DE102013208397B4 - Koordinatenmessgerät mit einem zusätzlichen, berührungslos messenden Oberflächenvermessungsgerät - Google Patents

Koordinatenmessgerät mit einem zusätzlichen, berührungslos messenden Oberflächenvermessungsgerät Download PDF

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Abstract

Koordinatenmessgerät (11), aufweisend- ein Tastelement (13) mit einer Oberfläche- ein berührungslos messendes Oberflächenvermessungsgerät (14) zur Ermittlung von Informationen über die Form des Tastelements, und/oder zur Ermittlung von Informationen über die Oberfläche des Tastelements,- ein Verbindungsmittel (15, 18, 19, 20, 20', 21, 21'), mit dem das Oberflächenvermessungsgerät an dem Koordinatenmessgerät beweglich oder unbeweglich angebracht ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Koordinatenmessgerät mit zusätzlichem, berührungslos messendem Oberflächenvermessungsgerät und ein Verfahren zur Gewinnung von Informationen über die Form eines in ein Koordinatenmessgerät eingebauten Tastelements.
  • Taktile Tastelemente für die Koordinatenmessung in Koordinatenmessmaschinen, an Robotern oder an Werkzeugmaschinen, unterliegen Prinzip bedingt einem gewissen Verschleiß durch den Kontakt mit dem Werkstück bei der Messung. Ferner können die Tastelemente auch bei der Lagerung in einem Magazinplatz verschmutzen oder beschädigt werden. Verschleißerscheinungen können sein, dass durch den Kontakt mit dem Werkstück von dem Tastelement Material abgetragen oder auch abgeschliffen wird. Bei ungünstigen Materialkombinationen kann es aber ebenso gut vorkommen, dass ein Materialauftrag auf das Tastelement stattfindet. Bei der normalen Kalibrierung an Einmesskugeln, so wie sie bei allen Messmaschinen üblich ist und auch durch entsprechende Normen vorgeschrieben wird, kann eine derartige Veränderung des Tastelements nicht erkannt werden. Darum wird der Nutzer aufgefordert, seine Taststiftkonfigurationen regelmäßig auf Beschädigungen und Verschleiß zu überprüfen. Innerhalb eines automatisierten Betriebes kann so eine Beschädigung eines Tastelements nicht erkannt werden.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Lösung für dieses Problem anzugeben. Insbesondere sollte eine Lösung aufgefunden werden, wie innerhalb eines Betriebes eines taktil arbeitenden Koordinatenmessgeräts (KMG) eine Formveränderung eines Tastelements erkannt werden kann.
  • Nach einer allgemeinen Idee der Erfindung wird ein berührungslos messendes Oberflächenvermessungsgerät an einem taktilen KMG angebracht. Mit dem Oberflächenvermessungsgerät kann die Oberfläche des Tastelements auch während des Betriebes des KMG vermessen werden, wenn gerade kein Werkstück vermessen wird, um Formveränderungen, beispielsweise durch Verschleiß oder Materialauftrag, festzustellen. Mit einem in das KMG eingebauten Oberflächenmessgerät, dessen Position und Blickrichtung bzw. Messrichtung bekannt ist, kann ein bereits in das KMG eingebautes Tastelement vermessen werden. Die Lage des Tastelements im Gerätekoordinatensystem des KMG ist bekannt bzw. wird auf bekannte Art und Weise ermittelt. Ebenfalls bekannt ist die Lage des Koordinatensystems des Tastelements bzw. der Bezug des Koordinatensystems des Tastelements zum Gerätekoordinatensystem. Wenn also die Lage und Ausrichtung des Oberflächenvermessungsgeräts im Koordinatensystem des KMG ebenfalls bekannt ist, kann durch Vermessung der Oberfläche des Tastelements ein beliebiger Punkt auf der Oberfläche im Gerätekoordinatensystem oder im Koordinatensystem des Tastelements ermittelt werden. Auf die Ermittlung der Lage und Ausrichtung des Oberflächenvermessungsgeräts wird später noch eingegangen. Durch eine hochgenaue Vermessung des Tastelements mit dem Oberflächenvermessungsgerät können Formabweichungen sehr genau bestimmt werden und die Geometrie des Tastelements kann im Koordinatensystem des Tastelements bzw. einer Taststiftkonfiguration bestimmt werden. Eine Taststiftkonfiguration ist zum Beispiel eine Anordnung mehrerer Tastelemente, bei der die Tastelemente relativ zueinander ortsfest sind. Ein spezielles Beispiel ist ein Sterntaster. Bei einer Taststiftkonfiguration können alle darin vorhandenen Tastelemente, bzw. deren Geometrien, in einem gemeinsamen Koordinatensystem erfasst werden.
  • Mit der Erfindung ist bei Messungen an einem Werkstück eine richtungsabhängige Formkorrektur für das Tastelement möglich. Dies ist ein besonderer Vorteil der Vermessung der Geometrie des Tastelements im eingebauten Zustand vor einer Messung oder zwischen Messungen, da Informationen über die Einbaulage und Geometrie des Tastelements in einem Korrekturdatensatz erfasst werden können. Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass auch Tastelemente eingesetzt werden können, die von einer Idealform, beispielsweise einer Kugel, abweichen, da Formfehler des Tastelements positions- und richtungsabhängig erfasst werden können. Daten über die Form des Tastelements, beispielsweise in Form eines Datensatzes aus einer Vielzahl Oberflächenpunkte, oder Daten zur Abweichung der Form eines Tastelements von einer Idealform, beispielsweise einer Radienabweichung bei einer Kugel von einer Idealkugel, können auf einfache Weise mit der Erfindung positions- und richtungsabhängig erfasst werden und für ein rechnerisches Korrekturmodell einer Tastkugelkorrektur verwendet werden, beispielsweise ein computergestütztes Korrekturmodell. Ein Korrekturmodell zur Abweichung eines Tastelements von einer Idealform kann beispielsweise im laufenden Messbetrieb angewandt werden, um genauere Koordinaten von Oberflächenpunkten eines Werkstücks zu ermitteln.
  • Durch das berührungslose Vermessen der Oberfläche des Tastelements werden Einflüsse durch Verbiegung des Schaftes ausgeschlossen, die bei einem (taktilen) Einmessen eines Tasters mit einem Tastelement an einer kalibrierten Einmesskugel auftreten. Messungen zur Feststellung einer seitlichen Formveränderung des Tastelements sind also frei von Einflüssen durch Verbiegung des Schaftes. Ein einmaliges Einmessen des Tasters an einer Einmesskugel zur Feststellung von Schafteinflüssen ist ausreichend, wenn Schafteinflüsse erfasst werden sollen. Spätere Messungen zur Feststellung der Formveränderung des Tastelements können berührlos frei von Schafteinflüssen erfolgen. Das berührungslose Vermessen der Oberfläche des Tastelements erfolgt schneller als das Einmessen mit einer Einmesskugel. Je nach Aufbau des Oberflächenvermessungsgeräts können mehrere Punkte auf der Oberfläche des Tastelements gleichzeitig erfasst werden, wogegen bei Antasten mit einer Einmesskugel bei jedem Antastvorgang ein Punkt erfasst wird. Das einmalige Messen an einer Einmesskugel zur Feststellung von Schafteinflüssen genügt, da die Schafteinflüsse zeitlich nicht veränderlich sind im Vergleich zu einer Formveränderung des Tastelements durch Materialauftrag oder Abrieb im Messbetrieb. Zumindest aber sind die Schafteinflüsse zeitlich weniger veränderlich.
  • Mit der Erfindung kann eine zeitliche Formveränderung eines Tastelements festgestellt werden, wie oben bereits ausgesagt, ohne dass das Tastelement aus dem KMG ausgebaut werden muss. Es können also Beschädigungen und Verschleiß im laufenden Messbetrieb, d.h. vor einer Messung eines Werkstücks oder zwischen Messungen an einem Werkstück oder verschiedenen Werkstücken, festgestellt werden. Damit dient die Erfindung auch der Qualitätskontrolle des Tastelements. Beispielsweise können Toleranzgrenzen der Formveränderung festgelegt werden, bei denen ein Austausch des Tastelements geboten ist.
  • Dadurch, dass die Formveränderung eines Tastelements ohne Ausbau des Tastelements erkannt werden kann, entfällt auch ein erneutes Einmessen des Tastelements bzw. des Tasters, an dem das Tastelement angebracht ist, nach einem Wiedereinbau des Tasters nach einer externen Vermessung der Form außerhalb des KMG.
  • Angegeben wird in einem Aspekt der Erfindung ein Koordinatenmessgerät, aufweisend
    • - ein Tastelement,
    • - ein berührungslos messendes Oberflächenvermessungsgerät zur Ermittlung von Informationen über die Form des Tastelements und/oder zur Ermittlung von Informationen über die Oberfläche des Tastelements, insbesondere über den Verlauf, die Rauigkeit und/oder die Kontur der Oberfläche,
    • - und optional ein Verbindungsmittel, mit dem das Oberflächenvermessungsgerät an dem Koordinatenmessgerät beweglich, d.h. positionsverstellbar, oder unbeweglich, d.h. ortsfest, angebracht ist.
  • Das Tastelement kann eine beliebige Geometrie aufweisen. Beispielsweise kann das Tastelement kugelförmig, zylinderförmig, scheibenförmig, oder kegelförmig sein. Das Tastelement kann ferner einen beliebigen Querschnitt haben, wie kreisförmig, mehreckig, insbesondere viereckig oder dreieckig. Auch Sondertaster mit werkstückspezifischen Formen sind von der Erfindung umfasst. In einer speziellen Ausführungsform ist das Tastelement kugelförmig. Das Tastelement ist vorzugsweise an einem Schaft angebracht. Auch sternförmig kombinierte Taster, insbesondere sternförmig kombinierte Kugeltaster, die auch als Sterntaster bezeichnet werden, können erfindungsgemäß eingesetzt werden.
  • Das berührungslos messende Oberflächenvermessungsgerät ist beispielsweise ein optisches Oberflächenvermessungsgerät, wobei Geräte eingeschlossen sind, die mit Wellenlängen im nicht sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums arbeiten, wie Infrarot und UV. In einer bevorzugten Variante wird an dem Gerät sichtbares Licht verwendet. Beispielhafte Messprinzipien des Oberflächenvermessungsgeräts sind Lichtspaltmessung, Streifenprojektionsmessung, Interferometrie, Deflektometrie, optische Kohärenztomographie. Auf ein Gerät, das nach dem Prinzip der Lichtspaltmessung arbeitet, wird nachfolgend noch näher eingegangen. Ein Interferometer ist ein Gerät, das mittels eines ersten elektromagnetischen Messstrahls die Oberfläche des Tastelements abtastet und Wegunterschiede des Weges, den der erste Messstrahl zurücklegt und die von der konkreten Position des Oberflächenpunkts abhängen, durch Vergleich mit einem zweiten Referenzstrahl interferometrisch bestimmt. Ein beispielhaftes Interferometer ist ein Weißlichtinterferometer. Von dem Prinzip der Streifenprojektionsmessung sind auf Messverfahren umfasst, worin ein Muster mit ausgeprägter dritter Dimension erzeugt wird.
  • Ein spezielles Oberflächenvermessungsgerät arbeitet nach dem Prinzip der Lichtspaltmessung und weist auf:
    • - ein Lichtbegrenzungsmittel mit einem Rand zur Ausbildung eines Spaltes zwischen der Oberfläche des Tastelements und dem Rand des Lichtbegrenzungsmittels,
    • - einen ortsauflösenden Detektor, auf den der Spalt abbildbar ist,
    • - eine Einrichtung zur Abbildung des Spalts auf dem Detektor,
    • - eine mit dem Detektor verbundene Auswerteeinrichtung, ausgebildet zur Ermittlung der Breite oder verschiedener Breiten des Spalts anhand der Ausgangssignale des Detektors, wobei die Breite(n) des Spaltes eine Information über die Form des Tastelements und/oder Informationen über die Oberfläche des Tastelements liefern.
  • Das Oberflächenvermessungsgerät kann, je nach Auslegung der Auswerteeinrichtung, ausgebildet sein zum Messen der Eigenschaften auf Basis der als physikalische Größen ermittelten Spaltbreiten oder zum Prüfen der Eigenschaften durch Vergleich der ermittelten Spaltbreiten mit Soll-Spaltbreiten.
  • Das Lichtbegrenzungsmittel begrenzt die Ausdehnung von Lichtstrahlen oder Strahlenbündeln, sodass nur zwischen dem Rand des Lichtbegrenzungsmittels und der Oberfläche des Tastelements Licht durch dringt und ein Lichtspalt gebildet wird. Das Lichtbegrenzungsmittel kann eine Blende sein.
  • Die Ausdehnung des Randes des Lichtbegrenzungsmittels kann der Ausdehnung der Oberfläche des Tastelements in einer vorgegebenen Richtung entsprechen, sodass sich der zwischen dem Rand und der Oberfläche des Tastelements ausgebildete Spalt über die gesamte Ausdehnung Oberfläche des Tastelements in dieser Richtung erstreckt. Der Spalt wird insgesamt zur Auswertung auf den Detektor abgebildet. Der Rand des Lichtbegrenzungsmittels kann gekrümmt, geknickt oder gebogen und in sich geschlossen sein. Der Rand kann das Tastelement vollständig umgeben.
