DE102008000105B4

DE102008000105B4 - Koordinatenmessgerät

Info

Publication number: DE102008000105B4
Application number: DE200810000105
Authority: DE
Inventors: Hans-Rainer Bleyer; Karsten Schinkel; Frank Lichtenheldt
Original assignee: FEINMES SUHL GmbH; Feinmess Suhl GmbH
Current assignee: FEINMES SUHL GmbH; Feinmess Suhl GmbH
Priority date: 2008-01-21
Filing date: 2008-01-21
Publication date: 2010-11-11
Anticipated expiration: 2028-01-22
Also published as: DE102008000105A1

Abstract

Koordinatenmessgerät zur Vermessung eines Messobjektes, umfassend:
– ein Portal (02) mit Seitenstützen (03) und einem Querträger (04);
– einen unter dem Portal (02) angeordneten Messtisch (13) zur Aufnahme des Messobjektes;
– einen am Querträger (04) vertikal verschiebbaren optischen Sensor (06) zur Erfassung des Messobjektes in einer optischen Achse (28) des optischen Sensors (06); und
– mindestens eine Maßverkörperung (19) zur Bestimmung der vertikalen Position des optischen Sensors (06), wobei die Maßverkörperung (19) entlang einer Maßlinie durch einen an den optischen Sensor (06) gekoppelten Lesekopf (27) auslesbar ist;
dadurch gekennzeichnet, dass der optische Sensor (06) entlang zweier am Querträger (04) befestigten, vertikalen Führungsschienen (24) vertikal verfahrbar ist; wobei der optische Sensor (06) mittig zwischen den beiden vertikalen Führungsschienen (24) angeordnet ist; und wobei die vertikalen Führungsschienen (24) eine Führungsebene (26) aufspannen, in der die optische Achse (28) des optischen Sensors (06) und die Maßlinie der...

Description

Die Erfindung betrifft ein Koordinatenmessgerät zur Vermessung von Objekten mit einem optischen Sensor, welcher an einem Portal über das Messobjekt verschoben wird.
Die DE 44 09 148 A1 lehrt eine Vorrichtung zur Längenmessung, bei welcher eine Pinole vertikal in einem Querschlitten geführt ist. Die Pinole ist zylinderförmig ausgeführt und durch eine runde Öffnung des Querschlittens hindurchgeführt.
Die DE 199 49 044 A1 zeigt eine Koordinaten-Messmaschine mit einer Vorrichtung zur Feinpositionierung eines Bauteils. Das Bauteil kann u. a. vertikal positioniert werden, wobei die Messung der vertikalen Position anhand einer Maßlinie an einem mitbewegten Teil erfolgt. Das mitbewegte Teil ist in einem Abstand zu einer Symmetrieachse angeordnet.
Die DE 100 32 552 A1 zeigt ein Führungssystem für ein Koordinatenfahrwerk einer Werkzeugmaschine. Ein Hauptantrieb für Werkzeuge ist im Koordinatenfahrwerk geführt und gehalten. An zwei parallel zueinander ausgerichteten Seitenwänden sind innen liegend zwei parallele Führungen angeordnet, in denen zwei Brückenträger des Koordinatenfahrwerkes gehalten und geführt sind.
Die DE 36 13 096 A1 zeigt ein Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken mit einem programmierten Mehrachsenroboter. Zum Abtasten von Markierungen wird ein TV-Kamera-Sensor verwendet, der normal und/oder in einem Werkzeugrollabstand zur Werkstückoberfläche ausgerichtet ist.
Die US 2006/0291971 A1 zeigt ein Maschinenwerkzeug, bei welchem ein Achszapfen mit einer hohen Geschwindigkeit in drei Achsen bewegt werden kann.
Die Broschüre „O-Inspekt. Die nächste Generation des optisch-taktilen Scannens” der Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH, Oberkochen aus dem Jahr 2007 gibt einen Überblick über optische und taktile Messtechnik, u. a. Messtechnik mit einem Koaxiallicht zur Auflichtbeleuchtung.
Der Artikel „Multisensorik an Koordinatenmessgeräten” im Sonderdruck „Quality Engineering” der Werth Messtechnik GmbH, Gießen aus dem Jahr 2006 gibt einen Überblick über optische und taktile Sensoren.
Die Broschüre „FMS News 2007” der Feinmess Suhl GmbH, Suhl aus dem Jahr 2007 gibt einen Überblick über absolute und inkrementelle Längenmessgeräte.
Aus der DE 10 2004 047 928 A1 ist ein Messverfahren zur 3-D-Vermessung räumlicher Objektoberflächen bekannt, bei welchem mit einem optischen Bildsensor in unterschiedlichen Z-Positionen einer Fokusfläche des Bildsensors (also mit veränderlichem Abstand zwischen Fokusfläche und vermessenem Bildpunkt) eine Serie von Bildern erzeugt wird, die zur Bestimmung der X- und Y-Koordinaten als auch der Z-Koordinate eines jeden Punktes auf der Objektoberfläche herangezogen wird. Die durch die X-Y-Koordinaten aufgespannte Ebene liegt im Idealfall parallel zur Fokusebene. Die Fokusebene weist nur einen sehr geringen Tiefenschärfebereich auf, sodass durch eine scharfe Abbildung eines Punktes der Objektoberfläche bei einem bestimmten Abstand der Fokusebene einen Rückschluss auf die Z-Position dieses Punktes zulässt. Diese Druckschrift zeigt weiterhin eine Koordinatenmessmaschine, bei welcher das erwähnte Verfahren angewendet wird. Weiterführende Angaben zur mechanischen bzw. konstruktiven Realisierung einer solchen Koordinatenmessmaschine werden dabei nicht aufgezeigt.
