NL8000561A

NL8000561A - METHOD FOR MEASURING DISTANCES AND AN APPARATUS FOR CARRYING OUT THE METHOD

Info

Publication number: NL8000561A
Application number: NL8000561A
Authority: NL
Original assignee: Schlatter Ag
Priority date: 1979-01-31
Filing date: 1980-01-30
Publication date: 1980-08-04
Also published as: DE2903529A1; SE8000727L; CA1140333A; GB2041690B; FR2448125A1; GB2041690A; ES488053A1; JPS55103403A

Description

-1- 21136/JF/J1 ι- ' i-1-21136 / JF / J1 ι- 'i

Aanvrager: H.A. Schlatter AG, Schlieren, Zwitserland.Applicant: H.A. Schlatter AG, Schlieren, Switzerland.

Korte aanduiding: Werkwijze voor het meten van afstanden en een inrichting voor het uitvoeren van de werkwijze.Short designation: Method for measuring distances and a device for carrying out the method.

5 De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het meten van afstanden en voor het bepalen van de drie-dimensionale contour van een werkstuk, alsmede op een inrichting voor het uitvoeren van de werkwijze.The invention relates to a method for measuring distances and for determining the three-dimensional contour of a workpiece, and to a device for carrying out the method.

Voor het meten van afstanden 'en voor het bepalen van de 10 drie-dimensionale contour van een werkstuk is het bekend mechanische aftasters toe te passen, welke de afstand registreren, respectievelijk de drie-dimensionale contour van een werkstuk aftasten. De afgetaste waarden worden door meetwaarde-orazetters in elektrische signalen omgezet, welke dan worden weergegeven, respectievelijk opgeslagen. Deze meetwerk-15 wijzen zijn omslachtig en kunnen' ook slechts dan toegepast worden wanneer de gemeten afstand binnen een bepaald bereik ligt, respectievelijk de te registreren contour een mechanische aftasting mogelijk maakt. Verder is het bekend afstanden elektronisch of elektro-optisch te meten. De door een zender uitgezonden micro- of lichtgolven worden gereflecteerd en 20 door een ontvanger opgevangen. Het faseverschil.tussen de uitgestraalde en de ontvangen golven dient als maat voor de afstand. Dergelijke meetwerkwijzen zijn echter omslachtig en vinden slechts toepassing bij het meten van grotere afstanden.For measuring distances and for determining the three-dimensional contour of a workpiece, it is known to use mechanical scanners which record the distance or scan the three-dimensional contour of a workpiece. The scanned values are converted into electrical signals by measured value ora converters, which are then displayed or stored. These measuring methods are cumbersome and can only be used if the measured distance is within a certain range, or if the contour to be registered makes mechanical scanning possible. It is also known to measure distances electronically or electro-optically. The micro or light waves emitted by a transmitter are reflected and received by a receiver. The phase difference between the radiated and the received waves serves as a measure of the distance. However, such measuring methods are cumbersome and are only applicable when measuring longer distances.

Het doel van de uitvinding is een aanrakingsloze afstands 25 meetwerkwijze dusdanig te realiseren, dat op eenvoudige wijze afstanden en drie-dimensionale contouren in het bereik van tot aan enige meters kunnen worden gemeten.The object of the invention is to realize a contactless distance measuring method such that distances and three-dimensional contours in the range of up to several meters can be measured in a simple manner.

De uitvinding beoogt de hierboven geschetste nadelen op te heffen en het hierboven gestelde doel te bereiken en voorziet daartoe in een 30 werkwijze van een in de aanhef genoemde soort, welke is gekenmerkt, doordat twee elkaar kruisende lichtstralenbundels op het werkstuk worden gericht, dat de door de stralenbundels op de werkstukoppervlakken opgewekte lichtpunten worden geregistreerd en dat de hellingshoeken van de opvallende stralenbundels in het gemeenschappelijke vlak ervan worden gemeten.The object of the invention is to eliminate the drawbacks outlined above and to achieve the above-mentioned object and to this end provides a method of the type mentioned in the preamble, characterized in that two intersecting light beams are directed onto the workpiece, which the beams of light generated on the workpiece surfaces are recorded and the angles of inclination of the incident beams are measured in their common plane.

