FR2535451A1

FR2535451A1 - Apparatus for an optical triangulation measurement to determine the position of an object and record its profile

Info

Publication number: FR2535451A1
Application number: FR8218151A
Authority: FR
Inventors: Jean-Paul Hermann
Original assignee: Renault SA; Regie Nationale des Usines Renault
Current assignee: Renault SA
Priority date: 1982-10-29
Filing date: 1982-10-29
Publication date: 1984-05-04

Abstract

L'INVENTION A POUR OBJET UN APPAREIL DE MESURE PAR TRIANGULATION OPTIQUE POUR DETERMINER LA POSITION ET RELEVER LE PROFIL D'UN OBJET. SELON L'INVENTION IL COMPREND DES MOYENS D'EMISSION 32 D'UN FAISCEAU INCIDENT 36 EN DIRECTION DE LA SURFACE DE L'OBJET, DES MOYENS 38 PREVUS POUR FAIRE PIVOTER LEDIT FAISCEAU 36 DANS UN PLAN AFIN D'EFFECTUER UN BALAYAGE DE LA SURFACE DE L'OBJET PAR LEDIT FAISCEAU INCIDENT, DES MOYENS DE DETECTION 42 MUNIS D'UN COLLIMATEUR 44 SUSCEPTIBLE DE DETECTER LE RAYONNEMENT INCIDENT DIFFUSE PAR LA SURFACE DE L'OBJET I LE LONG D'UN AXE THEORIQUE DE DETECTION 46 SITUE DANS LEDIT PLAN DE BALAYAGE, ET DES MOYENS 48 PREVUS POUR FAIRE PIVOTER LEDIT AXE THEORIQUE DE DETECTION DANS LEDIT PLAN DE BALAYAGE, LESDITS MOYENS D'EMISSION DU FAISCEAU INCIDENT ET LESDITS MOYENS DE DETECTION DEFINISSANT UNE BASE DE LONGUEUR FIXE DANS LEDIT APPAREIL, LES ANGLES DE PIVOTEMENT RESPECTIFS DUDIT FAISCEAU INCIDENT ET DUDIT AXE THEORIQUE DE DETECTION CONSTITUANT LES ANGLES VARIABLES A, B DU TRIANGLE PARALLACTIQUE DE MESURE. APPLICATION AUX RELEVES DE PROFILS DE PIECES EN VUE DE LEUR ANALYSE PAR LES TECHNIQUES DE LA RECONNAISSANCE DES FORMES.THE OBJECT OF THE INVENTION IS AN OPTICAL TRIANGULATION MEASURING APPARATUS FOR DETERMINING THE POSITION AND READING THE PROFILE OF AN OBJECT. ACCORDING TO THE INVENTION, IT INCLUDES MEANS 32 FOR EMISSIONS 32 OF AN INCIDENT BEAM 36 IN DIRECTION OF THE SURFACE OF THE OBJECT, MEANS 38 PROVIDED FOR ROTATING THIS BEAM 36 IN A PLAN IN ORDER TO SCAN THE SURFACE OF THE OBJECT BY ITS INCIDENT BEAM, DETECTION MEANS 42 EQUIPPED WITH A COLLIMATOR 44 LIKELY TO DETECT THE INCIDENT RADIATION DIFFUSED BY THE SURFACE OF THE OBJECT I ALONG A THEORETICAL DETECTION AXIS 46 LOCATED IN THIS PLAN OF SWEEPING, AND MEANS 48 PROVIDED FOR SWIVELING ITS THEORETICAL DETECTION AXIS IN ITS SWEEPING PLAN, THE SAID MEANS OF EMISSION OF THE INCIDENT BEAM AND THE SAID MEANS OF DETECTION DEFINING A BASE OF FIXED LENGTH IN THIS APPARATUS, THE RESPECTIVE ANGLES OF THE PIVOTING BEAM INCIDENT BEAM AND DUDIT THEORETICAL DETECTION AXIS CONSTITUTING THE VARIABLE ANGLES A, B OF THE PARALLACTIC TRIANGLE OF MEASUREMENT. APPLICATION TO THE SURVEYS OF PART PROFILES WITH A VIEW OF THEIR ANALYSIS BY FORM RECOGNITION TECHNIQUES.

