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Die Erfindung betrifft eine Kalibriereinrichtung und ein Verfahren zum Kalibrieren eines eine Messspitze aufweisenden optischen Tasters.
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Aus der
DE 10 2012 020 719 A1 ist ein Verfahren zur Vermessung von Kraftfahrzeugen bekannt, bei welchem ein mobiler optischer Taster, insbesondere in Form eines Photogrammetrie-Sensors, in einer Photogrammetrie-Messkammer zur Vermessung eines Kraftfahrzeugs verwendet werden kann. Bei einem solchen optischen Taster ist es erforderlich, eine Strecke von einem Antastende oder einer Antastspitze der Messspitze, mit welchem beispielsweise Punkte an einer Kraftfahrzeugkarosserie angetastet werden, und einem optischen Zentrum einer Kamera, insbesondere einem Mittelpunkt einer Abbildungsebene der Kamera, genau zu kennen, mithin mit hoher Genauigkeit zu bestimmen. Dies kann im Wege einer Kalibrierung erfolgen, wobei im Rahmen der Kalibrierung vorzugsweise ein Punkt, dessen Lage in einem Photogrammetrie-Koordinatensystem einer Messkammer genau bekannt ist, angetastet wird, wobei dann eine Mehrzahl von Koordinatenmessungen mit der Kamera unter Aufnahme von an Messwänden der Messkammer angeordneten Messmarken unter verschiedenen Blickwinkeln durchgeführt wird. Die Kamera wird dabei verschwenkt, wobei zugleich das Antastende der Messspitze ortsfest an dem bekannten Punkt bleiben muss. Es ist möglich, eine solche Kalibration mittels einer Körnung durchzuführen, welche den bekannten Punkt definiert. Dabei kann sich jedoch das Tastende der Messspitze in der Körnung bewegen, sodass sich die Messposition verändert. Alternativ ist es auch möglich, die Kalibrierung mittels einer in einer Magnetschale gehaltenen Halbkugel durchzuführen, was jedoch nur schwer messgenau durchführbar ist, da der Schwenkradius der Messspitze in der Halbkugel für eine exakte Kalibrierung zu klein ist. Es ergibt sich außerdem eine Abnutzung und Aushöhlung des Körnerpunktes oder des Halbkugelpunktes bei mehrmaligem Gebrauch, sodass dann letztlich der bekannte Punkt nicht mehr am selben Ort angeordnet ist, insbesondere nicht mehr in einem Kugelmittelpunkt der Halbkugel. Die voreingestellte Position der Messspitze kann also während des Kalibriervorganges nicht sicher gehalten werden, was zu Messungenauigkeiten führt. Die Genauigkeit der Kalibrierung ist daher prinzipbedingt begrenzt, insbesondere weil der bekannte Punkt wandert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kalibriereinrichtung und ein Verfahren zu schaffen, welche die genannten Nachteile nicht aufweisen.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche geschaffen werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem eine Kalibriereinrichtung zur Kalibrierung eines eine Messspitze aufweisenden optischen Tasters geschaffen wird, wobei die Kalibriereinrichtung einen mittels einer Messspitze antastbaren Kalibrierpunkt aufweist. Sie zeichnet sich dadurch aus, dass der Kalibrierpunkt im Inneren einer eine Aufnahme für eine Messspitze aufweisenden Vollkugel angeordnet ist. Die Genauigkeit der Kalibrierung kann dadurch verbessert werden, dass der gesamte, durch an Messwänden einer Photogrammetrie-Messkammer angebrachte Messmarken aufgespannte Referenzpunkte-Raum in der Kalibrierung berücksichtigt werden kann, weil der Messradius der Messspritze durch die Verwendung einer Vollkugel deutlich erhöht ist. Somit kann insgesamt eine Streuung der Messgenauigkeit in der Messkammer minimiert werden. Die Genauigkeit der Messspitzen-Kalibrierung wird erhöht, sodass eine exaktere Aufzeichnung von Punktmessungen an Fahrzeugkarosserien erfolgen kann. Die Handhabbarkeit der Kalibrierung mit Vollkugel ist einfacher, insbesondere muss hierbei nicht mehr darauf geachtet werden, dass die Vollkugel nicht aus einer sie haltenden Magnetschale springen kann.