35 Verder voorziet de uitvinding in een inrichting voor het ver wezenlijken van de werkwijze volgens de uitvinding, welke is gekenmerkt, doordat is voorzien in twee cp afstand van elkaar aangebrachte eik door een slrafenbun-del getroffen spiegel een verzameloptiek en ten minste een achter het ver- 80 0 0 5 61 % · + -2- 21136/JF/jl zameloptiek aanvebracht, lichtgevoelig raster, waarbij de . stand van de spiegels wordt gemeten.The invention furthermore provides an apparatus for realizing the method according to the invention, characterized in that two oak spaced apart by a slit bundle mirror, a collecting optic and at least one behind the rear are provided. - 80 0 0 5 61% · + -2- 21136 / JF / jl applied optics, photosensitive grid, whereby the. the position of the mirrors is measured.

De meetwerkwijze is in het bijzonder geschikt voor handhavings-apparatuur voor bet herkennen van niet-ingeprogrammeerde hindernissen en 5 voor het herkennen van de afstanden, vormen en ligging van werkstukken, welke door de handhavingsapparatuur dienen te worden geregistreerd en waarvan de contour vooraf elektronisch is opgeslagen.The measuring method is particularly suitable for enforcement equipment for recognizing unprogrammed obstacles and for detecting the distances, shapes and location of workpieces to be recorded by the enforcement equipment and the contour of which has been electronically stored .

De uitvinding zal nu aan de hand van uitvoeringsvoorbeelden * nader worden toegelicht onder verwijzing naar de tekening, waarin: 10 fig. 1 een eerste uitvoeringsvorm van de inrichting voor het uitvoeren van de werkwijze volgens de uitvinding weergeeft; en fig. 2 een tweede voorkeursuitvoeringsvom toont.The invention will now be further elucidated on the basis of exemplary embodiments * with reference to the drawing, in which: fig. 1 shows a first embodiment of the device for carrying out the method according to the invention; and Fig. 2 shows a second preferred embodiment.

Bij de uitvoeringsvorm volgens fig. 1 wekken de beide laser-straalgeneratoren 1, 2 lichtstralenbundels 3,4 op. De lichtstralenbundels 15 3, 4 hebben onderscheidenlijke golflengten, bij voorkeur is de lichtstralenbundel 3 blauw en de lichtstralenbundel 4 rood. De beide lichtstralen-3, 4 worden door de spiegels 5, 6 afgeboven en kruisen elkaar in het punt 7. Voor dit doel zijn de beide spiegels 5, 6 ten opzichte van elkaar onder een geringe hoek aangebracht. De spiegels 5, 6 zijn rond de punten 8, 9 20 draaibaar en verbonden met een gemeenschappelijk zwenkmechanisme 10. De zwenkbeweging van de beide spiegels 5, 6 geschiedt via een motor 11, welke schematisch is weergegeven. Op deze wijze voeren de spiegels 5, 6 een heen-en-weer-gaande zwaaibeweging uit, waarbij de stand van de spiegels steeds elektrisch door de motor 11 wordt bepaald.In the embodiment according to Fig. 1, the two laser beam generators 1, 2 generate light beams 3,4. The light beams 3, 4 have respective wavelengths, preferably the light beam 3 is blue and the light beam 4 is red. The two rays of light, 3, 4 are sheared by the mirrors 5, 6 and intersect at point 7. For this purpose, the two mirrors 5, 6 are arranged at a slight angle relative to each other. The mirrors 5, 6 are rotatable around points 8, 9 and are connected to a common pivoting mechanism 10. The pivoting movement of the two mirrors 5, 6 takes place via a motor 11, which is shown schematically. In this way the mirrors 5, 6 perform a reciprocating swinging movement, the position of the mirrors always being electrically determined by the motor 11.

25 De beide,elkaar kruisende stralenbundels 3,4 treffen op onder scheidenlijke plekken het werkstukoppervlak 12. Het trefpunt van de blauwe straal 3 is met 13 en die van de rode straal met 14 aangeduid.The two intersecting beams 3,4 meet the workpiece surface 12 at separate locations. The point of impact of the blue beam 3 is indicated by 13 and that of the red beam by 14.

Deze lichtpunten worden door een verzameloptiek 15 opgevangen en op een half-doorlatende spiegel 16 geworpen. Deze half-doorlatende 30 spiegel scheidt het licht volgens de onderscheidenlijke golflengten, bijvoorbeeld wordt het blauwe licht doorgelaten en het rode licht teruggekaatst. Achter de onder een hoek van 45° staande half-doorlatende spiegel 16 bevindt zich een fotodioderaster 17. Loodrecht op dit fotodioderaster is een verder fotodioderaster 18 aangebracht.These light points are received by a collecting optic 15 and cast on a semipermeable mirror 16. This semi-transmissive mirror separates the light according to the respective wavelengths, for example, the blue light is transmitted and the red light reflected. Behind the semipermeable mirror 16, which is at an angle of 45 °, there is a photo diode frame 17. Perpendicular to this photo diode frame is a further photo diode frame 18.