Die WO 03/029752 A2 zeigt ein Koordinatenmessgerät mit einem Portal umfassend zwei Seitenstützen mit einem zwischen diesen verlaufenden Querträger sowie zumindest einem entlang dieses Querträgers verschiebbaren Schlitten, von dem seinerseits zumindest ein Sensor wie ein optisch oder optisch taktil arbeitender Sensor ausgeht. Das Koordinatenmessgerät umfasst weiterhin einen ein zu messendes Objekt aufnehmenden optisch durchlässigen Messtisch sowie eine beabstandet zu diesem verlaufende Grundplatte, wobei zwischen Messtisch und Grundplatte eine Durchlichtquelle angeordnet ist, die von der optischen Achse des Sensors durchsetzt ist. Die Durchlichtquelle geht von einer zwischen den Seitenstützen verlaufenden Halterung aus und ist synchron mit dem Sensor verstellbar. Die in den Figuren dieser Druckschrift gezeigte Ausführungsform weist einen Schlitten auf, der entlang des Querträgers verschiebbar ist. Von dem Schlitten geht eine Pinole mit einem eine Optik aufweisenden Sensor, z. B. in Form einer CCD-Kamera aus. Die Pinole ist einseitig an dem Querträger befestigt. Eine derartige Anbringung und Führung des Sensors führt zu mechanischen Toleranzen, die nur eine begrenzte Messgenauigkeit ermöglichen.
Die EP 1 381 823 B1 zeigt ein Koordinatenmessgerät mit einem entlang einer Führung in vertikaler Richtung verstellbaren Messsensor, welcher an einem Element über zumindest ein Luftlager gleitend abstützbar ist. Die für das axial verschiebbare Element benötigte Vorspannung des abstützenden Luftlagers wird durch eine zwischen einer Halterung und dem axial verschiebba ren Element wirkende und von einem Magneten hervorgerufene Zugkraft kompensiert. Die in dieser Druckschrift gezeigte Lösung widmet sich der Lagerung in vertikaler Richtung, wohingegen keine Verbesserung der horizontalen Lagerung und Führung aufgezeigt wird. Die Luftlagerung in vertikaler Richtung ist zum einen sehr aufwändig und zum anderen werden dadurch Messfehler, die beispielsweise aufgrund einer Kippung des Messsensors entstehen können, nicht verhindert.
Die DE 10 2006 035 179 A1 zeigt eine Beleuchtungseinrichtung für eine optische Vorrichtung, insbesondere für ein Koordinatenmessgerät. Ein solches Koordinatenmessgerät erlaubt das Verfahren einer Digitalkamera in allen drei Raumrichtungen x, y und z. Hierfür umfasst das Koordinatenmessgerät ein Portal, auf welchem ein X-Schlitten in die x-Richtung bewegt werden kann. Durch den X-Schlitten ist eine Pinole vertikal hindurchgeführt, welche die Bewegung in z-Richtung erlaubt. Zur Bestimmung der Position dienen Maßstäbe.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend von der DE 10 2006 035 179 A1 darin, ein Koordinatenmessgerät zum Ver messen von Objekten bereitzustellen, bei welchem der Sensor mit geringen Toleranzen vertikal an einem Querträger eines Portals verfahren werden kann, wobei eine hohe Messgenauigkeit erzielbar ist.
Die genannte Aufgabe wird durch ein Koordinatenmessgerät gemäß dem beigefügten Anspruch 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Koordinatenmessgerät umfasst zunächst ein Portal mit Seitenstützen und einem Querträger sowie einem unter dem Portal angeordneten Messtisch zur Aufnahme des Messobjektes. Am Querträger befindet sich ein optischer Sensor zur punktuellen Vermessung des Messobjektes in einer optischen Achse des optischen Sensors, welcher vertikal am Querträger verschiebbar ist. Das Koordinatenmessgerät umfasst weiterhin mindestens eine Maßverkörperung zur Bestimmung der vertikalen Position des optischen Sensors. Die Maßverkörperung wird durch einen mit dem optischen Sensor verbundenen Lesekopf entlang einer Maßlinie der Maßverkörperung ausgelesen. Erfindungsgemäß ist der optische Sensor zwischen zwei mit dem Querträger verbundenen vertikalen Führungsschienen angeordnet. Der optische Sensor kann entlang der vertikalen Führungsschienen vertikal gegenüber dem Querträger verfahren werden. Die als Linien aufgefassten vertikalen Führungsschienen spannen eine vertikale Führungsebene auf, in der auch die Maßlinie der Maßverkörperung und die optische Achse des optischen Sensors angeordnet sind.
