DE10049303A1 - Verfahren zum berührungslosen Messen von Geometrien von Gegenständen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum berührungslosen Messen von Geometrien wie Oberflächen von Gegenständen, mittels einer Koordinatenmessmaschine mit einem Laserstrahlenbündel, der über ein optisches System auf einen Messpunkt des Gegenstandes abgebildet wird und von dem Messpunkt reflektiertes oder gestreutes Licht von einem Detektor erfasst wird.

Für optoelektronische Abstandsmessungen können zum Beispiel das Laser-Triangulations­ prinzip oder das Laser-Autofokusverfahren genutzt werden. Bei Letzterem kann zum Beispiel das Strahlenbündel einer Infrarotlaserdiode von einem Kollimatorobjektiv parallel gerichtet und von einem nachführbaren Abtastobjektiv auf die Oberfläche des Gegenstandes oder Prüflings fokussiert werden. Das von dort reflektierte oder gestreute Licht durchläuft das Abtast- und das Kollimatorobjektiv in umgekehrter Richtung. Ein Strahlenteilerprisma lenkt einen Teil dieses vom Kollimatorobjektiv erneut fokussierten Bündels auf einen Fokusdetek­ tor. Liegt der Fokuspunkt in der Fokusdetektorebene, so fällt er symmetrisch zwischen Fokus­ detektorsegmente, so dass beide ein gleiches Signal an die Auswerteelektronik liefern.

Liegt dagegen der Fokuspunkt vor der Fokusdetektorebene, so fällt im Wesentlichen nur auf eines der Fokusdetektorsegmente Licht in Form eines halben unscharfen Zerstreuungskreises. Umgekehrt verlagert sich der Strahlungsschwerpunkt auf das andere Segment, wenn der Fokuspunkt hinter der Fokusdetektorebene liegt. Aus den Signalen der Fokusdetektorsegmente ergibt sich sodann ein Regelsignal zur Nachführung des Abtastobjektivs. Dies kann mittels eines Tauchspulmotors erfolgen, so dass das Abtastobjektiv immer auf die Prüflingsoberfläche fokussiert bleibt. Mit anderen Worten folgt das Objektiv dem Profil des Prüflings. Die Vertikalbewegung wird sodann von einem Wegaufnehmer wie Induktivaufnehmer als Mess­ signal registriert. Damit unterschiedliche Reflektionsvermögen der Prüflingsoberfläche die Messergebnisse nicht beeinflussen, kann von einem zweiten Detektor eine Intensitätsmessung durchgeführt werden, mit der das Signal des Fokusdetektors normiert wird.

Neben dem zuvor beschriebenen Verfahren der Strahlungenbeeinflussung in Detektorrichtung kann auch zum Beispiel das Foucault'sche-Schneidenprinzip zur Anwendung gelangen, nach dem eine Hälfte des optischen Strahlengangs mit Hilfe einer optischen Schneide abgeschattet wird. Je nachdem, ob der Strahl vor oder hinter der Fokusdetektorebene auf das Objekt trifft, wird der linke oder der rechte Teil des reflektierten Messstrahls auf einen Detektor wie Doppelphotodiode abgebildet.

Anstelle einer Schneide kann auch ein Spaltprisma in Verbindung mit zwei Photodiodenpaa­ ren eingesetzt werden. Auch die Möglichkeit der Verwendung einer Zylinderlinse in Verbin­ dung mit einem Photodiodenpaar ist gegeben. Insoweit wird jedoch auf hinlängliche Mess­ verfahren verwiesen.

Die bekannten Abstandsmessverfahren nach dem Autofokusprinzip weisen eine feste Optik auf, wobei zu wählen ist, ob eine hohe Auflösung bei einem geringen Messbereich oder eine geringe Auflösung bei einem größeren Messbereich gewünscht wird. Der Arbeitsabstand selbst ist erkennbar konstant.