  • Die Form bzw. der Verlauf des Lichtbegrenzungsmittels ist in zwei Dimensionen vorzugsweise an die Form bzw. den Verlauf Tastelements angepasst. Beispielsweise weist bei einem kugelförmigen, scheibenförmigen oder zylinderförmigen Tastelement das Lichtbegrenzungsmittel eine Öffnung auf, die komplementär zur Form des Tastelements ist. Scheibe und Zylinder sind nicht notwendigerweise rund. Mathematisch gesprochen brauchen sie dafür noch eine kreisförmige Erzeugende. Scheibentaster können aus einem Äquatorialschnitt einer Kugel gefertigt sein. Im Spezialfall einer runden Scheibe oder eines Rundzylinders weist das Lichtbegrenzungsmittel vorzugsweise eine kreisförmige Öffnung auf, wobei der Durchmesser der Öffnung größer ist als der Durchmesser des Kreises oder Zylinders oder der Scheibe, sodass ein ringförmiger Spalt zwischen dem Tastelement und dem Lichtbegrenzungsmittel gebildet wird, der auf dem Detektor abgebildet werden kann.
  • Generell ist es bevorzugt, die Form des Lichtbegrenzungsmittels auf die zur vermessenden Konturen des Tastelements abzustimmen. Für kugelförmige, scheibenförmige oder zylinderförmige Tastelemente sind runde Formen zu wählen, wobei es zweckmäßig ist, Lichtbegrenzungsmittel, speziell Blenden mit verschiedenen Durchmessern für verschiedene Durchmesser des Tastelements zu verwenden, da der Messfehler mit steigendem Lichtspalt wächst. Wenn zum Beispiel ein kugelförmiges Tastelement auf verschiedenen Breitengraden vermessen wird, können Blenden mit verschiedenen Durchmessern verwendet werden, um die Blendenöffnung an verschiedenen Durchmesser der Kugelschnitte auf verschiedenen Breitengraden anzupassen, sodass eine gewünschte, vorzugsweise im Wesentlichen konstante Spaltbreite eingestellt werden kann. Das Lichtbegrenzungsmittel kann eine Blende mit kreisförmiger Öffnung sein. In einer speziellen Variante ist das Lichtbegrenzungsmittel eine Blende mit einer größenverstellbaren Öffnung, zum Beispiel eine Irisblende mit stufenlos variierbarem Lochdurchmesser. Die Einstellung des Durchmessers kann motorisch oder manuell erfolgen. Es kann das KMG eine Regeleinrichtung aufweisen, die zur Einhaltung des Abstandes zwischen dem Rand des Lichtbegrenzungsmittels und der Oberfläche des Tastelements ausgebildet ist, z.B. auf Basis einer kontinuierlichen oder periodischen Abstandsmessung.
  • Denkbar ist auch ein Set an Blenden mit verschiedenen Durchmessern. In einer anderen Variante ist das Lichtbegrenzungsmittel eine Wechselblende, bei welcher durch das Auswechseln einer Blendenscheibe der Durchmesser der Blende an den Durchmesser des Tastelements angepasst werden kann.
  • Vorzugsweise ist die Spaltbreite im Bereich 0,05 bis 1 mm, vorzugsweise 0,05 bis 0,5 mm, wobei bei geringerer Spaltbreite ein Zugewinn an Genauigkeit erzielt wird. Bei kleineren Spalten als oben angegeben wächst die Kollisionsgefahr zwischen Lichtbegrenzungsmittel und Tastelement.
  • Im Fall einer Blende mit einer größenverstellbaren Öffnung gilt vorzugsweise: Durchmesser Blendenöffnung ≤ Durchmesser Kugel + (0,1 bis 1 mm)
  • Die Ausdehnung des Randes des Lichtbegrenzungsmittels kann in einer anderen Variante geringer sein als die Ausdehnung der Oberfläche des Tastelements in der Richtung des Verlaufes des Randes. In diesem Fall weist vorzugsweise die erfindungsgemäße Anordnung eine Einrichtung zur Verschiebung des Randes entlang der Oberfläche des Tastelements auf. Damit wird erreicht, dass der Rand zeitlich nacheinander verschiedenen Teilbereichen der Oberfläche des Tastelements gegenübersteht. Der sich dabei jeweils ausbildende Spalt wird zur Auswertung auf den Detektor abgebildet. Ebenso kann aber auch das Tastelement durch die Bewegungseinrichtung des KMG gegenüber dem Rand so bewegt werden, dass der Rand verschiedenen Teilbereichen der Oberfläche des Tastelements gegenübersteht.
  • Es ist die eindimensionale Kontur der Oberfläche des Tastelements in Richtung des Randes bestimmbar wenn beispielsweise das Tastelement auf einer Höhe dem Lichtbegrenzungsmittel gegenüber gestellt wird und auf dieser Höhe ein Lichtspalt gebildet wird. Beispielsweise kann bei einer Tastkugel ein Lichtspalt auf einem Breitengrad gebildet werden wenn die Tastkugel auf diesem Breitengrad an das Lichtbegrenzungsmittel herangeführt wird.
  • Es kann darüber hinaus das Tastelement hintereinander auf mehreren Höhen dem Lichtbegrenzungsmittel gegenüber gestellt werden und Spalte auf verschiedenen Höhen des Tastelements ausgebildet werden, zum Beispiel auf verschiedenen Breitengraden einer Tastkugel. Somit kann die Struktur auch mehrdimensional in Form einer Topographie der Tastelementoberfläche bestimmt werden, Damit wird erreicht, dass der Rand zeitlich nacheinander den verschiedensten Teilbereichen der Oberfläche des Tastelements gegenübersteht und der dabei jeweils ausgebildete Spalt zur Auswertung auf den Detektor abgebildet wird. Die Bewegung des Tastelements relativ zum Lichtbegrenzungsmittel erfolgt durch geeignete Bewegung des Tastelements bzw. des Tasters entlang der Verschiebeachsen des KMG. Der Taster ist auf bekannte Art und Weise in dem KMG eingebaut und kann auf bekannte Art und Weise bewegt werden.
  • Der Detektor besteht vorzugsweise aus einer Vielzahl von Einzelsensoren, auch als Pixel bezeichnet, die entweder in einer Zeile oder in mehreren parallelen Zeilen angeordnet sind. Die elektronischen Ausgangssignale derjenigen Sensoren des Detektors, auf die der Spalt abgebildet wird bzw. die aufgrund der Abbildung beleuchtet sind, sind ein Maß für die Spaltbreite. Die Spaltbreite und Lage des Spaltes wird dabei durch Auswertung der Intensitätsverteilung als Äquivalent der Ausgangssignalstärken bestimmt. Zur Auswertung der Intensitätsverteilung werden vorteilhaft Subpixel-Algorithmen genutzt. Derartige Auswertung sind aus dem Stand der Technik bekannt und werden deshalb hier nicht näher erläutert. Mit der Subpixelauswertung kann die Intensitätsverteilung genauer bestimmt werden als mit der alternativ ebenfalls möglichen Auswertung der Intensitätsverteilung unter Berücksichtigung der Abstände von Einzelsensoren. Als Detektoren kommen beispielsweise CCD- oder CMOS-Sensoren zur Anwendung, die in der Regel aus in Zeilen und Spalten, seltener aus nur in einer Zeile angeordneten lichtempfindlichen Fotodioden bestehen.
  • Das nach dem Prinzip der Lichtspaltmessung arbeitende Oberflächenmessgerät kann eine Lichtquelle zur Beleuchtung des Spaltes aufweisen. In einer besonders bevorzugten Ausführung ist dem Rand eine Lichtaustrittsöffnung zugeordnet, von der aus das von einer Lichtquelle kommende Licht, bevorzugt durch eine fokussierende Optik hindurch, auf die dem Rand gegenüberliegende Oberfläche des Tastelements gerichtet ist. Dabei ist die Lichtaustrittsöffnung in der Relation zu dem Detektor vorzugsweise so positioniert, dass das austretende Licht als Beleuchtungslicht bei der Abbildung des Spaltes auf den Detektor dient. Als Lichtquelle kann eine Leuchtdiode vorgesehen sein, die bevorzugt Licht einer bestimmten Wellenlänge mit homogener Intensität abstrahlt und beispielsweise über einen Lichtleiter mit der Lichtaustrittsöffnung verbunden ist. Alternativ kommt eine breitbandige Lichtquelle in Kombination mit einer diffraktiven Linse zur Anwendung, um eine in Abhängigkeit von der Wellenlänge verschiedene Lage der Fokuslinie zu erzeugen. Auf dieser Basis sind Messungen in axialer Richtung möglich.
  • Die Einrichtung zur Abbildung des Spalts auf dem Detektor ist beispielsweise eine Abbildungsoptik mit definiertem Abbildungsmaßstab, die dem Detektor vorgeordnet ist. Unter Zugrundelegung dieses Abbildungsmaßstabes einerseits und der Abstände der Pixel auf der Empfangsfläche des Detektors andererseits kann mittels eines Bildauswertungsprogramms die Breite des Spaltes bestimmt werden. Im bevorzugten Fall sind der Detektor und die Abbildungsoptik Bauteile einer Kamera, und die Kamera und das Lichtbegrenzungsmittel, insbesondere eine Blende, sind in einem vorgegebenen Abstand fest miteinander verbunden.
  • Um unerwünschte Reflexionen bei der optischen Abtastung der Oberfläche des Tastelements zu unterdrücken, kann der Abbildungsoptik ein Polarisationsfilter vorgeordnet sein. So werden vor allem die Reflexionen nicht mit auf den Detektor abgebildet. Vorzugsweise ist der Polarisationsfilter so ausgebildet und angeordnet, dass eine Polarisationsebene des Lichtes entlang der Längsrichtung bzw. parallel zur Längsrichtung des Spaltes erhalten wird, was insbesondere bei Spaltbreiten im Bereich der Lichtwellenlänge vorteilhaft ist. Im Spezialfall eines ringförmigen Spaltes wird vorzugsweise eine radiale oder tangentiale Polarisationsrichtung erhalten. Im Ergebnis wird durch diese Maßnahmen sogenanntes Falschlicht unterdrückt wird und die Polarisationsrichtung an die Geometrie angepasst, um so bestmögliche Kontrastverhältnisse zu erzielen, was wiederum stabile Messergebnisse ermöglicht.
  • Im Rahmen der Erfindung liegt ebenfalls eine Ausführungsform, bei welcher
    • - der Rand des Lichtbegrenzungsmittels ringförmig ausgebildet ist und die Oberfläche des Tastelements die Außenfläche eines von dem Rand zentrisch umschlossenen Tastelements mit kreisförmigem Querschnitt ist, wobei
    • - zwischen dem Rand und der Oberfläche des Tastelements ein ringförmiger Spalt ausgebildet ist, und
    • - eine Einrichtung zur Abbildung des ringförmigen Spaltes auf einen ortsauflösenden Detektor vorhanden ist.
  • Dabei ist vorzugsweise der Rand an einer Blende mit kreisförmiger Öffnung ausgebildet. Die erwähnte Lichtaustrittsöffnung kann ringförmig ausgebildet und dem Rand zugeordnet sein.
  • Je nach Ausgestaltung ermöglicht die oben beschriebene Anordnung die Messung oder Prüfung sowohl nach der Lichtspaltmethode als auch nach dem Prinzip der Triangulationsmessung. Bei der Lichtspaltmethode hat der Rand des Lichtbegrenzungsmittels sinngemäß die Funktion der Messkante eines an sich bekannten Haarlineals. Das Tastelement wird so positioniert, dass der Rand des Lichtbegrenzungsmittels der zu vermessenden oder zu prüfenden Oberfläche des Tastelements gegenübersteht und der sich dabei ausbildende Spalt wird wie bereits beschrieben, vorzugsweise unter Beleuchtung mit einer Lichtquelle, als Lichtspalt auf dem ortsauflösenden Detektor abgebildet und die Abbildung mittels Bildauswerteverfahren quantitativ oder qualitativ bewertet. Bei wachsendem Lichtspalt wechselt der Sensor fließend seine Messmethode. Aus dem Lichtspaltsensor wird ein Triangulationssensor. Der Triangulationssensor bestimmt aus der Lage der Lichtintensitätsverteilung der Oberfläche des Tastelements auf dem Kamerachip seinen Abstand zum Rand des Lichtbegrenzungsmittels. Beim Triangulationsverfahren bilden der Spalt sowie die beiden Strahlen, die einerseits von dem Rand und andererseits von dem dem Rand gegenüberliegenden Bereich der Oberfläche des Tastelements kommen, ein Dreieck. Die Kenntnis des Abstandes zwischen dem Rand und dem Detektor sowie der Positionen der Abbildungen des im Gegenlicht beleuchteten Randes und des dem Rand gegenüberliegenden Bereiches der Oberfläche werden anhand der an sich bekannten Triangulationsbeziehungen zur Bewertung der Spaltbreite genutzt.
  • Die Auswerteeinrichtung ist ausgebildet zur Ermittlung einer Vielzahl von nebeneinander liegenden Spaltbreiten anhand der von dem Detektor abgegebenen Ausgangssignale und zur Ermittlung von Informationen über die Form des Tastelements anhand der Spaltbreiten oder der Differenzen nebeneinander liegender Spaltbreiten. Mit der Auswerteeinrichtung können anhand der Spaltbreiten zum Beispiel Krümmung, Verlauf, Kontur, Lage oder Rauhigkeit der Oberfläche des Tastelements in dem Bereich ermittelt werden, welcher dem Rand des Lichtbegrenzungsmittels gegenüberliegt.
