DE102012106613B3

DE102012106613B3 - Verfahren zur berührungslosen Abstandsmessung

Info

Publication number: DE102012106613B3
Application number: DE102012106613A
Authority: DE
Inventors: Bostjan Podobnik; Franc Povše; Klemen Žbontar
Original assignee: LPKF Laser and Elektronika doo
Current assignee: LPKF Laser and Elektronika doo
Priority date: 2012-07-20
Filing date: 2012-07-20
Publication date: 2013-12-24
Anticipated expiration: 2032-07-21
Also published as: EP2874778A1; WO2014012610A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung (1) zur berührungslosen Abstandsmessung, bei dem ein Abstand (a) eines Objekts (2) von einem Bezugspunkt (3) in einem dargestellten Messzyklus durch einen Laserstrahl (4) bestimmt wird. Dabei wird der Messpunkt (5) während des Messzyklus relativ zu dem zu messenden Objekt (2) entlang eines vorbestimmten Verlaufs einer geschlossenen Umfangskontur (7) auf dem Objekt (2) mit konstanter Relativgeschwindigkeit bewegt. Aufgrund der so realisierten dynamischen Abstandsbestimmung wird die Laserenergie nur für einen äußerst kurzen Zeitraum auf den jeweiligen Messpunkt (5) der Umfangskontur (7) fokussiert, sodass der auf einen jeweiligen Oberflächenpunkt des Objekts (2) einwirkende Energieeintrag vergleichsweise gering ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, insbesondere Triangulationsmessverfahren, zur berührungslosen Abstandsmessung, bei dem der Abstand eines Objekts von einer Laserquelle oder einem ortsfesten Bezugspunkt mittels eines zur Materialbearbeitung eines Objekts bestimmten Bearbeitungslasers durch Erfassung des in einem Messpunkt von dem Objekt reflektierten Laserstrahls mittels eines optischen Sensors bestimmt wird.
Ein solches Messverfahren nach dem Prinzip der Triangulation ist eine Methode der optischen Abstandsmessung unter Berücksichtigung der trigonometrischen Winkelfunktionen, bei der ein Laserstrahl beispielsweise auf ein Objekt fokussiert wird, dessen Abstand zur Messvorrichtung bestimmt werden soll.
Ändert sich die Entfernung des Objekts von dem optischen Sensor, ändert sich auch der Winkel, unter dem der reflektierte Strahl beobachtet wird, und damit die Position seines Abbilds auf dem Sensor. Aus der Positionsänderung wird mit Hilfe der trigonometrischen Winkelfunktionen die Entfernung des Objekts von dem Bearbeitungslaser bzw. einem Bezugspunkt berechnet.
Aus der Position des reflektierten Lichts in der Bildebene kann die Distanz zwischen dem optischen Sensor und dem Objekt berechnet werden. Typischerweise wird das Triangulations-Messverfahren in einem Messbereich von 0,01 mm bis ca. 1000 mm eingesetzt.
Bei dem optischen Sensor handelt es sich um ein lichtempfindliches Element, durch das die Position des Lichtpunkts in der Bildebene bestimmt werden kann. Dafür kann beispielsweise eine CCD-Zelle, eine CMOS-Kamera oder ein optischer Positionssensor, beispielsweise PSD, verwendet werden. Zur Messung von direktem oder reflektiertem Licht können auch einfache optische Bauteile wie Fotodioden oder Fototransistoren verwendet werden.
Neben sichtbarem Licht kann das Signal auch durch andere Strahlungen wie Mikrowellen, UV-Strahlung, IR-Strahlung, Röntgenstrahlung, Schallwellen oder radioaktive Strahlung erzeugt werden.
Es ist auch bereits bekannt, ein Muster, etwa eine Linie oder ein Streifenmuster, auf das Objekt zu projizieren, sodass die Distanzinformationen zu allen Punkten des Musters mit einem einzigen Kamerabild berechnet werden können.
Beispielsweise beschreibt die EP 2 418 040 A1 ein Verfahren zur Steuerung einer Fügevorrichtung mit einem Bearbeitungslaser, wobei die Scanner-Optik mit mindestens einem externen Projektor ausgestattet ist. Der Projektor dient dazu, Messlicht in Form von Messstrukturen, zumindest eine Linie, auf das zu bearbeitende Werkstück zu projizieren.
Es ist auch bereits daran gedacht worden, als Lichtquelle einen zur Materialbearbeitung einsetzbaren Laser zu nutzen, sodass dieser neben seiner Bearbeitungsfunktion wahlweise zugleich oder alternativ zur Abstandsmessung genutzt werden kann.