Aus der WO 99/53268 ist ein Verfahren einer Anordnung zur Erfassung der Geometrie von Gegenständen mittels eines Koordinatenmessgerätes bekannt. Dabei wird ein optisches System mit einer Zoomoptik benutzt, deren Linsengruppen jeweils motorisch in Stellungen für den Abbildungsmaßstab und den Abstand zum Gegenstand separat bewegt werden.

Mit einem entsprechenden Verfahren ist ein großer Einsatzbereich zur Messung der Geome­ trie von Gegenständen denkbar, wobei mit geringem Aufwand geometrieabhängig erzeugtes Licht erfasst und auf einen Detektor abgebildet wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zu Grunde, ein Verfahren der eingangs genann­ ten Art so weiterzubilden, dass mit einfachen Maßnahmen der Einsatzbereich erweitert werden kann. Dabei soll auch die Möglichkeit gegeben sein, das Verfahren mit üblichen von Koordinatenmessmaschinen bekannten sonstigen optischen Verfahren zu kombinieren.

Erfindungsgemäß wird das Problem im Wesentlichen dadurch gelöst, dass das optische System eine Zoomoptik umfasst, deren Linsengruppen jeweils motorisch in Stellungen für Arbeitsabstand und Auflösung und/oder Messbereich separat voneinander verstellt werden.

Abweichend vom vorbekannten Laserabstandsmessverfahren besteht die Möglichkeit, aufgrund der getrennt voneinander verstellbaren Linsengruppen der Zoomoptik den Arbeitsab­ stand zu verändern, wobei auch die Auflösung verbessert und der Messbereich vergrößert werden kann. Demgegenüber ist nach dem Stand der Technik ein Kompromiss zwischen der Güte der Auflösung und der Größe des Messbereichs zu wählen.

Insbesondere sind durch die Erfindung folgende Möglichkeiten der technischen Realisierung gegeben:

• - Verstellen des Arbeitsabstandes des Lasers über die Zoomoptik und das Scannen über das Kordinatenmessgerät.
• - Verändern des Arbeitsabstandes des Lasers und somit Regelprozess über Zoomoptik direkt.
• - Kombination mit Bildverarbeitungsstrahlengang in einen Strahlengang.
• - Kompakte Anbaueinheit für Bildverarbeitung und Laser durch Schwenkgelenk.
• - Zusätzliche Integration von Hellfeld-Auflicht über Teilerspiegel.
• - Einbringung des Laserstrahls in Bildverarbeitungsstrahlengang ohne kompletten Teiler über Farbselektiventeiler oder alternativ über "schmalen Spiegel".
• - Einsatz des Lasers zum Messen der dritten Koordinate eines Fasertasters.
• - Erzeugung des Eigenleuchtens der Kugel bei einem Fasertaster.

Durch die erfindungsgemäße Lehre wird eine Zoom-Optik mit veränderlichem Arbeitsabstand nicht nur zur Bildung bzw. Erfassung von einem Lichtfleck, Lichtpunkt bzw. Kontrastüber­ gang eingesetzt, sondern die Optik wird gleichzeitig zur Projektion einer Marke, einer Kante, eines Lichtflecks, insbesondere einer Foucault'schen Schneide eingesetzt. Es ist somit auf­ grund der erfindungsgemäßen Lehre möglich, sowohl für die Projektion der für Laserab­ standsmessverfahren erforderlichen Laserstrahlen als auch die Abbildung des resultierenden Bildes auf dem Objekt die optischen Parameter Arbeitsabstand, Auflösung, Messbereich und Abbildungsmaßstab gleichzeitig bzw. identisch zu verändern. Aufgrund der erfindungs­ gemäßen Lehre sind bei unterschiedlichen Arbeitsabständen nicht zwei Optiken erforderlich, wie dies nach dem Stand der Technik notwendig ist, sondern mit der erfindungsgemäßen vorgesehenen Zoom-Optik ist eine Realisierung möglich.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Lehre stehen dem Nutzer unterschiedliche Arbeitsabstände des Lasersensors mit damit verbundenen unterschiedlichen Messbereichen und Genauigkeiten zur Verfügung. Es können somit Betriebsarten für hohe Scanning-Geschwindigkeit bei großem Messbereich und weniger genauen Messergebnissen und langsamer Scanning- Geschwindigkeit bei kleinem Messbereich und hochgenauen Ergebnissen wahlweise genutzt werden.