  • Weitere Einzelheiten der Lichtspaltmessung und der Triangulationsmessung bei einem Aufbau aus Lichtbegrenzungsmittel, Detektor, Abbildungseinrichtung und Auswerteeinrichtung sind beschrieben in der DE 10 2008 060 621 B3 und deren US-Äquivalent US 2012/0069351 A1 , worauf zur Ausführung der vorliegenden Erfindung ausdrücklich verwiesen wird.
  • Wie bereits erwähnt, ist das Oberflächenvermessungsgerät in einer Ausführungsform der Erfindung ein optisches Oberflächenvermessungsgerät. Das Oberflächenvermessungsgerät weist insbesondere einen Detektor, insbesondere einen ortsauflösenden Detektor, und eine Einrichtung zur Abbildung von Lichtsignalen auf dem Detektor auf. Der Detektor und die Einrichtung zur Abbildung können Teile einer Kamera sein. Anders ausgedrückt kann das Oberflächenvermessungsgerät in einer Ausführungsform eine Kamera aufweisen. Das erfindungsgemäße Koordinatenmessgerät ist vorzugsweise so eingerichtet, dass das Tastelement in den Erfassungsbereich des Detektors und der Einrichtung zur Abbildung von Lichtinformationen auf dem Detektor gebracht werden kann. Insbesondere ist das Koordinatenmessgerät so eingerichtet, dass das Tastelement in den Erfassungsbereich einer Kamera gebracht werden kann. Das Oberflächenvermessungsgerät ist vorzugsweise so an dem Koordinatenmessgerät angebracht, dass ein Tastelement in den genannten Erfassungsbereich gebracht werden kann. Vorzugsweise können das Tastelement und das Oberflächenvermessungsgerät durch Bewegung des Tastelements und/oder durch Bewegung des Oberflächenvermessungsgeräts relativ zueinander in verschiedene Positionen gebracht werden, sodass das Tastelement in verschiedenen Bereichen oder an verschiedenen Stellen seiner Oberfläche vermessen werden kann.
  • Wie bereits erwähnt, weist das erfindungsgemäße Koordinatenmessgerät ein Verbindungsmittel auf, mit dem das Oberflächenvermessungsgerät an dem Koordinatenmessgerät beweglich oder unbeweglich angebracht ist, vorzugsweise beweglich angebracht ist. Die Art des Verbindungsmittels ist an sich nicht beschränkt. Das Verbindungsmittel kann seinerseits aus mehreren Komponenten bestehen. Vorzugsweise stellt das Verbindungsmittel eine Verbindung von einer Basis oder einem Messtisch eines KMG zu dem Oberflächenvermessungsgerät dar. Beispielhafte Verbindungsmittel sind Schrauben, Stifte, Bolzen, Rastmittel, Stangen, Träger, Sockel, Teleskopverbindungen, Gelenke und Kombinationen davon. Ein Verbindungsmittel, mit dem das Oberflächenvermessungsgerät beweglich an dem KMG angebracht ist, kann beispielsweise ein oder mehrere Gelenke, Teleskopverbindungen, Linearführungen oder vergleichbare Mittel aufweisen.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Oberflächenvermessungsgerät um zumindest eine virtuelle Rotationsachse, d.h. eine Raumachse, drehbeweglich an dem KMG angebracht. In diesem Fall weist das Verbindungsmittel insbesondere ein Drehgelenk auf. Ein Teil des Drehgelenks kann direkt oder indirekt an dem Messtisch oder der Basis des KMG befestigt sein und der andere, dazu drehbare Gelenkteil kann direkt oder indirekt an dem Oberflächenvermessungsgerät, z.B. einem Gehäuse oder einer Kamera, das/die Teil des Oberflächenvermessungsgeräts ist, angebracht sein. Durch die Drehbeweglichkeit wird es ermöglicht, die Anzahl von Relativpositionen von Tastelement zu Oberflächenvermessungsgerät zu erhöhen. Das Tastelement kann im eingebauten Zustand über die bekannten Bewegungseinrichtungen des KMG bewegt werden und zusätzlich kann das Oberflächenvermessungsgerät in verschiedene Positionen gedreht werden. In einer speziellen Ausführungsform ist das Oberflächenvermessungsgerät um eine erste virtuelle Rotationsachse und um eine zweite virtuelle Rotationsachse drehbeweglich an dem KMG angebracht, wobei die Rotationsachsen senkrecht zueinander stehen und vorzugsweise einander schneiden. Durch zwei Rotationsachsen sind besonders viele relative Einstellungen zwischen Oberflächenmessgerät und Tastelement möglich. In einer speziellen Variante weist das Verbindungsmittel ein kardanisches Lagermittel oder ein Kardangelenk auf, über welches das Oberflächenvermessungsgerät drehbeweglich ist.
  • In noch einer Ausführungsform ist das Verbindungsmittel so ausgestaltet, dass die genannte erste virtuelle Rotationsachse in einer axial fluchtenden Lage zur Mittelachse eines Schaftes positionierbar ist, an welchem das Tastelement angebracht ist. In dieser Ausführungsform wird eine besonders gute Annäherung eines beweglichen Oberflächenvermessungsgerätes an das Tastelement ermöglicht. Ein Taster kann beispielsweise mehrere Schäfte mit daran angebrachten Tastelementen, insbesondere kugelförmigen Tastelementen, aufweisen. Die Schäfte können in verschiedene Richtungen stehen, wie es beispielsweise bei Sterntastern üblich ist. Es ist dann möglich, das Oberflächenvermessungsgerät an jeden der Schäfte und jedes der daran angebrachten Tastelemente so anzunähern, dass die erste Rotationsachse, um die das Oberflächenvermessungsgerät drehbeweglich ist, axial fluchtend zur Mittelachse jedes der Schäfte positioniert werden kann (nacheinander). Wenn zusätzlich eine zweite Rotationsachse vorhanden ist, um die das Oberflächenvermessungsgerät rotiert werden kann und die senkrecht zur ersten Rotationsachse steht, ist eine besonders gute Vermessung der Oberfläche des Tastelements möglich, d.h. eine weite Erfassung der Oberfläche des Tastelements. Dieses Prinzip ist in den beigefügten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
  • In einer weiteren Ausführungsform, die mit allen anderen beschriebenen Ausführungsformen auch kombinierbar ist, ist das Oberflächenvermessungsgerät entlang zumindest einer virtuellen Translationsachse verschiebbar an dem Koordinatenmessgerät angebracht. Beispielsweise kann das Verbindungsmittel eine oder mehrere Linearführungen aufweisen, entlang denen das Oberflächenvermessungsgerät linear beweglich geführt werden kann. Beispielsweise ist auf der Basis oder auf dem Messtisch des KMG eine Linearführung in X-Richtung und/oder eine Linearführung in Y-Richtung vorgesehen, womit das Oberflächenvermessungsgerät in verschiedene Bereiche innerhalb des Messvolumens des KMG geführt werden kann.
  • Mittel zur Bewegung, rotatorisch und/oder linear, des Oberflächenvermessungsgerätes, welche dem Verbindungsmittel zugeordnet sein können, können Stelleinrichtungen aufweisen, beispielsweise Elektromotoren. Mittel zur Dreh- oder Translationsbewegung können eine Einrichtung zur Bestimmung einer Winkellage oder einer Translationsposition haben, um eine eingestellte Drehposition oder Verschiebeposition bestimmen zu können. Beispiele hierfür sind Winkelencoder und bekannte Längenmesssysteme, wie sie beispielsweise auch entlang der Verschiebeachsen eines KMG eingesetzt werden. Falls die Verschiebung parallel bzw. konzentrisch zu einer der Koordinatenachsen des KMG erfolgt, kann prinzipiell auch der vorhandene Maßstab bzw. Encoder mit verwendet werden und es wird ggf. nur ein weiterer Lesekopf benötigt.
  • Das Koordinatenmessgerät kann eine Steuerung aufweisen, die ausgestaltet ist, einen Betrieb des Koordinatenmessgeräts so zu steuern, dass das Tastelement in den Erfassungsbereich des Oberflächenvermessungsgeräts bewegt wird, um Informationen über die Form und/oder Oberfläche des Tastelements zu gewinnen.
  • Ferner kann das KMG eine Steuerung für die Bewegung eines beweglich angebrachten Oberflächenvermessungsgeräts aufweisen. Diese Steuerung für die Bewegung des Oberflächenvermessungsgeräts und die Steuerung zur Bewegung des Tastelements können zusammenwirken, um eine zuvor definierte Relativposition von Tastelement und Oberflächenmessgerät einzustellen. Beide Steuerungen können baulich in eine Steuerungseinheit integriert sein.
  • In noch einer Ausführungsform weist das KMG eine Steuerung auf, die ausgestaltet ist, von dem Oberflächenvermessungsgerät aus einer Vermessung der Oberfläche des Tastelements gelieferte Informationen über die reale Tastelement-Form, oder Oberflächen-Informationen, für die Ermittlung von Koordinaten eines mit dem Tastelement taktil angetasteten Objekts zu verwenden.
  • In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Gewinnung von Informationen über die Form und/oder Oberfläche eines in ein Koordinatenmessgerät eingebauten Tastelements, wobei in dem Verfahren ein Koordinatenmessgerät mit einem daran angebrachten, berührungslos messenden Oberflächenvermessungsgerät wie zuvor beschrieben einsetzbar ist, oder eingesetzt wird, und wobei bei dem Verfahren die folgenden Schritte durchgeführt werden:
    1. a) Bewegung des Tastelements mittels einer Steuerung des Koordinatenmessgeräts in den Erfassungsbereich des Oberflächenvermessungsgeräts, wobei die Position des Oberflächenvermessungsgeräts im Koordinatensystem des Koordinatenmessgeräts bekannt ist,
    2. b) Vermessung zumindest eines Teils der Oberfläche des Tastelements mit dem Oberflächenvermessungsgerät,
    3. c) Ermittlung von Informationen über die Form des Tastelements, und/oder die Oberfläche des Tastelements, insbesondere über den Verlauf, die Rauigkeit und/oder die Kontur die Oberfläche des Tastelements, aus dem Ergebnis der Vermessung,
    4. d) optional Wiederholung der Schritte a)-c) zur Ermittlung von zeitaufgelösten Informationen über die Form des Tastelements und/oder die Oberfläche des Tastelements.
  • In dem Verfahren, und in nachfolgenden Varianten und weiteren beschriebenen Verfahren, kann ein KMG wie zuvor beschrieben eingesetzt werden. D.h. alle zuvor beschriebenen baulichen Merkmale können einzeln oder in beliebiger Kombination Verwendung in den Verfahren finden.
  • Die Position des Oberflächenvermessungsgeräts im Koordinatensystem des KMG kann auf verschiedene Art und Weise vorher bestimmt werden. Beispielsweise können auf einer Basis oder einem Messtisch des KMG vorbestimmte Positionen zur Anbringung des Oberflächenvermessungsgeräts vorgesehen sein. Bevorzugt ist es, die Position des Oberflächenvermessungsgeräts mit dem Tastsystem des KMG selbst zu ermitteln. Beispielsweise kann das Oberflächenvermessungsgerät mit einem Taster abgetastet werden, vorzugsweise einem Referenztaster. Es ist möglich, an dem Oberflächenvermessungsgerät ein oder mehrere Bezugspunkte zu definieren, die abgetastet werden, um Informationen über die Position und/oder Ausrichtung bzw. Orientierung des Oberflächenvermessungsgeräts zu gewinnen. In einer weiteren Variante ist es möglich, wenn das Oberflächenvermessungsgerät einen Detektor aufweist, oder noch spezieller eine Kamera, die den Detektor aufweist, den Detektor oder die Kamera selbst zur Ermittlung der Position des Oberflächenvermessungsgeräts zu verwenden. Beispielsweise kann das Tastelement in den Erfassungsbereich der Kamera bzw. des Detektors bewegt werden und aus der bekannten Position des Tastelements und der Position eines Messsignals aus dem Detektor kann die Position des Detektors selbst ermittelt werden. Des Weiteren kann das Tastelement im Erfassungsbereich des Detektors in eine oder mehrere Richtungen bewegt werden und durch Auswertung der Detektorsignale können Richtung und Orientierung der KMG-Achsen im Detektorbild bestimmt werden. Zudem kann mittels bekannter Verfahrwege des Tastelements ein Abbildungsmaßstab auf dem Detektor ermittelt werden. Ein Beispiel für eine konkrete Vorgehensweise ist in den Ausführungsbeispielen angegeben.
  • Auf die gleiche Art und Weise kann auch die Ausrichtung bzw. Orientierung bzw. Blickrichtung eines Oberflächenvermessungsgeräts bestimmt werden. Nach Änderung von Position und/oder Orientierung des Oberflächenvermessungsgeräts kann die Position und/oder Orientierung auf eine der beschriebenen Art und Weisen erneut ermittelt werden. Es ist alternativ möglich, geänderte Positionen und/oder Orientierungen mit Hilfe von Einrichtungen zur Bestimmung der Winkellage oder Translationslage zu ermitteln, wenn ein Oberflächenvermessungsgerät oder ein Verbindungsmittel dafür eine solche Einrichtung aufweist.
