SE520060C2

SE520060C2 - System and method for continuously determining the size of an object whose size varies over time

Info

Publication number: SE520060C2
Application number: SE0003693A
Authority: SE
Inventors: Bjoern Skatt
Original assignee: Latronix Ab
Priority date: 2000-10-12
Filing date: 2000-10-12
Publication date: 2003-05-13
Also published as: WO2002031436A1; SE0003693D0; AU2001294492A1; SE0003693L

Abstract

A contour meter, for example comprising a light source generating a laser line, and an accompanying registering device, for example a comaera, suchas a CCD camera or a CMOS camera, are arranged to measure the shape of a section throught the object, for example a cylinder. This section shape is obtained by a number of three-dimensional points on the enveloping surface determined bz the of the camera registered laser light line reflected bz the object. Then, these tree-dimensional points are adapted to the previously known shape of the object. By continuously repeating the measuring, a measure is obtained of a number or parameters of the object, including the size, the position in two dimensions, and the direction. It is also possible to only adapt the measuring data to a selection of these parameters. Thus, in a number of applications, it is possible to assume a fixed direction of the object when moving. If such an assumption is possible, a more robust measuring can be obtained. By using the system and the method of the invention a number of advantages compared to tprior art are obtained. Thus, only one contour meter is needed, provididng a measuring system that is inexpensive to manufacture and, further, eacy to assemble and calibrate. Other advantages achieved include a high accuracy and the possibly to measure objects with a varying position.

Description

520 060 en eller flera punkter på cylindern. Detta sätt ger i de flesta fall ett tillfredsställande resultat då cylinderaxeln är fixerad under upprullningen. Detta är emellertid inte alltid fallet. Sålunda ligger i många tillämpningar rullens periferi an mot en fixerad 'vals medan tillväxten. på rullen tvingar cylinderaxeln bort från den fixerade valsen. I vissa tillämpningar sker denna rörelse rätlinjigt medan den i andra tillämpningar beskriver en mer komplicerad rörelse. Det är i princip möjligt att mäta diametern på en rulle som rör sig med tre eller flera punktmätare. Dock har det visat sig att det är mycket svårt att linjera upp och kalibrera ett sådant system. 520 060 one or more points on the cylinder. This method gives in most cases a satisfactory result when the cylinder shaft is fixed during winding. However, this is not always the case. Thus, in many applications, the periphery of the roller abuts a fixed roller while growing. on the roller forces the cylinder shaft away from the fixed roller. In some applications this movement takes place rectilinearly, while in other applications it describes a more complicated movement. It is in principle possible to measure the diameter of a roller moving with three or more point meters. However, it has been found that it is very difficult to align and calibrate such a system.

Vidare beskriver WO 00/29809 ett laserbaserat system för mätning av objekt med cylindrisk form. Syftet med systemet som beskrivs i WO OO/29809 är att avgöra om ett cylindriskt föremål uppfyller existerande krav på rundhet och dylikt.Furthermore, WO 00/29809 describes a laser-based system for measuring objects with a cylindrical shape. The purpose of the system described in WO OO / 29809 is to determine whether a cylindrical object meets existing requirements for roundness and the like.

Systemet använder ett antal laser strålar för att mäta avståndet till ett föremål vars egenskaper skall bestämmas.The system uses a number of laser beams to measure the distance to an object whose properties are to be determined.

REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN Det är ett syfte med föreliggande uppfinning' att åstadkomma ett förfarande och ett system för mätning av storlek hos ett objekt, särskilt ett objekt som ändrar storlek med tiden och särskilt ett objekt med cylindrisk form, dvs ett objekt med en form svarande mot att en yta translateras rätlinjigt genom rummet.DISCLOSURE OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a method and system for measuring the size of an object, in particular an object which changes size with time and in particular an object with a cylindrical shape, i.e. an object with a shape corresponding to that a surface is translated rectilinearly through space.

Detta syfte och andra uppnås genom att en konturmätare, exempelvis bestående av en ljuskälla som alstrar en laserlinje och en tillhörande registrerande anordning, exempelvis en kamera, såsom en CCD-kamera eller en CMOS-kamera, anordnas att mäta formen på ett snitt genom objektet, exempelvis en cylinder. Denna snittfornl erhålls genom att ett antal 3- dimensionella punkter på mantelytan bestäms genom den av 520 060 'a J ,.. .. kameran registrerade av objektet reflekterade laserljuslinjen.This object and others are achieved by arranging a contour meter, for example consisting of a light source which generates a laser line and an associated recording device, for example a camera, such as a CCD camera or a CMOS camera, to measure the shape of a section through the object, for example a cylinder. This sectional shape is obtained by determining a number of 3-dimensional points on the mantle surface by the laser light line reflected by the camera recorded by the object.

