DE4121326A1 - Optical measurement of distances to points on surface - involving orthogonal movements of measuring unit and rotation of object to achieve normal incidence of beam - Google Patents
Optical measurement of distances to points on surface - involving orthogonal movements of measuring unit and rotation of object to achieve normal incidence of beamInfo
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Abstract
Description
Durch die zunehmende Automation in der Fertigung ist es häufig nötig, Punkte auf der Oberfläche eines Körpers, z. B. eines Werkstückes oder Handhabungsgegenstandes, zu vermessen.Due to the increasing automation in manufacturing it is often necessary, dots on the surface of a body, e.g. B. of a workpiece or handling object measured.
Durch die Messung des Abstandes zwischen der Meßeinrichtung und dem Meßpunkt auf der Oberfläche sowie durch Vermessung einer Vielzahl von Meßpunkten auf der Oberfläche eines Körpers ist es dann möglich, bei entsprechend eng gewähltem Meßpunkteraster durch rechnerische Verknüpfung der Meßwerte für die einzelnen Punkte die Gestaltung der Oberfläche zu erfassen.By measuring the distance between the measuring device and the measuring point on the surface as well as by measurement a large number of measuring points on the surface of a It is then possible for the body, with a correspondingly narrow selection Measuring point grid by arithmetic linking of the measured values the design of the surface for the individual points to capture.
Zu diesem Zweck sind Meßverfahren und eine Vorrichtung zu deren Durchführung bekannt, wie sie beispielsweise in der DE-OS 39 10 855 beschrieben sind. Dabei wird vor einer Meßeinheit, die beispielsweise in der Waagerechten und Senkrechten verfahrbar ist, auf einen Drehteller, der um die Senkrechte rotierend gesteuert antreibbar ist, ein zu vermessender Gegenstand gestellt, dessen Kontur entlang von beispielsweise waagerechten Höhenlinien Punkt für Punkt vermessen wird.For this purpose, measuring methods and a device are too their implementation known, such as in the DE-OS 39 10 855 are described. It is in front of one Measuring unit, for example in the horizontal and Is vertically movable on a turntable that around the vertical can be driven in a rotationally controlled manner, too measuring object, whose contour along for example, horizontal contour lines point by point is measured.
Die Meßeinheit umfaßt dabei etwa einen gepulsten Laser, sowie als Sensor ein PSD, also eine Oberfläche, die das Auftreffen des reflektierten Laserstrahls registriert und je nach dem Auftreffpunkt innerhalb des PSD ein unterschiedliches Signal an eine Recheneinheit liefert.The measuring unit comprises a pulsed laser, as well as a sensor a PSD, i.e. a surface that the Impact of the reflected laser beam is registered and depending on the point of impact within the PSD delivers different signal to a computing unit.
Dabei werden zwar nur solche reflektierte Strahlen erfaßt, die überhaupt in den bereits relativ kleinen Bereich des PSD (Position-Sensitive-Device) gelangen. Dadurch geben nur diejenigen reflektierten Laserstrahlen ein Signal, welche etwa parallell zum ausgesandten Strahl, also in Richtung des PSD, reflektiert werden. Die durch Schrägstellung der Oberfläche des Körpers im Meßpunkt in andere Richtungen reflektierten Strahlen erreichen den PSD nicht und ergeben somit kein Meßsignal.Only such reflected rays are recorded, which in the already relatively small area of the PSD (Position Sensitive Device). This only gives those laser beams reflected a signal which approximately parallel to the emitted beam, i.e. in the direction of the PSD. By tilting the Surface of the body in the measuring point in other directions reflected rays do not reach the PSD and result therefore no measurement signal.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, möglichst genaue Meßwerte für den Abstand von- der Meßeinheit zum zu vermessenden Punkt mit möglichst geringem Aufwand zu erhalten.The object of the invention is to be as accurate as possible Measured values for the distance from the measuring unit to the measuring point with as little effort as possible receive.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.This task is characterized by the characteristics of the Claim 1 solved. Advantageous embodiments result itself from the subclaims.
Es hat sich gezeigt, daß bei einem senkrechten Auftreffen des Meßstrahles auf die Oberfläche die höchste Genauigkeit für die Meßwerte erzielt werden kann. Deshalb ist es notwendig, für eine möglichst genaue Messung die Meßeinheit in eine solche Lage bezüglich der Oberfläche im zu vermessenden Punkt zu bringen, daß der auf den Punkt von der Meßeinheit aus gerichtete Meßstrahl senkrecht auf die Oberfläche auftrifft.It has been shown that with a vertical impact of the measuring beam on the surface the highest accuracy for the measured values can be achieved. That's why it is necessary for a measurement as accurate as possible in such a position with respect to the surface to bring the surveying point to the point of the measuring unit from the measuring beam directed perpendicular to the Surface hits.
