DE10028174A1 - System zum Ausmessen von Oberflächen mit einem Laserlicht-Generator - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ausmessen einer Oberflächengeometrie eines Teils mit den Schritten: DOLLAR A Aussenden eines Laserstrahls von einem Lasergenerator; DOLLAR A Ausdehnen des Laserstrahls zu einem divergierten Strahl; DOLLAR A Erzeugen von zumindest einem Streifenbild auf dem Teil; DOLLAR A Erzeugen einer Abbildung auf einer Oberfläche eines Teils und DOLLAR A Fotografieren der Abbildung zum Berechnen der Oberflächengeometrie des Teils.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Meßsystem zum Ausmessen der Oberflächengeometrie eines Teils.

Es gibt viele aktuelle Systeme zur Messung der Geometrie von dreidimensionalen Oberflächen. Ein solches System ist ein Koor­ dinatenmeßsystem (CMM), das verwendet wird, um Formstanzen, gestanzte Verkleidungen und andere Strukturen einer Fahrzeugkarosserie zu vermessen.

Die gegenwärtigen CMM-Systeme leiden an vielfältigen Nachteilen. Erstens sind die CMM-Systeme langsam, was die Anzahl von Messungen, die während eines vorgegebenen Zeitraums durchgeführt werden können, begrenzt. Zweitens erfordern die CMM-Systeme zur genauen Funktion einen Oberflächenkontakt und können deshalb die Oberfläche des Teils beschädigen. Die CMM-Systeme werden somit typischerweise nur in Verbindung mit kleinen Objekten verwendet, was sie verhältnismäßig uneffizient machen.

Außerdem weisen heutige Meßoberflächen typischerweise eine Vielzahl mechanisch beweglicher Teile auf. Diese beweglichen Teile können Schwingungen im System verursachen, die die Genauigkeit der Messungen beeinflussen können. Um die Ungenauigkeit oder die Unzuverlässigkeit bei den Messungen der Systeme, die mechanisch bewegliche Teile verwenden, zu reduzieren, benötigt das System Zeit zur Beruhigung der Schwingungen, bevor die Messungen vorgenommen werden. Diese Zeit addiert sich jedoch zu der Zeit zur Durchführung des Verfahrens und erhöht daher die Kosten. Diese Sy­ steme weisen auch hinsichtlich der Erfassungsgeschwindigkeit, der Größe und Zuverlässigkeit von Daten Grenzen auf.

Von daher liegt der Erfindung das Problem zugrunde, ein Meßsystem zum genauen und zuverlässigen Messen der Oberflächengeometrie von Teilen in drei Dimensionen zu haben, das weniger kostspielig und genauer ist als Systeme nach dem Stand der Technik und berührungsfrei arbeitet.

Das Problem wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale der Ansprüche 1, 9 und 10. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen erfaßt.

Die Lösung umfaßt ein Verfahren zum Ausmessen der zwei- oder dreidimensionalen Geometrie und ein berührungsfreies Meßsystem auf optischer Basis, das eine hohe Geschwindigkeiten der Datenerfassung aufweist und beispielsweise die Kosten der Entwicklung von Preßform und Konstruktion der Fahrzeugkarosserie senken kann.

Außerdem ist das - vorzugsweise dreidimensionale - Meßverfahren und Meßsystem gegenüber umweltbedingten Schwingungen unempfindlich.

Die Lösung umfaßt für ein Meßsystem und zur Messung der Oberflächengeometrie von Teilen in zwei bzw. drei Dimensionen einen Laser zum Aussenden eines Laserstrahls. Der Laserstrahl wird zuerst durch ein Objektiv geführt, das den Strahl streut. Das Objektiv ist in der unmittelbaren Nähe eines Flüssigkristallsystems angeordnet, so dass der Streustrahl von der Linse zum Flüssigkristallsystem verläuft. Das Flüssigkristallsystem nutzt den Streustrahl und erzeugt ein Streifenbild auf einer Oberfläche, deren Form in drei Dimensionen zu messen ist. Das Flüssigkristallsystem steht mit einem Computer in Verbindung, der das Rastermaß des Streifenbildes auf der Oberfläche des Teils steuert. Eine Kamera oder andere fotografische Ausstattung ist angeordnet, um eine Abbildung des Streifenbildes auf der Oberfläche herzustellen. Danach führt der Computer und das Flüssigkristallsystem ein Phasenverschiebungsverfahren durch und nimmt anschließend ein weiteres Bild der resultierenden Abbildung auf.

