物体的计算机化检验方法和装置 【技术领域】
本发明涉及利用摄取2D照片的数码相机确定物体的形状和尺寸的可能偏差的计算机化检验装置，所述物体特别是生产的物体。
在本文中，检验涉及检查物体，其中确定该物体是否满足预先确定的要求或是否拒绝该物体。
背景技术
现有技术中通过例如WO2005/063415A1和DE3821393A1知道计算机化检验带有头部的螺栓的方法和装置，这些方法和装置利用摄取2D照片的数码相机确定该螺栓的形状的可能偏差。然而，这些已知的方法和装置不适合检验具有更复杂形状的物体，例如带有盲孔的物体。
另外，SE529377C2描述了一种定位和拾取放置在载体上的物体的方法。在该载体之上进行扫描作业。扫描利用具有线激光的扫描仪进行。利用扫描的结果，生成代表扫描部分的虚拟表面。将该虚拟表面与和从该载体拾取的物体相应的预先确定的虚拟物体比较。这样，辨识该虚拟表面的一部分，该部分与预先确定的虚拟物体匹配。然后，使机器人臂运动至与该虚拟表面的该辨识的部分相应的位置，并在这个位置从该载体拾取物体。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种适合于检验具有复杂形状的物体的方法和装置。
所述目的利用初始提到的方法通过以下方式达到：
a)利用包括摄取2D照片的相机和给出3D扫描的激光三角测量单元的扫描仪，扫描要检验的物体的至少一部分；
b)在扫描过程中使扫描仪和物体互相相对运动；
c)利用扫描的结果生成代表被扫描部分的至少一个虚拟的3D照片；
d)将所述至少一个生成的虚拟的3D照片与预先确定的虚拟物体的对应部分比较；和
e)根据比较中可能发现的偏差是否落在预先确定的公差范围内或其外，接受或拒绝该扫描的物体。
利用相应的方式，所述目的可用开始所述的装置达到，该装置具有：用于扫描要被检验的物体的至少一部分并且包括相机和给出3D扫描的激光三角测量单元的扫描仪；在扫描过程中使该扫描仪和该物体互相相对运动的装置；与该扫描仪连接的计算机，在该计算机中存储虚拟物体，该计算机具有根据2D照片确定在被扫描部分中该物体的轮廓和根据3D扫描在该部分内生成表面的三维照片的软件，该计算机还具有将该物体的在该部分内的扫描轮廓和三维表面与在虚拟物体的相应部分内的轮廓和三维表面进行比较的软件，对该计算机编程，以根据可能发现的偏差是否在预先确定的公差范围内或在其外而接受或拒绝扫描的物体。
利用由激光三角测量单元进行的三维扫描较容易确定深度的测量，以检查扫描的物体是否满足设定的要求。
优选地，激光三角测量单元包括线性激光。那样，可以快速确定物体的形状和尺寸。
合适的是，相对运动包括平移和/或转动，优选地包括两者，以便改变物体相对于扫描仪的位置和/或取向，并且推荐通过使物体通过静止的扫描仪而进行该运动。
优选地，所述平移和/或转动由机器人执行，并且机器人围绕至少一个转动轴线转动物体。因为机器人可以旋转和转动物体，因此可以小心地测量该物体中的所有盲孔和相似的结构，并可检查它们与由在计算机中存储的预先确定的虚拟物体形成的相应参照物结构的一致性。
在扫描过程中，优选地交替从两个方向照亮物体。那样较容易在照相中得到精确的数据。
另外，在物体的固定点确定可能偏差是适当的。这样，不需要检查所有有数据的点，而可使检验加速。
另外，优选地断续地进行扫描，即只是在物体的要求确定可能偏差的某些点上进行扫描，使得可以单独地扫描物体的不同部分。这也可使检验加速。
【附图说明】
下面将参照优选实施例和附图更详细地说明本发明。
图1为表示本发明的检验装置的一个实施例的简图。
图2为图1的检验装置的侧视图。