  • Je nach relativer Orientierung von Oberflächenvermessungsgerät und Tastelement zueinander kann ein bestimmter Teil der Oberfläche des Tastelements vermessen werden. Nacheinander können das Oberflächenvermessungsgerät und das Tastelement in verschiedene relative Positionen zueinander gebracht werden und andere Teile der Oberfläche des Tastelements können vermessen werden. Die Einstellung mehrerer verschiedener relativer Positionen und Ausrichtungen ist besonders vorteilhaft möglich, wenn das Verbindungsmittel zwischen Oberflächenvermessungsgerät und KMG so ausgestaltet ist, dass das Oberflächenvermessungsgerät bewegbar ist, insbesondere drehbewegbar, vorzugsweise auch verschiebbar.
  • In einer speziellen Ausführungsform umfasst das Verfahren das Ermitteln von Koordinaten mehrerer Oberflächenpunkte des Tastelements in einem Koordinatensystem des Tastelements aus Messwerten des Oberflächenvermessungsgeräts. Es kann hierzu erforderlich sein, je nach Art des Oberflächenvermessungsgerätes, eine relative Position des Tastelements und des Oberflächenvermessungsgeräts zueinander zu ermitteln, um beispielsweise eine Blickrichtung des Oberflächenvermessungsgeräts auf das Tastelements zu wissen und zu wissen, welcher Teil oder Punkt der Oberfläche gerade vermessen wird.
  • Optional kann das Koordinatensystem des Tastelements zu einem Gerätekoordinatensystem des Koordinatenmessgeräts in Bezug gesetzt werden, sodass Informationen über Positionen der Oberflächenpunkte des Tastelements in dem Koordinatensystem des Koordinatenmessgeräts vorhanden oder bestimmbar sind.
  • Das Koordinatensystem des Tastelements kann z.B. ein Polarkoordinatensystem sein, beispielsweise im Fall einer Tastkugel. Kennt man die Position und Ausrichtung des Oberflächenvermessungsgeräts sowie die momentane Position des Tastelements, dann sind die Koordinaten der vermessenden Oberflächenpunkte im Koordinatensystem des Tastelements bekannt. Die Position und Ausrichtung des Oberflächenvermessungsgeräts kann ermittelt werden wie vorangehend und in den Ausführungsbeispielen beschrieben. Der Bezug zwischen dem Koordinatensystem des Tastelements und dem Gerätekoordinatensystem ist ebenfalls bekannt und wird auf bekannte Art und Weise ermittelt.
  • Die Lage eines Oberflächenpunktes im Koordinatensystem des Tastelements kann bestimmt werden, indem zuerst der Ursprung dieses Koordinatensystems bestimmt wird. Alle folgenden Erläuterungen erfolgen am Beispiel einer Tastkugel als Spezialform eines Tastelements, können aber auch auf andere Formen, wie Zylinder oder Scheiben, sinngemäß übertragen werden. Als Koordinatensystem einer Tastkugel wird häufig ein Polarkoordinatensystem oder kartesisches Koordinatensystem verwendet, mit dem Kugelmittelpunkt als Ursprung. Bei einer Scheibe (flacher Zylinder) oder einem Zylinder bietet sich die Zugrundelegung eines Zylinderkoordinatensystems als Koordinatensystem des Tastelements an. Alternativ kann auch ein kartesisches Koordinatensystem verwendet werden, was die Kombination mit dem Maschinenkoordinatensystem gegebenenfalls vereinfacht.
  • Bei einer Tastkugel ist der Ursprung vorzugsweise der Kugelmittelpunkt, wie erwähnt. Da es sich bei der Tastkugel nicht um eine ideale Kugelform handelt, ist der Kugelmittelpunkt nicht eindeutig definiert. Da also bei einer von der Idealform abweichenden Kugel der Mittelpunkt nicht mehr eindeutig definiert ist, kann der Mittelpunkt nach einem unten angegebenen Kriterium festgelegt werden Bei der Vermessung der Oberfläche der Kugel durch das Oberflächenvermessungsgerät kann der Kugelmittelpunkt bereits dann definiert werden, wenn die Ergebnisse der Oberflächenvermessung in Bezug auf das Koordinatensystem der Kugel gespeichert werden. Z.B. ist es möglich, den Ursprung des Koordinatensystems der Kugel als Kugelmittelpunkt festzulegen, wenn dieser Ursprung ungefähr im Bereich des Massenschwerpunktes der Kugel liegt (wobei bei einer etwaigen Bestimmung des Massenschwerpunktes Aussparungen in der Kugel, z.B. für die Befestigung eines Schaftes, außer Betracht gelassen werden. Der Ursprung des Koordinatensystems kann z.B. aber auch im Schaft außerhalb der Kugel liegen und es kann dann z.B. ein Kugelmittelpunkt in Verlängerung der Symmetrieachse des Schaftes im Inneren der Kugel definiert werden und für die Zwecke des Betriebs des KMG genutzt werden, als wenn es sich um eine ideale Kugelform handeln würde. Z.B. können die Korrekturen oder Abweichungen von der idealen Kugelform auf diesen angenommenen Kugelmittelpunkt bezogen werden. Bei einer Lichtspaltmessung mit einem ringförmigen Spalt, die zuvor beschrieben wurde, kann der Ringspalt mit dem größten Innendurchmesser als Äquatorebene festgelegt werden und der Mittelpunkt des Ringes bei symmetrischem Spalt als Mittelpunkt der Kugel angenommen werden. Bei nicht symmetrischem Spalt kann ein Idealkreis an einen der Ränder des Spaltes gelegt werden und der Mittelpunkt dieses Kreises kann als Mittelpunkt der Kugel angenommen werden. Auf diesen Mittelpunkt können dann auch alle Punkte auf weiteren Breitengraden der Kugel, wenn eine Spaltmessung auf einem anderen Breitengrad stattfindet, bezogen werden.
  • In einer weiteren Verfahrensvariante umfasst das Verfahren:
    • - Bewegung des Tastelements in die Nähe eines Lichtbegrenzungsmittels und Ausbildung eines Spaltes zwischen der Oberfläche des Tastelements und einem Rand des Lichtbegrenzungsmittels,
    • - Abbildung des Spalts auf einem ortsauflösenden Detektor zur Vermessung zumindest eines Teils der Oberfläche des Tastelements,
    • - Ermittlung der Breite oder mehrerer Breiten des Spalts mit einer Auswerteeinrichtung anhand der Ausgangssignale des Detektors,
    • - Ermittlung von Informationen über die Form des Tastelements, und/oder die Oberfläche des Tastelements anhand der Breite(n) des Spaltes.
  • Das Verfahren nach dieser Ausführungsform wird mit einem bereits vorangehend beschriebenen Oberflächenvermessungsgerät nach dem Prinzip der Lichtspaltmessung durchgeführt. In einem besonderen Aspekt kann die Ermittlung der Lage und der Ausrichtung des Oberflächenvermessungsgeräts im Koordinatensystem des KMG erfolgen, indem mit dem Tastelement das Lichtbegrenzungsmittel und speziell der Rand des Lichtbegrenzungsmittels abgetastet wird. Ist beispielsweise das Lichtbegrenzungsmittel eine Blende mit einer kreisförmigen Öffnung, kann mit dem Tastelement der Rand der kreisförmigen Öffnung abgetastet werden, sodass die Lage der Blende und damit auch die Blickrichtung des Geräts ermittelt werden kann. Oder die Lage und Ausrichtung kann durch Erfassung des Tastelements, dessen Position bekannt ist, auf dem Detektor ermittelt werden.
  • In noch einem Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung von Koordinaten eines Objekts durch ein taktil antastendes Koordinatenmessgerät, wobei die Verfahrensschritte des Verfahrens zur Gewinnung von Informationen über die Form und/oder Oberfläche eines Tastelements, wie vorangehend beschrieben, durchgeführt werden, und weiterhin umfassend
    • - Antasten des Objekts mit dem Tastelement aus einer vorgegebenen Antastrichtung oder Antasten des Objekts mit dem Tastelement und Ermittlung der Antastrichtung, mit der das Objekt mit dem Tastelement angetastet wird, und
    • - Ermitteln zumindest einer Koordinate eines Berührpunkts, an der das Tastelement das Objekt beim Antasten berührt, aus der Antastrichtung und aus einem Ergebnis der Messung zumindest eines Teils der Oberfläche des Tastelements mit dem Oberflächenvermessungsgerät.
  • Diesem Verfahren vorangehend ist das Ermitteln von Koordinaten mehrerer Oberflächenpunkte des Tastelements in einem Koordinatensystem des Tastelements aus Messwerten des Oberflächenvermessungsgeräts. Dadurch sind die Koordinaten der Oberflächenpunkte des Tastelements, welche zum Antasten verwendet werden, im Koordinatensystem des Tastelements und im Gerätekoordinatensystem des KMG bekannt, da zwischen dem Koordinatensystem des Tastelements (beispielsweise Polarkoordinaten bei einer Tastkugel) und dem Gerätekoordinatensystem der Bezug bekannt ist.
  • Die Ermittlung der Antastrichtung kann während und/oder nach dem Antasten durchgeführt werden. Alle folgenden Erläuterungen erfolgen am Beispiel einer Tastkugel als Spezialform eines Tastelements, können aber auch für andere Formen, wie Zylinder oder Scheiben, sinngemäß gelten. Als Koordinatensystem einer Tastkugel wird häufig ein Polarkoordinatensystem verwendet, mit dem Kugelmittelpunkt als Ursprung. Bei einer Scheibe (flacher Zylinder) oder einem Zylinder bietet sich die Zugrundelegung Zylinderkoordinatensystems als Koordinatensystem des Tastelements an.
  • Aus dem Stand der Technik ist es bereits bekannt, mit Hilfe der Information über die Position des Kugelmittelpunkts einer Tastkugel eines taktil antastenden KMG die Antastrichtung zu definieren, in der aus Sicht des Kugelmittelpunktes ein Objekt von der Tastkugel angetastet wird. Der Kugelmittelpunkt, als Ursprung des Kugelkoordinatensystems kann bestimmt werden, wie oben bereits beschrieben.
  • Für die Berechnung der Koordinaten des von der Tastkugel angetasteten Objektpunktes wird vielfach ein Antastvektor oder eine gleichwertige Information zugrunde gelegt. Der Antastvektor erstreckt sich ausgehend vom Kugelmittelpunkt der Antastkugel in der Antastrichtung zu dem Punkt auf der Oberfläche der Tastkugel, an dem die Tastkugel das Objekt berührt. Es ist bekannt, die Antastrichtung je nach Art des KMG z.B. aus der Antastkraft, die von dem KMG über die Tastkugel auf das Objekt ausgeübt wird, aus der Auslenkung des Tasters (z.B. Taststift mit Tastkugel an seinem freien Ende) beim Antasten des Objekts und/oder aus vorab gekannter Information über das abgetastete Objekt zu bestimmen.
  • Auch gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Antastrichtung in an sich bekannter Weise bestimmt werden. Bei Kenntnis der exakten Kugeloberflächentopographie durch die vorhergehende Vermessung der Tastkugel mit einem Oberflächenvermessungsgerät kann nun in Kenntnis bzw. nach Festlegung der Position des Kugelmittelpunktes und der Antastrichtung die Länge des Antastvektors oder eine entsprechende, gleichwertige Information bestimmt werden. Wenn der Antastvektor auf diese Weise bestimmt wird, kann das weitere Verfahren zur Bestimmung der Koordinaten des angetasteten Oberflächenpunktes des Objekts so ausgeführt werden, wie es an sich aus dem Stand der Technik bekannt ist. Gemäß der Erfindung wird nicht von einer konstanten, für jeden Oberflächenpunkt der Tastkugel geltenden Länge der Antastvektoren ausgegangen, sondern es wird insbesondere für jede Antastrichtung die Länge des Antastvektors oder eine gleichwertige Information aus der Ermittlung von Oberflächenpunkten mit dem Oberflächenvermessungsgerät bestimmt.
  • Die Länge des Antastvektors an einem Oberflächenpunkt ergibt sich aus dem Kugelmittelpunkt und den Koordinaten des Oberflächenpunkts im Koordinatensystem der Tastkugel, die mit dem Oberflächenvermessungsgerät ermittelt wurde. Das Koordinatensystem der Tastkugel hat seinen Ursprung vorzugsweise im Kugelmittelpunkt, beispielsweise wenn das Koordinatensystem der Tastkugel in kartesischen Koordinaten oder in Polarkoordinaten angegeben wird. Der Antastvektor erstreckt sich also in seiner Länge vom Kugelmittelpunkt bis zu dem Oberflächenpunkt. Ein so zum Zweck des Betriebs des KMG definierter Antastvektor erstreckt sich also von dem Kugelmittelpunkt zu dem Punkt auf der Oberfläche der Tastkugel, an der die Tastkugel ein Werkstück antastet.
  • Die Koordinaten der mehreren realen Oberflächenpunkte der Tastkugel können beispielsweise in einer Steuerung des KMG hinterlegt werden, beispielsweise in Form einer Datei. Es ist in einer speziellen Ausführungsform auch möglich, für ermittelte reale Oberflächenpunkte des Tastelements den Abstand eines realen Oberflächenpunkts des Tastelements zu dem nächstliegenden idealen Oberflächenpunkt eines ideal-kugelförmigen Tastelements zu ermitteln und die Abstände als Korrekturwerte in dem Koordinatenmessgerät zu hinterlegen.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung weist das Tastelement ein Referenzmerkmal auf, das zu dem Koordinatensystem des Tastelements in Bezug gesetzt werden kann.
  • Das Tastelement kann separat durch ein Oberflächenmessgerät (nicht das zuvor erwähnte Oberflächenvermessungsgerät, das in das KMG integriert ist) vermessen werden, um Informationen über reale Oberflächenpunkte zu gewinnen. Dieses Messergebnis kann mit Hilfe des Referenzmerkmals in den Messbereich des KMG transferiert werden, wie in WO 2013/068044 A1 beschrieben.