Im normalen Scanning-Betrieb von messenden Tastern mit Koordinatenmessmaschinen wird der messende Taster entsprechend seines Messsignals durch die mechanische Achse des Koordinatenmessgerätes nachgeregelt. Aufgrund der erfindungsgemäßen Lehre und der hierdurch bedingt hinzugewonnenen Funktionalität des veränderlichen Arbeitsabstandes kann das Scannen von Objekten auch ohne Bewegen der Koordinatenachse erfolgen. So wird in Abhängigkeit von der Auslenkung des Sensors lediglich der Arbeitsabstand verändert. Das Messergebnis wird durch Auslesen des Arbeitsabstandes und in Kombination mit den Ausleseergebnissen der Koordiantenachsen der Koordinatenmessmaschine gewonnen.

Wird ein weiterer Strahlteiler in den Abbildungsstrahlengang eingebracht, besteht die Möglichkeit, die aufgrund der erfindungsgemäßen Lehre schnelle Messung des Abstandes zum Messobjekt mit den Möglichkeiten einer Bildverarbeitung zur Messung der Dimensionen in der Bildebene zu kombinieren. Um gegebenenfalls bedingte Intensitätsverluste im Bildver­ arbeitungs- bzw. Laserstrahlengang im jeweiligen Arbeitsmodus zu vermeiden, können die Strahlenteiler wie Spiegel mechanisch so ausgeführt werden, dass diese aus dem Strahlengang herausgeschwenkt oder gekippt werden können. Auch besteht die Möglichkeit, durch farb­ selektive Filter eine Trennung beider Strahlengänge vorzunehmen.

Um des Weiteren die Flexibilität der durch die erfindungsgemäße Lehre eröffneten Mess­ verfahren und Anwendungsmöglichkeiten zu erhöhen, sieht eine Weiterbildung der Erfindung vor, dass die komplette Sensorik am Dreh-/Schwenkgelenk einer Koordinatenmessmaschine angeordnet wird.

Auch besteht die Möglichkeit, das verwendete Laserlicht zum Erzeugen von Eigenleuchten eines Antastelementes eines opto-taktilen Tasters zu verwenden, wie dieser der WO 99/53268 zu entnehmen ist.

Auch kann die Arbeitsrichtung des Laserabstandssensors über einen einwechselbaren zusätz­ lichen Spiegel wahlweise geändert werden.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen - für sich und/oder in Kombination -, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung von dem Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispiel.

Es zeigen:

Bild 1 eine Prinzipdarstellung eines Lasersensors zur Messung von Oberflächen von Gegenständen,

Bild 2 Prinzipdarstellungen von Messbereichen, die mit dem Lasersensor gemäß Bild 1 abdeckbar sind,

Bild 3a, 3b Vergleiche von mit dem erfindungsgemäßen Lasersensor abdeckbaren Messbe­ reichen im Vergleich zu denen eines Lasersensors nach dem Stand der Tech­ nik,

Bild 4 einen Lasersensor gemäß Bild 1 mit zusätzlichem Strahlenteiler,

Bild 5 ein Dreh-Schwenkgelenk mit Lasersensor und

Bild 6 ein Dreh-/Schwenkgelenk mit Lasersensor sowie Fasertaster.

