DE102016209547A1

DE102016209547A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Vermessung von Messobjekten

Info

Publication number: DE102016209547A1
Application number: DE102016209547.1A
Authority: DE
Inventors: Florian Baumer; Matthias Manger
Original assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Priority date: 2016-06-01
Filing date: 2016-06-01
Publication date: 2017-12-07

Abstract

Es wird eine Vorrichtung (110) zur Vermessung von Messobjekten (112) vorgeschlagen. Die Vorrichtung (110) umfasst: – mindestens ein Antastelement (114) mit einer Sensoroberfläche (116), wobei die Sensoroberfläche (116) eingerichtet ist, mit einer Oberfläche (118) des Messobjekts (112) an einem Antastpunkt (120) in eine Wechselwirkung zu treten, wobei das Antastelement (114) eingerichtet ist, um mindestens ein Signal zu erzeugen, welches abhängig von dem Antastpunkt (120) ist, – mindestens eine Steuer- und Auswerteeinheit (122), welche eingerichtet ist, um mindestens eine Information über den Antastpunkt (120) zu erzeugen.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Vermessung von Messobjekten. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere das Gebiet der Koordinatenmesstechnik unter Verwendung eines taktilen Koordinatenmessgeräts.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Vorrichtungen und Verfahren zur Vermessung von Messobjekten bekannt. Beispielsweise werden taktile Koordinatenmessgeräte verwendet, welche ein Antastelement in Form einer Tastkugel aufweisen. Derartige taktile Koordinatenmessgeräte sind beispielsweise in Albert Weckenmann (Hrsg.): Koordinatenmesstechnik, 2. Auflage 2012, Seiten 93–119 beschrieben. Bekannte Koordinatenmessgeräte weisen einen Tastkopf auf. An einem Übertragungselement, welches mit dem Tastkopf über ein mehrachsiges Lager verbunden ist, ist die Tastkugel befestigt. Bei einem Antasten der Tastkugel mit dem zu messenden Objekt werden entstehende Kräfte auf die Tastkugel in drei Achsen gemessen und daraus ein Richtungsvektor des Antastens, der so genannte Antastvektor, bestimmt. Bei derartigen Koordinatenmessgeräten wird bei dem Antasten der Tastkugel mit dem Objekt eine Lage eines Kugelmittelpunkts der Tastkugel im Raum bestimmt, so dass für eine Bestimmung einer Lage einer Objektkontur eine Korrektur der Messdaten um den Radius der Tastkugel notwendig ist.
In DE 103 27 867 A1 wird ein Verfahren zur Messung von Messwerten auf einem Werkstück mit einem Koordinatenmessgerät beschrieben. Das Koordinatenmessgerät weist einen messenden Tastkopf mit einem auslenkbaren Taststift auf. Das Koordinatenmessgerät kann unter Verwendung von Parametern eine lineare oder nichtlineare Abbildung (Transformation) der vom messenden Tastkopf bestimmten Auslenkungssignale in ein Koordinatensystem des Koordinatenmessgerätes durchführen. Um das Verfahren für beliebige messende Tastköpfe einsetzen zu können, insbesondere auch Tastköpfe, deren Taststift nicht in den Koordinatenrichtungen beweglich geführt ist, beschreibt wenigstens ein Teil dieser Parameter Komponenten der Taststiftauslenkung, die tangential zur Werkstückoberfläche im Berührpunkt stehen.
In DE 10 2008 049 751 A1 wird eine Vermessung von einem Werkstück beschrieben, wobei jeder Punkt einer Oberfläche des Werkstücks von einem Taster abgetastet wird. Der Taster übt eine Antastkraft auf die Oberfläche aus und der Taster wird relativ zu einer Befestigung des Tasters ausgelenkt. Aufgrund der Auslenkung wird eine Position eines Punktes der Oberfläche bestimmt. Eine Richtungsabhängigkeit einer Nachgiebigkeit des Tasters wird ermittelt und/oder ist bekannt. Der Taster und das Werkstück werden derart unter Berücksichtigung der Richtungsabhängigkeit relativ zueinander positioniert und/oder ausgerichtet, dass es beim Antasten des Punktes der Oberfläche nicht oder mit geringer Wahrscheinlichkeit zu einem unbeabsichtigten Abrutschen des Tasters an der Oberfläche oder nicht oder mit geringer Wahrscheinlichkeit zu einem unbeabsichtigten Abweichen des Tasters von einem beabsichtigten Weg auf der Oberfläche kommt.
In DE 102 40 307 A1 wird ein Verfahren zur Vermessung eines zu vermessenden Werkstückes mit den folgenden Schritten beschrieben: – Messen von Messpunkten auf der Oberfläche eines zu vermessenden Werkstückes mit einem Messgerät; – Auswerten der gemessenen Messpunkte, derart, dass eine vorgegebene Sollgeometrie des zu vermessenden Werkstückes und eine durch die gemessenen Messpunkte definierte Istgeometrie über ein Einpassungsverfahren aufeinander abgebildet werden. Damit die vorgegebene Sollgeometrie des zu vermessenden Werkstückes geeignet in ein gemessenes Werkstück eingepasst werden kann, das beispielsweise durch mechanische Umformungsprozesse verändert wurde, wird die Verwendung eines Einpassungsverfahrens vorgeschlagen, bei dem – zur Einpassung zusätzlich Transformationsparameter vorgesehen sind, die eine über die reine Skalierung der Sollgeometrie oder die Istgeometrie hinausgehende definierte Transformation der Sollgeometrie oder der Istgeometrie bezüglich einer anzustrebenden Formänderung der Sollgeometrie oder der Istgeometrie zulassen.
