DE102006001531A1

DE102006001531A1 - Method and arrangement for measuring structures of an object

Info

Publication number: DE102006001531A1
Application number: DE102006001531A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr. Neuschaefer-Rube
Original assignee: Werth Messtechnik GmbH
Current assignee: Werth Messtechnik GmbH
Priority date: 2005-09-20
Filing date: 2006-01-12
Publication date: 2007-03-22
Also published as: WO2007033811A1; EP1926967A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anordnung zur Bestimmung von Strukturen eines Objektes mittels eines einem Koordinatenmessgerät zugeordneten von einer Tasterverlängerung eines Tasters ausgehenden Antastformelements, das mit dem Objekt in Berührung gebracht und sodann die räumliche Position des Antastformelements oder einer diesem unmittelbar zugeordneten Zielmarke mit optischen Sensoren bestimmt wird. Um beliebige Strukturen mit einer hohen Messgenauigkeit bestimmen zu können, wobei eine präzise Lagebestimmung des mit dem Objekt in Berührung zu bringenden Antastformelements erfolgen soll, wird vorgeschlagen, dass die zweidimensionale Position des Tastelements und/oder der Zielmarke mittels positionsmäßig einander zugeordneter optischer 2-D-Sensoren bestimmt wird und dass aus den zweidimensionalen Positionswerten die räumliche (dreidimensionale) Position des Antastformelements berechnet wird.The invention relates to a method and an arrangement for determining structures of an object by means of a shaped probe element assigned to a coordinate measuring machine, which emanates from a probe extension of a probe and which is brought into contact with the object and then with the spatial position of the shaped probe element or a target mark directly assigned to it optical sensors is determined. In order to be able to determine any structures with a high measurement accuracy, with a precise determination of the position of the shaped probe element to be brought into contact with the object, it is proposed that the two-dimensional position of the probe element and / or the target mark be determined by means of positionally assigned optical 2-D Sensors is determined and that the spatial (three-dimensional) position of the shaped probe element is calculated from the two-dimensional position values.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung von Strukturen eines Objekts mittels eines einem Koordinatenmessgerät zugeordneten Tastelements, das mit dem Objekt in Berührung gebracht und dann seine Position mittelbar bestimmt wird. Insbesondere nimmt die Erfindung Bezug auf ein Verfahren zur Bestimmung von Strukturen eines Objektes mittels eines einem Koordinatenmessgerät zugeordneten von einer Tastervverlängerung eines Tasters ausgehenden Antastformelements, das mit dem Objekt in Berührung gebracht und sodann räumliche Position des Antastformelements oder einer diesem unmittelbar zugeordneten Zielmarke mit optischen Sensoren bestimmt wird.The The invention relates to a method of measuring structures an object by means of a coordinate measuring machine associated Probe element that brought into contact with the object and then its Position is determined indirectly. In particular, the invention takes Reference to a method for determining structures of an object by means of a coordinate measuring machine assigned by a Tastervverlängerung a probe outgoing Antastformelements that with the object in touch brought and then spatial position the Antastformelements or a directly associated with this Target mark is determined with optical sensors.

Ferner bezieht sich die Erfindung auf eine Anordnung zur Messung von Strukturen eines Objekts mittels eines einem Koordinatenmessgerät zugeordneten ein Antastformelement und vorzugsweise eine Tasterverlängerung umfassenden Tasters. Insbesondere ist Gegenstand der Erfindung eine Anordnung zur Messung von Strukturen eines Objekts mittels eines einem Koordinatenmessgerät zugeordneten von einer Tasterverlängerung bzw. einem Tasterschaft eines Tasters ausgehenden Antastformelements, dem ggfs. unmittelbar eine von dem Taster bzw. der Tasterverlängerung ausgehende Zielmarke zugeordnet ist, wobei das Antastformelement mit dem Objekt in Berührung bringbar und sodann seine Position mit zumindest einem optischen Sensor bestimmbar ist.Further The invention relates to an arrangement for measuring structures an object by means of a coordinate measuring machine associated a Antastformelement and preferably a probe extension comprehensive button. In particular, the subject of the invention is a Arrangement for measuring structures of an object by means of a a coordinate measuring machine assigned by a button extension or a probe shaft a probe outgoing Antastformelements, if necessary. Immediately assigned to one of the button or the button extension outgoing target is, wherein the Antastformelement be brought into contact with the object and then its position with at least one optical sensor determinable is.

Ein Verfahren und eine Anordnung der eingangs genannten Art ist aus der WO-A-98/57121 bekannt. Bei dem bekannten Verfahren wird für eine 3-dimensionale Bestimmung der Tastelementposition ein fotogrammetrisches Verfahren auf der Basis der Triangulationen angewendet.One Method and an arrangement of the type mentioned is out WO-A-98/57121 known. In the known method is for a 3-dimensional determination the Tastelementposition a photogrammetric method on the Base of triangulations applied.

Ein Koordinatenmessgerät mit mechanisch abtastenden Sensoren ist der DE-A-43 27 250 zu entnehmen. Dabei kann eine visuelle Kontrolle des mechanischen Antastvorgangs mit Hilfe eines Monitors erfolgen, um eine Zerstörung des Tasters zu vermeiden.One coordinate measuring machine with mechanically scanning sensors DE-A-43 27 250 can be seen. This can be a visual inspection of the mechanical probing process with the help of a monitor to avoid destruction of the button.

In der US-A-4,972,597 wird ein Koordinatenmessgerät mit einem Taster beschrieben, dessen Tasterverlängerung mittels einer Feder in ihrer Position vorgespannt ist.In US-A-4,972,597 describes a coordinate measuring machine with a stylus, its button extension is biased in position by a spring.

Nach der WO-A-99/63301 wird eine Struktur eines Objektes mittels eines einem Koordinatenmessgerät zugeordneten Antastformelements gemessen, dessen Position mittels eines optischen Sensors erfasst wird. Dabei sind Sensor und Taster als eine gemeinsam verstellbare Einheit ausgebildet. Diese kann nach der WO-A-02/025206 von einem Dreh-Schwenkgelenk ausgehen.To WO-A-99/63301 discloses a structure of an object by means of a a coordinate measuring machine assigned Antastformelements measured whose position means an optical sensor is detected. Here are sensor and button as formed a commonly adjustable unit. This can after WO-A-02/025206 emanating from a rotary swivel joint.