35 Op deze wijze beeldt de blauwe lichtstip 13 zich af op het ras ter 17 en de rode lichtstip 14 op het raster 18. De afstand op de werk-stukcontour 12 tussen de stippen 13 en 14 is te berekenen uit de stand van de spiegels 5, 6, waarvan de waarde door de motor 11 wordt bepaald en 800 0 5 61 * « t * -3- 21136/JF/jl door de coördinaten van de afbeeldingsstippen op het raster 17, 18.35 In this way the blue light spot 13 is imaged on the race ter 17 and the red light spot 14 on the grid 18. The distance on the workpiece contour 12 between the dots 13 and 14 can be calculated from the position of the mirrors 5 , 6, the value of which is determined by the motor 11 and 800 0 5 61 * «t * -3- 21136 / JF / jl by the coordinates of the picture dots on the grid 17, 18.

Bevindt de werkstukcontour 12' zich dichter bij het meetappa:-raat, dan zijn bij dezelfde spiegelstand de lichtstippen 13', 14’ dichter bij elkaar, zodat de coördinaten van de afbeeldingsstippen op de rasters 5 17, 18 zijn veranderd.If the workpiece contour 12 'is closer to the measuring device, at the same mirror position the light dots 13', 14 'are closer together, so that the coordinates of the image dots on the grids 5 17, 18 are changed.

Op deze wijze is de afstand van de contour onberispelijk langs één coördinaat te berekenen.In this way, the distance from the contour can be calculated flawlessly along one coordinate.

Het gehele meetapparaat is langs een as 19 te zwenken, waardoor ook de contour panallel aan contour 12 is te registreren. Het is echter 10 ook mogelijk te voorzien in een verdere zwenkspiegelinrichting, zoals hierop aansluitend in samenhang met fig. 2 zal worden beschreven.The entire measuring device can be pivoted along an axis 19, so that the contour can also be registered parallel to contour 12. However, it is also possible to provide a further swivel mirror device, as will be described subsequently in connection with Fig. 2.

Bij de uitvoeringsvorm volgens fig. 2 is slechts in één laser-straalgenerator 20 voorzien. De daardoor opgewekte laserstraalbundel valt in op een vast aangebrachte,halfdoorlatende spiegel 21, welk een deel van 15 de stralenbundel doorlaat en een verder deel van de stralenbundel terugkaatst. De teruggekaatste stralenbundel valt op de spiegel 22, terwijl de doorgelaten stralenbundel op een spiegel 23 valt. De spiegel 22 is bij 24 en spiegel 23 bij 25 zwenkbaar opgesteld. Via hevelarmen zijn steeds twee van elkaar gescheiden zwenkaandrijforganen 26, 27 verbonden. De 20 stand van de verschillende spiegels wordt elektrisch door de stand van de verschillende zwenkaandrijforganen 26, 27 bepaald.In the embodiment of Fig. 2, only one laser beam generator 20 is provided. The laser beam generated thereby is incident on a fixed, semi-transparent mirror 21, which transmits part of the beam and reflects a further part of the beam. The reflected beam falls on the mirror 22, while the transmitted beam falls on a mirror 23. Mirror 22 is pivotally arranged at 24 and mirror 23 at 25. Two pivot drive members 26, 27 separated from one another are always connected via lever arms. The position of the different mirrors is electrically determined by the position of the various pivot drive members 26, 27.

De meetinrichting omvat een verzameloptiek 28 en een fotodiode- raster 29.The measuring device includes a collection optic 28 and a photodiode frame 29.

