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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum
punktuellen oder scannenden Messen eines Objektes mittels Abstandssensor und
Bildverarbeitungssensor.
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Die
Multisensor-Koordinatenmesstechnik kennt verschiedenste Sensoren
an Koordinatenmessgeräten, wie z. B. taktile Sensoren,
berührungslose Laser-Abstandssensoren und Bildverarbeitungssensoren.
Auf Multisensor-Koordinatenmessgeräten sind beliebige Kombinationen
dieser Sensoren vorstellbar und größtenteils auch
realisiert. Zum bevorzugten Einsatz kommen Bildverarbeitungssensoren,
bei denen sich in den Strahlengang ein Lasersensor einspiegeln lässt,
mit dem dann alternativ zur Bildverarbeitungsmessung Abstandsmessungen nach
dem Triangulationsverfahren oder einem verwandten Verfahren durchgeführt
werden.
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Beispiele
von Multisensor-Koordinatenmessgeräten sind den Veröffentlichungen
EP-A-1 528 354 bzw.
WO-A-2006/063838 zu
entnehmen.
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Nachteil
der Bildverarbeitung ist, dass diese keine Messung in axialer Richtung
durchführen kann, es sei denn, es wird ein bildverarbeitungsmäßiges Autofokusverfahren
verwendet. Diese Verfahren sind jedoch relativ langsam. Der Vorteil
des Laser-Abstandssensors liegt in seiner Fähigkeit, schnelle Z-Messungen
durchführen und im scannenden Betrieb in kürzester
Zeit mehrere hundert oder tausend Messpunkte aufnehmen zu können.
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Ein
Nachteil der zum Einsatz kommenden Messverfahren ist, dass es in
Folge von Reflexionen am Objekt oder Objektverschmutzungen relativ schnell
zu Fehlmessungen kommen kann, die aus dem Verfahren heraus als solche
nicht zu erkennen sind.
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Davon
ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde,
ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art
dahingehend weiterzubilden, dass die Messgenauigkeit und Messgeschwindigkeit
insbesondere bei Reflektionen am Objekt oder Objektverschmutzungen
verbessert wird.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
dass der Abstandssensor die eigentlichen Messdaten liefert und dass
der Bildverarbeitungssensor einen Messfleck des Abstandssensors
auf dem Objekt bei dessen Messvorgang erfasst, analysiert und bei
nicht erwarteten Abbildungen des Messflecks verwirft oder dass aus
der Analyse Maßnahmen zur Verbesserung der Abbildung des
Messflecks abgeleitet werden. Diese Maßnahmen können
beispielsweise Veränderungen der Sensorparameter, wie beispielsweise
die Intensitätsnachregelung, Veränderungen bei
der Verstärkung oder veränderte Auswerteverfahren,
wie beispielsweise Filteralgorithmen sein.
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Bei
dem Verfahren ist vorgesehen, dass ein berührungsloser
Abstandssensor sowie ein Bildverarbeitungssensor einen gemeinsamen
Strahlengang nutzen oder ein berührungsloser Abstandssensor
mit einer elektronischen Visualisierungseinheit mit angegliederter
Bildverarbeitung ausgestattet ist, bei dem beim Messen eines Objektes
mittels des Abstandssensors der Messfleck des Abstandssensor auf
dem Objekt durch den Bildverarbeitungssensor erfasst und analysiert
wird und dass aus dieser Analyse der Messprozess parametrisiert,
korrigiert und ggfs. verworfen wird.
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Während
bei Koordinatenmessgeräten mit mehreren Sensoren nach dem
Stand der Technik immer nur ein Sensor gleichzeitig im Einsatz ist,
ist nach dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen,
dass der Bildverarbeitungssensor und der Abstandssensor gemeinsam
zur Messdatenerfassung benutzt werden. Während der Abstandssensor
die eigentliche Abstandsmessung durchführt und die Rohdaten
liefert, überwacht der Bildverarbeitungssensor den Messprozess
und korrigiert dessen Ergebnisse im Bedarfsfall. Hierzu wird der
Messfleck des Abstandssensors am Objekt mit dem Bildverarbeitungssensor
aufgenommen und dazu herangezogen, die Qualität der Messung
des Abstandssensors zu analysieren und ggfs. dessen Messwerte zu
korrigieren bzw. zu verwerfen.
