專利名稱：用于無接觸式測量物體的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種依據(jù)權(quán)利要求1前序部分所述用于無接觸式測量物體的方法。
在工業(yè)生產(chǎn)過程中，常常需要以第一近似值確定物體在高度和/或者寬度和/或者長度上的伸展，以便對其在后面的運輸、倉儲和/或者加工步驟中相應(yīng)予以考慮。例如在自動化的倉儲系統(tǒng)中必須確定所要儲存物體的高度。許多物體不能采用接觸傳感器或者這類裝置進(jìn)行測量，而是必須使用無接觸式測量法。因此為這種自動化的測量過程使用例如由物體從其中穿過的光柵或者光幕。通過確定射線的中斷進(jìn)行測量，從中可以反推出在各自尺寸上的伸展。在高度測量時，物體一般從下面凸入光柵內(nèi)，因為是將其在一個底板或者一個傳送帶上運送通過光柵或光幕。高度測量涉及找出最上部中斷的或最下部不中斷的光束。為此順序掃描光柵或光幕中的單個光束以確定中斷。光束掃描在于激活一個發(fā)射元件并同時對與其面對面布置的用于所發(fā)射光束的接收元件進(jìn)行計值。掃描或搜索的理論上的持續(xù)時間，即根據(jù)每個光束的掃描時間乘以光束的數(shù)量n加上計值時間產(chǎn)生搜索時間。為此依據(jù)公式t搜索＝t光束掃描×n+t計值可能會出現(xiàn)所要自動測量的物體恰好進(jìn)入剛剛掃描后的掃描射線檢測范圍內(nèi)。為消除這種誤差源而又識別物體，整個光柵必須進(jìn)行第二次掃描。因此在實踐上以兩倍搜索時間作為最大檢測時間。檢測時間依據(jù)的公式為t檢測＝t搜索×2＝(t光束掃描×n+t計值)×2實踐上每個光束的掃描時間約為100μs；光柵射線的數(shù)量n例如為32計值時間典型的約為500μs。利用這些典型的實際值得出最大檢測時間得出t檢測值為7.4ms。在此方面應(yīng)注意的是，該值為用于確定僅一維內(nèi)高度伸展的最大檢測時間。常常會要求確定物體在兩維或者甚至所有三維內(nèi)的尺寸。由此可以直接看出，目前用于無接觸式測量物體的方法相當(dāng)費時。
本發(fā)明的目的因此在于，避免現(xiàn)有技術(shù)方法的缺點。提供一種用于無接觸式測量物體至少一維尺寸的方法，該方法在保持相同精度的情況下可以提高測量速度并整體上縮短了最大檢測時間。
該目的通過一種用于無接觸式測量物體的方法得以實現(xiàn)，該方法具有權(quán)利要求1特征部分所述的特征。本發(fā)明的改進(jìn)方案和/或者優(yōu)選的實施方式為從屬權(quán)利要求的主題。
本發(fā)明提出一種用于無接觸式測量一個物體(6)至少一維尺寸的方法，其中，對物體(6)在一個掃描射線場(1)空間上有限的作用區(qū)內(nèi)進(jìn)行掃描，并從掃描射線(L)一次或者多次中斷的探測中推出物體(6)所測量維內(nèi)的尺寸。掃描射線場(1)由一定數(shù)量可直接尋址的單個射線(L)構(gòu)成。掃描射線場(1)空間上有限作用區(qū)的射線掃描按照可預(yù)先規(guī)定的步驟模式在使用一種與線性搜索法不同的搜索法情況下進(jìn)行。優(yōu)選的方法在于使用一種二分法。
用于測量物體的檢測時間主要通過測量步驟的持續(xù)時間和數(shù)量確定。因此減少確定物體尺寸時的掃描步驟直接影響到為此所需的持續(xù)時間。用于確定射線中斷的掃描法緣于一種非線性搜索法，因為掃描輻射的作用區(qū)可以視為一個由單個直接可尋址射線構(gòu)成的掃描射線場。非線性搜索法的原理可以相應(yīng)地應(yīng)用于該場。