Die Führung in den beiden vertikalen Führungsschienen ermöglicht eine spielarme vertikale Führung des optischen Sensors. Zudem bewirken dennoch auftretende Kippfehler keine oder nur eine verschwindend kleine Abweichung des zu messenden vertikalen Abstandes gegenüber der Maßverkörperung (Abbe-Fehler), da die Maßlinie der Maßverkörperung gemeinsam mit der optischen Achse in der Führungsebene liegt.
Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Koordinatenmessgerätes besteht darin, dass durch eine einfach zu realisierende konstruktive Umgestaltung eine wesentliche Verbesserung der Messgenauigkeit erzielt werden kann.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Koordinatenmessgerätes weisen die vertikalen Führungsschienen ein Führungsprofil auf, in welches jeweils ein fest mit dem optischen Sensor verbundener Gleitschuh eingeführt ist. Die beiden Gleitschuhe weisen ein das Führungsprofil umschließendes Profil auf, welches eine spielarme Führung der Gleitschuhe in den vertikalen Führungsschienen ermöglicht. Die Führungsprofile der beiden vertikalen Führungsschienen weisen jeweils eine Symmetrieebene auf, die innerhalb der Führungsebene liegt. Hierdurch ist gewährleistet, dass die optische Achse des Sensors und die Maßlinie sich exakt in der potenziellen Kippebene befinden. Das Führungsprofil der vertikalen Führungsschienen kann auch so ausgeführt werden, dass es das Führungsprofil der Gleitschuhe umschließt. Andere gleichwirkende Führungskonstruktionen sind dem Fachmann bekannt und können ebenfalls verwendet werden.
Der optische Sensor ist mittig zwischen den vertikalen Führungsschienen angeordnet, wodurch Verkippungen senkrecht zur Führungsebene minimiert sind. Die Maßlinie ist im bevorzugten Idealfall in der optischen Achse des optischen Sensors angeordnet, wodurch ein Abbe-Fehler vollständig vermieden ist. Bei einer bevorzugten technischen Realisierung des erfindungsgemäßen Koordinatenmessgerätes ist die Maßlinie zwischen dem optischen Sensor und einer der vertikalen Führungsschienen ange ordnet, wodurch ein Abbe-Fehler nahezu vollständig vermieden ist. Die Maßlinie ist parallel zur optischen Achse des Sensors ausgerichtet.
Die Maßverkörperung ist bevorzugt durch ein flaches Band gebildet, beispielsweise ein Stahlmaßband oder ein Glasmaßstab. Die durch das flache Band aufgespannte Ebene ist mit der Führungsebene identisch.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Koordinatenmessgerätes ist der optische Sensor weiterhin horizontal entlang des Querträgers verschiebbar. Der Querträger weist zwei horizontale Führungsschienen zur Lagerung und horizontalen Führung des optischen Sensors auf. Die horizontalen Führungsschienen bestimmen den Verschiebeweg des optischen Sensors entlang des Querträgers. Der optische Sensor befindet sich in einer vertikalen Ebene zwischen den horizontalen Führungsschienen. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert sein, dass der optische Sensor unmittelbar zwischen den horizontalen Führungsschienen angeordnet ist. Alternativ kann der optische Sensor unterhalb eines Punktes angeordnet sein, der sich zwischen den horizontalen Führungsschienen befindet, vorzugsweise auf der Symmetrieebene zwischen den horizontalen Führungsschienen. Durch die genannte Anordnung des Sensors ist gewährleistet, dass sich die Gewichtskraft und die Trägheitskraft des Sensors beidseitig auf beide horizontale Führungsschienen verteilen können, sodass einem gegebenenfalls vorhandenen Kippmoment über die zweite horizontale Führungsschiene entgegengewirkt wird. Die für die Vermessung erforderliche Ausrichtung des Sensors wird in einem hohen Maße gewährleistet, sodass eine hohe Messgenauigkeit ermöglicht wird.
Eine einseitige Aufhängung des Sensors am Querträger eines Portals gemäß dem Stand der Technik führt zu einer Begrenzung der Messgenauigkeit, da durch die einseitige Aufhängung zwangsläufig ein Kippmoment auf den Sensor wirkt. Das Kippmoment führt dazu, dass der Sensor leicht kippt und somit nicht mehr exakt senkrecht gegenüber einem das Messobjekt aufnehmenden Messtisch ausgerichtet ist. Folglich erfasst der Sensor einen Punkt des Messobjektes, welcher nicht vertikal unter dem Sensor angeordnet ist. Der durch den gekippten Sensor hervorgerufene Fehler kommt besonders bei denjenigen Koordinatenmessgeräten zum Tragen, bei denen der Sensor vertikal verfahren wird. Wird beispielsweise der Abstand zwischen dem Sensor und dem zu vermessenden Punkt des Messobjektes bestimmt, ist dieser Abstand gegenüber der Maßverkörperung verfälscht, da der Abstand nicht genau fluchtend oder parallel zur Maßverkörperung ist. Dieser als Kippfehler oder Abbe-Fehler bezeichnete Messfehler wirkt sich bekanntermaßen wesentlich stärker auf die Messungenauigkeit aus, als ein linearer Fehler.