Erfindungsgemäß wird eine Koordinatenmessmaschine zum berührungslosen Messen von Geometrien von Oberflächen von Gegenständen mittels eines Laserstrahlenbündels vor­ geschlagen, der über ein optisches System auf einen Messpunkt des Gegenstandes abgebildet wird und von dem Messpunkt reflektiertes Licht von einem Detektor oder Sensor erfasst wird. Erfindungsgemäß wird hierzu eine Zoom-Optik mit veränderlichem Arbeitsabstand nicht nur zur Abbildung bzw. Erfassung von einem Lichtfleck, Lichtpunkt bzw. Kontrastübergang ver­ wendet, sondern gleichzeitig wird die Optik zur Projektion einer Marke, einer Kante, eines Lichtflecks und insbesondere einer Foucault'schen Schneide eingesetzt. Somit besteht die Möglichkeit, sowohl für die Projektion der für Laserabstandsmessverfahren erforderlichen Laserstrahlen als auch die Abbildung des resultierenden Bildes auf dem Objekt die optischen Parameter Arbeitsabstand, Auflösung, Messbereich und Abbildungsmaßstab gleichzeitig und identisch zu verändern.

In Bild 1 ist rein prinzipiell ein Laser 1 dargestellt, dessen Strahl über ein Prisma 2 und einen halbdurchlässigen Spiegel 3 einer Zoom-Optik 5 zugeleitet wird, um den Laserstrahl in verschiedenen Scharfebenen 6 und 7 abzubilden. Das reflektierte Licht durchläuft den halbdurchlässigen Spiegel 3, um über ein weiteres Prisma 2 einem Sensor in Form von zum Beispiel einer Differenzfotodiode 5 zuzuleiten.

Wie Bild 1 am Beispiel des Lasersensors nach dem Foucault-Prinzip zeigt, wird die Zoom- Optik sowohl zur Projektion des über einen Spiegel in den Strahlengang gebrachten Bildes der Foucault'schen Schneide als auch zur Abbildung des resultierenden Bildes des Mess­ objektes auf die optoelektronischen Sensoren 4 benutzt, die erwähntermaßen im Ausfüh­ rungsbeispiel als Differenzfotodioden ausgebildet sind. Da mittels der Optik 5 Arbeitsabstand und Auflösung und/oder Messbereich separat voneinander verstellbar sind, ist nur eine einzige Optik erforderlich, die nach den Verfahren nach dem Stand der Technik zur Realisierung des Foucault'schen Prinzips mit veränderlichem Arbeitsabstand zwei Optiken erforderlich gemacht hätten.

Folglich stehen dem Benutzer unterschiedliche Arbeitsabstände des Lasersensors mit damit verbundenen unterschiedlichen Messbereichen und Genauigkeiten zur Verfügung. Es können somit Betriebsarten wie hohe Scanning-Geschwindigkeiten bei großem Messbereich (Fangbe­ reich) (Bild 2b) und 2d)) und weniger genauen Messergebnissen und langsamen Scanning-Ge­ schwindigkeiten mit kleinerem Messbereich (Bild 2a) und 2c)) und hochgenauen Ergebnissen wahlweise genutzt werden, wie anhand von Bild 2 verdeutlicht wird. In diesem wird mit 1 die Zoom-Optik, mit 2 der Arbeitsabstand und mit 3 der Messbereich prinzipiell angedeutet.

In Abhängigkeit von der Vergrößerung, Arbeitsabstand und Messbereich ergeben sich unter­ schiedliche Genauigkeiten, wie die Tabelle in Bild 2 verdeutlicht.

Nach dem Stand der Technik werden im normalen Scanning-Betrieb von messenden Tastern mit Koordinatenmessmaschinen der messende Taster entsprechend eines Messsignals durch die mechanische Achse der Koordinatenmessmaschine nachgeregelt. Durch die erfindungs­ gemäß hinzugewonnene Funktionalität des veränderlichen Arbeitsabstandes kann das Scannen von Objekten auch ohne Bewegung der Koordinatenachsen erfolgen. Es wird abhängig von der Auslenkung des Sensors lediglich der Arbeitsabstand verändert. Das Messergebnis wird durch Auslesen des Arbeitsabstandes und in Kombination mit den Ausleseergebnissen der Koordinatenmessmaschine gewonnen, wie Bild 3a verdeutlicht. Ohne eine erfindungsgemäße Zoom-Optik ergäbe sich dagegen ein sehr eingeschränkter Messbereich aufgrund des fest vorgegebenen Abstandssensors, wie anhand von Bild 3b erkennbar wird.