Därefter anpassas dessa 3-dimensionella punkter mot den på förhand kända form som objektet har. Genom att kontinuerligt upprepa mätningen erhålls ett mått på ett antal parametrar hos objektet, inkluderande dess storlek, dess position i två dimensioner samt dess riktning. Det är även möjligt att endast anpassa mätdata mot ett urval av dessa parametrar. Sålunda är det i ett antal tillämpningar möjligt att anta en fix riktning för objektet då detta rör sig. Om ett sådant antagande är möjligt kan en mer robust mätning erhållas.Then these 3-dimensional points are adapted to the pre-known shape that the object has. By continuously repeating the measurement, a measure of a number of parameters of the object is obtained, including its size, its position in two dimensions and its direction. It is also possible to only adapt measurement data to a selection of these parameters. Thus, in a number of applications, it is possible to assume a fixed direction for the object as it moves. If such an assumption is possible, a more robust measurement can be obtained.

Genom att använda systemet och förfarande enligt uppfinningen erhålls ett antal fördelar gentemot tidigare känd teknik.By using the system and method according to the invention, a number of advantages are obtained over prior art.

Sålunda behövs endast en enda konturmätare, vilket ger ett mätsystem som är billigt att tillverka och som vidare är lätt att montera samt enkelt att kalibrera. Andra fördelar som uppnås innefattar hög noggrannhet och möjlighet att mäta objekt vars position förändras.Thus, only a single contour meter is needed, which provides a measuring system that is cheap to manufacture and which is also easy to assemble and easy to calibrate. Other benefits achieved include high accuracy and the ability to measure objects whose position changes.

KORTFATTAD BESKRIVNING AV RITNINGARNA Uppfinningen kommer nu att beskrivas närmare med hjälp av icke begränsade utföringsformer och med hänvisning till de bilagda ritningarna, på vilka: - Fig. l visar en tambourrulle upphängd i en hävarm.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The invention will now be described in more detail by means of non-limited embodiments and with reference to the accompanying drawings, in which: Fig. 1 shows a drum roll suspended in a lever.

- Fig. 2 visar ett lasermätningssystem för mätning av en cylinderformad kropp.Fig. 2 shows a laser measuring system for measuring a cylindrical body.

- Fig. 3 visar närmare en mätning av en kontur av cylinderkroppen i Fig. 2.Fig. 3 shows in more detail a measurement of a contour of the cylinder body in Fig. 2.

- Fig. 4a och 4b illustrerar ett flödesschema som visar de steg som utförs vid bestämning av en cylinderkropps storlek . . +- 'la OCh pOSlclOD OCu. 520 060 4 ... ..Figs. 4a and 4b illustrate a flow chart showing the steps performed in determining the size of a cylinder body. . + - 'la OCh pOSlclOD OCu. 520 060 4 .....

BESKRIVNING AV FÖREDRAGNA UTFÖRINGSFORMER I Fig. 1 visas en tambourrulle 1 upphängd i en hävarm 2. Vid upprullning av papper på tambourrullen rör sig rullen längs en cirkelbåge i pilens 4 riktning. Cirkelbågen bestäms av hävarmen, som är fixerad i en punkt 3.DESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS Fig. 1 shows a drum roll 1 suspended in a lever 2. When winding paper on the drum roll, the roll moves along a circular arc in the direction of the arrow 4. The arc of the circle is determined by the lever, which is fixed in a point 3.

I Fig. 2 visas ett lasermätningssysten1 5 för mätning' av' en tambourrullen 1. Systemet 5 innefattar en laserljuskälla 6, en kamera 7 samt en anordning áš för behandling av nétdata som kameran 7 genererar.Fig. 2 shows a laser measuring system 15 for measuring 'of' a drum roll 1. The system 5 comprises a laser light source 6, a camera 7 and a device á for processing net data which the camera 7 generates.

Laserljuskällan 6 är anordnad att avge en laserljuslinje mot mantelytan på den cylinderformiga tambourrullen.The laser light source 6 is arranged to emit a laser light line towards the mantle surface of the cylindrical drum roll.