Dadurch kann jedoch nur die "Grobe," also makroskopische, Schrägstellung der Oberfläche des Körpers zum Meßstrahl berichtigt werden, nicht jedoch die durch die Oberflächen- Rauheit bedingte, mikroskopische Schrägstellung, da diese feiner ist, als die Fläche des Meßflecks, also des Bereiches, welchen der Meßstrahl beim Auftreffen auf die Oberfläche abdeckt. Der Meßfleck hat in der Regel einen Durchmesser in der Größenordnung von etwa 0,2 mm.However, this only allows the "rough", ie macroscopic, Inclination of the surface of the body to the measuring beam be corrected, but not by the surface Roughness-related, microscopic inclination, since this is finer than the area of the measuring spot, ie the Area which the measuring beam hits when it hits the Covering surface. The measuring spot usually has one Diameter on the order of about 0.2 mm.
Die senkrechte Einstellung der Oberfläche des Körpers im Meßpunkt zum Meßstrahl kann auf unterschiedliche Art erreicht werden: Die einfachste Methode ist dann möglich, wenn für das zu vermessende Objekt bereits Soll-Daten vorhanden sind und anzunehmen ist, daß die Ist-Daten von den Soll-Daten nicht allzu sehr abweichen. Wenn dann das zu vermessende Objekt auch in eine gegenüber der Meßeinheit vorbekannte Position gebracht werden kann, ist die Stellung der Oberfläche im Meßpunkt bezüglich des Meßstrahles bekannt und kann vor Durchführung der Messung zu einem 90°- Winkel verändert werden.The vertical adjustment of the surface of the body in the Measuring point to the measuring beam can be done in different ways can be achieved: The simplest method is then possible if target data already exists for the object to be measured are present and it can be assumed that the actual data of do not deviate too much from the target data. If so then measuring object also in a unit opposite the measuring unit previously known position can be brought is the position the surface at the measuring point with respect to the measuring beam known and can be made to a 90 ° Angle can be changed.
Ist das zu vermessende Objekt - zumindest im Bereich des zu vermessenden Punktes - dagegen völlig unbekannt, so muß vor der Durchführung der eigentlichen Messung die Schräglage durch Vormessungen ermittelt werden:Is the object to be measured - at least in the area of the measuring point - completely unknown, so must the inclination when performing the actual measurement can be determined by preliminary measurements:
Zu diesem Zweck werden beidseits des Meßpunktes sogenannte Nebenpunkte vermessen, deren Abstand zum eigentlichen Meßpunkt möglichst gering sein soll, vorzugsweise etwa das zwei- bis fünffache des Durchmessers des Meßfeldes. Durch den Unterschied der Abstände der beiden Nebenpunkte zur Meßeinheit einerseits und den gegenseitigen Abstand der Nebenpunkte, gemessen parallel zur Meßeinheit, andererseits, läßt sich die Schräge der Oberfläche zum Meßstrahl zwischen den Nebenpunkten und damit im Bereich des eigentlichen Meßpunktes ermitteln, so daß diese vor Durchführung der Vermessung des Meßpunktes durch Drehung des zu vermessenden Körpers und oder Veränderung der Lage der Meßeinheit zu einem 90°-Winkel verändert werden kann.For this purpose, so-called on both sides of the measuring point Measure secondary points, their distance from the actual one Measuring point should be as low as possible, preferably about two to five times the diameter of the measuring field. By the difference in the distances between the two secondary points Measuring unit on the one hand and the mutual distance of the Secondary points, measured parallel to the measuring unit, on the other hand, the slope of the surface can be Measuring beam between the secondary points and thus in the area determine the actual measuring point so that this before Carrying out the measurement of the measuring point by rotation of the body to be measured and or change of position the measuring unit can be changed to a 90 ° angle can.
In aller Regel wird an einem Körper eine Vielzahl von Meßpunkten vermessen. Dabei wird entlang von Meßlinien eine Reihe von Meßpunkten erfaßt, wobei bei Flächenvermessung der Oberfläche mehrere Meßlinien parallel zueinander hintereinander abgetastet werden.As a rule, a multitude of Measure measuring points. Here, along measuring lines Series of measuring points recorded, with area measurement the surface several measuring lines parallel to each other be scanned one after the other.
Selbst bei noch nicht vermessenen Körpern ohne vorhandene Soll-Daten ist es möglich, nach Durchführung der ersten Messung mit den oben beschriebenen Vormessungen der Neben punkte zu extrapolieren, welche Schrägstellung der benach barte, neu zu vermessende Meßpunkt momentan einnimmt, da die nacheinander zu vermessenden Meßpunkte üblicherweise in geringem Abstand zueinander liegen und sich die Krümmung der zu vermessenden Oberfläche innerhalb einer so geringen Strecke nur geringfügig verändert.Even with bodies that have not yet been measured without existing ones Target data is possible after performing the first Measurement with the preliminary measurements of the secondary described above extrapolate points, which inclination of the adj beard, new measuring point currently occupies, because the measuring points to be measured one after the other usually in are close to each other and the curvature the surface to be measured within such a small The route changed only slightly.
Die Schrägstellung im Bereich eines neu zu vermessenden Meßpunktes wird daher aus der Schrägstellung des bzw. der zuletzt vorher vermessenen Meßpunkte extrapoliert und für die vor der neuen Vermessung vorzunehmende senkrechte Einstellung zugrundegelegt.The inclination in the area of a new one to be measured The measuring point is therefore from the inclination of the last measured points previously measured and for the vertical to be made before the new measurement Setting used.