Het zwenkaandrijforgaan 27 beweegt zich snel, terwijl het zwenk-25 aandrijf orgaan 26 zich met betrekking daartoe langzaam' beweegt. Dit houdt in, dat de stralenbundel 30 een snelle en de stralenbundel 31 een langzame heen-en-weer-beweging uitvoert. De straal 30 beweegt zich dan ocdc langs de straal 31. De beide stralen 30 en 31 vallen op het werkstukopper-vlak 32 en wekken daar gescheiden lichtstippen op. Deze worden op het ras-30 ter 29 afgebeeld. Kruisen de stralen 30 en 31 elkaar op het werkstukopper-vlak 32, dan wordt een gemeenschappelijk tref- en kruispunt 33 opgewekt. Overeenkomstig wordt ook slechts één afbeeldingsstip 34 op het raster 29 afgebeeld. Wanneer deze toestand optreedt, dat wil zeggen wanneer het raster 29 slechts één afbeelding 34 registreert, wordt door het raster 29 een 35 signaal vrijgegeven, welk de stand van de zwenkaandrijforganen 26 en 27 op dit ogenblik registreert en daarmee ook de stand van de spiegels 22, 23.The pivot drive member 27 moves rapidly, while the pivot drive member 26 moves slowly with respect thereto. This means that the beam 30 performs a fast and beam 31 slow-and-back motion. The beam 30 then moves ocdc along the beam 31. The two beams 30 and 31 fall on the workpiece surface 32 and generate separate dots of light there. These are depicted on breed 30 ter 29. If the rays 30 and 31 intersect on the workpiece surface 32, a common point of impact and intersection 33 is generated. Likewise, only one image dot 34 is also imaged on the frame 29. When this state occurs, that is, when the frame 29 registers only one image 34, the frame 29 releases a signal which registers the position of the pivot actuators 26 and 27 at this time and thus also the position of the mirrors 22 , 23.

De stand van de spiegels 22, 23 is een maat voor de afstand tot het invalpunt 33.The position of the mirrors 22, 23 is a measure of the distance to the incident point 33.

800 0 5 61 -4- 21136/JF/jl , * S'800 0 5 61 -4- 21136 / JF / jl, * S '

Met deze inrichting kan de contour 35 van het werkstukoppervlak 32 worden afgetast.With this device, the contour 35 of the workpiece surface 32 can be scanned.

Voor het aftasten van de nabijliggende contour 35' is voorzien in een verdere zwenkspiegel 36, waarop de door de spiegels 22, 23 terug-5 gekaatste stralen invallen en van daar af nogmaals worden teruggekaatst.A further swiveling mirror 36 is provided for scanning the adjacent contour 35 ', on which the rays reflected by the mirrors 22, 23 are incident and reflected from there again.

De stand van de spiegels wordt door een zwenkaandrijforgaan 37 bepaald.The position of the mirrors is determined by a pivot actuator 37.

Wanneer de halfdoorlatende spiegel16 geen kleurensplitsing uitvoert, kunnen een rood- en een blauw filter 38, 39 voor de bijbehorende rasters 17, 18 zijn aangebracht.When the semipermeable mirror 16 does not perform color splitting, a red and a blue filter 38, 39 may be provided for the associated grids 17, 18.

10 Voor de werkwijze is de hoekstand α en β van de op het werk stukoppervlak vallende stralen van belang, alsmede de coördinaten van de afbeeldingsstippen 13, 14 op de rasters 17, 18 respectievelijk de coördinaten van de afbeeldingsstip 34 van het kruispunt 33 op het raster 29.The angular position α and β of the rays falling on the workpiece surface is important for the method, as well as the coordinates of the image dots 13, 14 on the grids 17, 18 and the coordinates of the image dot 34 of the intersection 33 on the grid. 29.

Bij de uitvoeringsvorm volgens fig. 1 staan hoeken α en β , 15 vanwege het gemeenschappelijke zwenkmechanisme direct in verband met elkaar. Elke stand van het zwenkmechanisme behoort dus steeds bij een bepaalde hoekstand α en β . Bij een bepaalde hoekstand α , β is voor de afstand tussen het' meetapparaat en de contour ’ 12 de afstand tussen de punten 13 en 14 bepalend, welk wordt geregistreerd door de afbeeldings-20 coördinaten op de rasters 17, 18. Voor de afstandsmeting wordt dus een bepaalde stand van het zwenkmechanisme geregistreerd, welk overeenkomt met een bepaalde hoekstand α , β en de afbeeldingsooördinaten van de punten 13,14 worden hierbij gemeten. De stand van'het zwenkmechanisme en de afbeeldingsooördinaten worden toegevoerd aan een rekeninrichting, welke 25 bij de geldende hoekstand α ,β de afstand tussen de punten 13 en 14 berekent en uit deze afstandswaarde en de hoekstand α ,β de afstand tussen met meetapparaat en de punten 13, 14 berekent.In the embodiment according to Fig. 1, angles α and β, 15 are directly related to each other because of the common pivoting mechanism. Each position of the swing mechanism therefore always belongs to a certain angular position α and β. At a certain angular position α, β, the distance between the 'measuring device and the contour' 12 is determined by the distance between the points 13 and 14, which is registered by the mapping 20 coordinates on the grids 17, 18. For the distance measurement thus a certain position of the pivoting mechanism is recorded, which corresponds to a certain angular position α, β and the imaging coordinates of points 13,14 are measured. The position of the pivoting mechanism and the imaging coordinates are supplied to a calculator which calculates the distance between the points 13 and 14 at the applicable angular position α, β and from this distance value and the angular position α, β the distance between the measuring device and the points 13, 14.