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Unter einer Vollkugel wird insbesondere eine bis auf gegebenenfalls wenigstens eine Bohrung und gegebenenfalls Abweichungen an der Oberfläche von der exakten Kugelform unverletzte Kugel verstanden, deren Oberfläche sich bevorzugt über den gesamten Raumwinkel von 47 erstreckt. Der Begriff „Vollkugel” ist insbesondere in Abgrenzung zu dem Begriff „Halbkugel” zu verstehen. Eine Vollkugel ist also insbesondere eine vollständige Kugel im Unterschied zu einem Kugelabschnitt oder einer Teilkugel.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Kalibrierpunkt als Mittelpunkt der Vollkugel gewählt ist. Somit kann der Kalibrierpunkt besonders genau und reproduzierbar bekannt sein, was die Genauigkeit der Kalibrierung insgesamt weiter steigert.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Kalibrierpunkt an einer Anschlagfläche für die Messspitze angeordnet ist, wobei die Anschlagfläche ein Material aufweist, das härter ist als ein Material für die Messspitze. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise eine Abnützung und Aushöhlung des Kalibrierpunkts vermieden werden, da die weniger harte Messspitze nicht in der Lage ist, den Kalibrierpunkt an der Anschlagfläche abzunutzen, insbesondere auszuhöhlen. Eine Abnutzung und insbesondere Abflachung der Messspitze kann andererseits durch vorsichtige Handhabung derselben bei der Kalibrierung in einfacher Weise vermieden werden. Vorteilhaft kommt hinzu, dass die Anschlagfläche im Bereich des Kalibrierpunkts eben und nicht spitz und scharf – wie die Messspitze – geformt ist, sodass keine Beschädigung der Messspitze durch Eindringen des härteren Materials der Anschlagfläche in die Messspitze zu befürchten ist, wie dies umgekehrt dann der Fall wäre, wenn die Messspitze das härtere Material als die Anschlagfläche aufweisen würde, wie dies bisher typischerweise der Fall ist.
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Die Anschlagfläche weist vorzugsweise Glas, besonders bevorzugt Rubin auf, oder besteht aus Glas oder Rubin. Als Material für die Messspitze ist vorzugsweise ein Stahl vorgesehen.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Vollkugel eine zentrische Durchgangsbohrung aufweist. Dabei kann die Anschlagfläche in besonders einfacher Weise in der Durchgangsbohrung angeordnet werden, wobei die Durchgangsbohrung zugleich in ebenfalls besonders einfacher und kostengünstiger Weise eine Aufnahme für die Messspitze bereitstellen kann. Unter einer zentrischen Durchgangsbohrung ist eine Durchgangsbohrung zu verstehen, welche entlang einer Durchmesserlinie der Vollkugel durch den Mittelpunkt derselben verläuft. Die Durchgangsbohrung kann ohne weiteres – insbesondere mittels einer Drehbank – zentrisch gesetzt werden.
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Vorzugsweise ist die Durchgangsbohrung zumindest bereichsweise auf einen Durchmesser einer Messspitze abgestimmt, sodass die Messspitze wohldefiniert und sicher in der Durchgangsbohrung aufgenommen werden kann.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass an der Durchgangsbohrung einseitig von einer Umfangsfläche ausgehend bis eine bestimmte Strecke über den Mittelpunkt der Vollkugel hinaus eine Stiftaufnahme für einen Kalibrierstift angeordnet ist, wobei die Stiftaufnahme zumindest bereichsweise ein Feingewinde aufweist. Besonders bevorzugt ist die Durchgangsbohrung auf der anderen Seite auf den Durchmesser einer Messspitze abgestimmt, sodass auf der einen Seite die Stiftaufnahme für den Kalibrierstift geschaffen ist, wobei auf der anderen Seite eine Aufnahme für die Messspitze geschaffen wird. Der Kalibrierstift und die Messspitze können also von diametral einander gegenüberliegenden Seiten oder Enden in die Durchgangsbohrung eingebracht werden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass in der Stiftaufnahme ein Kalibrierstift angeordnet ist, der stirnseitig die Anschlagfläche aufweist. Vorzugsweise ist der Kalibrierstift zumindest bereichsweise mit einem Feingewinde versehen, welches mit dem Feingewinde der Stiftaufnahme kämmt. Auf diese Weise kann der Kalibrierstift in wohldefinierter, hochgenauer Weise in die Stiftaufnahme eingeschraubt werden.
