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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Koordinatenmessgerät zur Messung von räumlichen Koordinaten eines Werkstücks.
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Gemäß des Oberbegriffs des Anspruchs 1 betrifft die vorliegende Erfindung ein Koordinatenmessgerät mit (i) einem optischen Sensor zur optischen Erfassung von Bilddaten eines Werkstücks, wobei der optische Sensor ein Objektiv aufweist, welches eine optische Achse definiert; mit (ii) einer Beleuchtungseinrichtung zur Beleuchtung des Werkstücks während der optischen Erfassung der Bilddaten; und mit (iii) einer Auswerteeinheit, welche dazu eingerichtet ist, die erfassten Bilddaten auszuwerten und daraus räumliche Koordinaten des Werkstücks zu ermitteln, wobei die Beleuchtungseinrichtung einen diffus strahlenden Leuchtkörper und einen optischen Filter aufweist, welcher eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten, voneinander getrennten Lichtdurchtritte besitzt, wobei Licht, das von dem Leuchtkörper abgestrahlt wird, auf einer Unterseite des Filters in diesen eintritt, die Lichtdurchtritte passiert und auf einer gegenüberliegenden Oberseite des Filters aus diesem wieder austritt, wobei die Lichtdurchtritte jeweils nur Lichtstrahlen durchlassen, die einen Winkel kleiner einem definierten Grenzwinkel mit einer Längsachse des jeweiligen Lichtdurchtritts einschließen.
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Ein solches gattungsgemäßes Koordinatensystem ist bereits aus der
EP 1 618 349 B1 bekannt.
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Koordinatenmessgeräte dienen dazu, beispielsweise im Rahmen einer Qualitätssicherung Werkstücke zu überprüfen oder die Geometrie eines Werkstücks vollständig im Rahmen eines sogenannten "Reverse Engineering" zu ermitteln. Darüber hinaus sind vielfältige weitere Anwendungsmöglichkeiten denkbar, wie zum Beispiel auch prozesssteuernde Anwendungen, bei denen die Messtechnik direkt zur Online-Überwachung und -Regelung von Fertigungs- und Bearbeitungsprozessen angewendet wird.
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In Koordinatenmessgeräten können verschiedene Arten von Sensoren zur Anwendung kommen, um das zu vermessende Werkstück zu erfassen. Beispielsweise sind hierzu taktil messende Sensoren bekannt, wie sie von der Anmelderin unter der Produktbezeichnung "VAST XT" oder "VAST XXT" vertrieben werden. Hierbei wird die Oberfläche des zu vermessenden Werkstücks mit einem Taststift abgetastet, dessen Koordinaten im Messraum ständig bekannt sind. Ein derartiger Taststift kann auch entlang der Oberfläche eines Werkstücks bewegt werden, so dass in einem solchen Messvorgang im Rahmen eines sogenannten "Scanning-Verfahrens" eine Vielzahl von Messpunkten in festgelegten zeitlichen Abständen erfasst werden können.
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Darüber hinaus ist es bekannt, optische Sensoren einzusetzen, die ein berührungsloses Erfassen der Koordinaten eines Werkstücks bzw. Messobjekts ermöglichen. Die vorliegende Erfindung betrifft ein solches Koordinatenmessgerät mit optischem Sensor.
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In der optischen dimensionellen Messtechnik entstehen regelmäßig große Aufwände, wenn mit Genauigkeiten im Bereich einzelner Mikrometer die Form von Werkstücken gemessen werden soll. Dies ist allgemein darauf zurückzuführen, dass vergleichsweise komplexe und schwere Sensoren von vergleichsweise komplexen Maschinen entlang vorgeplanter Trajektorien geführt werden. Anschließend oder parallel wird dann die optisch erfasste Information im Zusammenhang mit der von der Maschinen-Aktuatorik bereitgestellten Ortsinformation gesetzt, so dass die Oberfläche des zu vermessenden Objekts rekonstruiert werden kann.
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Ein Beispiel für einen optischen Sensor, welcher in einem optischen Koordinatenmessgerät zum Einsatz kommen kann, ist der unter der Produktbezeichnung "ViScan" von der Anmelderin vertriebene optische Sensor. Ein derartiger optischer Sensor kann in verschiedenen Arten von Messaufbauten oder Koordinatenmessgeräten verwendet werden. Beispiele für solche Koordinatenmessgeräte sind die von der Anmelderin vertriebenen Produkte "O-SELECT" und "O-INSPECT".
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Als optischer Sensor in solchen optischen Koordinatenmessgeräten wird üblicherweise eine Kamera mit hochauflösendem Objektiv verwendet. Bei der optischen Messtechnik wird vereinfacht gesagt der Schattenwurf des Messobjekts ausgewertet. Dazu wird auf der Abbildung des Messobjekts auf dem Kamerachip der Schwarz-Weiss-Übergang mit der Lage des Messobjekts in Verbindung gebracht. Durch Kalibration der Optik ist diese Verbindung zwischen Bild und Objekt herstellbar.
