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Die Erfindung betrifft ein Messelement für ein Koordinatenmessgerät mit einem taktilen Messkopf und einem optischen Emitter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein derartiges Messelement ist z. B. bekannt aus [Kathrin Schäfer; „Kleines Koordinatenmessgerät misst optisch und taktil" in DeviceMed 06/2012].
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Die Formvermessung von Bauteilen erfolgt oftmals mit Koordinatenmessgeräten. Der aktuelle Trend ist dabei, in ein Koordinatenmessgerät neben den typischerweise vorhandenen taktilen Tastern (taktil messende Sensoren) weitere optische Sensoren zu integrieren, vgl. z. B. [Kathrin Schäfer; „Kleines Koordinatenmessgerät misst optisch und taktil" in DeviceMed 06/2012]. Durch eine solche Kombination kann man die Vorteile der beiden Technologien nutzen: eine genaue, aber langsame taktile Messung und eine schnelle, aber ungenauere optische Messung. Der Nachteil dieser Vorgehensweise besteht jedoch darin, dass bislang immer nur mit einem Sensor (entweder optisch oder taktil) gemessen werden kann, bzw. zusätzlich darin, dass die Sensoren für die Messung getauscht werden müssen. Neben einem Zeitverlust bei der Messung bedeutet dies auch, dass die jeweiligen Messergebnisse zueinander referenziert werden müssen, was meist aufwendig ist.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein alternativ ausgestaltetes Messelement anzugeben, welches eine gleichzeitige taktile und optische Messung erlaubt, ohne dafür jedes Mal eine Referenzierung vornehmen zu müssen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Messelement einen taktilen Messkopf für die taktile Vermessung eines Objekts und einen optischen Emitter für die optische Vermessung des Objekts umfasst, wobei der taktile Messkopf und der optische Emitter in einer bekannten räumlichen Relation relativ zueinander fest angeordnet sind.
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Die Kenntnis der relativ zueinander festen Position des taktilen Messkopfes und des optischen Emitters erlaubt eine Transformation von Messwerten der taktilen und der optischen Vermessung in ein gemeinsames Koordinatensystem, sobald ihre räumliche Relation zu einem optischen Sensor ebenfalls ermittelt oder bereits bekannt ist. Der Sensor dient dabei zur Erfassung der vom Emitter emittierten und von dem zu vermessenden Objekt reflektierten Signale. Eine Referenzierung der beiden zunächst in unterschiedlichen Koordinatensystemen gewonnenen Messdaten ist bei Kenntnis der räumlichen Relation des Sensors gar nicht mehr erforderlich (bzw. nur noch einmalig erforderlich nach der Ermittlung der räumlichen Relation des Sensors) und ein solches Messelement kann deshalb einfach und schnell eingesetzt oder ausgetauscht werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Messelement bereits in einer bekannten räumlichen Relation relativ zu dem optischen Sensor fest angeordnet sein. Dadurch entfällt die einmalige Referenzierung des Sensors und der Einsatz des Messelementes wird noch einfacher.
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Diese Ausgestaltung kann noch weiter verbessert werden, in dem das Messelement auch den optischen Sensor umfasst. Dadurch weisen der taktile Messkopf, der Emitter und der Sensor auf dem Messelement eine feste räumliche Relation zueinander auf und können leicht gemeinsam ausgewechselt werden, ohne dass deswegen eine erneute Ermittlung ihrer räumlichen Relation erforderlich werden würde.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist der optische Emitter (z. B. eine Laserdiode) auf oder in dem taktilen Messkopf angeordnet. Dadurch weist die Kombination beider Elemente einen besonders geringen Platzbedarf auf und erlaubt auch die kombinierte Vermessung kleiner Objekte und insbesondere auch von Engstellen.