在一種特別優(yōu)選的方法中，為確定物體至少一維內(nèi)的尺寸按照二分法的原理對掃描射線場空間上有限的作用區(qū)域進(jìn)行分區(qū)掃描。二分法搜索法在同時充分利用該檢索的情況下以連續(xù)等分搜索間隔為基礎(chǔ)。為此目的將輻射場的作用區(qū)域分為一定數(shù)量可直接尋址的單個射線，它們?yōu)闄z索目的與連續(xù)上行或者下行編號相對應(yīng)。單個射線可以是實際的測量射線。但如果物體例如由一個成像系統(tǒng)測定并對所產(chǎn)生圖像的“射線中斷”進(jìn)行電子“射線形狀”掃描的話，這些測量射線也可以視為假定的測量射線。二分法搜索系統(tǒng)在時間需求方面優(yōu)于線性搜索系統(tǒng)。
在較大數(shù)量單個射線的情況下時間差別非常迅速地增長。在線性搜索時，運行時間與掃描射線的數(shù)量成正比增長，而在二分法搜索時，僅以與掃描射線數(shù)量成以2為底的對數(shù)的比例增長。
許多情況下要求確定物體的一維以上的尺寸。為此具有優(yōu)點的是對掃描射線場空間上有限的作用區(qū)域通過線性和二分法搜索原理的組合進(jìn)行掃描。通過線性和二分法搜索的組合考慮到這種狀況，即所要測量的物體一般以任意方向輸送到掃描射線場內(nèi)。因此首先要求在各自所要測量的尺寸內(nèi)確定起點，也就是物體的外部邊緣，從該起點起確定物體各自維內(nèi)的尺寸。該第一步驟實際上相當(dāng)于每次原點確定，并順序在一種線性搜索法中實施。在確定原點后可以通過使用二分法搜索法簡化和縮短物體的其他固有測量。
為實施依據(jù)本發(fā)明的方法，將所要測量的物體例如插入一個由掃描射線展開形成的幕內(nèi)。因此，例如在傳送帶的縱側(cè)以規(guī)則的距離上下依次設(shè)置規(guī)定數(shù)量的輻射源。在傳送帶與這些輻射源相對的另一縱側(cè)上下依次設(shè)置與輻射源發(fā)射輻射相同數(shù)量的探測器。在一維內(nèi)所要測量的物體通過傳送帶送入掃描射線的區(qū)域內(nèi)，并在那里按照依據(jù)本發(fā)明的方法進(jìn)行測量。為在兩維或者所有三維內(nèi)測量物體，也可以展開一個平面的或者立體的光柵。
幕或者平面或立體光柵形式的掃描射線場具有的優(yōu)點是光處于可見或者也可以處于不可見的光譜范圍內(nèi)。也可以使用超聲波或者雷達(dá)輻射。不言而喻，還可以始終使用分別由輻射源發(fā)射的掃描輻射確定的探測器。
許多情況下不能直接測量物體，而是掃描物體的映像。物體的映像因此由一個成像系統(tǒng)的可進(jìn)行一維或者兩維掃描的成像區(qū)確定。成像系統(tǒng)例如為攝像機、光柵隧道顯微鏡或者電子力學(xué)顯微鏡內(nèi)的物體映像。但物體的映像也可以由例如在采用鐵磁體材料的情況下感應(yīng)式測量或者由不導(dǎo)電或者弱導(dǎo)電材料的電容式測量產(chǎn)生。原則上反映一個物體實際外形或者有益測量尺寸伸展的所有映像均可以用于測量。
事實證明具有優(yōu)點的是，對物體所要測量的每個維的掃描射線的數(shù)量至少為八個。二分法搜索系統(tǒng)大致從八個掃描射線的數(shù)量起在時間需求方面優(yōu)于線性搜索系統(tǒng)。在較大數(shù)量掃描射線的情況下時間差別非常迅速地增長。在線性搜索時運行時間與掃描射線的數(shù)量成正比增長，而在二分法搜索時僅以與掃描射線數(shù)量成以2為底的對數(shù)的比例增長。