In EP 2 776 785 B1 wird ein Verfahren und ein entsprechendes System zur Vorbereitung des Betriebes eines taktil antastenden Koordinatenmessgeräts, insbesondere zur Vorbereitung der Kalibrierung eines Koordinatenmessgeräts durch taktiles Antasten eines Kalibrierelements mit einem an dem Koordinatenmessgerät angeordneten Taster beschrieben. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: – Vermessen der Oberfläche der von einer Idealform einer Kugel abweichenden Tastkugel als Tastelement des Koordinatenmessgeräts, mit einem Oberflächenmessgerät und Bestimmen von Koordinaten mehrerer realer Oberflächenpunkte der Tastkugel in einem Koordinatensystem der Tastkugel, – In-Bezug-Setzen eines Referenzmerkmals der Tastkugel zu dem Koordinatensystem der Tastkugel, – Montieren der Tastkugel an einem taktil antastenden Koordinatenmessgerät in dem Messbereich des taktil antastenden Koordinatenmessgeräts, – In-Bezug-Setzen des Koordinatensystems eines Kalibriernormals zu dem Koordinatensystem des Koordinatenmessgeräts, – Erhalt von Abtastinformationen durch Abtasten des Kalibriernormals mit der am KMG montierten Tastkugel und/oder durch Abtasten des Kalibriernormals mit einem Schaft der am KMG montierten Tastkugel, – Ermittlung der Position und Ausrichtung des Referenzmerkmals der Tastkugel im Koordinatensystem des KMG durch Auswertung der Abtastinformationen, – In-Bezug-Setzen des Koordinatensystems der Tastkugel zu dem Koordinatensystem des Koordinatenmessgeräts, so dass Informationen über Positionen der realen Oberflächenpunkte der Tastkugel in dem Koordinatensystem des Koordinatenmessgeräts vorhanden oder bestimmbar sind.
Derartige Verfahren und Vorrichtungen benötigen eine komplexe mechanische Anbindung oder Lagerung des Systems aus Tastkugel und Übertragungselements im Tastkopf. Zudem kann eine Bestimmung des Antastvektors ungenau sein. Bei einer Vermessung von kleinen Radien, insbesondere wenn ein Radius der Krümmung der Objektkontur kleiner ist als ein Radius der Tastkugel, können so bei der Korrektur der Messdaten große Relativfehler auftreten.
Aufgabe der Erfindung
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, welche die Nachteile bekannter Vorrichtungen und Verfahren zumindest weitgehend vermeiden. Insbesondere soll eine Genauigkeit bei einer Bestimmung eines Antastpunkts eines Antastelements mit einem Messobjekt und eine Systemvereinfachung ermöglicht werden.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung und ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen, welche einzeln oder in Kombination realisierbar sind, sind in den abhängigen Ansprüchen dargestellt.
Im Folgenden werden die Begriffe „haben“, „aufweisen“, „umfassen“ oder „einschließen“ oder beliebige grammatikalische Abweichungen davon in nicht-ausschließlicher Weise verwendet. Dementsprechend können sich diese Begriffe sowohl auf Situationen beziehen, in welchen, neben dem durch diese Begriffe eingeführten Merkmal, keine weiteren Merkmale vorhanden sind, oder auf Situationen, in welchen ein oder mehrere weitere Merkmale vorhanden sind. Beispielsweise kann sich der Ausdruck „A hat B“, „A weist B auf“, „A umfasst B“ oder „A schließt B ein“ sowohl auf die Situation beziehen, in welcher, abgesehen von B, kein weiteres Element in A vorhanden ist (d.h. auf eine Situation, in welcher A ausschließlich aus B besteht), als auch auf die Situation, in welcher, zusätzlich zu B, ein oder mehrere weitere Elemente in A vorhanden sind, beispielsweise Element C, Elemente C und D oder sogar weitere Elemente.
Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe „mindestens ein“ und „ein oder mehrere“ sowie grammatikalische Abwandlungen dieser Begriffe oder ähnliche Begriffe, wenn diese in Zusammenhang mit einem oder mehreren Elementen oder Merkmalen verwendet werden und ausdrücken sollen, dass das Element oder Merkmal einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann, in der Regel lediglich einmalig verwendet werden, beispielsweise bei der erstmaligen Einführung des Merkmals oder Elementes. Bei einer nachfolgenden erneuten Erwähnung des Merkmals oder Elementes wird der entsprechende Begriff „mindestens ein“ oder „ein oder mehrere“ in der Regel nicht mehr verwendet, ohne Einschränkung der Möglichkeit, dass das Merkmal oder Element einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann.
Weiterhin werden im Folgenden die Begriffe „vorzugsweise“, „insbesondere“, „beispielsweise“ oder ähnliche Begriffe in Verbindung mit optionalen Merkmalen verwendet, ohne dass alternative Ausführungsformen hierdurch beschränkt werden. So sind Merkmale, welche durch diese Begriffe eingeleitet werden, optionale Merkmale, und es ist nicht beabsichtigt, durch diese Merkmale den Schutzumfang der Ansprüche und insbesondere der unabhängigen Ansprüche einzuschränken. So kann die Erfindung, wie der Fachmann erkennen wird, auch unter Verwendung anderer Ausgestaltungen durchgeführt werden. In ähnlicher Weise werden Merkmale, welche durch „in einer Ausführungsform der Erfindung“ oder durch „in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung“ eingeleitet werden, als optionale Merkmale verstanden, ohne dass hierdurch alternative Ausgestaltungen oder der Schutzumfang der unabhängigen Ansprüche eingeschränkt werden soll. Weiterhin sollen durch diese einleitenden Ausdrücke sämtliche Möglichkeiten, die hierdurch eingeleiteten Merkmale mit anderen Merkmalen zu kombinieren, seien es optionale oder nicht-optionale Merkmale, unangetastet bleiben.
In einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Vermessung von Messobjekten vorgeschlagen. Unter einer Vorrichtung zur Vermessung von Messobjekten kann dabei allgemein im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine beliebige Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist, ein Messobjekt, insbesondere eine Oberfläche und/oder eine Oberflächenkontur eines Messobjekts, zu vermessen. Unter einem Messobjekt kann dabei allgemein im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein beliebig geformtes zu vermessendes Objekt verstanden werden. Das Messobjekt, insbesondere eine Oberfläche des Messobjekts, kann starke Krümmungen, d.h. kleine Radien bis hin zu scharfen Kanten, aufweisen. Das Messobjekt kann eine Freiformfläche sein. Beispielsweise kann das Messobjekt eine Turbinenschaufel an einem Schaufelrad sein. Beispielsweise kann die Oberfläche des Messobjekts eine Kontur entlang einer gewünschten Schnittlinie radial vom Zentrum des Schaufelrads sein. Auch andere Messobjekte sind jedoch denkbar.
Die Vorrichtung umfasst

– mindestens ein Antastelement mit einer Sensoroberfläche, wobei die Sensoroberfläche eingerichtet ist, mit einer Oberfläche des Messobjekts an einem Antastpunkt in eine Wechselwirkung zu treten, wobei das Antastelement eingerichtet ist, um mindestens ein Signal zu erzeugen, welches abhängig von dem Antastpunkt ist,
– mindestens eine Steuer- und Auswerteeinheit, welche eingerichtet ist, um mindestens eine Information über den Antastpunkt zu erzeugen.

Unter einem Antastelement kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein grundsätzlich beliebig geformtes Element der Vorrichtung verstanden werden, welches eingerichtet ist, mit der anzutastenden Oberfläche in Wechselwirkung zu treten. Das Antastelement kann eingerichtet sein, mit der Oberfläche in eine messbare Wechselwirkung zu treten. Das Antastelement kann beispielsweise eine Antastkugel, auch als Tastkugel bezeichnet, sein. Beispielsweise kann das Antastelement die Oberfläche des Messobjekts berühren, beispielsweise durch Inkontaktbringen der Oberflächen, welches als Antasten bezeichnet wird, und/oder das Antastelement kann mit der Oberfläche des Messobjekts berührungsfrei in Wechselwirkung treten, beispielsweise durch Verwendung des Tunneleffekts oder kapazitiv. Bei dem In-Wechselwirkung-Treten können sich die Sensoroberfläche und die Oberfläche des Messobjekts berühren. Insbesondere können sich die Sensoroberfläche und die Oberfläche elektrisch kontaktieren. Die Steuer- und Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, einen Strom zwischen Antastelement und Messobjekt zu detektieren. Das In-Wechselwirkung-Treten kann berührungsfrei sein. Beispielsweise kann die Steuerungs- und Auswerteeinheit eingerichtet sein, einen Tunnelstrom zwischen Antastelement und Messobjekt zu detektieren.
Unter einem Antastpunkt kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Punkt, ein Ort oder eine Fläche, bspw. ein Segment, auf der Sensoroberfläche verstanden werden, welche den kleinsten Abstand zwischen Messobjekt und Sensoroberfläche aufweist. Insbesondere kann der Antastpunkt ein Berührungspunkt der Sensoroberfläche mit der Oberfläche des Messobjekts sein. Das Koordinatensystem des Antastelements kann beispielsweise ein kartesisches Koordinatensystem oder ein Kugelkoordinatensystem sein. Auch andere Koordinatensysteme sind denkbar. Ein Ursprung oder Nullpunkt des Koordinatensystems kann in einem Zentrum, beispielsweise bei einer Tastkugel als Antastelement einem Kugelmittelpunkt, sein. Beispielsweise kann der Antastpunkt ein Punkt im Koordinatensystem des Antastelements sein, welcher auf der Oberfläche des Antastelements angeordnet ist.
Unter einem Signal kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein beliebiges Signal verstanden werden, welches von dem Antastelement infolge des In-Wechselwirkung-Tretens mit dem Messobjekt erzeugt wird und/oder welches in Reaktion auf das In-Wechselwirkung-Treten mit dem Messobjekt erzeugt wird. Das Signal kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus einem elektrischen Signal, einem Stromsignal, einem Spannungssignal, einem Frequenzsignal, einem optischen Signal. Das Signal kann von einer Änderung einer Leitfähigkeit und/oder einer Kapazität und/oder einer Induktivität des Antastelements abhängen. Das Antastelement kann mehrere Sensoren auf der Sensoroberfläche aufweisen. Das Antastelement kann eingerichtet sein, um das Signal direkt auf der Sensoroberfläche zu erzeugen. Beispielsweise kann das Antastelement eine Antastkugel sein, wobei das Signal direkt in der Antastkugel erzeugt wird. Unter „direkt erzeugen“ kann verstanden werden, dass das Signal in dem Antastelement, insbesondere der Antastkugel, und/oder von dem Antastelement erzeugt wird, insbesondere selbst erzeugt wird, und nicht von einer zusätzlichen Sensorik, welche beispielsweise mit dem Antastelement verbunden ist. Insbesondere kann das Antastelement eine integrierte Sensorik aufweisen. Wie oben ausgeführt, wird in bekannten Vorrichtungen zur taktilen Vermessung von Messobjekten eine an einem Übertragungselement, welches mit einem Tastkopf über ein mehrachsiges Lager verbunden ist, befestigte Tastkugel verwendet. Bei einem Antasten der Tastkugel mit dem zu messenden Objekt werden entstehende Kräfte auf die Tastkugel in drei Achsen gemessen und daraus ein Richtungsvektor des Antastens bestimmt. Durch das Erzeugen des Signals in dem Antastelement kann auf eine komplizierte mechanische Anbindung oder Lagerung eines Antastkugel-Taststift-Systems in einem starren Ende eines Tastkopfes verzichtet werden und die Vorrichtung gegenüber bekannten Vorrichtungen vereinfacht ausgestaltet werden. Zudem ist, wie weiter unten noch näher ausgeführt wird, eine direkte Bestimmung eines Antastvektors und somit eine erhöhte Genauigkeit bei der Bestimmung des Antastvektors möglich.