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Das erfindungsgemäße Messelement ist grundsätzlich für beliebige optische Messmethoden vorteilhaft einsetzbar, z. B. für die Interferometrie. Besonders vorteilhaft einsetzbar ist es jedoch für eine Triangulation, insbesondere Lichtschnitt-Triangulation. Bei letzterer wird ein (Laser-)Lichtstrahl zu einer Linie aufgeweitet und diese Lichtlinie wird dann auf das zu vermessende Objekt gelenkt. Mit einem Sensor, z. B. einer elektronischen Kamera, wird die Reflexion der Linie auf dem Objekt erfasst, wobei sich die Linie in Abhängigkeit von der Oberflächenkontur des Objekts deformiert und die erfasste Deformation mittels der Methoden der Photogrammetrie in 3D-Koordinaten der Objektoberfläche umgerechnet werden kann. Dieses Prinzip kann durch Verwendung mehrerer Linien zur sog. Streifenprojektion erweitert werden und erlaubt dann auch die flächige Ermittlung dreidimensionaler Oberflächen.
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Für eine Lichtschnitt-Triangulation ist es vorteilhaft, wenn das Messelement mindestens eine Aufweiteinheit umfasst zur Aufweitung eines punktförmigen optischen Signals in ein lineares optisches Signal und mindestens eine als optischer Emitter dienende Ablenkeinheit zur Ablenkung des linearen optischen Signals in Richtung auf das zu vermessende Objekt. Damit kann mindestens ein Lichtschnitt zur Vermessung auf die Oberfläche des Objekts gelenkt werden, vorzugsweise aber mehrere sich überlappende Lichtschnitte oder Laserlinien.
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Ein derartiger Lichtschnitt kann besonders einfach erzeugt werden, wenn die Aufweiteinheit als mindestens eine Zylinderlinse ausgebildet ist, da eine Zylinderlinse punktförmige Lichtquellen, wie z. B. Laser, in einen linearen Lichtschnitt aufweitet.
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Allerdings entspricht die Aufweitung einer punktförmigen Lichtquelle einer Erhöhung der Numerischen Apertur. Dies führt bei einer optischen Messung zu einer schlechteren Kollimation, d. h. zu einer schlechteren Übereinstimmung zwischen gemessener und realer Größe. Deswegen ist es vorteilhaft, wenn der Zylinderlinse im Strahlengang noch eine sogenannte Gradienten-Index-Linse (GRIN-Linse) vorangestellt wird, wodurch die Kollimation der Aufweiteinheit verbessert wird.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die mindestens eine Aufweiteinheit als ein System aus mehreren, vorzugsweise vier, Zylinderlinsen ausgebildet ist, welche gleichmäßig beabstandet um die Hauptachse des Messelementes angeordnet sind.
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Eine solche Ausgestaltung der Aufweiteinheit erlaubt es, eine der Zahl der Zylinderlinsen entsprechende Anzahl punktförmiger Lichtsignale derart in sich überlappende Lichtschnitte aufzuweiten, dass sie einen geschlossenen Lichtkreis bilden und von der Ablenkeinheit radialsymmetrisch zur Hauptachse des Messelements in Richtung auf das zu vermessende Objekt abgelenkt werden können und dadurch einen optischen 360° Scan um den taktilen Messkopf herum ermöglichen.
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Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn die Ablenkeinheit radialsymmetrisch zur Hauptachse des Messelements ausgebildet ist. Eine derartige Ablenkeinheit ist für eine Vielzahl von unterschiedlich ausgestalteten Aufweiteinheiten einsetzbar. Besonders geeignet ist sie aber für eine Aufweiteinheit, die als ein System aus mehreren Zylinderlinsen ausgebildet ist, welche gleichmäßig beabstandet um die Hauptachse des Messelementes angeordnet sind, da diese sich überlappende Lichtschnitte zu einem geschlossenen Lichtkreis überlagern, der dann mittels der radialsymmetrisch ausgebildeten Ablenkeinheit auf ein zu vermessendes Objekt gelenkt werden kann und so einen optischen 360° Scan um den taktilen Messkopf herum ermöglicht.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung der Ablenkeinheit ist durch eine zu der Aufweiteinheit ausgerichtete Spiegelfläche gegeben, welche einen aufgeweiteten Lichtschnitt in Richtung auf das zu vermessende Objekt umlenken kann. Für den Fall, dass die Aufweiteinheit als ein System aus mehreren Zylinderlinsen ausgebildet ist, ist auch eine entsprechende Anzahl von darauf ausgerichteten Spiegelflächen vorzusehen.