Description

APPAREIL DE MESURE PAR TRIANGULATION OPTIQUE POUR DETERMINER LA POSITION
ET RELEVER LE PROFIL D'UN OBJET.OPTICAL TRIANGULATION MEASURING APPARATUS FOR DETERMINING THE POSITION
AND TAKE THE PROFILE OF AN OBJECT.

La présente invention a pour objet un appareil de mesure par triangulation optique et vise plus particulierement un appareil utilisant un.tri an-gleparållactique dont les angles sont variables et. dont la base de longueur fixe est liée à l'appareil.The present invention relates to a measuring device by optical triangulation and more particularly relates to a device using un.tri an-gleparållactique whose angles are variable and. whose base of fixed length is linked to the appliance.

Le développement des opérations de manipulation d'inspection ou de transformation automatisées, appliquées au domaine industriel nécessite l'emploi de capteurs ou de moyens d'identification capables de fournir aux robots des informations nombreuses et précises sur l'environnement dans lequel ils évoluent.The development of automated inspection or transformation handling operations applied to the industrial field requires the use of sensors or identification means capable of providing robots with numerous and precise information on the environment in which they operate.

Un des buts de la présente invention est de proposer un appareil qui permette de déterminer l:t position dans l'espace d'un objet et d'en relever le profil en vue de son analyse par es techniques de la reconnaissance des formes.One of the aims of the present invention is to propose an apparatus which makes it possible to determine the position in space of an object and to raise its profile for analysis by the techniques of pattern recognition.

Dans ce but l'inveution propose un appareil de mesure par triangulation optique pour détenminer la position et relever le profil d'un objet, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens démission d'un faisceau en direction de la surface de objet, des moyens prévus pour faire pivoter ledit faisceau dans un plan afin d'effeetuer unbalayagede la surface de objet par ledit faisceau incident, des moyens de détection munis d'un collimateur susceptible de détecter le rayonnement incident diffusé par la surface de l'objet le long d'un axe de détection situé dans ledit plan de balayage, et des moyens prévus pour faire pivoter ledit axe théorique de détection dans ledit plan de balayage, lesdits moyens d'émission du faisceau incident et lesdits moyens de détection définissant une base de longueur fixe dans ledit appareil, les angles de pivotement respectifs dudit faisceau incident et dudit axe théorique de détection constituant les angles variables du triangle parallactique de mesure.For this purpose the inveution offers a measuring device by optical triangulation to determine the position and raise the profile of an object, characterized in that it comprises means for emitting a beam towards the surface of the object, means provided to pivot said beam in a plane in order to effect a scan of the surface of the object by said incident beam, detection means provided with a collimator capable of detecting the incident radiation scattered by the surface of the object along a detection axis located in said scanning plane, and means provided for pivoting said theoretical detection axis in said scanning plane, said means for emitting the incident beam and said detection means defining a base of fixed length in said apparatus, the respective pivot angles of said incident beam and of said theoretical detection axis constituting the variable angles of the parallactic measurement triangle.

On décrira maintenant l'invention en se référant aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est un schéma illustrant le principe de fonctionnement de l'appareil objet de la présente invention - la figure 2 est une vue en perspective représentant un mode de réalisation de l'appareil de mesure réalisé conformément aux enseignements de la présente invention et l'implantation de ce dernier au voisinage d'un ensemble d'objets dont l'on désire identifier le profil.The invention will now be described with reference to the accompanying drawings in which - Figure 1 is a diagram illustrating the operating principle of the apparatus object of the present invention - Figure 2 is a perspective view showing an embodiment of the measuring device produced in accordance with the teachings of the present invention and the installation of the latter in the vicinity of a set of objects whose profile is to be identified.