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Grundvoraussetzung bei oben genanntem Vorgehen ist jedoch, dass der Schattenwurf, also die hellen und dunklen Stellen in der auf dem Kamerachip abgebildeten Abbildung auch tatsächlich dem Profil des Messobjektes entspricht. Aus diesem Grund haben derartige optische Systeme, die für metrologische Zwecke eingesetzt werden sollen, nicht nur hohe Anforderungen an das abbildende System, sondern auch an das Beleuchtungssystem. Daher ist idealerweise die Beleuchtung an das abbildende System angepasst, um bestmögliche Messergebnisse erzielen zu können.
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Um die oben genannten, hohen Anforderungen an das Beleuchtungssystem gewährleisten zu können, wird in optischen Koordinatenmessgeräten häufig eine telezentrische Beleuchtungsoptik verwendet. Aus Platz- und/oder Kostengründen kann diese telezentrische Beleuchtungsoptik jedoch auch durch ein flach bauendes Flächenleuchtelement ersetzt werden. Diese Maßnahme schränkt dann jedoch aufgrund von Reflexionen des diffusen Lichts am Messobjekt vor allem bei Volumenteilen die Messgenauigkeit ein. Um auch bei einem solchen Aufbau des Koordinatenmessgeräts wieder in den Bereich der Messgenauigkeit zu gelangen, wie sie unter Verwendung einer telezentrischen Beleuchtungsoptik erzielbar ist, kann die flach bauende Flächenleuchtquelle auch durch andere Komponenten ersetzt bzw. erweitert werden.
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Die
EP 1 618 349 B1 beschreibt ein Koordinatenmessgerät mit einer Durchlichtbeleuchtungsanordnung, wobei die Durchlichtbeleuchtungsanordnung einen Beleuchtungskörper in Form einer Flächenleuchtquelle, welche diffus strahlend ausgebildet ist, aufweist. Zusätzlich zu der Bildverarbeitungssensorik und dieser Durchlichtbeleuchtungsanordnung weist das Koordinatenmessgerät einen Filter auf, welcher zwischen der Flächenleuchtquelle und dem Messobjekt angeordnet ist. Dieser Filter weist kanalartige Durchtrittsöffnungen auf, die parallel zu der optischen Achse des Objektivs der Bildverarbeitungssensorik ausgerichtet sind und nur Strahlen kleiner einem definierten Grenzwinkel α zu der optischen Achse durchlassen. Der Grenzwinkel α, unter dem durch die Durchtrittsöffnungen Strahlen hindurchtreten können, beläuft sich grundsätzlich auf weniger als 10°, vorzugsweise auf weniger als 3°, gegebenenfalls sogar weniger als 1°. Durch diesen optischen Filter soll gemäß der Lehre der
EP 1 618 349 B1 Falschlicht vermieden werden, das in die Optik, das heißt die Bildverarbeitungssensorik ansonsten gelangen könnte. Hierdurch sollen Abbildungsfehler und damit auch Messfehler, insbesondere beim Messen rotationssymmetrischer Teile, vermieden werden.
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Es hat sich jedoch herausgestellt, dass bei einem Einsatz eines optischen Filters, wie er in der
EP 1 618 349 B1 beschrieben ist, sehr enge Toleranzen eingehalten werden müssten, um das diffus strahlende Licht der Flächenleuchtquelle so auszurichten, dass die oben beschriebenen Messfehler nicht entstehen können. Für kleine auszuleuchtende Flächen ist eine prozesssichere Herstellung und Montage eines solchen optischen Filters eventuell relativ einfach möglich. Handelt es sich bei der auszuleuchtenden Fläche jedoch um eine größere Fläche, beispielsweise um eine Fläche im Bereich von 100 × 100 mm
2, ist die Vermeidung von Messfehlern mit der aus der
EP 1 618 349 B1 bekannten Lösung, in der Praxis kaum noch zu gewährleisten. Dies liegt insbesondere daran, dass die eingesetzten optischen Filter fertigungsbedingt die notwendigen engen Toleranzen kaum erfüllen können.
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Die Lehre der
EP 1 618 349 B1 fordert des Weiteren, dass die kanalartigen Durchtrittsöffnungen des Filters eine Beleuchtungsapertur aufweisen, welche gleich oder kleiner ist als die optische Apertur des Objektivs. Wenngleich diese Forderung aus optischer Sicht zunächst sinnvoll erscheint, da hierdurch ein zu großer Schattenwurf vermieden werden soll und Licht, das aus dem Filter austritt, seitlich nicht an dem Objektiv vorbeigeführt werden soll, haben sich in der Praxis dennoch einige Nachteile gezeigt.
