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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Tastkopf für ein Koordinatenmessgerät,
mit einer Tastkopfbasis, mit einem beweglich an der Tastkopfbasis angeordneten
Tastelement, und mit einer Messeinrichtung, die dazu ausgebildet
ist, eine Auslenkung des Tastelements relativ zu der Tastkopfbasis
zu bestimmen, wobei die Messeinrichtung eine mit dem Tastelement
starr gekoppelte Referenzfläche und einen optoelektronischen
Detektor aufweist, der dazu ausgebildet ist, ein definiertes Hell-Dunkel-Muster auf
der Referenzfläche zu detektieren.
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Gattungsgemäße
Koordinatenmessgeräte werden typischerweise dazu verwendet,
Abmessungen oder die gesamte Objektform eines Messobjekts mit großer
Genauigkeit zu vermessen. Beispielsweise wird die Objektform von
maschinell hergestellten Werkstücken auf diese Weise zur
Qualitätskontrolle überprüft. Für
den Messvorgang wird der Tastkopf des Koordinatenmessgerätes
mit einem Verschiebegestell so weit an das Messobjekt herangefahren,
bis das beweglich gelagerte Tastelement, häufig ein Taststift,
einen gewünschten Messpunkt am Messobjekt berührt.
Anschließend wird aus der Position des Tastkopfes im Messvolumen
und der relativen Lage des Taststiftes zum Tastkopf eine Raumkoordinate des
angetasteten Messpunktes bestimmt. Aus einer Vielzahl von Raumkoordinaten
für eine Vielzahl von Messpunkten kann man dann geometrische
Abmessungen des Werkstücks bestimmen.
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Um
die momentane Position des Tastelements relativ zu der Tastkopfbasis
zu bestimmen, insbesondere also die Auslenkung des Tastelements beim
Antasten des Messobjekts, sind verschiedene Messeinrichtungen bekannt.
Zahlreiche Messeinrichtungen verwenden Tauchspulen, Hall-Elemente und/oder
Dehnungsmessstreifen. In der oben genannten
DE 10 2004 010 566 A1 ist
eine Messeinrichtung mit einem optoelektronischen Detektor vorgeschlagen.
Dieser beinhaltet zumindest zwei Zeilensensoren, die jeweils eine
Vielzahl von zeilenförmig aneinander gereihten, lichtempfindlichen
Elementen aufweisen. Die zumindest zwei Zeilensensoren sind versetzt
zueinander angeordnet, insbesondere in Form eines Kreuzes. Eine
Lichtquelle erzeugt eine Lichtfigur in Form eines Kreisrings, der
auf einen Spiegel am oberen Ende eines stiftförmigen Tastelements
projiziert wird. Bei jeder Bewegung des Tastelements relativ zu
der Tastkopfbasis verändert sich die Position des Spiegels
und infolgedessen die Position und Größe der Spiegelreflexion
der Lichtfigur. Der Spiegel reflektiert die Lichtfigur auf die Zeilensensoren,
so dass nach den Gesetzen der Spiegelreflexion die Momentanposition
des Spiegels und infolgedessen die Auslenkung des Tastelements bestimmt
werden kann.
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Aus
GB 2 150 282 A ist
ein weiterer optoelektronischer Detektor für einen Tastkopf
bekannt. Auch in diesem Fall wird ein Lichtkreis auf einen Spiegel am
oberen Ende des Tastelements projiziert und die Spiegelreflexion
wird mit einer Anordnung von Fotodioden ausgewertet.
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DE 103 47 898 A1 offenbart
einen optoelektronischen Detektor für einen Tastkopf, wobei
eine Lichtquelle einen Lichtstrahl schräg auf eine spiegelnde
Oberfläche am oberen Ende des Tastelements projiziert.
Oberhalb der spiegelnden Oberfläche ist eine zweite Spiegelfläche
angeordnet, so dass der Lichtstrahl mehrfach reflektiert wird und
einen Zick-Zack-Pfad durchläuft, bevor er auf eine positionsempfindliche
Fotodiode (PSD) oder eine zweidimensionale Anordnung von Fotodioden
fällt.
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Aus
WO 01/18487 A1 ist
ein optoelektronischer Detektor zum Detektieren von Verformungen bekannt,
wobei ein Laserstrahl mehrfach zwischen zwei Spiegeln reflektiert
wird, um die räumliche Auflösung zu erhöhen.
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Vor
diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
einen Tastkopf der eingangs genannten Art anzugeben, der einen großen Messbereich
und eine höhere Messgenauigkeit bietet als die bislang
bekannten Tastköpfe. Zudem ist es wünschenswert,
den neuen Tastkopf mit einer möglichst kompakten Bauform
zu realisieren.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung wird diese Aufgabe durch einen Tastkopf der
eingangs genannten Art gelöst, wobei der optoelektronische
Detektor einen Bildsensor und eine Bildverarbeitungseinheit aufweist,
die dazu ausgebildet sind, ein zweidimensionales Bild der Referenzfläche
zusammen mit dem Hell-Dunkel-Muster aufzunehmen und auszuwerten.
