DE4332022C2

DE4332022C2 - Verfahren und Vorrichtung zum berührungslosen Erfassen der Winkellage eines Objekts, insbesondere beim Vermessen von länglichen Gegenständen

Info

Publication number: DE4332022C2
Application number: DE19934332022
Authority: DE
Original assignee: TR ELEKTRONIC GmbH
Current assignee: TR ELEKTRONIC GmbH
Priority date: 1993-09-21
Filing date: 1993-09-21
Publication date: 1997-07-03
Anticipated expiration: 2013-09-22
Also published as: DE19510075C2; DE19510075A1; DE4332022A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum berührungslosen Erfassen der Winkellage eines Objekts nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 4.

Ein derartiges Verfahren und die entsprechende Vorrichtung sind beispielsweise aus der DE 38 21 046 A1 bekannt. Dort ist ein Verfahren 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 gemeinsamen 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 Ge staltmessung gekrümmter Oberflächen mittels eines 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 stimmung 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 präzises Verfahren zum berührungslosen Erfassen der Winkellage eines Objekts, auch in unzugänglicher Lage, das sich durch geringen gerätetechnischen Aufwand und einfache Handhabung auszeichnet, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Ver fahrens zu schaffen.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt bezüglich des Verfahrens erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 aufgeführten Merkmale.

Der wesentliche Aufbau der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung ergibt sich aus dem Patentanspruch 4.

Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen 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 erfindungsgemäßen Vorrichtung. Ein Rechteckgenerator 1 erzeugt ein rechteckförmiges Signal der Frequenz f₀. Über einen Inverter 2 wird das invertierte Signal f_0′ 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, f_0′ 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.

Zum Vermessen länglicher Gegenstände wie beispielsweise unbesäum ter Bretter oder Modeln 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 A_n 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 A_i (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 b_o. Bei unbesäumten Brettern kann dann mit diesen Daten der Abstand der Sägeblätter eines Besäumautomaten so eingestellt werden, daß der Verschnitt minimal wird.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung der Winkellage eines Objeks, bei dem

- die Lage des Objekts berührungsfrei optisch bezüglich der optischen Achse eines Detektors gemessen wird
- die optische Achse eine Fläche des Objekts schneidet
- die Fläche von mindestens einem Paar von Lichtquellen beleuchtet wird, das symmetrisch zur optischen Achse über der Fläche angeordnet ist
- die Lichtquelle alternierend mit der Frequenz f₀ die Fläche mit gleicher Lichtintensität anstrahlen
- ein Detektor das von dem mindestens einen Paar von Lichtquellen ausgehende und an der einen Fläche gestreute Licht empfängt
- aus der Signaldifferenz des vom Detektor alternierend gemessenen gestreuten Lichts die Winkelkomponente der Lage des Objekts bestimmt wird, die sich auf eine Drehung des Objekts um eine Achse bezieht, die senkrecht auf der Ebene steht, die von der optischen Achse des Detektors und dem mindestens einen Paar von Lichtquellen gebildet wird
- zur Bestimmung der vollständigen Winkellage des Objekts das Streulicht zumindest eines weiteren Lichtquellenpaares erfaßt wird, das eine weitere Ebene mit der optischen Achse des Detektors aufspannt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektion des gestreuten Lichts über Photodioden erfolgt.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektion des gestreuten Lichts mit Hilfe einer Abbildungsoptik erfolgt.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch

- einen Generator (1) zur Erzeugung eines Signals mit der Frequenz f₀,
- einen Inverter (2) zum Invertieren des Signals der Frequenz f₀,
- Treiberstufen (3), zur Ansteuerung der
- mindestens zwei Lichtquellen (4) mit den Signalfrequenzen f₀ und -f₀ zum Bestrahlen des Objekts (3) wobei die Lichtquellen (4) hinsichtlich ihrer Intensität symmetrisch zu einer optischen Achse (S) angeordnet sind,
- mindestens einen optischen Empfänger (5) in der optischen Achse (S) oder nahe der optischen Achse (S) zum Detektieren des vom Objekt gestreuten Lichts,
- eine Abbildungsvorrichtung (7),
- eine Auswerteelektronik (8) die beispielsweise ein Spannungssignal das proportional zur Winkelabweichung (β) des Objekts aus einer definierten Lage ist, liefert.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (1) ein Rechteckgenerator ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildungsvorrichtung (7) eine Linsenoptik, eine Blendenanordnung oder eine Kombination hieraus ist.