Die Durchführung der Meßvorgänge ausschließlich bei senkrecht auftreffendem Meßstrahl soll als "Orthogonales Meßverfahren" bezeichnet werden.The execution of the measuring processes exclusively at vertical measuring beam should be called "Orthogonal Measurement method "are referred to.
Aufgrund der durchzuführenden Vormessungen bzw. orthogonalen Einstellung des Meßstrahles auf die Oberfläche im Meßpunkt vor Durchführung jeder Einzelmessung ist das Abtasten eines Körpers oder einer Oberfläche mit dem orthogonalen Meßverfahren zeitaufwendiger als bei nicht orthogonalem Messen.Due to the preliminary measurements to be carried out or orthogonal adjustment of the measuring beam to the surface at the measuring point before each individual measurement is made Scanning a body or surface with the orthogonal measuring methods more time consuming than not orthogonal measurement.
Um diesen zeitlichen Mehraufwand zu begrenzen, ist es möglich, mit einem nicht-orthogonalen Meßverfahren zu messen, bis aus den Meßwerten der nacheinander vermessenen Punkte eine solche Schrägstellung der Oberfläche für den nächsten zu vermessenden Punkt extrapoliert wird, die über einen vorgegebenen, maximal zulässigen Schrägstellungswinkel hinausgehen. Erst dann wird automatisch auf orthogonales Messen umgeschaltet.To limit this extra time, it is possible with a non-orthogonal measurement method Measure until the measured values of the successively measured Points such an inclination of the surface for the next point to be measured is extrapolated, the over a predetermined, maximum permitted inclination angle go out. Only then will it open automatically orthogonal measurement switched.
Darüber hinaus wird zur weiteren Verbesserung der Meßge nauigkeit zum Bestimmen der Entfernung eines einzigen Punktes eine ganze Reihe von Einzelmessungen durchgeführt, mindestens ca. 50 Einzelmessungen, vorzugsweise jedoch etwa 200 Einzelmessungen pro Meßpunkt. Der auszugebende Meßwert wird aus diesen Einzelwerten dadurch ermittelt, daß die Einzelmeßwerte in gültige und ungültige Einzelmeßwerte unterteilt werden, und der Ausgabe-Meßwert durch Mittelung, z. B. arithmetische Mittelung, der gültigen Meßwerte bestimmt wird.In addition, to further improve the Meßge accuracy to determine the distance of a single one Carried out a whole series of individual measurements, at least about 50 individual measurements, but preferably about 200 single measurements per measuring point. The measured value to be output is determined from these individual values in that the Single measured values in valid and invalid single measured values be divided and the output measured value by averaging, e.g. B. arithmetic averaging, the valid measured values is determined.
Die Unterscheidung in gültige und ungültige Meßwerte erfolgt dadurch, daß über die Gauß-Verteilung der Einzelwerte ein Bereich gelegt wird, dessen Mitte bei dem Wert angesetzt wird, an dem die meisten Einzelmeßwerte liegen, also der Spitze der Gauß-Kurve.The distinction between valid and invalid measured values is done by using the Gaussian distribution Individual values an area is placed, the middle of which at the Value is applied to the most individual measured values lie, i.e. the tip of the Gauss curve.
Die seitlichen Begrenzungen des Bereiches der zulässigen Werte werden in der gleichen Entfernung von der Mitte des Wertebereiches beidseits so gesetzt, daß ein vorgegebener Prozentsatz der Einzelmeßwerte innerhalb des sich so ergebenden Wertebereiches liegt. Dadurch werden die Ausreißer unter den Einzelmeßwerten für die Mittelung eliminiert.The lateral limits of the range of permissible Values are at the same distance from the center of the Value range set on both sides so that a given Percentage of the individual measured values within the so resulting value range. This will make the Outliers among the individual measurement values for the averaging eliminated.
Der anzusetzende Prozentsatz liegt dabei in der Größenordnung von etwa 70 bis 80 Prozent.The percentage to be applied lies in the On the order of about 70 to 80 percent.
Weiterhin ist zu beachten, daß bei rasterartiger Abtastung einer Oberfläche für die Meßgenauigkeit nicht nur die Schrägstellung der Oberfläche an den Meßpunkten in einer Richtung, also entlang der Meßlinie, von Bedeutung ist, sondern auch quer zu dieser Meßlinie. Falls auch diese Schrägstellung zur weiteren Verbesserung der Meßge nauigkeit ausgeschlossen werden soll, so müssen bei dem Verfahren mit der Vormessung durch Nebenpunkte nicht nur zwei beidseits angeordnete Nebenpunkte, sondern mindestens drei, etwa gleichmäßig um den Meßpunkt herum angeordnete, Nebenpunkte vermessen werden.It should also be noted that with raster-like scanning a surface for the measurement accuracy not only that Inclination of the surface at the measuring points in one Direction, i.e. along the measuring line, is important, but also across this measurement line. If this too Inclination to further improve the measurement accuracy should be excluded, so the Procedure with the pre-measurement by secondary points not only two secondary points arranged on both sides, but at least three, approximately evenly arranged around the measuring point, Secondary points are measured.