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Kommt
es bei einer Abstandsmessung, die durch Verschieben des Objektivs
in Richtung Objekt bei gleichzeitiger Aufnahme und Analyse des Messsignals
des Abstandssensor erfolgt, infolge eines benachbarten Objektdetails
oder einer Verschmutzung der Oberfläche zu Reflexionen,
die einen oder mehrere Nebenmaxima oder Nulldurchgänge
des Messsignals verursachen, so ist die Abbildung des Messflecks
des Abstandssensors an diesen Orten nicht homogen, sondern mehr
oder weniger diffus. Der Bildverarbeitungssensor erkennt dies und
signalisiert es der Steuerung des Koordinatenmessgeräts.
Das Ausregeln der Achse und die anschließende Messwertaufnahme
werden hier nicht eingeleitet, sondern es wird mit dem Suchvorgang
in axialer Richtung des Objektivs durch dessen weitere Verschiebung
in Richtung des Objekts fortgefahren, bis sich ein weiterer Nulldurchgang
des Messsignals einstellt, dessen Plausibilität anhand
seiner Messfleckabbildung durch den Bildverarbeiter erneut geprüft
wird. Dies erfolgt solange, bis ein Nulldurchgang des Messsignals
des Abstandssensors bei gleichzeitig scharfer und homogener Abbildung
des Messflecks vorliegt.
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Mit
dem Abstandssensor allein könnten diese falschen Messwerte
lediglich dadurch erkannt werden, indem bei jeder Messung der gesamte
Arbeitsbereich des Sensors durchfahren wird und nach weiteren Nulldurchgängen
gesucht wird. Dies würde die Geschwindigkeit der Abarbeitung
jedoch deutlich reduzieren.
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Durch
die Überprüfung des Messergebnisses des Abstandssensors
durch den zugeordneten Bildverarbeitungssensor ergibt sich somit
eine schnelle und prozesssichere Messmethode. Alternativ kann beim
Vorliegen oben genannter diffuser Abbildung des Messflecks, die
Messwertaufnahme unter veränderten Bedingungen, z. B. nach
Anpassung verschiedener Sensorparameter, wie Intensität,
Filtereinstellungen oder Verstärkungen, automatisch wiederholt
werden oder Schlussfolgerungen zur Messunsicherheit des Messwertes
zusammen mit diesem abgelegt werden.
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Gemäß einer
bevorzugten Verfahrensweise ist vorgesehen, dass der Bildverarbeitungssensor während
der Messung mit dem Abstandssensor das Objekt erfasst und die Topologie
des Objekts zur Parametrisierung des Messprozesses mit dem Abstandssensor
herangezogen wird.
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Gemäß einer
weiteren Verfahrensweise ist vorgesehen, dass der Abstandssensor
nach dem Triangulationsverfahren oder nach dem Verfahren der Foucault'schen
Schneide arbeitet.
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Bevorzugt
nutzen Abstandssensor und Bildverarbeitungssensor einen gemeinsamen
Strahlengang.
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Vorzugsweise
wird die Abbildung des Abstandssensors durch den Bildverarbeitungssensor
in Echtzeit erfasst und bewertet, wobei vorzugsweise die Abbildung
mit einer Datenbank verknüpft wird, um hieraus geeignete
Maßnahmen abzuleiten.
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Die
in Echtzeit erfassten Daten bzw. Abbildungen können in
einer Datenbank hinterlegt werden.
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Das
Verfahren zeichnet sich des Weiteren insbesondere dadurch aus, dass
dieses für Einzelpunktmessungen, aber auch für
den Scannbetrieb angewendet werden kann.
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Um
Hindernisse am Objekt zu erkennen und ggfs. den Messablauf entsprechend
zu beeinflussen, ist vorgesehen, dass der Bildverarbeitungssenor beim
Scannen herangezogen wird.
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Gleiches
gilt auch, um Ausbrüche am Messobjekt zu erkennen und ggfs.
den Messablauf entsprechend zu beeinflussen.
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Insbesondere
zeichnet sich das Verfahren dadurch aus, dass der Bildverarbeitungssensor
Verunreinigungen am Objekt erkennt und geeignete Korrekturverfahren
einleitet bzw. Fehlmessungen verwirft, die durch Reflexion des Messstrahls
des Abstandssensors an dessen interner Optik entstehen.
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Eine
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zeichnet sich
dadurch aus, dass diese einen Bildverarbeitungssensor aufweist,
der einen Messfleck des Abstandssensors auf dem Objekt bei dessen
Messvorgang erfasst, analysiert und bei nicht erwarteten Abbildungen
des Messflecks verwirft oder dass aus der Analyse des Messflecks
durch den Bildverarbeitungssensor eine geeignete Korrektur eingeleitet
wird, die beispielsweise auf der Veränderung von Sensorparametern
wie der Intensität, Filtereinstellungen oder der Verstärkung
basiert.
