DE3887325T2

DE3887325T2 - Positionsmessverfahren und -apparat.

Info

Publication number: DE3887325T2
Application number: DE88902184T
Authority: DE
Inventors: Colin Morgan
Original assignee: Rheinmetall Machine Vision GmbH
Current assignee: Rheinmetall DeTec AG
Priority date: 1987-03-18
Filing date: 1988-03-11
Publication date: 1994-05-05
Anticipated expiration: 2008-03-12
Also published as: JPH07104127B2; US5046851A; GB8706388D0; DE3887325D1; WO1988007173A1; EP0349553A1; JPH02502307A; EP0349553B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abtasten der Position einer reflektierenden, gerundeten Kante unter Verwendung einer elektro-optischen Einrichtung.
Ein Beispiel von beträchtlichem Interesse ist eine Kante des Rahmenabschnitts um eine Fensteröffnung in einer Fahrzeugkarosserie. Versuche sind unternommen worden, um das Einsetzen von Windschutzscheiben und anderen Fahrzeugscheiben zu automatisieren. Ein Roboter nimmt das Fenster auf, wobei Saugnäpfe an einem Hubrahmen verwendet werden, und drückt es in die Fensteröffnung. Klebstoff wurde bereits entlang der Kante des Fensters (oder eventuell des Rahmenabschnitts) geführt. Eine Plastikbesäumung kann von dem Fenster getragen werden oder in dem Rahmenabschnitt vorher befestigt sein. Ein signifikantes Problem besteht darin, daß eine Fahrzeugkarosserie in einer Produktionslinie nur innerhalb eher weiter Toleranzen von beispielsweise ± 40mm positioniert ist, und das Fenster aber korrekt positioniert werden muß, und zwar genauer als 1mm relativ zur Fensteröffnung, bevor der Roboter das fenster einsetzt. Fehlausrichtungen führen zu augenfälligen, aber kostspieligen Ergebnissen.
Es ist bekannt, die Position der Fensteröffnung unter Verwendung von vier oder mehr fest installierten Kameras in Zusammenhang mit einem wirksamen Bildanalysencomputer zu bestimmen. Ein derartiges System ist sehr teuer, erfordert sorgfältige Aufstellvorgänge und ist zu leicht durch Abweichungen von Idealbedingungen zu stören. Es ist auch bekannt, einfache Quellendetektorsensoren an dem Hubrahmen selbst (beispielsweise lichtemittierende und lichtempfindliche Diodenpaare) anzubringen, und den Hubrahmen in zwei Dimensionen zu bewegen, bis detektierte Kantenübergänge anzeigen, daß das Fenster in der richtigen Position ist. Dieses System ist einfach und billig, aber sehr langsam.
Der Hubrahmen ist durch den Roboter für etwa 15s herumzubewegen, bevor die korrekte Position verläßlich bestimmt ist.
Elektro-optische Positionssensoren, wie Diodenpaare, stellen im allgemeinen durch die Anwesenheit oder Abwesenheit von gestreutem Licht, das von dem Objekt zurückkommt, fest, ob ein Objekt anwesend ist oder nicht. So gibt es viele bekannte elektro-optische Einrichtungen, die zum Abtasten von Profilen verwendet werden, wobei allgemein ein Abtaststrahl und ein Sensor, der das zurückgeworfene Licht detektiert, verwendet werden (z.B. EP-A2-0 137 517, EP-A1 0 163 347, GB 1 379 769 und GB-A 2 001 753). EP-A1-0 132 200 offenbart eine Vorrichtung, die Kanten und Spalten zwischen Kanten detektiert, die jedoch wiederum gestreutes Licht verwendet. Ähnlich offenbaren DE-A1-32 42 532 und Patent Abstracts of Japan, Band 11, Nr. 58 (S. 550) [2505] Detektionsgeräte, die auf gestreutem Licht beruhen. Keines dieser Geräte wird verwendet, wenn das Objekt eine reflektierende, gerundete Kante ist.
Andere bekannte Einrichtungen tasten spiegelnd reflektiertes Licht ab (z.B. WO86/04676 zum Abtasten des Neigungswinkels einer abgetasteten Fläche, EP-A-0 143 012 zum Bestimmen von Raumkoordinaten, wobei ein rotierender Laserstrahl verwendet wird). Diese Einrichtungen sind zum Abtasten der Position einer Kante weder bestimmt noch geeignet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes, aber einfaches Verfahren zum Abtasten der Position einer reflektierenden, gerundeten Kante zu schaffen.
Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zum Abtasten der Position einer spiegelnd reflektierenden, gerundeten Kante (11, 12) eines Objekts geschaffen, wobei eine elektro-optische Abtastvorrichtung verwendet wird, wobei die Vorrichtung eine Lichtquelle (L), die einen fächerförmigen Lichtstrahl (I1-I2) liefert, der auf die Kante (11, 12) gerichtet ist, und einen Lichtdetektor (D) umfaßt, wobei das Verfahren den Schritt des Bestimmens der Position eines reflektierenden Objekts als eine Position (z.B. S1) längs einer linearen Skala einschließt, die auf die elektro-optische Abtastvorrichtung bezogen ist und innerhalb der fächerförmigen Strahlebene liegt, wobei der Detektor (D) wirksam ist, besagte Position zu bestimmen, wobei die Positionen der Quelle (L) und des Detektors (D) derart sind, daß eine relativ große Lichtmenge, die den Detektor erreicht, vor einem schmalen, sich entlang der Kante erstreckenden Streifen spiegelnd reflektiertes Licht ist.
Der Ausdruck "Licht" soll keine Einschränkung der Erfindung auf die Verwendung von sichtbarem Licht bedeuten. Infrarotes Licht könnte beispielsweise verwendet werden. Bei der vorliegenden Erfindung ist es, wie oben ausgeführt, sehr bevorzugt, einen fächerförmigen Lichtstrahl im Gegensatz zu den Abtaststrahlen zu verwenden, die in den meisten, wenn nicht allen der oben erwähnten Druckschriften wesentlich sind.
Solch ein Strahl kann sehr einfach unter Verwendung statischer Komponenten, wie eine Schlitzöffnung und/oder eine zylindrische Linse erzeugt werden, während ein Abtaststrahl komplexere optische Komponenten, beispielsweise einen rotierenden Spiegel, erfordert. Nichtsdestoweniger kann ein fächerförmiger Strahl durch einen Abtaststrahl simuliert werden, und dies wird in einer nicht bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens der Erfindung verwendet.
Die Erfindung bezieht sich weiter auf ein automatisches Zusammenbaugerät zum Anbringen einer Komponente an einem Objekt, das gerundete, reflektierende Kanten aufweist. Das Gerät macht Gebrauch von dem Verfahren der Erfindung und ist in dem unten stehenden Anspruch 15 definiert. Während die Erfindung in den beigefügten Ansprüchen definiert ist, besteht das zugrunde liegende Prinzip darin, daß es unter Verwendung einer elektro-optischen Einrichtung möglich ist, die Position einer gerundeten Kante zu bestimmen, da innerhalb des Gesichtsfeldes der Einrichtung die Kante einen schmalen reflektierenden Streifen bilden kann. Die Art, wie dies stattfindet, wird im Zusammenhang mit verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung (beispielhaft angegeben) unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen
Fig. 1 ein erläuterndes Diagramm ist,
Fig. 1a einige der optischen Betrachtungen, auf Fig. 1 angewendet, illustriert sind,
Fig. 2 eine Detektoransprechwellenform zeigt,