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Es ist möglich, dass der Kalibrierstift die Anschlagfläche einstückig aufweist. In diesem Fall ist bevorzugt der Kalibrierstift einstückig aus einem Material, insbesondere aus einem besonders harten Material, vorzugsweise aus Glas oder Rubin, gefertigt.
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Alternativ wird bevorzugt, dass der Kalibrierstift stirnseitig ein Plättchen trägt, welches die Anschlagfläche aufweist. Vorzugsweise ist das Plättchen auf die Stirnseite des Kalibrierstifts aufgeklebt. Das Plättchen, welches die Anschlagfläche aufweist, besteht vorzugsweise aus einem sehr harten Material, insbesondere aus Glas oder Rubin.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kalibriereinrichtung eine Magnetschale zur Halterung der Vollkugel aufweist. Auf diese Weise kann die Vollkugel in einfacher und leicht auswechselbarer Weise gehalten werden.
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Die Aufgabe wird auch gelöst, indem ein Verfahren zum Kalibrieren eines eine Messspitze aufweisenden optischen Tasters geschaffen wird, wobei im Rahmen des Verfahrens eine Kalibriereinrichtung verwendet wird, welche einen mittels einer Messspitze antastbaren Kalibrierpunkt aufweist, wobei der Kalibrierpunkt im Inneren einer eine Aufnahme für eine Messspitze aufweisenden Vollkugel angeordnet ist. Insbesondere wird bevorzugt im Rahmen des Verfahrens eine Kalibriereinrichtung nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele verwendet. In Zusammenhang mit dem Verfahren ergeben sich die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit der Kalibriereinrichtung erläutert wurden.
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Unter einem optischen Taster wird insbesondere ein Photogrammetrie-Sensor verstanden, welcher eine Messspitze und eine fest mit dieser verbundene Kamera aufweist. Der Photogrammetrie-Sensor wird in einer Messkammer verwendet, in welcher an mindestens einer Wand eine Vielzahl von Messmarken, insbesondere Photogrammetrie-Marken, angebracht ist. Diese spannen innerhalb der Messkammer ein Photogrammetrie-Koordinatensystem auf, beziehungsweise bezeichnen einzelne Punkte innerhalb des Photogrammetrie-Koordinatensystems. Eine photogrammetrische Vermessung erfolgt vorzugsweise derart, dass ein Punkt, beispielsweise auf einer Kraftfahrzeug-Karosserie, mit der Messspitze angetastet wird, wobei mit der Kamera eine Aufnahme einer Wand der Messkammer aufgenommen wird, die von der Kameraposition aus beim Antasten des zu messenden Punkts sichtbar ist. Anhand der auf dieser Aufnahme sichtbaren Messmarken kann die Position der Kamera bestimmt werden, sodass – bei genauer Kalibrierung des optischen Tasters – letztlich auch die Position des angetasteten Punkts bestimmbar ist, weil die Messspitze in definierter und bekannter Weise mit der Kamera verbunden ist. Es ist auf diese Weise möglich, beispielsweise eine Kraftfahrzeugkarosserie punktweise photogrammetrisch abzutasten und so eine Punktewolke zu erzeugen, die deren Geometrie repräsentiert.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass im Rahmen des Verfahrens eine Messspitze eines optischen Tasters in die Aufnahme bis zum Anschlag an der Anschlagfläche eingeführt wird, und dass durch Koordinatenmessung in verschiedenen Winkelpositionen der Vollkugel bei ortsfestem Kalibrierpunkt eine Kalibrierung des optischen Tasters durchgeführt wird. Auf diese Weise ist eine hochgenaue Kalibrierung der Strecke zwischen dem Antastende oder der Antastspitze der Messspitze und dem Kamerazentrum des optischen Tasters möglich.