- la figure 3 est une vue en coupe selon un plan horizontal parallèle à la base de l'appareil ; et - la figure 4 est une vue en coupe selon la ligne 4-4 de.la figure 30
On a représenté à la figure 2 un appareil de mesure 10 de forme géné- rale parallélépipédique dont la base 12 repose sur un bâti 14. Dans lfap plicationillustrée à la figure 2, l'appareil de mesure 10 est utilisé pour déterminer la posit.ion et relever le profil d'objets 16 de formes diverses qui sont posés sur des palettes 18.- Figure 3 is a sectional view along a horizontal plane parallel to the base of the device; and - Figure 4 is a sectional view along line 4-4 de.la Figure 30
FIG. 2 shows a measuring device 10 of generally parallelepipedal shape, the base 12 of which rests on a frame 14. In the illustration illustrated in FIG. 2, the measuring device 10 is used to determine the position. and raise the profile of objects 16 of various shapes which are placed on pallets 18.

L'appareil de mesure 10 tel qu'il est représenté à la figure 2, et plus en détails aux figures 3. et 4 comprend un boitier en tôle 22 et sur sa face latérale avant de deux fenêtres en verre 24 et 26. La base 12 de l'appareil de mesure 10 est munie de deux poignées 28 et 30 qui permettent une manipulation plus aisée de l'appareil 10.The measuring device 10 as shown in Figure 2, and in more detail in Figures 3. and 4 includes a sheet metal housing 22 and on its front side face of two glass windows 24 and 26. The base 12 of the measuring device 10 is provided with two handles 28 and 30 which allow easier handling of the device 10.

Conformément à la presente invention, l'appareil de mesure 10 comprend dss moyens d'émission d'un faisceau incident constitués par une source de lumière cohérente spatiale 32 fixée sur le chassis inférieur de l'appareil 10. Dans le mode de réalisation représenté, la source de lumière cohérente 32 est constituée par un laser, dont on peut voir le bloc d'alimentation 34 à la figure 4.In accordance with the present invention, the measuring device 10 comprises dss means for emitting an incident beam constituted by a coherent spatial light source 32 fixed on the lower chassis of the device 10. In the embodiment shown, the coherent light source 32 is formed by a laser, the power supply 34 of which can be seen in FIG. 4.

Le laser 32 émet un faisceau incident 36 en direction de moyens prévus pour faire pivoter le faisceau 36 dans un plan, parallèle au plan de la base de l'appareil de mesure 10 afin d'effectuer un balayage de la surface de l'objet ou des objet dont on désire relever le profil. Dans le mode de réalisation représenté, les moyens prévus pour faire pivoter le faisceau incident 36 sont constitués par un mir.oir tournant à facettes multiples 38 suceptible de pivoter autour de son axe vertical 1 autour duquel il est entrainé en rotation par un moteur électrique 40.The laser 32 emits an incident beam 36 in the direction of means intended to rotate the beam 36 in a plane, parallel to the plane of the base of the measuring apparatus 10 in order to scan the surface of the object or objects whose profile you want to raise. In the embodiment shown, the means provided for pivoting the incident beam 36 are constituted by a multi-faceted rotating mirror 38 capable of pivoting about its vertical axis 1 around which it is rotated by an electric motor 40 .