Fig. 3 bis 5 mehr erklärende Diagramme sind,
Fig. 6, 7 und 8 eine Draufsicht, eine Seitenansicht bzw. eine Endansicht einer elektro-optischen Vorrichtung sind,
Fig. 9 vier dieser Vorrichtungen zeigt, die in Zusammenhang mit einem Windschutzscheibenhubrahmen verwendet werden,
Fig. 10 zeigt, wie eine Vorrichtung auf dem Rahmen montiert werden kann,
Fig. 11 einen Mechanismus zum Zurückziehen einer Vorrichtung zeigt,
Fig. 12 ein erläuterndes Diagramm ist, das die Art illustriert, in der die Detektorimpulsbreite variiert,
Fig. 13 ein Diagramm einer Einrichtung mit einer Doppelsensorvorrichtung ist,
Fig. 14A und 14B Diagramme einer Doppeldetektorvorrichtung mit verbesserter Optik sind,
Fig. 15 ein Diagramm einer Vorrichtung mit zwei Detektoren und zwei Lichtquellen ist, und
Fig. 16 Wellenformen zeigt, die mit der Vorrichtung von Fig. 15 erhalten werden.
Fig. 1 zeigt einen typischen Rahmenabschnitt 10 um eine Fensteröffnung herum in einer Fahrzeugkarosserie mit einer äußeren Kante 11 und einer inneren Kante 12, die einen Falz zur Aufnahme eines Fensters bilden. Die Karosserie wird lackiert worden sein, bevor das Fenster befestigt wird, und kann weiß, schwarz oder von irgendeiner Farbe im Bereich von dunklen und lichten Farben einschließlich Metalliclackierungen sein. Die Lackierung wird nichtsdestoweniger immer stark reflektierend anstatt matt und diffus sein. Die Kanten 11 und 12 können Krümmungsradien von typischerweise 1 bis 2mm aufweisen.
Eine Lichtquelle L richtet einen fächerförmigen Lichtstrahl auf den Rahmenabschnitt 10 und ein Sensor oder Detektor D empfängt reflektiertes Licht. Der Fächerstrahl ist quer zur Kante orientiert. Der Detektor ist von wohlbekanntem Typ, der eine Ausgangswellenform (Fig. 2) liefert, in der Impulse die Positionen entlang einer Detektorskala von Strahlen repräsentiert, die auf den Detektor auffallen, und daher im vorliegenden Fall die Positionen von reflektierenden Objekten repräsentieren. Ein bevorzugter Detektor wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 6 bis 8 beschrieben. Einige auffallende und spiegelnd reflektierte Strahlen sind gezeigt. Ein auftreffender Strahl 11 erzeugt einen Lichtstreifen an der Kante 11 und der reflektierte Strahl R1 fällt auf den Detektor bei S1. Entsprechend erzeugt ein auffallender Strahl I2 einen Lichtstreifen an der Kante 12 und der reflektierte Strahl R2 fällt auf den Detektor bei S2. Die von dem Detektor D erhaltene Wellenform zeigt daher entsprechende Impulse P1 und P2, die einem Untergrund P überlagert sind, der vom Umgebungslicht und Streulicht von dem Rahmenabschnitt 10 stammt. Die Höhe des Untergrundes variiert und neigt dazu, für hellere Farblackierungen heller zu sein, jedoch neigen die Impulse P1 und P2 dazu, so hervorragend zu sein, daß sie immer verläßlich detektiert werden können.
Das Verarbeiten der Impulse P1, P2, um Positionsinformationen zu erhalten, beruht auf bereits erhältlicher Technologie. Fig. 1B zeigt den Detektor D, der mit einem Analog/Digital-Wandler 5 verbunden ist, der Abtastungen an einen Computer 6 liefert. Der Computer analysiert die Abtastungen, um die Impulse P1, P2 zu lokalisieren und tastet ferner den Detektor D (Leitung 7) ab, um die Detektorwellenform mit der Realzeitanalyse im Computer zu synchronisieren. Die Positionsdaten werden an eine Steuerung 8 gegeben, spezifisch eine Robotersteuerung, die eine selbsttätige Regelung für einen den Detektor tragenden Roboter durchführt, um den Detektor in eine gewünschte Position relativ zu den Kanten 11, 12 zu bewegen.
Die Position von P1 und P2 in der Detektorzeitbasis liefert eine gute Anzeige der Position des Rahmenabschnitts 10 relativ zu der Vorrichtung, umfassend die Lichtquelle L und den Detektor D in der Richtung des Pfeils 14 in Fig. 1. Wenn der Rahmenabschnitt in Fig. 1 abwärts bewegt wird, werden sich die Impulse P1 und P2 in Fig. 2 nach rechts bewegen. Die Abweichung der Positionsinformation wird jedoch nachstehend genauer betrachtet.
Zur Vereinfachung zeigt Fig. 1 eine Punktlichtquelle L. In der Praxis wird die Quelle eine Apertur besitzen, die mit bezeichnet wird, und der Detektor wird eine Apertur aufweisen, die typischerweise durch eine Objektivlinse bestimmt wird. Die Ausbildung der Optik wird im einzelnen nachstehend betrachtet.
Die Streifen, die P1 und P2 erzeugen, sind etwas unbestimmt um die Kanten 11 und 12 angeordnet. Es ist möglich, Korrekturen anzubringen, um die Impulse P1 und P2 auf Positionen CP1 und CP2 zu bringen, die sie einnehmen würden, wenn sie auf die Krümmungszentren C1 und C2 der beiden Kanten bezogen wären.
Die einwärts und auswärts gekrümmten Kanten wirken als zylindrische Spiegel-"Linsen" mit einer wirksamen Brennweite von f=r/2, wobei r der Krümmungsradius ist. Fig. 1A zeigt die Positionen der virtuellen und realen Bilder M1 und M2, die von den beiden Kanten (mit stark vergrößerten Radien) durch ein Objekt an dem Sensor erzeugt werden. Unter der Bedingung, daß der Abstand d zwischen Sensor und Kante sehr viel größer als die Radien r ist, haben wir folgende Ergebnisse (Zeichenunterschiede in den beiden Fällen ignorierend).
Brennweite der Kante
F = r/2
Bildhöhe
h = ef/d = er/2d
Bildbreite der Lichtquelle
i = af/d = ar/2d
Winkelbreite der Lichtquelle, vom Detektor gesehen
p = i/d = ar/2d²
Korrekturwinkel, anzuwenden auf die Bildposition, zum Liefern des Strahls, der durch das Krümmungszentrum verläuft,
q = h/d = er/2d²,
wobei
r = Krümmungsradius jeder Kante (typischerweise 1-2 mm)
a = Apertur der Lichtquelle (typischerweise 1-2 mm)
d = Abstand zwischen Sensor und Fensterrahmen (typischerweise 100 mm)
e = Abstand zwischen Lampe und Detektor ist.
Das Einsetzen typischer Werte in die obigen Gleichungen zeigt, daß diese Technik fähig ist, sehr schmale Bildimpulsbreiten zu erzeugen.
Daher werden die individuellen Korrekturen in bezug auf die Winkelposition (Fig. 1A) gegeben durch q¹ = h&sub1;/d = er1/(2d²) q² = h&sub2;/d = er2/(2d²), wobei r1 und r2 die Krümmungsradien der Kanten 11 bzw. 12 sind, und in den Winkelpositionsbereich
CP1 = P1 + q1 und
CP2 = P2 - q2.
Ob es notwendig ist oder nicht, diese Korrekturen durchzuführen, hängt von der erforderlichen Genauigkeit ab.
Die Breite der Impulse P1 und P2 variiert mit dem Abstand von der Vorrichtung zu dem Rahmenabschnitt, so daß eine Abstandsinformation ebenfalls von der Analyse der Impulse erhalten werden kann. Eine andere offensichtliche Quelle für die Abstandsinformation ist der Abstand zwischen P1 und P2; die Kanten 11 und 12 werden um so näher zusammen erscheinen, je weiter sie sich von der Vorrichtung L, D befinden.
Eine Anzahl anderer Möglichkeiten existiert für spiegelnde Reflexionen, die die Bilder komplizieren können.

