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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Vermessen von Bauteilen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Aus der
DE 100 62 251 C2 ist eine Vorrichtung zum Vermessen von Bauteilen bekannt, bei der mittels einer Lasertriangulationsmesseinrichtung ein Höhenprofil des Bauteils bestimmt wird. Die bekannte Vorrichtung beschränkt sich auf die Bestimmung von Höhenbildern einer ebenen bzw. gewölbten Oberfläche des Bauteils.
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Aus der
DE 40 25 682 C2 ist eine Vorrichtung zum Vermessen von Bauteilen bekannt, wobei mittels einer Lasertriangulationsmesseinrichtung das Höhenprofil von strangförmigen Bauteilen ermittelt wird. Die Lasertriangulationsmesseinrichtung weist einen einzigen Triangulationssensor auf, der auf eine einzige Oberfläche des strangförmigen Bauteils ausgerichtet ist und ein Vermessen des in horizontaler Richtung relativ zu der Lasertriangulationsmesseinrichtung verfahrbaren Bauteils in vertikaler und horizontaler Richtung ermöglicht. Die Lasertriangulationsmesseinrichtung ist relativ aufwändig und beschränkt sich auf das Vermessen des Bauteils von einer Seite her.
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Aus der
DE 38 17 321 A1 ist eine Triangulationsmessvorrichtung bekannt, die in Übereinstimmung mit dem Erfindungsgegenstand einen Träger aufweist, der eine quer zur Verschieberichtung der Bauteile verlaufende horizontale Traverse aufweist, an der eine Mehrzahl von Triangulationssensoren befestigt ist. Die Bauteile werden in Verschieberichtung relativ zu dem Träger bzw. Triangulationssensoren verschoben. Nachteilig an der bekannten Messvorrichtung ist, dass die Triangulationssensoren nur auf vorgegebene Punkte des Bauteils ausgerichtet sind.
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Aus der
DE 103 13 191 A1 ist eine Triangulationsmessvorrichtung für ein rotationssymmetrisches Bauteil bekannt. Die Messvorrichtung umfasst eine Mehrzahl von Triangulationssensoren, die das Bauteil von unterschiedlichen Richtungen her detektieren. Nachteilig an der bekannten Messvorrichtung ist, dass sie einen relativ großen Platzbedarf erfordert und dass eine vollständige Erfassung des Oberflächenprofils des Bauteils relativ aufwendig ist.
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Aus der
US 6 064 759 A ist eine Vorrichtung zum Vermessen von Bauteilen mit einer Lasertriangulationsmesseinrichtung enthaltend mehrere Triangulationssensoren bekannt, mittels derer eine vollständige dreidimensionale geometrische Erfassung eines Bauteils ermöglicht wird. Das auf einer Auflageebene angeordnete Bauteil ist relativ verschieblich zu einer Lasertriangulationsmesseinrichtung angeordnet. Die Anzahl und Anordnung der Triangulationssensoren im Raum bestimmt sich jedoch nach der Anzahl und dem Verlauf der Seiten des Bauteils. Nachteilig an der bekannten Vorrichtung ist, dass der Montageaufwand für die Triangulationssensoren relativ aufwändig ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Vermessen von Bauteilen derart weiterzubilden, dass mit geringem Aufwand ein berührungsfreies Vermessen von dreidimensionalen Geometrien von Bauteilen ermöglicht wird.
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Zur Lösung dieser Aufgabe weist die Erfindung die Merkmale des Patentanspruchs 1 auf.