Appareil de mesure 10 comporte également des moyens de détection 42 muni d'un collimateur 44 suceptible de détecter le rayonnement incident difusé par la surface de l'objet exploité le long dtun axe théorique de détection 46. Le détecteur 42 et son collimateur 46 sont disposés dans le boitier 12 de façon que l'axe théorique de détection 46 soit situé dans le plan de balayage du rayon incident 36.L'appareil 12 comporte également des moyens prévus pour faire pivoter ledit axe théorique de détection 46 dans le plan de balayage du rayon incident 36, d'une façon qui sera décrite plus avant, ces moyens étant constitués par un second miroir tournant 48 à facette unique et dont l'axe de rotation 02 est parallèle à l'axe Oî du miroir 38 et est lui-même entrainé en rotation par un second moteur électrique 50 muni d'un moto-réducteur 520
L'appareil de mesure 10 comporte en outre au voisinage du miroir tournant 38 deux miroirs fixes 50 et 52 permettant de provoquer la réflexion du faisceau incident en direction de deux détecteurs de début.et de fin de course du balayage incident,54 et 56 respectivement. D'autre part1 l'appareil 10 comporte une seconde source de lumière 60 permettant d'ver mettre un rayon lumineux 62 szn-direction du second miroir 48 afin de vérifier le fonctionnement du détecteur 42 et initialise angle de pivotement du second miroir 480
On décrira maintenant le principe da fonctionnement de l'appareil de me sure 10 en de référant au schéma de la figure 1 sur lequel on été représentés de manière simplifiée les principaux éléments de l'appareil L'appareil de mesure 10 fonctionne sur le principe de la triangulation La source de lumière cohérente spatiale 32 émet un faisceau incident 36 sur un premier miroir tournant 38 qui provoque un balayage dans le plan de la figure 1 du faisceau incident 36 en direction de la pièce P dont on désire relever le profil A un instant donné, une partie de la lumière attei
gnante la pièce P en un point d'impact I est diffusée par la surface de
la pièce en ce point Le rayonnement. incident diffusé est recueilli par
le détecteur 42 muni du collimateur 44 Le collimateur 44 et l'axe théorique de détection 46 sont braqués en direction du second miroir tournant 48 dont la rotation autour de son axe 02 provoque un balayage de l'axe théorique de détection 46 dans le plan de balayage du faisceau incident 36. Lorsque le détecteur 42 reçoit de la lumière, il génère une impulsion électrique qui est alors enregistré par un système informatique convenable.non représenté.A ltins- tant même de cette impulsion on mesure premièrement l'angle "a" et l'angle "b" qui sont indiqués à la figure 1, ces valeurs des angles "a" et "blt constituent les valeurs des angles variables du triangle parallactique que l'on utilise dans le principe de triangulation. Les mesures des angles "a", et "b" peuvent se faire de multiples façon : par exemple, par un codeur optique, par la mesure de temps si les vitesses de rotation des moteurs d'entrainement des miroirs tournants sont connues, par comptage des ilnplusions si les miroirs dont actionnés par des moteurs pas à pas etc. De meme on peut faire varier les vitesses angulaires de rotation des miroirs dans de très larges proportions sans que le principe de la mesure soit affecté.Measuring device 10 also comprises detection means 42 provided with a collimator 44 capable of detecting the incident radiation scattered by the surface of the object operated along a theoretical detection axis 46. The detector 42 and its collimator 46 are arranged in the housing 12 so that the theoretical detection axis 46 is located in the scanning plane of the incident ray 36. The apparatus 12 also includes means provided to pivot said theoretical detection axis 46 in the scanning plane of the incident ray 36, in a manner which will be described later, these means being constituted by a second rotating mirror 48 with a single facet and whose axis of rotation 02 is parallel to the axis Oî of the mirror 38 and is itself rotated by a second electric motor 50 fitted with a gear motor 520
The measuring apparatus 10 further comprises, in the vicinity of the rotating mirror 38, two fixed mirrors 50 and 52 making it possible to cause the reflection of the incident beam in the direction of two detectors at the start and end of the stroke of the incident scan, 54 and 56 respectively . On the other hand, the apparatus 10 comprises a second light source 60 making it possible to put a light ray 62 szn-direction of the second mirror 48 in order to verify the operation of the detector 42 and initializes the pivot angle of the second mirror 480
The principle of operation of the measuring device 10 will now be described with reference to the diagram in FIG. 1 on which the main elements of the device have been shown in a simplified manner The measuring device 10 operates on the principle of triangulation The coherent spatial light source 32 emits an incident beam 36 on a first rotating mirror 38 which causes a scanning in the plane of FIG. 1 of the incident beam 36 in the direction of the part P whose profile we wish to raise at a moment given, part of the light reaches
the piece P at an impact point I is diffused by the surface
the room at this point Radiation. broadcast incident is collected by
the detector 42 fitted with the collimator 44 The collimator 44 and the theoretical detection axis 46 are turned towards the second rotating mirror 48 whose rotation around its axis 02 causes the theoretical detection axis 46 to scan in the plane of scanning of the incident beam 36. When the detector 42 receives light, it generates an electric pulse which is then recorded by a suitable computer system. not shown. At the very moment of this pulse, the angle "a" is first measured. and the angle "b" which are indicated in figure 1, these values of the angles "a" and "blt constitute the values of the variable angles of the parallactic triangle which one uses in the principle of triangulation. The measures of the angles" a ", and" b "can be done in multiple ways: for example, by an optical encoder, by measuring time if the rotational speeds of the motors for driving the rotating mirrors are known, by counting the ilnplusions if the mirrors Don t powered by stepper motors etc. Likewise, the angular speeds of rotation of the mirrors can be varied in very large proportions without affecting the principle of measurement.

