RU2460036C2

RU2460036C2 - Method and measuring device for contactless determination of spatial form of structural elements

Info

Publication number: RU2460036C2
Application number: RU2010117017/28A
Authority: RU
Inventors: Симон ГРИГУЛЛЬ (DE); Симон ГРИГУЛЛЬ; Губерт ШИЛЛЬ (DE); Губерт ШИЛЛЬ
Original assignee: Розенбергер АГ
Priority date: 2007-10-30
Filing date: 2008-10-30
Publication date: 2012-08-27
Also published as: MX2010004784A; WO2009056303A1; RU2010117017A; EP2208014A1; BRPI0818122A2; DE102007052033A1

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: in the method and measuring device for contactless determination of the spatial form of structural elements, for example bent pipes, each structural element is successively illuminated along its outline by at least one light source, preferably a light-emitting diode, and shadows formed by the structural element are detected by at least one photodetector, preferably on charge-coupled devices, thereby initiating analysis of measurement results. The measuring device has a navigation system, particularly for manual movement thereof.

EFFECT: obtained data can be sent to a processing machine wirelessly, through a cable or using a plug-in USB element.

25 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к способу бесконтактного определения пространственной формы конструктивных элементов, в частности изогнутых труб, проволоки, пруткового материала, заготовок, листового металла или подобных элементов согласно ограничительной части п.1 формулы изобретения, а также к измерительному устройству для осуществления этого способа согласно ограничительной части п.16 формулы изобретения.The invention relates to a method for non-contact determination of the spatial shape of structural elements, in particular bent pipes, wire, rods, blanks, sheet metal or similar elements according to the restrictive part of claim 1 of the invention, and also to a measuring device for implementing this method according to the restrictive part of .16 claims.

Согласно известным способам, определение пространственной формы или очертания, например изогнутых труб, осуществляют вручную, вне машин для их обработки, в закрепленном положении на так называемых трехмерных измерительных столах. Измерение контролируемого изделия выполняют при помощи известных трехмерных измерительных систем, а именно посредством механического щупа или считывающей головки, работающей с лазерной линией наводки. Применяются также простые инфракрасные световые затворы. Обе считывающие системы механически соединены с измерительным рычагом, который определяет координаты относительно измерительного стола. Трехмерные координаты Х-Y-Z определяются при помощи механизма осей (так называемого измерительного рычага), содержащего датчики угловых перемещений с отсчетом в приращениях, в сочетании с персональным компьютером.According to known methods, the determination of the spatial shape or shape, for example bent pipes, is carried out manually, outside the machines for processing them, in a fixed position on the so-called three-dimensional measuring tables. The measurement of the controlled product is carried out using well-known three-dimensional measuring systems, namely by means of a mechanical probe or reading head, working with a laser pick-up line. Simple infrared light shutters are also used. Both reading systems are mechanically connected to the measuring arm, which determines the coordinates relative to the measuring table. Three-dimensional coordinates X-Y-Z are determined using the axis mechanism (the so-called measuring lever), containing angular displacement sensors with a count in increments, in combination with a personal computer.

Известна также подача данных, полученных при измерении, например в трубогибочную машину, с соответствующими изменениями номинальных значений угла гибки. Правда при этом предусмотрен лишь выборочный контроль с последующим изменением угла гибки, а измерения выполняют, как правило, лишь в единичных случаях или на количестве изделий, установленному заказчиком заранее в объеме соответствующей партии.It is also known to supply data obtained by measurement, for example, into a pipe bending machine, with corresponding changes in the nominal values of the bending angle. True, in this case, only selective control is provided with a subsequent change in the bending angle, and measurements are performed, as a rule, only in isolated cases or on the number of products set by the customer in advance in the volume of the corresponding batch.

В основе настоящего изобретения лежит задача предложить способ, при помощи которого, с одной стороны, возможен обширный контроль конструктивных элементов, преимущественно изогнутых конструктивных элементов, непосредственно на машине, преимущественно на гибочной машине, с непрерывной адаптацией номинальных значений (адаптивный контур регулирования), а с другой стороны, возможно также индивидуальное определение пространственной формы или пространственного очертания, преимущественно так называемых эталонных деталей или опытных образцов, чтобы можно было передать данные, соответствующие их форме, на обрабатывающую машину. Для этого должно быть также создано соответствующее измерительное устройство, которое, кроме того, можно использовать для контроля качества продукции текущего производства, например, изогнутых труб.The basis of the present invention is to propose a method by which, on the one hand, extensive control of structural elements, mainly curved structural elements, is possible directly on the machine, mainly on a bending machine, with continuous adaptation of the nominal values (adaptive control loop), and on the other hand, it is also possible to individually determine the spatial form or spatial shape, mainly of the so-called reference parts or experimental images so that it is possible to transfer data corresponding to their form to a processing machine. For this, an appropriate measuring device must also be created, which, in addition, can be used to control the quality of products of current production, for example, bent pipes.

В отношении способа, указанная задача согласно изобретению решается тем, что каждый конструктивный элемент последовательно освещают вдоль его очертания по меньшей мере одним источником света, а образованные конструктивным элементом тени обнаруживают по меньшей мере одним светоприемником и тем самым инициируют анализ результатов измерений.In relation to the method, this task according to the invention is solved in that each structural element is sequentially illuminated along its outline with at least one light source, and the shadows formed by the structural element are detected by at least one light detector and thereby initiate the analysis of the measurement results.

Согласно изобретению, особенно целесообразно последовательно освещать каждый конструктивный элемент вдоль его очертания по обеим сторонам по меньшей мере одним источником света, и одновременно обнаруживать образованные конструктивным элементом тени по обеим сторонам по меньшей мере одним светоприемником.According to the invention, it is especially advisable to sequentially illuminate each structural element along its outline on both sides with at least one light source, and at the same time detect shadows formed by the structural element on both sides of at least one light receiver.

Также целесообразно, чтобы по меньшей мере один источник света и соответствующий ему по меньшей мере один светоприемник были интегрированы в плечи измерительной вилки, причем во время измерительного процесса с помощью плеч вилки, охватывающих конструктивный элемент без контакта с ним производят измерения вдоль очертания конструктивного элемента.It is also advisable that at least one light source and at least one light detector corresponding thereto be integrated into the arms of the measuring plug, and during the measuring process, using the arms of the plug covering the structural element without making contact with it, measure along the outline of the structural element.