Vorzugsweise wird man hier mit vier gleichmäßig um den Meßpunkt herum verteilten Nebenpunkten arbeiten, von denen zwei beidseits des Meßpunktes auf der gerade bearbeiteten Meßlinie und zwei weitere beidseits vom Meßpunkt, querab von der Meßlinie liegen.Preferably you will be around evenly with four Measuring points distributed around auxiliary points work, of which two on both sides of the measuring point on the one being processed Measuring line and two more on both sides of the measuring point, transversely from the measuring line.
Um den Meßstrahl dann senkrecht zur Oberfläche einzustellen, ist selbstverständlich eine zusätzliche relative Bewegungsmöglichkeit von Meßeinrichtung und zu vermessender Oberfläche zueinander notwendig gegenüber der Berücksichtigung der Schrägstellung in nur einer Richtung, etwa entlang der Meßlinie.Around the measuring beam then perpendicular to the surface hiring is of course an additional one relative movement of the measuring device and to measuring surface necessary relative to each other Taking into account the inclination in only one direction, approximately along the measurement line.
Weiterhin kann die Meßgenauigkeit dadurch verbessert werden, daß der Einfluß des Umgebungslichtes auf die Sensorfläche eliminiert wird. Zu diesem Zweck findet - zeitlich möglichst unmittelbar vor der Messung mittels Meßstrahl - eine Registrierung derjenigen Meßwerte der Sensorfläche statt, die allein durch den Einfall des Umgebungslichtes erzeugt werden. Diese Werte werden bei der unmittelbar danach durchzuführenden Messung mittels Meßstrahl, also meist einem gepulsten Laserstrahl, abgezogen, so daß die dann erhaltenen Werte tatsächlich das Ergebnis des in den Sensorbereich reflektierten Laserstrahles sind.Furthermore, the measurement accuracy can be improved be that the influence of ambient light on the Sensor surface is eliminated. For this purpose - as soon as possible immediately before the measurement using Measuring beam - a registration of those measured values of the Sensor surface instead, which is due to the incidence of the Ambient light are generated. These values are used in the to be carried out immediately afterwards by means of Measuring beam, usually a pulsed laser beam, subtracted so that the values then obtained are actually that Result of the reflected in the sensor area Are laser beams.
Das Verfahren wird im folgenden anhand der Figuren bei spielhaft näher beschrieben. Es zeigen:The method is described below with reference to the figures playfully described in more detail. Show it:
Fig. 1 eine Anordnung zur Durchführung des Meßverfahrens, Fig. 1 shows an arrangement for carrying out the measuring method,
Fig. 2 die Verteilung der Meßwerte eines Meßpunktes, Fig. 2 shows the distribution of the measured values of a measuring point,
Fig. 3 die Zuordnung von Meßstrahl und Oberfläche und Fig. 3, the assignment of the measuring beam and surface and
Fig. 4 die Verteilung der Meßwerte mit dem vorgegebenen Wertebereich. Fig. 4 shows the distribution of the measured values with the predetermined range of values.
Fig. 1 zeigt eine mögliche Anordnung zur Durchführung des Verfahrens, bei dem ein Körper 1 auf eine waagerechte, um die Achse 41 drehbare Platte 40 willkürlich aufgesetzt wurde, wie in der Aufsicht dargestellt. Vor dem zu vermessenden Körper 1 befindet sich die Meßeinheit 4, von der der Meßstrahl 5 ausgeht, der von einem Meßpunkt 2 auf der Oberfläche 3 des Körpers reflektiert wird, so daß ein Teil des reflektierten Strahles 16 den Sensorbereich 15 auf der Meßeinheit 4 trifft und dort ein Meßsignal bewirkt. Fig. 1 shows a possible arrangement for implementing the method, in which a body 1 to a horizontal, rotatable about the axis 41 plate was placed arbitrarily 40 as shown in plan view. In front of the body 1 to be measured is the measuring unit 4 , from which the measuring beam 5 emanates, which is reflected by a measuring point 2 on the surface 3 of the body, so that part of the reflected beam 16 hits the sensor area 15 on the measuring unit 4 and there causes a measurement signal.
Die Meßeinheit 4 ist sowohl in der Waagerechten, also der X-Richtung, entlang einer Querführung 17 verfahrbar, wobei die Querführung 17 ihrerseits in der Z-Richtung, also in der Senkrechten, entlang einer Senkrechtführung 18 höhenverstellbar ist.The measuring unit 4 can be moved both horizontally, that is to say the X direction, along a transverse guide 17 , the transverse guide 17 in turn being adjustable in height in the Z direction, that is to say in the vertical direction, along a vertical guide 18 .
Durch Drehung der Platte 40 kann jeder Punkt des Umfanges des Körpers 1 - außer falls Hinterschneidungen in der Oberfläche vorhanden sind - so eingestellt werden, daß die Umgebung des gewünschten Meßpunktes 2 in der Darstellung der Fig. 1 parallel zur Querführung 17 und damit senkrecht zum Meßstrahl 5 liegt.By rotating the plate 40 , each point of the circumference of the body 1 can be set - except if there are undercuts in the surface - in such a way that the surroundings of the desired measuring point 2 in the illustration in FIG. 1 are parallel to the transverse guide 17 and thus perpendicular to the measuring beam 5 lies.