Weiterhin kann das bei Lösungen gemäß dem Stand der Technik vorhandene Kippmoment auf den Sensor zu einer Verklemmung des Sensors in dessen horizontaler Führung am Portal führen. Wirkt dann eine Kraft zum Verschieben des Sensors entlang des Querträgers auf den Sensor, so muss durch diese zunächst diese Verklemmung überwunden werden, wodurch sich die Ausrichtung des Sensors zumindest geringfügig ändert. Dies kann zu einem kurzzeitigen Pendeln oder Schwingen des Sensors in der Verschieberichtung führen, wodurch die Messgenauigkeit während des Verschiebens des Sensors und bis zum vollständigen Auspendeln des Sensors gemindert ist.
Bevorzugt ist die Gewichtskraft des Sensors auf Kräfte, welche vertikal auf die horizontalen Führungsschienen wirken, verteilt. Folglich wirken auf die horizontalen Führungsschienen keine Kräfte in horizontaler Richtung, welche ein Kippmoment auf den Sensor bewirken würden. Somit kommt es weder zu einem Kippen noch zu einem Pendeln des Sensors, beispielsweise zu einem Zeitpunkt, in welchem die Bewegung des Sensors entlang des Querträgers einsetzt.
Die horizontalen Führungsschienen sind bevorzugt parallel und in einer einzigen horizontalen Ebene angeordnet. Eine derartige Anordnung erleichtert eine Gleichverteilung der Gewichts- und Trägheitskräfte des Sensors auf die horizontalen Führungsschienen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Koordinatenmessgerätes weist der Querträger eine längs des Querträgers verlaufende Ausnehmung auf. Die entlang der Ausnehmung neben der Ausnehmung verbleibenden Abschnitte des Querträgers bilden jeweils einen Teilträger. An jedem der beiden Teilträger ist eine der horizontalen Führungsschienen befestigt, wobei der Sensor bevorzugt symmetrisch zwischen den horizontalen Führungsschienen angeordnet ist. Diese Ausführungsform erlaubt eine genaue Anordnung der horizontalen Führungsschienen am Querträger und eine sichere Führung des Sensors nahe den horizontalen Führungsschienen und dem Querträger. Beispielsweise kann der Schwerpunkt des optischen Sensors in der Ebene der horizontalen Führungsschienen angeordnet werden.
Das Koordinatenmessgerät ist bevorzugt so auszuführen, dass eine Anordnung umfassend den Querträger, die horizontalen Führungsschienen und den Sensor eine vertikale Symmetrieebene aufweist. Bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Koordinatenmessgerätes ist gewährleistet, dass sämtliche Kräfte zwischen dem optischen Sensor und dem Querträger beidseitig gleichverteilt auf die horizontalen Führungsschienen wirken, wodurch mechanische Toleranzen nochmals verringert sind. Weiterhin ist bei dieser Ausführungsform gewährleistet, dass sich die meisten der thermisch bedingten Veränderungen nicht derart auswirken, dass sich die Ausrichtung des Sensors ändert.
Die vertikale Symmetrieebene und die vertikale Führungsebene liegen bevorzugt in einer einzigen Ebene, wodurch der optische Sensor sowohl horizontal als auch vertikal ausbalanciert ist.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn das Messobjekt von unten mit einer Lichtquelle beleuchtet wird, die sich abschnittsweise ansteuern lässt, wobei immer nur die Abschnitte aktiviert werden, die im Erfassungsbereich des optischen Sensors liegen. Dadurch kann die thermische Belastung der Gesamtanordnung und des Messobjektes klein gehalten werden und es kann auf eine aufwändige mechanische Kopplung der horizontalen Bewegung des Sensors mit der Verschiebung der Beleuchtungseinrichtung gemäß den vorbekannten Lösungen verzichtet werden.
Andere bevorzugte Ausführungsformen des Koordinatenmessgerätes sind in den Unteransprüchen genannt.
Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
1: ein erfindungsgemäßes Koordinatenmessgerät in einer perspektivischen Darstellung;
2: das in 1 gezeigte Koordinatenmessgerät in einer Schnittdarstellung; und
3: das in 1 gezeigte Koordinatenmessgerät in einer Ansicht von oben und in einer Detaildarstellung.
1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Koordinatenmessgerätes zur Vermessung eines Objektes. Das Koordinatenmessgerät umfasst eine Grundplatte 01 und ein Portal 02, die aus einem Hartgestein, beispielsweise aus Granit, bestehen. Das Portal 02 umfasst zwei Seitenstützen 03 sowie einen Querträger 04, welcher an seinen Enden auf jeweils einer der Seitenstützen 03 aufliegt. Die Seitenstützen 03 können auch schräg angeordnet sein oder durch eine einzige Stütze gebildet sein. Der Querträger 04 ermöglicht ein horizontales Verfahren eines optischen Sensors in Form einer CCD-Kamera 06. Die CCD-Kamera 06 wird an zwei parallelen horizontalen Führungsschienen 07 geführt, welche an der Unterseite des Querträgers 04 angeordnet sind. Der Querträger 04 weist eine Ausnehmung 08 auf, welche parallel zu den horizontalen Führungsschienen 07 ausgerichtet ist. Die Ausnehmung 08 ermöglicht, dass ein großer Teil der CCD-Kamera 06 oberhalb der horizontalen Führungsschienen 07 angeordnet ist und innerhalb der Ausnehmung 08 verfahren werden kann. Die längs ausgerichtete Ausnehmung 08 teilt den Querträger 04 in einen ersten Teilträger 09 und einen zweiten Teilträger 11. Der Querträger kann alternativ auch zweistückig ausgebildet sein, indem zwei Teilträger starr miteinander verbunden werden.