Connaissant les angles "a" et "b" ainsi que la distance. "1" s'éparant les axes 1 et 02 de rotation des miroirs 38 et 48, c'est à dire la distance définissant la base de longueur fixe-de la triangulation liée à la géométrie de l'appreil de mesure, on peut calculer aisément les coordonnéesdupoint I au moyens des formules suivantes ::
1 = O1O2 r = IO2
1 sin (b)
r
sin (a+b)
x = r cos (a) Y = r sin (b)
En faisant varier simultanément les angles "a" et "b" on peut établir une cartographie de ltensemble des point du profil extérieur de la surface de la pièce qui peuvent être simultanément éclairés à partir du point théorique Oî et vus du point théorique 02 Les points dont on peut ainsi relever les coordonnées sont essentiellement les points sail lants de la pièce et ces informations sont le plus souvent suffisantes pour identifier le profil de la pièce et localiser la position de la pièce par rapport à l'appareil de mesure 10. Knowing the angles "a" and "b" as well as the distance. "1" separating the axes 1 and 02 of rotation of the mirrors 38 and 48, ie the distance defining the base of fixed length-of the triangulation linked to the geometry of the measuring device, we can calculate easily point coordinates I using the following formulas:
1 = O1O2 r = IO2
1 sin (b)
r
sin (a + b)
x = r cos (a) Y = r sin (b)
By simultaneously varying the angles "a" and "b" we can establish a map of all the points of the external profile of the surface of the part which can be simultaneously illuminated from the theoretical point Oî and seen from the theoretical point 02 The points whose coordinates can thus be identified are essentially the salient points of the part and this information is most often sufficient to identify the profile of the part and locate the position of the part with respect to the measuring device 10.

Danslemodederéalisation représenté, le premier miroir tournant 38 tourne à une vitesse angulaire V constante et le second miroir tournant 48 est actionné par un moteur pas à pas à une vitesse angulaire "v" nettement inférieure à V, cette hypothèse n'est en aucun cas limitative du fonctionnement de llappareils l'homme de étant n'ayant aucune difficulté à adapter les organigrammes d'analyse des mesures effectuées aux autres modes defonctionnement du dispositif.La seconde- source de lumière 60 sert à initialiserle compteur de position du moteur pas à pas qui entraine le second miroir 48 tandis que le détecteur 54 sert à initialiser le chronomètre qui permet de repérer l'angle "a"O Le chronomètre est déclenché lorsque le faisceau incident réfléchit sur le miroir 38 atteint le détecteur 54 et est arrêté lorsque le détecteur 42 reçoit la lumière diffusée par la pièce P au point d'impact I. In the embodiment shown, the first rotating mirror 38 rotates at a constant angular speed V and the second rotating mirror 48 is actuated by a stepping motor at an angular speed "v" significantly lower than V, this assumption is in no way limiting of the operation of the apparatuses the man being having no difficulty in adapting the flowcharts of analysis of the measurements carried out to the other modes of operation of the device. The second light source 60 is used to initialize the position counter of the stepping motor which drives the second mirror 48 while the detector 54 serves to initialize the chronometer which makes it possible to identify the angle "a" O The chronometer is started when the incident beam reflects on the mirror 38 reaches the detector 54 and is stopped when the detector 42 receives the light scattered by the part P at the point of impact I.

