenzsignals am Wandlerein­ gang angelegt. Eine konstante maximale Auflösung wird so­ mit bei minimaler Wandlerdatenrate und geringem Hardware- und Software-Aufwand realisiert.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der schematischen Zeichnung beschrieben. Diese zeigt ein Funk­ tionsschaltbild eines erfindungsgemäßen Triangulationsmeß­ geräts mit Lichtmengenregelung.

Das Triangulationsmeßgerät 10 hat eine Laserstrahlungsquel­ le 12, von der aus Strahlung auf ein Meßobjekt abgestrahlt wird, dessen Position bestimmt werden soll. Die vom Meßob­ jekt reflektierte Strahlung trifft auf einen positionssen­ sitiven Detektor 14 auf.

Die Ausgänge des Sensors 14 sind mit den Eingängen zweier Operationsverstärker 20, 22 verbunden. Die Ausgänge beider Operationsverstärker 20, 22 sind auf einen ersten Integrator 24 geführt, der zur Integration der Summe der aufbereiteten Ausgangssignale des Sensors 14 dient. Die Integration er­ folgt in dem Integrator 24 durch einen Kondensator 26. Das Ausgangssignal des zweiten Operationsverstärkers 22 ist auf einen zweiten Integrator 28 geführt, der ebenfalls einen Kondensator 30 zur Integration des Ausgangssignals auf­ weist. Der Ausgang des ersten Integrators 24 ist mit dem Referenzeingang 32 eines A/D-Wandlers 34 verbunden. Der Ausgang des zweiten Integrierers 28 ist mit dem Wandlerein­ gang 36 des Analog/Digital-Wandlers 34 verbunden. Durch diese Schaltung wird vorteilhafterweise der Rauschanteil durch Analogaufbereitung der Ausgangssignale des positions­ sensitiven Detektors so gering wie möglich gehalten, wo­ durch die Dynamik des Triangulationsgeräts abermals verbes­ sert wird. Der Analog/Digitalwandler arbeitet als Dividie­ rer, der das Integrationssignal des einen Sensorausgangssi­ gnals durch das Integrationssignal der Summe beider Sensor­ ausgangssignale teilt und daraus die Position eines Meß­ objektes bezeichnet. Durch das Fehlen analoger Bauteile bei der Auswertung der Integratorsignale wird eine hohe Linea­ rität erreicht. Das Auslesen der Integratoren 24, 28 durch den Analog/Digital-Wandler 34 wird dadurch verursacht, daß das integrierte Summensignal am Ausgang des ersten Integra­ tors 24 auf den ersten Eingang eines Komparators 38 gelegt ist, der dieses integrierte Summensignal mit der Referenz­ spannung einer Referenzspannungsquelle 40 vergleicht, die vorzugsweise einstellbar ist. Wenn der aufintegrierte Sum­ menwert am Ausgang des ersten Integrators 24 die Referenz­ spannung der Referenzspannungsquelle 40 übersteigt, wird der Analog/DigitalWandler 34 durch das Ausgangssignal des Komparators 38 zum Auslesen der Ausgangssignale der beiden Integratoren 24 und 28 angestoßen. Gleichzeitig wird wäh­ rend dieses Vorgangs die Stromzufuhr 42 zur Laserstrah­ lungsquelle 12 unterbrochen. Die durch den Analog/Digital- Wandler 34 ausgelesenen Werte können durch eine Schnitt­ stelle 44 an ein Bussystem zur weiteren Verwertung ausgege­ ben werden. Nach dem Auslesevorgang werden die Integratoren 24, 28 durch eine zeitgesteuerte Rücksetzeinrichtung 46 wie­ der zurückgesetzt. Die Rücksetzung erfolgt durch Kurz­ schließen der Kondensatoren 26, 30 in den Integratoren 24, 28 und wird von der Rücksetzeinrichtung 46 gesteuert. Die Rücksetzeinrichtung steuert auch eine Einrichtung zur Fremdlichtkompensation, die durch die Operationsverstärker 20, 22 und die Kompensationsglieder 48, 50 gebildet wird. Die Länge einer Meßzeit hängt von der auf den positionssensi­ tiven Detektor eingestrahlten Lichtmenge ab und wird so eingeregelt, daß die eingestrahlte Lichtmenge im wesentli­ chen konstant ist.

Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel er­ folgt die Summation der aufbereiteten Sensorsignale in dem ersten Integrator 24. Diese Anordnung ist bezüglich der Mi­ nimierung von Störquellen und Hardware-Aufwand vorteil­ haft. Selbstverständlich ist es dem Fachmann auch überlas­ sen, die Integration vor oder nach der Summation durchzu­ führen.