Особенно выгодно способ может быть реализован при помощи измерительной вилки, перемещаемой вручную или на измерительном рычаге, а именно для определения пространственных данных конструктивного элемента, измерительную вилку непрерывно перемещают, при помощи измерительного рычага или без него, над измеряемым изделием, без смещения от него. В результате определяют геометрические данные изделия, точнее говоря, его среднюю ось. В зависимости от того, какой из двух возможных способов определения применяют, в случае трубы является рациональным предварительно определить ее диаметр и заранее задать его для анализа измерений. Это выгодно, если труба имеет большой диаметр по сравнению с отверстием измерительной вилки.A particularly advantageous method can be implemented using a measuring fork, moved manually or on the measuring arm, namely to determine the spatial data of the structural element, the measuring fork is continuously moved, with or without a measuring arm, over the measured product, without offset from it. As a result, the geometric data of the product is determined, more precisely, its middle axis. Depending on which of the two possible determination methods are used, in the case of a pipe, it is rational to pre-determine its diameter and pre-set it for analysis of measurements. This is advantageous if the pipe has a large diameter compared to the hole of the measuring plug.

Для тонких изделий, например проволоки с диаметром несколько десятых долей миллиметра, выгодно проводить измерение вокруг сечения, и данные о диаметре не задаются. Для первого случая диаметр можно определить и вычислить путем специального измерения измерительной вилкой, производимого вокруг трубы.For thin products, such as wire with a diameter of several tenths of a millimeter, it is advantageous to measure around the cross section, and diameter data is not specified. For the first case, the diameter can be determined and calculated by special measurement with a measuring fork made around the pipe.

Целесообразно в качестве источника света в измерительном устройстве использовать светодиоды или лазер, а в качестве светоприемника - приборы с зарядовой связью, причем для повышения точности измерений количество источников света можно увеличить, предпочтительно в три раза, при сохранении количества светоприемников. В качестве светоприемников можно также использовать приемные модули на комплементарных металлооксидных полупроводниках.It is advisable to use LEDs or a laser as a light source in the measuring device, and charge-coupled devices as a light receiver, and to increase the accuracy of measurements, the number of light sources can be increased, preferably three times, while maintaining the number of light receivers. Receptor modules based on complementary metal oxide semiconductors can also be used as light detectors.

При анализе определяемых геометрических данных источниками света, предпочтительно светодиодами, управляют последовательно, а светоприемники, предпочтительно приборы с зарядовой связью, считывают параллельно.When analyzing the geometric data to be determined, light sources, preferably LEDs, are sequentially controlled, and light detectors, preferably charge-coupled devices, are read in parallel.

Для реализации способа согласно изобретению с помощью автономной измерительной вилки, перемещаемой вручную, целесообразно, чтобы она работала от интегрированного собственного источника энергии, например от аккумулятора.To implement the method according to the invention using an autonomous measuring plug, manually moved, it is advisable that it worked from an integrated own energy source, for example, from a battery.

Также целесообразно, чтобы измерительная вилка работала при помощи интегрированного микропроцессора, электроники цифровой обработки сигналов и оптической системы датчиков таким образом, что при помощи тригонометрических функций и по отброшенным теням можно определить трехмерное положение средней оси измеряемого конструктивного элемента в пределах области измерения. При этом вычислительная система генерирует векторное представление измеряемого конструктивного элемента.It is also advisable for the measuring plug to work using an integrated microprocessor, digital signal processing electronics, and an optical sensor system so that using the trigonometric functions and the cast shadows, you can determine the three-dimensional position of the middle axis of the measured structural element within the measurement area. In this case, the computing system generates a vector representation of the measured structural element.

Выгодно, когда при отклонении направления перемещения измерительной вилки от средней оси, что может произойти в особенности при ее перемещении вручную, автоматически производят корректировку, главным образом, по участку траектории, ускорению и/или угловому отклонению.It is advantageous when, when the direction of movement of the measuring fork deviates from the middle axis, which can happen especially when it is moved manually, adjustments are automatically made mainly to the path section, acceleration and / or angular deviation.

Определенные измерительной вилкой трехмерные данные измеряемого конструктивного элемента можно передавать по беспроводной связи или по меньшей мере по одному кабелю на систему верхнего уровня, например, на персональный компьютер, в центр обработки информации, ноутбук, карманный компьютер или на аналогичные системы. Это решение напрашивается, например, тогда, когда способ согласно изобретению реализуется с использованием многоосного электромеханического измерительного рычага. Данный измерительный рычаг соединен кабелем с измерительной вилкой и подключен в качестве модуля к системе верхнего уровня, например к персональному компьютеру или подобному устройству. В этом случае подвод энергии также может осуществляться извне. При этом навигацию измерительной вилки в трехмерном пространстве можно осуществлять без измерительного рычага, при помощи интегрированных датчиков ускорения, поворота и магнитных полей, на базе образованной таким образом навигационной системы.The three-dimensional data determined by the measuring plug can be transmitted wirelessly or via at least one cable to a top-level system, for example, a personal computer, an information processing center, laptop, PDA or similar systems. This solution suggests itself, for example, when the method according to the invention is implemented using a multi-axis electromechanical measuring arm. This measuring arm is connected by a cable to the measuring plug and connected as a module to a top-level system, for example, to a personal computer or similar device. In this case, energy can also be supplied from outside. At the same time, navigation of the measuring plug in three-dimensional space can be carried out without a measuring lever, using integrated acceleration, rotation and magnetic field sensors, based on the navigation system thus formed.

В противоположность этому, когда способ применяется при свободной эксплуатации "вручную", целесообразно иметь возможность сохранения данных измерений внутри измерительной вилки, а именно в интегрированном энергозависимом или энергонезависимом запоминающем устройстве. Кроме того, с помощью беспроводной связи можно непосредственно передавать данные в режиме реального времени на расстояние по меньшей мере 5 м, а предпочтительно 30 м, для немедленной последующей обработки определяемых значений, при этом специальной аппаратуры для приема не требуется.In contrast, when the method is applied in manual free operation, it is advisable to be able to save the measurement data inside the measuring plug, namely in an integrated volatile or non-volatile memory. In addition, using wireless communication, it is possible to directly transmit data in real time to a distance of at least 5 m, and preferably 30 m, for the immediate subsequent processing of the determined values, without the need for special reception equipment.