Andere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden deutlich, wenn sie im Lichte der ausführlichen Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und in Verbindung mit einer Zeichnung näher erläutert werden.

Die einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung eines Lichtgenerators mit Laseranordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit einem bevorzugten Meßsystem 10. Das Meßsystem 10 ist ein berührungsfreies, optisches, dreidimensionales Meßsystem zum Messen der dreidimensionalen Geometrie verschiedener Oberflächen z. B. von Preßformen, gepreßten Verkleidungen und Strukturen von Fahrzeugkarosserien. Das bevorzugte Meßsystem ist dafür gedacht, schneller und genauer als gegenwärtige Systeme zur Messung von Oberflächen zu sein.

Das System 10 weist einen Computer 12 auf, der sich über eine Datenleitung 14 mit einem Flüssigkristallsystem 16 in elektrischer Verbindung befindet. Das Flüssigkristallsystem 16 ist vorzugsweise ein räumlicher Lichtmodulator (SLM), wobei jedoch andere Arten von Flüssigkristallsystemen verwendet werden können. Eine Objektivlinse 18 ist hinter dem Flüssigkristallsystem und in un­ mittelbarer Nähe zu diesem positioniert, so dass ein Laserstrahl 20, der von einem hinter dem Objektiv 18 angeordneten Laser 22 ausgesendet wird, sowohl durch das Objektiv 18 als auch das Flüssigkristallsystem 16 läuft. Das Objektiv weist vorzugsweise eine sehr kurze Brennweite auf wie die, die an einer Objektivlinse für ein Mikroskop zu finden ist. Der optische Aufbau des Flüssigkristallsystems 16 und des Objektivs 18 ist kompakt und somit verhältnismäßig unempfindlich gegenüber Schwingungen in der Umgebung. Wegen der kompakten Beschaffenheit der optischen Gruppe ist das System leicht und kann deshalb an einem Roboter oder Stativ montiert werden.

Bei Betrieb geht der Laserstrahl 20 durch das Objektiv 18 hindurch, das ihn zu einem divergierten Strahl umformt, dargestellt durch den strichlinierten Strahlwinkel. Der divergierte Strahl durchläuft anschließend das Flüssigkristallsystem 16 und erzeugt auf der Oberfläche des zu messenden Teils eine regelmäßige Anordnung von Linien oder ein Streifenbild, wie es allgemein durch die Bezugszahl 24 dargestellt ist. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt die Pixelgröße auf der Oberfläche 3 Mikrometer mal 3 Mikrometer. Es können jedoch verschiedene andere Größen verwendet werden. Der Computer 12 steuert nach Bedarf das Rastermaß und die Phase des Streifenbildes.

Nachdem das Streifenbild auf die Oberfläche des Teils projiziert ist, wird eine Abbildung erzeugt, die das Streifenbild und die Oberfläche des Teils enthält, die zu vermessen ist. Die Erzeugung einer Abbildung auf der Oberfläche (24) des Teils nutzt vorzugsweise den für sich dem Fachmann bekannten Beugungseffekt, so dass das Streifenbild räumlich existiert und das Problem der Defokussierung wirksam ausschließt. Es können aber auch andere Verfahren zur Bilderzeugung genutzt werden. Vorzugsweise werden mehrere Streifenbilder auf der zu vermessenden Oberfläche (24) des Teils gebildet. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel werden auf der Oberfläche eines Teils drei Streifenbilder erzeugt, um eine genaue Messung der Geometrie der Oberfläche eines Teils zu gewährleisten. Es ist jedoch klar, dass auch vier oder mehr Muster erzeugt werden können.

Nachdem die erste Abbildung erzeugt wurde, fotografiert eine Kamera oder andere fotografische Vorrichtung (nicht dargestellt) ein Bild der Abbildung, welches zusammengesetzt ist aus den Streifenbildern auf der Oberfläche des Teils. Danach signalisiert der Computer 12 dem Flüssigkristallsystem 16, die Streifenbilder in der Phase zu verschieben, wie es für sich im Stand der Technik bekannt ist. Diese Phasenverschiebung unterstützt die genaue Messung der Oberfläche (24) des Teils. Danach wird ein weiteres Foto von der sich aus der Phasenverschiebung ergebenden Abbildung gemacht. Die Phasenverschiebung wird anschließend vorzugsweise erneut durchgeführt, um eine dritte Abbildung zu erzeugen. Dann wird ein Foto von dieser dritten Abbildung gemacht. Dieser Vorgang wird vorzugsweise dreimal ausgeführt. Gemäß der Erfindung kann der Vorgang jedoch mehr oder weniger häufig durchgeführt werden.