Laserljuslinjen reflekteras mot tambourrullen och den reflekterade strålen registreras av kameran 7. I en föredragen utföringsform är kameran 7 en CCD-kamera eller en CMOS-kamera.The laser light line is reflected against the drum roll and the reflected beam is detected by the camera 7. In a preferred embodiment, the camera 7 is a CCD camera or a CMOS camera.

Kameran 7 avger kontinuerligt mätdata svarande mot den reflekterade laserljuslinjen. Typiskt registrerar kameran ett hundratal diskreta mätpunkter på cylinderns mantelyta såsom visas i Fig. 3.The camera 7 continuously emits measurement data corresponding to the reflected laser light line. Typically, the camera detects hundreds of discrete measurement points on the outer surface of the cylinder as shown in Fig. 3.

Genom kännedom om det cylindriska objektets tvärsnittsyta, kan de av kameran alstrade mätvärdena anpassas mot parametrar för objektet. Med ett cylindriskt objekt avses här cylindriska objekt i vid bemärkelse, dvs en form som uppstår då en yta translateras rätlinjigt i rummet, exempelvis ett rätblock, en prisma, en cylinder etc. I detta exempel där objektet är en cylinder kan mätdata anpassas mot parametrar innefattande position, storlek och riktning. Denna anpassning kan utföras med lämplig anpassningsmetod, exempelvis kan summan av kvadraterna mellan mätnunkter och cylinder minimeras. ___ ___ _ _ ___ _ r 520 060 ;@g¿g§¿; I Fig. 4a och 4b visas ett flödesschema över de steg som utförs i anordningen 8 för att alstra värden som beskriver en uppmätt cylinder då denna mäts med ett system såsom beskrivet ovan i samband med Fig. 1 - 3.By knowing the cross-sectional area of the cylindrical object, the measured values generated by the camera can be adapted to parameters of the object. By a cylindrical object is meant here cylindrical objects in the broadest sense, ie a shape that arises when a surface is translated rectilinearly in space, for example a straightening block, a prism, a cylinder, etc. In this example where the object is a cylinder, measurement data can be adapted to parameters including position, size and direction. This adjustment can be performed with a suitable adjustment method, for example the sum of the squares between measuring points and cylinder can be minimized. ___ ___ _ _ ___ _ r 520 060; @ g¿g§¿; Figs. 4a and 4b show a flow chart of the steps performed in the device 8 for generating values describing a measured cylinder when it is measured with a system as described above in connection with Figs. 1-3.

Således mäts först, med hänvisning till fig. 4a, i ett steg 21 en kontur på objektet som skall mätas, där konturen består av ett antal tredimensionella mätpunkter. Därefter anpassas i ett steg 23 den modell cylinder som bäst svarar mot mätdata.Thus, with reference to Fig. 4a, a contour of the object to be measured is first measured in a step 21, where the contour consists of a number of three-dimensional measuring points. Then, in a step 23, the model cylinder that best corresponds to the measurement data is adapted.

Slutligen utmatas resultatet från steg 23 i ett steg 25 och en ny mätning i steg 21 initieras.Finally, the result from step 23 is output in a step 25 and a new measurement in step 21 is initiated.

I Fig. 4b visas de delsteg som utförs i procedursteget 23 närmare. Först ansätts en uppsättning parametrar för modellcylindern i ett steg 23a, för en cylinder kan parametrarna vara radie, position och riktning. Sedan, i ett steg 23b, beräknas ett mått på avvikelsen mellan den i steg 21 uppmätta konturen och en ansatt modellcylinder givet de använda parametrarna. I en föredragen utföringsform kan även gradienten för måttet med avseende på parametrarna användas.In Fig. 4b, the sub-steps performed in the procedure step 23 are shown in more detail. First, a set of parameters for the model cylinder is applied in a step 23a, for a cylinder the parameters can be radius, position and direction. Then, in a step 23b, a measure of the deviation between the contour measured in step 21 and a fitted model cylinder is calculated given the parameters used. In a preferred embodiment, the gradient of the measure with respect to the parameters can also be used.

Exempelvis kan summan av kvadraterna på avståndet mellan varje punkt i mätdata och modellcylindern användas. Slutligen fortsätter proceduren till steg 25 om optimeringen är klar. I annat fall används en optimeringsalgoritm för att erhålla ett förbättrat värde på parametrarna, vilket värde ger ett mindre värde på måttet. Exempel pá optimeringsalgoritmer som kan användas innefattar, Steepest Descent, DFP och BFGS.For example, the sum of the squares at the distance between each point in the measurement data and the model cylinder can be used. Finally, the procedure proceeds to step 25 if the optimization is complete. Otherwise, an optimization algorithm is used to obtain an improved value of the parameters, which value gives a smaller value of the measure. Examples of optimization algorithms that can be used include, Steepest Descent, DFP and BFGS.

