DE4332022A1 - Verfahren und Vorrichtung zum berührungslosen Erfassen der Winkellage eines Objekts, insbesondere beim Vermessen von länglichen Gegenständen - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum berührungslosen Erfassen der Winkellage eines Objekts, insbesondere beim Vermessen von länglichen GegenständenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum berührungslosen Erfassen
der Winkellage eines Objekts nach dem Oberbegriff des Patent
anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Ver
fahrens gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 5.
Ein derartiges Verfahren und die entsprechende Vorrichtung sind
beispielsweise aus der DE 38 21 046 A1 bekannt. Dort ist ein Ver
fahren zur optoelektronischen Winkelmessung vorgeschlagen, bei dem
auf die Oberfläche des zu vermessenden Objekts unter vorgegebenen
Winkeln eine erste und zweite optische Strahlung, die von einer
gemeinsamen Lichtquelle ausgeht, gerichtet wird und an einem ge
meinsamen Auftreffort auf der Oberfläche diffraktiert wird. Die am
Auftreffort reflektierten und interferierten Strahlungen werden
von einem Strahlungssensor erfaßt, wobei die Phasenänderung des
vom Sensor abgegebenen Signals in Bezug auf ein Referenzsignal zur
Bestimmung der Winkellage des Objekts ausgewertet wird.
Aus der DE 35 36 513 A1 ist eine Vorrichtung zur berührungslosen
abschnittsweisen Gestaltmessung gekrümmter Oberflächen mittels ei
nes rasterförmig arbeitenden optischen Detektors bekannt. Dabei
wird am Objekt ein Lichtschnitt erzeugt, der unter einem zur Beob
achtungsachse geneigten Winkel mit einem anamorphotischen System
aufgenommen und auf den Empfänger abgebildet wird.
In der DE 33 42 675 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
optischen Antastung von Werkstücken nach dem Triangulationsprinzip
beschrieben. Dabei wird ein Lichtfleck unter einem Winkel auf das
Meßobjekt projiziert und aus der mit einem positionsempfindlichen
Detektor gemessenen Verschiebung des Bildes des Lichtflecks der
Abstand zum Objekt bestimmt. Mit Hilfe eines Bildanalysegerätes
wird zusätzlich die Form bzw. der Flächeninhalt des Lichtflecks
gemessen und daraus die Neigung der Objektoberfläche zur Beobach
tungsrichtung zwecks Erhöhung der Genauigkeit der Entfernungsbe
stirninung ermittelt.
Ein weiteres Verfahren, sowie eine Vorrichtung zur berührungslosen
Messung von Gestaltsabweichungen an Oberflächen ist aus der DE 39 19 893 A1
bekannt.
Bei dem Verfahren wird ein Muster aus parallelen Lichtstreifen auf
die Oberfläche eines Prüfobjekts projiziert und das an der Ober
fläche reflektierte Licht unter einem zur Projektionsrichtung
schrägen Winkel empfangen und zur Ermittlung der Gestaltsabwei
chungen ausgewertet. Das an der Oberfläche reflektierte Streifen
bild wird im wesentlichen in Streifenrichtung unter Bildung eines
eindimensionalen Bildes gestaucht. Das eindimensionale Bild wird
sodann unter Erfassung der Intensitätsverteilung in Längsrichtung
des Bildes ausgewertet.
Derartige Verfahren finden beispielsweise beim Vermessen von
länglichen Gegenständen wie unbesäumten Brettern und Modeln eine
Anwendung. Aus der DE 91 16 037 U1 ist eine derartige Anwendung
bekannt.
Der vorliegenden Erfindung liegt ausgehend vom Stand der Technik
die Aufgabe zugrunde, ein einfaches aber präsizes Verfahren zum
berührungslosen Erfassen der Winkellage eines Objekts, auch in un
zugänglicher Lage, das sich durch geringen gerätetechnischen Auf
wand und einfache Handhabung auszeichnet, sowie eine Vorrichtung
zur Durchführung dieses Verfahrens zu schaffen.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt bezüglich des Verfahrens erfin
dungsgemäß durch die im Anspruch 1 aufgeführten Merkmale.
Der wesentliche Aufbau der Vorrichtung zur Durchführung des Ver
fahrens nach der Erfindung ergibt sich aus dem Patentanspruch 5.
Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des er
findungsgemäßen Verfahrens bzw. der Vorrichtung ergeben sich aus
den Unteransprüchen.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der
Figuren näher erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 ein Prinzipschaltbild der Lichtquellenansteuerung und
Fig. 2 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Meß
vorrichtung.
Fig. 3 die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ver
messen von unbesäumten Brettern und
Fig. 4 den gemessenen Signalverlauf bei der Anordnung nach
Fig. 3.
Die Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsge
mäßen Vorrichtung. Ein Rechteckgenerator 1 erzeugt ein rechteck
förmiges Signal der Frequenz f₀. Über einen Inverter 2 wird das
invertierte Signal f0′ zur Verfügung gestellt. Mit diesen Signalen
werden jeweils über eine Treiberstufe 3 die Lichtquellen 4 modu
liert. Nach Fig. 2 bestrahlen diese beiden Lichtquellen 4 das zu
vermessende Objekt 9. Sie sind beispielsweise symmetrisch links
und rechts von diesem Objekt 9 angeordnet und auf dieses gerich
tet. Über eine Linsen- oder eine Blendenanordnung 7 oder eine
Kombination hieraus, erfolgt die Abbildung auf den optischen Emp
fänger 5.