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Durch die Forderung, dass die optische Apertur des Objektivs größer sein soll als die Beleuchtungsapertur der kanalartigen Durchtrittsöffnungen des Filters, wird einerseits nicht das gesamte, mögliche Potenzial der Abbildungsoptik ausgenutzt. Hierdurch ist zwangsläufig ein Auflösungsverlust aufgrund der nicht kompletten Ausleuchtung der Abbildungsoptik in Kauf zu nehmen. Des Weiteren ist die Beleuchtungsapertur der kanalartigen Durchtrittsöffnungen des Filters fertigungsbedingt nach unten hin beschränkt. Beliebig kleine Beleuchtungsaperturen lassen sich daher in der Praxis nicht realisieren. Dies hat wiederum einen Einfluss darauf, dass bei oben genannter Forderung die optische Apertur des Objektivs relativ groß ausfallen muss. Dies wiederum wirkt sich deutlich einschränkend auf die Größe des Objektfelds aus. Telezentrische Objektive mit großen Objektfeldern, beispielsweise mit Objektfeldern größer als 70 mm im Durchmesser, und numerischen Aperturen von größer als 0.07 (entsprechend einem objektseitigen Aperturwinkel größer 4°) sind technisch kaum noch sinnvoll realisierbar. Objektive mit gleichzeitig großer numerischer Apertur und großem Bildfeld sind extrem teuer und abgesehen davon relativ groß und schwer.
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Für die Praxis heißt dies wiederum, dass bei einem realistischerweise maximal erreichbaren objektseitigen Aperturwinkel von 4° der Aperturwinkel der Lichtdurchtritte des Filters deutlich kleiner ausfallen muss. Im Übrigen sollten die Variationen der Aperturwinkel der Lichtdurchtritte des Filters dann auch deutlich kleiner als 1° sein. Auch dies hat sich aus fertigungstechnischer Sicht jedoch als kaum realisierbar dargestellt. Ein gekippter Beleuchtungsstrahl würde bei leicht defokussiertem Bild zu einer Bildverschiebung führen, was zu einer verminderten Messgenauigkeit führt bzw. die Toleranz des Filters weiter einschränkt.
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Koordinatenmessgerät bereitzustellen, welches die oben genannten Nachteile überwindet. Dabei ist es insbesondere eine Aufgabe, ein Koordinatenmessgerät der oben genannten Art bereitzustellen, welches insbesondere für große Objektfelder geeigneter erscheint als das aus der
EP 1 618 349 B1 bekannte Koordinatenmessgerät, im Gegensatz dazu auch günstiger in der Herstellung ist, Messfehler vermeidet, und wobei die fertigungstechnischen Beschränkungen bezüglich des Filters als auch des Objektivs eher Beachtung finden.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe ausgehend von dem eingangs genannten, gattungsgemäßen Koordinatenmessgerät dadurch gelöst, dass die Lichtdurchtritte eine Beleuchtungsapertur NAB aufweisen, welche größer als die optische Apertur NAA des Objektivs ist.
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Die vorliegende wendet sich also von der in der
EP 1 618 349 B1 gelehrten Lösung ab. Es hat sich nämlich gezeigt, dass die exakt gegenteilige Auslegung des Systems, wobei die numerischer Apertur NA
B der Beleuchtungseinrichtung größer ist als die numerische Apertur NA
A des Objektivs, in der Praxis vielfältige Vorteile hat. Zum einen lassen sich Objektive mit vergleichsweise kleinerer numerischer Apertur NA
A eher für größere Bildfelder realisieren, ohne dass diese zu groß, zu schwer und zu teuer werden. Zum anderen ergeben sich jedoch auch diverse optische Vorteile. Solange die numerische Apertur NA
B der Lichtdurchtritte des Filters größer ist als die numerische Apertur NA
A des Objektivs, überstrahlt die Beleuchtung das Objektiv. In der Beleuchtungseinrichtung vorkommende Winkelvariationen führen dann nicht automatisch zu einer Intensitätsvariation des am optischen Sensor ankommenden Lichts. Letztendlich ist hierdurch auch eine größere Auflösung möglich. Da die Beleuchtungsapertur NA
B der Lichtdurchtritte des Filters vergleichsweise größer sein kann als dies in der
EP 1 618 349 B1 gefordert ist, lässt sich der Filter in der Praxis auch einfacher realisieren. Insgesamt sind somit, was die Geradlinigkeit und Parallelität der Lichtdurchtritte des optischen Filters angeht, geringere Toleranzen hinnehmbar, da eine nicht exakte Parallelität der Lichtdurchtritte des Filters, die in der Praxis häufig auftritt, bei oben genannter Forderung (NA
B > NA
A) zu vergleichsweise geringeren Messfehlern führt.
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In der Praxis hat sich nämlich herausgestellt, dass die Richtung des Schwerstrahls, also die Richtung der Lichtkegel-Mittelachse bzw. Lichtkegel-Hauptachse, fertigungsbedingt nicht immer exakt senkrecht zur mechanischen Oberfläche des Filters verläuft. Messungen haben ergeben, dass die Abstrahlcharakteristik eines optischen Filters der oben genannten Art zwar meist die Anforderung eines 5°-Öffnungswinkels des Lichtkegels über das gesamt Bildfeld einhält, die Richtung der Schwerstrahlen jedoch keineswegs über das gesamte Bildfeld senkrecht zu der mechanischen Oberfläche des Filters ausgerichtet ist. Stattdessen hat es sich gezeigt, dass diese Forderung (Richtung der Schwerstrahlen senkrecht zur mechanischen Oberfläche) nicht nur im Mittel nicht erfüllt ist, sondern zusätzlich auch positionsabhängig unterschiedlich ist.