В этой связи целесообразно перемещать измерительную вилку предпочтительно вдоль измеряемого конструктивного элемента, например вдоль трубы, изогнутой несколько раз, или подобного элемента, который, в частности, служит в качестве эталонного элемента, и запоминать пространственную форму этого элемента, чтобы затем передать результат в гибочную машину.In this regard, it is advisable to move the measuring plug preferably along the measured structural element, for example along a pipe bent several times, or a similar element, which, in particular, serves as a reference element, and remember the spatial shape of this element, then to transfer the result to the bending machine .

Запоминание предпочтительно осуществлять во вставном элементе USB, чтобы затем с его помощью в ходе производства управлять процессами обработки, например устройствами для гибки заготовок, в частности, трубогибочными и подобными устройствами.It is preferable to store the data in the USB plug-in element, so that it can be used to control processing processes during production, for example, devices for bending workpieces, in particular pipe bending machines and similar devices.

Наконец, для оптимизации определения данных при перемещении измерительной вилки вручную целесообразно, чтобы она была выполнена так, что выдает акустический сигнал, если измеряемый конструктивный элемент вышел из основной области измерений.Finally, to optimize the determination of data when moving the measuring fork manually, it is advisable that it be designed so that it emits an acoustic signal if the measured structural element has left the main measurement area.

Измерительное устройство для бесконтактного определения пространственной формы конструктивных элементов, в частности изогнутых труб, проволоки, пруткового материала, заготовок, листового металла и других элементов, согласно изобретению выполнено в виде измерительной вилки, плечи которой имеют по меньшей мере один источник света и по меньшей мере один светоприемник.The measuring device for non-contact determination of the spatial shape of structural elements, in particular bent pipes, wire, bar stock, blanks, sheet metal and other elements, according to the invention is made in the form of a measuring plug, the shoulders of which have at least one light source and at least one light receiver.

В качестве источников света целесообразно использовать светодиоды и лазеры, а в качестве светоприемников - приборы с зарядовой связью, а также системы камер на приборах с зарядовой связью.It is advisable to use LEDs and lasers as light sources, and charge-coupled devices, as well as camera systems on charge-coupled devices, as light receivers.

Измерительное устройство предпочтительно состоит из эргономично выполненного вильчатого оболочкового корпуса, в который интегрированы микропроцессор, электроника цифровой обработки сигналов и, при необходимости, собственный источник энергии, например аккумулятор. Это, в совокупности с предусмотренной оптической системой датчиков, позволяет определять при помощи тригонометрических функций и по отбрасыванию теней трехмерное положение средней оси измеряемого конструктивного элемента в пределах области измерения. При этом измерительная вилка предпочтительно выполнена с возможностью считывания векторного представления измеряемого конструктивного элемента.The measuring device preferably consists of an ergonomically designed forked shell housing, in which a microprocessor, digital signal processing electronics and, if necessary, its own energy source, such as a battery, are integrated. This, in conjunction with the provided optical sensor system, makes it possible to determine by means of trigonometric functions and by casting shadows the three-dimensional position of the middle axis of the measured structural element within the measurement region. In this case, the measuring plug is preferably configured to read a vector representation of the measured structural element.

Для перемещения измерительного устройства вручную особенно выгодно, если в него интегрирован корректировочный элемент, который при отклонении направления перемещения измерительного устройства от воображаемой средней оси измеряемого конструктивного элемента производит корректировку, главным образом, по участку траектории, ускорению и/или угловому отклонению.For manual movement of the measuring device, it is especially beneficial if a correction element is integrated into it, which, when the direction of movement of the measuring device deviates from the imaginary middle axis of the measured structural element, makes an adjustment mainly along the path section, acceleration and / or angular deviation.

Определенные при помощи плеч вилки трехмерные данные измеряемого конструктивного элемента могут передаваться по беспроводной связи или по меньшей мере по одному кабелю в систему верхнего уровня, например персональный компьютер, центр обработки информации, ноутбук, карманный компьютер или аналогичные системы. Для этого также хорошо подходит вставной элемент USB, если в измерительном устройстве предусмотрен соответствующий соединительный элемент. Таким образом, определенные при помощи плеч вилки трехмерные данные могут храниться отдельно и по ним в ходе производства можно целенаправленно управлять процессами обработки, например устройствами для гибки заготовок, в частности, трубогибочными и подобными устройствами.The three-dimensional data of the measured structural element determined by the arms of the fork can be transmitted wirelessly or via at least one cable to a higher-level system, for example, a personal computer, data center, laptop, PDA or similar systems. A USB plug-in element is also well suited for this, if a suitable connecting element is provided in the measuring device. Thus, the three-dimensional data determined by the arms of the fork can be stored separately and it is possible to control processing processes, for example, devices for bending blanks, in particular pipe bending and similar devices, during production.

Целесообразно, чтобы вильчатый оболочковый корпус измерительного устройства имел функциональные кнопки управления и по меньшей мере один сигнализатор, который выдает акустический сигнал, если, в особенности при перемещении вильчатого измерительного устройства вручную, плечи вилки отклоняются от основной области измерения измеряемого конструктивного элемента. Благодаря этому оператор, перемещающий измерительное устройство, получает акустический сигнал, предупреждающий о необходимости скорректировать направление перемещения в сторону воображаемой средней оси.It is advisable that the forked shell housing of the measuring device has functional control buttons and at least one signaling device that generates an acoustic signal if, especially when moving the forked measuring device manually, the fork arms deviate from the main measurement area of the measured structural element. Due to this, the operator moving the measuring device receives an acoustic signal warning about the need to adjust the direction of movement in the direction of the imaginary middle axis.

Существенные части плеч измерительной вилки измерительного устройства предпочтительно расположены под прямым углом друг к другу и в каждой из этих частей предусмотрен светоприемник, предпочтительно на приборах с зарядовой связью. Свободные концы плеч имеют расположенные примерно параллельно друг другу концевые участки, в которых размещены источники света, предпочтительно в виде светодиодов.The substantial parts of the shoulders of the measuring plug of the measuring device are preferably located at right angles to each other and a light detector is provided in each of these parts, preferably on charge-coupled devices. The free ends of the shoulders have end sections located approximately parallel to each other, in which light sources are placed, preferably in the form of LEDs.

