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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, 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, und wobei die Referenzfläche ein Reflektor ist und das Hell-Dunkel-Muster auf einem Musterträger angeordnet ist, der in einer festen Position relativ zu dem Bildsensor angeordnet ist.
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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
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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DE 103 49 946 A1 beschreibt ein Koordinatenmessgerät, welches einen Taster enthält, der mit einer Marke zum Erfassen der Lage des Tasters zusammenwirkt. Der Taster ist über ein starr um eine Achse verschwenkbar gelagertes Verbindungselement mit der Marke verbunden. Wird der Taster bewegt, so wird auch die Marke verlagert. Diese Verlagerung der Marke kann von einem Bildverarbeitungssensor, beispielsweise einer CCD-Kamera erfasst werden. Mittels einer optischen Bildverarbeitung kann die Bewegung des Tasters ermittelt und verrechnet werden.
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In
US 5 825 666 A wird ein Koordinatenmessgerät beschrieben, das ein optisch überwachtes Tastelement aufweist. Das Tastelement ist relativ zu einer Videokamera angeordnet, die Bewegungen und Lage des Tastelements erfasst. Hierzu sind Zielobjekte an dem Tastelement angebracht. Zum einen sind Zielobjekte in Form von Kegeln vorgesehen, die Lichtstrahlen in Abhängigkeit ihrer Position unterbrechen. Diese Lichtstrahlen werden zu der Videokamera geführt, der eine Bildverarbeitung nachfolgt. Zum anderen ist eine Markierung an der Tasterspitze vorgesehen, deren Position zusätzlich von der Videokamera erfasst wird. Die Bildverarbeitung erkennt die Lage des Tasters anhand der Unterbrechungen in den Lichtstrahlen, die durch die Zielobjekte herbeigeführt werden, sowie anhand der Position der Markierung an der Tasterspitze.
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EP 2 056 063 A1 beschreibt ein Messkopfsystem für eine Koordinatenmessmaschine sowie ein Verfahren zum optischen Messen von Verschiebungen eines Tastelements des Messkopfsystems. Dabei ist es vorgesehen, Licht von einer Lichtquelle durch eine Maske zu führen. Dadurch werden Leuchtstrukturen erzeugt, die auf einen Zeilensensor geleitet werden. Es wird weiter vorgeschlagen, die Lichtquelle sowie die Maske stationär anzuordnen und das Licht durch eine Linse hindurch auf eine reflektierende Oberfläche zu leiten, die mechanisch mit dem Taster gekoppelt ist. Die von dem reflektierenden Element reflektierten Lichtstrukturen werden über weitere reflektierende Elemente und Linsen zu dem Zeilensensor geleitet und auf diesen an mehreren Stellen fokussiert. Eine Veränderung der Tasterlage bewirkt so eine Veränderung der Bereiche des Zeilensensors, die von den Lichtstrukturen bestrahlt werden. Anhand der bestrahlten Bereiche kann die Lage des Tasters bestimmt werden.
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US 4 972 597 A beschreibt einen Tastkopf, der mehrere Lichtquellen aufweist, die Lichtstrahlen über ein reflektierendes Element auf einen zweidimensionalen Sensor senden. Das reflektierende Element ist mit einem Taststift verbunden, so dass sich durch Verlagern des Taststiftes charakteristische Lichtsignale auf dem Sensor ergeben. Anhand dieser charakteristischen Lichtsignale kann die Lage des Taststifts bestimmt werden.
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Vor diesem Hintergrund ist es die 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 nach Anspruch 1 gelöst.
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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 in der Regel 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 der 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.
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Weiter 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.
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Weiter wird durch die Mehrfachreflexion in sehr vorteilhafter Weise eine noch höhere Messgenauigkeit bei großem Messbereich erreicht. 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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Vorteilhaft 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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Dieses 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 Kreisringe 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 aufgenommenen 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 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 Ausführungsbeispiel des neuen Tastkopfes in einer vereinfachten, schematischen Darstellung,
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3 einen Musterträger mit einem Ausführungsbeispiel für ein Hell-Dunkel-Muster für den Tastkopf aus 2, und
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4 Kennlinien, die die Empfindlichkeit verschiedener Mehrfachreflexionen bei dem 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 Tastköpfe, 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. 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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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.
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Der Tastkopf 26 besitzt am oberen Ende des Taststiftes 28 einen kegelförmigen Körper 66 mit einer konusförmigen Außenfläche 68. Die Außenfläche 68 ist eine reflektierende Referenzfläche, über die ein definiertes Hell-Dunkel-Muster 54 mit der 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 2 bei der Bezugsziffer 74 angedeutet.
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Die Kamera 56 besitzt einen Erfassungsbereich, in dem die Referenzfläche mit dem reflektierten Muster angeordnet ist. Je nach Auslenkung des Taststiftes 28 relativ zu der Tastkopfbasis 40 verändert sich das Bild des reflektierten Musters, 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 aus, um in Abhängigkeit von Positionsänderungen, Größenänderungen und/oder Formänderungen des reflektierten Musters im Vergleich zu dem bereitgestellten Muster 54 die Auslenkungen des Taststiftes 28 zu bestimmen.
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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-Fläche (OLED: ”Organic Light Emitting Diode”) 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 3 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 3 dargestellt ist, oder auch ein 5-eckige oder 101-eckige Gitterstruktur sein.
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Bei einem Ausführungsbeispiel mit Mehrfachreflexion, wie es in 2 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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4 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.