Aus dem DE-U-298 08 683 wird die Raumposition eines Tasters mittels zweier optischer Sensoren bestimmt, von denen einer die Z- und der andere die X, Y-Koordinaten misst. Gleiches ergibt sich aus der DE.Z.: tm-Technisches Messen 66 (1999) 12, S. 1- 5, Schwenke et al.: „Opto-taktiler Sensor zur 2D- und 3D-Messung kleiner Strukturen mit Koordinatenmessgeräten".Out DE-U-298 08 683, the spatial position of a button by means of two optical sensors, one of which Z- and the others measure X, Y coordinates. The same results from the DE.Z .: tm-Technisches Messen 66 (1999) 12, pp. 1-5, Schwenke et al .: "Opto-tactile Sensor for 2D and 3D measurement of small structures with CMMs ".

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine Anordnung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass beliebige Strukturen mit einer hohen Messgenauigkeit bestimmt werden können, wobei eine präzise Lagebestimmung des mit dem Objekt in Berührung zu bringenden Antastformelements erfolgen soll.Of the The present invention is based on the object, a method and to develop an arrangement of the type mentioned at the outset, that any structures with a high measurement accuracy determined can be being a precise Determining the position of the object to be contacted with the object Antastformelements should be done.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe im Wesentlichen dadurch gelöst, dass 2-dimensionale Position des Tastelements und/oder der Zielmarke mittels positionsmäßig einander zugeordneter optischer 2D-Sensoren bestimmt wird und dass aus den 2-dimensionalen Positi onswerten die räumliche (3-dimensionale) Position des Antastformelementes berechnet wird.According to the invention Task solved essentially by that 2-dimensional position of the probe element and / or the target mark by means of positionally each other assigned optical 2D sensors is determined and that from the 2-dimensional position values the spatial (3-dimensional) position the Antastformelementes is calculated.

Insbesondere ist vorgesehen, dass die Position des Tastelements anhand einer zugeordneten Zielmarke mit zwei orthogonal oder annähernd orthogonal zum Taststift angeordneten optischen 2D-Sensoren bestimmt wird, wobei aus den 2-dimensionalen Positionswerten der beiden Sensoren ein für das Tastelement gültiger 3-dimensionaler Positionswert berechnet wird. Das Wesentliche gegenüber dem Stand der Technik besteht darin, dass für die 3-dimensionale Bestimmung der Tastelement- bzw. Fasertasterposition kein fotogrammetrisches Verfahren (immer auf der Basis Triangulationen) angewandet wird, sondern aus der reinen 2-dimensionalen Bestimmung der Position einer dem Tastelement bzw. Antastformelement zugeordneten Zielmarke auf die 3-dimensionale Lage des Tastelementes bzw. Antastformelementes geschlossen wird.Especially is provided that the position of the probe element based on a associated target mark with two orthogonal or approximately orthogonal to the stylus arranged 2D optical sensors is determined where from the 2-dimensional position values of the two sensors one for the probe element more valid 3-dimensional position value is calculated. The essence over the State of the art is that for the 3-dimensional determination the Tastelement- or Fasertasterposition no photogrammetric Method (always based on triangulations) is applied, but from the pure 2-dimensional determination of the position of a on the probe element or Antastformelement associated target the 3-dimensional position of the probe element or Antastformelementes is closed.

Es werden mit zwei zweidimensionalen Sensoren jeweils zwei Koordinaten gemessen, um sodann aus den insgesamt vier Koordinaten die Raumkoordinate (X-, Y-, Z-Koordinaten) des Tastelementes zu bestimmen. Hierzu erfolgt zuvor ein Einmessen derart, dass für jede der vier Koordinaten der zweidimensionalen Sensoren die Veränderung der Koordinate bei Auslenkung des Tastelementes in X-, Y- und Z-Richtung bestimmt wird. Hieraus kann eine Matrix erstellt werden, die die Bestimmung der Auslenkung des Tastelementes aus der Veränderung der Koordinaten der zweidimensionalen Sensoren ermöglicht. Aus der Auslenkung des Tastelementes und den Koordinaten der Verfahrachsen des Koordinatenmessgerätes ergibt sich die Raumkoordinate des Tastelementes.In each case, two coordinates are measured with two two-dimensional sensors in order then to determine the space coordinate (X, Y, Z coordinates) of the probe element from the total of four coordinates. For this purpose, a calibration is performed beforehand such that for each of the four coordinates of the two-dimensional sensors, the change in the coordinate in deflection of the probe element in the X, Y and Z directions is determined. From this, a matrix can be created that determines the deflection of the probe element from the change of the coordinates of the two-dimensional sensors allows. From the deflection of the probe element and the coordinates of the axes of the coordinate measuring machine results in the spatial coordinate of the probe element.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass das Antastformelement und bei diesem zugeordneter Zielmarke diese an der entlang einer Geraden verlaufenden Tasterverlängerung angeordnet werden und dass das Antastformelement bzw. die Zielmarke mittels der optischen 2D-Sensoren in Ebenen mit einer Schnittgeraden 2-dimensional bestimmt werden, die mit der Geraden oder nahezu mit der Geraden zusammenfällt.According to the invention, it is proposed that the probe element and associated with this target mark this at the extending along a straight line stylus extension be arranged and that the Antastformelement or the target using 2D optical sensors in planes with a cutting line 2-dimensional determined with the straight line or almost with the straight line coincides.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Zielmarke ein Eigenleuchtverhalten auf. Es ist vorgesehen, dass die Zielmarke durch eine dem 2-dimensionalen Sensor gegenüberliegende Beleuchtungseinrichtung im Durchlicht sichtbar gemacht wird.According to one preferred embodiment the target on a self-luminous behavior. It is provided that the target by a 2-dimensional sensor opposite Lighting device is made visible in transmitted light.