1. Kantenreflektor

Die beiden Seitenflächen, die die integrale Kante einschließen, wirken als ein Doppelspiegelkantenreflektor. Fig. 2 zeigt einen Impuls P3, der durch einen auffallenden Strahl I3 und einen reflektierten Strahl R3 erzeugt wird, der auf den Detektor bei S3 in Fig. 1 fällt. Die Position und Form des Impulses in dem Bild hängt von der Wahl des Abstandes zwischen Lampe und Detektor, dem genauen Winkel, der an der Kante gebildet wird, und der Flachheit der Seiten ab. Das Bild P3 kann an einer oder beiden Seiten von P2 auftreten. Der schlimmste Fall tritt auf, wenn der Abstand zwischen Detektor und Lampe klein ist. Die Amplitude dieses Signals kann durch Verwendung einer polarisierten Lichtquelle (elektrischer Vektor in der Diagrammebene) und einer Anordnung derart, daß das Licht auf jede Fläche unter dem Brewster-Winkel auffällt, reduziert werden. Die Stärke des reflektierten Signals ist in dieser Situation stark reduziert.

2. Vielfachreflektion

Vielfachreflektionsfälle können an der Innenkante auftreten, die zu einem Anstieg der scheinbaren Breite dieses Signals führen. Vlelfachreflektionen können auch durch Einbeziehung der innenkante und der Seiten auftreten. Diese Situationen werden um so mehr zu einem Problem, als der zwischen der Lampe und dem Detektor gebildete Winkel an der Kante groß wird.
In der Praxis ist es im allgemeinen kein Problem, die Positionen der Lampe und des Detektors so anzuordnen, daß die erforderlichen Signale, die von den Kanten stammen, leicht identifiziert werden können.
Die beschriebenen Sensoren sind grundsätzlich zweidimensionale Vorrichtungen, da die Detektoren linear in der Fächerstrahlebene angeordnet sind, und führen Positionsmessungen relativ zu der Kantenachse durch. Die Stärke der spiegelnd reflektierten Signale ist sehr winkelabhängig. Es ist wichtig, daß der Sensor sorgfältig ausgerichtet wird, um in der Ebene senkrecht zu der Kantenachse zu liegen, um die maximale Ansprache zu liefern. Der Winkelbereich, über den der Sensor ein verwertbares Signal liefert, hängt von detaillierten optischen Auslegungsfaktoren ab, wie von
1. der Apertur des Detektors,
2. der Breite des durch die Lampe erzeugten Lichtfächers,
3. den Abmessungen der lichtempfindlichen Pixelreihe. Linearreihendetektoren sind mit erweiterten Pixelbreiten erhältlich.
4. Die Winkelbreite kann ebenfalls durch Hinzufügen eines zylindrischen Linsenelementes vor und parallel zu dem Linearreihendetektor ausgedehnt werden.
Für beste Resultate sollte der Detektor ausgelegt sein, um auf die Unsicherheit im Winkel für eine bestimmte Anwendung anzusprechen, jedoch nicht mehr.
Streulicht, das in den Detektor fällt, kann die Bildqualität mindern. Eine Anzahl von Techniken kann verwendet werden, um solche Effekte zu minimieren.