Другие особенности и преимущества изобретения очевидны из последующего описания варианта его осуществления и чертежей, на которыхOther features and advantages of the invention are apparent from the following description of an embodiment thereof and the drawings, in which

фиг.1 изображает упрощенную схему связи элементов устройства согласно изобретению,figure 1 depicts a simplified communication diagram of the elements of the device according to the invention,

фиг.2 - продольный разрез измерительной вильчатой головки с областями измерений измерительного устройства согласно изобретению,figure 2 is a longitudinal section of a measuring fork with measuring areas of the measuring device according to the invention,

фиг.3 - измерительную вильчатую головку согласно фиг.2 с эскизом расположения светодиодов,figure 3 - measuring fork head according to figure 2 with a sketch of the location of the LEDs,

фиг.4 - измерительную вильчатую головку согласно фиг.2 с эскизом корректировки положения приборов с зарядовой связью, иfigure 4 - measuring fork head according to figure 2 with a sketch of the adjustment of the position of the devices with charge coupling, and

фиг.5 - измерительную вильчатую головку согласно фиг.2 с эскизом теней от помещенного объекта на одной стороне.5 is a measuring fork head according to figure 2 with a sketch of the shadows from the placed object on one side.

На фиг.1 показано упрощенно измерительное устройство 1 согласно изобретению, содержащее измерительную вильчатую головку 2 с областями 3 измерений. Данные, полученные в измерительном устройстве 1, могут передаваться по беспроводной связи 4, по кабелю 5 или при помощи вставного элемента 6 USB на ноутбук 7 и от него или непосредственно от измерительного устройства на обрабатывающую машину, например на трубогибочную машину 8.Figure 1 shows a simplified measuring device 1 according to the invention, comprising a measuring fork head 2 with measurement areas 3. The data obtained in the measuring device 1 can be transmitted wirelessly 4, via cable 5 or using the USB plug-in element 6 to the laptop 7 and from it or directly from the measuring device to a processing machine, for example, to a pipe bending machine 8.

На фиг.2 показан продольный разрез измерительной вильчатой головки 2, которая образует вильчатый рабочий конец оболочкового корпуса 9, переходящего в эргономично выполненную рукоятку 10. Оболочковый корпус 9 выполнен из пластмассы или подходящего легкого металла. Важно, чтобы материал, из которого выполнена головка 2, имел минимальное отражение.Figure 2 shows a longitudinal section of the measuring fork head 2, which forms the forked working end of the shell body 9, which passes into the ergonomically made handle 10. The shell body 9 is made of plastic or a suitable light metal. It is important that the material of which the head 2 is made has minimal reflection.

Измерительная вильчатая головка 2 содержит плечи 11 и 12, существенные части 13 и 14 которых расположены под прямым углом друг к другу и имеют приборы 15, 16 с зарядовой связью, расположенные строкой, которые служат в качестве светоприемников. Части 13 и 14 плеч имеют также расположенные примерно параллельно друг другу концевые участки 17 и 18, в каждом из которых размещены три источника света в виде светодиодов 19 и 20.The measuring fork head 2 contains shoulders 11 and 12, the essential parts 13 and 14 of which are located at right angles to each other and have charge-coupled devices 15, 16 arranged in a row that serve as light receivers. Parts 13 and 14 of the shoulders also have end sections 17 and 18 located approximately parallel to each other, each of which contains three light sources in the form of LEDs 19 and 20.

В измерительной головке 2 на фиг.2 показаны следующие области 3 измерений. В областях 21, контролируемое изделие освещается лишь одним или несколькими светодиодами одной стороны вилки. Если речь идет об одном светодиоде, то возможно лишь обнаружение объекта, а определение его положения невозможно. При двух или трех светодиодах возможно очень грубое определение положения. Однако области 21 обычно не служат для измерений.In the measuring head 2 in FIG. 2, the following measurement areas 3 are shown. In areas 21, the monitored product is illuminated with only one or more LEDs on one side of the plug. If we are talking about one LED, then it is only possible to detect the object, and the determination of its position is impossible. With two or three LEDs, a very rough determination of the position is possible. However, the areas 21 are usually not used for measurements.

В кольцевой области 22 измерений между плечами 11 и 12 вилки контролируемое изделие освещается по меньшей мере одним светодиодом на каждой стороне. Ожидаемая точность может быть достаточной для измерений. Если желательно увеличить точность, то в измерительном устройстве предусмотрен сигнализатор (не показан), который при выходе из достоверной основной области 23 выдает акустический предупреждающий сигнал. В зависимости от того, где в этой кольцевой области измерений находится контролируемое изделие, в освещении краев измеряемого объекта участвует от двух до пяти светодиодов. Поэтому возможны соответствующие колебания достигаемой точности.In the annular measurement region 22 between the arms 11 and 12 of the fork, the product to be monitored is illuminated by at least one LED on each side. The expected accuracy may be sufficient for measurements. If it is desired to increase accuracy, a signaling device (not shown) is provided in the measuring device, which, upon exiting a reliable main area 23, gives an acoustic warning signal. Depending on where the controlled item is located in this circular measurement region, two to five LEDs are involved in illuminating the edges of the measured object. Therefore, corresponding fluctuations of the achieved accuracy are possible.

В основной рабочей области 23 измерительной головки 2 освещение измеряемого объекта или его краев осуществляется всеми шестью светодиодами 19 и 20 и затем измерительное устройство производит анализ теней, отброшенных на приборы 15 и 16 с зарядовой связью. При соответствующем выборе параметров точность измерений в центральной зоне основной рабочей области 23 постоянна.In the main working area 23 of the measuring head 2, the lighting of the measured object or its edges is carried out by all six LEDs 19 and 20, and then the measuring device analyzes the shadows cast on the charge-coupled devices 15 and 16. With the appropriate choice of parameters, the accuracy of the measurements in the central zone of the main working area 23 is constant.

Оптический способ согласно изобретению выполняется следующим образом.The optical method according to the invention is as follows.