通過將物體這樣插入掃描射線場空間上有限的作用區(qū)域內(nèi)，至少在其所要確定的一個維內(nèi)使物體邊緣與掃描射線場空間上有限的作用區(qū)域的邊緣界限重合，這取消了為該維確定零位線。為確定物體該維中的尺寸可以立即使用二分法搜索法。在一個長方體或者立方體物體的理想情況下，甚至可以將該物體這樣在立體掃描射線場的原點中定位，從而可以為所有尺寸確定的取消零位線確定。然而一般或多或少涉及到不規(guī)則造型的物體，將它們在傳送裝置上以任意方向和位置送入掃描射線場內(nèi)。因此，例如如果在通過傳送帶輸送物體時，一般用于確定物體高度的水平走向傳送帶表面上的掃描射線場分量由傳送帶表面限制，那么則意味著大大簡化測量方法。編號為1的掃描射線因此與從傳送帶的一個縱側(cè)到另一個縱側(cè)的傳送帶表面緊鄰并平行分布。用于確定物體高度的其他掃描射線在其上面垂直設(shè)置并連續(xù)向上編號。
物體的測量可以在靜止的物體上進(jìn)行。但出于迅速通過的原因證明具有優(yōu)點的是，測量期間在所要測量的物體和掃描射線場之間進(jìn)行相對運動。這一點例如可以通過將物體連續(xù)輸送通過掃描射線場的作用區(qū)域而達(dá)到。也可以通過將掃描射線場的作用區(qū)域輸送通過靜止的物體。例如在自動洗車裝置中，有時汽車保持靜止，而垂直和水平容納汽車輪廓的測量裝置運動通過汽車。利用所儲存的圖像然后在后面的洗車過程中控制垂直和水平的洗車刷。自動噴漆裝置上也使用類似的方法，它是首先將所要噴漆的物體在靜止?fàn)顟B(tài)下測量，隨后在噴漆室內(nèi)根據(jù)所儲存的映像進(jìn)行噴漆。相對速度在此根據(jù)用于測量物體的最大檢測時間確定。利用常用的傳送裝置，所要測量的物體在測量射線場內(nèi)的停留時間明顯大于使用依據(jù)本發(fā)明方法時的檢測時間。
本發(fā)明的其他優(yōu)點和特征來自于對下面的依據(jù)本發(fā)明方法示例性的變型的說明。附圖用于說明該方法。其中

圖1示出帶有設(shè)置在里面的物體的電磁掃描輻射裝置的水平設(shè)置的幕和一個對應(yīng)的搜索表；圖2示出任意設(shè)置在掃描射線場內(nèi)的物體；圖3示出用于測量物體的成像系統(tǒng)；以及圖4示出用于說明在使用依據(jù)本發(fā)明方法的情況下節(jié)省時間的曲線圖。
圖1示出水平布置的幕狀掃描射線場，它整體采用附圖標(biāo)記1標(biāo)注。掃描射線場1由單個掃描射線L展開，它們各自由一個發(fā)射元件2發(fā)射并由布置在對面的接收器3探測。掃描射線場可以是例如由光幕或者雷達(dá)射束幕組成的電磁輻射場或者超聲波輻射場。單個掃描射線可以直接尋址。單個掃描射線L因此以彼此相同的距離分布。在所示的實施例中，掃描射線場包括總計32個單個掃描射線L。也可以設(shè)置反射元件代替接收器3，它們將所發(fā)射的掃描射線L反射到發(fā)射器2。在這種情況下每個發(fā)射器同時也作為接收器構(gòu)成。發(fā)射器2和接收器3在所要測量物體6的輸送裝置5上面延伸，該物體利用其底面7置于輸送裝置的表面4上。例如輸送裝置5是傳送帶或者底板或者這類裝置。掃描射線L基本與輸送裝置5的表面4平行分布。掃描射線場1基本上在輸送裝置5上方垂直延伸。最下部的掃描射線L與輸送裝置5的表面4緊鄰分布。利用這種結(jié)構(gòu)的幕狀掃描場1可以確定物體6的高度。這一點例如對自動儲存物體6來說是需要的，以便選擇適當(dāng)高度的箱子。
利用所示設(shè)置，確定物體的高度實質(zhì)為確定掃描射線L的中斷數(shù)量。為此掃描射線L從輸送裝置5的表面4開始連續(xù)向上編號。與輸送裝置的表面4緊鄰分布的掃描射線L例如其編號n＝1。其上面的掃描射線L采用2編號等。向上限制掃描射線場1作用區(qū)域的最上部掃描射線L的編號n＝32。不言而喻，連續(xù)編號也可以按照相反的順序進(jìn)行。