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Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Beleuchtungsapertur NAB größer oder zumindest gleich groß wie die Summe aus der optischen Apertur NAA des Objektivs und einem Winkel γmax, wobei γ ein Abweichungswinkel ist, den ein Schwerstrahl, also die Hauptachse eines einen Lichtkanal des Filters verlassenden Lichtkegels, mit der optischen Achse des Objektivs einschließt, und wobei γmax der maximale Abweichungswinkel γ aller Lichtdurchtritte ist. Sofern gilt: NAB ≥ NAA + γmax ist also auch bei der oben genannten, fertigungsbedingten Abstrahlcharakteristik des Filters sichergestellt, dass die Beleuchtung das Objektiv seitlich überstrahlt und somit Winkelvariationen, welche in der Beleuchtungseinrichtung vorkommen, nicht zu Intensitätsvariationen im optischen Sensor führen. Die genannte Beziehung betrifft somit die Untergrenze der numerischen Apertur NAB der Lichtdurchtritte des Filters. Diese Untergrenze liegt vorzugsweise im Bereich von 2°. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung gilt also: NAB ≥ sin(2°) = 0.035
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung gilt für die Obergrenze der Beleuchtungsapertur NA
B die folgende Beziehung:
wobei λ die Wellenlänge des Lichts ist und R ein maximaler Radius des Werkstücks ist. Diese Obergrenze stellt sicher, dass die Breite des Falschlichtstreifens, der an der Bauteilgrenze entsteht, kleiner ist als die Abbildungsauflösung des optischen Sensors bzw. Abbildungsobjektives. Der Falschlichtstreifen wird also nicht mehr vom optischen Sensor aufgelöst und kann das Messergebnis nicht signifikant verfälschen.
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Die Beleuchtungsapertur NAB ist vorzugsweise kleiner oder gleich sin(10°) (= 0.174), besonders bevorzugt kleiner oder gleich sin(5°) (= 0.087).
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind die Lichtdurchtritte jeweils durch eine Kanalwand mit einer definierten Kanalwanddicke t voneinander getrennt und das Koordinatenmessgerät weist eine Werkstückauflage zur Aufnahme des Werkstücks auf, wobei für die Kanalwanddicke t gilt: t < d × NAA wobei d ein Abstand zwischen der Werkstückauflage und der Oberseite des Filters ist.
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Sofern die oben genannte Bedingung für die Kanalwanddicke t eingehalten wird, sind die Kanalwände hinreichend defokussiert, so dass die Kanalwände des Filters die Abbildung nicht signifikant beeinflussen.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind Objektiv und Filter relativ zueinander derart geneigt, dass ein senkrecht zu der Oberseite des Filters ausgerichteter Normalenvektor mit der optischen Achse einen Neigungswinkel β ungleich 0° einschließt, wobei der Neigungswinkel β einer mittleren Lichtabstrahlrichtung des Filters entspricht, wobei die mittlere Lichtabstrahlrichtung des Filters ein über mindestens zwei der Lichtdurchtritte, vorzugweise ein über mindestens 10 %, besonders bevorzugt ein über mindestens 50 % der Lichtdurchtritte des Filters ermittelter Mittelwert von Lichtkegel-Hauptachsenwinkel ist, und wobei die Lichtkegel-Hauptachsenwinkel Winkel sind, welche die Hauptachsen der die Lichtdurchtritte verlassenden Lichtkegel mit dem Normalenvektor einschließen.
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Durch diese relative Neigung von Objektiv und Filter relativ zueinander lässt sich die oben beschriebene, fertigungsbedingte Abstrahlcharakteristik des Filters ausgleichen. Hierdurch lässt sich insbesondere die Lichtmenge maximieren, die durch den Filter transmittiert und von der Abbildungsoptik bzw. dem optischen Sensor aufgenommen wird. Auch hierdurch lässt sich wiederum die Messgenauigkeit erhöhen.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung gilt für die Untergrenze der Beleuchtungsapertur NAB der Lichtdurchtritte des Filters: NAB ≥ NAA + β.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines Koordinatenmessgeräts;
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2 eine schematische Querschnittsansicht zur Veranschaulichung eines ersten Ausführungsbeispiels der Beleuchtungs- und Abbildungssituation eines zu vermessenden Werkstücks in dem erfindungsgemäßen Koordinatenmessgerät; und
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3 eine schematische Querschnittsansicht zur Veranschaulichung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Beleuchtungs- und Abbildungssituation eines zu vermessenden Werkstücks in dem erfindungsgemäßen Koordinatenmessgerät.
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1 zeigt ein Koordinatenmessgerät gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Koordinatenmessgerät ist darin in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet.