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Der
neue Tastkopf verwendet Methoden der Bildverarbeitung, um die Position
des Tastelements relativ zu der Tastkopfbasis rechnerisch zu bestimmen.
Im Gegensatz dazu beruhen die optoelektronischen Detektoren aus
dem Stand der Technik allein darauf, die Position einer isolierten
punk- oder linienförmigen Lichtfigur mithilfe von einzelnen
Fotodioden zu detektieren. Die Position der Lichtfigur korreliert hier unmittelbar
mit der räumlichen Position der durch die Lichtfigur beleuchteten
Fotodioden. Die Auswertung beschränkt sich auf das Auffinden
derjenigen Fotodioden, die zu einem bestimmten Messzeitpunkt von
der reflektierten Lichtfigur beleuchtet werden. Unbeleuchtete Fotodioden
liefern keine Information, die für die Positionsbestimmung
verwendet wird.
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Der
neue Tastkopf verwendet einen Bildsensor, der ein vollflächiges
zweidimensionales Bild der Referenzfläche aufnimmt. Anschließend
werden in einer Bildverarbeitungseinheit, also mit den Methoden
der Bildverarbeitung, Eigenschaften des Hell-Dunkel-Musters analysiert,
das in dem Bild der Referenzfläche enthalten ist. Insbesondere
wird die Position des Hell-Dunkel-Musters innerhalb des aufgenommenen
Gesamtbildes bestimmt. In bevorzugten Ausführungsbeispielen
wird innerhalb des aufgenommenen Bildes ein Messfenster (area of
interest) definiert, das eine Vielzahl von Pixeln (größer
100) in einer zweidimensionalen, vollflächigen Anordnung beinhaltet,
und es werden die Informationen aller Pixel innerhalb des Messfensters
verarbeitet, um die Eigenschaften des aufgenommenen Hell-Dunkel-Musters
zu bestimmen. Vorzugsweise beinhalten die Methoden der Bildverarbeitung
eine rechnerische Rekonstruktion oder Identifikation des Hell-Dunkel-Musters
in dem Messfenster sowie die Bestimmung der Lage und Form des rekonstruierten
bzw. identifizierten Gesamtmusters einschließlich etwaiger
Verzerrungen und/oder Verschiebungen. Bevorzugt berücksichtigt
die Bildverarbeitung innerhalb des Messfensters Beziehungen zwischen
einzelnen Musterbereichen unter Verwendung statistischer Verfahren,
um das aufgenommene Gesamtmuster zu rekonstruieren und seine Lage
und etwaige Verzerrungen zu identifizieren. Außerdem werden
auch dunkle Flächenbereiche für die Rekonstruktion
oder Identifikation des Hell-Dunkel-Musters verwendet, da sie mit einer
Erwartungshaltung korrelieren, die sich aus den bekannten Eigenschaften
des Musters ergibt.
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Vorteilhafterweise
werden Verzerrungen des aufgenommenen Hell-Dunkel-Musters im Vergleich zu
dem unverzerrten, bereitgestellten Hell-Dunkel-Muster analysiert.
Diese Verzerrungen in dem aufgenommenen Bild resultieren aus den
Auslenkung des Tastelements. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
kann das Hell-Dunkel- Muster bspw. eine ringförmige Struktur
besitzen, die in Abhängigkeit von der Auslenkung des Tastelements
in dem aufgenommenen Bild als Ellipse erscheint. Um solche Verzerrungen
detektieren zu können, wird ein vollflächiger
Bereich des Bildsensors mit einer großen Anzahl von Pixeln,
die ein zweidimensionales geschlossenes Feld bilden, ausgelesen
und die Grau- und/oder Farbwerte der einzelnen Pixel werden mit
Methoden der Bildverarbeitung verarbeitet. Vorteilhaft kann ein
Sobel-Filter zur Kantendetektion verwendet werden.
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Des
Weiteren ist es mit den Methoden der Bildverarbeitung möglich,
die Größe des Musters in dem aufgenommenen Bild
zu bestimmen und mit der Größe des Musters bei
nicht-ausgelenktem Tastelement zu vergleichen, um die Auslenkung
des Tastelements zu bestimmen.