1. Interferenzfilter/-laser

Die Verwendung einer Laserdiode als eine nahezu monochromatische Lichtquelle in Zusammenhang mit einem abgestimmten engen Bandpassinterferenzfilter vor dem Detektor wird den Hauptteil des Streulichts eliminieren.

2. Subtraktion von Signalen

Das Aufnehmen von zwei Bildern mit und ohne eingeschaltete(r) Lichtquelle und Abziehen der Signale ermöglicht es, Streulichtsignale zu eliminieren.
Beispiele der Verwendung der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die Fig. 3 bis 5 betrachtet, in denen eine Windschutzscheibe durch ein Rechteck 15 und der Rahmen, in die sie eingebracht werden soll, durch ein gestricheltes Rechteck 16 symbolisiert sind. Die X-Achse verläuft horizontal, die Y-Achse senkrecht zur X-Achse und beide in der Ebene der Windschutzscheibe, und die Z-Achse verläuft senkrecht zur Papierebene. Zur Verdeutlichung sind Fehler übertrieben.
Fig. 3 zeigt einen sehr einfachen Fall, in dem nur eine X-Achsen-Fehlausrichtung zu betrachten ist. Ein einzelner Sensor 17 wird den X-Achsen-Fehler Ex anzeigen und kann ein Steuersignal an einen Roboter liefern, um diesen zu veranlassen, die Windschutzscheibe 15 nach rechts zu verschieben, um den Fehler Ex zu eliminieren. Es sollte hervorgehoben werden, daß dies mit einem konventionellen Roboter durchgeführt werden kann, der bezüglich seiner selbst keinerlei Modifikationen erfordert.
Fig. 4 illustriert den Fall, in dem sowohl X-Achsen- als auch Y-Achsen-Fehler möglich sind. Zwei Sensoren 17 und 18 sind erforderlich, um die X-Achsen- und Y-Achsen-Fehler Ex und Ey zu bestimmen.
Fig. 5 illustriert einen allgemeineren Fall, bei dem auch ein Drehfehler um die Z-Achse vorhanden sein kann. Drei Sensoren 17, 18 und 19 sind nun vorgesehen und liefern Fehler E1, E2 und E3, aus denen die Bestimmung der Ex-, Ey- und θz-Korrekturen, die auf den Roboter zu geben sind, eine triviale trigonometrische Übung darstellt, wobei θz den Verdrehungsfehler um die Z-Achse darstellt und Ex und Ey zwischen dem Zentrum 20 des Fensters und dem Zentrum 21 des Rahmens gemessen werden.
In einem noch allgemeineren Fall wird die Z-Achsen-Information verwendet, um Fehler θx und θy zu bestimmen, d.h. Verdrehungen um die X- und Y-Achse. Wenn drei Signale Dx, Dy und Dz wie oben beschrieben aus den Impulsbreiten oder dem Impulsabstand (oder stereoskopisch, wie nachstehend beschrieben wird) erhalten werden, um den Abstand des Rahmens 16 von den Vorrichtungen 17, 18 und 19 zu liefern, ist ersichtlich, daß θx = θy = 0 ist, wenn Dx, Dy und Dz alle gleich sind. Wenn sie nicht gleich sind, ist es ein Fall von elementarer Trigonometrie, θx und θy zu bestimmen und die entsprechenden Korrektursignale für den Roboter abzuleiten. In der Tat ist es ein besonderer Vorteil der Erfindung, daß dann wenn in dem Fall einer vollständigen Sechsachsensteuerung die Berechnungen, die notwendig sind, um die Korrektursignale für den Roboter zu bestimmen, innerhalb der Möglichkeiten eines relativ billigen Personal Computers liegen, der desweiteren die Berechnungen schnell genug für eine Realzeitsteuerung vornehmen kann.
Eine praktische Form der elektro-optischen Vorrichtung 29 wird nun unter Bezugnahme auf die Fig. 6 bis 8 beschrieben. Ein Lichtkasten 20 ist durch eine Unterteilung 21 in eine Lichtquellenkammer 22 und eine Detektorkammer 23 unterteilt. Innerhalb der Lichtquellenkammer richtet eine Laserdiode 24 über eine zylindrische Linse 25 und einen Spiegel 26 einen fächerförmigen Strahl 27 auf ein Fenster 28 im Boden des Kastens. Reflektiertes Licht tritt in die Detektorkammer 23 durch ein anderes Fenster 30 ein, wird durch einen Spiegel 31 durch einen Filter 32 und eine brennweiteneinstellbare Objektivlinse 33 gerichtet und wird dann durch einen anderen Spiegel 34 auf einen Zeilendetektor 35 gerichtet, der unter einem solchen Winkel schräg angestellt ist, daß die Bilder von beiden Kanten gleichzeitig unabhängig von ihren differierenden Abständen von dem Detektor fokussiert werden können.
Das Gesichtsfeld 36 des Detektors ist dasjenige eines schmalen, fächerförmigen Strahls, und die Vorrichtung 29 ist so angeordnet, daß die Breitenabmessung des Strahls quer zu den abzutastenden Kanten verläuft.