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Das Koordinatenmessgerät 10 weist eine Werkstückauflage 12 auf, auf der ein zu vermessendes Werkstück platziert werden kann. Diese Werkstückauflage 12 ist auf einem Messtisch 14 angeordnet. Je nach Ausführungsform des Koordinatenmessgeräts kann es sich hierbei um einen fixen, also unbeweglichen Messtisch handeln. In der in 1 dargestellten Ausführungsform handelt es sich um einen Messtisch 14, welcher mit Hilfe einer Positioniereinrichtung 16 entlang zweier orthogonal zueinander ausgerichteter Koordinatenachsen 18, 20 in der Messtischebene linear verfahrbar ist. Die erste Koordinatenachse 18 wird normalerweise als x-Achse und die zweite Koordinatenachse 20 als y-Achse bezeichnet.
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Der Messtisch 14 ist bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel des Koordinatenmessgeräts 10 in einer sogenannten Kreuztischbauweise realisiert. Er weist eine entlang der ersten Koordinatenachse 18 (x-Achse) linear verfahrbaren X-Tisch 22 auf, auf dessen Oberseite die Werkstückauflage 12 angeordnet ist. Der X-Tisch 22 liegt wiederum auf einem parallel dazu angeordneten Y-Tisch 24 auf, mit Hilfe dessen die Werkstückauflage 12 entlang der zweiten Koordinatenachse 20 (y-Achse) linear verfahrbar ist. Der Y-Tisch 24 wiederum ist auf einer massiven Basisplatte 26 angeordnet, welche häufig als Grundplatte 26 bezeichnet wird. Die Basisplatte 26 dient als Trägerstruktur für den Messtisch 14 und ist meist integriert mit einem Maschinengestell 28 verbunden.
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Das Maschinengestell 28 weist zusätzlich zu dem die Basisplatte 26 stützenden unteren Teil auch einen oberen Teil 28' auf, welcher meist, aber nicht zwingend notwendigerweise, mit dem unteren Teil des Maschinengestells 28 integriert verbunden ist. Dieser obere Teil 28' des Maschinengestells 28 wird häufig auch als Z-Säule bezeichnet.
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Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel des Koordinatenmessgeräts 10 ist an der Z-Säule 28' ein sogenannter Z-Schlitten 30 linear verschiebbar angebracht. Dieser Z-Schlitten 30 ist vorzugsweise mit Hilfe einer Linearführung innerhalb eines Schlittengehäuses 32 geführt, das mit der Z-Säule 28 fix verbunden ist. Der Z-Schlitten 30 ist somit entlang einer dritten Koordinatenachse 34, welche meist als z-Achse bezeichnet wird, orthogonal zu dem Messtisch 14 bzw. orthogonal zu den beiden anderen Koordinatenachsen 18, 20 verfahrbar. Auf der dem Messtisch 14 zugewandten Unterseite des Z-Schlittens 30 ist ein Messkopf 36 angeordnet. Je nach Ausführungsform des Koordinatenmessgeräts 10 weist der Messkopf 36 einen oder mehrere Sensoren auf. In dem vorliegenden Fall weist der Messkopf 36 einen optischen Sensor 38 auf, mit Hilfe dessen sich das zu vermessende Werkstück, welches auf der Werkstückauflage 12 platziert ist, optisch erfassen lässt. Mit Hilfe dieses optischen Sensors 38 lassen sich Bilddaten des Werkstücks erfassen. Hierzu wird vorzugsweise eine Kamera mit hochauflösender Optik verwendet. Unter Bilddaten werden vorliegend allgemein Bilder oder Bildsequenzen des Werkstücks verstanden.
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Das Koordinatenmessgerät 10 weist ferner eine Beleuchtungseinrichtung 42 auf. Diese Beleuchtungseinrichtung 42 dient der Beleuchtung des zu vermessenden Werkstücks während der optischen Erfassung der Bilddaten mit Hilfe des optischen Sensors 36. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel des Koordinatenmessgeräts 10 handelt es sich bei dieser Beleuchtungseinrichtung 42 um eine sogenannte Durchlichtbeleuchtungsanordnung. Bei der Durchlichtbeleuchtung befindet sich die Lichtquelle relativ zu dem optischen Sensor 36 hinter dem zu vermessenden Werkstück. Die Beleuchtungseinrichtung 42 ist daher vorzugsweise in den Messtisch 14 integriert oder unter diesem angeordnet. Die Werkstückauflage 12 ist vorliegend vorzugsweise lichtdurchlässig ausgestaltet. Auf diese Weise erscheinen Bereiche, die nicht von dem zu vermessenden Werkstück verdeckt werden, auf dem optischen Sensor 38 hell. Umgekehrt erscheinen Bereiche, welche von dem zu vermessenden Werkstück verdeckt werden, auf dem optischen Sensor 38 dunkel.
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Das Koordinatenmessgerät 10 weist ferner Bedien- und Schaltinstrumente 44 auf, mit denen ein Bediener den optischen Sensor 38 sowie die Werkstückaufnahme 12 manuell steuern bzw. positionieren kann.