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Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass eine geometrische Prüfung eines Bauteils mit geringem Aufwand ermöglicht wird. Die Erfindung ermöglicht ein vollständiges Überprüfung der Kontur des Bauteils, wobei mindestens zwei Triangulationssensoren in einer gemeinsamen Messebene unter Bildung eines Lageversatzes angeordnet sind, so dass die hierdurch gebildete Detektiereinheit quasi einen Lasermessvorhang bildet, durch den das auf einer Auflageebene angeordnete Bauteil relativ bewegt wird. Durch die räumlich versetzte Anordnung der Triangulationssensoren, die für sich lediglich eine Abstandmessung bzw. die Messung eines Höhenprofils in einem begrenzten Raumrahmen ermöglichen, kann eine Ausweitung des Messbereichs bis zu einer beliebigen Größe erfolgen. In Verbindung mit der Relativbewegung zwischen dem Bauteil und den Triangulationssensoren kann somit auf einfache Weise eine dreidimensionale Profilbestimmung des Bauteils erfolgen. Vorteilhaft sind die Triangulationssensoren relativ zueinander so angeordnet bzw. die Anzahl der Triangulationssensoren so bemessen, dass eine Vielzahl von unterschiedlichen Geometrien des Bauteils erfasst werden kann. Die Triangulationssensoren sind in mehreren Messebenen angeordnet, in denen sie reihenförmig quer zur Verschieberichtung angeordnet sind und jeweils die gleiche räumliche Ausrichtung zu dem Bauteil aufweisen. Die Messebenen sind in Verschieberichtung des Bauteils versetzt zueinander angeordnet.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist die Auflageebene des Bauteils mittels einer Präzisionsführungseinrichtung verfahrbar ausgebildet, um die Relativbewegung zwischen Triangulationssensoren und Bauteil zu erreichen.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist eine Auswerteeinheit vorgesehen, die einen dreidimensionalen Formabgleich zwischen einem vorgegebenen Referenzmodell und einem detektierten Ist-Modell ermöglicht, ohne dass eine Ausrichtung des zu detektierenden Bauteils erforderlich ist. Es erfolgt eine automatische oder manuelle Auswertung der Bauteilgeometrie mittels einer Recheneinheit, vorzugsweise eines Computers, in dem die Soll-Daten des Referenzmodells gespeichert sind.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist die Auswerteeinheit ein Prüfprogramm auf, mittels dessen vorwählbare geometrische Eigenschaften des Ist-Modells überprüfbar sind. Vorteilhaft kann hierdurch vorzugsweise oder ausschließlich eine punktuelle geometrische Prüfung von Bauteilen erfolgen, wie beispielsweise die Überprüfung von Lochabständen, Lochdurchmesser, Radien, Formtreue oder anderen geometrischen Eigenschaften.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung werden die in der Auswerteeinheit ermittelten Auswertedaten in einem Speicher abgespeichert, so dass eine Nachverfolgbarkeit des Bauteils hinsichtlich seiner geometrischen Eigenschaften und des Herstellungsortes gegeben ist.
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Erläuterungen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen gegeben.
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Es zeigen:
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1 eine perspektivische Darstellung einer Vorrichtung zum Vermessen von Bauteilen,
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2 einen vertikalen Schnitt durch die Vorrichtung im Bereich der Messebene,
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3 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung nach einer Ausführungsform und
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4 eine Seitenansicht der Vorrichtung gemäß 3 in Richtung X.
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Die Vorrichtung 1 zum Vermessen von Bauteilen 2 wird in der Fertigung von Bauteilen 2 eingesetzt und dient zur Überprüfung der Geometrie des gefertigten Bauteils 2.
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Die Vorrichtung 1 besteht im Wesentlichen aus einer Lasertriangulationsmesseinrichtung 3, einer Auswerteeinheit 4 und einer Auflageebene 5, auf der das zu vermessende Bauteil 2 gelagert ist.
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Die Auflageebene 5 für das Bauteil 2 ist als ein Auflagetisch ausgebildet, der ortsfest schwingungsgedämpft gelagert ist. Die Dimension des Auflagetisches 5 beträgt beispielsweise 1,5 m × 0,6 m.
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Die Lasertriangulationsmesseinrichtung 3 ist in einer horizontalen Verschieberichtung 6 relativ verschiebbar zu dem Auflagetisch 5 angeordnet. Hierzu kann der Lasertriangulationsmesseinrichtung 3 ein nicht dargestellter Antrieb zugeordnet sein.
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Nach 1 weist die Lasertriangulationsmesseinrichtung 3 drei in einem gleichen Abstand zueinander angeordnete Triangulationssensoren 9 auf, die quer zu der Verschieberichtung 6 an einer horizontalen Traverse 10 eines verschiebbaren Trägers 11 befestigt sind. Die Triangulationssensoren 9 sind an einer Unterseite der Traverse 10 befestigt und spannen mit ihrem jeweiligen Laserbündel 12 eine vertikale Messebene 13 auf, die senkrecht zur horizontalen Verschieberichtung 6 und senkrecht zum Auflagetisch 5 verläuft.