因此為確定物體1的高度，從編號n＝1的第一中斷掃描射線L出發(fā)，測定最上部中斷的掃描射線L或第一自由透射到接收器6的掃描射線L。在從現(xiàn)有技術(shù)中公知的順序搜索法中，對單個掃描射線L順序掃描以確定中斷。掃描在于激活發(fā)射元件2并同時計值用于所發(fā)射掃描射線L的設(shè)置在對面的接收元件3。掃描或搜索理論上的持續(xù)時間，即根據(jù)每個掃描射線的掃描時間乘以掃描射線的數(shù)量n加上計值時間產(chǎn)生搜索時間。為此依據(jù)公式t搜索＝t光束掃描×n+t計值可能會出現(xiàn)所要自動測量的物體恰好進(jìn)入剛剛得到掃描的掃描射線L的檢測區(qū)內(nèi)。為消除這種誤差源而又識別物體，整個掃描射線場1必須進(jìn)行第二次掃描。因此在實踐上以兩倍搜索時間作為最大檢測時間。檢測時間依據(jù)的公式為t檢測＝t搜索×2＝(t光束掃描×n+t計值)×2實踐上每個光束的掃描時間約為100μs；光柵射線的數(shù)量n例如為32；計值時間典型地約為500μs。利用這些典型的實際值得出最大檢測時間t檢測值為7.4ms。
與現(xiàn)有技術(shù)的線性搜索法的區(qū)別在于，本發(fā)明提出一種非線性搜索法，特別是一種二分法。該方法基本上以在同時充分利用掃描射線搜索的情況下連續(xù)等分搜索間隔為基礎(chǔ)。首先等分總計32個掃描射線L的間隔，并激活和查詢編號為n＝16的掃描射線。如果該掃描射線L可以自由到達(dá)其接收元件3，由此推斷出物體6僅在帶有編號為1到16的掃描射線的掃描射線場的下半部分內(nèi)延伸。在圖1所示的搜索表中，自由通過的掃描射線標(biāo)注為16F。在第二步驟中，將掃描射線場的下半部分再次等分成下部間隔并激活和查詢編號為8的掃描射線L。其中確定編號為8的掃描射線中斷。這一點在搜索表中采用8U標(biāo)注。從該結(jié)果中推斷出物體6延伸的上端必然處于編號為n＝9至n＝16掃描射線的間隔內(nèi)。將該間隔等分并查詢編號為n＝12的掃描射線。由此確定該掃描射線可以自由通過。這一點在搜索表中采用12F標(biāo)注。由此在步驟4中將編號為12的掃描射線和編號為8的掃描射線之間的間隔等分，并查詢編號為10的掃描射線。由此確定該掃描射線中斷，這在搜索表中采用10U標(biāo)注。由此在步驟5中僅需檢查編號為n＝10中斷的掃描射線和編號為n＝12的自由通過的掃描射線之間的間隔。這最終得到編號為n＝11的掃描射線。由此確定該掃描射線同樣中斷，在搜索表中采用11U確定。通過依據(jù)本發(fā)明的搜索法因此僅以5個步驟便可確定，與所要測量物體6的高度相關(guān)其上部延伸端處于編號為n＝11和編號為n＝12的掃描射線之間。因此根據(jù)兩個相鄰掃描射線距離數(shù)量級的精度確定物體的高度。
檢測時間通過公式t檢測＝t搜索×2＝(t光束掃描×n+t計值)×2確定。利用單個搜索次數(shù)n＝5為所介紹的實施例得出檢測時間t檢測＝2ms。這一點與線性搜索法相比相當(dāng)于節(jié)省時間5.5ms或者73％。
如果物體邊緣在所要確定的維內(nèi)與電磁輻射場的檢測邊緣重合的話，那么可以最快速地實施依據(jù)本發(fā)明的方法。在確定一維高度情況下該標(biāo)準(zhǔn)一般可得到滿足。但如果要確定另一維或者兩維或者所有三維內(nèi)伸展的話，物體大多處于電磁場檢測區(qū)內(nèi)的任意某個地方。例如圖2示出這種情況，其中再次涉及到確定物體的高度。在這種情況下首先利用公知的線性搜索法確定物體的下部或者上部起點。如果確定了延伸的邊緣，那么與該位置對應(yīng)的掃描射線作為零位線確定。其他維的確定然后可以按照此前介紹的依據(jù)本發(fā)明的方法進(jìn)行。也可以首先僅搜索掃描射線場內(nèi)部的物體。上部和下部物體邊緣然后可以按照依據(jù)本發(fā)明的方法向上和向下確定。在依據(jù)圖2實施例所描述的情況下，與純線性方法相比節(jié)省的時間并未達(dá)到最大可能的數(shù)值。但線性和二分法搜索組合所需要的時間始終低于單純使用線性搜索法。