Wowdt dit voor op elkaar volgende hoekstanden α ,β uitgevoerd, dah berekent de rekenaar de afstand van het meetapparaat van elk 30 punt van de contour 12 en daarmee ook het verloop van de contour zelf.If this is done for successive angular positions α, β, the calculator calculates the distance of the measuring device from each point of the contour 12 and thus also the course of the contour itself.

Deze werkwijze kan punt voor punt digitaal of continu analoog worden uitgevoerd.This method can be performed digitally or continuously analogously point by point.

Bij de uitvoeringsvorm volgens fig. 2 wordt telkens de hoekstand α en β geregistreerd, wanneer de stralen 30, 31 elkaar kruisen op de 35 contour 35, dus slechts één punt treedt op op het raster 29. Uit de waarden α en β , welke worden toegevoerd aan de rekenaar, is dan de afstand tussen het meetapparaat en het punt 33 te berekenen. Een verwerking van de coördinaten van de afbeeldingspunten 34 is hierbij op zich niet 80 0 0 5 61 -5- 21136/JF/jl noodzakelijk, kan echter toch worden uitgevoerd, om de zekerheid van de meting te vergroten. Wordt de hiervoor genoemde afstandsmeting langs de contour 35 uitgevoerd, dan is het mogelijk, de afstand van elk punt op de contour 35 te bepalen en daarmee ook het verloop van de 5 contour zelf.In the embodiment according to Fig. 2, the angular position α and β is always registered when the rays 30, 31 intersect on the contour 35, so only one point occurs on the grid 29. From the values α and β, which are supplied to the calculator, the distance between the measuring device and the point 33 can then be calculated. A processing of the coordinates of the image points 34 is not necessary per se, but can nevertheless be carried out in order to increase the certainty of the measurement. If the aforementioned distance measurement is carried out along the contour 35, it is possible to determine the distance of each point on the contour 35 and thus also the course of the contour itself.

-CONCLUSIES- 80 0 0 5 61-CONCLUSIONS- 80 0 0 5 61

Claims

Method for measuring distances and for determining the three-dimensional contour of a workpiece, characterized in that 5 two intersecting light beams are directed at the workpiece, the light points generated by the beams on the workpiece surfaces are registered and that the angles of inclination of the incident beams in its common plane are measured.

Method according to claim 1, characterized in that the 10 beams are pivoted in their common plane.

Method according to claim 2, characterized in that the angle of inclination change of the two beams is the same and the location of the light points is measured.

Method according to claim 2, characterized in that the angle of inclination of a beam of rays is slowly changed and the angle of inclination of the other beam of rays is rapidly changed and that the angles of inclination of the incident beams are measured when they intersect on the workpiece surfaces and there form a common point of light.

Method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the common plane of the beams is pivoted in a plane perpendicular thereto.

6. Device for carrying out the method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that two spaced apart beams are provided, each affected by a beam, mirrors, a collecting optic and at least one mounted behind the collection optics, photosensitive grid, measuring the position of the mirrors.

7. Device as claimed in claim 6, characterized in that the mirrors are pivoted by a common pivoting device, the beams comprise respective wavelengths and a semipermeable mirror is arranged behind the collecting optics, which part of the light is placed on a first grating and reflecting a second part of the light onto a second grating.

8. Device according to claim 6, characterized in that the mirrors are pivoted by separate pivoting devices and that their position is measured when only one light point is imaged on the grating.

Device according to any one of claims 6 to 8, characterized in that there is a further pivoting mirror which deflects the beams of radiation sent by the two mirrors. 80 0 0 5 61 -7- 21136 / JF / jl. and its position is also measured.

Device according to any one of claims 6 to 9, 5, characterized in that the beams are laser beams.

11. Device as claimed in claims 7 and 10, characterized in that two laser beam generators are provided, which generate light of a different wavelength.

12. Device according to claims 8 and 10, characterized in that a laser beam generator is provided and a semi-transparent fixed mirror is arranged between the generator and both mirrors.

Device according to any one of claims 6 to 12, characterized in that the grid is a photodiode array.

14. Device as claimed in claim 6, characterized in that a semipermeable mirror separates the light in the two wavelengths.

15. Device as claimed in claim 7, characterized in that a filter is provided for the grids, each of which transmits one light of one wavelength and the other light of the other wavelength. Eindhoven, January 1980. 80 0 0 5 61