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Der
neue Tastkopf nutzt aufgrund der flächigen Bildaufnahme
und -auswertung eine höhere Informationsdichte und er ermöglicht
aufgrund der besseren statistischen Basis eine höhere Messgenauigkeit
bzw. eine geringere Messunsicherheit. Des weiteren ermöglicht
der neue Tastkopf die Verwendung von komplexen, detail- und variantenreichen Hell-Dunkel-Mustern,
die eine Vielzahl unterschiedlicher Strukturen mit radialen und
tangentialen Komponenten besitzen können. Die Muster können
individuell an die Abbildungseigenschaften des Detektors und die
mechanischen Eigenschaften des Tastkopfes angepasst werden. Insgesamt
ermöglicht der neue Tastkopf daher eine höhere
Messgenauigkeit als die bekannten Tastköpfe. Die oben genannte
Aufgabe ist daher vollständig gelöst.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Referenzfläche
ein Reflektor und das Hell-Dunkel-Muster ist auf einem Musterträger
angeordnet, der in einer festen Position relativ zu dem Bildsensor
angeordnet ist.
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In
dieser Ausgestaltung sind der Bildsensor, die Referenzfläche
und der Musterträger, der ein definiertes Hell-Dunkel-Muster
bereitstellt, an drei verschiedenen Positionen so zueinander angeordnet, dass
der Bildsensor das Hell-Dunkel-Muster über die Referenzfläche „sehen” und
aufnehmen kann. Die Referenzfläche fungiert als Teil eines
optischen Abbildungspfades, über den der Bildsensor das Hell-Dunkel-Muster
auf dem Musterträger sieht. Jede Veränderung dieses
Abbildungspfades aufgrund einer Auslenkung des Tastelements und
der gekoppelten Referenzfläche führt dazu, dass
sich das Bild des Hell-Dunkel-Musters verändert, das der
Bildsensor aufnimmt. Die Veränderung wird mithilfe der
Bildverarbeitungseinheit detektiert und analysiert, um die Auslenkung
des Tastelements zu bestimmen. Alternativ hierzu könnte
ein Hell-Dunkel-Muster in anderen Ausgestaltungen der Erfindung
auf der beweglichen Referenzfläche fest angeordnet sein.
In der hier bevorzugten Ausgestaltung wird demgegenüber
ein Muster mit definierter Größe und Struktur über
den Reflektor deflektrometrisch betrachtet, wobei der Bildsensor
und der Musterträger in einer festen Position relativ zu
stehen werden, während sich die reflektierende Referenzfläche
relativ zu dem Bildsensor und dem Musterträger bewegt.
Das Muster kann bspw. auf einer hinterleuchteten Mattscheibe angeordnet
sein, die den Musterträger bildet. In anderen Ausführungsbeispielen
kann das Muster auf den Musterträger projiziert sein oder
das Muster ist fest auf einem Musterträger angeordnet,
der durch Umgebungslicht angeleuchtet wird. Alle Varianten dieser Ausgestaltung
besitzen den Vorteil, dass bereits eine sehr geringe Auslenkung
des Tastelements eine signifikante Änderung des Bildaufnahmepfades
bewirkt. Infolgedessen ermöglicht diese Ausgestaltung eine noch
höhere Messgenauigkeit.
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In
einer weiteren Ausgestaltung besitzt der Tastkopf zumindest einen
weiteren Reflektor, der an einer definierten Position gegenüber
von der Referenzfläche angeordnet ist, um eine Mehrfachreflexion des
Hell-Dunkel-Musters auf der Referenzfläche zu erzeugen.
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Mit
dieser Ausgestaltung lässt sich in sehr vorteilhafter Weise
eine noch höhere Messgenauigkeit bei großem Messbereich
erreichen. Die Mehrfachreflexion verstärkt den sichtbaren
Effekt, den eine Auslenkung des Tastelements auf den Bildaufnahmepfad
des optischen Detektors besitzt. Allerdings tritt dieser Effekt
zusätzlich zu der Einfach- oder Erstreflexion auf, über
die der Bildsensor das Hell-Dunkel-Muster auf dem Musterträger
sieht. Mit anderen Worten beinhaltet diese Ausgestaltung, dass sich
das eine Hell-Dunkel-Muster von dem Musterträger mehrfach
an zueinander versetzten Positionen auf der Referenzfläche
spiegelt, so dass der Bildsensor mehrere versetzte Reflexionen des Hell-Dunkel-Musters
aufnimmt. Mit anderen Worten beinhaltet das aufgenommene Bild des
Bildsensors mehrere überlagerte Reflexionsbilder des ursprünglichen
Hell-Dunkel-Musters, die gegeneinander verschoben sind. Da sich
das Bild, das durch Mehrfachreflexion des bereitgestellten Hell-Dunkel-Musters auf
der Referenzfläche entsteht, zu dem Bild, das sich bei
der einfachen oder ersten Reflexion ergibt, lediglich überlagert,
jedoch beide Einzelbilder vorhanden sind, können die Einzelbilder
jeweils ausgewertet werden. Infolge dessen geht die erhöhte Messgenauigkeit
der Mehrfachreflexion nicht zu Lasten eines geringeren Messbereichs.
Mit anderen Worten besitzt diese Ausgestaltung den Vorteil, dass die
höhere Messgenauigkeit unter Beibehaltung eines großen
Messbereichs erreicht wird.
