DE102005054819A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung geometrischer und nichtgeometrischer Größen an einem Werkstück - Google Patents

Abstract

Multisensorkoordinatenmeßgeräte sollen mit Sensoren für unterschiedliche physikalische Größen ausgestattet werden. Dabei kommt es zu Begrenzungen aufgrund DOLLAR A a) der Masse der Sensoren DOLLAR A b) gegebenenfalls erforderlicher Kräfte DOLLAR A c) gegebenenfalls Medienzuleitungen zum Sensor (elektrisch, pneumatisch, hydraulisch, ...). DOLLAR A Das Problem wird gelöst durch die Kombination des Koordinatenmeßgerätes (KMG) (1) mit einem Handhabungssytem (Roboter) (2). Der Roboter wird so ausgelegt, daß er die erforderlichen Kräfte und Momente aufbringen kann und daß die Verlegung der Medienzuleitungen einfach möglich ist. Der Roboter führt den Sensor (5), wobei das KMG mit einer geeigneten Sensorik (7) berührend oder berührungslos die Pose (Position und Orientierung) des Sensors mißt und ein die Steuerungen des Roboters (4) und des KMGs (3) umfassender Regelkreis den robotergeführten Sensor an seine Sollposition bzw. auf seine Sollbahn bringt, während gleichzeitig das KMG so verfahren wird, daß der robotergeführte Sensor im Fangbereich der Sensorik bleibt. DOLLAR A Die Kombination aus KMG und Industrieroboter kann als universelles Meßsystem an unterschiedlichen Stellen eines Fertigungsporzesses eingesetzt werden, insbesondere dann, wenn zusätzlich zu einer geometrischen Prüftung auch nichtgeometrische Größen des Werkstücks mit hoher Ortsauflösung zu prüfen sind.