Unabhängig von der Ausführung des Querträgers ist es zur Erzielung geringer mechanischer Toleranzen vorteilhaft, die Flächen der Teilträger zur Anbringung der horizontalen Führungsschienen in einem einzigen Arbeitsgang zu bearbeiten.
Die beiden horizontalen Führungsschienen 07 befinden sich in einer einzigen horizontalen Ebene. An den beiden horizontalen Führungsschienen 07 ist ein horizontaler Führungsschlitten 12 angebracht, welcher die CCD-Kamera 06 trägt. Eine Anordnung umfassend den Querträger 04, die horizontalen Führungsschienen 07, den horizontalen Führungsschlitten 12 und die CCD-Kamera 06 weist eine vertikale Symmetrieebene 18 (gezeigt in 2) auf, sodass sich die Gewichtskraft der CCD-Kamera 06 gleichmäßig auf die beiden horizontalen Führungsschienen 07 aufteilt. Zudem teilt sich die vertikal wirkende Gewichtskraft der CCD-Kamera 06 vertikal auf die horizontalen Führungsschienen 07 wirkenden Teilkräfte auf.
Die beidseitige Aufhängung der CCD-Kamera 06 erlaubt eine sichere Führung der CCD-Kamera 06, bei welcher die auf die CCD-Kamera 06 wirkenden Kräfte oder auch Kippmomente von beiden horizontalen Führungsschienen 06 aufgenommen werden. Folglich ist die vertikale Ausrichtung der CCD-Kamera 06 in einem sehr hohen Maße gewährleistet, was eine hohe Messgenauigkeit ermöglicht. Durch diese Anordnung ist sichergestellt, dass die auf der Symmetrieebene 18 verlaufende Messachse fluchtend mit einer Maßverkörperung 19 (gezeigt in 3) der CCD-Kamera 06 verläuft, sodass keine Kippfehler auftreten.
Weiterhin führt die beidseitige Aufhängung der CCD-Kamera 06 im Gegensatz beispielsweise zu einer einseitigen Aufhängung der CCD-Kamera am Querträger nicht dazu, dass sich die Gewichtskraft der CCD-Kamera auch auf horizontal wirkende Teilkräfte aufteilt, was ein auf die CCD-Kamera wirkendes Kippmoment verursachen würde. Ein derartiges Kippmoment würde das Verfahren der CCD-Kamera in den horizontalen Führungsschienen behindern. Beispielsweise müsste eine durch eine horizontal auf die horizontalen Führungsschienen wirkende Teilkraft hervorgerufene Reibung überwunden werden, was zur Folge hätte, dass die CCD-Kamera um ein gewisses Maß von den horizontalen Führungsschienen abhebt und so die Messgenauigkeit des Koordinatenmessgerätes verringert wäre. Hingegen muss bei einer erfindungsgemäßen Führung der CCD-Kamera 06 in den horizontalen Führungsschienen 07 nur die durch die vertikal wirkende Gewichtskraft hervorgerufene Reibung zwischen dem horizontalen Führungsschlitten 12 und den horizontalen Führungsschienen 07 überwunden werden. Diese Reibungskraft ist jedoch sehr klein, da die horizontalen Führungsschienen 07 und der horizontaler Führungsschlitten 12 für eine vertikale, d. h. eine einseitige Belastung vorgesehen sind. Die Führung des horizontalen Führungsschlittens 12 in den horizontalen Führungsschienen 07 kann beispielsweise in Gleitlagern oder Luftlagern erfolgen.
Unterhalb des Portals 02 befindet sich ein Messtisch 13 mit einer optisch transparenten Auflageplatte 14 aus Glas oder einem anderen transparenten Material. Zur Vermessung eines Objektes (nicht gezeigt) wird dieses auf der Auflageplatte 14 angeordnet. Der Messtisch 13 kann über zwei Führungen 16 in eine Richtung senkrecht zur Längserstreckung des Querträgers 04 verfahren werden. Alternativ kann auch das Portal 02 mit einer Führung gegenüber der Grundplatte 01 versehen werden, welche ein Verfahren in eine Richtung quer zur Bewegungsrichtung der CCD-Kamera 06 am Querträger 04 ermöglicht. Die Führung 16 des Messtisches 13 einerseits und die Führung der CCD-Kamera 06 in den horizontalen Führungsschienen 07 andererseits ermöglicht ein relatives Verfahren der CCD-Kamera 06 in zwei horizontalen Richtungen (X und Y) über das zu vermessende Objekt. Weiterhin ist es möglich, die CCD-Kamera 06 vertikal gegenüber dem horizontalen Führungsschlitten 12 in einer Z-Richtung zu verschieben. Somit kann die CCD-Kamera 06 in alle drei Richtungen verfahren werden, um räumliche Koordinaten der zu vermessenden Punkte am Messobjekt aufzuzeichnen. Der Messtisch 13 hat eine umlaufende Nut (nicht gezeigt), die zur Befestigung von Einrichtungen, wie beispielsweise zum automatisierten Drehen von zwischen Spitzen eingespannten rotationssymmetrischen Messobjekten vorgesehen ist.