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Dass die Koordinatenmessung in verschiedenen Winkelpositionen der Vollkugel durchgeführt wird, bedeutet insbesondere, dass die Kamera des optischen Tasters um den ortsfesten Kalibrierpunkt herum verschwenkt wird und dabei Aufnahmen der Messmarken an den Wänden der Messkammer aus verschiedenen Blickwinkeln anfertigt. Somit wird letztlich eine Punktewolke von verschiedenen Positionen des Kamerazentrums erzeugt, welche auf einer Kugelschale angeordnet sind, in deren Mittelpunkt der ortsfeste Kalibrierpunkt liegt. Der Durchmesser oder Radius dieser Punktewolke bestimmt dann den zu kalibrierenden Abstand zwischen dem Antastende oder der Antastspitze der Messspitze und dem Kamerazentrum. Dies kann durch Verwendung einer Vollkugel und damit Erfassen des gesamten Referenzpunkte-Raums der Messkammer in besonders sicherer und definierter Weise mit sehr hoher Genauigkeit geschehen. Insbesondere kann so eine Streuung von Messgenauigkeiten in der Messkammer minimiert werden.
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Es wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass eine Position der Anschlagfläche in der Vollkugel rechnerisch über das Feingewinde bestimmt wird. Ist der Durchmesser der Vollkugel genau bekannt, und ist außerdem die Gewindesteigung des Feingewindes genau bekannt, kann der Kalibrierstift in definierter Weise in die Vollkugel eingeschraubt werden, wobei auch stets die Position der Anschlagfläche genau bekannt ist, und wobei diese exakt auf den Vollkugelmittelpunkt eingestellt werden kann.
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Alternativ oder zusätzlich ist bevorzugt vorgesehen, dass die Position der Anschlagfläche in einer Mehrzahl von Kalibrierversuchen bestimmt wird. Dabei kann beispielsweise der Kalibrierstift zunächst etwas über den Mittelpunkt der Kugel hinaus vorgetrieben werden, wobei anschließend seine Position unter mehrfacher Durchführung von Kalibriermessungen zurückverlagert wird, bis der Mittelpunkt der Vollkugel aufgefunden ist. Dies äußert sich dann insbesondere in einer minimalen Streuung der Messergebnisse der Kalibriermessungen und/oder einer minimalen Messungenauigkeit des Ergebnisses der Kalibriermessungen. Auf diese Weise kann die Anschlagfläche auf den Kugelmittelpunkt hin iterativ feinjustiert werden, bis die Kalibrierung ein Optimum zeigt.
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Ist der Mittelpunkt der Vollkugel einmal exakt gefunden, kann eine Vielzahl von Messspitzen sehr genau kalibriert werden, und somit können sehr genaue Punktmessungen an Kraftfahrzeug-Karosserien erfolgen.
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Die Beschreibung der Kalibriereinrichtung einerseits und des Verfahrens andererseits sind komplementär zueinander zu verstehen. Merkmale der Kalibriereinrichtung, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Merkmale eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Kalibriereinrichtung. Verfahrensschritte, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit der Kalibriereinrichtung erläutert wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Schritte einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens. Dieses zeichnet sich bevorzugt durch wenigstens einen Verfahrensschritt aus, der mit wenigstens einem Merkmal eines erfindungsgemäßen oder bevorzugten Ausführungsbeispiels der Kalibriereinrichtung bedingt ist. Die Kalibriereinrichtung zeichnet sich bevorzugt durch wenigstens ein Merkmal aus, welches durch wenigstens einen Schritt einer erfindungsgemäßen oder bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens bedingt ist.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung einer Kalibriereinrichtung.
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Die einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung einer Kalibriereinrichtung 1, welche einen mittels einer Messspitze 3 antastbaren Kalibrierpunkt 5 aufweist. Dabei ist der Kalibrierpunkt 5 im Inneren einer Vollkugel 7 angeordnet, wobei die Vollkugel 7 eine Aufnahme 9 für die Messspitze 5 aufweist.
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Die Vollkugel 7 ist vorzugsweise aus Stahl gebildet, weist Stahl auf, oder besteht aus Stahl.
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Der Kalibrierpunkt 5 ist vorzugsweise als Mittelpunkt der Vollkugel gewählt.
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Der Kalibrierpunkt 5 ist an einer Anschlagfläche 11 für die Messspitze 3 angeordnet, wobei die Anschlagfläche ein Material aufweist, das härter ist als das Material der Messspitze 3. Besonders bevorzugt weist die Anschlagfläche Glas oder Rubin auf oder besteht aus Glas oder Rubin. Die Messspitze 3 weist bevorzugt Stahl auf oder besteht aus Stahl.