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Eine Steuereinheit bzw. Auswerteeinheit 46 (beide Begriffe werden vorliegend äquivalent verwendet) ist gemäß des in 1 gezeigten Ausführungsbeispiels in einem Aufnahmebehälter 48 angeordnet, welcher an der Z-Säule 28' angebracht ist. Diese Steuereinheit 46 dient der Steuerung einer Vielzahl von Komponenten des Koordinatenmessgeräts 10. Unter anderem dient sie dazu, die von dem optischen Sensor 38 erfassten Bilddaten mit Hilfe bekannter metrologischer Bildverarbeitungssoftware auszuwerten, um daraus die Koordinaten des zu vermessenden Werkstücks zu berechnen. Die Steuer- bzw. Auswerteeinheit 46 ist vorzugsweise in Form von Computer-Hardware ausgestaltet, auf der eine entsprechende Software installiert ist.
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Es versteht sich, dass das in 1 gezeigte Koordinatenmessgerät 10 lediglich eines von vielen möglichen Ausführungsbeispielen eines Koordinatenmessgeräts ist, in welchem die vorliegende Erfindung implementierbar ist. Der Messtisch 14 kann grundsätzlich auch unbeweglich ausgestaltet sein. Auch die Art und Weise wie der Messkopf 36 am Maschinengestell 28 aufgehangen ist, lässt sich grundsätzlich anders ausführen. Insbesondere die Kinematik, mit Hilfe derer der Messkopf 36 und das zu vermessende Werkstück relativ zueinander bewegt werden, kann konstruktiv anders ausgestaltet sein. Der Messkopf 36 mit dem darin angeordneten optischen Sensor 38 kann beispielsweise zusätzlich zu der Verfahrbarkeit entlang der z-Achse 34 auch um eine, zwei, drei oder mehr Achsen verschwenkbar sein. Zudem ist es möglich, dass das Schlittengehäuse 32 und/oder der Messkopf 36 auch entlang der x-Achse 16 und/oder entlang der y-Achse 20 verfahrbar ist.
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Ebenso sei darauf hingewiesen, dass die Beleuchtungseinrichtung anstelle der Durchlichtbeleuchtungsanordnung oder zusätzlich zu dieser auch eine Auflichtbeleuchtungsanordnung aufweisen kann. Bei einer Auflichtbeleuchtung wird das zu vermessende Werkstück von der Objektivseite aus, also von der Seite des optischen Sensors 38 aus beleuchtet. Eine Auflichtbeleuchtungsanordnung weist dazu eines oder mehrere Leuchtmittel auf, welche vorzugsweise um den optischen Sensor 38 herum angeordnet sind. Diese Leuchtmittel können beispielsweise ringförmig um den Sensor 38 herum angeordnet sein. Es versteht sich jedoch, dass auch andere geometrische Anordnungen grundsätzlich denkbar sind.
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2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht zur Veranschaulichung eines ersten Ausführungsbeispiels der Beleuchtungs- und Abbildungssituation eines zu vermessenden Werkstücks in dem erfindungsgemäßen Koordinatenmessgerät. Die schematische Querschnittsansicht in 2 zeigt insbesondere ein Ausführungsbeispiel einer Beleuchtungsanordnung 42, welche beispielsweise als eine in den Messtisch 14 integrierte Durchlichtbeleuchtungsanordnung in dem Koordinatenmessgerät 10 eingesetzt werden kann. Des Weiteren ist in 2 die Werkstückauflage 12 angedeutet, auf der eine beispielhaftes Werkstück 64 positioniert ist, das mit Hilfe des optischen Sensors 38, welcher ein Objektiv 68 aufweist, optisch erfasst wird.
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Die hier dargestellte Beleuchtungseinrichtung 42 weist eine Leuchtquelle 50 sowie einen optischen Filter 52 auf. Bei der Leuchtquelle 50 handelt es sich vorzugsweise um eine Flächenleuchtquelle. In jedem Fall handelt es sich dabei um einen diffus strahlenden Leuchtkörper. Unter einem diffus strahlenden Leuchtkörper wird vorliegend ein Leuchtkörper verstanden, welcher idealerweise eine in alle Richtungen gleichmäßig abstrahlende Beleuchtung erzeugt (z.B. Lambert-Strahler) oder zumindest eine im Bezug auf die Unterseite 54 des Filters 52 in etwa gleichmäßig abstrahlende Beleuchtung erzeugt. Es versteht sich, dass für die vorliegende Anwendung ein nicht zwingend notwendigerweise in alle Richtungen oder in einen gesamten Halbraum abstrahlender Leuchtkörper verwendet werden muss. Es genügt ein Leuchtkörper, welcher die gesamte Unterseite 54 des Filters 52 in jedem Punkt mit der in etwa gleichen Lichtintensität (in der Praxis vorkommende, zu vernachlässigende Abweichungen inkludiert) bestrahlt. Auch ein derartiger Leuchtkörper soll vorliegend als diffus strahlender Leuchtkörper verstanden werden. Beispielsweise können hier mehrere, in einer Reihe, in einer Matrix oder in konzentrischen Kreisen angeordnete LEDs verwendet werden. Über diesen LEDs kann beispielsweise eine Glasplatte angeordnet sein.