Zu diesem Zweck muß natürlich gegebenenfalls auch die Meßeinheit 4 in der X-Richtung, also in der Waagerechten, verfahren werden, um mit dem Meßstrahl 5 wiederum genau auf den zu vermessenden Punkt 2 zu zielen. For this purpose, of course, the measuring unit 4 may of course also have to be moved in the X direction, that is to say in the horizontal direction, in order to aim the measuring beam 5 precisely at the point 2 to be measured.
Gegenüber der Darstellung der Fig. 1 ist in der Realität der Abstand zwischen der Meßeinheit 4 und dem Körper 1 so groß und der Abstand zwischen dem den Meßstrahl 5 erzeugenden Laser und dem Sensor 15 in der Meßeinheit 4 so gering, daß der Winkel zwischen dem Meßstrahl 5 und dem reflektierten Strahl 16 vernachlässigbar gering ist.Compared to the illustration of FIG. 1 is so large, in reality, the distance between the measuring unit 4 and the body 1 and the distance between the measuring beam 5 generated laser and the sensor 15 in the measuring unit 4 is so small that the angle between the measurement beam 5 and the reflected beam 16 is negligible.
Auf diese Art und Weise kann nach einem der beschriebenen Verfahren jeweils eine Höhenlinie des Körpers 1 Punkt für Punkt abgetastet werden, und nach Verstellung der Querführung 17 in der Höhe, also in Z-Richtung, eine Höhenlinie um die andere, bis der Körper 1 vollständig abgetastet ist.In this way, according to one of the methods described, one contour line of the body 1 can be scanned point by point, and after the transverse guide 17 has been adjusted in height, that is to say in the Z direction, one contour line around the other until the body 1 is complete is scanned.
Falls die Schrägstellung der Umgebung eines Meßpunktes 2 nicht nur in der Darstellung der Fig. 1 senkrecht zum Meßstrahl 5 liegen soll, sondern auch in ihrer Neigung bezüglich der X-Y-Ebene, die ja ebenfalls von 90° verschieden sein kann, so muß zusätzlich entweder die Platte 40 um eine parallel zur X-Richtung liegende, nicht dargestellte Achse schwenkbar ausgebildet sein, oder die Meßeinheit 4 ist an der Querführung 17 um die X-Achse schwenkbar befestigt.If the inclination of the surroundings of a measuring point 2 should not only be perpendicular to the measuring beam 5 in the illustration of FIG. 1, but also in its inclination with respect to the XY plane, which can also be different from 90 °, then either the Plate 40 can be designed to be pivotable about an axis (not shown) lying parallel to the X direction, or the measuring unit 4 is fastened to the transverse guide 17 so as to be pivotable about the X axis.
Die Meßeinheit 4 ist weiterhin mit einer in der Fig. 1 nicht dargestellten Recheneinheit verbunden.The measuring unit 4 is also connected to a computing unit, not shown in FIG. 1.
Demgegenüber zeigt Fig. 3 die Durchführung der Vormes sungen zum Vermessen eines Meßpunktes 2:In contrast, Fig. 3 shows the implementation of Vormes solutions for measuring a measuring point 2 :
Fig. 3a zeigt - in einer Aufsicht ähnlich der Fig. 1 - einen Teil der Oberfläche 3 mit dem Meßpunkt 2, und deren Schräglage bezüglich des Meßstrahles 5. Die Oberfläche 3 weist im Meßpunkt eine Schrägstellung um den Winkel 13 gegenüber der orthogonalen Lage bezüglich des Meßstrahles 5 auf. Fig. 3a shows - in a view similar to Fig. 1 - a part of the surface 3 with the measuring point 2, and their inclination with respect to the measuring beam. 5 The surface 3 has an inclination at the measuring point by the angle 13 with respect to the orthogonal position with respect to the measuring beam 5 .
Da diese Schrägstellung noch nicht bekannt ist, wird die Meßeinheit 4 zunächst um die Strecke 21 jeweils nach links und rechts in X-Richtung verfahren und in diesem X-Abstand vom Meßpunkt 2 jeweils ein Nebenpunkt 12 und 12′ vermessen. Aus der Differenz δY der für die Y-Richtung ermittelten Werte der Nebenpunkte 12 und 12′ einerseits sowie dem Abstand der beiden Nebenpunkte 12 und 12′ in X-Richtung, nämlich 2 mal 21, ergibt sich die Größe des Winkels 13 alsSince this inclination is not yet known, the measuring unit 4 is first moved to the left and right in the X direction by the distance 21 and a secondary point 12 and 12 'is measured at this X distance from the measuring point 2 . From the difference δY of the values of the secondary points 12 and 12 'determined for the Y direction on the one hand and the distance between the two secondary points 12 and 12 ' in the X direction, namely 2 times 21, the size of the angle 13 results as
tan (13) = δY /(2 × 21).tan (13) = δY / (2 × 21).