Als Zielmarke kann eine Engstelle des Tasterschaftes – auch Tasterverlängerung genannt – eingesetzt werden. Alternativ kann als Zielmarke eine kugelförmige oder ellipsoidförmige Struktur in den Tasterschaft integriert werden. Ferner kann als Zielmarke eine zylinder- oder kugelförmige Struktur auf den Tasterschaft aufgebracht oder es kann eine Verdickung am Tasterschaft als Zielmarke verwendet werden.When Target mark can be a bottleneck of the probe shaft - also button extension called - used become. Alternatively, as a target, a spherical or ellipsoidal Structure integrated into the probe shaft. Furthermore, as Target mark a cylinder or spherical Structure applied to the probe shaft or it can be a thickening be used as a target mark on the probe shaft.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die zwei optischen Sensoren durch geeignete optische Ablenkmittel wie Spiegel oder Bildleiter mit einer optoelektronischen Kamera, wie CCD-Kamera oder CMOS-Kamera verbunden sind und über diese gemeinsam ausgewertet werden.According to one Further development of the invention is provided that the two optical Sensors by suitable optical deflection means such as mirrors or Image guide with an opto-electronic camera, such as CCD camera or CMOS camera are connected and over these are evaluated together.

Die beiden 2-dimensionalen optischen Sensoren können durch optische Ablenkmittel wie Spiegel in Verbindung mit einem einheitlichen Abbildungsobjektiv für beide Sensoren und einer einheitlichen Matrix-Kamera, wie CCD-Kamera, ausgestattet sein.The Both 2-dimensional optical sensors can by optical deflection means like mirrors in conjunction with a unitary imaging lens for both Sensors and a uniform matrix camera, such as a CCD camera, be equipped.

Auch besteht die Möglichkeit, die zwei optischen Sensoren durch zwei oder mehr Endoskope zu realisieren.Also it is possible, to realize the two optical sensors by two or more endoscopes.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass mindestens zwei Endoskope als Abbildungsstrahlengänge für die Realisierung der Sensoren und zwei weitere Endoskope als Beleuchtungsstrahlengänge für die Darstellung der Durchlichtbeleuchtung eingesetzt werden. Die zur Abbildung eingesetzten Endoskope können in einem Halbleiterchip zur Bildauswertung münden. Auch besteht die Möglichkeit, dass alle optischen Bauelemente für die Realisierung der zwei genannten Sensoren in einer Einheit integriert werden.According to one preferred embodiment provided that at least two endoscopes as imaging beam paths for the realization of the sensors and two other endoscopes as illumination beam paths for display the transmitted light illumination can be used. The ones used for illustration Endoscopes can in a semiconductor chip for image evaluation. There is also the possibility that all optical components for the realization of the two mentioned sensors are integrated in one unit.

Eine besonders bevorzugte Verfahrensweise zeichnet sich dadurch aus, dass das Gesamtverhalten des 3-dimensionalen Sensors durch Aufnahme der Kennlinien der jeweiligen 1- dimensionalen Komponenten der 2-dimensionalen Sensoren erfasst und durch Hinterlegung entsprechender Korrekturwerte rechnerisch korrigiert wird.A particularly preferred procedure is characterized by that the overall behavior of the 3-dimensional sensor by recording the Characteristics of the respective 1-dimensional Components of 2-dimensional sensors captured and deposited corresponding correction values are computationally corrected.

Alternativ besteht die Möglichkeit, dass das Gesamtverhalten des 3-dimensionalen Sensors durch Aufnahme der 2-dimensionalen Kennlinien der Einzelsensoren z. B. durch Messung an geeigneten Normalen erfasst und durch Hinterlegung entsprechender Korrekturwerte und deren Berücksichtigung beim Messen rechnerisch korrigiert wird.alternative it is possible, that the overall behavior of the 3-dimensional sensor by recording the 2-dimensional characteristics of the individual sensors z. B. by measurement recorded on suitable standards and by depositing appropriate Correction values and their consideration during Measurements are corrected by calculation.

Der physikalische Ort von Zielmarke und Antastformelement kann zusammenfallen.Of the physical location of target and sensing element may coincide.

Des Weiteren ist entsprechend einer Weiterbildung vorgesehen, dass der optische Strahlengang mechanisch so ausgelegt wird, dass es möglich ist, die Zielmarke mit dem Antastformelement auszuwechseln, ohne den Justagezustand des optischen Strahlengangs zu verändern.Of Furthermore, it is provided according to a development that the optical beam path is mechanically designed so that it is possible to Replacing the target with the sensing element, without the adjustment state of the optical beam path to change.

Vorteilhafterweise ist die Gesamtsensorik an einer Drehschwenkeinheit eines Koordinatenmessgerätes angebracht, wobei das oben beschriebene Antastelement innerhalb des Koordinatenmessgerätes gemeinsam mit anderen Sensoren zum Einsatz gebracht werden kann. Die Erfassung der Auslenkungskomponenten kann durch Abstandssensoren, insbesondere Laserabstandssensoren erfolgen. Für die Bestimmung der 3-dimensionalen Auslenkung werden vorzugsweise mehrere getrennte Zielmarken verwendet. Dabei kann die Zielmarke durch die Auswertung der Änderungen des Schaft-Durchmessers des Antastelementes ersetzt werden.advantageously, the total sensor system is mounted on a pivoting unit of a coordinate measuring machine, wherein the probing element described above is common within the coordinate measuring machine can be used with other sensors. The capture the deflection components may be provided by distance sensors, in particular Laser distance sensors take place. For the determination of the 3-dimensional Displacement preferably several separate targets are used. The target can be determined by evaluating the changes be replaced the shaft diameter of the probing element.

Eine weitere bevorzugte Verfahrensweise zeichnet sich dadurch aus, dass die Biegelinie des Tastschaftes im beobachteten Bereich ausgewertet wird und hieraus auf die Lage des Antastformelementes geschlossen wird.A Another preferred procedure is characterized in that the bending line of the tactile is evaluated in the observed area and from this, the position of the Antastformelementes is closed.

Auch können zwei oder mehr Marken gleichzeitig ausgewertet werden und hieraus auf die Lage des Antastformelementes geschlossen werden. Anstatt der einen Kamera für jeden Sensor kann eine dem Sensor zugeordnete separate Kamera zum Einsatz kommen.Also can two or more marks are evaluated simultaneously and from this be closed to the position of the Antastformelementes. Instead of a camera for Each sensor may have a sensor associated with the separate camera for Use come.