Fig. 9 zeigt, wie vier der Vorrichtungen 29 relativ zu einem Hubrahmen 40 mit beispielsweise acht Saugnäpfen 41 zum Tragen einer Windschutzscheibe 15 montiert werden können. Obwohl nur drei Vorrichtungen 29 theoretisch verwendet werden können (vgl. Fig. 5), sind wegen der Änderungen in der Kraftfahrzeugkarosseriegröße, die in der Praxis auftreten, vier vorgesehen. Die Breite der Karosserien kann um bis zu 1 cm variieren. Durch Vorsehen symmetrischer linker und rechter Sensoren 29 an den Seiten des Fensters wird es möglich, das Fenster in der Öffnung zu zentrieren und die klebstoffgefüllten Spalten an den beiden Seiten gleichzumachen. Ferner liefern vier Vorrichtungen einige redundante Daten, so daß in den Berechnungen Übereinstimmungsprüfungen eingeschlossen und eine Warnung ausgegeben werden kann, wenn mangelnde Übereinstimmung vorliegt.
Fig. 10 zeigt einen Ausschnitt des Hubrahmens 40 und einen Ausschnitt einer Windschutzscheibe mit einer Plastikleiste 42 entlang ihrer Kante. Die Vorrichtung 29 wird von einem Träger 43 getragen, der an dem Rahmen 40 mittels zweier einstellbarer Arme 44, 45 befestigt ist, die es der Vorrichtung ermöglichen, in einer geeigneten Positon eingestellt und befestigt zu werden. Die Vorrichtung 29 wird an einem Träger 46 befestigt, der bezüglich des distalen Ences des Arms 45 geschwenkt wird, um es der Vorrichtung 29 zu ermöglichen, von der dargestellten Position, in der sie sich in Front von der Windschutzscheibe befindet, so daß sie den Rahmenabschnitt 10 sehen kann, in eine zurückgezogene Position geschwenkt zu werden, in der sie den Vorschub der Windschutzscheibe in den Rahmen nicht behindert. Die beiden Positionen werden durch Anschläge 47 und 48, die relativ zum Arm 45 (durch nicht dargestellte Mittel) fest sind, definiert.
Die Anschläge können mit Endschaltern versehen sein, um die automatische Steuerungsabfolge zu unterstützen. Somit müssen alle Träger 46 an ihren Anschlägen 47 anliegen, bevor die Positionsabtastung durchgeführt wird. In einer späteren Stufe, wenn die Windschutzscheibe zum Rahmen geführt wird, müssen alle Träger 46 an ihren Anschlägen 48 anliegen, damit abgesichert fortgefahren werden kann, die Windschutzscheibe in den Rahmen zu drücken.
Fig. 11 zeigt die Vorrichtung 29 und ihren Träger 46 in der zurückgezogenen Position und einen Stößel 49, der das Zurückziehen bewirkt. Der Stößel wird in einem weiteren Träger 50, der an dem Arm 45 befestigt und mit dem Träger 46 durch (nicht dargestellte) Mittel, wie einer Zahnstange, die an dem Stößel 49 befestigt ist, um mit einem an der Klammer 46 befestigten Ritzel zu kämmen, geführt. Wenn der Stößel mit dem Rahmenabschnitt 10 in Eingriff ist, wird er gegen die Wirkung einer Feder 51 zurückgedrückt und schwenkt hierdurch den Träger 46 und die Vorrichtung 29 frei, bis der Träger mit dem Anschlag 48 in Eingriff steht. Da der Hubrahmen 40 sich noch weiter vorzubewegen hat, besitzt der Stößel 49 einen zurückziehbaren Plunger 52, der dann gegen die Kraft einer anderen Feder innerhalb des Stößel 49 und kräftiger als die Feder 51 zurückgezogen wird.
Es könnte nicht möglich sein, sowohl P1 als auch P2 (Fig. 2) zu erzeugen, da die Innenkante 12 eine daran befestigte Leiste aufweist. Es ist dann nicht möglich, den Abstand durch den Abstand der Impulse P1 und P2 zu messen. Eine Messung basierend auf der Impulsbreite ist schwierig, zuverlässig zu interpretieren. Ein breiteres Bild resultiert hauptsächlich, wenn das Bild sich außerhalb des Brennpunkts befindet, wenn der Abstand nicht die Linsengleichung am Detektor erfüllt. Wenn der nominale Beobachtungsabstand do ist und das Detektorobjektiv eine Brennweite f und einen Abstand von Linse zur Detektorzeile von uo aufweist, dann ist 1/uo + 1/do = 1/f. Für irgendeinen anderen Abstand haben wir 1/u + 1/d = 1/f und ein punktförmiges Bild nimmt eine Breite w = (B/u)ABS(u-uo) ein, wobei B die Linsenapertur ist (siehe Fig. 12). Desweiteren ist es schwierig, die Impulsbreite wegen des variablen Untergrundes P, dem die Impulse überlagert sind, zu messen. Es wird daher bevorzugt, durch Vorseher von zwei seitlich beabstandeten Detektoren D zu messen und konventionelle Stereoskoptechniken anzuwenden. Die notwendigen Berechnungen könnten wieder gut innerhalb der Routinefähigkei ten eines typischen 16-bit Personal Computers vorgenommen werden.
Positionsionformationen können durch zwei Triangulationstechniken erhalten werden.