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Eine geeignete Spiegelfläche für die Ablenkeinheit kann z. B. auf einem Bereich des taktilen Messkopfes angebracht werden, der für die taktile Messung nicht benötigt wird. Dies ist üblicherweise ein Bereich (von vorzugsweise 80°, besonders bevorzugt von 60°) um den sogenannten Nordpol des Messkopfes, d. h. der Bereich um die Verbindung des Messkopfes mit einem Schaft des Messelementes. Dazu kann in diesem „nordpolaren” Bereich des Messkopfes z. B. ein (vorzugsweiser radialsymmetrischer) Facettenschliff eingebracht werden oder ein entsprechend gestalteter Aufsatz wird auf den Nordpol des Messkopfes aufgesetzt oder ersetzt diesen.
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Alternativ kann der Messkopf auch (zumindest in seinem „nordpolaren” Bereich) transparent ausgestaltet sein und innerhalb dieses Messkopfes ein verspiegelter Kegelstumpf zentral angeordnet sein, der dann die Ablenkeinheit bildet.
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In bevorzugter Ausgestaltung ist die Ablenkeinheit so angebracht und ausgerichtet, dass ein von ihr abgelenkter Lichtstrahl oder Lichtschnitt auf die Äquatorebene der taktilen Messung fokussiert ist.
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Eine geeignete Führung eines Lichtstrahls von einer Lichtquelle zur Aufweiteinheit und von dort weiter zur Ablenkeinheit kann in einfachster Ausgestaltung als Freistrahl erfolgen. Vorzuziehen sind aber übliche Lichtleitfasern, die für die gesamte Strecke oder auch nur für Teile verwendet werden können.
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In bevorzugter Ausgestaltung ist ein solches Messelement in einem Koordinatenmessgerät angeordnet, welches neben den üblichen Komponenten für eine taktile Messung auch bereits eine Lichtquelle umfasst.
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Deren Licht kann dann über die Aufweiteinheit und die Ablenkeinheit des Messelements auf ein zu vermessendes Objekt gelenkt werden und das von dort reflektierte Licht kann mittels des Sensors erfasst und auf bekannte Art und Weise zur optischen Vermessung genutzt werden. Dabei kann die optische Vermessung sowohl parallel als auch alternativ zur taktilen Messung erfolgen.
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Nachfolgend wird des erfindungsgemäße Messelement anhand der Figuren sowie eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Dabei zeigen die Figuren schematisch und nicht maßstabsgerecht:
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1 eine perspektivische Darstellung des erfindungsgemäßen Messelements 1 mit seinen Hauptkomponenten taktiler Messkopf 2, optischer Emitter 3 und optischer Sensor 4.
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2 einen Teil des erfindungsgemäßen Messelements 1 mit der Aufweiteinheit 31, Ablenkeinheit 32 und dem taktiler Messkopf 2 sowie einem zum Lichtschnitt aufgeweiteten und umgelenkten Laserstrahl.
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Gemäß dem Ausführungsbeispiel ist ein in 1 gezeigtes Messelement 1 in einem Koordinatenmessgerät angeordnet, welches neben den üblichen Komponenten für eine taktile Messung auch einen Laser als Lichtquelle umfasst.
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Das in 1 gezeigte Messelement 1 weist einen taktilen Messkopf 2, einen optischen Emitter 3 und einen optischen Sensor 4 auf.
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Der taktile Messkopf 2 ist im gezeigten Beispiel als übliche Rubinkugel ausgestaltet.