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In
einer weiteren Ausgestaltung ist die Referenzfläche eine
konusförmige Außenfläche und der weitere
Reflektor ist eine trichterförmige Innenfläche, die
die trichterförmige Außenfläche umgibt.
Vorzugsweise umgibt die trichterförmige Innenfläche
die trichterförmige Außenfläche konzentrisch.
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Diese
Ausgestaltung ermöglicht eine sehr kompakte Bauform des
neuen Tastkopfes zusammen mit der vorteilhaften Mehrfachreflexion.
Bevorzugt sind die Innenfläche und die Außenfläche
mit einer definierten Winkeldifferenz zueinander angeordnet, das
heißt, diese Flächen liegen nicht parallel zueinander.
Mit einer solchen Winkeldifferenz lässt sich die Anzahl
der Mehrfachreflexionen auf einfache Weise sehr individuell festlegen.
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In
einer weiteren Ausgestaltung ist der Bildsensor am Trichtergrund
der trichterförmigen Innenfläche angeordnet.
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Diese
Ausgestaltung ermöglicht eine sehr kompakte Bauform und
eine gleichmäßig hohe Empfindlichkeit des Tastkopfes
in zwei orthogonalen Raumrichtungen X und Y, die senkrecht zur Ausdehnung
des Tastelements liegen.
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In
einer weiteren Ausgestaltung besitzt der Tastkopf einen semitransparenten
Spiegel, der zwischen dem Musterträger und der trichterförmige
Außenfläche angeordnet ist und die trichterförmige
Innenfläche bildet.
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Diese
Ausgestaltung ermöglicht auf recht kostengünstige
Weise eine sehr kompakte Bauform mit Mehrfachreflexionen des bereitgestellten Hell-Dunkel-Musters.
Aufgrund des semitransparenten Spiegels können die Mehrfachreflexionen
weitgehend unabhängig von den Oberflächeneigenschaften des
Musterträgers erreicht werden, was eine hohe Gestaltungsfreiheit
bei der Auswahl und Realisierung des Musterträgers eröffnet.
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In
einer weiteren Ausgestaltung weist das Hell-Dunkel-Muster eine Rotationssymmetrie
relativ zu einer Achse auf, die senkrecht zu dem Muster steht.
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Diese
Ausführungsbeispiel trägt vorteilhaft dazu bei,
eine gleichmäßig hohe Messgenauigkeit des neuen
Tastkopfes in orthogonalen Raumrichtungen zu erreichen.
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In
einer weiteren Ausgestaltung weist das Hell-Dunkel-Muster eine ringförmige
Struktur auf.
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Diese
Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft, um eine gleichmäßig
hohe Messgenauigkeit des Tastkopfes bei verschiedenen Auslenkungen
des Tastelements zu erreichen.
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In
einer weiteren Ausgestaltung weist das Hell-Dunkel-Muster eine Gitterstruktur
auf.
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In
dieser Ausgestaltung beinhaltet das Hell-Dunkel-Muster eine Vielzahl
von gekreuzten Linien. Die Linien können Begrenzungslinien
von verschiedenfarbigen Teilflächen des Musters sein. Alternativ
kann das Hell-Dunkel-Muster allein aus einer Vielzahl von gekreuzten
Linien gebildet sein. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
beinhaltet die Gitterstruktur radiale Linien, die von einem gemeinsamen
Mittelpunkt radial nach außen verlaufen und einen oder
mehrere konzentrische Kreis ringe schneiden, wobei der Mittelpunkt
der Kreisringe vorteilhafterweise auf den gemeinsamen Mittepunkt
der Radialstrahlen fällt. Eine solche Gitterstruktur ermöglicht eine
sehr genaue Rekonstruktion des Musters in dem aufgenommenen Bild
und eignet sich daher besonders gut für den neuen Tastkopf.
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In
einer weiteren Ausgestaltung weist das Hell-Dunkel-Muster ein Musterelement
auf, das sich periodisch wiederholt.
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In
dieser Ausgestaltung besitzt das Hell-Dunkel-Muster zumindest zwei
Musterbereiche, die weitgehend formgleich sind, weitgehend dieselbe Helligkeit
aufweisen und an unterschiedlichen Positionen liegen. Die formgleichen
Musterelemente können beispielsweise zwei oder mehr konzentrische Ringe
sein. Die konzentrischen Ringe begründen eine Periodizität
in radialer Richtung. In einer weiteren Variante besitzt das Muster
eine Periodizität, die sich bei einem Umlauf um den Kreismittelpunkt
zeigt, indem das Muster mehrere radiale Strahlen aufweist. Eine
Periodizität ermöglicht aufgrund der bekannten „Wiederholrate” der
Musterelemente eine sehr genaue Rekonstruktion des Gesamtmusters
in dem aufgenommene Bild. Dabei lassen sich durch eine statistische
Verarbeitung der einzelnen Bildinformationen Messfehler reduzieren,
die beispielsweise auf Fertigungstoleranzen des Bildsensors, Fixed-Pattern-Noise
u. a. zurückzuführen sind. Infolge dessen ermöglicht
diese Ausgestaltung eine noch höhere Genauigkeit
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In
einer weiteren Ausgestaltung besitzt das Hell-Dunkel-Muster eine
Struktur, die eine musterfreie Fläche umgibt. Bevorzugt
ist die radiale Ausdehnung der musterfreien Fläche groß im
Vergleich zu der radialen Ausdehnung der umgebenden Struktur.