Измерительная система измерительного устройства 1 по существу состоит из трех отдельных измерительных вилок, работа которых основана на отбрасывании тени. Вилки последовательно переключаются и из измеренных значений вычисляется среднее значение. Основной принцип работы простой измерительной вилки состоит в двухстороннем освещении контролируемого изделия источниками света, в идеале точечными, и анализе отбрасываемой тени при помощи оптических датчиков. В данном варианте выполнения для освещения служат светодиоды 19 и 20, а для приема тени используются строки 15 и 16 из приборов с зарядовой связью.The measuring system of the measuring device 1 essentially consists of three separate measuring forks, the operation of which is based on casting a shadow. The forks are switched sequentially and the average value is calculated from the measured values. The basic principle of a simple measuring plug is the two-way illumination of the product under test with light sources, ideally point sources, and the analysis of the cast shadow using optical sensors. In this embodiment, LEDs 19 and 20 are used for lighting, and lines 15 and 16 from charge-coupled devices are used to receive shadows.

С целью повышения точности система освещения просто была увеличена в три раза, причем ориентация была выбрана такой, чтобы сохранить систему датчиков. Таким образом, благодаря последовательному управлению светодиодами 19 и 20 и параллельному считыванию приборов 15 и 16 с зарядовой связью, несмотря на худший, по сравнению с лазером, источник света, можно получить высокую точность. Кроме того, благодаря этому заметно уменьшаются затраты.In order to increase accuracy, the lighting system was simply tripled, and the orientation was chosen so as to preserve the sensor system. Thus, by sequentially controlling the LEDs 19 and 20 and parallel reading of the charge-coupled devices 15 and 16, despite the worst light source compared to the laser, high accuracy can be obtained. In addition, this significantly reduces costs.

Чтобы можно было определить общую конструкцию измерительного устройства 1 и его измерительной вильчатой головки 2, целесообразно точно определить пути световых лучей. Они зависят от размеров всех компонентов, длины и положения светочувствительной области в приборах 15 и 16 с зарядовой связью и угла излучения светодиодов 19 и 20.In order to determine the overall design of the measuring device 1 and its measuring fork head 2, it is advisable to accurately determine the paths of light rays. They depend on the dimensions of all components, the length and position of the photosensitive region in the charge-coupled devices 15 and 16 and the emission angle of the LEDs 19 and 20.

При выборе конструктивных элементов следует принимать во внимание следующие критерии. Длина волны светодиодов 19 и 20 должна находиться в области максимальной чувствительности приборов 15 и 16 с зарядовой связью и в области хорошей видимости. При этом должна достигаться максимальная световая мощность при однородном излучении, а угол излучения должен соответствовать системе. В отношении приборов 15 и 16 с зарядовой связью предпочтительно, чтобы управление ими было максимально простым и чтобы они имели высокую разрешающую способность и как можно более длинную строку. Кроме того, целесообразно, чтобы их чувствительность могла изменяться в широком диапазоне, что может быть реализовано, например, посредством электронного затвора.When choosing structural elements, the following criteria should be taken into account. The wavelength of the LEDs 19 and 20 should be in the region of maximum sensitivity of the devices 15 and 16 with charge coupling and in the region of good visibility. In this case, maximum light power with uniform radiation should be achieved, and the radiation angle should correspond to the system. With respect to charge-coupled devices 15 and 16, it is preferable that their operation is as simple as possible and that they have a high resolution and as long a line as possible. In addition, it is advisable that their sensitivity can vary over a wide range, which can be realized, for example, by means of an electronic shutter.

В механической конструкции оболочкового корпуса 9 предусмотрено, чтобы для уменьшения помех от окружающего света путь световых лучей к приборам 15 и 16 с зарядовой связью был как можно уже. Это учитывается при расположении приборов 15 и 16 с зарядовой связью, чтобы часть оптической системы не была затенена краями корпуса. Сами светодиоды 15 и 16 ориентированы в среднюю точку приборов с зарядовой связью так, что их световой конус может достигать всей поверхности соответствующих приборов с зарядовой связью, что показано на фиг.3 при помощи пучков 24-26 световых лучей, т.е. результат здесь был подтвержден путем построения на чертеже соответствующего угла излучения. При этом применена простая геометрическая оптика.In the mechanical design of the shell casing 9, it is provided that, in order to reduce interference from ambient light, the path of light rays to charge-coupled devices 15 and 16 is as narrow as possible. This is taken into account when arranging charge-coupled devices 15 and 16, so that part of the optical system is not obscured by the edges of the case. The LEDs 15 and 16 themselves are oriented to the midpoint of the charge-coupled devices so that their light cone can reach the entire surface of the respective charge-coupled devices, as shown in Fig. 3 using beams of 24-26 light rays, i.e. The result here was confirmed by constructing the corresponding radiation angle in the drawing. In this case, simple geometric optics were used.

Чтобы улучшить освещение каждой строки 15 или 16, образованной приборами с зарядовой связью, без необходимости выполнять в оболочковом корпусе 9 отверстия, намного большего, чем сама строка, предпочтительно иметь возможность легкой корректировки положения каждого датчика. Эта корректировка производится по показанным на фиг.4 вспомогательным линиям 27 и 28, что означает смещение на величину, несколько большую чем 1,4 мм. Точные области измерений измерительной вильчатой головки 2, показанной на фиг.4, получаются аналогично примеру согласно фиг.2, если начертить вспомогательные линии также и для другой стороны.In order to improve the illumination of each row 15 or 16 formed by charge-coupled devices without having to make holes much larger than the row in the shell casing 9, it is preferable to be able to easily adjust the position of each sensor. This adjustment is made according to the auxiliary lines 27 and 28 shown in FIG. 4, which means an offset by an amount slightly larger than 1.4 mm. The exact measurement areas of the measuring fork head 2 shown in FIG. 4 are obtained analogously to the example of FIG. 2, if the auxiliary lines are drawn on the other side as well.

На фиг.5 показаны тени от объекта 29 на одной стороне, где видно, что на поверхности приборов с зарядовой связью строки 16 фактически получаются три в достаточной степени разных теневых изображения.Figure 5 shows the shadows from the object 29 on one side, where it can be seen that on the surface of the charge-coupled devices of line 16, three sufficiently different shadow images are actually obtained.