  • Mit Hilfe des Referenzmerkmals kann auch das Koordinatensystem des Tastelements zu dem Koordinatensystem des Koordinatenmessgeräts in Bezug gesetzt werden, sodass Informationen über Positionen der realen Oberflächenpunkte des Tastelements in dem Koordinatensystem des Koordinatenmessgeräts vorhanden oder bestimmbar sind. „In Bezug Setzen“ bedeutet bei zwei Koordinatensystemen (kurz: KS), dass Koordinaten aus dem einen KS in dem anderen KS bekannt oder bestimmbar sind. „In Bezug Setzen“ bedeutet bei dem Referenzmerkmal, dass die Information über den Ort und Ausrichtung des Referenzmerkmals in dem KS vorhanden oder bestimmbar ist. Insbesondere können daher die Position und Ausrichtung des Referenzmerkmals in dem Koordinatensystem des Koordinatenmessgeräts bestimmt werden, sodass die Positionen der realen Oberflächenpunkte in dem Koordinatensystem des Koordinatenmessgeräts bekannt sind. Ein solches Tastelement und Verfahren sind in WO 2013/068044 A1 beschrieben, auf deren Offenbarung hier ausdrücklich verwiesen wird.
  • Das Referenzmerkmal kann jedes detektierbare Merkmal sein, dessen Position und Ausrichtung erfassbar sind. Bevorzugt wird ein Merkmal als Referenzmerkmal verwendet, das in Position und Ausrichtung mit einem berührungslos messenden Oberflächenvermessungsgerät erfasst werden kann.
  • Das Referenzmerkmal kann so ausgestaltet sein, dass seine Position und Ausrichtung in dem Koordinatensystem des Koordinatenmessgeräts unter Verwendung des Messsystems des taktil antastenden Koordinatenmessgeräts bestimmt, z.B. wird das Referenzmerkmal mit einem an dem KMG angeordneten taktilen Referenztaster (d.h. ein hinsichtlich seiner Form und weiterer Eigenschaften, wie z. B. Biegesteifigkeit, genau bekannter Taster) bestimmt. In diesem Fall weist das Referenzmerkmal einen oder mehrere Referenzpunkte auf, deren Koordinaten taktil bestimmbar sind. Bei dem Referenzmerkmal kann es sich insbesondere um ein Formmerkmal handeln, d.h. das Tastelement und/oder ein fest mit dem Tastelement verbundener Gegenstand (insbesondere ein Schaft, z.B. stiftförmiger Schaft, über den das Tastelement an anderen Gegenständen befestigt wird oder aufgestellt wird) sind bzw. ist derart in vorgegebener Weise geformt, dass anhand der vorgegebenen Form und/oder der Position und Ausrichtung des Formmerkmals die Position und Ausrichtung des Tastelements in einem beliebigen Koordinatensystem ermittelt werden kann. Insbesondere kann daher anhand des Formmerkmals die Position und Ausrichtung des Tastelements im Koordinatensystem des KMG ermittelt werden. Insbesondere ist das Formmerkmal als eine oder mehrere Erhebungen oder Vertiefungen an einem Schaft des Tastelements gebildet, die vorzugsweise mit einem taktil antastenden Koordinatenmessgerät bestimmbar sind. Z.B. kann an dem Schaft des Tastelements (insbesondere im Fall eines Taststifts, der eine Tastkugel aufweist) eine plangeschliffene Fläche (d.h. eine ebene Fläche) als Formmerkmal ausgebildet sein. Dabei ist vorzugsweise die Mittelsenkrechte dieser Fläche derart ausgerichtet, dass sie die Schaft-Mittelachse unter einem rechten Winkel schneidet.
  • Oben genannte Referenzmerkmale sind in WO 2013/068044 A1 beschrieben.
  • Die soeben beschriebene Ausführungsform mit dem Referenzmerkmal dient folgendem Zweck: In WO 2013/068044 A1 wird ein Tastelement separat durch ein Oberflächenmessgerät (nicht das zuvor erwähnte Oberflächenvermessungsgerät, das in das KMG integriert ist) vermessen, um Informationen über reale Oberflächenpunkte zu gewinnen, wie oben beschrieben.
  • Das Referenzmerkmal kann genauso mit dem berührungslos messenden Oberflächenvermessungsgerät, das an dem KMG angebracht ist, erfasst werden. Mit diesem berührungslos messenden Oberflächenvermessungsgerät werden ebenfalls Informationen über die Form und/oder Oberfläche des Tastelements gewonnen, wie hierin beschrieben, wie zum Beispiel Informationen über reale Oberflächenpunkte. Diese Informationen können mit den Informationen, die mit dem externen Oberflächenmessgerät (wie in WO 2013/068044 A1 beschrieben) gewonnen wurden, verglichen werden. Das externe Oberflächenmessgerät ist zum Beispiel ein Kugelinterferometer.
  • Zum Vergleich oder zu Ergänzung der Informationen aus den verschiedenen Messgeräten dient das Referenzmerkmal. Mit dem an dem KMG angebrachten Oberflächenvermessungsgerät kann das Referenzmerkmal in Position und Ausrichtung erfasst werden und die ebenfalls mit diesem Gerät erhaltenen Form/Oberflächeninformationen können in räumlichen Bezug zu dem Referenzmerkmal gesetzt werden. Außerdem bekannt sind die Form/Oberflächeninformationen aus dem externen Oberflächenmessgerät und deren räumlicher Bezug zu dem Referenzmerkmal. Durch räumlichen Bezug auf das Referenzmerkmal in beiden Fällen können die Informationen aus den verschiedenen Messgeräten, beispielsweise die Lage von Oberflächenpunkten in einem Koordinatensystem des Tastelements, miteinander verglichen werden oder einander ergänzen. Die Informationen aus dem Vergleich können auf verschiedene Art und Weise verarbeitet werden. Es ist möglich, Oberflächeninformationen aus dem internen, am KMG angebrachten Oberflächenvermessungsgerät mit Hilfe von Oberflächeninformationen aus einem genauer arbeitenden externen Oberflächenmessgerät zu korrigieren, oder umgekehrt. Wenn bei einem der Geräte die Menge an Oberflächeninformationen, z.B. die Anzahl verorteter Oberflächenpunkte, geringer ist, dann können weitere Oberflächeninformationen aus dem anderen Messgerät ergänzend herangezogen werden. Es kann auch wahlweise entschieden werden, welche Oberflächeninformationen, aus dem externen oder dem internen Gerät, für weitere Schritte herangezogen werden. Weitere Nutzungen der Oberflächeninformationen aus beiden Geräten sind denkbar.
  • Form- /Oberflächeninformationen eines Tastelements können, gegebenenfalls zusammen mit Informationen über andere Tastelemente z.B. in einer gemeinsamen Datenbank gespeichert werden. Z.B. kann auf die Datenbank über das Internet oder über eine andere Datenübertragungsverbindung von einem KMG zugegriffen werden. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass das Tastelement ein Identifizierungsmerkmal aufweist, z.B. einen Computer-lesbaren Chip, einen Strich-Code, der von einem optischen Lesegerät detektierbar ist, oder einen so genannten Tag, der Identifizierungsdaten enthält, die berührungslos mittels elektromagnetischer Felder ausgelesen werden können. Solche Tags sind insbesondere als so genannte RFID-Tags bekannt. Die Steuerung des KMG kann daher insbesondere ein Tastelement mittels des Identifizierungsmerkmals erkennen und die zugehörigen über Form und/oder Oberfläche des Tastelements beziehen und insbesondere aus der zentralen Datenbank auslesen. Die Informationen über Form und/oder Oberfläche des Tastelements können somit für den Zugriff durch ein KMG hinterlegt werden. Wird der Zugriff erforderlich, z. B. weil ein Wechsel des Tastelements durchgeführt wird, kann das KMG z. B. gesteuert durch die Steuerung anhand eines Identifikationsmerkmals des Tastelements (z.B. Chip, RFID oder Barcode, s.o.) erkennen, welches Tastelement aktuell verwendet wird. Auf Basis dieser Information kann das KMG auf die zugeordneten Forminformationen zugreifen und verwenden.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Beispielen erläutert. Es zeigen:
    • 1 ein erfindungsgemäßes Koordinatenmessgerät, das ein Oberflächenvermessungsgerät aufweist,
    • 2 eine Detailansicht mit einem Tastelement und einem Oberflächenvermessungsgerät,
    • 3 eine weitere Detailansicht mit einem Tastelement im Bereich des Oberflächenvermessungsgeräts mit Drehung des Oberflächenvermessungsgeräts,
    • 4 eine Detaildarstellung eines Tastelements,
    • 5 die Darstellung von Oberflächenpunkten des Tastelements in einem Koordinatensystem des Tastelements,
    • 6 eine Lamelle einer variablen Irisblende als Lichtbegrenzungsmittel, mit einem Beleuchtungshalter,
    • 7 die Beleuchtung des Randes des Lichtbegrenzungsmittels mit einer Lichtquelle in einer ersten Ansicht,
    • 8 die in 7 gezeigte Beleuchtung in einer seitlichen Ansicht,
    • 9 ein Schema eines Verfahrens zur Gewinnung von Informationen über die Form und/oder Oberfläche eines Tastelements und
    • 10 das Schema eines Verfahrens zur Bestimmung von Koordinaten eines Objekts durch taktiles Antasten mit dem Messsystem des KMG.
  • Das in 1 dargestellte Koordinatenmessgerät (KMG) 11 in Portalbauweise weist einen Messtisch 1 auf, über dem Säulen 2, 3 in Z-Richtung eines kartesischen Koordinatensystems beweglich angeordnet sind. Die Säulen 2, 3 bilden zusammen mit einem Querträger 4 ein Portal des KMG 11. Der Querträger 4 ist an seinen gegenüberliegenden Enden mit den Säulen 2 bzw. 3 verbunden. Nicht näher dargestellte Elektromotoren (Antriebe) verursachen die Linearbewegung der Säulen 2, 3 in Y-Richtung. Dabei ist jeder der beiden Säulen 2, 3 ein Elektromotor zugeordnet, oder es ist in der Säule 2 ein Antrieb vorgesehen und die Säule 3 nur ist mittels eines Lagers, beispielsweise eines Luftlagers, auf dem Messtisch gelagert und weist keinen eigenen Antrieb auf.
  • Der Querträger 4 ist mit einem Querschlitten 7 kombiniert, welcher luftgelagert entlang dem Querträger in X-Richtung des kartesischen Koordinatensystems beweglich ist. Die momentane Position des Querschlittens 7 relativ zu dem Querträger 4 kann anhand einer Maßstabteilung 6 festgestellt werden. Die Bewegung des Querträgers 4 in X-Richtung wird durch einen weiteren Elektromotor angetrieben.
  • An dem Querschlitten 7 ist eine in vertikaler Richtung bewegliche Pinole 8 gelagert, die an ihrem unteren Ende über eine Montageeinrichtung 10 mit einer Koordinatenmesseinrichtung 5 verbunden ist. An der Koordinatenmesseinrichtung 5 ist ein Messkopf 9 abnehmbar angeordnet, von dem wiederum ein Schaft 12 nach unten ragt. Am Ende des Schaftes 12 ist eine Tastkugel 13 angebracht. Die Kombination aus Schaft 12 und Tastelement 13 wird auch als Taster oder Taststift bezeichnet. Die Koordinatenmesseinrichtung 5 kann angetrieben durch einen weiteren Elektromotor relativ zu dem Querschlitten 7 in Z-Richtung des kartesischen Koordinatensystems bewegt werden. Durch die insgesamt drei oder vier Elektromotoren, je nachdem, ob auch die Säule 3 einen Antrieb aufweist, kann der Messkopf 9 daher zu jedem Punkt unterhalb des Querträgers 4 und oberhalb des Messtisches 1 verfahren werden, der in dem durch die Säulen 2, 3 definierten Zwischenraum liegt.
  • Auf dem Messtisch 1 ist ein Oberflächenvermessungsgerät 14 angebracht, welches in der 2 noch detaillierter dargestellt wird.
  • Eine Steuerung 35 ist auf bekannte Art und Weise in das KMG 11 integriert.