Description

• Stand der Technik
• Zur Standardausstattung aktueller Multisensorkoordinmatenmeßgeräte gehört eine Tasteraufnahme, die wahlweise mit einem schaltenden oder messenden taktilen Sensor bestückt werden kann [1, 3]. Es steht ein Baukastensystem zur Verfügung, das Zusammenstellungen von Einfach- und Mehrfachtastern mit unterschiedlichen Taststiftlängen und Tastkugeldurchmessern ermöglicht. Messende Sensoren sind die Voraussetzung für einen scannenden Betrieb, der eine hohe Meßdatenrate ermöglicht und insbesondere die Freiformflächenmessung erheblich beschleunigt.
• Die hochgenaue Mechanik des Koordinatenmeßgerätes läßt sich auch in Analogie zur Vorschubeinheit eines Tastschnittgerätes nutzen, um die Mikrotopographie und Rauheit einer Werkstückoberfläche zu messen. Eine entsprechende Realisierung mit einem Kufentaster ist kommerziell verfügbar [2]. Im Gegensatz zu klassischen Tastschnittgeräten ermöglicht dieser Ansatz die automatisierte Rauheitsmessung an verschiedenen Stellen eines ausgedehnten Werkstücks, jeweils mit der erforderlichen Ausrichtung der Schnittebene.
• Ebenfalls Standard ist ein Kamerameßsystem mit digitaler Bildverarbeitung, auch als 2D-Bildsensor bezeichnet, dessen optische Achse in der Regel vertikal steht, so daß 2D-Messungen in der x-y-Ebene durchgeführt werden können [1]. Wird als Auflagefläche für das Werkstück eine Glasplatte verwendet, so ist neben der Auflichtbeleuchtung auch eine Durchlichtbeleuchtung möglich. Variable Lichtquellen, die meist als ringförmig um das Objektiv angeordnete, einzeln oder gruppenweise ansteuerbare Leuchtdiodenarrays ausgeführt sind, ermöglichen den Wechsel zwischen diffuser und gerichteter Beleuchtung.
• Mittels einer Autofokusregelung des Abstandes zwischen Meßkamera und Oberfläche ist auch das Höhenprofil des Werkstücks auswertbar. Häufig ist zusätzlich ein den Abstand zur Werkstückoberfläche messender optischer Sensor vorhanden. Derartige optische Taster arbeiten meist punktuell nach dem Triangulations-[4] oder Autofokus-[4] oder dem chromatischen Konfokalverfahren [5].
• Als Alternative zu den punktuell antastenden optischen Sensoren stehen auch Liniensensoren nach dem Lichtschnittverfahren [4] zur Verfügung. Durch die gleichzeitige Antastung einer großen Zahl von Meßpunkten (typische Größenordnung: 1000) entlang einer Linie kann der mechanische Aufwand für das Abscannen von Oberflächen und damit die Meßdauer reduziert werden.
• Während die heute verfügbaren Multisensorkoordinatenmeßgeräte auf die Erfassung geometrischer Größen beschränkt sind, läßt sich für die nahe Zukunft eine erhebliche Ausweitung der Einsatzmöglichkeiten vorhersehen.
• Der nächste Schritt zur Erweiterung der Koordinatenmeßtechnik zu einem universellen Meßsystem besteht darin, das Koordinatenmeßgerät als hochgenaues Positioniersystem für Sensoren zur Erfassung unterschiedlichster physikalischer und technischer Größen zu verstehen. Beispiele könnten sein:
• • Schichtdickensensoren zur Messung der Dicke von Lack- oder Funktionsschichten,
• • Härtesensoren zur Bestimmung der lokalen Härte z.B. an Führungen und Lagersitzen,
• • Farb- und Glanzsensoren zur Prüfung der Qualität von lackierten Flächen
• • Sensoren zur Ermittlung tribologischer Eigenschaften,
• • Rißsensoren, z.B. nach dem Wirbelstromprinzip,
• • Bohrungsmeßdorne oder andere Arten von Lehren,
• • Sensoren für oberflächennahe elektrische und magnetische Felder,
• • Sensoren zur Untersuchung der chemischen Zusammensetzung der Oberfläche,
• • ....