图3为在图1的检验装置中使用的综合的激光检测器和相机的示意性横截面图。
【具体实施方式】
图1和2表示利用摄取2D照片的数码相机确定物体的形状和尺寸的可能偏差的计算机化检验装置，所述物体尤其是生产的物体。
根据本发明，利用扫描仪8扫描要被检验的物体2的至少一部分，扫描仪8带有激光三角测量单元，该激光三角测量单元包括给出3D扫描的激光发射器16和与摄取2D照片的相机组合的激光检测器17。在扫描过程中，扫描仪8和物体2互相相对运动，并利用扫描的结果生成代表被扫描部分的至少一个虚拟的3D照片。将该虚拟的3D照片与预先确定的虚拟物体(参照物)的对应部分进行比较，并根据可能检测到的偏差是否落在预先确定的公差范围内或其外而接受或拒绝该扫描的物体2。这样，在物体2的某些固定的点上确定可能的偏差。
在图1和2中，示出物体2放在载体1上，载体1可以有任意的外形，但在图1和2中它是传送带并可以在扫描过程中使物体2相对于扫描仪8运动。载体1也可以为静止的，并且物体2可由适当的装置(未示出)在载体1上向前推动或拉动，该适当的装置例如液压、气动或电气操纵的杆活塞。优选地，扫描仪8是静止的，但当载体1固定时，扫描仪8可相对于物体2运动，并且表示成悬挂在可沿梁9’运行的小车9上。当载体1原则上固定但仍可运动时，在一个未示出的实施例中，它可由例如某种适当低的容器或托板构成。为了改变物体2相对于扫描仪8的位置和/或取向，该相对运动包括平移和/或转动。作为规则，物体2必需围绕旋转轴线旋转，从而可以扫描和拍摄物体2的预先确定部分。
为了在固定的载体1上拉动物体2向前，可以使用例如工业机器人4。所示的机器人4包括臂5，它可以在水平平面和垂直平面中突出和旋转。臂5具有自由端，该自由端带有用于夹持物体2的装置6。该装置可带有拾取金属物体2的吸盘或磁铁(未示出)。然而，在本发明的优选实施例中，机器人臂5适合于通过使用带有夹持销7的头6’形式的夹持装置6夹持物体。头6’可转动地固定在臂5上，并且至少一个夹持销7是可动的。在图1中示出两个夹持销7，但容易理解，夹持装置6可以有多于两个的夹持销7。例如，它可以有3、4、5或更多的夹持销7。优选地，至少两个夹持销7可以彼此相对运动。
优选地，夹持装置6用铰链安装在机器人臂5上，使得该夹持装置6可以围绕不同的轴线枢转，因而可相对于被夹持装置6夹持的物体2取向。使用带有可动销7的夹持装置6产生了可达到更大的精度和夹持的可靠性高的优点。夹持装置6优选地配置成可围绕互相垂直的轴线枢转。优选地，它可以围绕至少三条互相垂直的轴线枢转。在本发明的有利实施例中，夹持装置6可以围绕多于三条的轴线枢转。例如，它可以配置成可围绕六条轴线枢转。如果机器人4复杂以致可以容易地进行物体2的所有必需的移动和转动，那么如果需要的话，自然也可将扫描仪8安装在机器人4上。
激光发射器16可以为点激光，但在图1和2所示的本发明实施例中，它优选地为线激光。使用线激光16的优点为只利用扫描仪8的一个相对运动即可以扫描一部分。在线激光中，光从集中的激光源延伸成为一条线。这可以通过使用由例如玻璃、有机玻璃或石英制成的合适物镜达到。如图1最清楚地所示，带有激光三角测量单元的扫描仪8包括：激光发射器16，其可发射线性激光束10；以及激光检测器17，可检测已经从该发射器16发射的并已经从一表面反射的激光束。激光发射器16例如可以为Stocker YaleCanada(275 Kesmark，Montreal，Quebec，Canada)以商品名Lasiris