Всего внутри измерительного устройства 1 находятся четыре печатные платы, одна из которых является готовым изделием модели Bluethooth. На фиг.2-5 из них видны две платы датчиков, состоящие из соответствующих строк 15 или 16 из приборов с зарядовой связью, а также соответствующего закрепленного там гироскопа 30 или 31 (фиг.5). Кроме того, на плате датчиков находится схема возбуждения (не показана) для светодиодов 19 и 20 соответствующей стороны вилки. Установка гироскопов 30, 31 на эти печатные платы существенно снижает трудоемкость монтажа для трехосной системы.In total, there are four printed circuit boards inside the measuring device 1, one of which is a finished product of the Bluethooth model. In FIGS. 2-5, two sensor boards are visible, consisting of the corresponding rows 15 or 16 of charge-coupled devices, as well as the corresponding gyroscope 30 or 31 fixed there (FIG. 5). In addition, on the sensor board there is an excitation circuit (not shown) for the LEDs 19 and 20 of the corresponding side of the plug. The installation of gyroscopes 30, 31 on these printed circuit boards significantly reduces the complexity of installation for a triaxial system.

В рукоятке 10 измерительного устройства 1, наряду с микропроцессором и электроникой цифровой обработки сигналов, предусмотрены еще (зависящий от условий движения) датчик ускорения (не показан) и гироскоп в виде гироскопического компаса, отвечающий за данные х, y, z о положении в пространстве. Образованная таким образом навигационная система, которая используется, в частности при перемещении измерительного устройства вручную, работает на базе датчиков ускорения, поворота и магнитных полей.In the handle 10 of the measuring device 1, along with a microprocessor and digital signal processing electronics, an acceleration sensor (not shown) and a gyroscope in the form of a gyroscopic compass responsible for x, y, z position data in space are also provided (depending on the driving conditions). The navigation system formed in this way, which is used, in particular when moving the measuring device manually, operates on the basis of acceleration, rotation and magnetic field sensors.

Способ измерений и измерительное устройство согласно изобретению могут применяться в различных областях. Например, изобретение можно выгодно использовать при производстве и при обработке, например, гнутых труб и сплошных изделий, причем система согласно изобретению может служить как для определения данных эталонных деталей и опытных образцов, так и для контроля качества изготавливаемой продукции. Чтобы определить данные конструктивного элемента, требуется лишь просто провести измерительной вилкой 1, при помощи измерительного рычага или без него, над контролируемым изделием, без ее смещения, при этом определяются его геометрические данные, точнее, его средняя ось.The measurement method and the measuring device according to the invention can be applied in various fields. For example, the invention can be advantageously used in the production and processing of, for example, bent pipes and solid products, the system according to the invention can serve both to determine these reference parts and prototypes, and to control the quality of manufactured products. To determine the data of a structural element, it is only necessary to draw a measuring fork 1, with or without a measuring lever, over the controlled product, without its displacement, while its geometric data, more precisely, its middle axis, is determined.

Изобретение можно также выгодно применять для обмера обтачиваемых деталей на токарном станке или на многоцелевом токарном станке. В этом случае контролируемое изделие вращают, а измерительную вилку перемещают над вращающейся деталью путем постоянной подачи.The invention can also be advantageously applied for measuring machined parts on a lathe or on a multi-purpose lathe. In this case, the controlled product is rotated, and the measuring plug is moved over the rotating part by constant feed.

Список обозначенийList of Symbols

1 измерительное устройство (вилка)1 measuring device (plug)

2 вильчатая измерительная головка2 fork measuring head

3 области измерений3 measurement areas

4 беспроводная связь4 wireless

5 передача по кабелю5th cable transmission

6 вставной элемент USB6 USB plug

7 ноутбук7 laptop

8 гибочная машина8 bending machine

9 оболочковый корпус9 shell case

10 рукоятка10 handle

11 плечо вилки11 shoulder forks

12 плечо вилки12 shoulder forks

13 часть плеча13 part of the shoulder

14 часть плеча14 part of the shoulder

15 светоприемник на приборах с зарядовой связью15 light receiver on charge-coupled devices

16 светоприемник на приборах с зарядовой связью16 light receiver on charge-coupled devices