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Der optische Filter 52 wird mit Hilfe des diffus strahlenden Leuchtkörpers 50 von seiner Unterseite 54 aus beleuchtet. Die von dem Leuchtkörper 50 ausgehenden Lichtstrahlen, welche mit Hilfe der Pfeile 56 angedeutet sind, treten auf der Unterseite 54 des Filters 52 in nebeneinander angeordnete Lichtdurchtritte 58 ein und auf der Oberseite 60 des Filters 52 aus diesen wieder heraus. Die nebeneinander angeordneten Lichtdurchtritte 58 werden vorzugsweise durch einzelne aneinander haftende Folien bzw. Lamellen erzeugt. Die Lichtdurchtritte 58 des Filters 52 sind dabei derart konzipiert, dass Lichtstrahlen 56, welche auf der Unterseite 54 des Filters 52 in einen der Lichtdurchtritte 58 eintreten, innerhalb des Filters 52 nicht in einen benachbarten Lichtkanal 58 übertreten können. Die einzelnen Lichtdurchtritte 58 sind also optisch voneinander getrennt. Des Weiteren sind die Lichtdurchtritte 58 derart konzipiert, dass jeder der Lichtdurchtritte 58 nur Lichtstrahlen 56 durchlässt, die einen Winkel kleiner einem definierten Grenzwinkel α mit einer Längsachse 62 des jeweiligen Lichtdurchtritts 58 einschließen. Lichtstrahlen 56, welche einen Winkel größer als dieser definierte Grenzwinkel α mit der Längsachse 62 des jeweiligen Lichtdurchtritts 58 einschließen, können aus den Lichtdurchtritten 58 dagegen nicht austreten. Die Lichtdurchtritte 58 sind in den Figuren als kanalartige Lichtdurchtritte angedeutet. Dies muss in der Praxis nicht zwingend der Fall sein. Bei den Lichtdurchtritten 58 kann es sich auch um voneinander getrennte Öffnungen oder eine Art Gitterstruktur handeln, welche an der Grenzfläche zwischen mehreren senkrecht zueinander stehenden Spalten einer Lamellenstruktur ergeben. Die Lichtdurchtritte 58 müssen sich daher nicht, wie dies in 2 dargestellt ist, von der Unterseite 54 bis zu der Oberseite 60 erstrecken. Wichtig ist lediglich, dass diese örtlich betrachtet zwischen der Unterseite 54 und der Oberseite 60 angeordnet sind. Des Weiteren sei darauf hingewiesen, dass es sich bei den Lichtdurchtritten 58 keineswegs um Materialausparungen handeln muss. Die Lichtdurchtritte können auch durch ein lichtdurchlässiges, also transparentes Material realisiert sein, welches von lichtundurchlässigem Material umgeben ist. Der Begriff „Lichtdurchlass“ soll auch keinerlei Querschnittsform implizieren.
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Der optische Filter 52 kann z.B. durch Bohrungen in einer nicht-transparenten Trägerplatte oder durch Verkreuzen von Lamellenfiltern hergestellt werden. Auch durch Bündeln bzw. Stapeln von optischen Fasern, die mit einem entsprechenden absorbierenden Mantel versehen sind, kann ein solcher Filter realisiert werden. Bei Filterdicken im Bereich von 1–10 mm sind dabei Lichtdurchtritte mit Durchmessern von ca. 45–450µm zu realisieren, wenn man eine Winkeleinschränkung von 5° anstrebt.
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Es sei darauf hingewiesen, dass die in 2 gezeigte Anordnung der Beleuchtungseinrichtung 42 grundsätzlich bereits aus dem Stand der Technik bekannt ist. Es hat sich nunmehr jedoch herausgestellt, dass das oben beschriebene optische Verhalten des Filters 52 fertigungsbedingt nur sehr schwierig einzuhalten ist. Dabei hat sich insbesondere herausgestellt, dass in der Praxis die Längsachsen 62 der einzelnen Lichtdurchtritte 58 nicht immer exakt parallel zueinander ausgerichtet sind. Auch die Oberseite 60 des Filters 52 verläuft nicht immer exakt senkrecht zu den Längsachsen 62 der Lichtdurchtritte 58. Daraus resultierend ergibt sich auch, dass die Richtung der Schwerstrahlen, also die Richtung der Mittelachsen der Lichtkegel, welche die einzelnen Lichtdurchtritte 58 verlassen, nicht immer exakt senkrecht zur Oberseite 60 des Filters 52 verlaufen.
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Die von der Anmelderin unternommenen Messungen haben beispielsweise ergeben, dass die Abstrahlcharakteristik eines solchen optischen Filters 52 zwar meist einen geforderten Öffnungswinkel α der Lichtkegel im Bereich von 5° über das gesamte Bildfeld des Filters 52 einhält, die Richtung der Schwerstrahlen dieser Lichtkegel jedoch nicht allesamt parallel zueinander ausgerichtet sind. Die Richtung der Schwerstrahlen variiert in der Praxis positionsabhängig. Sie ist also von Lichtdurchtritt 58 zu Lichtdurchtritt 58 unterschiedlich.