  • Nachfolgend wird das Verbindungsmittel beschrieben, mit dem das Oberflächenvermessungsgerät an dem Messtisch angebracht ist. Das Verbindungsmittel weist einen stabförmigen Halter 15 auf, der um die Achse D2, seiner Längsachse, drehbar ist und der entlang der Linearführungen 16, 17 verschiebbar ist. Einrichtungen zum Drehen und Verschieben sind nicht näher dargestellt und können sich beispielsweise in dem Messtisch 1 befinden, beispielsweise in Form von Elektromotoren und Antrieben. Die Linearführung 16 ist in Y-Richtung ausgerichtet und die Linearführung 17 in X-Richtung. An dem Haltestift 15 ist ein U-förmiger Träger 18 angebracht, der ebenfalls um die Drehachse D2 drehbar ist. An den Enden des U-förmigen Trägers 18 ist drehbar ein Ring 19 angebracht, der relativ zu dem U-Träger 18 um die Achse D1 verdrehbar ist. Der Ring 19 ist in Gelenkpunkten 20, 20' eingehängt. Über weitere Halter 21, 21' ist das Oberflächenvermessungsgerät 14 an dem Ring 19 angebracht und ist mit diesem zusammen um die Achse D1 drehbar. Im gezeigten Aufbau ist die Lage der Achse D1, die auch als erste virtuelle Rotationsachse bezeichnet wird, im Raum veränderlich, während die Lage der Achse D2, auch bezeichnet als zweite virtuelle Rotationsachse, bei dieser Konstruktion unveränderlich ist und axial fluchtend zur Mittelachse des Schaftes 12 liegt. In der gezeigten Anordnung ist die Lage der Rotationsachse D2 immer parallel zur Z-Richtung, in welcher auch der Schaft 12 ausgerichtet ist. In einer anderen, hier nicht gezeigten Ausführungsform ist die Rotationsachse D2 variabel im Raum positionierbar, sodass sie beispielsweise in Y-Richtung positionierbar ist. Beispielsweise kann der stabförmige Halter 15 zweiteilig sein und ein Gelenk aufweisen, sodass der obere Teil in Y-Richtung kippbar ist und entlang einer Achse D2, die in Y-Richtung ausgerichtet ist, drehbar ist. Entsprechend würde auch der U-förmige Träger 18 gekippt. Eine solche Verstellmöglichkeit ist sinnvoll, wenn beispielsweise der Schaft 12 in Y-Richtung zeigt. Auch jegliche Zwischenpositionen der Achse D2 sind sinnvoll und denkbar, beispielsweise wenn der Schaft 12 eine schräge Position einnimmt, wie bei einem Dreh-Schwenk-Gelenk der Fall. Unten rechts in der 1 ist in einer Detaildarstellung die Lage der Rotationsachsen D1 und D2 zueinander gezeigt. Die Achsen stehen senkrecht aufeinander und schneiden einander. Die Senkrechtstellung ist lediglich durch die perspektivische Darstellung verzerrt dargestellt.
  • In der 2 ist das Oberflächenvermessungsgerät 14 genauer dargestellt. Das in der 1 dargestellte Verbindungsmittel 15, 18, 19, 20, 20', 21, 21' ist in der 2 nicht nochmals dargestellt. In einem Gehäuse 23 ist eine Kamera 24 untergebracht, welche eine Abbildungsoptik 25 und einen ortsauflösenden Detektor 26 umfasst. Die Abbildungsoptik 25 stellt die Einrichtung zur Abbildung eines später beschriebenen Spaltes 31 auf dem Detektor 26 dar. Die Kamera 24 ist mit einer Auswerteeinrichtung 27 verbunden. Die Auswerteeinrichtung 27 ist dem Detektor 26 nachgeordnet und ausgebildet zur Ermittlung einer Vielzahl nebeneinander liegenden Breiten a eines nachfolgend noch beschriebenen Spaltes anhand der von dem Detektor 26 abgegebenen Ausgangssignale und zur Ermittlung der Eigenschaft der Oberfläche eines Tastelements 13 anhand der Längen- oder Längendifferenzen nebeneinander liegender Spaltbreiten a.
  • Das Oberflächenvermessungsgerät 14 weist weiterhin als Lichtbegrenzungsmittel eine verstellbare Irisblende 28 mit einem Rand 29 zur Ausbildung eines Spaltes a zwischen der Oberfläche des Tastelements 13 und dem Rand 29 der Blende 28 auf. In der 2 links ist die Blende 28 in einer seitlichen Schnittansicht quer zur Blendenebene gezeigt und in der 2 rechts in einer Ansicht von oben. In der 2 links ist die Bewegung des Tastelements 13 und des Schaftes 12 in Richtung des Oberflächenvermessungsgeräts 14 bzw. in Richtung der Blende 28 gezeigt. Das Tastelement 13 wird zur Gewinnung von Informationen über seine Oberfläche in eine obere Öffnung 30 nach unten eingefahren, dargestellt durch einen Pfeil. Die Tastkugel 13 wird bis auf Höhe eines gewünschten Breitengrades in das Oberflächenvermessungsgerät 14 eingefahren, bis die Oberfläche der Tastkugel 13 auf diesem Breitengrad der Blende 28 und dem Rand 29 gegenübersteht.
  • Zwischen dem Rand 29 und der Oberfläche des Tastelements 13 ist ein Spalt 31 mit der Spaltbreite a ausgebildet.
  • Die Öffnung der variablen Blende 28 ist größenverstellbar, sodass sie nach Einfahrposition der Tastkugel 13, beispielsweise je nach Breitengrad, die Öffnung variabel eingestellt und damit die Spaltbreite a des Spaltes 31 angepasst werden kann. Der Durchmesser der Blendenöffnung bzw. die Spaltbreite a können manuell oder motorisch, vorzugsweise automatisch, eingestellt werden. Beispielsweise kann eine nicht näher dargestellte Regeleinrichtung vorhanden sein, die die Spaltbreite a auf einen vorbestimmten Wert regelt. Eine solche Regeleinrichtung kann nach dem Prinzip der kontinuierlichen oder periodischen Abstandsmessung arbeiten. Mit verringerter Spaltbreite a erhält man einen Zugewinn an Genauigkeit, wobei mit abnehmender Spaltbreite a die Kollisionsgefahr zwischen der Blende 28 und der Tastkugel 13 steigt. Vorzugsweise wird die Spaltbreite gemäß folgendem Zusammenhang eingestellt:
    Durchmesser Blendenöffnung ≤ Durchmesser Kugel + (0,1 bis 1 mm)
  • Die variable Blende 28 weist möglichst eine hohe Rundheit auf, um bei idealförmiger Tastkugel 13 eine gleichmäßige Spaltbreite a zu erzielen. Eine Radienabweichung im Bereich von kleiner oder gleich 2-3 % ist vorteilhaft, was bei einer Irisblende mit mehr als 10-12 Lamellen erreicht wird.
  • Der Abstand zwischen Blende 28 und Abbildungsoptik 25 beträgt vorzugsweise:
    b ≥ dmax/2, wobei dmax der maximale Innendurchmesser der Blendenöffnung ist, also der Durchmesser bei maximal geöffneter Blende 28.
  • In der 2 sind oberhalb der Blende 28 Lichtquellen 32 zur Beleuchtung des Spaltes 31 gezeigt. Außer den beiden gezeigten Lichtquellen 32 können verteilt über den Blendenumfang weitere Lichtquellen vorhanden sein. Jeder Lichtquelle ist im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Optik 33 zugeordnet, die so gestaltet ist, dass die Beleuchtungsverhältnisse bei einer Änderung der Blendenöffnung möglichst konstant sind.
  • Die Optik kann z.B. ein Kollimator sein, insbesondere eine Linse, ein computergeneriertes Hologramm (CGH) oder ein diffraktives optisches Element (DOE). Die Beleuchtung in einer Richtung parallel zur Blendenebene wird also entlang des Blendenumfangs möglichst konstant gehalten, insbesondere symmetrisch, z.B. zur Teilung in Blendenelementen oder Lamellen angeordnet. Jeder Lamelle kann eine oder mehrere Beleuchtungen zugeordnet sein, so dass sich eine Symmetrie ergibt, wenn für jede Blende die gleiche Anordnung von Lichtquellen gewählt wird. Denkbar ist auch eine ausgedehnte Lichtquelle neben der Blende, die breiter ist als der maximale Blendendurchmesser Dmax. Die Lichtquelle 32 kann eine Leuchtdiode sein, die vorzugsweise Licht in einer bestimmten Wellenlänge, beispielsweise 500 nm, mit homogener Intensität abgibt.
  • Mit den Lichtquellen 32 wird die Tastkugel 13 in der Höhe des Spaltes 31 beleuchtet. Der beleuchtete Spalt 31 wird mittels der Abbildungsoptik 25 auf den ortsauflösenden Detektor 26 abgebildet, wobei die Abbildungen des Randes 29 und des Bereiches der Oberfläche der Tastkugel 13, der dem Rand 29 gegenüber liegt, die Messmarken für die Spaltbreite bilden.
  • Der Detektor 26 weist eine Vielzahl Einzelsensoren auf, auch als Pixel bezeichnet, die entweder in nur einer Zeile oder in einer Matrix aus mehreren Zeilen und Spalten angeordnet sind. Der Abbildungsmaßstab der Abbildungsoptik 25 ist auf die Abstände der Pixel im Detektor 26 so abgestimmt, dass die elektronischen Ausgangssignale der bei der Abbildung des Spaltes 31 auf den Detektor 26 beleuchteten Pixel ein Äquivalent für die Spaltbreite a sind.
  • Zwischen der Blende 28 und der Abbildungsoptik 25 kann ein Polarisationsfilter angeordnet sein, mit dem störende Reflexionen, die eine Polarisationsrichtung parallel zur Oberfläche des Tastelements 13 haben, in vorteilhafter Weise nicht mit auf dem Detektor abgebildet werden.
  • Bei einer nicht ideal runden Form der Tastkugel 13 ergeben sich verschiedene Spaltbreiten a. In der 2 rechts sind zwei beispielhafte Spaltbreiten a eingezeichnet, die unterschiedlich sein können, wenn die Tastkugel 13 entweder von Anfang an keine ideale Kugelform aufweist oder im Laufe der Zeit eine Abweichung von der idealen Kugelform oder von einer anfänglichen Kugelform auftritt, beispielsweise durch Materialabtrag oder Materialauftrag.
  • Selbstverständlich liegen die auswertbaren Spaltbreiten dichter nebeneinander als in der 2 rechts anhand der Spaltbreiten a beispielhaft gezeigt. Die Tastkugel 13 muss auch nicht von Anfang an eine ideale Kugelform aufweisen. Beispielsweise kann zu einem ersten Zeitpunkt die Kontur auf einem Breitengrad oder auf mehreren Breitengraden anhand einer Vielzahl Spaltbreiten a festgestellt werden und zu einem späteren Zeitpunkt, nach einer erneuten Vermessung auf dem Breitengrad oder den Breitengraden, können Abweichungen zu den früheren Spaltbreiten festgestellt werden.
  • Mit der Auswerteeinrichtung 27 werden anhand der Spaltbreiten a jeweils Krümmung, Verlauf, Kontur, Lage oder Rauigkeit der Oberfläche der Tastkugel 13 in dem Bereich ermittelt, welcher dem Rand 29 gegenüberliegt. Um größere Bereiche der Oberfläche zum Zweck der Bestimmung der Spaltbreiten a abzutasten, kann die Tastkugel mit Hilfe der Bewegungseinrichtung des KMG auf verschiedene Höhen, beispielsweise verschiedene Breitengrade, relativ zur Blende 28 eingefahren werden. Durch Vermessung der Tastkugel 13 auf verschiedenen Höhen, insbesondere verschiedenen Breitengraden bei senkrechter Bewegung des Schaftes 12 nach unten, können somit mehrere Konturlinien auf der Oberfläche der Tastkugel 13 erhalten werden und es kann eine dreidimensionale Topographie der zu vermessenden Oberfläche erstellt werden.
  • Durch Verwendung von Lichtquellen 32 kann die Bestimmung kleiner Spaltbreiten a nach dem Prinzip der Lichtspaltmethode, die Bestimmung von größeren Spaltbreiten nach dem Prinzip des Triangulationsverfahrens erfolgen, wie in US 2012/0069351 beschrieben. Das Beleuchtungslicht wird vorzugsweise fokussiert auf den betreffenden Bereich der Oberfläche des Tastelements 13 gerichtet, um die gewünschte Messgenauigkeit zu erzielen. Dabei wird die Tiefenmessgenauigkeit durch die Größe der Fokuslinie bestimmt.
  • Bei Ausbildung eines ringförmigen Spaltes 31, wie in der 2 gezeigt, und das Vorhandensein einer Einrichtung 25 zur Abbildung des Spaltes 31 auf dem Detektor 26 kann eine vertikale Lichtverteilung auftreten, die auf einer horizontalen Ebene des Detektors abgebildet wird. Um aus der mit dem Detektor aufgenommenen Intensitätsverteilung auf die Form des Tastelements 13 schließen zu können, muss die Lichtverteilung sowie deren Ausbreitung definiert sein.
  • Die US 2012/0069351 gibt Beispiele in den dortigen 4 und 5 zur Lichtintensitätsverteilung bei einem ringförmigen Lichtspalt in einem Bohrloch und zur Auswertung der Spaltbreite. In der vorliegenden Erfindung wird im Fall einer Tastkugel 13 eine im Vergleich dazu verzerrte Lichtverteilung erhalten, aufgrund eines sich im Vergleich zum Bohrloch sich ändernden Durchmessers einer Kugel. Der Schwerpunkt oder der Maximalpunkt der Lichtintensitätsverteilung in Spaltrichtung kann als Position der Kugeloberfläche angenommen werden. Zusätzlich ist es möglich, Eigenschaften der verzerrten Verteilung zu bestimmen und daraus Korrekturparameter zu bestimmen, die zur Auswertung der Spaltbreite herangezogen werden können.