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Dabei
kann der Abstandssensor als Laser-Sensor ausgebildet sein, der nach
dem Triangulationsverfahren arbeitet oder nach dem Verfahren der
Foucault'schen Schneide. Alternativ kann der Abstandssensor als
Weißlicht-Sensor ausgebildet sein.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen,
dass dem Abstandssensor eine eigene Visualisierungseinheit mit angeschlossener Bildverarbeitung
zugeordnet ist.
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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 nachstehend angegebenen
Ausführungsbeispielen.
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Es
zeigen:
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1 einen
prinzipiellen Aufbau eines Strahlengangs eines Koordinatenmessgeräts
mit Bildverarbeitungssensor und Laser-Abstandssensor,
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2a eine
schematische Darstellung eines Strahlengangs mit Bildverarbeitungssensor
und integriertem Lasersensor,
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2b eine
Projektion eines Messflecks auf Fotodioden des Abstandssensors,
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2c einen
Verlauf eines Differenzsignals der Fotodioden,
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2d eine
Abbildung des Messflecks im Scharfpunkt,
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3a eine
schematische Darstellung eines Strahlengangs bei positiver Abstandsabweichung
mit Reflexion,
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3b eine
schematische Darstellung eines Strahlengangs ohne Abstandsabweichung,
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3c eine
schematische Darstellung eines Strahlengangs bei negativer Abstandsabweichung,
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3d einen
Signalverlauf eines ausgewerteten Differenzsignals und
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3e–3g Messfleckabbildungen
zu den Abstandsabweichungen gemäß 3a–3c.
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1 zeigt
rein schematisch eine Vorrichtung 10 zum punktuellen oder
scannenden Messen eines Objekts 12 mittels eines Abstandssensors 14 und
eines Bildverarbeitungssensors 16. Der Abstandssensor 14 ist
gemäß 1 als Laser-Abstandssensor ausgebildet,
der nach dem Verfahren der Foucault'schen Schneide arbeitet, wie
er aus der Literatur bekannt ist. Die Foucault'sche Schneide ist mit
dem Bezugszeichen 18 gekennzeichnet. Allerdings ist die
Erfindung nicht auf einen Abstandssensor beschränkt, der
nach dem Foucault'schen Prinzip arbeitet. Vielmehr kommen alle aus
der Technik bekannten Abstandssensoren in Frage.
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Das
Messprinzip beruht drauf, dass ein mittels einer Laserdiode 20 erzeugter
Lichtstrahl 22 über Umlenkelemente wie Umlenkspiegel 24 und
halbdurchlässiger Spiegel 26 sowie ein Objektiv 28 auf das
zu messende Objekt 12 projiziert wird. Prinzipbedingt wird
der Öffnungswinkel α der Abbildungsoptik als Triangulationswinkel
genutzt.
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Die
Abbildung der Schneide 18 wird auf das Objekt 12 projiziert
und erzeugt einen Messfleck 30, welcher über das
Objektiv 28, den halbdurchlässigen Spiegel 26 und
den Umlenkspiegel 24 sowie ein Objektiv 34, auf
eine zwei Fotodioden 36, 38 aufweisende Differenzdiode
fällt sowie über ein Objektiv 42 von dem
Bildverarbeitungssensor 16 erfasst wird. Es wird ein Summen-
und Differenzsignal aus Signalen der beiden Fotodioden 36, 38 gebildet.
Anhand eines Summensignals wird entschieden, ob das Differenzsignal
Gültigkeit besitzt. Anhand des Differenzsignals erfolgt
die Signalauswertung. Die auf diesem Wege ermittelte Abstandsabweichung
von der Nulllage des Abstandssensors wird zum Nachregeln in der
entsprechenden Achse des Koordinatenmessgerätes 10 benutzt.
Das Messergebnis wird aufgenommen, sobald die Abstandsabweichung
nahezu ausgeregelt wurde und ergibt sich aus den Koordinaten des Messgerätes
und der Überlagerung des Differenzsignals der Fotodioden 36, 38.
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In 2 ist rein schematisch das Objektiv 28 eines
Strahlengangs mit Laserabstandssensor 14 und Bildverarbeitungssensor 16 über
dem Objekt 12 dargestellt, wobei Arbeitspunkte A, B, C
durch Verfahren des Objektivs 28 in Richtung des Pfeils 44,
d. h. in Z-Richtung, dargestellt sind.
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Eine
Projektion des Messflecks 30 auf die Fotodioden 36, 38 für
die jeweiligen Arbeitspunkte A, B, C ist in 2b dargestellt.