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Die Vollkugel 7 weist bevorzugt eine zentrische Durchgangsbohrung 13 auf, die insbesondere im Bereich der Aufnahme 9 auf einen Durchmesser der Messspitze 3 abgestimmt ist, sodass die Messspitze 3 in definierter Weise in der Aufnahme 9 aufnehmbar und durch diese führbar ist.
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An der Durchgangsbohrung 13 ist auf einer der Aufnahme 9 entgegengesetzten Seite einseitig bis eine bestimmte Strecke über den Mittelpunkt der Vollkugel 7 hinaus eine Stiftaufnahme 15 für einen Kalibrierstift 17 angeordnet, wobei die Stiftaufnahme 15 zumindest bereichsweise ein Feingewinde 19 aufweist. Der Kalibrierstift 17 ist in der Stiftaufnahme 15 angeordnet, und weist stirnseitig die Anschlagfläche 11 auf. Insbesondere ist bevorzugt auf eine Stirnfläche 21 des Kalibrierstifts 17 ein Plättchen 23 aufgeklebt, welches die Anschlagfläche 11 aufweist, und welches bevorzugt aus einem sehr harten Material, insbesondere aus Glas oder Rubin besteht. Insbesondere kann das Plättchen 23 als Glas- oder Rubinscheibe ausgebildet sein.
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Die Kalibriereinrichtung 1 weist eine hier nicht dargestellte Magnetschale zur Halterung der Vollkugel 7 auf.
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Im Rahmen eines Verfahrens zum Kalibrieren eines die Messspitze 3 aufweisenden optischen Tasters wird die Messspitze 3 bevorzugt in die Aufnahme 9 bis zum Anschlag an der Anschlagfläche 11 eingeführt, wobei dann durch Koordinatenmessung in verschiedenen Winkelpositionen der Vollkugel 7 bei ortsfestem Kalibrierpunkt 5 eine Kalibrierung des optischen Tasters durchgeführt wird.
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Eine Position der Anschlagfläche 11 in der Vollkugel 7 kann dabei rechnerisch über das Feingewinde 19 festgelegt werden, wobei insbesondere dann, wenn der Durchmesser der Vollkugel 7 genau bekannt ist, und wenn die Gewindesteigung des Feingewindes 19 genau bekannt ist, es möglich ist, die Anschlagfläche 11 durch eine definierte Zahl von Umdrehungen des Kalibrierstifts 17, der vorzugsweise ein mit dem Feingewinde 19 kämmendes Feingewinde aufweist, exakt bis zu dem Mittelpunkt der Vollkugel 7 vorzutreiben.
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Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, die Position der Anschlagfläche 11 in einer Mehrzahl von Kalibriermessungen zu bestimmen und insbesondere mit dem Mittelpunkt der Vollkugel 7 in Übereinstimmung zu bringen. Hierzu wird besonders bevorzugt die Anschlagfläche 11 mit dem Kalibrierstift 17 zunächst über den Mittelpunkt der Vollkugel 7 hinaus vorgetrieben, wobei dann anschließend unter einer Mehrzahl von Kalibriermessungen eine Rückverlagerung der Anschlagfläche 11 erfolgt, wobei ein Optimum der Genauigkeit des Kalibrierergebnisses aufgesucht und so schließlich der Mittelpunkt der Vollkugel 7 aufgefunden wird.
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Insgesamt zeigt sich so, dass mittels der hier vorgestellten Kalibriereinrichtung 1 und dem Verfahren zum Kalibrieren eine sehr exakte Kalibrierung eines optischen Tasters möglich ist. Die Kalibrierung erfolgt insbesondere über den exakten Mittelpunkt der Vollkugel 7. Bei jeglicher Drehung der Kugel in ihrer Magnetschale bleibt der Mittelpunkt der Vollkugel 7 immer an der gleichen Stelle. Voraussetzung dafür ist, dass die Durchgangsbohrung 13 bis zum Mittelpunkt der Vollkugel 7 zentral und sehr genau platziert ist. Wichtig ist auch, dass die Durchgangsbohrung 13 im Bereich der Aufnahme 9 so ausgeführt ist, dass sie passgenau die Messspitze 3 exakt zum Mittelpunkt der Vollkugel 7 führt. Nur dann ist gewährleistet, dass bei jeder Stellung der Vollkugel 7, insbesondere bei jeder Winkelposition derselben, mit der Messspitze 3 der Antastpunkt und damit der Kalibrierpunkt 5 immer derselbe ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012020719 A1 [0002]