Unterhalb der Auflageplatte 14 ist bei einer bevorzugten Ausführungsform eine flache Lichtquelle 17 angeordnet, welche aus einer Vielzahl von Einzellichtquellen besteht. Als Einzellichtquellen eignen sich beispielsweise LED. Die Einzellichtquellen beleuchten durch die Auflageplatte 14 hindurch Teile des zu vermessenden Objektes. Die beleuchteten Teile der Objektoberfläche, bei denen es sich beispielsweise auch um Kanten eines nicht transparenten Messobjektes handelt, können durch die CCD-Kamera 06 aufgenommen werden. Es können mehrere Aufnahmen mit jeweils einer unterschiedlichen vertikalen Position der CCD-Kamera 06 angefertigt werden. Die CCD-Kamera 06 weist in Abhängigkeit vom verwendeten Objektiv eine sehr geringe Tiefenschärfe auf, sodass eine scharfe Abbildung nur bei einer sehr eingegrenzten vertikalen Position ermöglicht ist. Folglich können mithilfe von Bilderkennungsverfahren Rückschlüsse auf die vertikale Koordinate eines Bereiches der Objektoberfläche des zu vermessenden Objektes in Bezug auf die Position der CCD-Kamera 06 gezogen werden. Zur Erzielung einer hohen Genauigkeit zur Bestimmung eines Kantenüberganges besteht auch die Möglichkeit, eine Interpolation benachbarter Bildpunkte des von der CCD-Kamera 06 aufgenommenen Bildes durchzuführen. Ggf. ist eine Binarisierung des Bildes bzw. des Bildbereiches sinnvoll. Die vertikale Position der CCD-Kamera 06 wird mithilfe der Maßverkörperung 19 (gezeigt in 3), die beispielsweise durch einen Glasmaßstab gebildet ist, bestimmt. Durch eine vorangegangene Referenzierung der relativen Lage des Sensors gegenüber dem Messobjekt kann dann die vertikale Position des vermessenen Punktes bestimmt werden.
Die Beleuchtung des Messobjektes durch die Lichtquelle 17 kann als Durchlicht oder als segmentiertes Durchlicht realisiert werden, wobei eine Auswahl während der Messung möglich ist. Weiterhin weist die CCD-Kamera 06 eine Ringbeleuchtung 20 auf, die als Auflicht oder als segmentiertes Auflicht realisiert werden kann, wobei wiederum eine Auswahl während der Messung möglich ist. Hierfür erfolgt zunächst eine Detektion einer Kante des Messobjektes bei einer Durchlichtbeleuchtung. Durch geeignete Verfahren der Bilderkennung ist beispielsweise die optimale Anzahl an Graustufen zu ermitteln bzw. ein optimaler Farbkontrast eines farbigen Messobjektes zu bestimmen. Diese Schritte sind anschließend in gleicher Weise bei einer Auflichtbeleuchtung des Messobjektes zu wiederholen. Die ermittelten Graustufenwerte bzw. die ermittelten Farbkontrastwerte für beide Beleuchtungsarten sind miteinander zu vergleichen, sodass eine optimale Beleuchtung ausgewählt werden kann. Bei einer Verwendung der Ringbeleuchtung 20 als segmentierte Auflichtbeleuchtung müssen lediglich einzelne Gruppen von Einzellichtquellen der Ringbeleuchtung 20 eingeschaltet werden. Es kann dann wiederum eine Bestimmung der optimalen Anzahl an Graustufen bzw. eine Bestimmung eines optimalen Farbkontrastes erfolgen, sodass eine Optimierung der Beleuchtung automatisch erfolgen kann.
Die Einzellichtquellen der Lichtquelle 17 können derart angesteuert werden, dass nur diejenigen Einzellichtquellen leuchten, die sich in einem Bereich unterhalb der CCD-Kamera 06 befinden. Wird die CCD-Kamera 06 entlang des Querträgers 04 verfahren, so verändert sich die Beleuchtung der Einzellichtquellen der Lichtquelle 17 synchron zur Position der CCD-Kamera 06 auf dem Querträger 04. Hierdurch ist gewährleistet, dass zu jedem Zeitpunkt nur ein kleiner Anteil der Einzellichtquellen der Lichtquelle 17 leuchtet, wodurch die von der Lichtquelle 17 abgegebene Wärme gering ist und es nicht oder nur kaum zu einer thermischen Ausdehnung des Messobjektes und des Koordinatenmessgerätes kommt, sodass eine hohe Messgenauigkeit ermöglicht ist. Weiterhin kann die Anzahl der leuchtenden Einzellichtquellen der Lichtquelle 17 an die Größe des von der CCD-Kamera 06 aufgenommenen Bereiches des Messobjektes angepasst werden. Diese Anzahl kann entsprechend der verwendeten Brennweite der CCD-Kamera 06 und der jeweils aktuellen vertikalen Position der CCD-Kamera 06 gewählt werden. Es ist darauf hinzuweisen, dass diese spezielle Ansteuerung der Lichtquelle auch bei anderen Messaufbauten Anwendung finden kann und unabhängig von der speziellen Konstruktion des Portals und der Positionierung des optischen Sensors zu einer Erhöhung der Messwertgenauigkeit beiträgt.