Unter „abhängig von dem Antastpunkt“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung verstanden werden, dass das Signal eine Information über den Antastpunkt aufweist und/oder dass eine Signalstärke des Signals abhängig von dem Antastpunkt ist. Beispielsweise kann das Antastelement mehrere Signale erzeugen, wobei aus einer Verteilung der Signale, insbesondere einer Verteilung der Signalstärke, der Antastpunkt bestimmt werden kann.
Unter „eine Steuer- und Auswerteeinheit“ wird dabei allgemein eine elektronische Vorrichtung verstanden, welche eingerichtet ist, um das Antastelement und/oder Sensoren auf der Oberfläche des Antastelements zu steuern und/oder zu regeln und welche eingerichtet ist, um von dem Antastelement erzeugte Signale auszuwerten. Beispielsweise können zu diesem Zweck eine oder mehrere elektronische Verbindungen zwischen dem Antastelement und der Steuer- und Auswerteeinheit vorgesehen sein. Die Steuer- und Auswerteeinheit kann beispielsweise mindestens eine Datenverarbeitungsvorrichtung umfassen, beispielsweise mindestens einen Computer oder Mikrocontroller. Die Datenverarbeitungsvorrichtung kann einen oder mehrere flüchtige und/oder nicht flüchtige Datenspeicher aufweisen, wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung beispielsweise programmtechnisch eingerichtet sein kann, um das Antastelement anzusteuern. Die Steuer- und Auswerteeinheit kann weiterhin mindestens eine Schnittstelle umfassen, beispielsweise eine elektronische Schnittstelle und/oder eine Mensch-Maschine-Schnittstelle wie beispielsweise eine Eingabe-/Ausgabe-Vorrichtung wie ein Display und/oder eine Tastatur. Die Steuer- und Auswerteeinheit kann beispielsweise zentral oder auch dezentral aufgebaut sein. Auch andere Ausgestaltungen sind denkbar.
Die Steuer- und Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, um aus dem Signal mindestens eine Information über den Antastpunkt zu erzeugen. Unter einer Information über den Antastpunkt kann grundsätzlich eine beliebige Information über den Antastpunkt verstanden werden, beispielsweise eine Position und/oder Koordinaten des Antastpunktes im Koordinatensystem des Antastelements, insbesondere Kugelkoordinaten im Antastkugelkoordinatensystem. Beispielsweise kann das Antastelement mehrere Signale erzeugen, wobei die Steuer- und Auswerteeinheit eingerichtet ist, eine Verteilung der Signale zu bestimmen, beispielsweise eine Verteilung der Stromstärke und/oder eine Spannungsverteilung, und aus der Verteilung der Signale den Antastpunkt zu bestimmen.
Die Steuer- und Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, um mindestens eine Information über eine Stärke der Wechselwirkung zu erzeugen. Die Information über die Stärke der Wechselwirkung kann beispielsweise eine Information über eine Antastkraft sein. Beispielsweise kann die Steuer- und Auswerteeinheit eine Messvorrichtung aufweisen, welche eingerichtet ist, einen Strom, insbesondere eine Stromstärke, und/oder eine Spannung zu detektieren, welche von dem Antastelement erzeugt wird.
Die Steuer- und Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, um aus der Information über den Antastpunkt einen Antastvektor zu bestimmen. Unter einem Antastvektor kann ein Vektor von dem Ursprung oder Nullpunkt des Koordinatensystems des Antastelements, beispielsweise bei einer Antastkugel als Antastelement von dem Kugelmittelpunkt, zu dem Antastpunkt auf der Oberfläche im Koordinatensystem des Antastelements verstanden werden. Wie oben ausgeführt, ist die Steuer- und Auswerteeinheit eingerichtet, um mindestens eine Information über den Antastpunkt zu erzeugen. Das Antastelement kann eingerichtet sein, um das Signal direkt zu erzeugen. Das Signal kann in dem Antastelement, insbesondere der Antastkugel, und/oder von dem Antastelement erzeugt werden, insbesondere selbst erzeugt werden. Insbesondere kann das Antastelement eine integrierte Sensorik aufweisen. So kann auf eine zusätzliche Sensorik, welche beispielsweise mit dem Antastelement verbunden ist, verzichtet werden. Der Antastpunkt kann direkt und im Koordinatensystem des Antastelements bestimmt werden. Der Antastvektor kann direkt aus einer Differenz zwischen Antastpunkt und Kugelmittelpunkt bestimmt werden und somit kann eine erhöhte Genauigkeit bei der Bestimmung des Antastvektors möglich sein. Insbesondere kann eine Korrektur von Messdaten um einen Radius der Antastkugel nicht notwendig sein.