Um die Oberfläche 3 im Bereich des Meßpunktes 2 in einem zum Meßstrahl 5, also der Y-Richtung, orthogonale Lage zu bringen, muß der Körper 1, also die Platte 40, um den Betrag des Winkels 13 verschwenkt werden, bis der Punkt 2 die Position 2′ der Fig. 3b erreicht hat.In order to bring the surface 3 in the area of the measuring point 2 in a position orthogonal to the measuring beam 5 , that is to say the Y direction, the body 1 , that is to say the plate 40 , must be pivoted by the amount of the angle 13 until the point 2 Position 2 'of Fig. 3b has reached.
Um den sich dabei ergebenden Versatz 50 des Meßpunktes 2 in X-Richtung muß selbstverständlich auch die Meßeinheit 4 in X-Richtung nachgeführt werden. Die Strecke 50 läßt sich aus dem Betrag des Winkels 13 sowie dem Abstand 42 zwischen dem Meßpunkt 2 und der benutzten Drehachse 41 bestimmen. Dieser Abstand 42 wird bestimmt aufgrund der Kenntnis des Y- Abstandes der Achse 41 von der Meßeinheit 4 und dem geschätzten Abstand in Y-Richtung des Meßpunktes 2, der aus den ermittelten Werten für die Nebenpunkte 12 und 12′ interpoliert wird.In order for the resulting offset 50 of the measuring point 2 in the X direction, the measuring unit 4 must of course also be tracked in the X direction. The distance 50 can be determined from the amount of the angle 13 and the distance 42 between the measuring point 2 and the axis of rotation 41 used . This distance 42 is determined based on the knowledge of the Y distance of the axis 41 from the measuring unit 4 and the estimated distance in the Y direction of the measuring point 2 , which is interpolated from the determined values for the secondary points 12 and 12 '.
Damit ist die orthogonale Stellung der Umgebung der Oberfläche 3 des Meßpunktes 2 gegenüber der Meßeinheit erfolgt, und die eigentliche Vermessung des Meßpunktes 2 kann durchgeführt werden.The orthogonal position of the surroundings of the surface 3 of the measuring point 2 with respect to the measuring unit has thus taken place, and the actual measurement of the measuring point 2 can be carried out.
Gegenüber der Aufsicht der Fig. 3 zeigt die Darstellung der Fig. 4 eine Ansicht der Oberfläche im Bereich des Meßpunktes 2 in Blickrichtung des Meßstrahles 5, also in Y- Richtung.Compared to the top view in FIG. 3, the illustration in FIG. 4 shows a view of the surface in the area of the measuring point 2 in the viewing direction of the measuring beam 5 , ie in the Y direction.
Dabei wird deutlich, daß der Meßstrahl 5 nicht punktförmig, sondern in Form eines runden oder ovalen Meßfeldes 6 auf der Oberfläche 3 auftrifft. Die Nebenpunkte 12 und 12′ befinden sich dabei beidseits - in X-Richtung versetzt - in einem Abstand 21 neben dem Meßpunkt 2, der etwa dem fünffachen des Durchmessers eines Meßfeldes 6 entspricht.It is clear that the measuring beam 5 does not strike the surface 3 in the form of a point, but in the form of a round or oval measuring field 6 . The secondary points 12 and 12 'are on both sides - offset in the X direction - at a distance 21 next to the measuring point 2 , which corresponds to approximately five times the diameter of a measuring field 6 .
Der Meßpunkt 2 sowie die Nebenpunkte 12 und 12′ liegen damit auf einer Meßlinie 7, die vorzugsweise mit der X- Richtung übereinstimmt.The measuring point 2 and the secondary points 12 and 12 'are thus on a measuring line 7 , which preferably coincides with the X direction.
Der aus der Fig. 3 ersichtliche Versatz der Nebenpunkte 12 und 12′ in Y-Richtung ist aus der Darstellung der Fig. 4 nicht ersichtlich. Ebenso ist weder aus Fig. 3 noch Fig. 4 eine Schrägstellung der Oberfläche 3 bezüglich der X-Y- Ebene erkennbar.The apparent from Fig. 3 offset of the secondary points 12 and 12 'in the Y direction is not apparent from the illustration in FIG. 4. Likewise, neither an inclination of the surface 3 with respect to the XY plane can be seen from FIG. 3 or FIG. 4.
Falls außer der Abweichung der Meßlinie 7 von der ortho gonalen Lage zum Meßstrahl 5 zusätzlich noch die Schräg stellung einer zur Meßlinie 7 senkrecht stehenden Meßlinie 7′ berücksichtigt werden soll, so muß das unter Fig. 3 beschriebene Verfahren für die Schrägstellung zur X-Achse zusätzlich für die Ermittlung der Schrägstellung der Oberfläche zur Z-Achse durchgeführt werden. Hierfür genügen bereits drei möglichst gleichmäßig um den Meßpunkt 2 herum angeordnete Nebenpunkte. Zur Vereinfachung der Berechnung der Schrägstellungen zur X-Y-Ebene empfiehlt es sich jedoch, vier Nebenpunkte anzuordnen, und zwar jeweils zwei Nebenpunkte auf jeder Meßlinie 7 und 7′, und hier jeweils beidseits des Meßpunktes 2.If, in addition to the deviation of the measuring line 7 from the orthogonal position to the measuring beam 5 , the inclined position of a measuring line 7 perpendicular to the measuring line 7 'is also to be taken into account, then the method described under FIG. 3 for the inclined position to the X axis must also be taken into account to determine the inclination of the surface to the Z axis. For this, three secondary points arranged as evenly as possible around the measuring point 2 are sufficient. To simplify the calculation of the inclinations to the XY plane, however, it is advisable to arrange four secondary points, namely two secondary points on each measuring line 7 and 7 ', and here on both sides of the measuring point 2 .