1. Verwendung von Stereodetektoren

Verwendung von zwei getrennten Detektoren zum Liefern eines Stereobilderpaares der gleichen Erscheinung, vorzugsweise des Bildstreifens von der äußeren Kante.

2. Verwendung von zwei Bildmerkmalen

Verwendung eines einzelnen Detektors, jedoch Identifizierung von zwei Bildmerkmalen entsprechend zu zwei Kanten und Verwendung der bekannten Abmessungen des Fensterrahmens und der Beobachtungsrichtung.
Methode 2 wurde in einigem Detail beschrieben. Die dargestellte besondere optische Anordnung war gewählt, um die Dicke des Sensors zu minimalisieren, um einen leichteren Zugang zum Sehen des Fensterrahmens von unterhalb des Glases zu ermöglichen.
Jedoch erscheint Methode 1 als die bevorzugte Technik. Diese hat den Vorteil, daß nur von der Außenkante für Messungen Gebrauch gemacht wird. Die Innenkante ist manchmal verdunkelt und wird daher eher durch andere, oben beschriebene spiegelnde Reflektionen verwirrt. Diese Methode vereinfacht auch die Sensorzugangsprobleme. Im allgemeinen werden keine Zurückziehmechanismen verwendet. Es sollte möglich sein, die Sensoren an dem Hubrahmenwerk anzubringen, so daß sie über dem Glas positioniert, aber noch in der Lage sind, die Außenkante zu beobachten. Dies wird im Fall von zwei seitlich montierten Sensoren durch die Krümmung der Windschutzscheibe unterstützt. In dem Fall der zwei oberhalb montierten Sensoren kann es notwendig sein, die Bezugsmessposition um einen kleinen Abstand abwärts verschoben zu wählen. Fig. 13 zeigt die Verwendung einer Stereovorrichtung mit zwei beabstandeten Detektoren D1, D2, die eine einzelne Lichtquelle L flankieren.
Abstandsinformationen werden vorzugsweise durch Triangulationstechniken, wie oben beschrieben, berechnet. Es ist jedoch möglich, einige Tiefeninformationen durch Messen der Breite der Bildimpulse, auch oben beschrieben, zu messen. Eine Messung der Impulsbreite kann dann als ein Cross Check gegenüber dem Abstand, berechnet aus den Triangulationsdaten, verwendet werden.
In der Auslegung der Optik für die beste Winkelempfindlichkeit können zwei widerstreitende Erfordernisse für die Apertur der Kameralinse auftreten. Wenn ein größerer Winkelabtastbereich erforderlich ist, kann es notwendig sein, die Apertur der Linse zu vergrößern. Gleichzeitig ist es zum Maximieren der Feldtiefe der Kamera und zum Aufrechterhalten einer scharfen wohldefinierten Peaktiefe wünschenswert, die Linsenapertur zu minimalisieren. Die Lösung für diese widerstreitenden Erfordernisse besteht darin, die konventionelle kreisförmige Apertur (angenommen in Fig. 6 bis 8) durch eine Schlitzapertur zu ersetzen, so daß die Breitenabmessung senkrecht zur Detektorebene ist.
Die ist in den Fig. 14A und 14B für den Typ einer stereoskopischen Vorrichtung, wie sie in Fig. 13 verwendet wird, dargestellt. Die beiden Detektoren D1, D2 (Kameras) haben Schlitzblenden 51 senkrecht zur Ebene des Detektors, d.h. der Ebene, die den Fächerstrahl 52 der Lichtquelle 53 und die Detektorzeile enthält.
Auf die gleiche Weise kann der Winkelbereich durch Verwendung einer Lichtquellenblende L mit einer ausgedehnten Breite senkrecht zu der Ebene des Detektors vergrößert werden (siehe Fig. 14A). in der Grenze kann ein Detektor mit einem sehr breiten Winkelbereich unter Verwendung einer langen schmalen Lichtquelle senkrecht zur Ebene des Detektors und Ersetzen einer konventionellen sphärisch symmetrischen Kameralinse durch eine zylindrische Linse aufgebaut werden.
Eine zweckmäßige Analogie besteht darin, dieses System mit einem "abgestimmten" Schaltkreis zu vergleichen. Der Detektor wird ausgelegt, um das erforderliche "spiegelnde Signal" zu finden, und den unerwünschten "lambertinischen" Untergrund zu eliminieren. Bei einem schmalen Winkelaufnahmebereich besitzt der Sensor einen hohen "Q"-Wert, wobei Signale in einer schmalen Bandbreite festgestellt werden. Durch Vergrößern des Winkelbereichs wird der "Q"-Wert des Detektors reduziert und die Bandbreite vergrößert, was zu einem größeren Beitrag von dem unerwünschten Untergrund führt. Die gewünschte Lösung besteht klar darin, die Optik so zu optimieren, daß der Winkelakzeptanzbereich zum Feststellen des spiegelnden Signals zu den charakteristischen Unsicherheiten, die in den Komponenten vorhanden sind, passt.
Die schließlich Abstimmung besteht darin, beide Aperturen (Quelle und Detektor) durch gekreuzte Paare von zylindrischen Linsen zu definieren, wobei es möglich ist, getrennt die Aperturen senkrecht und in der ebenen Richtung zu bestimmen.
Ein Problem, das im Zusammenhang mit dem Einsetzen von Windschutzscheiben festgestellt wurde, ist die Änderung in dem Komponentenradius der Krümmung, der auftritt, wenn das Presserkzeug verschleißt. Die Situation kann auftreten, wo eine Mischung von Fahrzeugkarosserien, die von verschiedenen Presswerkzeugen hergestellt werden, in der gleichen Produktionslinie vorhanden ist. Um die Peakpositionen in der Weise wie unter Bezugnahme auf Fig. 1A erläutert zu korrigieren, wird es notwendig, entweder die Herkunft jeder Karosserie zu identifizieren oder alternativ den Radius direkt zu messen. Dieses zweite Vorgehen kann mit einer einfachen Änderung des Detektors durchgeführt werden. fig. 15 zeigt einen stereographischen Detektor, dem eine zweite Lichtquelle L2 zugefügt wurde. Wenn nun (für jede Kamera D1, D2) zwei Bilder, eines mit jeder der beiden Lichtquellen L1, L2 aufgenommen und verglichen werden, ist es ersichtlich, daß die Bilder sehr ähnlich sind, jedoch werden die Peaks um einen kleinen Betrag wegen der Differenz in der Position der beiden Lichtquellen versetzt sein. Die beiden Quellen können alternierend eingeschaltet werden, um dies zu erleichtern. Fig. 16 zeigt eine Wellenform (a) wie in Fig. 2 für einen der Detektoren, beispielsweise D1, von Fig. 15, der auf Licht von der Quelle L1 anspricht und Peaks P1 und P2 von der äußeren und inneren Kante 11 bzw. 12 erzeugt. Ein falscher Peak F erscheint von einer Vielfachreflektion. Die Wellenform (b) zeigt die Ansprache des gleichen Detektors, jedoch unter Verwendung der Quelle L2. Die Peaks P1 und P2 haben sich um kleine Beträge DPI bzw. DP2 aufeinanderzu bewegt, jedoch hat sich der falsche Peak F in eine gänzlich verschiedene Position bewegt. Es stellt eine einfache Berechnungsübung in geometrischer Optik dar, aus den Ansprachen (a) und (b) und den entsprechenden Ansprachen vom Detektor D2 die komplette Geometrie in der Ebene des Detektors, nämlich die Koordinaten von C1 und C2 und die Krümmungsradien r1 und r2 zu bestimmen. Durch Messen dieser Verschiebung der Peakpositionen kann der Krümmungsradius gefunden werden. Die Gleichungen für q1 und q2 geben die Verschiebung in der Peakposition als eine Funktion des Krümmungsradius wider. Wenn sich die beiden Lichtquellen in einem bekannten Abstand befinden, ist es möglich, die Gleichung für den Radius zu lösen.
Diese Modifikation hat andere Vorteile. Die Richtung der Verschiebung in der Peakposition gibt nicht nur den Radius, sondern auch das Vorzeichen an, d.h. sie unterscheidet Peaks, die von inneren und äußeren Kanten stammen. Diese Information kann zweckmäßig beim Lösen von Unsicherheiten bei der Bildinterpretation sein.
Dieses Verfahren kann ferner helfen, zwischen "wirklichen" Peaks und "falschen" Peaks zu unterscheiden, die manchmal aus Vielfachreflektionssituationen, wie sie oben im Zusammenhang mit fig. 1 beschrieben wurden, auftreten. Diese "falschen" Peaks sind bezüglich der Position der Lichtquelle empfindlich und sind im allgemeinen vollständig unterschiedlich in den beiden Bildern, während die wirklichen Peaks sehr ähnlich, jedoch etwas zueinander verschoben sein werden.
Es wurde gezeigt, daß der Sensor selbst in der Lage ist, Objekte mit eher großen Krümmungsradien abzutasten. In diesem Fall sind jedoch die angegebenen Gleichungen zur Korrektur der Peakposition für Komponenten mit kleinen Radien nicht länger gültig, und die vollständigen Linsenformeln müssen gelöst werden.
Es gibt nichts Spezielles bei dieser Erfindung bezüglich der Verwendung einer Laserlichtquelle, außer daß sie üblich, klein ist und ihre monochromatische Natur es leicht macht, Hintergrundlicht auszufiltern.
Das Verfahren gemäß der Erfindung kann in einem Meßwerkzeug verwendet werden, das an einem Roboter angebracht ist, um eine Reihe von Messungen an Fahrzeugkarosserien vorzunehmen.