Die Oberfläche des Antastelements kann ein Material mit einem homogenen, elektrischen Widerstand aufweisen. Die Oberfläche, insbesondere das Material der Oberfläche, kann einen Leiter oder einen Halbleiter umfassen und/oder kann ein Leiter oder ein Halbleiter sein. Die Oberfläche, insbesondere das Material der Oberfläche, kann einen hohen spezifischen Flächenwiderstand aufweisen. Die Oberfläche, insbesondere das Material der Oberfläche, kann einen gleichmäßigen Flächenwiderstand aufweisen. Die Vorrichtung, insbesondere die Steuerungs- und Auswerteeinheit, kann eine Spannungsvorrichtung aufweisen, welche eingerichtet ist, zwischen Messobjekt und dem Antastelement eine elektrische Spannung anzulegen. Die Spannungsvorrichtung kann eingerichtet sein, eine elektrische Spannung ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Niederspannung, einer Gleichspannung, einer Wechselspannung und einer modulierten Spannung anzulegen. Die Vorrichtung kann einen Tastkopf aufweisen, welcher mit dem Antastelement verbunden ist. Die Spannungsvorrichtung kann eingerichtet sein, zwischen Messobjekt und dem Tastkopf eine elektrische Spannung anzulegen. In dieser Ausführungsform können das Messobjekt und/oder mindestens die zu messende Oberfläche des Messobjekts elektrisch leitfähig sein. Das Antastelement kann mindestens vier Elektroden aufweisen. Die Elektroden können auf der Sensoroberfläche angeordnet sein. Die Elektroden können punktförmig ausgestaltet sein. Beispielsweise können die Elektroden tetraedrisch angeordnet sein, wobei jeweils eine Elektrode in einer Ecke eines Tetraeders angeordnet ist. Beispielsweise können eine Ecke des Tetraeders in einem Pol des Antastelements, insbesondere der Antastkugel, und weitere Ecken des Tetraeders auf der Sensoroberfläche angeordnet sein.
Das Antastelement kann mindestens zwei Segmente mit jeweils mindestens vier Elektroden aufweisen. Beispielsweise kann die Sensoroberfläche mindestens zwei Segmente aufweisen. Die Sensoroberfläche kann eine Vielzahl von Segmenten aufweisen, beispielsweise vier oder acht Segmente. Auch andere Anzahlen von Segmenten sind möglich. Eine Genauigkeit und Schnelligkeit der Bestimmung des Antastvektors kann mit der Anzahl von Segmenten steigen.
Die Vorrichtung, insbesondere die Steuerungs- und Auswerteeinheit, kann eingerichtet sein, um mindestens einen Strom und/oder mindestens eine elektrische Stromstärke an den Elektroden bei dem Antasten zu messen und eine Stromverteilung in Abhängigkeit von den Elektroden zu bestimmen. Bei einem Antasten des Antastelements an das Messobjekt kann ein elektrischer Strom fließen. Das Antasten kann beispielsweise als Auslöser, ein so genannter Trigger, für die Bestimmung des Antastpunkts und/oder einer Auslesung einer Position des Antastpunkts verwendet werden. Die Verteilung des Stroms auf den Elektroden kann eindeutig von dem Antastpunkt abhängen. Die Stromverteilung kann von dem Antastpunkt abhängen und eine eindeutige Bestimmung des Antastpunkts ermöglichen. Durch die Bestimmung von den gemessenen Stromstärken an den Elektroden kann eine eindeutige Bestimmung des Antastvektors möglich sein.
Das Antastelement kann mindestens ein Piezoelement aufweisen. Beispielsweise kann das Antastelement, insbesondere die Antastkugel, aus einem piezoelektrischen Material sein. Beispielsweise kann das Antastelement Elektroden aufweisen, welche derart angeordnet sind, dass eine Spannungsverteilung gemessen werden kann. Das Antastelement, insbesondere die Sensoroberfläche, kann mindestens vier Segmente aufweisen, wobei jedes Segment mindestens ein Piezoelement aufweist. Unter einem Segment kann grundsätzlich ein beliebiger Anteil und/oder Abschnitt der Sensoroberfläche verstanden werden. Beispielsweise kann die Sensoroberfläche des Antastelements, insbesondere der Antastkugel, gleichgroße Segmente aufweisen. Beispielsweise kann das Antastelement eine Antastkugel sein, welche in mindestens vier Segmente aufgeteilt ist. Die Segmente können an einen Mittelpunkt der Antastkugel, insbesondere einen Kern der Antastkugel, angebunden und/oder verbunden sein. Die Segmente können über mindestens ein Piezoelement mit dem Mittelpunkt und/oder Kern der Antastkugel angebunden sein. Beim Antasten der Sensoroberfläche an die Oberfläche des Messobjekts kann ein Druck auf die Segmente entstehen und die Piezoelemente können ein Spannungssignal abgeben. In einer Ausführungsform können Eckpunkte der vier Segmente tetraedrisch angeordnet sein. An den vier Eckpunkten können Piezoelemente angeordnet sein. Eine Druckverteilung kann mittels einer Spannungsverteilung an den Piezoelementen bestimmt werden. Aus der Druckverteilung kann der Antastpunkt bestimmt werden. Das Antastelement kann eine Vielzahl von Segmenten aufweisen, beispielsweise vier oder acht Segmente. Auch andere Anzahlen von Segmenten sind möglich.
Das Antastelement kann mindestens ein Kondensatorelement aufweisen. Unter einem Kondensatorelement kann ein Bauteil verstanden werden, welches eingerichtet ist, bei einem In-Wechselwirkung-Treten, insbesondere bei einem Kontakt, mit dem Messobjekt seine Kapazität zu ändern. Beispielsweise kann das Kondensatorelement eine Kondensatorplatte sein. Das Antastelement kann eine Vielzahl von Segmenten aufweisen, beispielsweise vier Segmente, welche als Kondensatorelemente ausgestaltet sind. Auch andere Anzahlen von Segmenten sind möglich. Eine Ansteuerung der Kondensatorelemente kann über einen Schwingkreis erfolgen, welcher bei einer Kapazitätsänderung sensitiv reagiert. Beispielsweise kann das Antastelement, insbesondere die Sensoroberfläche, als kapazitiver Touchscreen ausgestaltet sein.