Die Position des Antastformelementes und/oder der zumindest einen Zielmarke können mittels reflektierender und/oder dieses bzw. diese abschattender und/oder von dem Antastformelement bzw. der Zielmarke abstrahlender Strahlung bestimmt werden.The position of the sensing element and / or the at least one target can with Reflecting and / or this shading and / or radiation emitted by the Antastformelement or the target mark radiation are determined.

Eine Anordnung der eingangs genannten Art zur Messung von Strukturen eines Objektes zeichnet sich dadurch aus, mittels zweier optischer 2D-Sensoren 2-dimensionale Positionswerte des Antastformelements und/oder der Zielmarke bestimmbar sind und dass aus den 2-dimensionalen Positionswerten 3-dimensionaler Positionswert des Antastformelementes berechenbar ist.A Arrangement of the type mentioned for the measurement of structures an object distinguishes itself by means of two optical 2D sensors 2-dimensional position values of the probe element and / or the target mark are determinable and that from the 2-dimensional Position values 3-dimensional position value of the probe form element is calculable.

Insbesondere ist vorgesehen, dass orthogonal oder annähernd orthogonal zum Taststift zwei optische 2-dimensionale Sensoren zur Bestimmung der Position des Tastelementes angeordnet sind, wobei aus den 2-dimensionalen Positionswerten der beiden Sensoren ein für das Tastelement gültiger 3-dimensionaler Positionswert berechenbar ist.Especially is provided that orthogonal or approximately orthogonal to the stylus Two optical 2-dimensional sensors for determining the position of the probe element are arranged, wherein from the 2-dimensional Position values of the two sensors a valid for the probe element 3-dimensional Position value is calculable.

Dabei sollte das Antastformelement bzw. die Zielmarke von der entlang einer Geraden verlaufenden Tasterverlängerung ausgehen und 2-dimensionale Position des Antastformelements bzw. der zumindest einer diesem zugeordneten Zielmarke mittels der optischen 2-D-Sensoren in Ebenen mit einer Schnittgeraden bestimmbar sein, die mit der Geraden oder nahezu mit der Geraden zusammenfällt.there should the Antastformelement or the target of the along a straight line extending stylus extension and 2-dimensional Position of the probe form element or the at least one of these associated target mark by means of optical 2-D sensors in planes with a cutting line be determinable with the straight line or almost with the straight line coincides.

Es ist vorgesehen, dass die Zielmarke Eigenleuchtverhalten aufweist. Um die Zielmarke durch Licht sichtbar zu machen ist vorgesehen, dass dem 2-dimensionalen Sensor gegenüberliegend eine Beleuchtungseinrichtung angeordnet ist.It it is provided that the target has self-luminous behavior. To visualize the target by light is provided that the 2-dimensional sensor opposite a lighting device is arranged.

Vorzugsweise ist die Zielmarke als Engstelle des Tasterschaftes und/oder als kugelförmige oder ellipsoidförmige Struktur in den Tasterschaft integriert und/oder als zylinder- oder kugelförmige Struktur auf den Tasterschaft aufgebracht und/oder als Verdickung am Tasterschaft ausgebildet.Preferably is the target mark as bottleneck of the probe shaft and / or as spherical or ellipsoidal Structure integrated into the probe shaft and / or as a cylinder or spherical Structure applied to the probe shaft and / or as a thickening formed on the probe shaft.

Nach Weiterbildungen der Erfindungen ist vorgesehen, dass das Antastformelement und/oder die Zielmarke als Reflektor ausgebildet sind. Ferner kann die Tasterverlängerung zumindest abschnittsweise biegeelastisch und/oder als Lichtleiter ausgebildet sein oder einen solchen umfassen. Insbesondere weist die Tasterverlängerung eine L-förmige Geometrie auf, wobei freier Schenkelabschnitt das Antastformelement und insbesondere zumindest eine Zielmarke aufweist.To Further developments of the inventions is provided that the Antastformelement and / or the target mark are designed as a reflector. Furthermore, can the button extension at least partially elastic in bending and / or formed as a light guide be or include such. In particular, the probe extension an L-shaped one Geometry, wherein free leg portion of the probe form element and in particular has at least one target.

Antastformelement und Zielmarke können auswechselbar mit der Tasterverlängerung verbunden sein. Eine Verbindung kann auch mittels Kleben oder Schweißen erfolgen.scanning element and target can be interchangeable with the button extension be connected. A connection can also be made by gluing or welding.

In Weiterbildung weist das Antastformelement und/oder die Zielmarke ein selbstleuchtendes elektronisches Element wie LED auf oder stellt ein solches dar.In Training has the Antastformelement and / or the target a self luminous electronic element such as LED on or off such a

Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung ist vorgesehen, dass das Antastformelement mit einer reflektierenden und/oder fluoreszierenden Schicht und/oder mit einer aus reflektierendem bzw. fluoreszierendem Material bestehenden Schicht derart versehen ist, dass von tastelementseitiger Fläche der Schicht reflektierte Strahlung im Inneren des Tastelements eine optisch erfassbare Marke wie heller Leuchtfleck als die Zielmarke erzeugt. Auch besteht die Möglichkeit, einen hellen Leuchtfleck durch Beleuchtung von außen zu erzeugen.To Another proposal of the invention provides that the Antastformelement with a reflective and / or fluorescent layer and / or with a reflective or fluorescent material existing layer is provided such that of tastelementseitiger Area of Layer reflected radiation in the interior of the probe element a optically detectable mark as bright spot as the target mark generated. There is also the possibility To create a bright spot by lighting from the outside.

Auch besteht die Möglichkeit, dass von der Tasterverlängerung des Tasters eine in dem optischen 2D-Sensor als Marke des Antastformelements erscheinende Markierung ausgeht, wobei die Position des Antastformelementes mittels der Marke bestimmbar ist. Dabei kann die Marke ein abgedunkelter Bereich im beleuchteten Antastformelement sein.Also it is possible, that from the button extension of the button appears in the optical 2D sensor as a mark of the Antastformelements Mark out, the position of the sensing element by means of the brand is determinable. The brand may be a darkened Be area in the illuminated sensing element.