Claims

1. Verfahren zum Abtasten der Position einer spiegelnd reflektierenden, gerundeten Kante (11, 12) eines Objekts, wobei eine elektrooptische Abtastvorrichtung verwendet wird, wobei die Vorrichtung eine Lichtquelle (L), die einen fächerförmigen Lichtstrahl (I1-I2) liefert, der auf die Kante (11, 12) gerichtet ist, und einen Lichtdetektor (D) umfaßt, wobei das Verfahren den Schritt des Bestimmens der Position eines reflektierenden Objekts als eine Position (z.B. S1) längs einer linearen Skala einschließt, die auf die elektro-optische Abtastvorrichtung bezogen ist und innerhalb der fächerförmigen Strahlebene liegt, wobei der Detektor (D) wirksam ist, besagte Position zu bestimmen, wobei die Positionen der Quelle (L) und des Detektors (D) derart sind, daß eine relativ große Lichtmenge, die den Detektor erreicht, von einem schmalen, sich entlang der Kante erstreckenden Streifen spiegelnd reflektiertes Licht ist.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Position (S1) entlang der Skala korrigiert wird, um die Position auf das Zentrum der Krümmung (C1) der Kante zu beziehen.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (D) von einem Typ ist, der eine Ausgangswellenform liefert, in der die Position eines Impulses (z.B. P1) relativ zu einer Zeitbasis die Position eines reflektierenden Objekts darstellt.

4. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzeige für den Abstand der Vorrichtung zur Kante aus der Breite des Impulses (P1), der dem von dem besagten schmalen Streifen reflektierten Licht entspricht, erhalten wird.

5. Verfahren gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung ausgebildet ist, um gleichzeitig zwei Kanten des gleichen Objekts zu beobachten, und die Entfernung zwischen Vorrichtung und Objekt aus den Positionen (S1 und S2) bestimmt für die beiden Kanten bestimmt wird.

6. Verfahren gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zwei beabstandete Detektoren (D1, D2) umfaßt und der Abstand zwischen Vorrichtung und Kante stereoskopisch aus den durch die beiden Detektoren festgestellten Positionen bestimmt wird.

7. Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zwei beabstandete Lichtquellen (L1, L2) aufweist und der Krümmungsradius der Kante in Abhängigkeit von der Verschiebung zwischen der Position der Kante, wie sie durch die Detektoren in Ansprache auf die Bilder von den beiden Lichtquellen bestimmt wird, bestimmt wird.

8. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionen einer Vielzahl von reflektierenden, gerundeten Kanten, die über ein Objekt verteilt sind, durch eine entsprechende Vielzahl von elektro-optischen Abtastvorrichtungen (17, 18, 19 oder 29) bestimmt und die Positionen analysiert werden, um einen Satz von Ausrichtingsfehlern zwischen dem Objekt und den Vorrichtungen zu bestimmen.

9. Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen (29) an einem Roboter zum Komponentenanordnen befestigt sind und die Ausrichtungsfehler verwendet werden, um Robotereinstellungen bezüglich entsprechender Freiheitsgrade vorzunehmen, um eine ebenfalls von dem Roboter getragene Komponente (15) korrekt in bezug auf das Objekt (10) zu positionieren.

10. Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt eine Wagenkarosserie ist, wobei die Kanten um den Rahmen (10) einer Fensteröffnung in der Karosserie verteilt sind und die Komponente (15) ein in die Öffnung durch einen Roboter einzusetzendes Fenster ist.