Die Vermessung des Messobjektes mit der CCD-Kamera 06 kann durch ein Lasermesssystem oder durch einen taktilen Sensor ergänzt werden, welche ebenfalls am horizontalen Führungsschlitten 12 anzubringen sind. Anstelle der CCD-Kamera 06 können auch andere optische Sensoren zum Einsatz kommen.
2 zeigt das Koordinatenmessgerät in einer Schnittdarstellung. Es ist insbesondere die Anordnung des Querträgers 04 bestehend aus den beiden Teilträgern 09, 11, der horizontalen Führungsschiene 07, dem horizontalen Führungsschlitten 12 und der CCD-Kamera 06 gezeigt, welche eine vertikale Symmetrieebene 18 aufweist. Lediglich ein Gehäuse 21 der CCD-Kamera 06 ist nur näherungsweise symmetrisch gegenüber der vertikalen Symmetrieebene 18 ausgerichtet. Die CCD-Kamera 06 kann vertikal gegenüber dem horizontalen Führungsschlitten 12 und der Maßverkörperung 19 (gezeigt in 3) verfahren werden.
3 zeigt das Koordinatenmessgerät in einer Ansicht von oben, wobei der Querträger 04 nicht dargestellt ist, sodass insbesondere die CCD-Kamera 06 und ein sie tragender vertikaler Führungsschlitten 22 sowie die Maßverkörperung 19 erkennbar sind, die zusätzlich in einer vergrößerten Detaildarstellung gezeigt sind. Der vertikale Führungsschlitten 22 weist zwei Gleitschuhe 23 auf, die in zwei am horizontalen Führungsschlitten 07 befestigten vertikalen Führungsschienen 24 gleiten. Die vertikalen Führungsschienen 24 weisen ein Doppel-T-ähnliches Profil auf, während die Gleitschuhe 23 ein hierzu inverses Profil aufweisen. Das Profil der Gleitschuhe 23 passt formgenau in das Profil der vertikalen Führungsschienen 24, sodass eine nahezu spielfreie Führung ermöglicht ist. Das Profil der Gleitschuhe 23 und das Profil der vertikalen Führungsschienen 24 weist jeweils eine vertikal angeordnete Symmetrieebene auf, welche in der Mitte der Gleitschuhe 23 und der Mitte der vertikalen Führungsschienen 24 liegt. Die vertikal angeordneten Symmetrieebenen der Gleitschuhe 23 und der vertikalen Führungsschienen 24 fallen in eine Ebene, welche eine vertikale Führungsebene 26 der CCD-Kamera 06 bildet. Fasst man die vertikalen Führungsschienen 24 als Linien auf, so sind die beiden Linien parallel und liegen beide in der vertikalen Führungsebene 26.
Die Maßverkörperung 19 erstreckt sich vertikal und ist somit parallel zu den vertikalen Führungsschienen 24. Die Maßverkörperung 19 hat die Form eines flachen Bandes, sodass sie in der Darstellung als ein schmales Rechteck erkennbar ist. Das flache Band liegt vorzugsweise ebenfalls in einer Führungsebene 26. Die Maßverkörperung 19 ist fest mit dem vertikalen Führungsschlitten 12 verbunden. Über die Maßverkörperung 19 wird ein Lesekopf 27 verfahren, welcher am vertikalen Führungsschlitten 24 befestigt ist und somit auch fest mit der CCD-Kamera 06 verbunden ist und gemeinsam mit dieser vertikal verfahren wird. Der Lesekopf 27 liest die Maßverkörperung 19 nicht in ihrer gesamten Breite, sondern entlang eines schmalen Ausschnittes aus, der eine Maßlinie bildet. Wesentlich für die Minimierung des Messfehlers ist, dass die Maßlinie in der Führungsebene 26 liegt. Die Maßverkörperung 19 kann stattdessen gegenüber der Führungsebene um ihre Längsachse verdreht sein, wenn dies konstruktiv günstig erscheint. Die erfindungsgemäße Anordnung verhindert, dass die Maßlinie zu einer optischen Achse 28 der CCD-Kamera 06 einen Kippfehler aufweist, was zu einem Abbe-Fehler führen würde.
Die Führungsebene 26 und die vertikale Symmetrieebene 18 liegen zweckmäßiger Weise in einer einzigen Ebene. Daher liegt die optische Achse 28 in der Führungsebene 26 und in der vertikalen Symmetrieebene 18. Zudem ist die optische Achse 28 der CCD-Kamera 06 parallel zu den vertikalen Führungsschienen 24 und parallel zur Maßlinie ausgerichtet.