Es sind drei Arbeitspunkte A, B, C entsprechend des Abstandes dZ
dargestellt. Ein in 2c dargestellter Verlauf 46 eines Differenzsignals
dU über die Abstandsabweichung dZ ist eindeutig. Die Achse
mit dem Objektiv 28 wird in Richtung des Objektes 12 verstellt.
Nur im Scharfpunkt B fällt das reflektierte Licht des Abstandssensors
symmetrisch auf die Anordnung der Fotodioden, wie in 2b im
Arbeitspunkt B dargestellt ist. Das erzeugte Differenzsignal dU
der Dioden 36, 38 weist hier einen Nulldurchgang 48 auf.
Die Bewegung wird gestoppt und die Z-Achse anhand dieses Signals ausgeregelt.
Es ist der wahre Abstand dZ zwischen Objektiv 28 und Objektiv 12 eingestellt
worden. Da der Abstandssensor 14 und der Bildverarbeitungssensor 16 optisch
auf gleicher Höhe justiert sind, ergibt sich für
den Bildverarbeitungssensor 16 eine scharfe, homogene,
meist in der Fläche minimierte Abbildung des Messflecks 30.
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Die 3a, 3b und 3c zeigen
drei Abstände D, E und F des Abstandes dZ des Objektes 28 von
dem Objekt 12 mit einer Kante 42 in Richtung des
Abstandes dZ. Ein Signalverlauf 44 des ausgewerteten Differenzsignals
dU der Fotodioden ist in 3d dargestellt.
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Aufgrund
der Reflexionen an der Kante 42 des Objektes 12 entstehen
beim Fokussieren mittels Verschiebung des Objektivs 28 in
der Z-Achse ein zweiter oder ggfs. auch mehrere Nulldurchgänge 50, 52 im
Differenzsignal 44 des Laserabstandssensors. Im Ausführungsbeispiel
ist lediglich ein Nebenmaxima dargestellt. Dieser kann mit Hilfe
der Bildverarbeitung des Bildes erkannt werden. Lediglich der wahre Fokuspunkt
liefert eine geschlossene, homogene, meist in der Fläche
minimierte Abbildung des Mess- bzw. Laserflecks 80.
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Die
Messfleckabbildungen der einzelnen Abstände D, E, F sind
in den 3e bis 3g dargestellt.
Der Fokussiervorgang erfolgt durch Verschieben des Objektivs 28 in
Z-Richtung. In bevorzugter Weise erfolgt dies motorisch. Das Differenzsignal
dU wird zum Ausregeln der Z-Achse genutzt. Beginnend mit großem
Abstand dZ wird die Achse des Koordinatengerätes hin zum
Objekt 12 verstellt. Im Arbeitspunkt D stellt sich der
Nulldurchgang 50 ein. Die Achse wird sofort gestoppt und
die Koordinaten des Messgerätes ausgelesen. Um lediglich
mit einem diskret arbeitenden Abstandssensor das hier dargestellte
Problem der Nebenmaxima von Reflexionen prozesssicher lösen
zu können, müsste bei jedem Fokussiervorgang der
gesamte Arbeitsbereiche, der sich durch die Anordnung des Abstandssensors
und durch die Abbildungsoptik ergibt, durchfahren werden. Danach
könnten die Nulldurchgänge 50, 52 im Verlauf
des Differenzsignals dU über der Abstandsabweichung dZ
ermittelt werden und die Nebenmaxima durch entsprechende Filtermaßnahmen
eliminiert werden. Dies ist jedoch deutlich langsamer als das hier
beschriebene erfinderische Verfahren.
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Beim
Verstellen des Objektivs 28 zwecks Fokussierung mittels
Abstandssensors 14 werden in dem hier beschriebenen Verfahren
deshalb kontinuierlich Bilder durch den Bildverarbeitungssensor 16 aufgenommen
und ausgewertet. Im Arbeitspunkt D des Abstandes dZ zeigt sich eine
völlig diffuse Abbildung des Messflecks des Abstandssensors,
wie in 3e dargestellt. Der Bildverarbeitungssensor 16 signalisiert
dies der Steuerung des Koordinatenmessgerätes 12,
woraufhin diese das Ausregeln der Achse im Arbeitspunkt D ab bricht
und mit der Verstellung des Objektivs 28 in Richtung des
Objekts 12 fortfährt. Im Arbeitspunkt E stellt
sich wiederum ein Nulldurchgang 52 ein. Der Bildverarbeitungssensor 16 erkennt
eine homogene Abbildung des Messflecks 30 gemäß 3f und
signalisiert dies der Steuerung. Die Ausregelung der Achse und die
anschließende Messwertaufnahme werden eingeleitet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1528354
A [0003]
- - WO 2006/063838 A [0003]