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In
dieser Ausgestaltung konzentriert sich das Hell-Dunkel-Muster im
Wesentlichen auf einen Randbereich, während die von dem
Randbereich eingeschlossene Fläche strukturlos bzw. musterfrei
ist. Diese Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft, wenn der neue
Tastkopf Mehrfachreflexionen verwendet, weil sich die überlagerten
Bilder des Musters aufgrund der Mehrfachreflexionen leichter voneinander trennen
und unterscheiden lassen. Infolgedessen können die Auslenkungen
des Tastelements einfacher und schneller bestimmt werden.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils
angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder
in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden
Erfindung zu verlassen.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der
nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es
zeigen:
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1 ein
Ausführungsbeispiel eines Koordinatenmessgerätes
mit dem neuen Tastkopf,
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2 ein
erstes Ausführungsbeispiel des neuen Tastkopfes in einer
vereinfachten, schematischen Darstellung,
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3 ein
zweites Ausführungsbeispiel des neuen Tastkopfes in einer
vereinfachten, schematischen Darstellung,
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4 einen
Musterträger mit einem Ausführungsbeispiel für
ein Hell-Dunkel-Muster für den Tastkopf aus 3,
und
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5 Kennlinie,
die die Empfindlichkeit verschiedener Mehrfachreflexionen bei einem
Ausführungsbeispiel des neuen Tastkopfes zeigen.
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In 1 ist
ein Koordinatenmessgerät in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet. Das
Koordinatenmessgerät 10 besitzt eine Grundplatte 12,
auf der ein Portal 14 in einer Längsrichtung verschieblich
angeordnet ist. Diese Längsrichtung wird üblicherweise
als Y-Achse bezeichnet. Am oberen Querträger des Portals 14 ist
ein verschieblicher Schlitten angeordnet. Die Verschieberichtung
des Schlittens wird üblicherweise als X-Achse bezeichnet.
Der Schlitten trägt eine in Z-Richtung verschiebliche Pinole 18.
Mit den Bezugsziffern 20, 22, 24 sind Skalen
bezeichnet, an denen sich die jeweilige Schiebeposition des Portals 14,
des Schlittens 16 und der Pinole 18 in den drei
Raumrichtungen X, Y, Z ablesen lässt. Die Skalen 20, 22, 24 können
Messskalen sein, die von einem Bediener des Koordinatenmessgerätes 10 abgelesen
werden. Alternativ und/oder ergänzend handelt es sich hier
um Wegmessgeber, die maschinell ausgelesen werden.
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Am
unteren freien Ende der Pinole 18 ist in bekannter Weise
ein Tastkopf 26 angeordnet. Der Tastkopf 26 trägt
ein Tastelement 28, insbesondere in Form eines Taststiftes.
Mit dem Tastelement werden definierte Messpunkte an einem Messobjekt 30 angetastet.
Das Messobjekt 30 ist zu diesem Zweck auf der Grundplatte 12 des
Koordinatenmessgerätes 10 angeordnet. Aus der
Stellung des Tastkopfes 26 im Messvolumen des Koordinatenmessgerätes 10 sowie
der Auslenkung des Tastelements 28 relativ zum Tastkopf
kann eine Raumkoordinate des angetasteten Messpunktes in an sich
bekannter Weise bestimmt werden. Die Steuerung des Koordinatenmessgerätes 10 einschließlich
der Positionierung des Tastkopfes 26 erfolgt hier mit einer
Auswerte- und Steuereinheit, die in 1 schematisch
bei der Bezugsziffer 32 dargestellt ist. Die Auswerte-
und Steuereinheit 32 ist ferner dazu ausgebildet, die Raumkoordinaten
der angetasteten Messpunkte in Abhängigkeit von den Positionswerten
der Skalen 20, 22, 24 und den nachfolgend
beschriebenen Auslenkungen des Tastelements 28 zu bestimmen.
Bei der Bezugsziffer 34 ist hier noch ein Bedienpult dargestellt,
mit dem ein Bediener die Bewegungen des Tastkopfes 26 im
Messvolumen über die Auswerte- und Steuereinheit 32 steuern
kann. Bei bekannten Messobjekten, wie etwa Serienprodukten aus einer industriellen
Fertigung, kann die Vermessung der Messobjekte 30 auch
ohne Bedienpult 34 automatisiert erfolgen.