TM销售的那种线激光。当然，其他激光发射器也可以。如上所述，激光检测器17也可起扫描仪8中的2D相机的作用。在图1和2所示的实施例中，激光束10的方向基本上垂直于要检验的物体2，同时激光检测器17具有与相机一样的传感器17’(图3)，该传感器检测略微倾斜反射的光。当然，如果需要的话，激光束18的方向也可以略微向着物体2倾斜，并且该检测器可以检测基本上垂直向上反射的光。
计算机11经由连接部件12与带有激光三角测量单元的扫描仪8连接，该连接部件12表示为电缆，但也可以为无线连接。计算机11具有在扫描作业过程中根据从扫描仪8即激光检测器17接收的数据生成虚拟的三维表面的软件。计算机11还具有经由连接部件12从组合的相机和激光检测器17接收2D照片的软件；代表存储的虚拟物体(作为参照物)的软件；以及将参照物与物体2的被拍照和扫描部分比较，以确定参照物和被扫描物体2之间的形状和尺寸的可能偏差的软件。应当了解，参照物对应于要检验的实际物体2。该参照物可以基于用于生产相应的实际物体2的CAD模型。
另外，计算机11经由连接部件4’与机器人4连接，该连接部件表示为电缆，但也可以为无线连接，计算机11具有在使物体2运动从而得到拍摄和扫描要求的取向和位置所需要的范围内控制机器人臂5、夹持装置6和销7的运动的软件。最后，计算机11具有控制不可能落在预先确定的尺寸和形状公差范围内的物体的分离的软件。当这种分离在检验装置中实现时，可以利用机器人4对拒绝的物体进行这种分离，否则可以利用简单的推动装置(未示出)将拒绝的物体推至载体1侧边，而接受的物体可停留在载体1上，以便传送至下一个处理站(未示出)。为了说明，计算机11与机器人4分开表示。图4表示机器人4可将接受的物体2输送至另一个工作站19，例如一台机器，以进行物体2的进一步处理。
虽然在图中计算机11表示为一个单独的单元，但应理解，它也可由机器人4的一个整体部分组成。
在图示的检验装置的实施例中，要检验的物体2具有垂直通孔3和水平盲孔3’。当线性激光束10移动通过通孔3时，可以扫描通孔3的尺寸。为了也能够扫描盲孔3’的尺寸，必需通过夹持物体和向上转动该物体的机器人4改变物体2的取向，使得盲孔3’的纵向与线性激光束10的方向基本上一致。当物体2形状简单时，例如它只有一个在该物体到达扫描仪8时朝上的浅的盲孔时，不需要利用机器人4进行物体2的这种再取向，为此，不需要机器人4。
为了在拍摄时理想地照亮物体2，如图3所示，在组合的激光检测器和2D相机17中适当地有包围物镜23的第一照明单元22。该照明单元22示出为环形的荧光灯22，当然在需要时也可以使用其他实施例，例如发光两极管的圆环(未示出)。在拍摄时，使物镜23的光轴与物体2形成直角是合适的，如果光轴与水平面形成另一角度，则这点可利用改变物体2角度的机器人4达到。优选地，在激光束10基本上垂直地射向物体的物体2的取向下，进行检验，然后在拍摄过程中，改变物体的角度，使物镜23的光轴与物体2基本上形成直角。
如果希望的话，可以在物体2的预先确定的输送路径侧面配置第二照明单元21，使得可用扫描光照亮物体。从图2可看出，单元21适当地安装在扫描仪8上，在激光发射器16的相对于组合的相机和激光接收器17的相反侧，使得激光发射器16基本上在两个照明单元21和22的中间。通常，这个第二照明单元21与第一照明单元22交替使用，但如果希望的话也可以一起使用。值得指出的是，扫描仪单元8和物体2之间的垂直距离得以显著夸大是为了更加清楚。
工业应用性
根据本发明的计算机化检验可应用到每个地方，其中利用上述的3D扫描和2D拍摄的结合，进行物体、特别是生产的物体的检验，以便一次处置物体以确定物体的形状和尺寸的可能偏差。