Anhand der der Fig. 3a ähnlichen Fig. 3c läßt sich auch
die Fortschreibung der Schrägstellung für einen neu zu
vermessenden Meßpunkt 2 erläutern, der auf einer Meßlinie 7
mit bereits vermessenen Meßpunkten 2′ und 2′′ liegt:
Da die Punkte 2′′ und 2′ bereits vermessen sind, ist
aufgrund der Differenz deren Y-Werte und X-Werte die
Schrägstellung der Oberfläche im Bereich zwischen 2′′ und
2′ gegenüber der orthogonalen Lage zum Meßstrahl 5 bekannt. .. On the basis of the Figure 3a similar 3c, the continuation of the inclined position for a newly explain to be measured measuring point 2, which is located on a measuring line 7 with already measured measuring points 2 'and 2' 'can be:
Since the points 2 '' and 2 'are already measured, the inclination of the surface in the range between 2 ''and 2 ' relative to the orthogonal position to the measuring beam 5 is known due to the difference between their Y values and X values.
Da sich der neu zu vermessende Meßpunkt 2 unmittelbar an die bereits vermessenen Punkte 2′′ und 2′ auf derselben Meßlinie 7 anschließt, nimmt man an, daß - bei gleichem Abstand zum Meßpunkt 2′ in X-Richtung - auch der Unterschied in der Y-Richtung und damit die Schräglage die Gleiche sein werden. Damit wird vor der Vermessung des Meßpunktes 2 auch der Körper 1 um den gleichen Winkel 13 weitergedreht, wie zwischen der Vermessung der Meßpunkte 2′′ und 2′.Since the new measuring point 2 to be measured immediately adjoins the already measured points 2 '' and 2 'on the same measuring line 7 , it is assumed that - with the same distance to the measuring point 2 ' in the X direction - the difference in the Y -Direction and thus the banked position will be the same. So that before measuring the measuring point 2 , the body 1 is rotated further by the same angle 13 as between the measuring of the measuring points 2 '' and 2 '.
Nachdem dann der Meßpunkt 2 exakt vermessen wurde, werden mit diesen Meßwerten die Unterschiedswerte in X- und Y- Richtung zum Meßpunkt 2′ genau berechnet, die dann wieder Grundlage für den nächsten Meßpunkt auf der gleichen Meßlinie ist.After the measuring point 2 was then measured exactly, the difference values in the X and Y directions to the measuring point 2 'are precisely calculated with these measured values, which is then the basis for the next measuring point on the same measuring line.
Dieses Verfahren funktioniert nur dann ausreichend genau, wenn der Abstand der Meßpunkte auf der Meßlinie 7 zueinander im Vergleich zur Änderung der Krümmung der Oberfläche des Körpers relativ klein ist und die Krümmung der Körperoberfläche sich nicht sprunghaft ändert, also Kanten aufweist.This method only works with sufficient accuracy if the distance between the measuring points on the measuring line 7 is relatively small compared to the change in the curvature of the surface of the body and the curvature of the body surface does not change abruptly, that is to say has edges.
Die stetige Veränderung der Krümmung kann zusätzlich berücksichtigt werden, indem nicht nur die Krümmung zwischen den zwei vorhergehenden Punkten als Einzelsegment betrachtet wird, sondern die Veränderung zwischen den Schrägstellungen mehrerer vorhergehender Segmente, also zwischen vorhergehenden Meßpunkten, berücksichtigt und bei der Extrapolation für den zu vermessenden neuen Meßpunkt 2 zusätzlich beachtet wird.The constant change in curvature can also be taken into account by not only considering the curvature between the two previous points as a single segment, but also taking into account the change between the inclinations of several previous segments, i.e. between previous measuring points, and in the extrapolation for the new one to be measured Measuring point 2 is also observed.
Ein Meßpunkt 2 wird vermessen, indem nicht nur eine, sondern eine Vielzahl von Messungen durchgeführt wird, um bei einer Einzelmessung auftretende Fehlereinflüsse, die in der Elektronik der Recheneinheit, dem Einfluß des Umgebungslichtes, oder den mechanisch-elektrischen Komponenten liegen, auszuschließen. In der Regel werden dabei bis zu 200 Einzelmessungen für einen einzigen Meßpunkt 2 durchgeführt.A measuring point 2 is measured by carrying out not only one, but a large number of measurements in order to exclude the effects of errors occurring in a single measurement, which are in the electronics of the computing unit, the influence of the ambient light, or the mechanical-electrical components. As a rule, up to 200 individual measurements are carried out for a single measuring point 2 .