Das Antastelement kann Silizium (Si) aufweisen. In einer Ausführungsform kann das Antastelement, insbesondere die Sensoroberfläche, Silizium aufweisen. Das Antastelement kann funktionale Baugruppen aus Silizium aufweisen. Unter einer funktionalen Baugruppe kann eine Gruppe von Bauteilen verstanden werden, welche bei einem In-Wechselwirkung-Treten, insbesondere bei einer Berührung mit der Oberfläche des Messobjekts, ihre Kapazität und/oder Leitfähigkeit ändert. Beispielsweise kann das Antastelement aus Silizium sein mit einem auf der Oberfläche eindotierten elektrisch funktionalem Profil. Unter einem elektrisch funktionalen Profil kann eine Schicht, beispielsweise der Sensoroberfläche, verstanden werden, welche bei einem Kontakt der Schicht mit dem Messobjekt seine Kapazität und/oder Leitfähigkeit ändert. Beispielsweise kann das Antastelement ein Mehr-Schichtsystem aufweisen, beispielsweise eine Oberflächen-Kondensatorschale. Grundsätzlich können aus der Si-Halbleiter-Technologie bekannte Materialien verwendet werden. Eine Außen-Oberfläche der Antastkugel kann mit Si-Oxid und/oder Si-Carbid und/oder Si-Nitrid versiegelt und/oder gehärtet werden. Die funktionalen Baugruppen können als Segmente angeordnet sein. Die Baugruppen können derart angeordnet sein, dass eine Spannungsverteilung gemessen werden kann.
Das Antastelement kann als ein Ultraschallresonator ausgestaltet sein. Der Begriff des „Ultraschalls“ bezeichnet hierbei anregbare Schwankungen des Druckes und/oder der Dichte in einem elastischen Medium in einem Frequenzbereich von 100 Hz bis 1 MHz, bevorzugt von 20 kHz bis 1 MHz. Beispielsweise kann das Antastelement mindestens eine Resonator-Mode aufweisen. Bei einem Kontakt mit dem Messobjekt kann mindestens eine Resonator-Mode angeregt oder gedämpft werden. Bevorzugt können mehrere Resonator-Moden angeregt oder gedämpft werden. Eine Struktur der Moden und/oder eine Dämpfung der Moden und/oder Frequenz der Moden kann ein Informationsträger für den Antastpunkt sein. Das Antastelement kann aus einem anisotropen Material sein, beispielsweise einem Kristall, und eine Vorzugsrichtung definieren.
Das Antastelement kann als ein Resonator ausgestaltet sein. Das Antastelement, insbesondere die Antastkugel, kann ein mechanischer Resonator mit mindestens einer Resonatormode sein. Das Antastelement kann ein mechanischer Resonator mit verschiedenen Resonatormoden sein. Bei einer Berührung kann mindestens eine Resonatormode angeregt oder gedämpft werden und eine Frequenz und/oder eine Phasenlage verändert werden. Aus diesen Veränderungen kann auf den Antastpunkt rückgeschlossen werden.
In einem weiteren Aspekt wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Vermessung von Messobjekten vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst die folgenden Verfahrensschritte:

– In-Wechselwirkung-Treten mindestens einer Sensoroberfläche eines Antastelements mit einer Oberfläche des Messobjekts an einem Antastpunkt;
– Erzeugen mindestens eines Signals des Antastelements, welches abhängig von dem Antastpunkt ist,
– Erzeugen mindestens einer Information über den Antastpunkt mit mindestens einer Steuer- und Auswerteeinheit.

Hierbei können die Verfahrensschritte in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden, wobei einer oder mehrere der Schritte zumindest teilweise auch gleichzeitig durchgeführt werden können und wobei einer oder mehrere der Schritte mehrfach wiederholt werden können. Darüber hinaus können weitere Schritte unabhängig davon, ob sie in der vorliegenden Anmeldung erwähnt werden oder nicht, zusätzlich ausgeführt werden.
In dem Verfahren kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung verwendet werden. Für Einzelheiten in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren wird auf die Beschreibung der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwiesen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren sind gegenüber bekannten Verfahren und Vorrichtungen vorteilhaft. Durch die Verwendung einer in das Antastelement integrierten Sensorik kann auf eine zusätzliche Sensorik, beispielsweise eine Kräftemessung im Tastkopf, verzichtet werden. So kann eine Systemvereinfachung erreicht werden. Eine direkte Bestimmung des Antastvektors kann möglich sein, wodurch eine erhöhte Genauigkeit bei der Messung, insbesondere bei einer Vermessung von Freiformflächen, erreicht werden kann.
Zusammenfassend sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung folgende Ausführungsformen besonders bevorzugt:
Ausführungsform 1: Vorrichtung zur Vermessung von Messobjekten umfassend:

Ausführungsform 2: Vorrichtung nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei das Signal ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einem elektrischen Signal, einem Stromsignal, einem Spannungssignal, einem Frequenzsignal, einem optischen Signal.
Ausführungsform 3: Vorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das Signal von einer Änderung einer Leitfähigkeit und/oder einer Kapazität und/oder einer Induktivität des Antastelements abhängt.
Ausführungsform 4: Vorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das Antastelement mehrere Sensoren auf der Sensoroberfläche aufweist.
Ausführungsform 5: Vorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das Antastelement eingerichtet ist, um das Signal direkt auf der Sensoroberfläche zu erzeugen.
Ausführungsform 6: Vorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Steuer- und Auswerteeinheit eingerichtet ist, um aus der Information über den Antastpunkt einen Antastvektor zu bestimmen.
