3-0.Koordinatenmessung durch optische Triangulation 1) Von G. Seitz. H. Tiziani und R. Utschel1 ) Oas hier vorgestellte Drei·K oordinaten-MeI1gerät arbeitet nach dem Prinzip der optischen Triangulation. Einzelne punkte einer Oberfläche können gezielt lIngetastet und ver- messen werden. Hierbei wurden Meßunsicherheiten von 1: 0,1 mm bei einer maximalen MelJgeschwindigkeit 'Ion 25 PunktenlSekunde erreicht Se; einem MeI1abstand lIon lIon 420 mm beJijuft sich das Antasdefd auf 150 x 150 mm, Der optische Aufbau ermögliCht einen AbstandsmeßtJe. reich lIon ca. 350 mm. Das Gerät eignet sich zur räumli· chen Vermessung nichtspiegelnder Werkrtückoberfliichen. Da das MelJkonzepr eine freie Vorgabe der Antastpunlcte gestattet. sind Toleranz- und VolIsländigkeirsprüfungs- /lufgaben in der Serien fertigung bevorzugte Anwendungen. Einführung Im Hinblick auf die Automation ist die dreidimensionale Meßtechnik für die Qualitäusicherung, den FormvergJeich sowie zur Robotenteuerung wichtig geworden. Neben taktilen Verfahren werden in jüngster Zeit zunehmend berührungslose optische Verfahren angewendet. Eine Über· licht der optischen 3-O-Meßverfahren gibt Literatur (1]. Für 3·D·Messungen eignen sich besonders die Laufzeit· messung. Zwei-Wellenlängen·Verfahren mit Phasenmessung, Triangulationsverfahren und strukturierte Beleuchtung. Für industrielle Anwendungen sind Triangulationsverfahren mit punkt· oder linienweiser Antastung, besonders wegen ihres einfachen Aufbaus, geeignet. Abstandanmung durch optiache Triangu.tion Bild 1 zeigt eine Standardanordnung zur Abstandmessung durch optiSChe Triangulation. Ein Lichtstrahl S markiet1 .uf dem Mellobjekt einen Punkt P, der durch die Optik L • uf den ot1ssensitiven photoelektrischen Detektor T (zum Beispiel Photodiodenzeile, Linearposicon) in P' abgebildet wird. Durch die gegen den Antaststrahl geneigte Anordnung der Auswerteoptik mit Detektor wird erreicht. daß sich der Abstand H des Anta$lpunkts in eine definierte Punkt· bildposition umsetzt. Aus der Punktbildposition und den Geometriedaten des Aufbaus errechnet sich der Abstand H. Durch entstehende Anordnung von Abbildungsoptik und Detektor kann die Scheimpflugbedingungerfüllt werden. Zwei· und dfW*h .... Objektvennessung Zweidimensional erweiterbar ist dieses Meßprinzip durch gesteuerte. Umlenken des AntasUtrahls im Punkt D, zum Beispiel mit Hilfe eines Drehsp iegeIs (Bild 1). Der Antast- punkt P ist dann entlang einer Linie frei wählbar. Oie la· terale VerSChiebung des Antastpunkts ist jedoch mit einer Änderung des Feldwinkels verbunden. Da die Detektor· dynamik ~renzt ilt (Positionsauflösung 1:1000 bis 1:2000) bewirkt eine Systemauslegung luf hohe Feldwin· kelauflösung einen kleinen Feldwinkelmeßbereich . Ein großer lateraler Antastbereich ist folglich mit einer gerin· gen Abstandsauflösung verbunden und umgekehrt. Eine dynamiSChe NaChführung des Detektorbildfelds ver· meidet diesen Nachteil. Dies erlordert einen zweiten steuer· baren Drehspiegel SM1 im Abbildungsstrahlengang (Bild2), welcher unabhängig von 5M2 positionierbar ist. Oie Punkt· bildposition auf dem Detektor ist dann vom Einstellwinkel dieses Drehspiegels und vom Antastpunkt abhängig. Dies er- möglicht, Solldaten über die Objektgestalt in die Messung zu integrieren. Der Spiegel SM 1 ist beispielsweise so steuer· bar, daß beim Abasten einer Ebene das Punktbild auf der Detektormine stehen bleibt. 