Die DE 10 2006 004 919 A1 beschreibt einen Laserstrahlschweißkopf mit einem Schweißstrahl und Mitteln zur optischen Erfassung der Position einer Schweißnaht an einer vorlaufenden Messposition, wobei ein basierend auf einer Abweichung der Schweißnaht von einer Sollposition erzeugtes Korrektursignal unmittelbar zur Korrektur der Position des Schweißstrahls verwendbar ist.
Die EP 2 062 674 A1 beschreibt ein Verfahren zum Vorbereiten eines Laserschweißprozesses, wobei mit einer Sensoreinrichtung die Position einer Fügestelle an einem Werkstück in einem Messbereich vorlaufend zu einer Laserstrahlposition erfasst wird.
Aus der DE 10 2006 040 612 A1 ist eine Abstandsmessvorrichtung, insbesondere zur Erfassung der Höhenlage eines Bearbeitungswerkzeuges relativ zu der Oberfläche eines Werkstücks bekannt.
Die DE 10 2006 030 061 A1 bezieht sich auf ein Laserstrahlschweißverfahren, bei dem der Bearbeitungslaserstrahl zugleich auch als Messlaserstrahl genutzt wird, um so eine Lageerkennung einer Fügestelle zu realisieren. Hierbei werden das zu messende Objekt und der Bearbeitungslaserstrahl relativ zueinander bewegt. Eine Abstandsmessung wird hingegen nicht offenbart.
Als nachteilig für die Genauigkeit der Messung erweist sich in der Praxis ein auch unter der Bezeichnung ”Speckles” bekannter Effekt, bei dem das Licht umso stärker gestreut wird, je kürzer die Wellenlänge ist. Insbesondere bei glänzenden Oberflächen wird das Licht nicht in Richtung des optischen Sensors reflektiert, sodass Aussetzer nicht zuverlässig ausgeschlossen werden können.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur berührungslosen Abstandsmessung bereitzustellen, welche die oben genannten Nachteile überwinden und kostengünstig herzustellen sowie universell einsetzbar sind.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ist den Unteransprüchen zu entnehmen.
Erfindungsgemäß ist also ein Verfahren vorgesehen, bei dem während der Abstandsmessung mehrere Messpunkte erfasst werden, indem die Messpunkte relativ zu dem zu messenden Objekt entlang eines vorbestimmten Verlaufs auf dem Objekt bewegt werden, und zwar entlang einer geschlossenen Umfangskontur. Indem anstelle eines Lichtpunkts bzw. eines stark fokussierten Lichtflecks und der Erfassung des von dem Objekt reflektierten Strahls erfindungsgemäß auf der Oberfläche des Objekts der Bearbeitungslaserstrahl dynamisch auf eine Vielzahl aufeinander folgender Lichtpunkte abgelenkt wird, konnte in überraschend einfacher Weise eine Steigerung der Genauigkeit gegenüber der bloßen Reflexion eines Lichtpunkts oder Lichtflecks auf der Oberfläche des Objekts erreicht werden. Es hat sich gezeigt, dass durch die so während der Messung erzeugte Linie des Laserstrahls eine wesentlich besser erfassbare scharfe Kontur erzeugt wird, die in der Praxis zu wesentlich geringeren Fehlereinflüssen führt. Darüber hinaus wird die Laserleistung nur für einen äußerst kurzen Zeitraum auf einen jeweiligen Messpunkt konzentriert und somit der auf einen jeweiligen Oberflächenpunkt des Objekts wirkende Energieeintrag des Bearbeitungslasers wirksam reduziert. Insbesondere wird der Laserpunkt bzw. Laserfokus auf dem Objekt entlang des vorbestimmten Verlaufs der Umfangskontur bewegt, sodass eine irreversible Einwirkung des Lasers auf das Objekt aufgrund der kurzen Verweildauer ausgeschlossen werden kann. Mit anderen Worten kann also ein Bearbeitungslaser, welcher während seines Bearbeitungszyklus eine dauerhafte Veränderung des Objekts bewirkt, ohne eine Änderung seiner Parametereinstellung während des Messzyklus zur Messung verwendet werden, ohne dass während des Messzyklus eine irreversible Änderung der Eigenschaften des von der Laserenergie beaufschlagten Oberflächenpunkts eintreten kann. Weiterhin wirken sich die Einflüsse des unerwünschten Speckles-Effekts aufgrund des dynamischen Verlaufs des Laserpunkts auf dem Objekt während der Abstandsmessung weit geringer aus als dies bei statischen Messverfahren nach dem Stand der Technik der Fall ist. Dabei ist die geschlossene Umfangskontur vorzugsweise frei von Unstetigkeitsstellen und ermöglicht daher eine stationäre Änderung des Messpunkts auf der Oberfläche. Indem einander schneidende Linien sowie der damit verbundene zusätzliche Energieeintrag in einen bestimmten Oberflächenpunkt vermieden werden, kann zudem der maximale Energieeintrag bezogen auf einen einzelnen Messpunkt wesentlich vermindert werden.