• Für den Anwender ideal wäre eine standardisierte Schnittstelle, an die alle diese Sensoren in einer automatischen Sensorwechselstation eingewechselt werden könnten. Da die genaue Lage des Werkstücks im Meßvolumen bereits durch die geometrische Messung bekannt ist, können die weiteren Messungen sehr schnell und automatisch ausgeführt werden. Es entfallen der Transport zwischen verschiedenen Meßstationen sowie ein zeitraubendes Ausrichten des Werkstücks in der jeweiligen speziellen Meßvorrichtung.
• Problem:
• Mit zunehmender Erweiterung des Spektrums der einzusetzenden Sensorik kommen Anwendungen ins Blickfeld, bei denen das Multisensorkoordinatenmeßgerät mit seiner – von uns postulierten – universellen Schnittstelle an Grenzen stößt. Ursache könnte das Gewicht des Sensors sein, z.B. bei Sensoren mit Röntgenquellen mit Bleiabschirmung, oder eine Kraft, die in das Werkstück einzuleiten ist, z.B. bei einem mechanischen Indenter zur Härtemessung. Ein anderes Szenario ist der Einsatz eines Nadelbett-Adapters zur elektrischen Prüfung einer im Prüfobjekt enthaltenen elektrischen Baugruppe, wobei größenordnungsmäßig 100 unabhängige Signalleitungen nach außen geführt werden müssen. Wieder andere Sensoren benötigen die Zuführung von Druckluft oder flüssigen Medien oder werden über Glasfaserbündel mit Licht versorgt.
• Der mögliche Ansatz, das Koordinatenmeßgerät unter Beibehaltung seiner hohen geometrischen Genauigkeit und Dynamik immer flexibler und belastbarer auszulegen, ist wirtschaftlich nicht sinnvoll.
• Erfindungsgemäße Lösung:
• Als Alternative schlagen wir die Entwicklung eines hybriden Multisensormeßgerätes vor. Eine mögliche und vorteilhafte Ausführungsform ist in 1 dargestellt. Das Koordinatenmeßgerät (1) wird dazu um einen Industrieroboter (2) ergänzt, der die erforderlichen Handhabungskräfte und die einfache Verlegung von Zuführungsleitungen sicherstellt. Im Gegensatz zu speziellen Meßrobotern, die für derartige Anwendungen auf höchste Positioniergenauigkeit optimiert wurden und daher sehr kostspielig sind, soll hier ein einfaches Standardgerät ausreichend sein. Die Idee des hybriden Meßsystems besteht darin, die Pose (Position + räumliche Orientierung) der den Sensor führenden Roboterhand im Raum hochgenau und kontinuierlich mit einer Sensorik (7) des Koordinatenmeßgerätes zu erfassen.
• Dies sollte nach Möglichkeit berührungslos, z.B. optisch, geschehen, um eine direkte Rückwirkung des Roboters auf das Koordinatenmeßgerät zu vermeiden. Die Pose eines Objekts kann vorteilhaft durch den Einsatz mindestens zweier elektronischer Kameras bestimmt werden, wobei am Objekt mindestens 3 optisch kontrastierbare Marken starr befestigt sind und die räumlichen Positionen der Marken durch eine photogrammetrische Auswertung der Kamerabilder erfolgt.
• Auch eine mechanische Lösung ist möglich, z.B. mittels eines Sensors, der zwei gegeneinander in sechs Freiheitsgraden bewegliche Elemente enthält, die über mindestens 6 eindimensionale Längensensoren miteinander verbunden sind, z.B. gemäß einer Hexapodenkinematik. Aus den 6 Längenmaßen ist die relative Pose eindeutig berechenbar. Wird dieser Sensor mit dem einen Element an der Tasteraufnahme des Koordinatenmeßgerätes und mit dem anderen Element am robotergeführten Sensor jeweils starr gekoppelt, so kann der beschriebene Regelkreis geschlossen werden.
• Der Einsatz des hybriden Multisensormeßgerätes könnte so ablaufen, daß der Roboter mit seinem aktuell einzusetzenden Sensor (5) eine Sollposition im Meßvolumen des Koordinatenmeßgerätes anfährt. Das Koordinatenmeßgerät sucht dann den robotergeführten Sensor, der z.B. spezielle Zielmarken aufweisen kann. Sobald das Koordinatenmeßgerät die aktuelle Pose der Roboterhand erfaßt hat, übernimmt ein externer Positionierregler die Ansteuerung des Roboters und führt die Roboterhand präzise ins Ziel, wobei das Koordinatenmeßgerät der Bewegung synchron folgt und kontinuierlich Korrekturdaten für den Roboter liefert.