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Das
Koordinatenmessgerät 10 ist hier in Portalbauweise
dargestellt. Die Erfindung ist darauf jedoch nicht beschränkt
und kann gleichermaßen bei Koordinatenmessgeräten
in anderen Bauweisen angewendet werden, bspw. Koordinatenmessgeräten
in Horizontalarmbauweise. Darüber hinaus ist die Erfindung
nicht auf Tastköpfe für Koordinatenmessgeräte im
engeren Sinne beschränkt. Sie beinhaltet ebenso Tastköp fe,
die an Werkzeugmaschinen oder anderen Vorrichtungen zur Bestimmung
von Raumkoordinaten verwendet werden. Solche Vorrichtungen sind ebenfalls
Koordinatenmessgeräte im Sinne der Erfindung.
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In 2 ist
der Tastkopf 26 mit dem Taststift 28 schematisch
dargestellt. Der Taststift 28 trägt an seinem
unteren freien Ende eine Tastkugel 36 zum Antasten des
Messobjekts 30. Die Auswerte- und Steuereinheit 32 ist
dazu Ferner ist der Taststift 28 über hier nur
schematisch dargestellte Federn 38 an einer Tastkopfbasis 40 aufgehängt.
Die Tastkopfbasis 40 kann bspw. das Gehäuse des
Tastkopfes 26 oder ein mit diesem Gehäuse verbundenes
Teil sein. Die Art der kinematischen Lagerung des Taststiftes 28 an
der Tastkopfbasis 40 spielt für die Realisierung der
vorliegenden Erfindung nur eine untergeordnete Rolle. Anstelle oder
in Ergänzung zu den hier dargestellten Federn 38 können
bspw. auch Linearführungen, etwa Gleitlager oder Rollenlager,
verwendet sein. Die Federn 38 können in Form einer
tellerartigen Membranfeder realisiert sein und/oder in Form von
Federparallelogrammen, wie dies den einschlägigen Fachleuten
bekannt ist.
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In
den bevorzugten Ausführungsbeispielen ist der Taststift 28 in
drei orthogonalen Raumrichtungen relativ zu der Tastkopfbasis 40 beweglich. Üblicherweise
entsprechen die drei orthogonalen Raumrichtungen den Achsen X, Y,
Z des Koordinatenmessgerätes 10. In diesen Ausführungsbeispielen
ist der Taststift 28 daher um einen Dreh- oder Kardanpunkt 42 schwenkbar,
wie dies bei dem Teil 44 angedeutet ist, und er kann eine
Bewegung in Z-Richtung ausführen, die mit dem Pfeil 46 angedeutet
ist. In der punktierten Darstellung ist eine Auslenkung des Taststiftes 28 in
Z-Richtung über eine Distanz d dargestellt. Eine solche
Auslenkung ergibt sich, wenn der Tastkopf 26 das Messobjekt 30 senkrecht
von oben antastet. Prinzipiell kann die Erfindung jedoch auch bei
Tastköpfen angewendet werden, die nur in einer oder nur
in zwei Raumrichtungen ausgelenkt werden können.
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In
dem dargestellten Ausführungsbeispiel trägt der
Taststift 28 an seinem oberen (zweiten) Ende eine Platte 48 mit
einer reflektierenden Oberfläche 50. Die Oberfläche 50 ist
eine Referenzfläche im Sinne der Erfindung. In den bevorzugten
Ausführungs beispielen sind die Referenzfläche 50 und
das freie Ende des Taststiftes 28 (hier also die Tastkugel 36)
so weit voneinander entfernt, dass sie auf unterschiedlichen Seiten
des Drehpunktes 42 liegen und sich dementsprechend bei
einer Schwenkbewegung 44 gegenläufig bewegen.
Prinzipiell könnte die Referenzfläche 50 jedoch
auch auf derselben Seite des Drehpunktes 42 angeordnet
sein wie die Tastkugel 36.
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Oberhalb
von der Referenzfläche 50 ist eine Trägerplatte 52 angeordnet,
die hier als Musterträger fungiert. Auf der Unterseite
der Trägerplatte 52, die der Referenzfläche 50 zugewandt
ist, ist ein Hell-Dunkel-Muster 54 angeordnet, das von
der Referenzfläche 50 als reflektiertes Hell-Dunkel-Muster 54' reflektiert
wird. Je nach Auslenkung des Taststiftes 28 können
sich das Hell-Dunkel-Muster 54 und das das reflektierte
Muster 54' voneinander unterscheiden.