Durch Einbringen eines weiteren Strahlenteilers 4 in den Abbildungsstrahlengang gemäß Bild 4 ist es möglich, die erfindungsgemäße schnelle Messung des Abstandes vom Messobjekt mit den Möglichkeiten einer Bildverarbeitung zur Messung der Dimensionen in der Bildebene zu kombinieren. Um hierdurch bedingte Intensitätsverluste im Bildverarbeitungs- bzw. Laser­ strahlengang im jeweiligen Arbeitsmodus zu vermeiden, können die Strahlenteiler wie Spiegel mechanisch so ausgeführt werden, dass diese aus dem Strahlengang herausgeschwenkt oder gekippt werden können. Auch besteht die Möglichkeit, über farbselektive Filter eine Tren­ nung der Strahlengänge zu erreichen.

Um die Flexibilität der beschriebenen Lösung zu erhöhen, besteht ferner die Möglichkeit, die gesamte Sensorik am Dreh-/Schwenkgelenk einer Koordinaten-Messmaschine anzuordnen, wie rein prinzipiell durch Bild 5 angedeutet wird.

Bild 6 zeigt wiederum rein prinzipiell, dass der Laserabstandssensor zum Messen der Lage in Richtung der optischen Achse eines mechanischen Antastelementes eingesetzt werden kann. Als Antastelement ist dabei ein Fasertaster zu bevorzugen, wie dieser in der WO 99/53268 beschrieben wird. Insoweit wird auf die entsprechende Offenbarung verwiesen. In Kombination mit den Messergebnissen eines Bildverarbeitungssystems innerhalb der Ab­ bildungsebene lässt sich somit eine dreidimensionale Bestimmung der Lage des Antast­ elementes erreichen. Das Antastelement in Form einer Kugel kann hierzu mit einer speziellen Fläche für die Erzeugung des Laserbildes ausgestattet sein.

Der durch das Laserlicht erzeugte Eigenleuchteffekt der Fasertasterkugel kann ebenfalls gleichzeitig zur Detektion ihrer Lage mittels Bildverarbeitungssystem herangezogen werden.

Claims (10)

1. Verfahren zum berührungslosen Messen von Geometrien wie Oberflächen von Gegen­ ständen, mittels einer Koordinatenmessmaschine mit einem Laserstrahlenbündel, der über ein optisches System auf einen Messpunkt des Gegenstandes abgebildet wird und von dem Messpunkt reflektiertes oder gestreutes Licht von einem Detektor erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass das optische System eine Zoomoptik umfasst, deren Linsengruppen jeweils motorisch in Stellungen für Arbeitsabstand und Auflösung und/oder Messbereich separat voneinander verstellt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Ausgangssignale des Detektors bzw. Sensors die Koordinatenmessmaschine im Scanning-Betrieb steuern.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Realisierung des Scanning-Betriebs der Arbeitsabstand des optischen Systems durch Regelvorgang gezielt verändert wird.

4. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein Bildverarbeitungsstrahlengang erzeugt wird, der aus dem Ab­ bildungsstrahlengang abgeleitet wird.

5. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Laser, Detektor und/oder optisches System durch eine Schwenkeinrichtung im Raum positioniert wird.

6. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Teilerspiegel zwischen Bildverarbeitungs- und Laserstrahlengang Farbselektiv- Filter verwendet werden.

7. Verfahren nach vorzugsweise einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Teilerspiegel zwischen Bildverarbeitungs- und Laserstrahlengang Kipp- oder Schwenkspiegel verwendet werden.

8. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels Laserabstandssensor dritte Koordinate eines opto-taktilen Tasters ermittelt wird.

9. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Laserlicht zum Erzeugen von Eigenleuchten des opto-taktilen Tasters bzw. dessen Antastelementes verwendet wird.

10. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsrichtung vom Laserabstandssensor über einen einwechselbaren zusätzlichen Spiegel wahlweise verändert werden kann.