Genom att använda systemet och förfarandet såsom beskrivna häri uppnås ett antal fördelar. Sålunda behövs endast en enda konturmätare, vilket ger ett mätsystem som är billigt att tillverka. Vidare erhålls en relativt stor mängd mätpunkter, typiskt några hundra, vilket gör att systemet blir okänsligare ... .. .w- ^~ 520 060 gßgggjgg 6 för brus jämfört med andra typer av mätare som använder ett fåtal mätpunkter, typiskt upp till tre stycken.By using the system and method as described herein, a number of advantages are achieved. Thus, only a single contour meter is needed, which provides a measurement system that is inexpensive to manufacture. Furthermore, a relatively large amount of measuring points is obtained, typically a few hundred, which makes the system more insensitive ...... w- ^ ~ 520 060 gßgggjgg 6 for noise compared to other types of meters that use a few measuring points, typically up to three pieces.

Dessutom är de platser, exempelvis pappers och stålmaskiner, där mätare av' den typ som beskrivs häri kan användas ofta relativt trånga. Mätsystemet såsom beskrivet häri kräver endast att en del av exempelvis en cylinder är synlig från en enda riktningu I många fall är' det tillräckligt att 10% av omkretsen är synlig för att noggranna mätresultat skall kunna erhållas. Vidare kräver inte systemet att objektet som mäts hålls i ett fixt läge. Istället kan position och/eller riktning erhållas som en del av mätningen.In addition, the locations, such as paper and steel machines, where meters of the type described herein can be used are often relatively cramped. The measuring system as described herein only requires that a portion of, for example, a cylinder be visible from a single direction. In many cases it is sufficient that 10% of the circumference is visible in order to obtain accurate measurement results. Furthermore, the system does not require the object being measured to be kept in a fixed position. Instead, position and / or direction can be obtained as part of the measurement.

I exemplet ovan är mätsystemet beskrivet med en laserljuskälla som avger en laserlinje. Mätsystemet kan dock även konstrueras med andra ljuskällor som avger en ljuslinje eller med ett system där en skugglinje alstras. Systemet kan kalibreras med ett objekt med känd form. Även kan en skannande punktmätare användas för att erhålla den uppmätta konturen, exempelvis en skannande PSD-mätare eller time-of-flight-mätare.In the example above, the measuring system is described with a laser light source emitting a laser line. However, the measuring system can also be constructed with other light sources that emit a light line or with a system where a shadow line is generated. The system can be calibrated with an object of known shape. A scanning dot meter can also be used to obtain the measured contour, for example a scanning PSD meter or time-of-flight meter.

Vidare kan systemet använda sig av flera ljus- eller skugglinjer och denna/dessa kan även registreras med flera kameror. Med ett sådant arrangemang kan mätnoggrannheten förbättras.Furthermore, the system can use several light or shadow lines and this / these can also be registered with several cameras. With such an arrangement, the measurement accuracy can be improved.

Claims

1 520 060 7- PATENT REQUIREMENTS System for continuously determining the size of an object whose size varies over time and which has a pre-known shape, characterized by - one or more light sources (6), each arranged to emit a line towards the surface of the object (1), - one or more recording devices (7), each arranged to record one or more lines reflected from the object, and - a measuring data processing device (8), connected to one or more recording devices (7) , arranged to receive output signals from these recording devices corresponding to reflected lines and to adapt these output signals to the object's prior known form in order to generate data corresponding to the varying size of the object, and arranged to continuously repeat the measurement. System according to claim 1, characterized in that the light sources consist of laser light sources arranged to generate laser light lines. System according to claim 1, characterized in that the light sources are arranged to generate shadow lines. Method for continuously determining the size of an object (1) whose size varies over time and which has a pre-known shape, characterized by the steps of - emitting one or more lines towards the surface of the object, - registering lines reflected from the object, with one or more recording devices, and - receiving output signals from the recording devices corresponding to the reflected lines and adapting these output signals to the object's prior art in order 520 060 s to generate data corresponding to the varying size of the object and continuously repeat the measurement, with by means of a measuring data processing device connected to the recording devices. Method according to claim 4, characterized in that the lines generated are laser light lines. Method according to claim 4, characterized in that the lines generated are shadow lines.