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Mit
der Bezugsziffer 56 ist eine Kamera bezeichnet, die einen
flächigen Bildsensor 58 aufweist. Der Bildsensor 58 ist
mit einer Bildverarbeitungseinheit 60 gekoppelt, die insbesondere
in Form einer Mikroprozessorschaltung realisiert ist. Die Kamera 56 besitzt
einen Erfassungsbereich 62, in dem die Referenzfläche 50 mit
dem reflektierten Muster 54' angeordnet ist. Je nach Auslenkung
des Taststiftes 28 relativ zu der Tastkopfbasis 40 verändert
sich das Bild des reflektierten Musters 54', das mit dem
Bildsensor 58 aufgenommen wird. Beispielsweise kann eine kreisringförmige
Struktur innerhalb des bereitgestellten Musters 54 durch
den schrägen Blickwinkel der Kamera 56 nach einer
Schwenkbewegung 44 des Taststiftes 28 als Ellipse
erscheinen. Die Bildverarbeitungseinheit 60 wertet das
mit dem Bildsensor 58 aufgenommene Bild des reflektierten
Musters 54' aus, um in Abhängigkeit von Positionsänderungen, Größenänderungen
und/oder Formänderungen des reflektierten Musters 54' im
Vergleich zu dem bereitgestellten Muster 54 die Auslenkungen
des Taststiftes 28 zu bestimmen.
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In 3 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel des neuen Tastkopfes in
seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 26' bezeichnet.
Im Übrigen bezeichnen gleiche Bezugszeichen dieselben Elemente
wie zuvor.
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Der
Tastkopf 26' besitzt am oberen Ende des Taststiftes 28 anstelle
der Platte 48 einen kegelförmigen Körper 66 mit
einer konusförmigen Außenfläche 68.
Die Außenfläche 68 ist ebenfalls eine
reflektierende Referenzfläche, über die ein definiertes
Hell-Dunkel-Muster mit einer Kamera 56 aufgenommen wird. Das
Hell-Dunkel-Muster ist in diesem Fall auf einem trichterförmigen
Musterträger 70 angeordnet. In einer Variante
dieses Ausführungsbeispiels besitzt der trichterförmige
Musterträger 70 eine reflektierende trichterförmige
Innenfläche 72, die in etwa konzentrisch zu der
Außenfläche 68 des Körpers 66 angeordnet
ist. Allerdings stehen die konusförmige Außenfläche 68 und
die trichterförmige Innenfläche 72 hier nicht
parallel zueinander, so dass das bereitgestellte Muster 54 mehrfach
zwischen den beiden reflektierenden Flächen 68, 72 hin-
und hergeworfen wird. Jede Reflexion ist gegenüber der
vorhergehenden Reflexion aufgrund des Winkelversatzes zwischen den
beiden Flächen verschoben. Die verschobenen Mehrfachreflexionen
sind in 3 bei der Bezugsziffer 74 angedeutet.
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In
einer anderen Variante dieses Ausführungsbeispiels ist
ein semitransparenter Spiegel 76 zwischen dem trichterförmigen
Musterträger 70 und der konusförmigen
Außenfläche 68 angeordnet, wie dies in
der rechten Hälfte der 3 dargestellt
ist. Die linke Hälfte der 3 zeigt
demgegenüber die Variante ohne semitransparenten Spiegel 76.
In der Regel werden die beiden Varianten alternativ zueinander verwendet,
wobei prinzipiell auch eine Kombination denkbar ist.
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Der
Musterträger 70 kann in allen Fällen
ein selbstleuchtender Musterträger sein, beispielsweise also
eine OLED-(Organic Light Emmitting Diods)Fläche oder eine
andere mit Lichtquellen bestückte Fläche.
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Besonders
vorteilhaft können der Musterträger und/oder die
reflektierende Außenfläche 68 jeweils
mehrere Facetten (hier nicht dargestellt) aufweisen, d. h. die Außenfläche 68 und
der Musterträger besitzen mehrere Teilflächen,
die mit verschiedenen Neigungswinkeln zueinander ausgerichtet sind. In
diesem Fall ergeben sich verschiedene Reflexionswinkel abhängig
von der Auftreffposition. Mit dieser Variante kann man die Lage
und den Abstand der Mehrfachreflexionen variieren und damit den
Quotienten aus Messbereich und Messgenauigkeit noch weiter steigern.
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Die
Kamera 56 mit dem Bildsensor 58 ist hier am offenen
Grund 77 der trichterförmigen Innenfläche 72 angeordnet,
was von Vorteil ist, weil die Kamera so im Symmetriezentrum des
Musters und in der Verlängerung der Kegelachse der Außenfläche 68 sitzt.
Die Kamera kann Auslenkungen in den orthogonalen Raumrichtungen
X, Y, und Z auf diese Weise optimal sehen. Zudem ergibt sich so
eine sehr kompakte Bauform.