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Ein von dem Laser des Koordinatenmessgerätes ausgestrahlter Lichtstrahl wird über ein Lichtleitkabel zu dem in 1 gezeigten Messelement 1 geführt. Dort wird der (nicht gezeigte) Lichtstrahl zunächst von einer Aufweiteinheit 31, die in 1 aus zwei Komponenten besteht, zu einem Lichtschnitt aufgeweitet und dann von einer Ablenkeinheit 32 (vgl. 2), die als optischer Emitter fungiert, in Richtung auf ein zu vermessendes Objekt abgelenkt.
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Der optische Sensor 4 dient zur Erfassung von Lichtsignalen, die vom optischen Emitter 3 emittiert und von dem zu vermessenden Objekt reflektiert wurden.
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Der in 1 dargestellte Abstand der einzelnen Komponenten des Messkopfes 1 dient lediglich zur Verdeutlichung ihrer separaten Ausgestaltung und entspricht nicht ihrer realen Beabstandung in einem betriebsbereiten Zustand. Die Ablenkeinheit 32 ist hier als ein separater Aufsatz mit einem Facettenschliff ausgebildet. Im betriebsbereiten Zustand des Messelementes 1 ist die Ablenkeinheit 32 unmittelbar am taktilen Messkopf 2 angeordnet und auf diesen aufgesetzt.
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Der optische Emitter 3 (hier als Ablenkeinheit 32 ausgestaltet) und der taktile Messkopf 2 sind in einer bekannten räumlichen Relation relativ zueinander fest angeordnet. Das gleiche gilt für den optischen Sensor 4. Eine derartige bekannte und feste räumliche Relation der drei Komponenten erlaubt eine Transformation von Messwerten der taktilen und der optischen Vermessung in ein gemeinsames Koordinatensystem. Dazu ist lediglich einmalig eine Referenzierung der beiden zunächst in unterschiedlichen Koordinatensystemen gewonnenen Messdaten erforderlich und danach kann das Messelement 1 unter Ausnutzung der einmal vorgenommenen Referenzierung, d. h. ohne erneute Referenzierung, für unterschiedliche Messaufgaben und Koordinatenmessgeräte verwendet werden.
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Gemäß dem Ausführungsbeispiel wird das Messelement 1 in einem Koordinatenmessgerät zur Lichtschnitt-Triangulation verwendet. Dabei wird ein Laserstrahl durch die Aufweiteinheit 31 zu einer Linie aufgeweitet und diese Lichtlinie wird dann von der Ablenkeinheit 32 auf das zu vermessende Objekt gelenkt. Eine elektronische Kamera dient als optischer Sensor 4. Damit wird die Reflexion der Lichtlinie auf dem Objekt erfasst, wobei sich die Linie in Abhängigkeit von der Oberflächenkontur des Objekts deformiert. Die mittels der Kamera erfasste Deformation wird mit bekannten Methoden der Photogrammetrie in 3D-Koordinaten der Objektoberfläche umgerechnet und mittels der vorbekannten festen Referenzierung des Messelementes 1 in das Koordinatensystem des taktilen Messkopfes transformiert.
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Die Aufweiteinheit 31 ist gemäß dem Ausführungsbeispiel als eine Zylinderlinse ausgestaltet. In 2 ist schematisch dargestellt, wie eine solche Zylinderlinse eine Laserstrahl in einen linearen Lichtschnitt aufweitet. Die Ablenkeinheit 32 lenkt dann den Lichtschnitt in Richtung auf das zu vermessende Objekt.
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In alternativer Ausgestaltung ist die Aufweiteinheit 31 als ein System aus einer Zylinderlinse und einer in Strahlrichtung nachfolgend angeordneten Gradienten-Index-Linse (GRIN-Linse) ausgestaltet. Die nachfolgende GRIN-Linse dient dabei zur Verbesserung der Kollimation.