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In der in 2 dargestellten schematischen Zeichnung ist diese Art der Winkelvariation der Längsachsen 62 der Lichtdurchtritte 58 übertrieben dargestellt. Hier ist beispielsweise ein Abweichungswinkel γmax eingezeichnet. Dieser Abweichungswinkel γmax bezeichnet den unter allen Lichtdurchtritten 58 des Filters 52 auftretenden maximalen Winkel zwischen der Längsachse 62 jedes Lichtdurchtritts 58 und der optischen Achse 70 des Objektivs 68. Anders ausgedrückt: Die Längsachse 62 jedes Lichtdurchtritts 58 schließt mit der optischen Achse 70 des Objektivs 68 einen Abweichungswinkel γ ein. Dieser Abweichungswinkel γ ist im besten Fall gar nicht vorhanden bzw. hat die Größe 0°. In der Praxis ist eine exakte Parallelität der Lichtdurchtritte 58, wie gesagt, jedoch kaum einhaltbar, so dass diese Winkel γ für die meisten Lichtdurchtritte 58 ungleich 0° sind. Der maximale Abweichungswinkel γmax ist der von allen Lichtdurchtritten 58 größte gemessene Abweichungswinkel γ.
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Anstelle den Abweichungswinkel γ als Winkel zwischen der Längsachse 62 jedes Lichtdurchtritts 58 und der optischen Achse 70 des Objektivs 68 zu bezeichnen, kann dieser auch als Winkel zwischen der optischen Achse 70 des Objektivs 68 und den Hauptachsen der aus den Lichtdurchtritten 58 an der Oberseite 60 des Filters 52 austretenden Lichtkegel bezeichnet werden.
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Objektiv 68 und Filter 52 sind erfindungsgemäß insbesondere derart konzipiert, dass die numerische Apertur NAB der Lichtdurchtritte 58 des Filters 52 größer ist als die numerische Apertur NAA des Objektivs 68. Vorzugsweise gilt für die Untergrenze der numerischen Apertur NAB der Lichtdurchtritte 58 des Filters 52: NAB ≥ NAA + γmax
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Absolut gesehen ist NAB vorzugsweise größer oder gleich sin(2°) bzw. 0.035. Die Obergrenze für die Beleuchtungsapertur NAB liegt vorzugsweise im Bereich von sin(10°) bzw. 0.174, besonders bevorzugt im Bereich von sin(5°) bzw. im Bereich von 0.087. Die Dicke t der Wände, welche die einzelnen Kanäle 58 des Filters 52 voneinander trennen, sollte vergleichsweise klein gewählt werden, damit diese Kanalwände hinreichend defokussiert werden und die Abbildung im optischen Sensor 38 nicht signifikant beeinflussen. Für diese Kanalwanddicke t gilt vorzugsweise: t < d × NAA, wobei d der Abstand zwischen der Werkstückauflage 12 und der Oberseite 60 des Filters ist.
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3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Beleuchtungs- und Abbildungssituation des zu vermessenden Werkstücks 64 in einer schematischen Querschnittsansicht. Im Vergleich zu 2 ist das Filterelement 52 darin geneigt. Der Filter 52 ist vorzugsweise derart geneigt, dass ein senkrecht zu der Oberseite 60 des Filters 52 ausgerichteter Normalenvektor 72 mit der optischen Achse 70 des Objektivs 68 einen Neigungswinkel β einschließt. Dieser Neigungswinkel β entspricht vorzugsweise der mittleren Lichtabstrahlrichtung des Filters 52. Die mittlere Lichtabstrahlrichtung des Filters 52 ist ein über mehrere, vorzugsweise alle Lichtdurchtritte 58 des Filters ermittelter Mittelwert von Lichtkegel-Hauptachsenwinkel, wobei die Lichtkegel-Hauptachsenwinkel Winkel sind, welche die Hauptachsen der die Lichtdurchtritte 58 verlassenden Lichtkegel mit dem Normalenvektor 72 einschließen.
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Diese Art von Neigung des Filters 52 dient zum Ausgleich der oben erwähnten, fertigungsbedingten Lichtabstrahleigenschaften, welche für solche Filter 52 charakteristisch sind. Wie bereits erwähnt ist die Richtung der Schwerstrahlen, also der Mittel- bzw. Hauptachsen der die Lichtdurchtritte 58 verlassenden Lichtkegel, von Lichtkanal 58 zu Lichtkanal 58 unterschiedlich, da es fertigungsbedingt kaum möglich ist, die Lichtdurchtritte 58 exakt parallel zueinander auszugestalten. Durch die Schrägstellung des Filters 52 um den Neigungswinkel β lässt sich diese Lichtabstrahlcharakteristik des Filters 52 zumindest im Mittel ausgleichen.
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Bei Vergleich der 2 und 3 fällt des Weiteren auf, dass der maximale Abweichungswinkel γmax in 3 kleiner ist als in 2, da die Schrägstellung des Filters 52 um den Neigungswinkel β diesem Abweichungswinkel entgegengesetzt orientiert ist. Wenngleich dies grundsätzlich von Vorteil ist, versteht sich jedoch, dass dies nicht zwangsläufig immer der Fall sein muss. Für die Untergrenze der Beleuchtungsapertur NAB gilt jedoch auch: NAB ≥ NAA + β.