Der wesentliche Kern der Erfindung liegt in der Anwendung einer Lichtmengenregelung, mit der sich eine sehr hohe Lichtdynamik bei sehr guter Genauigkeit der Ortsbestimmung und hoher Meßrate erzielen läßt. Bei jedem einzelnen Meß­ zyklus paßt sich die Meßvorrichtung den Reflexionseigen­ schaften der Meßgutoberfläche ohne Zeitverzögerung neu an. Dadurch wird eine verzögerungsfreie Vermessung von bewegten Meßgütern mit sehr stark unterschiedlichem Reflexionsver­ halten ermöglicht. Ein auf diesem Prinzip basierendes Tri­ angulationsmeßgerät ist zudem in hohem Maß störungsunemp­ findlich und läßt sich schaltungs- und fertigungstechnisch mit geringem Aufwand realisieren.

Claims (16)

1. Triangulationsmeßverfahren zur Positionsbestimmung ei­ nes Meßobjekts unter Verwendung einer Strahlungsquelle und eines positionssensitiven Detektors mit mindestens zwei strahlungssensitiven Sensorflächen, die jeweils ein Ausgangssignal liefern, dadurch gekennzeichnet,
daß die Ausgangssignale aufintegriert werden, bis die vom Meßobjekt auf die Steuerflächen (16, 18) auftreten­ de Lichtmenge einen Sollwert erreicht hat,
daß die aufintegrierten Ausgangssignale daraufhin zur Positionsbestimmung ausgewertet und anschließend für einen neuen Meßzyklus rückgesetzt werden.

2. Triangulationsmeßverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Sensorfläche des positionssensiti­ ven Detektors als Meßfläche für die Lichtmenge verwen­ det wird.

3. Triangulationsmeßverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert eingestellt werden kann.

4. Triangulationsmeßverfahren nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, bei dem die Ausgangssignale der Sensorflächen zu einem Summensignal summiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Integral des Summensignals mit dem Sollwert verglichen wird.

5. Triangulationsmeßverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Integration nach der Aufsummierung der Aus­ gangssignale durchgeführt wird.

6. Triangulationsmeßgerät, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che,
mit einer Strahlungsquelle, mit einem positionssensi­ tiven Detektor mit mindestens zwei nebeneinander ange­ ordneten Sensorflächen, die Ausgangssignale liefern, welche zu einem Summensignal summiert werden und mit einer Auswerteschaltung zur Bestimmung der Position eines Meßobjekts auf der Basis der Ausgangssignale, gekennzeichnet durch
Integriatoren (24, 28) zur Aufintegrierung der Ausgangs­ signale,
einen Komparator (38) zum Vergleich des Integrations­ wertes mindestens eines Ausgangssignals mit einem Sollwert, wobei das Ausgangssignal des Komparators (38) zur Steuerung der Auswerteschaltung (34) ableit­ bar ist, und
eine Rücksetzeinrichtung (46) zum Rücksetzen der Inte­ grationswerte der Ausgangssignale.

7. Triangulationsmeßgerät nach Anspruch 6, bei dem die Ausgangssignale der Sensorflächen zu einem Summensignal aufsummiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß dem Komparator (38) der Integrationswert des Summensignals zugeführt ist.

8. Triangulationsmeßgerät nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung (34) einen Analog/Digital- Wandler enthält, dessen Eingänge (32, 36) mit den Aus­ gängen der Integratoren (24, 28) verbunden sind.

9. Triangulationsmeßgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß der Ausgang des Integrators (24) für das Summensi­ gnal mit dem Referenzeingang (32) und der Ausgang des Integrators (28) für das Ausgangssignal mit dem Wand­ lereingang (36) des Analog/Digital-Wandlers (34) ver­ bunden sind, und
daß der Analog/Digital-Wandler (34) als Dividierer ausgebildet ist.

10. Triangulationsmeßgerät nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Integratoren (24, 28) Kondensatoren (26, 30) enthalten.

11. Triangulationsmeßgerät nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Rücksetzeinrichtung (46) eine Zeitsteuerung enthält.

12. Triangulationsmeßgerät nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Analog/Digital-Wandler (34) über eine Schnitt­ stelle (44) zum Anschluß an ein Bussystem verfügt.

13. Triangulationsmeßgerät nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert über eine Referenzspannungsquelle (40) einstellbar ist.

14. Triangulationsmeßgerät nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorflächen auf einer länglichen Sensorbahn angeordnet sind.

15. Triangulationsmeßgerät nach einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (12) als Laserstrahlungsquel­ le ausgebildet ist.

16. Triangulationsmeßgerät nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Komparators (38) zur Steuerung der Strahlungsquelle (12) ableitbar ist.