Dem optischen Empfänger 5 ist ein Wechselspannungsverstärker 6
nachgeschaltet, der eine Bandpaßcharakteristik um die Frequenz f₀
aufweist. Eine nachfolgende Auswerteelektronik 8 liefert bei
spielsweise ein Spannungssignal das proportional zur Winkelabwei
chung β des Objekts aus einer definierten Lage ist. Sind die Win
kelverhältnisse wie in Fig. 2 eingezeichnet, so wird der Wechsel
spannungsverstärker 6 kein (oder nur ein geringes) Signal liefern,
da der optische Empfänger 5 das Meßobjekt 9 so sieht, als wäre es
mit Gleichlicht bestrahlt.
Dieser Effekt ergibt sich daraus, daß bei einer derartigen Be
strahlung und einem "symmetrischen" Reflexionsverhalten des Meßob
jektes 9 vom optischen Detektor 5 kein Wechsellicht gesehen werden
kann, obwohl beide Lichtquellen mit der Frequenz f₀ pulsieren.
Wenn die eine Lichtquelle erlischt, schaltet die zweite Licht
quelle ein, so daß im Grunde genommen nur der Ort der Strahlungs
quelle "springt", effektiv das Meßobjekt aber immer bestrahlt
wird. Dies ändert sich jedoch, wenn das Objekt um den Winkel β
verdreht und damit aus seiner Symmetrie gebracht wird. Dann wird
die vom optischen Empfänger gesehene Lichtintensität beispiels
weise der linken Lichtquelle größer und gleichzeitig die der rech
ten Lichtquelle geringer. Der optische Empfänger empfängt Wechsel
licht und der Wechselspannungsverstärker kann den Photostrom ver
stärken.
Messungen mit einer Frequenz f₀, f0′ von 10 kHz ergaben ein li
neares Verhalten bis zu Winkelabweichungen von + 40 Grad und Emp
findlichkeiten von 40 bis 300 mV/Grad.
Werden die Lichtquellen nicht nur beiderseits des zu vermessenden
Objekts angebracht, sondern auch vorder- und hinterhalb desselben,
so kann nicht nur die Winkellage um eine Achse sondern um zwei
Achsen, d. h. die Winkellage einer Ebene im Raum, erfaßt werden.
Bei Verwendung zweier eng benachbarter optischer Empfänger, wie
beispielsweise Photodioden, kann durch die Auswertung der Diffe
renz dieser Signale die Differenz der zugehörigen Winkel und damit
die Krümmung der Objektoberfläche bestimmt werden.
Zum Vermessen länglicher Gegenstände wie beispielsweise unbesäum
ter Bretter oder Mode in werden die erfindungsgemäßen Vorrichtungen
gemäß der Darstellung in Fig. 3 angeordnet. Der zu vermessende
Gegenstand 9 wird dabei in der Transportrichtung F bewegt. Während
dieser Transportbewegung wird durch die Meßvorrichtung A₁ bis An
an n Stellen jeweils die Querabmessung des Gegenstandes 9 ermit
telt, so daß sich in der Gesamtheit die Breite des betreffenden
Objekts 9 über einen großen Bereich erfassen läßt.
In Fig. 4 ist der gemessene Signalverlauf einer Meßvorrichtung Ai
(i = 1 . . . . n) bei der Anordnung nach Fig. 3 gezeigt. Bei diesem
Signal handelt es sich um die Ausgangsspannung u der Auswerteelek
tronik 8. Dieses Signal u ist proportional zur Winkelabweichung β
des Objekts 9 aus einer definierten Lage in Abhängigkeit vom Ort x
über dem Brettquerschnitt. Dabei erhält man Daten über die Breite
der "Waldkanten" b₁, b₂ und über die Breite der Brettoberseite b₃
bzw. der Brettunterseite bo. Bei unbesäumten Brettern kann dann
mit diesen Daten der Abstand der Sägeblätter eines Besäumautomaten
so eingestellt werden, daß der Verschnitt minimal wird.
Claims (7)
1. Verfahren zum berührungslosen Erfassen der Winkellage eines Ob
jekts, insbesondere beim Vermessen von länglichen Gegenständen
wie unbesäumten Brettern und Modeln, gekennzeichnet durch fol
gende Verfahrensschritte:
- - Bestrahlen des Objekts mit moduliertem Licht der Frequenz f₀ durch mindestens zwei Lichtquellen, wobei mindestens eine der Lichtquellen ein invertiertes Signal sendet.
- - Detektion des von den mindestens zwei Lichtquellen an der Oberfläche des Objekts reflektierten Lichts durch mindestens einen optischen Empfänger.
- - Bestimmen der Winkellage des Objekts über die vom optischen Empfänger detektierte Lichtintensität.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß über
mindestens zwei optische Empfänger, deren Differenzsignal aus
gewertet wird, Winkelabweichungen innerhalb der Objektfläche,
d. h. die Krümmung der Objektfläche, bestimmt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Detektion des reflektierten Lichts über Photodioden er
folgt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Detektion des reflektierten Lichts mit
Hilfe einer Abbildungsoptik erfolgt.
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vor
hergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch
- - einen Generator (1) zur Erzeugung eines Signals mit der Fre quenz f₀,
- - einem Inverter (2) zum Invertieren des Signals der Frequenz f₀,
- - Treiberstufen (3), zur Ansteuerung der
- - mindestens zwei Lichtquellen (4) zum Bestrahlen des Objekts (3),
- - mindestens einen optischen Empfänger (5) zum Detektieren des vom Objekt reflektierten Lichts,
- - eine Abbildungsvorrichtung (7),
- - einen Wechselspannungsverstärker (6) sowie
- - eine Auswerteelektronik (8) die beispielsweise ein Spannungssignal das proportional zur Winkelabweichung (ß) des Objekts aus einer definierten Lage ist, liefert.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der
Generator (1) ein Rechteckgenerator ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß
die Abbildungsvorrichtung (7) eine Linsenoptik, eine
Blendenanordnung oder eine Kombination hieraus ist.
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