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Gegenstand eines zweiten Ausführungsbeispiels ist ein Koordinatenmessgerät zur taktilen und optischen Vermessung von Zylinderbohrungen. Für eine solche Vermessung ist ein gleichzeitiger 360°-Scan der Zylinderbohrung vorteilhaft. Ein 360°-Scan kann vorgenommen werden, wenn die Ablenkeinheit 32 des Messelements 1 nicht nur einen einzelnen Lichtschnitt in Richtung auf die Zylinderbohrung ablenkt, sondern wenn mehrere Lichtschnitte sich zu einem geschlossenen Lichtkreis überlappende Lichtschnitte von der Ablenkeinheit 32 radialsymmetrisch zur Hauptachse des Messelements 1 in Richtung auf die Innenwand der Zylinderbohrung abgelenkt werden. Dazu ist zunächst ein Strahlteiler vorgesehen, welcher den Laserstrahl in vier Teilstrahlen teilt und diese mittels vier Lichtleitfasern zum Messelement 1 führt. Dort ist die Aufweiteinheit als ein System aus vier Zylinderlinsen ausgebildet, welche gleichmäßig beabstandet um die Hauptachse des Messelementes 1 angeordnet sind und die vier Laserstrahlen zu vier sich überlappenden Lichtschnitten aufweiten. Die sich überlappenden Lichtschnitte treffen dann auf eine radialsymmetrisch zur Hauptachse des Messelements 1 ausgebildete Ablenkeinheit 32, welche als verspiegelter Facettenschliff des Messkopfes 2 ausgestaltet ist. Dabei weist der Facettenschliff vier zu den vier Zylinderlinsen ausgerichtete Facetten auf und befindet sich in einem Bereich um den sogenannten Nordpol des Messkopfes, d. h. in einem Bereich um die Verbindung des Messkopfes mit dem Schaft des Messelementes 1, der in diesem Ausführungsbeispiel um etwa 60° zur Hauptachse des Messelementes 1 geneigt ist, also etwa einem 30. Breitengrad entspricht.
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Die vier Facetten der Ablenkeinheit 32 lenken dann die vier Lichtschnitte derart auf die Innenwand der Zylinderbohrung, dass diese sich in der Äquatorebene des taktilen Messkopfes 2 auf der Innenwand der Zylinderbohrung zu einem Lichtring überlagern und von dort zurück in Richtung auf den taktilen Messkopf 2 reflektiert bzw. gestreut werden. Dort werden die Lichtsignale erneut von den vier Facetten der Ablenkeinheit 32 umgelenkt und zwar diesmal auf den Sensor 4, welcher als ein System von vier elektronischen Kameras ausgebildet ist, welche zu den vier Facetten der Ablenkeinheit 32 hin ausgerichtet sind. Die von diesen vier Kameras aufgefangenen Lichtsignale können dann mit bekannten Methoden der Photogrammetrie in 3D-Koordinaten der Objektoberfläche umgerechnet und mittels der vorbekannten festen Referenzierung des Messelementes 1 in das Koordinatensystem des taktilen Messkopfes transformiert werden.
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Das erfindungsgemäß ausgestaltete Messelement erlaubt eine gleichzeitige taktile und optische Messung, ohne dafür jedesmal eine erneute Referenzierung vornehmen zu müssen. Dabei liefert die taktile Messung vergleichsweise langsam einige hochpräzise taktil-bestimmte Koordinaten und die optische Messung sehr schnell eine große Zahl etwas weniger genau optisch-bestimmte Koordinaten der zu vermessenden Objektoberfläche – und zwar in einem gemeinsamen Koordinatensystem.
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Darüber hinaus kann das erfindungsgemäß ausgestaltete Messelement aber auch nur taktil oder nur optisch oder auch alternierend eingesetzt werden.
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Das erfindungsgemäß ausgestaltete Messelement stellt damit eine vorteilhafte Alternative zum Stand der Technik dar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Messelement
- 2
- taktiler Messkopf
- 3
- optischer Emitter
- 31
- Aufweiteinheit
- 32
- Ablenkeinheit
- 4
- optischer Sensor
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Kathrin Schäfer; „Kleines Koordinatenmessgerät misst optisch und taktil” in DeviceMed 06/2012 [0001]
- Kathrin Schäfer; „Kleines Koordinatenmessgerät misst optisch und taktil” in DeviceMed 06/2012 [0002]