Zur gemeinsamen Auswertung der zwei optischen Sensoren ist vorgesehen, dass diese durch geeignete optische Ablenkmittel wie Spiegel oder Bildleiter mit einer optoelektronischen Kamera wie CCD-Kamera oder CMOS-Kamera verbunden sind.to common evaluation of the two optical sensors is provided that this by suitable optical deflection means such as mirrors or image guide with an opto-electronic camera such as CCD camera or CMOS camera are connected.

Ferner sind die beiden 2-dimensionalen optischen Sensoren durch optische Ablenkmittel wie Spiegel in Verbindung mit einem einheitlichen Abbildungsobjektiv für die beiden Sensoren und einer einheitlichen Matrix-Kamera, wie CCD-Kamera ausgestattet.Further are the two 2-dimensional optical sensors by optical Deflection means such as mirrors in conjunction with a uniform imaging lens for the two sensors and a uniform matrix camera, such as CCD camera fitted.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die zwei optischen Sensoren durch zwei oder mehr Endoskope realisiert, wobei mindestens zwei Endoskope als Abbildungsstrahlengänge für die Realisierung der Sensoren und zwei weitere Endoskope als Beleuchtungsstrahlengänge für die Darstellung der Durchlichtbeleuchtung vorgesehen sind. Letztere sind nur dann erforderlich, wenn die Zielmarken kein Eigenleuchten aufweisen.According to one another preferred embodiment are the two optical sensors through two or more endoscopes realized, wherein at least two endoscopes as imaging beam paths for the realization of the sensors and two other endoscopes as illumination beam paths for display the transmitted light illumination are provided. The latter are only then required if the targets are not self-illuminating.

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 der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispielen.Further Details, advantages and features of the invention do not arise only from the claims, the characteristics to be taken for them - alone and / or in combination - but also from the description below of the drawing to be taken preferred embodiments.

Es zeigen:It demonstrate:

1 eine Prinzipdarstellung eines Koordinatenmessgerätes, 1 a schematic representation of a Koordi natenmessgerätes,

2 eine erste Ausführungsform einer Anordnung zur Messung von Strukturen eines Objektes, 2 a first embodiment of an arrangement for measuring structures of an object,

3 eine zweite Ausführungsform einer Anordnung zur Messung von Strukturen eines Objektes, 3 A second embodiment of an arrangement for measuring structures of an object,

4 Ansichten einer Zielmarke im Bildfeld einer Kamera, 4 Views of a target in the image field of a camera,

5a–5e verschiedene Ausführungsformen einer Zielmarke und 5a - 5e various embodiments of a target and

6 eine Draufsicht auf eine Halterung des Tastelementes. 6 a plan view of a holder of the probe element.

Der 1 ist rein prinzipiell ein Koordinatenmessgerät 10 mit einem z. B. aus Granit bestehenden Grundrahmen 12 mit Messtisch 14 zu entnehmen, auf dem ein nicht dargestelltes Objekt anordbar ist, um dieses zu messen. Entlang dem Grundrahmen 12 ist ein Portal 16 in X-Richtung verstellbar. Hierzu sind Säulen oder Ständer 18, 20 gleitend auf den Grundrahmen 12 abgestützt. Von den Säulen 18, 20 geht eine Traverse 22 aus, entlang der – also in X-Richtung – ein Schlitten 24 verstellbar ist, der seinerseits eine Pinole oder Säule 26 aufnimmt, die in Z-Richtung verstellbar ist. Von der Pinole oder Säule 26 geht ein Messsensor aus, der im Ausführungsbeispiel aus einem L-förmig gebogenen Taster 28 und einem optischen Sensor 30 wie CCD-Kamera besteht. Der Taster 28 weist an seinem Ende ein Tastelement 32 auf. In diesem Bereich ist der Taster 28 biegeelastisch ausgebildet und weist demzufolge eine Konstruktion auf, wie diese der WO-A-98/57121 zu entnehmen ist. Dabei kann der Taster 28 abschnittsweise von einem starren Element umgeben sein, um Antastkräfte bzw. Schwingungsamplituden gezielt einstellen zu können. Der an dem Tastelement 32 angrenzende Abschnitt des Tasters 28 ist jedoch biegeelastisch. Als Tastermaterial selbst kommt insbesondere eine Multimode-Lichtleitfaser in Frage.Of the 1 is basically a coordinate measuring machine 10 with a z. B. made of granite base frame 12 with measuring table 14 on which an unillustrated object can be arranged to measure this. Along the base frame 12 is a portal 16 adjustable in X-direction. These are columns or stands 18 . 20 sliding on the base frame 12 supported. From the columns 18 . 20 go a traverse 22 out, along the - so in the X direction - a slide 24 adjustable, which in turn is a quill or column 26 absorbs, which is adjustable in the Z direction. From the quill or column 26 goes out a measuring sensor, which in the embodiment of an L-shaped bent button 28 and an optical sensor 30 like CCD camera exists. The button 28 has at its end a probe element 32 on. In this area is the button 28 flexurally elastic and thus has a construction, as can be found in WO-A-98/57121. The button can 28 be surrounded in sections by a rigid element in order to set probing forces or vibration amplitudes targeted. The on the probe element 32 adjacent section of the button 28 however, it is flexurally elastic. As a probe material itself is in particular a multimode optical fiber in question.

2 zeigt eine Ausführungsform einer Anordnung zur Messung von Strukturen eines Objekts. Dabei weist der Taster 28 zumindest eine biegeelastische Tasterverlängerung 34 bzw. Taststift bzw. Tastschaft auf, an der das Tastelement 32 angeordnet ist, das mit zu messenden Objekten in Berührung gebracht wird. Von der biegeelastischen Tasterverlängerung 34 geht eine Zielmarke 36 aus. 2 shows an embodiment of an arrangement for measuring structures of an object. The button points 28 at least one flexurally elastic probe extension 34 or stylus or on Tastschaft on which the probe element 32 is arranged, which is brought into contact with objects to be measured. From the flexible elastic probe extension 34 goes a target mark 36 out.