Ausführungsform 7: Vorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei sich bei dem In-Wechselwirkung-Treten die Sensoroberfläche und die Oberfläche des Messobjekts berühren.
Ausführungsform 8: Vorrichtung nach einer der vorvorhergehenden Ausführungsformen, wobei das In-Wechselwirkung-Treten berührungsfrei ist.
Ausführungsform 9: Vorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Oberfläche des Antastelements ein Material mit einem homogenen, elektrischen Widerstand aufweist.
Ausführungsform 10: Vorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Vorrichtung eine Spannungsvorrichtung aufweist, welche eingerichtet ist, zwischen Messobjekt und dem Antastelement eine elektrische Spannung anzulegen.
Ausführungsform 11: Vorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das Antastelement mindestens vier Elektroden aufweist, wobei die Elektroden auf der Sensoroberfläche angeordnet sind.
Ausführungsform 12: Vorrichtung nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei die Elektroden punktförmig sind.
Ausführungsform 13: Vorrichtung nach einer der zwei vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Elektroden tetraedrisch angeordnet sind, wobei jeweils eine Elektrode in einer Ecke des Tetraeders angeordnet ist.
Ausführungsform 14: Vorrichtung nach einer der drei vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Vorrichtung eingerichtet ist, um mindestens einen Strom und/oder mindestens eine elektrische Stromstärke an den Elektroden bei dem Antasten zu messen und eine Stromverteilung in Abhängigkeit von den Elektroden zu bestimmen.
Ausführungsform 15: Vorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das Antastelement mindestens ein Piezoelement aufweist.
Ausführungsform 16: Vorrichtung nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei das Antastelement mindestens vier Segmente aufweist, wobei jedes Segment mindestens ein Piezoelement aufweist.
Ausführungsform 17: Vorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen wobei das Antastelement mindestens ein Kondensatorelement aufweist.
Ausführungsform 18: Vorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das Antastelement Silizium (Si) aufweist.
Ausführungsform 19: Vorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das Antastelement als ein Ultraschallresonator ausgestaltet ist.
Ausführungsform 20: Vorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das Antastelement als ein Resonator ausgestaltet ist.
Ausführungsform 21: Verfahren zur Vermessung von Messobjekten, wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte umfasst:

Ausführungsform 22: Verfahren nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei in dem Verfahren eine Vorrichtung nach einer der vorhergehenden, eine Vorrichtung betreffenden Ausführungsformen verwendet wird.
Kurze Beschreibung der Figuren
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen, insbesondere in Verbindung mit den Unteransprüchen. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. Die Ausführungsbeispiele sind in den Figuren schematisch dargestellt. Gleiche Bezugsziffern in den einzelnen Figuren bezeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche bzw. hinsichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente.
Im Einzelnen zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Antastelements.
Ausführungsbeispiele
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 110 zur Vermessung von Messobjekten 112. Die Vorrichtung 110 umfasst mindestens ein Antastelement 114 mit einer Sensoroberfläche 116. Das Antastelement 114 kann eine Antastkugel sein. Die Sensoroberfläche 116 ist eingerichtet, mit einer Oberfläche 118 des Messobjekts 112 an einem Antastpunkt 120 in eine Wechselwirkung zu treten. In der in 1 gezeigten Ausführungsform berühren sich die Sensoroberfläche 116 und die Oberfläche 118 bei dem In-Wechselwirkung-Treten. Jedoch sind auch Ausführungsformen denkbar, in welchen sich die Sensoroberfläche 116 und die Oberfläche 118 nicht berühren. Das Antastelement 114 ist eingerichtet, um mindestens ein Signal zu erzeugen, welches abhängig von dem Antastpunkt 120 ist. Die Vorrichtung umfasst mindestens eine Steuer- und Auswerteeinheit 122, welche eingerichtet ist, um mindestens eine Information über den Antastpunkt 120 zu erzeugen. Das Signal kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus einem elektrischen Signal, einem Stromsignal, einem Spannungssignal, einem Frequenzsignal, einem optischen Signal. Das Signal kann von einer Änderung einer Leitfähigkeit und/oder einer Kapazität und/oder einer Induktivität des Antastelements 114 abhängen.
Das Antastelement 114 kann mehrere Sensoren auf der Sensoroberfläche 116 aufweisen. Insbesondere kann das Antastelement 114 eingerichtet sein, um das Signal direkt auf der Sensoroberfläche 116 zu erzeugen. In der in 2 gezeigten Ausführungsform weist das Antastelement 114 vier Elektroden 124 auf. Jedoch sind auch Ausführungsformen denkbar, in welchen die Vorrichtung 110 mehr als vier Elektroden 124 und/oder weitere Sensoren aufweist. Die Elektroden 124 können auf der Sensoroberfläche 116 angeordnet sein. Die Elektroden 124 können punktförmig ausgestaltet sein. Beispielsweise können die Elektroden 124 tetraedrisch angeordnet sein, wobei jeweils eine Elektrode 124 in einer Ecke eines Tetraeders 126 angeordnet ist. Beispielsweise können eine Ecke des Tetraeders 126 in einem Pol 128 des Antastelements 114 und weitere Ecken des Tetraeders 126 auf der Sensoroberfläche 116 angeordnet sein.