• Neben der zusätzlichen Funktionalität für die Messung kann der Roboter den Prozeß natürlich auch durch die automatische Zuführung und Entnahme der Werkstücke rationalisieren.
• Alternative Ausgestaltungen:
• Anstelle eines mechanischen Koordinatenmeßgerätes kann auch ein optisches Koordinatenmeßgerät zum Einsatz kommen, wobei zwei vorteilhafte Realisierungen die direkte Messung der Pose des robotergeführten Sensors (nachfolgend als Objekt bezeichnet) ermöglichen:
• a) Eine photogrammetrische Anordnung von mindestens zwei fest angeordneten elektronischen Kameras, wobei am Objekt mindestens 3 optisch kontrastierbare Marken starr befestigt sind und die räumlichen Positionen der Marken durch eine photogrammetrische Auswertung der Kamerabilder erfolgt (Prinzipdarstellung in 2).
• b) Der Einsatz eines Lasertrackers mit starr daran gekoppelter elektronischer Kamera. Am Objekt werden ein Retroreflektor und mindestens drei optisch kontrastierende Marken befestigt. Der Lasertracker mißt den Abstand von seinem Bezugspunkt zum Retroreflektor. In Verbindung mit zwei zueinander orthogonalen Winkelmessungen im Nachführsystem erhält man so die Position des Objekts in Kugelkoordinaten. Aus dem von der elektronischen Kamera aufgenommenen Bild der Marken kann zusätzlich die Orientierung berechnet werden (Prinzipdarstellung in 3).
• Literatur
• [1] Christoph, R.; Neumann, H.J.: Multisensor-Koordinatenmesstechnik. Verlag Moderne Industrie, 2003
• [2] Werth Contour Probe WCP, Fa. Werth Messtechnik, Giessen
• [3] Weckenmann, A.; Estler, T.; Peggs, G.; McMurtry, D.: Probing Systems in Dimensional Metrology. Annals of the CIRP Vol. 53 (2004) 2, pp. 657–684
• [4] Pfeifer, T.: Fertigungsmeßtechnik. Oldenbourg Verlag, 1998
• [5] Dietz, C.; Jurca, M.: Eine Alternative zum Laser – Ein Weißlicht-Meßverfahren dringt in den sub-μm-Bereich ein. Sensor Magazin 1997, Nr. 4, S.15–18
• Bezug zu bestehenden Patenten
• DT 26 05 772 (1976)
• Meßmaschine zur Kontrolle von Werkstücken beliebiger Abmessungen
• Hier wird der photogrammetrische Ansatz zur Bestimmung der Pose eines Objekts mit zwei Kameras und mindestens drei Marken beschrieben. Anwendung ist Messung geometrischer Merkmale.
• DE 100 48 097 (2000)
• Koordinatenmeßgerät
• Es wird ein Roboter beschrieben, der einen mechanischen Taster trägt, dessen Position (nicht Pose) mit einem laseroptischen Meßsystem bestimmt wird. Die Zielsetzung ist, die bewegliche Mechanik von der Grundplatte zu entkoppeln, die das Werkstück und die Referenzstation des laseroptischen Meßsystems trägt, um störende mechanische Schwingungen zu vermeiden.
• DE 102 58 579 (2002)
• Meßeinrichtung
• Diese Erfindung soll eine Alternative zu DE 100 48 097 darstellen, wobei der mechanische Taster hier mit mehreren – bevorzugt kugelförmigen – Marken versehen ist und mit mehreren Kameras abgebildet wird. Es wird photogrammetrisch die Pose des Tasters ermittelt.
• Gegen diesen Stand der Technik grenzt sich die vorgeschlagene Erfindung dadurch ab,
• – daß Sensoren für nichtgeometrische Größen eingesetzt werden und
• – daß ein Regelkreis in Form einer Kopplung zweier eigenständig arbeitsfähiger Systeme aufgebaut wird, von denen das eine (KMG) eine hohe Positioniergenauigkeit bei geringer mechanischer Belastbarkeit aufweist und das andere (Roboter) eine hohe mechanische Belastbarkeit bei geringer Positioniergenauigkeit, wobei die Stärken beider Systeme zugleich nutzbar gemacht werden.