Die in 2 dargestellte erste Ausführungsform beschreibt den technischen Aufbau der erfindungsgemäßen Lösung auf der Grundlage des Einsatzes von Endoskopen als optische 2D-Sensoren. Hierbei sind das Tastelement oder Antastformelement 32 die Zielmarke 36, die für das gesamte Tastsystem in einer Halterung mit Beleuchtung 38 für das Erzeugen des Eigenleuchtens der Zielmarke befestigt sind. Die Abbildungsendoskope 40, 42 können so das Bild der Zielmarke 36 auf die Kamera 44 im Eigenleuchtfall abbilden. Optional kann zusätzlich eine Durchlichtbeleuchtung 46 über zwei weitere Endoskope 48, 50 angebracht werden.In the 2 illustrated first embodiment describes the technical structure of the inventive solution based on the use of endoscopes as 2D optical sensors. Here are the probe element or Antastformelement 32 the target 36 For the entire touch probe in a bracket with lighting 38 are attached for generating the self-illumination of the target. The picture endoscopes 40 . 42 so can the image of the target 36 to the camera 44 in the case of self-lighting. Optionally, in addition, a transmitted light illumination 46 about two more endoscopes 48 . 50 be attached.

Mittels der optischen Sensoren, die im Ausführungsbeispiel die Abbildungsendoskope 40, 42 sind, werden 2-dimensionale Bilder von der Zielmarke 36 ermittelt, aus denen sodann die 3-dimensionale, also räumliche Position des Antastformelementes 36 bestimmt wird.By means of the optical sensors, which in the exemplary embodiment, the imaging endoscopes 40 . 42 are 2-dimensional images of the target 36 determined from which then the 3-dimensional, ie spatial position of the sensing element 36 is determined.

Das Antastformelement 32 und die Zielmarke 36 gehen von einem Abschnitt der Tasterverlängerung 34 aus, der entlang einer Geraden verläuft. Orthogonal zu diesem Abschnitt sind sodann die optischen 2D-Sensoren in Form der Abbildungsendoskope 40, 42 angeordnet, um die 2-dimensionalen Positionswerte der Zielmarke 36 zu bestimmen. Alternativ besteht auch die Möglichkeit, unmittelbar die Position des Antastformelementes 32 mittels der Sensoren zu bestimmen.The probing element 32 and the target 36 go from a section of the button extension 34 out, which runs along a straight line. Orthogonal to this section are then the 2D optical sensors in the form of imaging endoscopes 40 . 42 arranged to the 2-dimensional position values of the target 36 to determine. Alternatively, it is also possible, directly the position of the sensing element 32 to determine by means of the sensors.

Folglich wird die Position der Zielmarke 36 bzw. des Antastformelements 32 mittels der Abbildungsendoskope 40, 42 in Ebenen mit einer Schnittgeraden 2-dimensional bestimmt, die mit dem Verlauf des Abschnitts der Tasterverlängerung 34 zusammenfällt, von der die Zielmarke 36 und das Antastformelement 32 ausgehen.Consequently, the position of the target becomes 36 or the Antastformelements 32 by means of the imaging endoscopes 40 . 42 In planes with a cutting line 2-dimensional determined with the course of the section of the probe extension 34 coincides, of which the target mark 36 and the probing element 32 out.

3 zeigt eine analoge Lösung der Erfindung gemäß einer zweiten Ausführungsform, bei der statt der Endoskope 40, 42 eine Spiegelanordnung 56, 58 zum Einsatz kommt. Die Position des Antastelements 32 wird über Bestimmung der Position der Zielmarke 36 durch Anvisieren mit Objektiv 52 und Kamera 54 über die Abbildungsspiegel 56, 58 gewährleistet. Das Eigenleuchten der Zielmarke 36 kann über eine integrierte Beleuchtung 60 realisiert werden. Ein zusätzliches Durchlicht kann durch Anordnung zusätzlicher Spiegel 62, 64 über das integrierte Hellfeldauflicht der Bildverarbeitungssensorik 66 erreicht werden. 3 shows an analog solution of the invention according to a second embodiment, in which instead of the endoscopes 40 . 42 a mirror arrangement 56 . 58 is used. The position of the probe 32 is about determining the position of the target 36 by sighting with lens 52 and camera 54 about the picture mirrors 56 . 58 guaranteed. The intrinsic lighting of the target 36 can have integrated lighting 60 will be realized. An additional transmitted light can be achieved by arranging additional mirrors 62 . 64 via the integrated brightfield illumination of the image processing sensor 66 be achieved.

4 zeigt ein Beispiel, wie sich das Bild der Zielmarke 36 aus zwei Ansichten im Bildfeld der Kamera darstellt. Es wird sichtbar, wie in einem Teilbild die Position der Zielmarke in X-/Z-Richtung und in dem anderen Teilbild in Y-/Z-Richtung sichtbar wird. Aus beiden Positionen lässt sich die Position der Zielmarke 36 im Raum und hieraus abgeleitet die des Antastformelements 32 berechnen. 4 shows an example of how the image of the target 36 from two views in the image field of the camera. It becomes visible how the position of the target mark in X- / Z-direction and in the other part-picture in Y- / Z-direction becomes visible in one field. From both positions can be the position of the target 36 in the room and derived from that of the Antastformelements 32 to calculate.

Die 5a) bis 5e) zeigen verschiedene Formen von Zielmarken. 5a) zeigt eine kugelförmige Zielmarke 36, 5b zeigt eine Zielmarke 68 mit einer Einschnürung, 5c zeigt eine Zielmarke 70 mit einer Verdickung, 4a) zeigt eine zylinderförmige Zielmarke 72 und 4b) zeigt eine ellipsoidförmige Zielmarke 74.The 5a ) to 5e ) show different forms of targets. 5a ) shows a spherical target 36 . 5b shows a target 68 with a constriction, 5c shows a target 70 with a thickening, 4a ) shows a cylindrical target mark 72 and 4b ) shows an ellipsoidal target 74 ,

5 zeigt eine Anordnung, bei der sichergestellt wird, dass durch eine Öffnung 76 an der Seite einer Spiegelhalterung 80 das Fasertasterelement 28 selbst seitlich aus der Anordnung herausgenommen werden kann, ohne ein Zerstörungsrisiko auszulösen. Hierbei sind im Einzelnen die Trägerbaugruppe bzw. Spiegelhalterung mit den Bezugszeichen 80, die Spiegel zur Erzeugung des bereits erläuterten Abbildungsstrahlengangs mit dem Bezugszeichen 82, 84, 86, 88 und der Fasertaster 28 mit Antastelement und Zielmarke in der Draufsicht dargestellt. 5 shows an arrangement in which it is ensured that through an opening 76 on the side of a mirror mount 80 the fiber button element 28 itself can be removed laterally from the arrangement, without causing a risk of destruction. In detail, the carrier assembly or mirror holder with the reference numerals 80 , The mirror for generating the already explained imaging beam path with the reference numeral 82 . 84 . 86 . 88 and the fiber button 28 shown with probe and target in plan view.