0 bjektpunkte außerhalb dieser Ebene führen zu einem entsprechenden Punktbildversatz . Geme5Sen wird folglich eine Objekthöhe relativ zu dieser Referenzebene. Da SM 1 beliebig pOsitionierbar ist, kann die Referenzebene durch eine beliebige Aeferenzkontur er- setzt werden. Das bietet die MögliChkeit, ein Objekt relativ zu einer Konturvorgabe zu venTlessen, was insbesondere bei Toleranzpriifaufgaben vorteilhaft ist. In dieser Anordnung kann die Scheimpflugbedingu ng nur für eine Antastrich· tunq erfüllt werden; alle anderen Punkte führen zu einem unscharfen Punktbild. Oie Posi tionsbestimmung des Punkt· bildes muß folglich mögliChst unempfindlich gegen Defokus· sierung sein. Das vorgestellte zweiachsige Meßverfahren tastet das Meß- objekt linienförmig ab. Durch Kippen des Aufbaus um eine parallel zur Basis B verlaufende Achse (Bild 2) ist diese An· tastlinie lateral verschiebbar, was eine dreidimensionale Ver· messung der ObjektoberfläChe erlaubt Werden nur Markie· rungs- und Abbildungsstrahlengang parallel zur Basis B ge· spiegelt. so ergibt sich der äqUivalente Effekt . l aser I T P' ~, -- - --- o _ B_ L 5 A ') Emwroflentliehung Zeittthr .• ,F~igunllittchnik _ laur· Mtß· PoL technik IFeiflW'erktechnik a. Memtchnik) 94 /1986) 7, C.I H.rt- .... V.rLtg. &XlO Mo.ineMn Objekt 11 Dipl..f'hv1. GUnlh.r SeitE. Prof. Dr.H.J. liti.nl und Dipl..!ng. Reinhold Lide"'l Institut für Ttchnitdle Optik, Univeraitl1 Bild 1: S"nderdaufbeu zur AbstandMleuung durch optischI Tri. n- SIUt1;tr1, 7000 Stultgar1: lI ulttion 88 Meßaüfbau Der prinzipielle Aufbau des Drei·Koordinaten-Meßgerätes ist in Bild 3 skizziert. Durt:h die linsen L 1 und l2 wird ein He-Ne Laserstrahl aufgeweitet und anschließend durch l3 über die Spiegel M2. SM2 und SM3 auf das Objekt fokus· siert. Der Sp iegel 5M2 ist auf einen Galvanometerscanner montiert und somit drehbar. was eine Positionierung des Antanpunktes in x-Aichrung erlaubt. Oie Positionierung in y-Aichtung wird durch den senkrech t zur Achse von SM2 drehbaren. schrittmotorgesteuerten Spiegel SM3 ermög- licht Durch die Optik l4 wird der Anlastpunkt über den stan mit 5M3 gekoppelten Drehspiegel SM4 und den galvanome- tergesteuerten Spiegel SM 1 auf eine Photodiodenzeile abge· bildet. Die Bildweite ist konstant. was eine scharfe Abbil· dung nur dann erwarten läßt. wenn sich der Antaslpunkt auf einer torischen Fläche bewegt. Bei einem beliebigen Meßobjekt ist folglich von e iner mehr oder minder starken Defokussierung des Punktbilds auszugehen. Der Schwer- punkt dieses Punktbilds ist eine gute Näherung für die Punktbildposition. Da eine rechnerische Schwerpunktbe· stimmung zu zeitaufwendig ist. wird die Punktbildposi tion aus den Punktbildflanken ermittelt. Die hierfür verwendete elektronische Schaltung besteht aus zwei im Pixehakt lau- fenden Binärzählern. wovon einer durch d ie ansteigende. der andere durch die abfallende Flanke des Punktbilds bei einem vorgegebenen Schwellwert gestoppt wird. Das arith- metische Mittel beider Zählresultate ergibt unter Annahme eines imensitätsmäß ig symmetrischen Punktbilds dessen Schwerpunktkoordinate . Zur Schaffung die$/' VorauSliet· zung ist eine bewegte Mattscheibe vor der Photodiodenzei· le angebracht. Diese bewirkt eine Tiefp~fiherung des Punktbilds, wodurch sich der Einfluß symmetriestörender Speckle, bedingt durch die VefWendung kohärenten l ichts, vermindert, Punktbildasymmetrien, bedingt durch Oefokus· sierung, können durch telezentrischen Strahlengang vermie- den werden. Wie bei dem vorgestellten zweiachsigen Meßkonzept ist die Scheimpflugbedingung auch hier nur für einen Antastpunkt erfüllbar, waS aber dank der defokussieruOQsunempfindl i- chen Auswertung dennoch zu tolerablen Ergebnissen führt . Gesteuert wird das Gerät durch einen handelsüblichen Kleinrechner. Die Objektvermessung erfolgt punktweise ; ein Meßzyklus beginnt mit der Positionierung der Drehspiegel 5M2 und SM3/SM4 auf einen Oberflächenpunkt, während SMl entsprechend dem ungefähren Objektabstand nachge- führt wird. Nach abgeschlossener Spiegelpositionierung und Ermittlung der Punktbildposition werden d ie Antastkoordj· naten durch den Steuerrechner enn itte lt. Resultate Bild 4 zeigt die Pseudo-3.Q.