Dabei erweist es sich zudem als besonders praxisgerecht, wenn der Bearbeitungslaser der Umfangskontur mit stetiger, insbesondere konstanter Geschwindigkeit nachgeführt wird. Hierdurch wird eine kontinuierliche Einwirkung der Laserenergie bezogen auf die betroffenen Oberflächenpunkte des Objekts sichergestellt. Sofern es aufgrund der Laserenergie zu einem thermischen Energieeintrag kommt, können so unerwünschte Materialspannungen durch eine gleichmäßige Verteilung der von der Laserenergie beaufschlagten Oberflächenpunkte vermieden werden. Beispielsweise kann die Umfangskontur konzentrisch um einen entsprechenden Mittelpunkt verlaufen, welcher beispielsweise dem Flächenschwerpunkt oder einer geometrischen Mitte des Objekts entspricht.
Dabei kann eine Erhöhung der Genauigkeit des Messverfahrens in einfacher Weise dadurch erreicht werden, dass der Messpunkt des Bearbeitungslasers mehrfach entlang des vorbestimmten Verlaufs geführt wird. Indem also der Messpunkt mehrfach dem vorbestimmten Verlauf bzw. der Kontur auf dem Objekt nachgeführt wird, kann in einfacher Weise die Genauigkeit der Messung erhöht werden, ohne dass hierzu eine Vergrößerung des Erfassungsbereichs des optischen Sensors erforderlich ist.
Der vorbestimmte Verlauf des Messpunkts könnte einer durchgehenden oder unterbrochenen Linie folgen. Besonders zweckmäßig ist es darüber hinaus, wenn die Kontur einer geometrischen Form oder einer Figur entspricht. Indem die Messlinie einer mathematisch einfach bestimmbaren Form oder Figur folgt, können mögliche Abweichungen oder auftretende Fehler vergleichsweise einfach erkannt und die Messergebnisse einer logischen Prüfung bzw. Kontrolle unterzogen werden.
Bei einer anderen, ebenfalls besonders Erfolg versprechenden Abwandlung, bei welcher die Kontur zur Erfassung einer relativen Orientierung des Objekts gegenüber dem Bezugspunkt einer nicht-rotationssymmetrischen, insbesondere polygonalen Form entspricht, kann neben der Abstandsmessung zugleich auch eine relative Winkelstellung des Objekts gegenüber dem Bezugspunkt bestimmt werden, um so neben der Position des Objekts auch dessen Orientierung zu ermitteln.
Vorzugsweise werden in Verbindung mit einfachen geometrischen Formen im Verlauf der Kontur lediglich einzelne Messpunkte erfasst, um auf diese Weise mit geringem Aufwand eine Qualitätskontrolle durchführen zu können.
Dabei erweist sich eine weitere erfindungsgemäße Abwandlung als besonders sinnvoll, bei welcher für einzelne, vorbestimmte Messpunkte nur eine Erfüllung oder Nicht-Erfüllung bestimmt wird, sodass der optische Sensor lediglich zur Überwachung dieser diskreten Messpunkte und deren Einhaltung dient. Somit werden für einen bestimmten Messpunkt nicht etwa unterschiedliche Werte für den Abstand des Objekts von dem Bezugspunkt erfasst, sondern vielmehr lediglich die Erfüllung eines durch den Erfassungsbereich des Sensors bestimmten Wert kontrolliert. Hierdurch kann der optische Sensor ebenso wie die Steuerung wesentlich vereinfacht werden. Als geeignet haben sich hierzu beispielsweise auch sogenannte Pinholes erwiesen, welche die Belichtung eines bestimmten Punkts durch das von dem Messpunkt reflektierte Licht erfassen/registrieren. Beispielsweise ermöglicht eine einfache Fotodiode die Erfassung der Einhaltung bestimmter Formen bzw. Grenzwerte.