11. Verfahren zum Abtasten der Position einer spiegelnd reflektierenden, gerundeten Kante eines Objekts, wobei eine elektro-optische Abtastvorrichtung verwendet wird, wobei die Vorrichtung eine Lichtquelle, die mit einem scharf gebündelten Lichtstrahl abtastet, um einen Fächer, der quer zur Kante (11, 12) orientiert ist, zu bilden, und einen Lichtdetektor (D) umfaßt, wobei das Verfahren den Schritt der Spezifizierung der Position des reflektierenden Objekts als eine Position (z.B. S1) längs einer linearen Skala umfaßt, die auf die elektro-optische Abtastvorrichtung bezogen ist und innerhalb der fächerförmigen Strahlebene liegt, wobei der Lichtdetektor (D) wirksam ist, besagte Position zu bestimmen, wobei die Positionen der Quelle (L) und des Detektors (D) derart sind, daß eine relativ große Lichtmenge, die den Detektor erreicht, von einem schmalen, sich entlang der Kante erstreckenden Streifen spiegelnd reflektiertes Licht ist.

12. Abtastvorrichtung für spiegelnde Reflexion, geeignet zum Abtasten der Position einer spiegelnd reflektierenden, gerundeten Kante (11, 12), wobei die Vorrichtung eine Lichtquelle (L), die einen aufgefächerten Lichstrahl liefert, der im Betrieb quer zur Kante (11, 12) orientiert ist, zwei Lichtdetektoren (D), die zum Empfangen von von der Kante spiegelnd reflektiertem Licht positionierbar sind, wobei die Lichtdetektoren von einem Typ sind, der eine Ausgangswellenform erzeugt, in der die Position eines Impulses (P1, P2) die Position längs einer linearen Skala innerhalb der Ebene des aufgefächerten Strahls anzeigt, und Rechnermittel (5, 6) umfaßt, die auf die Ausgangswellenform ansprechen, um die Position der Kante (11, 12) relativ zu den Detektoren (D) und in einer Detektorebene, die durch den aufgefächerten Strahl definiert wird, zu berechnen, wobei die beiden Detektoren (D1, D2) in der Detektorebene beabstandet und die Rechnermittel (5, 6) auf die Ausgangswellenform von beiden Detektoren ansprechend sind, um die Position der Kante (11, 12) zu berechnen.

13. Vorrichtung gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß da zwei in der Detektorebene beabstandete Lichtquellen (L1, L2) sind, und daß die Rechnermittel (5, 6) auf die Ausgangswellenformen jedes Detektors (D; D1; D2) entsprechend den beiden Lichtquellen ansprechen.

14. Abtastvorrichtung für spiegelnde Reflexion, geeignet zum Abtasten der Position einer spiegelnd reflektierenden, gerundeten Kante (11, 12), wobei die Vorrichtung eine Lichtquelle (L), die einen aufgefächerten Lichstrahl liefert, der im Betrieb quer zur Kante (11, 12) orientiert ist, einem Lichtdetektor (D), der zum Empfangen von von der kante spiegelnd reflektiertem Licht positionierbar sind, wobei der Lichtdetektor von einem Typ sind, der eine Ausgangswellenform erzeugt, in der die Position eines Impulses (P1, P2) die Position längs einer linearen Skala innerhalb der Ebene des aufgefächerten Strahls anzeigt, und Rechnermittel (5, 6) umfaßt, die auf die Ausgangswellenform ansprechen, um die Position der Kante (11, 12) relativ zu dem Detektor (D) und in einer Detektorebene, die durch den aufgefächerten Strahl definiert wird, zu berechnen, wobei es zwei in der Detektorebene beabstandete Lichtquellen (L1, L2) gibt und die Rechnermittel (5, 6) auf die Ausgangswellenform des Detektors (D; D1; D2) entsprechend den beiden Lichtquellen ansprechend sind.

15. Automatisches Zusammenbaugerät zum Anbringen einer Komponente (10) an einem Objekt (15), das gerundete, spiegelnd reflektierende Kanten besitzt, umfassend einen Roboter mit einem Kopf zum Halten der Komponente und programmiert zum Aufnehmen der Komponente in einer festen Position relativ zum Kopf und Bewegen der Komponente in eine nominale Bezugsposition relativ zu dem Objekt, wenigstens eine an dem Kopf montierte, elektro-optische Vorrichtung, die eingerichtet ist, um eine der Kanten des Objekts zu beobachten, wobei die oder jede Vorrichtung eine Lichtquelle und einen Lichtdetektor eingerichtet zum Ermöglichen, daß die Position des reflektierenden Objekts als eine Position längs einer linearen Skala bezogen auf die optische Vorrichtung bestimmt wird, in der die Lichtquelle einen fächerförmigen Lichtstrahl oder einen einen fächerförmigen Lichtstrahl simulierenden Abtaststrahl erzeugt, und sich die besagte Skala in der Haupterstreckungsrichtung des fächerartigen oder simulierten fächerartigen Strahls in einer Fächerstrahlebene und quer zur Kante erstreckt, und daß die Positionen von Quelle und Detektor derart sind, daß eine relativ große Lichtmenge, die den Detektor erreicht, von einem schmalen, sich entlang der Kante erstreckenden Streifen reflektiertes Licht ist, und Rechnermittel, die auf Signale von der bzw. den Vorrichtung(en) ansprechen, um wenigstens ein Korrektursignal zu berechnen, und Mittel, um das oder jedes Korrektursignal anzulegen, um einen entprechenden Freiheitsgrad des Roboters zu steuern, um so die Komponente genau in die besagte Bezugsposition zu bringen, bevor der Roboter die Komponente am Objekt anbringt.

16. Gerät gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die oder jede Vorrichtung an der Frontseite der Komponente zur Positionsmessung montiert ist und Mittel zum Zurückziehen der Vorrichtung(en), nachdem sie das oder die Signal(e) an die Rechnermittel geliefert haben und bevor der Roboter die Komponente am Objekt anbringt, vorgesehen sind.

17. Gerät gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die oder jede Vorrichtung zwei beabstandete Detektoren aufweist und die Rechnermittel die Position einer durch die Vorrichtung gemessene Kante über Triangulationsberechnungen bestimmt.