  • In der 3 ist die Tastkugel 13 in einer Vermessungsposition innerhalb des Oberflächenvermessungsgeräts 14 gezeigt, d.h. ein Teil der Oberfläche der Kugel 13 steht dem Rand 29 der Blende 28 gegenüber. Zusätzlich ist in der gezeigten Darstellung der Oberflächenvermessungsgerät um die Achse D1 verdreht, die bereits in der 1 dargestellt ist. In der Ansicht der 3 verläuft die Drehachse D1 senkrecht zur Zeichnungsebene, also in Blickrichtung des Betrachters. Weiterhin verläuft die Drehachse D1 durch den Mittelpunkt der Öffnung der Blende 28 und parallel zur Ebene der Blende 28. Im hier gezeigten Fall ist die Tastkugel 13 soweit in die Öffnung der Blende 28 eingefahren, dass die Drehachse D1 auch durch den Kugelmittelpunkt verläuft. Ausgehend von der 2 wurde die Tastkugel 13 soweit durch die Öffnung 30 des Gerätes 14 eingefahren, dass die Ebene der Blende 28 die Kugel im Äquator schneidet. Anschließend wurde das Oberflächenvermessungsgerät 14 um die Achse D1 verdreht, in der gewählten Darstellung um etwa 45° gegen den Uhrzeigersinn. Die rotierbaren Verbindungsmittel zur Rotation um die Achsen D1 und D2 sind in der 1 bereits gezeigt und in der 3 nicht nochmals dargestellt. Das Oberflächenvermessungsgerät 14 ist um die Achse D1 und um die Achse D2 rotierbar, wobei die Rotationen einander überlagert sein können. Beispielsweise kann nach Verdrehen des Geräts 14 in die in 3 gezeigte Position um die Achse D1 anschließend das Gerät 14 in diesem gekippten Zustand um die Achse D2 rotiert werden. An einer Vielzahl Rotationspositionen in die Achse D2 können Lichtspaltmessungen durchgeführt werden. Anschließend kann das Gerät 14 um die Achse D1 im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn um einen Winkelbetrag gedreht werden und danach wiederum eine Vielzahl Drehpositionen um die Achse D2 eingestellt werden und in diesen Positionen Lichtspaltmessungen durchgeführt werden. Eine Verdrehung des Geräts 14 gegen den Uhrzeigersinn in der 3 ist letztlich durch die Lage des Schaftes begrenzt. Bei einer anderen Tasterkonfiguration bei horizontal liegendem Schaft 12 kann die Lage der Drehachse D2 ebenfalls geändert werden, sodass sie axial fluchtend zur Mittelachse des Schaftes, also ebenso horizontal, liegt. Danach sind auch bei einer horizontalen Lage des Schaftes 12 analoge Bewegungen des Geräts 14 um die Tastkugel möglich, wie anhand der 3 bei senkrecht liegendem Schaft 12 dargestellt.
  • Durch die Drehbarkeit des Geräts um die Achsen D1 und D2 ist eine große Abdeckung der Oberfläche des Tastelements 13 mit Hilfe des Oberflächenvermessungsgeräts 14 möglich. Lediglich ein Bereich der Befestigungsstelle des Schaftes 12 kann nicht abgedeckt werden. Allerdings spielt dieser Bereich beim Antasten eines Werkstücks im Allgemeinen auch keine Rolle, da dieser Oberflächenbereich auch nicht für Antastungen zugänglich ist.
  • In einer anderen, nicht gezeigten Ausführungsform kann es vorgesehen sein, nur die Blende um die Achsen D1 und D2 drehbar zu gestalten und die Kamera 24 nicht mit zu rotieren, wobei eine Mit-Rotation der Kamera bevorzugt ist.
  • Die Drehachsen D1 und D2 können Systeme zur Bestimmung der Winkellage, beispielsweise Encoder, aufweisen, um eine eingestellte Position bestimmen zu können. Gegebenenfalls kann die Stellposition über einen Referenzpunkt und einen bekannten Bewegungsbetrag durch den Antrieb bekannt sein.
  • Die Kombination der Drehachsen D1 und D2 ermöglicht eine Einstellung verschiedenster Raumrichtungen des Oberflächenvermessungsgeräts 14 über eine kardanische Bewegung. Durch die kombinierte Ansteuerung beider Drehachsen D1 und D2 lässt sich auch ein Scan um die Tastkugel 12 herum erreichen.
  • Als Drehachse D2 kann prinzipiell auch ein Drehtisch eines KMG verwendet werden, sofern vorhanden. In diesem Fall sollte darauf geachtet werden, dass der Aufbau gut auf die Achse D2 des Drehtisches zentriert werden kann, z.B. über Passungen auf dem Drehtisch. Weitere mögliche Zentriermarken können im Sinne einer Dreipunktauflage gestaltet sein. Bei einer Dreipunktauflage kann eine Orientierung des Aufbaus bzw. des Oberflächenvermessungsgerätes in reproduzierbarer Weise erfolgen und die Orientierung kann in dem KMG gespeichert werden und bei einer erneuten Anordnung auf dem Drehtisch mit übergeben werden. Wenn eine Orientierung mit übergeben wird, dann wird ein erneutes Einmessen des Aufbaus erspart, wenn der Aufbau abwechselnd montiert und wieder demontiert wird.
  • Die 4 zeigt in übertriebener Darstellung eine nicht ideal kugelförmige Oberfläche der Tastkugel 13. Die Kugel ist an dem Schaft 12 befestigt. Mit dem Oberflächenvermessungsgerät 14 wurden wie zuvor beschrieben Koordinaten realer Oberflächenpunkte der Kugel bestimmt. Mit dem Oberflächenvermessungsgerät 14 können absolute Koordinaten oder Abweichungswerte von einer Ideal-Kugelform bestimmt werden. Die Ermittlung von Abweichungswerten aus dem Oberflächenvermessungsgerät kann als Kugelsegmentmessung erfolgen. So vermessene Kugelsegmente (S1-Sn) können über einen Best-Fit der Messbereichsüberlappung der Segmente zu einem für die KMG-Messung ausreichenden Gesamt-Oberflächenbereich zusammengesetzt werden. Die 4 zeigt mehrere der Oberflächensegmente S1...Sn, die durch gestrichelte Linien voneinander getrennt sind. Die Kugelsegmentmessung stellt eine Alternative zu dem vorangehend dargestellten Oberflächenvermessungsverfahren dar, bei dem beispielsweise Breitengerade einer Kugel vermessen werden. Eine Kugelsegmentmessung kann beispielsweise mit einem Interferometer erfolgen. Während der Vermessung der Segmente S wird über den durch die gestrichelten Linien begrenzten Bereich hinaus gemessen, sodass überlappende Messbereiche entstehen, d.h. Bereiche, die bei der Vermessung der benachbarten Segmente mehrfach gemessen werden und so als Information für das Zusammenfügen der Segmente zu einem Gesamt-Oberflächenbereich zur Verfügung stehen. Z.B. bei den Segmenten S1 und S2 sind durch gepunktete Linien umrahmte Bereiche dargestellt, die nicht mehr zu den Überlappungsbereichen gehören.
  • In der 5 ist im Koordinatensystem der Tastkugel 13, also ein Koordinatensystem des Tastelements, die Position eines Oberflächenpunktes 40 der Tastkugel 13 dargestellt. Die Position ist in räumlichen Polarkoordinaten angegeben, wobei das Winkelpaar des Polarwinkels α und des Azimutwinkels β die Koordinaten des Punktes 40 auf der Tastkugel 13 relativ zum Mittelpunkt 45 der Tastkugel 13 (der insbesondere auf der Verlängerung der Schaftmittelachse 46 des Schaftes 12 liegt) angibt. Der Mittelpunkt 46 kann nach Antasten der Kugeloberfläche an mindestens drei Oberflächenpunkten, z.B. mit einem Referenztaster, festgelegt werden.
  • Durch die Vermessung mit dem Oberflächenvermessungsgerät 14 oder mit einem anderen Oberflächenvermessungsgerät, beispielsweise einem Interferometer, können bezogen auf den Mittelpunkt 45 für eine Vielzahl von Winkelpaaren (α, β) die Radien r der Oberflächenpunkte 40, 41, 42 (und weiterer Punkte) und/oder die Abweichungen vom Radius einer idealen Kugelform (d.h. die Abweichung der Oberflächenpunkte 40, 41, 42 von den jeweils nächstgelegenen Oberflächenpunkten einer angenommenen Idealkugel) ermittelt werden. Bei dem Radius r handelt es sich um die dritte Koordinate eines Oberflächenpunktes, der bei einer realen Kugelform variabel ist, bei einer idealen Kugelform dagegen konstant ist.
  • Radien r oder Abweichungswerte von einem Idealradius der Oberflächenpunkte 40, 41, 42 (und beliebiger weiterer Oberflächenpunkte) können als Tabelle oder vorzugsweise als mathematische Beschreibung der Oberfläche (z.B. Splineraster oder über SDL-Daten) beschrieben werden. Im Fall der mathematischen Beschreibung ist es möglich, innerhalb eines der mathematischen Beschreibung zugeordneten Oberflächenbereichs der Kugel den Radius eines beliebigen Punkts auf der Oberfläche zu berechnen. Im Fall der Tabelle können die Radien und/oder Abweichungswerte unter Zuordnung zu den Winkelpaaren α, β oder zu entsprechenden Koordinaten in einem anderen Koordinatensystem für den automatischen Zugriff durch das KMG hinterlegt werden, z.B. durch Speicherung in einem Datenspeicher, auf den die Steuerung 35 (siehe 1) des KMG 11 bei Ausführung von Steuersoftware Zugriff hat. Es ist auch möglich, Raumwinkel, für die der Radius oder Korrekturwert nicht gemessen und/oder nicht hinterlegt ist, durch Interpolation aus nächstgelegenen Stützstellen zu berechnen, beispielsweise durch Spline- oder Linearinterpolation.
  • Die 6 zeigt die Anordnung einer Lichtquelle an einer Lamelle 50 einer variablen Irisblende 28, die in der 2 rechts gezeigt ist. Die Lichtquelle 32 und die Optik 33 sind so gestaltet, dass sich bei Bewegung der Lamelle 50 zur Verstellung der Blendenöffnung die Lichtquelle 32 und die Optik 33 jeweils mit bewegen. Die gestrichelte Linie S gibt die Beleuchtungsrichtung an. Die Lamelle 50 weist einen Zapfen 51 auf, der in einem Gleitlager (nicht dargestellt) gelagert ist. Der Zapfen 52 in der Lamelle 50 ist in einem axialen Lager gelagert und stellt einen Drehpunkt dar. An dem Zapfen 52 für das axiale Lager wird der Halter 53 für die Beleuchtung und die Beleuchtungsoptik gekoppelt. Ein Abschnitt 52' des Zapfens 52 dient der axialen Lagerung und an dem Abschnitt 52" wird der Beleuchtungshalter 53 angebracht, indem der Halter 53 mit der Öffnung 54 auf den Zapfen 52 in dem Bereich 52" des Zapfens aufgesteckt wird. Im Vergleich zu einer herkömmlichen Blende ist also bei dieser Ausführungsform der Zapfen 52 für das axiale Lager verlängert, um daran die Beleuchtungseinrichtung befestigen zu können. Rmax gibt den maximalen Radius der Blendenöffnung an.
  • Die 7 zeigt eine Beleuchtung mit einem fächerförmigen Lichtfeld. Der Blick des Betrachters fällt auf die Blendenebene. Gezeigt sind Ausschnitte der Blende 28, der Tastkugel 13 und des Spaltes 31.
  • Die 8 zeigt das fächerförmige Lichtfeld L in einer seitlichen Ansicht in seitlicher Blickrichtung auf die (nicht gezeigte) Blende. Der Bereich N gibt den Nutzbereich der Beleuchtung an, falls die Beleuchtung fest ist und nur die Lamelle beweglich ist. Die Blende 28 würde sich unterhalb der Lichtquelle 32 und der Optik 33 befinden, wie in der 2 gezeigt.
  • In der 9 ist ein Schema eines Verfahrens zur Gewinnung von Informationen über die Form und/oder Oberfläche eines in einem KMG eingebauten Tastelements gezeigt. In dem Schritt S1 erfolgt die Bewegung des Tastelements 13 in den Erfassungsbereich des Oberflächenvermessungsgeräts 14, wie in der 2 mit dem nach unten zeigenden Pfeil unterhalb des Tastelements 13 dargestellt. Die Bewegung wird mit der Steuerung 35 (siehe 1) gesteuert.
  • Die Position des Oberflächenvermessungsgeräts 14 im Koordinatensystem des KMG 11 ist bekannt oder kann wie nachfolgend beschrieben ermittelt werden:
  • Die Feststellung der Position und Lage des optischen Oberflächenvermessungsgeräts 14 im Koordinatensystem des KMG, auch bezeichnet als Einmessung des Koordinatensystems des Oberflächenvermessungsgeräts 14 zum Gerätekoordinatensystem des KMG, ist ohne weitere Hilfsmittel rein durch eine Folge von Maschinenbewegungen möglich. KMG können meistens in mindestens zwei Achsen fahren, üblich sind drei, möglich aber auch fünf Achsen, falls Dreh-Schwenk-Gelenke vorhanden sind. Beschrieben wird die Kalibrierung am Beispiel für eine Anordnung gemäß 2 links. Es werden folgende Schritte vorgenommen:
    1. a) Eintauchen der Tastkugel 13 in Pfeilrichtung bis ungefähr zur Äquatorebene, d.h. bis zum maximalen Durchmesser, also Eintauchen, bis die Äquatorebene mit der Ebene der Blende 28 deckungsgleich ist. Zur Kollisionsvermeidung kann die Kamera 24 den Vorgang überwachen und das KMG kann das Tastelement 13 in Bezug auf die Mitte der Blende 28 gegebenenfalls iterativ nachzentrieren. Erreicht wird dadurch die sogenannte Position A.
    2. b) Bewegung des Tastelements 13 mittels des Bewegungssystems des KMG nach rechts, wobei „rechts“ hier die X-Richtung bedeutet, und Erfassen der Bewegungsrichtung mit der Kamera 24 bzw. auf dem Detektor 26. Danach Rückstellen auf Position A.