Dem Bearbeitungslaser kann eine Scanneroptik zugeordnet sein, durch die der Laserstrahl abgelenkt wird. Eine andere, ebenfalls besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens wird dadurch erreicht, dass das Objekt mittels einer das Objekt vorübergehend fixierenden Aufnahme relativ zu dem Bezugspunkt in Richtung der X-Achse und der Y-Achse bewegt wird.
Die Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend anhand einer Prinzipdarstellung beschrieben. Diese zeigt eine Vorrichtung 1 zur berührungslosen Abstandsmessung, bei dem ein Abstand a eines Objekts 2 von einem Bezugspunkt 3 in einem dargestellten Messzyklus durch einen Laserstrahl 4 bestimmt wird, welcher als Bearbeitungslaser während eines nicht gezeigten Bearbeitungszyklus zur Materialbearbeitung des Objektes 2 verwendet wird. Die Bestimmung des Abstands a des Bezugspunkts 3 der Vorrichtung 1 erfolgt dabei nach dem Prinzip der Triangulation durch Erfassung eines von dem Objekt 2 reflektierten Messpunkts 5 mittels eines optischen Sensors 6. Dabei wird der Messpunkt 5 während des Messzyklus relativ zu dem messenden Objekt 2 entlang eines vorbestimmten Verlaufs einer geschlossenen Umfangskontur 7, die hier lediglich beispielhaft durch zwei Messpunkte 5', 5'' auf einem Kreis dargestellt ist, auf dem Objekt 2 mit konstanter Relativgeschwindigkeit bewegt. Aufgrund der so realisierten dynamischen Abstandsbestimmung wird die im Vergleich zu dem Arbeitszyklus unveränderte Laserleistung nur für einen äußerst kurzen Zeitraum auf den jeweiligen Messpunkt 5 der Umfangskontur 7 fokussiert, sodass der auf einen jeweiligen Oberflächenpunkt des Objekts 2 einwirkende Energieeintrag während des Messzyklus im Vergleich zu dem Arbeitszyklus wesentlich reduziert ist. Eine unerwünschte irreversible Veränderung des Objekts 2 ist demnach während des Messzyklus ausgeschlossen. In einem vereinfachten Modus wird dabei lediglich die Einhaltung einer bestimmten Umfangskontur 7 kontrolliert, indem die Zuordnung des reflektierten Strahls eines oder mehrerer ausgewählter Messpunkte 5, 5', 5'' zu einem bestimmten Segment 8 des optischen Sensors 6 erfasst wird. Um die gewünschte Relativbewegung zu erzeugen, wird das Objekt 2 mittels einer das Objekt 2 vorübergehend fixierenden Aufnahme 9 relativ zu dem Bezugspunkt 3 in Richtung der X-Achse und der Y-Achse bewegt.

Claims

Verfahren, insbesondere Triangulationsmessverfahren, zur berührungslosen Abstandsmessung, bei dem der Abstand (a) eines Objekts (2) von einer Laserquelle oder einem ortsfesten Bezugspunkt (3) mittels eines zur Materialbearbeitung eines Objekts (2) bestimmten Bearbeitungslasers durch Erfassung des in einem Messpunkt (5) von dem Objekt (2) reflektierten Laserstrahls mittels eines optischen Sensors (6) bestimmt wird, und bei dem während der Abstandsmessung mehrere Messpunkte (5', 5'') erfasst werden, indem die Messpunkte (5', 5'') relativ zu dem zu messenden Objekt (2) entlang eines vorbestimmten Verlaufs auf dem Objekt (2) bewegt werden, und zwar entlang einer geschlossenen Umfangskontur (7).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbeitungslaser dem vorbestimmten Verlauf mit stetiger, insbesondere konstanter Geschwindigkeit nachgeführt wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Messpunkt (5) des Bearbeitungslasers mehrfach entlang des vorbestimmten Verlaufs der vollständigen Umfangskontur (7) geführt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umfangskontur (7) einer geometrischen Form oder einer Figur entspricht.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umfangskontur (7) zur Erfassung einer relativen Orientierung des Objekts gegenüber dem Bezugspunkt (3) einer nicht-rotationssymmetrischen, insbesondere polygonalen Form entspricht.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass entlang des vorbestimmten Verlaufs auf dem Objekt (2) lediglich einzelne Messpunkte (5', 5'') erfasst werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des optischen Sensors (6) lediglich einzelne diskrete Messpunkte (5) überwacht werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt (2) mittels einer das Objekt (2) vorübergehend fixierenden Aufnahme (9) relativ zu dem Bezugspunkt (3) in Richtung der X-Achse und der Y-Achse bewegt wird.