Claims

Method for determining structures of an object by means of a probing element assigned to a coordinate measuring machine and originating from a stylus extension of a stylus, which is brought into contact with the object and then spatial position of the probing element or a target mark directly associated therewith is determined by optical sensors, characterized in that FIG -dimensional position of the probe element and / or the target mark is determined by positionally associated with each other optical 2D sensors and that from the 2-dimensional position values, the spatial (3-dimensional) position of the sensing element is calculated.

Method according to claim 1, characterized in that that the position of the Antastformelementes or this associated Target mark with the orthogonal or approximately orthogonal to the probe extension arranged optical 2D sensors is determined.

Method according to claim 1 or 2, characterized that the probe element and this associated target mark on the extending along a straight line probe extension be arranged and that the Antastformelement or the target using 2D optical sensors in planes with a cutting line 2-dimensionally determined with the straight line or almost with the Straight line coincides.

Method according to at least one of the preceding Claims, characterized in that the target self-luminous behavior having.

Method according to at least one of the preceding Claims, characterized in that the target mark by a the 2-dimensional sensor opposing Lighting device is made visible in transmitted light.

Method according to at least one of the preceding Claims, characterized in that as a target mark a bottleneck of the probe extension (Probe shaft) is used.

Method according to at least one of the preceding Claims, characterized in that the target mark is a spherical or ellipsoidal Structure in the button extension is integrated.

Method according to at least one of the preceding Claims, characterized in that as a target mark a cylindrical or spherical structure is applied to the probe shaft.

Method according to at least one of the preceding Claims, characterized in that a thickening of the probe shaft as Target mark is used.

Method according to at least one of the preceding Claims, characterized in that the 2 optical sensors by suitable optical deflection means, such as mirrors or image guides, with an opto-electronic Camera, such as CCD camera or CMOS camera, are connected and shared about this be evaluated.

Method according to at least one of the preceding Claims, characterized in that the two 2-dimensional optical Sensors by optical deflection means, such as mirrors, in conjunction with a uniform imaging lens for both sensors and one uniform matrix camera, such as CCD camera.

Method according to at least one of the preceding Claims, characterized in that the two optical sensors by two or more endoscopes can be realized.

Method according to at least one of the preceding Claims, characterized in that at least two endoscopes as imaging beam paths for the realization of the sensors and two other endoscopes as illumination beam paths for display the transmitted light illumination can be used.

Method according to at least one of the preceding Claims, characterized in that the endoscopes used for imaging in a semiconductor chip for image evaluation.

Method according to at least one of the preceding Claims, characterized in that all optical components for the realization of two optical sensors are integrated in one unit.

Method according to at least one of the preceding Claims, characterized in that the overall behavior thus formed 3-dimensional Sensors by recording the characteristics of the respective 1-dimensional Components of 2-dimensional sensors captured and deposited corresponding correction values are computationally corrected.

Method according to at least one of the preceding Claims, characterized in that the overall behavior thus formed 3-dimensional Sensors by recording the 2-dimensional characteristics of the individual sensors detected by measurement on suitable standards and by depositing appropriate Correction values and their consideration is corrected mathematically during measurement.

Method according to at least one of the preceding Claims, characterized in that the physical location of the target and probe element coincides.

Method according to at least one of the preceding Claims, characterized in that the optical beam path mechanically is designed so that the target with the probe element without change From the adjustment state of the optical beam path is replaceable.

Method according to at least one of the preceding Claims, characterized in that the total sensor on a rotary pivot unit of a coordinate measuring machine is appropriate.

Method according to at least one of the preceding Claims, characterized in that Antastformelement common within the coordinate measuring machine is used with other sensors.

Method according to at least one of the preceding Claims, characterized in that the detection of deflection components by Distance sensors, in particular laser distance sensors, takes place.

Method according to at least one of the preceding Claims, characterized in that for the determination of the 3-dimensional deflection of the button or the button extension several separate targets are used.

Method according to at least one of the preceding Claims, characterized in that the target mark by the evaluation the changes from the diameter of the probe shaft or the probe extension the button is replaced.

Method according to at least one of the preceding Claims, characterized in that the bending line of the probe shaft in observed area and, consequently, the location of the Antastformelementes is closed.

Method according to at least one of the preceding Claims, characterized in that two or more targets simultaneously be evaluated and from this to the location of the Antastformelementes is closed.

Method according to at least one of the preceding Claims, characterized in that associated with each sensor a separate camera becomes.

Method according to at least one of the preceding Claims, characterized in that the position of the sensing element and / or the at least one target by means of reflective and / or this shading and / or from the Antastformelement or the target of emitting radiation is determined.

Arrangement for measuring structures of an object by means of a coordinate measuring machine ( 10 ) associated with a probe extension ( 34 ) or a probe stem of a probe outgoing Antastformelements ( 32 ), if necessary, directly from the button or the button extension outgoing target mark ( 36 . 68 . 70 . 72 . 74 . 76 ), wherein the probe element can be brought into contact with the object and then its position with at least one optical sensor ( 40 . 42 . 56 . 58 ) is determinable, characterized in that by means of two optical 2D sensors ( 40 . 42 . 56 . 58 ) 2-dimensional position values of the probe element ( 32 ) and / or the target ( 36 . 68 . 70 . 72 . 74 . 76 ) are determinable and that from the 2-dimensional position values 3-dimensional position value of the probing element ( 32 ) is calculable.