17 концевой участок17 end section

18 концевой участок18 end section

19 светодиодный источник света19 LED light source

20 светодиодный источник света20 LED light source

21 зона области измерения21 zone measurement area

22 кольцевая зона области измерения22 ring zone of the measurement area

23 основная рабочая область23 main work area

24 световые лучи24 light rays

25 световые лучи25 light rays

26 световые лучи26 light rays

27 вспомогательные линии27 auxiliary lines

28 вспомогательные линии28 auxiliary lines

29 объект29 property

30 гироскоп30 gyroscope

31 гироскоп31 gyroscope

Claims

1. Способ бесконтактного определения пространственной формы конструктивных элементов, в частности изогнутых труб, проволоки, пруткового материала, заготовок или листового металла, при котором каждый конструктивный элемент последовательно освещают вдоль его очертания, по меньшей мере, одним источником (19 или 20) света, а тень, образованную конструктивным элементом, обнаруживают, по меньшей мере, одним светоприемником (15 или 16) и в результате этого инициируют анализ результатов измерений, причем, по меньшей мере, один источник (19, 20) света и соответствующий ему, по меньшей мере, один светоприемник (15, 16) интегрированы в плечи (11, 12) измерительной вилки (1), с помощью плеч (11, 12) которой, охватывающих конструктивный элемент без контакта с ним, во время измерительного процесса производят измерения вдоль очертания конструктивного элемента, отличающийся тем, что измерительная вилка (1) работает при помощи интегрированного микропроцессора, а также электроники цифровой обработки сигналов и оптической системы датчиков таким образом, что при помощи тригонометрических функций и на основе отбрасывания теней определяют трехмерное положение средней оси измеряемого конструктивного элемента в пределах области (23) измерений, при этом вычислительная система измерительной вилки (1) генерирует векторное представление измеряемого конструктивного элемента, а среднюю ось соответствующего измеряемого конструктивного элемента, при отклонении от нее направления перемещения измерительной вилки (1), автоматически корректируют, главным образом через участок траектории, ускорение и/или угловое отклонение.1. A method for non-contact determination of the spatial shape of structural elements, in particular bent pipes, wire, bar stock, blanks or sheet metal, in which each structural element is sequentially illuminated along its outline with at least one light source (19 or 20), and a shadow formed by a structural element is detected by at least one light detector (15 or 16) and, as a result, an analysis of the measurement results is initiated, at least one light source (19, 20) and at least one light detector (15, 16) corresponding to it is integrated into the arms (11, 12) of the measuring plug (1), by means of the arms (11, 12) of which, covering the structural element without contact with it, during the measurement process take measurements along the outline of the structural element, characterized in that the measuring plug (1) operates using an integrated microprocessor, as well as electronics for digital signal processing and an optical sensor system in such a way that using trigonometric functions and based on casting shadows determines the three-dimensional position of the middle axis of the measured structural element within the measurement region (23), while the computing system of the measuring fork (1) generates a vector representation of the measured structural element, and the middle axis of the corresponding measured structural element, when the direction of movement of the measuring fork deviates from it (1), automatically correct, mainly through a section of the trajectory, acceleration and / or angular deviation.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что каждый конструктивный элемент последовательно освещают вдоль его очертания по обеим сторонам, по меньшей мере, одним источником (19, 20) света и одновременно обнаруживают тени, образованные конструктивным элементом, по обеим сторонам, по меньшей мере, одним светоприемником (15, 16).2. The method according to claim 1, characterized in that each structural element is sequentially illuminated along its outline on both sides by at least one light source (19, 20) and at the same time, shadows formed by the structural element on both sides are detected at least one light receiver (15, 16).

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что измерительную вилку (1) перемещают вручную.3. The method according to claim 1, characterized in that the measuring plug (1) is moved manually.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве источника (19, 20) света применяют светодиоды или лазер, а в качестве светоприемника (15, 16) - приборы с зарядовой связью и/или приемные модули (15, 16) на комплементарных металлооксидных полупроводниках.4. The method according to claim 1, characterized in that LEDs or a laser are used as a light source (19, 20), and charge-coupled devices and / or receiving modules (15, 16) are used as a light receiver (15, 16) on complementary metal oxide semiconductors.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что количество источников (19 или 20) света увеличивают предпочтительно в три раза, при сохранении количества светоприемников (15, 16).5. The method according to claim 4, characterized in that the number of light sources (19 or 20) is preferably tripled while maintaining the number of light receivers (15, 16).

6. Способ по п.4 или 5, отличающийся тем, что источниками света, предпочтительно светодиодами (19, 20), управляют последовательно, а светоприемники, предпочтительно приборы (15, 16) с зарядовой связью, считывают параллельно.6. The method according to claim 4 or 5, characterized in that the light sources, preferably LEDs (19, 20), are controlled sequentially, and light detectors, preferably charge-coupled devices (15, 16) are read in parallel.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что измерительная вилка (1) работает от интегрированного собственного источника энергии, например аккумулятора.7. The method according to claim 1, characterized in that the measuring plug (1) is powered by an integrated own energy source, such as a battery.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что трехмерные данные измеряемого конструктивного элемента, определенные, в частности, при помощи измерительной вилки (1), передают в систему верхнего уровня, например в персональный компьютер, центр обработки информации, ноутбук (7), карманный компьютер или в аналогичные системы по беспроводной связи (4) или, по меньшей мере, по одному кабелю (5).8. The method according to claim 1, characterized in that the three-dimensional data of the measured structural element, determined, in particular, using the measuring plug (1), are transmitted to the upper level system, for example, to a personal computer, information processing center, laptop (7) , a handheld computer or similar systems wirelessly (4) or at least one cable (5).

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что измерительную вилку (1) перемещают предпочтительно вдоль продольной протяженности измеряемого конструктивного элемента, например вдоль трубы, изогнутой в нескольких местах, или подобного элемента, который, в частности, служит в качестве эталонного конструктивного элемента и пространственную форму которого запоминают.9. The method according to claim 1, characterized in that the measuring plug (1) is preferably moved along the longitudinal extent of the measured structural element, for example along a pipe bent in several places, or a similar element, which, in particular, serves as a reference structural element and the spatial form of which is remembered.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что запоминание осуществляют предпочтительно во вставном элементе (6) USB, при помощи которого затем в ходе производства управляют процессами обработки, например устройствами (8) для гибки заготовок, в частности трубогибочными и подобными устройствами.10. The method according to claim 9, characterized in that the storage is preferably carried out in the USB plug-in element (6), with which then during the production process processes are controlled, for example, devices (8) for bending workpieces, in particular pipe bending and similar devices.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что измерительная вилка (1) выполнена так, что выдает акустический сигнал, если, в частности при ее перемещении вручную, измеряемый конструктивный элемент выходит за пределы ее основной области (23) измерений.11. The method according to claim 1, characterized in that the measuring plug (1) is configured to give an acoustic signal if, in particular when moving it manually, the measured structural element extends beyond its main measurement region (23).

12. Измерительное устройство для бесконтактного определения пространственной формы конструктивных элементов, в частности изогнутых труб, проволоки, пруткового материала, заготовок или листового металла, выполненное в виде измерительной вилки (1), плечи (11 или 12) которой имеют, по меньшей мере, один источник (19 или 20) света и, по меньшей мере, один светоприемник (15 или 16), отличающееся тем, что оно состоит из эргономично выполненного вильчатого оболочкового корпуса (9), в который интегрированы микропроцессор и электроника цифровой обработки сигналов, позволяющие, вместе с оптической системой датчиков, определять при помощи тригонометрических функций и на основе отбрасывания теней трехмерное положение средней оси измеряемого конструктивного элемента в пределах области (23) измерений.12. A measuring device for non-contact determination of the spatial shape of structural elements, in particular bent pipes, wire, bar stock, blanks or sheet metal, made in the form of a measuring fork (1), the shoulders (11 or 12) of which have at least one a light source (19 or 20) and at least one light detector (15 or 16), characterized in that it consists of an ergonomically made forked shell housing (9), in which a microprocessor and electronic digital processing electronics are integrated als to allow, together with the optical sensor system to determine by means of trigonometric functions, and based on the three-dimensional position of the shadow casting center axis of the measured structural element within a region (23) measurement.