Während spezielle Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben wurden, können Fachleute entsprechende zahlreiche Veränderungen für andere Ausführungsbeispiele erkennen. Daher ist klar, dass die Erfindung nur durch die Patentansprüche begrenzt wird.

Claims (16)

1. Verfahren zum Ausmessen einer Oberflächengeometrie eines Teils mit den Schritten:
Aussenden eines Laserstrahls (20) von einem Lasergenerator (22);
Ausdehnen des Laserstrahls (20) zu einem divergierten Strahl;
Erzeugen von zumindest einem Streifenbild (24) auf dem Teil;
Erzeugen einer Abbildung auf einer Oberfläche des Teils; und
Fotografieren der Abbildung zum Berechnen der Oberflächengeometrie des Teils.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine
Phasenverschiebung des Streifenbildes (24) zum Erzeugen einer zweiten Abbildung; und
Fotografieren der zweiten Abbildung zum Berechnen der Oberflä­ chengeometrie des Teils.

3. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine mindestens dreimalige Phasenverschiebung.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl durch ein Objektiv ausgedehnt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Streifenbild mittels eines Flüssigkristallsystems erzeugt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Streifenbild durch einen räumlichen Lichtmodulator erzeugt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Erzeugen eines genauen Rastermaßes des Streifenbildes durch einen Computer gesteuert wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erzeugen einer Abbildung der für sich bekannte Beugungseffekt genutzt wird.

9. Meßsystem zum genauen Ausmessen der Oberflächengeometrie eines Teils, insbesondere zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-8, umfassend:
einen Laser zum Aussenden eines Laserstrahls;
ein Objektiv zum Empfangen des Laserstrahls und Erzeugen eines divergierten Strahls;
ein Flüssigkristallsystem, das in bezug auf den Laser hinter dem Objektiv angeordnet ist, um den divergierten Strahl zu empfangen und auf der Oberfläche des Teils mindestens ein Streifenbild zu erzeugen; und
einen Computer, der mit dem Flüssigkristallsystem zum Steuern der Anordnung des zumindest einen Streifenbildes in Wirkverbindung steht.

10. Meßsystem (10) zum genauen Ausmessen der Oberflächengeometrie eines Teiles in drei Dimensionen, insbesondere zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-8, umfassend:
einen Laser (22) zum Aussenden eines Laserstrahls (20);
ein Objektiv (18), um den Laserstrahl (20) zu empfangen und ihn zu einem divergierten Strahl auszudehnen;
ein Flüssigkristallsystem (16), das in bezug auf den Laser (22) hinter dem Objektiv (18) angeordnet ist, wobei das Flüssigkristallsystem den divergierten Strahl empfängt und zumindest ein Streifenbild (24) auf der Oberfläche des zu messenden Teils erzeugt; und
einen mit dem Flüssigkristallsystem zum Steuern von Rastermaß und Phase des Streifenbildes in Wirkverbindung stehenden Computer (12).

11. Meßsystem nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Flüssigkristallsystem (16) ein räumlicher Lichtmodulator ist.

12. Meßsystem nach einem der Ansprüche 9-11, dadurch gekennzeichnet, dass wobei das Objektiv in unmittelbarer Nähe des Flüssigkristallsystems angeordnet ist.

13. Meßsystem nach einem der Ansprüche 9-12, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv eine Objektivlinse ist.

14. Meßsystem nach einem der Ansprüche 9-13, gekennzeichnet durch Mittel zur Erzeugung einer Vielzahl von Streifenbildern auf der Oberfläche des Teils für das Ausmessen der Oberflächengeometrie des Teils.

15. Meßsystem nach einem der Ansprüche 9-14, dadurch gekennzeichnet, dass das auszumessende Teil ein Fahrzeugkarosserieteil ist.

16. Meßsystem nach einem der Ansprüche 9-15, dadurch gekennzeichnet, dass das auszumessende Teil eine Preßform ist.