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Auch
bei Verwendung des semitransparenten Spiegels 76 zwischen
der konusförmigen Außenfläche 68 und
der trichterförmigen Innenfläche 72 ergibt
sich eine vorteilhafte Mehrfachreflexion 74 mit der Folge,
dass der Bildsensor 58 der Kamera 56 das nur einfach
bereitgestellte Hell-Dunkel-Muster 54 mehrfach überlagert
sieht und aufnimmt. Die Bildverarbeitungseinheit 60 ist
in diesen Ausführungsbeispielen dazu ausgebildet, die überlagerten
Reflexionen voneinander zu trennen. Dazu ist es von Vorteil, wenn
das bereitgestellte Muster 54 eine Hell-Dunkel-Struktur 78 aufweist,
die eine musterfreie Fläche 80 umgibt. Ein geeignetes
Muster ist in 4 dargestellt.
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Das
Muster in 4 besitzt eine ringförmige Struktur 78 mit
zwei konzentrischen Ringlinien 82, 84 und einer
Anzahl von radialen Linienstücken 86. Die Ringlinien 82, 84 und
Linienstücke 86 bilden zusammen eine Gitterstruktur.
In weiteren Ausführungsbeispielen können weitere
Ringlinien und darüber hinaus auch weitere diagonal verlaufende
Linien (nach Art eines Fachwerks) und/oder farbige Flächen
ergänzt sein. Auch in diesen Fällen ist es jedoch
bevorzugt, wenn die umschlossene Fläche 80 musterfrei ist,
weil sich die einzelnen ringförmigen Strukturen 78,
die bei einer Mehrfachreflexion 74 schrittweise gegeneinander
verschoben und überlagert sind, anhand der musterfreien
Fläche leichter voneinander trennen lassen. In Ausführungsbeispielen,
die ohne Mehrfachreflexion 74 arbeiten, kann auch die Fläche 80 vorteilhaft
mit Musterstrukturen belegt sein.
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In
allen Ausführungsbeispielen, in denen der Taststift 28 zumindest
in den orthogonalen Richtungen X und Y um den Kardanpunkt 42 verschwenkbar ist,
ist es von Vorteil, wenn das Hell-Dunkel-Muster zumindest abschnittsweise
eine Rotationssymmetrie relativ zu einer Achse 88 aufweist,
die senkrecht zu dem Muster steht. Das Muster kann also beispielsweise
eine ringförmige Gitterstruktur aufweisen, wie sie in 4 dargestellt
ist, oder auch ein 5-eckige oder 101-eckige Gitterstruktur sein.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel mit Mehrfachreflexion, wie es
in 3 dargestellt ist, wird die ringförmige
Struktur 78 aufgrund des Winkelversatzes zwischen den beiden
reflektierenden Flächen 68, 72 mit jeder
Reflexion weiter verschoben. Die überlagerten und gestaffelten
Strukturen lassen sich anhand des relativen Abstandes der einzelnen überlagerten
Reflexionen voneinander identifizieren. Des Weiteren kann auch die
Ordnung einer bestimmten Reflexion aus dem relativen Abstand der
Einzelreflexionen bestimmt werden. Bei gleicher Auslenkung des Taststiftes 28 ist
die fünfte Reflexion (Reflexion fünfter Ordnung)
in dem aufgenommenen Bild wesentlich weiter verschoben als beispielsweise
die Reflexion erster Ordnung.
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5 zeigt
die unterschiedliche Empfindlichkeit der einzelnen Reflexionen bei
einer Mehrfachreflexion. Auf der Abszisse 90 des Diagramms
ist die Auslenkung des Taststiftes 28 in einer Raumrichtung, bspw.
entlang der X-Achse, angegeben. Auf der Ordinate 92 ist
die Verkippung des Taststiftes und damit letztlich die Verschiebung
und/oder Verzerrung der Musterstruktur in dem aufgenommenen Bild
zu der jeweils entsprechenden Auslenkung angegeben. Wie man erkennen
kann, besitzt die Kennlinie 94, die die erste Reflexion
repräsentiert, eine wesentlich geringere Steigung als beispielsweise
die Kennlinie 96, die die siebte Reflexion einer Mehrfachreflexion
repräsentiert. Andererseits ”wandert” eine
Reflexion höherer Ordnung schneller aus dem Erfassungsbereich 62 der
Kamera heraus, wie man anhand der steileren Kennlinie 96 erkennen
kann. Die Aufnahme eines Bildes mit den überlagerten Mehrfachreflexionen
ermöglicht es, den großen Messbereich der Erst- oder
Einfachreflexion mit der hohen Empfindlichkeit der Reflexionen höherer
Ordnung zu kombinieren. Gerade bei kleinen Auslenkungen, steht eine
sehr steile Kennlinie 96 zur Auswertung zur Verfügung, was
eine besonders hohe Messgenauigkeit bei der kleinen Auslenkung ermöglicht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004010566
A1 [0002, 0004]
- - GB 2150282 A [0005]
- - DE 10347898 A1 [0006]
- - WO 01/18487 A1 [0007]