13. Измерительное устройство по п.12, отличающееся тем, что в качестве источника (19, 20) света служат светодиоды или лазер, а в качестве светоприемника (15, 16) - приборы с зарядовой связью.13. The measuring device according to claim 12, characterized in that the light source is (19, 20) light emitting diodes or a laser, and charge-coupled devices are used as a light receiver (15, 16).

14. Измерительное устройство по п.13, отличающееся тем, что в качестве светоприемника (15, 16) служат системы камер на приборах с зарядовой связью.14. The measuring device according to claim 13, characterized in that the camera systems on charge-coupled devices serve as a light receiver (15, 16).

15. Измерительное устройство по п.14, отличающееся тем, что в оболочковый корпус (9) измерительного устройства интегрирован свой источник энергии, например аккумулятор.15. The measuring device according to 14, characterized in that in the shell housing (9) of the measuring device is integrated its own energy source, such as a battery.

16. Измерительное устройство по п.15, отличающееся тем, что измерительная вилка (1) измерительного устройства выполнена с возможностью считывания векторного представления измеряемого конструктивного элемента.16. The measuring device according to clause 15, wherein the measuring plug (1) of the measuring device is arranged to read a vector representation of the measured structural element.

17. Измерительное устройство по любому из пп.12-14, отличающееся тем, что, в частности, для перемещения измерительной вилки (1) вручную в нее интегрирован корректировочный элемент, который при отклонении направления перемещения измерительной вилки (1) от средней оси измеряемого конструктивного элемента указывает, что это отклонение имеет место.17. The measuring device according to any one of paragraphs 12-14, characterized in that, in particular, for moving the measuring fork (1) manually, a correction element is integrated into it, which, when the direction of movement of the measuring fork (1) deviates from the middle axis of the measured structural The element indicates that this deviation is occurring.

18. Измерительное устройство по п.17, отличающееся тем, что корректировка отклонения от средней оси осуществляется посредством корректировочного элемента автоматически, главным образом через участок траектории, ускорение и/или угловое отклонение.18. The measuring device according to 17, characterized in that the correction of the deviation from the middle axis is carried out by means of the correction element automatically, mainly through a section of the trajectory, acceleration and / or angular deviation.

19. Измерительное устройство по любому из пп.12-14, отличающееся тем, что оно выполнено так, что определенные, в частности, при помощи плеч (11, 12) вилки трехмерные данные измеряемого конструктивного элемента могут передаваться по беспроводной связи (4) или, по меньшей мере, по одному кабелю (5) в систему верхнего уровня, например на персональный компьютер, центр обработки информации, ноутбук (7), карманный компьютер или в аналогичные системы.19. A measuring device according to any one of paragraphs 12-14, characterized in that it is designed such that, in particular, using the arms (11, 12) of the plug, the three-dimensional data of the measured structural element can be transmitted wirelessly (4) or at least one cable (5) to a top-level system, for example, to a personal computer, an information processing center, a laptop (7), a PDA, or similar systems.

20. Измерительное устройство по п.19, отличающееся тем, что оно содержит соединительный элемент для вставного элемента (6) USB, при помощи которого определенные трехмерные данные измерений могут запоминаться, благодаря чему, в частности, в ходе производства, возможно управление процессами обработки, например устройствами (8) для гибки заготовок, в частности трубогибочными устройствами.20. The measuring device according to claim 19, characterized in that it contains a connecting element for the USB plug-in element (6), with which certain three-dimensional measurement data can be stored, so that, in particular, during production, it is possible to control the processing processes, for example, devices (8) for bending workpieces, in particular pipe bending devices.

21. Измерительное устройство по любому из пп.12-14, отличающееся тем, что оно содержит, по меньшей мере, один сигнализатор для выдачи акустического сигнала в случае, если, в частности при перемещении вильчатого измерительного устройства (1) вручную, плечи (11, 12) вилки отклоняются от основной области (23) измерения измеряемого конструктивного элемента.21. The measuring device according to any one of paragraphs.12-14, characterized in that it contains at least one signaling device for issuing an acoustic signal if, in particular when manually moving the fork measuring device (1), shoulders (11 , 12) the forks deviate from the main area (23) of the measurement of the measured structural element.

22. Измерительное устройство по любому из пп.12-14, отличающееся тем, что плечи (11, 12) вилки измерительного устройства (1) образуют измерительную вильчатую головку (2), существенные части (13, 14) плеч которой расположены под прямым углом друг к другу.22. The measuring device according to any one of paragraphs 12-14, characterized in that the shoulders (11, 12) of the plug of the measuring device (1) form a measuring fork head (2), the essential parts (13, 14) of the shoulders of which are located at right angles to each other.

23. Измерительное устройство по п.22, отличающееся тем, что в каждой из расположенных под прямым углом друг к другу частей (13 или 14) плеч предусмотрен, по меньшей мере, один светоприемник (15, 16), предпочтительно в виде приборов с зарядовой связью.23. The measuring device according to claim 22, characterized in that at least one light detector (15, 16) is provided in each of the arm parts (13 or 14) located at right angles to each other, preferably in the form of devices with a charge communication.

24. Измерительное устройство по п.23, отличающееся тем, что расположенные под прямым углом друг к другу части (13, 14) плеч снабжены на своих свободных концах расположенными примерно параллельно друг другу концевыми участками (17, 18), в которых размещены источники (19, 20) света, предпочтительно в виде светодиодов.24. The measuring device according to item 23, wherein the shoulder parts (13, 14) located at right angles to each other are provided at their free ends with end sections (17, 18) located approximately parallel to each other, in which the sources are located ( 19, 20) of light, preferably in the form of LEDs.

25. Измерительное устройство по любому из пп.12-14, отличающееся тем, что его навигация в трехмерной области, в частности при перемещении измерительного устройства (1) вручную, может осуществляться при помощи интегрированной в него навигационной системы, которая выполнена на базе датчиков ускорения, поворота и магнитного поля. 25. The measuring device according to any one of paragraphs 12-14, characterized in that its navigation in the three-dimensional region, in particular when moving the measuring device (1) manually, can be carried out using the integrated navigation system, which is based on acceleration sensors rotation and magnetic field.