1

Koordinatenmeßgerät

2

Roboter

3

NC-Steuerung des Koordinatenmeßgerätes

4

NC-Steuerung des Roboters

5

Robotergeführter Sensor

6

Werkstück

7

Sensorik zur Poseerfassung

8

Sensoradapter

9

Marken am Sensoradapter

10

Kopplung der beiden NC-Steuerungen zum Aufbau des Regelkreises

Claims (34)

1. Verfahren zur Messung geometrischer und nichtgeometrischer Größen unter Einsatz eines Koordinatenmeßgerätes und eines mehrachsigen Handhabungsgerätes (Roboter) mit einem Adapter zur Aufnahme unterschiedlicher Sensoren, dadurch gekennzeichnet, daß das Koordinatenmeßgerät einen Sensor zur Erfassung der Pose (Position und Orientierung) des vom Roboter geführten Sensors enthält und daß ein die Steuerungen des Koordinatenmeßgerätes und des Roboters enthaltender Regelkreis existiert, der den robotergeführten Sensor auf einer vorbestimmten Bahn führt und sicherstellt, daß das Koordinatenmeßgerät den die Pose messenden Sensor so nachführt, daß der robotergeführte Sensor in dessen Meßvolumen bleibt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der robotergeführte Sensor mittels eines Adapters am Roboter befestigt ist, der eine lösbare, aber starre Verbindung mit reproduzierbarer relativer Pose zwischen Adapter und Sensor ermöglicht, so daß aus der Messung der Pose des Adapters die Pose des Sensors bestimmt werden kann.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Koordinatenmeßgerät ein mechanisches Koordinatenmeßgerät mit drei orthogonalen Linearachsen entsprechend einem kartesischen Koordinatensystem ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Koordinatenmeßgerät ein mechanisches Koordinatenmeßgerät mit einer Rotations- und zwei orthogonalen Linearachsen enstsprechend einem Zylinderkoordinatensystem ist.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor zur Erfassung der Pose des robotergeführten Sensors ein mechanischer Sensor ist, der ein Element enthält, das eine geometrisch reproduzierbare, lösbare starre Verbindung mit dem robotergeführten Sensor bzw. dem Adapter eingeht und das relativ zur Sensoraufnahme des Koordinatenmeßgerätes innerhalb eines begrenzten Volumens in sechs Achsen beweglich ist und dessen Pose relativ zur Sensoraufnahme des Koordinatenmeßgerätes mittels mindestens sechs linearer längenmessender Sensoren bestimmt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die linearen längenmessenden Sensoren induktive Wegsensoren nach dem Prinzip der Differentialdrossel sind.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die linearen längenmessenden Sensoren induktive Wegsensoren nach dem Prinzip des Differentialtransformators sind.
8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die linearen längenmessenden Sensoren optisch inkrementale Wegsensoren sind.
9. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die linearen längenmessenden Sensoren magnetisch inkrementale Wegsensoren sind.
10. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor zur Erfassung der Pose des robotergeführten Sensors ein optischer Sensor ist
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Sensor aus einer Anordnung von zwei oder mehr elektronischen Kameras besteht, und daß am robotergeführten Sensor bzw. am Adapter mindestens drei optisch kontrastierbare Marken vorhanden sind und daß die Pose des Sensors bzw. des Adapters durch eine photogrammetrische Auswertung ermittelt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Sensor aus einer elektronischen Kamera mit einer Strahlteileroptik zur gleichzeitigen Erzeugung von mindestens zwei Bildern eines Objekts aus unterschiedlichen Richtungen auf dem Bildsensor der elektronischen Kamera besteht und daß am robotergeführten Sensor bzw. am Adapter mindestens drei optisch kontrastierbare Marken vorhanden sind und daß die Pose des Sensors bzw. des Adapters durch eine photogrammetrische Auswertung ermittelt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Koordinatenmeßgerät ein optisches Koordinatenmeßgerät ist.
14. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Koordinatenmeßgerät aus einer Anordnung von zwei oder mehr elektronischen Kameras besteht, und daß am robotergeführten Sensor bzw. am Adapter mindestens drei optisch kontrastierbare Marken vorhanden sind und daß die Pose des Sensors bzw. des Adapters durch eine photogrammetrische Auswertung ermittelt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Koordinatenmeßgerät aus einer Kombination einer elektronischen Kamera und eines laseroptischen Entfernungsmessers besteht, die starr miteinander gekoppelt auf einer Plattform mit zwei orthogonalen Drehachsen befestigt sind und über eine Nachführregelung stets auf den robotergeführten Sensor bzw. den Adapter ausgerichtet werden und und daß am robotergeführten Sensor bzw. am Adapter ein Retroreflektor und mindestens drei optisch kontrastierte Marken angebracht sind und daß die Position des robotergeführten Sensors bzw. des Adapters aus dem laseroptisch gemessenen Abstand zum Retroreflektor und der Winkelstellung der Nachführplattform berechnet wird, während die Orientierung des robotergeführten Sensors bzw. des Adapters aus den Positionen der Marken im Bild der elektronischen Kamera bestimmt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 11, 12, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die optisch kontrastierbaren Marken Kugeln sind.
17. Verfahren nach Anspruch 11, 12, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die optisch kontrastierbaren Marken Lichtquellen sind.
18. Verfahren nach Anspruch 11, 12, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die optisch kontrastierbaren Marken Muster auf der Oberfläche des Sensors bzw. des Adapters sind.
19. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Roboter eine Gelenkarm-Kinematik aufweist.
20. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der robotergeführte Sensor ein mechanisches Tastschnittgerät ist.
21. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der robotergeführte Sensor eine mechanische Lehre ist.
22. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der robotergeführte Sensor ein Gewindesensor ist.
23. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der robotergeführte Sensor ein Indenter zur Härteprüfung ist.
24. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der robotergeführte Sensor ein flächenhaft messender optischer Geometriesensor ist.
25. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der robotergeführte Sensor ein Farbsensor ist.
26. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der robotergeführte Sensor ein spektralanalytischer Sensor ist.
27. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der robotergeführte Sensor ein Schichtdickensensor ist.
28. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der robotergeführte Sensor ein Temperatursensor ist.
29. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der robotergeführte Sensor mindestens einen elektrischen Kontakt zur Aufnahme eines elektrischen Signals am Werkstück enthält.
30. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der robotergeführte Sensor ein Ultraschallsensor ist.
31. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der robotergeführte Sensor Rißsensor ist.
32. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der robotergeführte Sensor ein Röntgensensor ist.
33. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der robotergeführte Sensor mit ionisierender Strahlung auf das Werkstück einwirkt.
34. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der robotergeführte Sensor ein chemisch analysierender Sensor ist.