[)arstellung einer Messung, ent- standen durch Aufnahme von 200 Punkten pro horizonta- ler Profillin ie bei einem Objektabstand von 420 mm und einer Laserleistung von 2 mW. Oie Meßgeschwindigkeit ist durch die Belichtungszeit der Diodenzeile von 40 ms ~ ben. Der Abstandsmeßbereich ist dank des verwendeten Meßkonzepts sehr groß. Legt man einen Schwenkbereich beider Glavanometerscanner von t 10 Grad zugrunde, so liegt der Ant.astbereich prinz ip iell zwischen 120 mm und unendlich. In der Praxis ergeben sich jedoch aus verschie- denen Grunden EinSChränkungen: mit zunehmendem Meß· abstand sinkt bei konstanter Laserleistung die Intensität des Punktbilds. was durch Verlängerung der Zeilenbelich· tungueit und damit durch eine Reduktion der Meßge- schwindigkeit kompensiert werden muß. Desweiteren kön- nen Markierungsstrahl und Punktabbilduog nur für einen Meß.bstand fokussiert werden; .ine hiervon .bweichende T • (. \111 SM2 \ H Bild 2: Erw.i!trter Aufbau zUr ~.iiICni;ge" Obertlkhe" .... 'mes. .uno Antastposition füh rt folglich zu einem unscharfen Punkt. bild, von dessen Strahlleistung nur ein Bruchteil von der Photodiodenzeile ausgenut2t wird und damit zur Signal. generierung beiträgt. was wiederum eine Verlängerung der Belichtungszeit notwendig macht. Ferner bewirkt eine Oe- fokussierung des Markierungsstrahls einen grÖßeren licht. punkt auf der Objektoberfläche, wodurch die laterale Auf- lösung reduziert wird. Die Meßunsicherheit des Geräl$ hängt entscheidend von der Positioniergenauigkeit der Galvanometerscanner ab. Wird ei ne mal( imale Meßunsicherheit ge'orde"_ so wächst die notwendige Posit ioniergenaukgkeit mitzunehmendem Meß. abstand überpropo"ional an . Bei einem Abstand von 420 mm wurde noch eine Meßun- sicherheit von ± 0,1 mm erreicht. Die laterale Meßunsicher. heit beträgt bei einer Antastfläche von 150 x 150 mm ca. f 0,15 mm. Sind Abstriche an der Genauigkeit zulässig, so ~. • , .. _--, .-.,., Bild 3: R .. li'~1r Aufblu ;Nr dr.iICMige" OMrflk;t,.n~rme,. .. "" 89 r - BIld 4 : Ps.eudo.3.D.Oll,stellung der ""' Teslp.olol gemessenen Aaumkoord,nuten Bild 5 : Teslprofilaus Bild 4 90 kann das Gerät bei Verwendung eines le istungsstärkeren l asers auch für wesentlich größere Meßabstande verwendet werden. Genauigkeitssteigerungen, insbesondere uber einen größeren Meßbereich, si nd durch geeignetere Fokussierele· mente 2U erwarten [31. Die Meßgeschwindigkeit von 40 msl Antastpunkt ist in erster linie durch die geringe Laserlei· stung bedingt. Bei Verwendung eines leistungsstärkeren La- sers ist eine wesentliche Steigerung der Meßrate möglich. Anwendungen Wie aus Bild 4 ersichtlich, eignet sich das Gerät zum abscan· nen von WerkstLiekoberflächen. Verglichen mit anderen Ver- fahren [2J ist die hierbei erzielte Meßgeschwindigkeit je· doch sehr gering. Besser geeignet ist das Gerat für Anwen· dungen, bei denen nur wenige, aber beliebig über das Objekt verteilte Punkte zu vermessen sind, also beispielsweise für VolIständigkeits' und Toleranzpriifaufgaben an Werkstük· ken. H ierbei liegt der entscheidende Vorteil des Geräts darin , daß die Meßwenerfassung auf interessierende 0 bjekt· bereiche beschrankbar ist, wodurch sich die anschließende Auswertung erheblich ve reinfacht. Sc::hr ifttum 111 Strand, T.C.; Optical Three·dimensional Sensing lor Machine V,sion. Opt,cal Enginee,ing 24 (1985) S. 33 -40 121 Ri ou><. M.: Lalle' 'ange linder based on synd"on,zed SCanners. Apptoed Optics. 23 (1984) S. 3837·3844 131 Sickel, G .; Hausler, G.; Maul, M.: Triangulation with e >