01: Grundplatte
02: Portal
03: Seitenstützen
04: Querträger
05
06: CCD-Kamera
07: horizontale Führungsschienen
08: Ausnehmung im Querträger
09: erster Teilträger
10
11: zweiter Teilträger
12: horizontaler Führungsschlitten
13: Messtisch
14: Auflageplatte
15
16: Führung für den Messtisch
17: Lichtquelle
18: vertikale Symmetrieebene
19: Maßverkörperung
20: Ringbeleuchtung
21: Gehäuse
22: vertikaler Führungsschlitten
23: Gleitschuhe
24: vertikale Führungsschienen
25
26: Führungsebene
27: Lesekopf
28: optische Achse

Claims

Koordinatenmessgerät zur Vermessung eines Messobjektes, umfassend: – ein Portal (02) mit Seitenstützen (03) und einem Querträger (04); – einen unter dem Portal (02) angeordneten Messtisch (13) zur Aufnahme des Messobjektes; – einen am Querträger (04) vertikal verschiebbaren optischen Sensor (06) zur Erfassung des Messobjektes in einer optischen Achse (28) des optischen Sensors (06); und – mindestens eine Maßverkörperung (19) zur Bestimmung der vertikalen Position des optischen Sensors (06), wobei die Maßverkörperung (19) entlang einer Maßlinie durch einen an den optischen Sensor (06) gekoppelten Lesekopf (27) auslesbar ist; dadurch gekennzeichnet, dass der optische Sensor (06) entlang zweier am Querträger (04) befestigten, vertikalen Führungsschienen (24) vertikal verfahrbar ist; wobei der optische Sensor (06) mittig zwischen den beiden vertikalen Führungsschienen (24) angeordnet ist; und wobei die vertikalen Führungsschienen (24) eine Führungsebene (26) aufspannen, in der die optische Achse (28) des optischen Sensors (06) und die Maßlinie der Maßverkörperung (19) angeordnet sind.
Koordinatenmessgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vertikalen Führungsschienen (24) ein Führungsprofil aufweisen, in welches jeweils ein fest mit dem optischen Sensor (06) verbundener Gleitschuh (23) eingeführt ist, wobei eine Symmetrieebene des Führungsprofils in der Führungsebene (26) liegt.
Koordinatenmessgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Maßlinie der Maßverkörperung (19) zwischen dem optischen Sensor (06) und einer der vertikalen Führungsschienen (24) angeordnet ist.
Koordinatenmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Maßverkörperung (19) durch ein flaches Band gebildet ist, welches in der Führungsebene (26) liegt.
Koordinatenmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Sensor (06) weiterhin entlang des Querträgers (04) horizontal verfahrbar ist, wobei der Querträger (04) zwei horizontale Führungsschienen (07) zur Lagerung und zur horizontalen Führung des Sensors (06) aufweist, wobei der optische Sensor (06) in einer vertikalen Ebene (18) zwischen den horizontalen Führungsschienen (07) angeordnet ist.
Koordinatenmessgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewichtskraft des optischen Sensors (06) gleichmäßig verteilt auf die horizontalen Führungsschienen (07) einwirkt.
Koordinatenmessgerät nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die horizontalen Führungsschienen (07) parallel und in einer einzigen horizontalen Ebene angeordnet sind.
Koordinatenmessgerät nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Querträger (04) eine längs verlaufende Ausnehmung (08) aufweist, wodurch zwei Teilträger (09; 11) ausgebildet sind, wobei an jedem der beiden Teilträger (09; 11) eine der horizontalen Führungsschienen (07) befestigt ist und der optische Sensor (06) zwischen den horizontalen Führungsschienen (07) angeordnet ist.
Koordinatenmessgerät nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anordnung umfassend den Querträger (04), die horizontalen Führungsschienen (07) und den Sensor (06) eine vertikale Symmetrieebene (18) aufweist.
Koordinatenmessgerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsebene (26) und die vertikale Symmetrieebene (18) in einer Ebene liegen.
Koordinatenmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Messtisch (13) zumindest teilweise optisch transparent ist und unter ihm eine Lichtquelle (17) angeordnet ist.
Koordinatenmessgerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (17) durch eine Vielzahl an Einzellichtquellen gebildet ist, die in einer horizontalen Ebene angeordnet ist.
Koordinatenmessgerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Betriebszustand desselben nur diejenigen Einzellichtquellen leuchten, die sich im Erfassungsbereich des optischen Sensors (06) befinden.
Koordinatenmessgerät nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzellichtquellen durch LED gebildet sind.
Koordinatenmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass am optischen Sensor (06) weiterhin eine Ringbeleuchtung (20) zur Auflichtbeleuchtung des Messobjektes angeordnet ist.
Koordinatenmessgerät nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringbeleuchtung (20) durch Einzellichtquellen gebildet ist, die segmentweise zuschaltbar sind.
Koordinatenmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Sensor durch eine CCD-Kamera (06) gebildet ist.
Koordinatenmessgerät nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (06) mit einer Autofokus-Funktion ausgerüstet ist.
Koordinatenmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass an dem optischen Sensor (06) ein taktiler Sensor angeordnet ist.
Koordinatenmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Portal (02) gegenüber dem Messtisch (13) in eine Richtung senkrecht zur Längserstreckung des Querträgers (04) verschiebbar ist.
Koordinatenmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Portal (02) aus Granit besteht.