Arrangement according to claim 29, characterized in that the probing element ( 32 ) or the target ( 36 . 68 . 70 . 72 . 74 . 76 ) of the extending along a straight line probe extension ( 34 ) and that 2-dimensional position of the probe form element or the at least one associated therewith target ( 36 . 68 . 70 . 72 . 74 . 76 ) by means of the optical 2-D sensors ( 40 . 42 . 56 . 58 ) can be determined in planes with a line of intersection, which coincides with the straight line or almost with the straight line.

Arrangement according to claim 29 to 30, characterized in that orthogonal or approximately orthogonal to the probe extension ( 34 ) or touch of the button the two optical 2D sensors ( 40 . 42 . 56 . 58 ) to determine the 2-dimensio nal position of the probing element ( 32 ) or the at least one target mark associated therewith ( 36 . 68 . 70 . 72 . 74 . 76 ) are arranged.

Arrangement according to claims 29 to 31, characterized in that the target mark ( 36 . 68 . 70 . 72 . 74 ) is formed self-luminous.

Arrangement according to claims 29 to 32, characterized in that the 2-dimensional sensor ( 40 . 42 ; 56 . 58 ) opposite a lighting device ( 48 . 50 ; 60 . 64 ), with which the target mark ( 36 ) can be illuminated for transmitted light measurement.

Arrangement according to at least one of claims 29 to 33, characterized in that the target mark ( 68 ) a bottleneck of the probe shaft or the button extension ( 34 ).

Arrangement according to at least one of claims 29 to 34, characterized in that the target mark ( 32 . 74 ) formed as a spherical or ellipsoidal structure in the probe or on the probe shaft ( 34 ) is applied.

Arrangement according to at least one of claims 29 to 35, characterized in that the target mark ( 70 ) as a thickening on the probe shaft ( 34 ) is trained.

Arrangement according to at least one of claims 29 to 36, characterized in that the Antastformelement and / or the target are designed as a reflector.

Arrangement according to at least one of claims 29 to 37, characterized in that the probe extension at least in sections bending elastic and / or is designed as a light guide or a includes such.

Arrangement according to at least one of claims 29 to 38, characterized in that the probe extension is bent in an L-shape.

Arrangement according to at least one of claims 29 to 39, characterized in that the probe extension end as the Antastformelement is trained.

Arrangement according to at least one of claims 29 to 40, characterized in that the Antastformelement and / or the target mark is exchangeably connected to the button extension.

Arrangement according to at least one of claims 29 to 41, characterized in that the Antastformelement and / or the target with the button extension by gluing or welding are connected.

Arrangement according to at least one of claims 29 to 42, characterized in that the Antastformelement and / or the target has a self-luminous electronic element such as LED or such is.

Arrangement according to at least one of claims 29 to 43, characterized in that the Antastformelement with a reflective and / or fluorescent layer is provided and / or with a reflective or fluorescent material Layer is provided such that of tastelementseitiger surface of the layer reflected radiation in the interior of the probe element an optical detectable mark as bright spot generates as the target mark.

Arrangement according to at least one of claims 29 to 44, characterized in that of the probe extension of the probe one in the optical 2D sensor as a mark of the Antastformelements appearing mark, the position of the Antastformelementes can be determined by means of the mark.

Arrangement according to at least one of claims 29 to 45, characterized in that the mark is a darkened area in the illuminated sensing element is.

Arrangement according to at least one of claims 29 to 46, characterized in that the two optical sensors ( 40 . 42 ) by means of suitable optical deflection means, such as mirrors or image conductors, with an opto-electronic camera ( 44 . 54 ), such as CCD camera or CMOS camera.

Arrangement according to at least one of claims 29 to 47, characterized in that the two 2-dimensional optical sensors ( 56 . 58 ) by optical deflection means, such as mirrors, in conjunction with a uniform imaging objective ( 52 ) for both sensors and a uniform matrix camera ( 54 ), such as CCD camera.

Arrangement according to at least one of claims 29 to 48, characterized in that the two optical sensors ( 40 . 42 ) are realized by two or more endoscopes.

Arrangement according to at least one of claims 29 to 49, characterized in that at least two endoscopes ( 40 . 42 ) as imaging beam paths for the realization of the sensors and two other endoscopes ( 48 . 50 ) are used as illumination beam paths for the representation in transmitted light illumination.

Arrangement according to at least one of claims 29 to 50, characterized in that the endoscopes used for imaging ( 40 . 42 ) in a semiconductor chip ( 44 ) lead to image evaluation.

Arrangement according to at least one of claims 29 to 51, characterized in that all optical components for the realization of the sensors and two other endoscopes ( 48 . 50 ) are used as illumination beam paths for the representation of the transmitted light illumination.

Arrangement according to at least one of claims 29 to 52, characterized in that all the optical components for the realization said sensors are integrated in one unit.

Arrangement according to at least one of claims 29 to 53, characterized in that the physical location of the target ( 36 . 68 . 70 . 72 . 74 ) and probing element ( 32 ) coincides.

Arrangement according to at least one of claims 29 to 54, characterized in that the target mark ( 36 . 68 . 70 . 72 . 74 ) with the probing element ( 32 ) is arranged interchangeable without change from the adjustment state of the optical beam path.

Arrangement according to at least one of claims 29 to 55, characterized in that the arrangement comprises a carrier assembly ( 80 ) for the attachment of deflection means for generating an optical beam path, wherein the support assembly ( 80 ) an opening ( 76 ), preferably has a lateral opening through which the button or the Antastformelement is removable from the arrangement.

Arrangement according to at least one of Claims 29 to 56, characterized in that the total sensor system is mounted on a pivoting unit of the coordinate measuring machine ( 10 ) is arranged.

Arrangement according to at least one of claims 29 to 57, characterized in that the probing element ( 32 ) within the coordinate measuring machine ( 10 ) is arranged together with other sensors.

Arrangement according to at least one of claims 29 to 58, characterized in that for detecting deflection components of the probe ( 58 ) Distance sensors are provided, which are designed in particular as laser distance sensors.

Arrangement according to at least one of claims 29 to 59, characterized in that the button ( 28 ) has a plurality of separate targets for determining a 3-dimensional displacement.

Arrangement according to at least one of claims 29 to 60, characterized in that for each sensor one assigned separate camera is provided.