On a prévu à la figure 1 un détecteur optionnel 64. Ce détecteur analyse la lumière rétrodiffusée au point d'impact I Le détecteur 64 à son utilité lorsque la pièce P comporte de nombreuses chicanes, auquel cas pour de nombreuses valeurs de l'angle 'tb" le détecteur 42 ne recevrait pas de signal, leapp2reil.exploiterait alors z la fois les informations des trois détecteurs 42, 54 et 62.L'appareil qui vient d'être décrit se prête à de nombreuses variantes On peut par exemple prévoir de maintenir l'angle "btt constant par exemple 90 , l'appareil de mesure servant alors à relever la présence d'un objet dans une direction donnée ; on peut également auxfins d'exploration translater l'appareil de mesure 10 ou en faire tourner l'ensemble autour de lùi-meme. Les dimensions générales de l'appareil, et en particulier la longueur "1" de la base fixe de triangulation peuvent être trèsvariables;dans une version miniaturisée la source.32 et le détecteur 42 peuvent être remplacés par des fibres optiques, un tel système étant utilisable par exemple pour le contr8le d'un joint en opération de soudage continu ou pour le con trêle dimensionnel de pièces. An optional detector 64 has been provided in FIG. 1. This detector analyzes the backscattered light at the point of impact I The detector 64 is useful when the part P has many baffles, in which case for many values of the angle ' tb "the detector 42 would not receive a signal, leapp2reil.exploitez z both the information from the three detectors 42, 54 and 62.The device which has just been described lends itself to many variants We can for example provide keep the angle "btt constant, for example 90, the measuring device then serving to detect the presence of an object in a given direction; it is also possible, for the purposes of exploration, to translate the measuring device 10 or to rotate the assembly around it. The general dimensions of the device, and in particular the length "1" of the fixed triangulation base can be very variable; in a miniaturized version the source.32 and the detector 42 can be replaced by optical fibers, such a system being usable for example for the control of a joint in continuous welding operation or for the dimensional inspection of parts.

Claims

CLAIMS.

1. Measuring device by optical triangulation to determine the position and raise the profile of an object, characterized in that it comprises means for emitting (32) an incident beam (36) towards the surface of the object, means (38) provided for pivoting said beam (36) in a plane in order to effect a scanning of the surface of the object by said incident beam, detection means (42) provided with a collimator (44) capable of detecting the incident radiation scattered by the surface of the object (1) along a theoretical detection axis (46) located in said scanning plane and means (48) provided for pivoting said axis theoretical detection in said scanning plane, said means for emitting the incident beam and said detection means defining a base of fixed length in said apparatus, the respective pivot angles of said incident beam and said theoretical detection axis constituting the variable angles (a, b) of the trian parallactic measuring rod.

20 Measuring device according to claim 1, characterized in that said emission means are constituted by a coherent spatial light source fixed on the chassis of the apparatus, said means provided for rotating said beam being constituted by a first mirror turning whose Io rotation is controlled.

3. Measuring device according to claim 2, characterized in that said detection means are constituted by a detector provided with a collimator fixed to the frame of the device in a position d.'inîming said theoretical axis of detection, said means provided for rotating said theoretical detection axis being constituted by a second rotating mirror whose axis of rotation is parallel to the axis of rotation of said first rotating mirror.