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Die Höhe der Traverse 10 wird durch die Länge von sich in vertikaler Richtung erstreckenden Schenkeln 14 des Trägers 11 bestimmt, die sich jeweils zwischen den Enden der Traverse 10 und dem Auflagetisch 5 erstrecken. Die Höhe der Schenkel 14 kann beispielsweise 0,2 m betragen. Der Träger 11 bildet somit eine bewegbare Brücke bzw. in Kombination mit den Triangulationssensoren 9 einen bewegbaren optischen Vorhang, durch den das Bauteil 2 relativ in horizontaler Verschieberichtung 6 bewegt wird. Das Bauteil 2 kann eine beliebige Lage auf dem Auflagetisch 5 innehaben. Durch die Anordnung der Triangulationssensoren 9 wird in der vertikalen Messebene 13 sowohl das Höhenprofil in Richtung h als auch das Querprofil in Richtung q ermittelt. Hierdurch erfolgt eine vollständige Konturenvermessung des Bauteils 2 in zweidimensionaler Hinsicht, wobei durch das stetige oder in kurzen Zeitabständen erfolgende Verschieben des Trägers 11 unter vollständiger Erfassung des Bauteils 2 durch die Triangulationssensoren 9 eine vollständige dreidimensionale Profilvermessung des Bauteils 2 ermöglicht wird.
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In der Auswerteeinheit 4 erfolgt ein Vergleich der durch die Lasertriangulationsmesseinrichtung 3 gelieferten Ist-Daten des vermessenen Bauteils 2 mit den in der Auswerteeinheit gespeicherten Soll-Daten des Bauteils 2. Die Soll-Daten des Bauteils 2 repräsentieren ein Referenzmodell des Bauteils 2, das beispielsweise mittels CAD-Techologie dreidimensional in elektronischer Form vorliegt. Dem Referenzmodell können Referenzgeometrien (Löcher, Zylinder, Kanten, Konturformen) zugeordnet werden, anhand derer die aufgenommenen Ist-Daten nach dem Referenzmodell ausgerichtet werden. Eine zweite Methode zur Ausrichtung der Modelle aufeinander ist die Verwendung einer Best-Fit-Berechnung. Auf diese Weise kann die Messung des Bauteils 2 bedienungsfreundlich unter beliebiger Lage des Bauteils 2 auf der Auflageebene 5 erfolgen. Ein Auswerteprogramm der Auswerteeinheit 4 ermöglicht die automatische Ausrichtung des Ist-Modells auf das Referenzmodell unter Überdeckung des markanten Referenzpunktes des Referenzmodells mit einem korrespondierenden markanten Punkt des Ist-Modells.
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Die Auswerteeinheit umfasst ein Prüfprogramm, mittels dessen die Übereinstimmung von vorwählbaren geometrischen Eigenschaften des Ist-Modells mit dem Referenzmodell überprüft wird. Beispielsweise können hierdurch besonders fertigungsrelevante (toleranzbehaftete) Eigenschaften des Bauteils 2 überprüft werden. Diese geometrische Überprüfung kann beispielsweise den Lochabstand und/oder den Lochdurchmesser und/oder bestimmte Radien und/oder die Formtreue des Bauteils 2 umfassen.
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In der Auswerteeinheit 4 werden die Abweichungen des Ist-Modells von dem Referenzmodell errechnet und in üblicher Form einer Bedienperson durch einen Monitor bzw. Ausgabe mittels eines Druckers visualisiert. Diese Visualisierung umfasst insbesondere das Überschreiten einer vorgegebenen Fehlerschwelle, die zum geänderten Einstellen der entsprechenden Fertigungsanlage führen kann.
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Ferner umfasst die Auswerteeinheit 4 einen Speicher, in dem die hierin ermittelten Auswertedaten gespeichert werden. Hierdurch ist eine Nachverfolgbarkeit der Bauteile 2 hinsichtlich Produktionsstandort und Produktionszeit gewährleistet.
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Nach 2 ist ein Bauteil 20 auf einem bewegbaren Auflagetisch 18 gelagert. Der das Bauteil 2 tragende Auflagetisch 18 wird mittels eines Antriebs in horizontaler Verschieberichtung 6 bewegt, wobei der Auflagetisch 18 mittels einer Präzisionsführungseinrichtung 17 geführt ist. Beispielsweise kann der Auflagetisch 18 auch als Förderband ausgebildet sein.