    3. c) Bewegung analog b) nach hinten, was hier die Y-Richtung bedeutet.
    4. d) Bewegung analog b) nach oben, was hier die Z-Richtung bedeutet.
  • Die Bewegungen b), c) und d) sind von der Steuerung des KMG vorgegeben und ihrer Richtung und dem Betrag nach bekannt. Durch Auswertung der bewegten Geometrie des Antastelements 13 auf dem Kamerabild bzw. auf dem Detektor 26 können somit eindeutig die Richtung und Orientierung der KMG-Achsen im Kamerabild bestimmt werden. Zudem kann auch aufgrund des bekannten Verfahrweges die Skalierung im Kamerabild relativ zum Fahrweg des KMG bestimmt werden, also der Abbildungsmaßstab im Bildpunkt. Damit ist die Einmessaufgabe vollständig gelöst. Die kann gegebenenfalls wiederholt oder an einer anderen Orientierung des Oberflächenvermessungsgeräts 14 sinngemäß entsprechend wiederholt werden.
  • Zur Ermittlung von Position und Ausrichtung des Oberflächenvermessungsgeräts 14 ist es auch möglich, ein Gehäuse 23 und/oder einen Rand der Öffnung 30 und/oder den Rand 29 der Blendenöffnung anzutasten.
  • In Schritt S2 erfolgt die Vermessung zumindest eines Teils der Oberfläche des Tastelements mit dem Oberflächenvermessungsgerät 14. Dieser Schritt wurde bereits anhand der 2 und der 3 erläutert. In diesem Ausführungsbeispiel erfolgt die Vermessung der Oberfläche über Spaltbreiten a.
  • In Schritt S3 erfolgt die Ermittlung von Informationen über die Form des Tastelements und/oder die Oberfläche des Tastelements, insbesondere über den Verlauf, die Rauigkeit und/oder die Kontur der Oberfläche des Tastelements aus dem Ergebnis der Vermessung im Schritt S2. Auch dieser Verfahrensschritt wurde bereits anhand der 2 und 3 erläutert. Aus den Spaltbreiten a bzw. aus sich ändernden Spaltbreiten a erhält man Informationen über die Form und/oder die Oberfläche des Tastelements in der betrachteten Ebene auf der Oberfläche, die mit der Blendenebene identisch ist.
  • Die Schritte S2 und S3 können optional wiederholt werden, wie durch gestrichelte Pfeile angedeutet. Beispielsweise kann in einer erneuten Durchführung des Schrittes S2 ein anderer Teil der Oberfläche des Tastelements 13 mit dem Oberflächenvermessungsgerät 14 vermessen werden, beispielsweise durch Anfahren einer anderen Breitengradposition. Aus der Vermessung eines Spaltes 31 an einer anderen Position der Tastkugel 13 können in einer erneuten Durchführung des Schrittes S3 Informationen über die Form und/oder Oberfläche des Tastelements 13 in dieser geänderten Position gewonnen werden.
  • Die 10 zeigt ein Verfahrensschema eines Verfahrens zur Bestimmung von Koordinaten eines Objekts durch ein taktil antastendes erfindungsgemäßes KMG. Dem Verfahren vorangeschaltet sind die Schritte S1 bis S3, die anhand der 9 beschrieben wurden, und weiterhin der Schritt S4, in dem die Koordinaten mehrerer Oberflächenpunkte 40, 41, 42 des Tastelements 13 in einem Koordinatensystem des Tastelements aus Messwerten des Oberflächenvermessungsgeräts 14 ermittelt werden. Als Beispiel des Oberflächenpunkts 40 sind die räumlichen Polarkoordinaten α, β, r im Koordinatensystem der Tastkugel 13 der 5 gezeigt und erläutert worden. Der Punkt 40 kann beispielsweise mit dem Oberflächenvermessungsgerät 14 bestimmt werden oder es kann eine Abweichung des Radius r des Punktes 40 von einem Radius einer Idealkugel bestimmt werden.
  • Im Schritt S5 erfolgt das Antasten eines Objekts, beispielsweise eines Werkstücks, mit der Tastkugel 13 auf einer vorgegebenen Antastrichtung oder das Antasten des Objekts mit der Tastkugel 13 und die Ermittlung der Antastrichtung. Auf die Ermittlung einer Antastrichtung wurde im allgemeinen Beschreibungsteil bereits eingegangen.
  • Im Schritt S6 wird zumindest eine Koordinate eines Berührpunkts, an der die Tastkugel 13 das Objekt beim Antasten berührt, ermittelt, wobei die Antastrichtung und das Ergebnis der Vermessung der Oberfläche der Tastkugel 13 mit dem Oberflächenvermessungsgerät zugrundegelegt wird. Ist im Spezialfall, betrachtet in der 5, die Antastrichtung derart, dass sie durch einen Antastvektor r ausgedrückt werden kann, der sich vom Kugelmittelpunkt 45 bis zum Oberflächenpunkt 40 erstreckt, dann entspricht die Koordinate des Berührpunkts, an der die Tastkugel 13 das Objekt berührt, den Koordinaten des Oberflächenpunkts 40, der zuvor mit dem Oberflächenmessgerät ermittelt wurde. Ist die Antastrichtung in einem anderen Fall derart, dass der Antastvektor auf einen Punkt der Oberfläche der Kugel 13 zeigt, der zwischen den vermessenden Oberflächenpunkten 40 und 41 liegt, dann kann die Koordinate des Berührpunkts durch Interpolation zwischen den Punkten 40 und 41 erhalten werden. Das Ergebnis der Messung zumindest eines Teils der Oberfläche mit dem Oberflächenvermessungsgerät 14 schließt also auch Weiterberechnungen bzw. rechnerische Verarbeitungen der Messwerte ein, wie z.B. Interpolationen.
  • Alle Ausführungsbeispiele wurden anhand einer Tastkugel 13 erläutert und die allgemeine Beschreibung nimmt öfters auf die Kugelform Bezug. Aber das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäßen Vorrichtungen gelten prinzipiell für alle Formen von Tastelementen.

Claims (16)

  1. Koordinatenmessgerät (11), aufweisend - ein Tastelement (13) mit einer Oberfläche - ein berührungslos messendes Oberflächenvermessungsgerät (14) zur Ermittlung von Informationen über die Form des Tastelements, und/oder zur Ermittlung von Informationen über die Oberfläche des Tastelements, - ein Verbindungsmittel (15, 18, 19, 20, 20', 21, 21'), mit dem das Oberflächenvermessungsgerät an dem Koordinatenmessgerät beweglich oder unbeweglich angebracht ist.
  2. Koordinatenmessgerät (11) nach Anspruch 1, wobei das Oberflächenvermessungsgerät um zumindest eine virtuelle Rotationsachse (D1, D2) drehbeweglich an dem Koordinatenmessgerät (11) angebracht ist.
  3. Koordinatenmessgerät (11), nach Anspruch 2, wobei das Oberflächenvermessungsgerät um eine erste virtuelle Rotationsachse (D1) und eine zweite virtuelle Rotationsachse (D2) drehbeweglich an dem Koordinatenmessgerät angebracht ist, wobei die Rotationsachsen senkrecht zueinander stehen und einander schneiden.
  4. Koordinatenmessgerät (11) nach Anspruch 2 oder 3, wobei eine der virtuellen Rotationsachsen (D1, D2) in eine axial fluchtende Lage zur Mittelachse eines Schaftes (12), an dem das Tastelement (13) angebracht ist, positionierbar ist.
  5. Koordinatenmessgerät (11), nach einem der Ansprüche 2-4, wobei das Verbindungsmittel ein kardanisches Lagermittel aufweist, über welches das Oberflächenvermessungsgerät (14) drehbeweglich ist.
  6. Koordinatenmessgerät (11) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Oberflächenvermessungsgerät (14) ein optisches Oberflächenvermessungsgerät ist.
  7. Koordinatenmessgerät nach Anspruch 6, das nach einem Messprinzip arbeitet, das ausgewählt ist aus Lichtspaltmessung, Streifenprojektionsmessung, Interferometrie, Deflektometrie, optische Kohärenztomografie.
  8. Koordinatenmessgerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Oberflächenvermessungsgerät (14) nach dem Prinzip der Lichtspaltmessung oder der Triangulationsmessung arbeitet und aufweist: - Ein Lichtbegrenzungsmittel (28) mit einem Rand (29) zur Ausbildung eines Spaltes (31) zwischen der Oberfläche des Tastelements (13) und dem Rand des Lichtbegrenzungsmittels, - einen ortsauflösenden Detektor (26), auf den der Spalt abbildbar ist, - eine Einrichtung (25) zur Abbildung des Spalts auf dem Detektor, - eine mit dem Detektor verbundene Auswerteeinrichtung (27), ausgebildet zur Ermittlung der Breite oder verschiedener Breiten des Spalts anhand der Ausgangssignale des Detektors, wobei die Breite(n) des Spaltes eine Information über die Form des Tastelements und/oder Informationen über die Oberfläche des Tastelements liefern.
  9. Koordinatenmessgerät nach Anspruch 8, wobei das Lichtbegrenzungsmittel (28) eine Blende mit einer größenverstellbaren Öffnung ist oder das Lichtbegrenzungsmittel eine Wechselblende ist, bei welcher durch das Auswechseln einer Blendenscheibe der Durchmesser der Blende an den Durchmesser des Tastelements (13) angepasst wird.
  10. Koordinatenmessgerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, aufweisend eine Steuerung, die ausgestaltet ist, einen Betrieb des Koordinatenmessgeräts so zu steuern, dass das Tastelement (13) in den Erfassungsbereich des Oberflächenvermessungsgeräts (14) bewegt wird, um Informationen über die Form und/oder Oberfläche des Tastelements zu gewinnen.
  11. Koordinatenmessgerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, aufweisend eine Steuerung, die ausgestaltet ist, von dem Oberflächenvermessungsgerät (14) aus einer Vermessung der Oberfläche des Tastelements (13) gelieferte Informationen über die reale Tastelement-Form, oder Oberflächen-Informationen, für die Ermittlung von Koordinaten eines mit dem Tastelement taktil angetasteten Objekts zu verwenden.
  12. Koordinatenmessgerät (11) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Ermittlung von Informationen über die Oberfläche des Tastelements eine Ermittlung von Informationen über den Verlauf, die Rauigkeit und/oder die Kontur der Oberfläche ist.
  13. Verfahren zur Gewinnung von Informationen über die Form und/oder Oberfläche eines in ein Koordinatenmessgerät eingebauten Tastelements, wobei indem Verfahren ein Koordinatenmessgerät (11) mit einem daran angebrachten, berührungslos messenden Oberflächenvermessungsgerät (14) nach einem der Ansprüche 1-12 eingesetzt wird und wobei bei dem Verfahren die folgenden Schritte durchgeführt werden: a) Bewegung des Tastelements (13) mittels einer Steuerung (35) des Koordinatenmessgeräts (11) in den Erfassungsbereich des Oberflächenvermessungsgeräts (14), wobei die Position des Oberflächenvermessungsgeräts (14) im Koordinatensystem des Koordinatenmessgeräts (11) bekannt ist, b) Vermessung zumindest eines Teils der Oberfläche des Tastelements (13) mit dem Oberflächenvermessungsgerät (14), c) Ermittlung von Informationen über die Form des Tastelements, und/oder die Oberfläche des Tastelements, insbesondere über den Verlauf, die Rauigkeit und/oder die Kontur die Oberfläche des Tastelements, aus dem Ergebnis der Vermessung, d) optional Wiederholung der Schritte a)-c) zur Ermittlung von zeitaufgelösten Informationen über die Form des Tastelements und/oder die Oberfläche des Tastelements.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, weiterhin umfassend: Ermitteln von Koordinaten mehrerer Oberflächenpunkte des Tastelements (13) in einem Koordinatensystem des Tastelements aus Messwerten des Oberflächenvermessungsgeräts.
  15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, umfassend: - Bewegung des Tastelements (13) in die Nähe eines Lichtbegrenzungsmittels und Ausbildung eines Spaltes (31) zwischen der Oberfläche des Tastelements und einem Rand des Lichtbegrenzungsmittels in Schritt a), - Abbildung des Spalts auf einem ortsauflösenden Detektor (26) zur Vermessung zumindest eines Teils der Oberfläche des Tastelements, - Ermittlung der Breite oder mehrerer Breiten des Spalts (31) mit einer Auswerteeinrichtung (27) anhand der Ausgangssignale des Detektors (26), - Ermittlung von Informationen über die Form des Tastelements (13), und/oder die Oberfläche des Tastelements anhand der Breite(n) des Spaltes.
  16. Verfahren zur Bestimmung von Koordinaten eines Objekts durch ein taktil antastendes Koordinatenmessgerät, wobei die Verfahrensschritte des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 14 oder 15 durchgeführt werden, und weiterhin umfassend: - Antasten des Objekts mit dem Tastelement aus einer vorgegebenen Antastrichtung oder Antasten des Objekts mit dem Tastelement (13) und Ermittlung der Antastrichtung, mit der das Objekt mit dem Tastelement angetastet wird, und - Ermitteln zumindest einer Koordinate eines Berührpunkts, an der das Tastelement das Objekt beim Antasten berührt, aus der Antastrichtung und aus einem Ergebnis der Messung zumindest eines Teils der Oberfläche des Tastelements mit dem Oberflächenvermessungsgerät.
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