Werden die Einzelwerte 8 über der Y-Skala hinsichtlich ihrer Häufigkeit 19 aufgetragen, so ergibt sich dadurch eine Verteilung der Häufigkeit, die in aller Regel die bekannte Gauß-Kurve 11 darstellt (Fig. 2).If the individual values 8 are plotted on the Y scale with regard to their frequency 19 , this results in a distribution of the frequency, which generally represents the known Gauss curve 11 ( FIG. 2).
Zur Ermittlung eines Ausgabemeßwertes 22 sollen die Einzelmeßwerte so selektiert werden, daß offensichtliche fehlerhafte Einzelmeßwerte 8 dabei unberücksichtigt bleiben.To determine an output measured value 22 , the individual measured values should be selected such that obvious incorrect individual measured values 8 are not taken into account.
Zu diesem Zweck wird bei dem Einzelwert 8, der die höchste Häufigkeit aufweist, eine Mitte 10 für einen Wertebereich 9 gesetzt, dessen Grenzen 14 auf solche Y-Einzelwerte 8 beidseits der Mitte 10 gesetzt werden, daß sich zwischen den Grenzen 14, also innerhalb des Wertebereiches 9, ein vorgegebener Prozentsatz - beispielsweise 80% - aller Einzelmeßwerte befinden. Die außerhalb des Wertebereiches 9 liegenden Einzelwerte 8 werden dann als "Ausreißer" eingestuft.For this purpose, a center 10 is set for a value range 9 in the case of the single value 8 , which has the highest frequency, the limits 14 of which are set to such Y individual values 8 on both sides of the center 10 that between the limits 14 , that is to say within the Range of values 9 , a predetermined percentage - for example 80% - of all individual measured values. The individual values 8 lying outside the range of values 9 are then classified as "outliers".
Die innerhalb des Wertebereiches 9 liegenden Einzelwerte 8 werden arithmetisch gemittelt und ergeben einen Ausgabe meßwert 22, der nicht unbedingt mit dem Wert der Mitte 10 übereinstimmen muß. Eine Übereinstimmung mit der Mitte 10 wäre nur dann gegeben, wenn die Kurve 11 exakt symmetrisch zur Mitte 10 ist.The individual values 8 lying within the range of values 9 are arithmetically averaged and produce an output measured value 22, which need not necessarily coincide with the value of the center 10th A correspondence with the center 10 would only exist if the curve 11 is exactly symmetrical with the center 10 .
Claims (9)
- - zur Ermittlung der Schräglage der Oberfläche (3) im Meßpunkt (2) zum Meßstrahl (5) auf beiden Seiten des Meßpunktes (2) je eine Vormessung eines Nebenpunktes (12, 12′) durchgeführt wird,
- - aus der Differenz der Meßwerte für die Nebenpunkte (12, 12′) die Schräglage (13) im Meßpunkt (2) bestimmt wird und
- - durch Änderung der Relativlage der Oberfläche (3) zum Meßstrahl (5) die Schräglage (13) auf 90° verändert wird.
- - To determine the inclined position of the surface ( 3 ) in the measuring point ( 2 ) to the measuring beam ( 5 ) on both sides of the measuring point ( 2 ), a preliminary measurement of a secondary point ( 12 , 12 ') is carried out,
- - From the difference of the measured values for the secondary points ( 12 , 12 ') the inclined position ( 13 ) in the measuring point ( 2 ) is determined and
- - The inclined position ( 13 ) is changed to 90 ° by changing the relative position of the surface ( 3 ) to the measuring beam ( 5 ).
- - für jeden Meßpunkt (2) mindestens 50, vorzugsweise etwa 200 Einzelmessungen durchgeführt werden,
- - aus den ermittelten Einzelwerten (8) eines Meßpunktes (2), die etwa eine Gauß-Kurve (11) bilden, ein Wertebereich (9) ermittelt wird, dessen Mitte (10) auf den Wert gesetzt wird, an dem sich der höchste Punkt der Kurve, also der Gauß-Kurve (11) befindet und dessen Grenzen (14) gleich weit von der Mitte (10) aus beidseitig so gesetzt werden, daß ein vorgegebener Prozentsatz der Einzelwerte innerhalb des Wertebereiches (9) liegt und
- - die innerhalb des Wertebereiches (9) liegenden Einzelwerte zu einem Ausgabewert (22) arithmetisch gemittelt werden.
- at least 50, preferably about 200 individual measurements are carried out for each measuring point ( 2 ),
- - From the determined individual values ( 8 ) of a measuring point ( 2 ), which form approximately a Gaussian curve ( 11 ), a value range ( 9 ) is determined, the center ( 10 ) of which is set to the value at which the highest point the curve, that is the Gauss curve ( 11 ) and the limits ( 14 ) of which are set equally far from the center ( 10 ) on both sides in such a way that a predetermined percentage of the individual values lies within the value range ( 9 ) and
- - The individual values lying within the value range ( 9 ) are arithmetically averaged to form an output value ( 22 ).
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|---|---|---|---|
| DE19914121326 DE4121326C2 (en) | 1991-06-27 | 1991-06-27 | Orthogonal measuring method |
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- 1991-06-27 DE DE19914121326 patent/DE4121326C2/en not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE4121326C2 (en) | 1999-03-11 |
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