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Die in 2 skizzierte Triangulationsmesseinrichtung 3 umfasst mindestens drei Triangulationssensoren 21, die sowohl in der Höhe h als auch in ihrer Ausrichtung zu dem Bauteil 20 versetzt zueinander angeordnet sind. Ein mittlerer Triangulationssensor 21' ist im Bereich einer Quermittelebene 22 des Auflagetisches 18 oberhalb desselben angeordnet. Eine optische Achse 23 des mittleren Triangulationssensors 21' verläuft senkrecht zum Auflagetisch 18 und in der vertikalen Messebene 13. Optische Achsen 24 von zu beiden Seiten des mittleren Triangulationssensors 21' angeordneten äußeren Triangulationssensoren 21'' erstrecken sich jeweils in einem spitzen Winkel zu der optischen Achse 23 des mittleren Triangulationssensors 21'.
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Der mittlere Triangulationssensor 21' ist in der Höhe versetzt zu den äußeren Triangulationssensoren 21'' angeordnet.
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Durch die in dem spitzen Winkel α ausgerichteten äußeren Triangulationssensoren 21'' ist gewährleistet, dass neben der Höhenprofilbestimmung auch eine Querprofilbestimmung des Bauteils 20 gewährleistet ist.
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Es versteht sich, dass die Triangulationssensoren 9, 21, 21', 21'' auch in horizontaler Verschieberichtung 6 versetzt zueinander angeordnet sind. In diesem Fall weist die vertikale Messebene 13 eine gewisse „Dicke” auf.
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Das Bauteil 2, 20 kann beispielsweise als Blechbauteil ausgebildet sein. Die Messgenauigkeit der Lasertriangulationsmesseinrichtung 3 bzw. die Auflösung derselben kann kleiner als 0,2 mm betragen. Der Messvorgang kann innerhalb von einer Minute vollzogen werden, wobei bei Auftreten von Hinterschneidungen des Bauteils 2 die Messzeit in Folge eines weiteren Messvorgangs verlängert werden kann.
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Das Referenzmodell bzw. die Prüfprogramme können zentral in einem Datenserver abgespeichert sein, der mit der dezentralen Auswerteeinheit 4 verbunden ist.
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Nach einem in den 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind mehrere, jeweils eine Mehrzahl von reihenförmig angeordneten Triangulationssensoren 9 aufweisende Messebenen 13 in horizontaler Verschieberichtung 6 hintereinander angeordnet. Die Triangulationssensoren 9 einer Messebene 13 weisen dabei jeweils die gleiche räumliche Ausrichtung/Winkelanstellung in Bezug auf das Bauteil 2 bzw. einer Vertikalebene 30, 31 auf. Beispielsweise können die Triangulationssensoren 9 in einer ersten Messebene 13' jeweils einen ersten spitzen Winkel zu einer Vertikalebene 30 bilden, wobei sich die Vertikalebene 30 parallel zu der Verschieberichtung 6 erstreckt. Dieser spitze Winkel erstreckt sich dabei in einer vertikalen Ebene, wobei die optischen Achsen der Sensoren quer zur Verschieberichtung 6 nach rechts ausgerichtet sind. Hierdurch ergibt sich ein Erfassungsbereich bzw. Scannbereich 32', der insbesondere ein in Verschieberichtung 6 verlaufendes Querprofil 33' eines zu vermessenden Bauteils 33 erfasst.
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Die Triangulationssensoren 9 einer zweiten, in Verschieberichtung 6 nachgelagerten Messebene 13'' weisen ebenfalls wie die vorgenannten Sensoren eine Ausrichtung um einen spitzen Winkel zu der Vertikalebene 30 auf, die parallel zur Verschieberichtung 6 verläuft. Im Unterschied zur Messebene 13' sind die optischen Achsen der Triangulationssensoren 9 der zweiten Messebene 13'' bezogen auf die Verschieberichtung 6 links der Vertikalebene 30 orientiert, so dass sich ein Erfassungsbereich/Scannbereich 32'' ergibt, der insbesondere ein in Verschieberichtung 6 verlaufendes Querprofil 33'' auf der rechten Seite erfasst. Vorzugsweise sind die Triangulationssensoren 9 der zweiten Messebene 13'' bezüglich der Vertikalebene 30 zu den Triangulationssensoren 9 der ersten Messebene 13' gespiegelt orientiert.