圖3示出物體的映像16，例如掃描攝像機的圖像。也可以是物體在如光柵隧道顯微鏡或者電子力學(xué)顯微鏡內(nèi)的映像。物體的其它映像例如可以來自鐵磁體材料的感應(yīng)式測量或者來自不導(dǎo)電或者弱導(dǎo)電材料的電容式測量。與掃描射線幕相反，在這里物體的映像16在兩維內(nèi)掃描或查詢。
尺寸ny和nx表示圖像的行號或列號。行和列在此由多個單獨的像素(Pixeln)構(gòu)成并可直接尋址。物體底面17與掃描射線場11的分行檢測邊緣重合。因此依據(jù)本發(fā)明的搜索法在行方向(y-方向)上與借助圖1介紹的搜索法類似實施。與掃描列nx相關(guān)的情況與借助于圖2介紹的類似。為確定物體在列方向(y-方向)上的尺寸，在此必須首先找到物體的映像16。這一點例如也通過線性搜索法進(jìn)行。如果在兩維的掃描射線場11內(nèi)找到物體的映像16，可以再按照依據(jù)本發(fā)明的方法進(jìn)行物體邊緣的確定。
依據(jù)本發(fā)明在例如像光幕這種一維掃描射線場情況下的方法同樣可以在如在兩維或者三維掃描場情況下使用。兩維掃描場例如可以由一個光柵展開或者由一個例如攝像機、光柵隧道顯微鏡或者電子力學(xué)顯微鏡的成像系統(tǒng)構(gòu)成。來自感應(yīng)式或者電容式測量和類似分析的映像也可以用于測量。掃描輻射可以是例如可見和不可見光譜內(nèi)的光或者雷達(dá)電磁輻射，或者是超聲波輻射。依據(jù)本發(fā)明的方法在展開線狀、平面或者立體掃描場的任何類型的傳感器情況下均可使用。物體在測量期間可以處于靜止?fàn)顟B(tài)。由于該方法具有很高的速度，物體也可以運動通過掃描場。
圖4以曲線圖方式示出在使用依據(jù)本發(fā)明方法的情況下與線性搜索法相比節(jié)省的時間。在此這些數(shù)據(jù)涉及一維測量，其中物體邊緣與掃描射線場的檢測邊緣重合。橫坐標(biāo)給出掃描射線的數(shù)量；縱坐標(biāo)表示節(jié)省時間的百分比。在此在掃描射線數(shù)量相同的情況下分別參照純線性搜索法。可以直接看出，依據(jù)本發(fā)明的方法帶來令人驚異的速度優(yōu)勢，以致也能檢測和測出相當(dāng)快速運動通過掃描射線場的較小物體。
權(quán)利要求
1.用于無接觸式測量物體(6；16)至少一維尺寸的方法，其中，對物體(6；16)在一個掃描射線場(1；11)空間上有限的作用區(qū)域內(nèi)進(jìn)行掃描，并從掃描射線一次或者多次中斷的探測中推斷出物體(6；16)所測量維內(nèi)的尺寸，其特征在于，掃描射線場由多個可直接尋址的單個射線(L；P)構(gòu)成，按照可預(yù)先規(guī)定的步驟模式進(jìn)行掃描并為掃描使用一種非線性搜索法。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，確定物體(6；16)至少一維內(nèi)的尺寸按照二分法搜索的原理通過對掃描射線場(1；11)進(jìn)行分區(qū)掃描。