Die Oberfläche des Antastelements 114 kann ein Material mit einem homogenen, elektrischen Widerstand aufweisen. Die Steuer- und Auswerteeinheit 122 kann eingerichtet sein, zwischen Messobjekt und dem Antastelement eine elektrische Spannung anzulegen, siehe 1. Die Steuerungs- und Auswerteeinheit 122 kann eine Spannungsvorrichtung 130 aufweisen, welche eingerichtet ist, zwischen Messobjekt 112 und dem Antastelement 114 eine elektrische Spannung anzulegen. Die Spannungsvorrichtung 130 kann eingerichtet sein, eine elektrische Spannung ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Niederspannung, einer Gleichspannung, einer Wechselspannung und einer modulierten Spannung anzulegen. Die Vorrichtung 110 kann einen Tastkopf 132 aufweisen, welcher mit dem Antastelement 114 verbunden ist. Die Spannungsvorrichtung 130 kann eingerichtet sein, zwischen Messobjekt 112 und dem Tastkopf 132 eine elektrische Spannung anzulegen. In dieser Ausführungsform können das Messobjekt 112 und/oder mindestens die zu messende Oberfläche 118 des Messobjekts 112 elektrisch leitfähig sein.
Die Steuerungs- und Auswerteeinheit 122 kann eingerichtet sein, um mindestens einen Strom und/oder mindestens eine elektrische Stromstärke an den Elektroden 124 bei einem Antasten zu messen und eine Stromverteilung in Abhängigkeit von den Elektroden 124 zu bestimmen. Bei einem Antasten des Antastelements 114 an das Messobjekt 112 kann ein elektrischer Strom fließen. Das Antasten kann beispielsweise als Auslöser für die Bestimmung des Antastpunkts 120 und/oder einer Auslesung einer Position des Antastpunkts 120 verwendet werden. Die Verteilung des Stroms auf den Elektroden 124 kann eindeutig von dem Antastpunkt 120 abhängen. Die Stromverteilung kann von dem Antastpunkt 120 abhängen und eine eindeutige Bestimmung des Antastpunkts 120 ermöglichen. Durch die Bestimmung von den gemessenen Stromstärken an den Elektroden 124 kann eine eindeutige Bestimmung eines Antastvektors möglich sein. Der Antastpunkt kann direkt und im Koordinatensystem des Antastelements bestimmt werden. Der Antastvektor kann direkt aus einer Differenz zwischen Antastpunkt 120 und Kugelmittelpunkt 134 bestimmt werden und somit kann eine erhöhte Genauigkeit bei der Bestimmung des Antastvektors möglich sein.
Bezugszeichenliste

110: Vorrichtung
112: Messobjekt
114: Antastelement
116: Sensoroberfläche
118: Oberfläche des Messobjekts
120: Antastpunkt
122: Steuer- und Auswerteeinheit
124: Elektroden
126: Tetraeder
128: Pol
130: Spannungsvorrichtung
132: Tastkopf
134: Kugelmittelpunkt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10327867 A1 [0003]
DE 102008049751 A1 [0004]
DE 10240307 A1 [0005]
EP 2776785 B1 [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Albert Weckenmann (Hrsg.): Koordinatenmesstechnik, 2. Auflage 2012, Seiten 93–119 [0002]

Claims

Vorrichtung (110) zur Vermessung von Messobjekten (112) umfassend: – mindestens ein Antastelement (114) mit einer Sensoroberfläche (116), wobei die Sensoroberfläche (116) eingerichtet ist, mit einer Oberfläche (118) des Messobjekts (112) an einem Antastpunkt (120) in eine Wechselwirkung zu treten, wobei das Antastelement (114) eingerichtet ist, um mindestens ein Signal zu erzeugen, welches abhängig von dem Antastpunkt (120) ist, – mindestens eine Steuer- und Auswerteeinheit (122), welche eingerichtet ist, um mindestens eine Information über den Antastpunkt (120) zu erzeugen.
Vorrichtung (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Signal ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einem elektrischen Signal, einem Stromsignal, einem Spannungssignal, einem Frequenzsignal, einem optischen Signal.
Vorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Signal von einer Änderung einer Leitfähigkeit und/oder einer Kapazität und/oder einer Induktivität des Antastelements (114) abhängt.
Vorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Antastelement (114) mehrere Sensoren auf der Sensoroberfläche (116) aufweist.
Vorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Antastelement (114) eingerichtet ist, um das Signal direkt auf der Sensoroberfläche (116) zu erzeugen.
Vorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuer- und Auswerteeinheit (122) eingerichtet ist, um aus der Information über den Antastpunkt (120) einen Antastvektor zu bestimmen.
Vorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich bei dem In-Wechselwirkung-Treten die Sensoroberfläche (116) und die Oberfläche (118) des Messobjekts (112) berühren oder wobei das In-Wechselwirkung-Treten berührungsfrei ist.
Vorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Antastelement (114) mindestens vier Elektroden (124) aufweist, wobei die Elektroden (124) auf der Sensoroberfläche (116) angeordnet sind.
Vorrichtung (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Vorrichtung (110) eingerichtet ist, um mindestens einen Strom und/oder mindestens eine elektrische Stromstärke an den Elektroden (110) bei einem Antasten zu messen und eine Stromverteilung in Abhängigkeit von den Elektroden (124) zu bestimmen.
Vorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Antastelement (114) mindestens ein Piezoelement aufweist.
Vorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Antastelement (114) mindestens ein Kondensatorelement aufweist.
Vorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Antastelement (114) Silizium (Si) aufweist.
Vorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Antastelement (114) als ein Ultraschallresonator ausgestaltet ist.
Verfahren zur Vermessung von Messobjekten (112), wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte umfasst: – In Wechselwirkung treten mindestens einer Sensoroberfläche (116) eines Antastelements (114) mit einer Oberfläche (118) des Messobjekts (112) an einem Antastpunkt (120); – Erzeugen mindestens eines Signals des Antastelements (114), welches abhängig von dem Antastpunkt (120) ist; – Erzeugen mindestens einer Information über den Antastpunkt (120) mit mindestens einer Steuer- und Auswerteeinheit (122).