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In einer dritten und vierten Messebene 13''' und 13IV sind Triangulationssensoren 9, 9' in einem spitzen Winkel β zu einer Vertikalebene 31 angeordnet, die senkrecht zur Verschieberichtung 6 verläuft. In der dritten Messebene 13''' sind die optischen Achsen der Triangulationssensoren 9' entgegengesetzt zu der Verschieberichtung 6 entsprechend einem vorgegebenen Winkel β, beispielsweise 30°, ausgerichtet bzw. angestellt, so dass sich ein entgegen der Verschieberichtung 6 orientierter Erfassungsbereich/Scannbereich 32''' einstellt. Hierdurch wird insbesondere ein in Verschieberichtung 6 vorderes Querprofil 33''' des Bauteils 33 neben einem obenseitigen Höhenprofil 33IV erfasst. Hierdurch können nicht nur senkrechte Flanken des Bauteils 33 in Richtung der Verschieberichtung 6 erfasst werden, sondern auch steile Flanken, die sich quer zur Verschieberichtung 6 erstrecken.
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Durch die Sensoren 9 der vierten Messebene 13IV, die bezüglich der Vertikalebene 31 gespiegelt zu den Triangulationssensoren 9' der dritten Messebene 13''' angeordnet sind, lässt sich ein Erfassungsbereich 32IV bilden, der insbesondere ein hinteres Querprofil 33V des Bauteils 33 erfasst.
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Durch die entsprechend in den Messebenen 13', 13'', 13''', 13IV orientierten Triangulationssensoren 9, 9' lässt sich eine vollständige Geometrie des Bauteils 33 erfassen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine relativ geringe Breite auf, ohne über die Längsseiten der Auflageebene 5 hinauszureichen.
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Alternativ kann zusätzlich zu den Messebenen 13', 13'', 13''', 13IV auch eine weitere nicht dargestellte Messebene vorgesehen sein, deren optische Achsen in vertikaler Richtung nach unten weisen. Hierdurch können relativ tiefe „Täler” des Bauteils 33 erfasst werden, die durch die schräg angestellten Triangulationssensoren 9 der Messebene 13', 13'', 13''', 13IV infolge von Abschattung nicht erfasst werden können.
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Bei den genannten Ausführungsbeispielen weisen die jeweils einer Messebene 13', 13'', 13''', 13IV zugeordneten Triangulationssensoren 9 einen Lageversatz quer zur Verschieberichtung 6 auf. Die Triangulationssensoren 9 unterschiedlicher Messebenen 13', 13'', 13''', 13IV weisen einen Lageversatz längs der Verschieberichtung 6 auf.
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Alternativ können die Triangulationssensoren 9 einer Messebene 13', 13'', 13''', 13IV auch unterschiedlich ausgerichtet sein bezüglich der Vertikalebene 30 und/oder der Vertikalebene 31.
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In einer Ausführung der Erfindung arbeiten die Triangulationssensoren einer Messebene in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen, wobei eine Erfassung bzw. Berechnung des Bauteils in mehreren, jeweils den Triangulationssensoren zugeordneten Einzelkoordinatensystemen erfolgt. Die Anzahl der Triangulationssensoren ist abhängig von der Größe und Geometrie des Bauteils. Beispielsweise kann ein erster Triangulationssensor der ersten Messebene in einem Wellenlängenbereich von 620 nm, ein zweiter Sensor derselben Messebene in dem Wellenlängenbereich 640 nm und ein dritter Sensor derselben Messebene in einem Bereich 660 nm arbeiten. Die jeweils durch die Sensoren erfassten Bilddaten (Ist-Daten) werden in einem gemeinsamen Gesamtkoordinatensystem der Auswerteeinheit zusammengeführt und dann mit den Soll-Daten eines CAD-Modells oder eines vorher mittels der Triangulationssensoren erfassten Referenzmodells des Bauteils verglichen. Hierdurch wird vorteilhaft eine unerwünschte gegenseitige Störung des Messergebnisses in einer Messebene infolge der Überschneidung der von den einzelnen Sensoren erfassten Bereiche des Bauteils vermieden.
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Durch Vorsatz entsprechender Farbfilter der Triangulationssensoren kann dieser Effekt gefördert werden.
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Alternativ können die Triangulationssensoren auf Basis von strukturiertem Licht oder auf fotogrammetischer Basis eingesetzt werden. Alternativ können die Triangulationssensoren auch 3D-Kameras aufweisen, mittels derer Blitzlichtlaufzeiten ausgewertet werden.
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Nach einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass das Bauteil mehrmals durch die Messvorrichtung bzw. die Messebenen hindurch geleitet wird. In der Auswerteeinheit werden dann die erfassten Daten zu einem Gesamtmodell kombiniert.
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Die Triangulationssensoren sind vorzugsweise kalibriert angeordnet und weisen eine feste Relativposition zueinander auf.