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，確定物體(6；16)一維以上的尺寸，掃描射線場(1；11)空間上有限的作用區(qū)域通過線性和二分法搜索原理的組合進(jìn)行掃描。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，將物體(6)插入由單個射線束(L)展開的射線幕(1)或者平面的或者立體的射線光柵的作用區(qū)域內(nèi)。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，將物體(6)插入由電磁輻射(L)或者由超聲波輻射組成的掃描射線場(1)內(nèi)。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，將物體(6)插入由可見或者不可見光譜范圍內(nèi)電磁輻射(L)或者雷達(dá)輻射組成的掃描射線場內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1到4之一所述的方法，其特征在于，掃描所要測量物體的映像(16)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，物體的映像(16)通過例如攝像機、光柵隧道顯微鏡或者電子力學(xué)顯微鏡這種成像系統(tǒng)，或者具有圖像轉(zhuǎn)換電容式或者感應(yīng)式測量和這類可掃描的一維或者兩維圖像區(qū)(11)確定。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，用于物體所要測出的每個維的尺寸的掃描射線的數(shù)量至少為八個。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，將物體(6；16)這樣插入掃描射線場(1；11)空間上有限的作用區(qū)域內(nèi)，至少在其所要確定的一個維內(nèi)使物體邊緣(7；17)與掃描射線場(1；11)空間上有限的作用區(qū)域的邊緣界限重合。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，測量期間所要測量的物體和掃描射線場(1；11)之間進(jìn)行相對運動。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所要測量的物體在測量期間最好連續(xù)輸送通過掃描射線場(1；11)的作用區(qū)域。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的方法，其特征在于，為進(jìn)行測量拍攝、儲存和分析物體的圖像，在接下去的步驟中將所測定的測量數(shù)據(jù)用于控制該物體的處理和加工裝置。
全文摘要
提供一種用于無接觸式測量一個物體(6)的至少一維尺寸的方法，其中，對物體(6)在一個掃描射線場(1)空間上有限的作用區(qū)內(nèi)進(jìn)行掃描，并從掃描射線(L)一次或者多次中斷的檢測中推斷出物體(6)所測量維內(nèi)的尺寸。掃描射線場(1)由多個可直接尋址的單個射線(L)構(gòu)成。掃描射線場(1)空間上有限的作用區(qū)的射線掃描在使用非線性搜索法的情況下按照可預(yù)先規(guī)定的步驟模式進(jìn)行。一種優(yōu)選的方法在于使用一種二分法。
文檔編號G01B11/02GK1754081SQ200480004985
公開日2006年3月29日 申請日期2004年1月7日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月24日
發(fā)明者B·德科伊 申請人:塞德斯股份公司