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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Koordinatenmessgerät mit einer Abbildungsoptik, deren Abbildungsmaßstäbe und / oder deren Arbeitsabstände durch das Ein- oder Auswechseln von Objektiven an einer Wechselschnittstelle des Koordinatenmessgeräts geändert werden kann. Solche Koordinatenmessgeräte bzw. Abbildungsoptiken für Koordinatenmessgeräte sind zum Beispiel aus
US 4,963,728 A ,
US 5,210,399 A ,
US 6,948,825 B2 ,
US 8,125,649 B2 ,
US 2015/0055143 A1 und
DE 200 08 721 U1 bekannt.
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Bisher mangelt es im Stand der Technik jedoch an der Möglichkeit, Abbildungsoptiken mit einem gewünschten Abbildungsmaßstab und / oder einem gewünschten Arbeitsabstand gemäß einem Baukastenprinzip aus einzelnen Teilobjektiven mit gegebenen Abbildungsmaßstäben und / oder gegebenen Arbeitsabständen zusammenzustellen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Koordinatenmessgerät mit mindestens einer objektseitig telezentrischen Abbildungsoptik zur Abbildung eines Werkstücks oder Teile davon auf einen Sensor des Koordinatenmessgeräts zwecks der metrologischen Erfassung von geometrischen Größen des Werkstücks, wobei die Abbildungsoptik mit mindestens einer Wechselschnittstelle für einen Objektivwechsel von verschiedenen Abbildungsoptiken mit verschiedenen Abbildungsmaßstäben und / oder verschiedenen Arbeitsabständen an dem Koordinatenmessgerät versehen ist, wobei die Abbildungsoptik aus mindestens zwei Teilobjektiven besteht, die sich an der mindestens einen Wechselschnittstelle der Abbildungsoptik voneinander trennen lassen, wobei die optische Funktionalität der Abbildungsoptik bzw. der Abbildungsmaßstab und / oder der Arbeitsabstand der Abbildungsoptik aus dem Zusammenspiel der mindestens zwei Teilobjektiven resultiert und wobei die mindestens eine Wechselschnittstelle der Abbildungsoptik konstruktiv so angeordnet ist, dass bei einem Objektivwechsel eines der Teilobjektive an der mindestens einen Wechselschnittstelle zur Änderung der Abbildungsoptiken bzw. der Abbildungsmaßstäbe und / oder der Arbeitsabstände der Abbildungsoptiken gewechselt wird, wobei eine hierbei notwendige optische Trennung der Teilobjektive der Abbildungsoptik voneinander in einer reellen oder virtuellen Feld- oder Zwischenfeldebene der Abbildungsoptik erfolgt.
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In einer weiteren Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Abbildungsoptik mindestens eine weitere Wechselschnittstelle auf, wobei die mindestens eine weitere Wechselschnittstelle konstruktiv so angeordnet ist, dass bei einem Objektivwechsel die gesamte Abbildungsoptik an der mindestens einen Wechselschnittstelle gewechselt wird, wobei eine hierbei notwendige optische Trennung der gesamten Abbildungsoptik vom restlichen Koordinatenmessgerät in einer reellen oder virtuellen Feld- oder Zwischenfeldebene der Abbildungsoptik erfolgt.
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Indem die erfindungsgemäße Abbildungsoptik aus mindestens zwei Teilobjektiven besteht, die sich voneinander an mindestens einer Wechselschnittstelle trennen lassen und indem die Trennung der beiden Teilobjektive voneinander und / oder die Trennung der Abbildungsoptik insgesamt vom restlichen Koordinatenmessgerät in einer reellen oder virtuellen Feld- oder Zwischenfeldebene der Abbildungsoptik erfolgt, wird ein modularer Aufbau der Abbildungsoptik aus einzelnen, in sich abgeschlossenen Teilobjektiven gewährleistet. Jedes der Teilobjektive sorgt hierbei lediglich für eine Übertragung eines Bildes des Objekts von einer Objekt- bzw. Feldebene auf eine weitere Feld- oder Zwischenfeldebene. Insofern können auch mehrere dieser Teilobjektive zur Erzielung einer Gesamtabbildung der Abbildungsoptik hintereinander geschaltet werden. Hierzu müssen die Teilobjektive lediglich an den jeweiligen Wechselschnittstellen aneinandergefügt werden. Das letzte dieser Teilobjektive in einer solchen Reihe verfügt dann über die Wechselschnittstelle zur Ankopplung der Abbildungsoptik insgesamt an das restliche Koordinatenmessgerät.
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In einer Ausführungsform weist die mindestens eine Wechselschnittstelle oder die mindestens eine weitere Wechselschnittstelle des erfindungsgemäßen Koordinatenmessgeräts Lagerelemente eines Dreipunktlagers zur eindeutigen Positionierung der Abbildungsoptik relativ zum Gehäuse des Sensors oder zur eindeutigen Positionierung der Teilobjektive der Abbildungsoptik relativ zueinander auf. Ein Dreipunktlager ist hierbei eine Möglichkeit, die relative Positionierung der mindestens zwei Teilobjektive zueinander bzw. der Abbildungsoptik insgesamt relativ zum restlichen Koordinatenmessgerät in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse sicherzustellen. Insbesondere bei der Verwendung von Teilobjektiven, die zur Verwendung in Magazinplätzen vorgehalten werden, ist eine solche Dreipunktlagerung sinnvoll, da die Einwechslung von dreipunktgelagerten Tellern eines Messtasters aus Magazinplätzen, sowohl Hardwaremäßig als auch Softwaremäßig seit Jahren bei Koordinatenmessgeräten standardisiert ist.
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In einer weiteren Ausführungsform weist die mindestens eine Wechselschnittstelle oder die mindestens eine weitere Wechselschnittstelle des erfindungsgemäßen Koordinatenmessgeräts mindestens ein Halteelement einer Halteeinrichtung zum Aneinanderhalten der Abbildungsoptik und des Gehäuses des Sensors oder zum Aneinanderhalten der Teilobjektive der Abbildungsoptik auf. Auch ein solches Halteelement einer Halteeinrichtung zum Beispiel in Form eines Magneten zählt seit Jahren bei der Einwechslung von dreipunktgelagerten Tellern eines Messtasters aus Magazinplätzen an ein Koordinatenmessgerät zum Standard.
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In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Koordinatenmessgeräts ist die mindestens eine Wechselschnittstelle oder die mindestens eine weitere Wechselschnittstelle so ausgebildet, dass durch das Koordinatenmessgerät die Ablage in bzw. die Aufnahme aus einem Magazinplatz des Koordinatenmessgeräts der gesamten Abbildungsoptik oder auch nur eines Teilobjektivs der Abbildungsoptik möglich ist. Bei der Ablage in oder Aufnahme aus einem Magazinplatz eines Messtasters des Standes der Technik durch ein Koordinatenmessgerät ist dessen Dreipunktlager und dessen Schnittstelle in der Regel so ausgebildet, dass das Koordinatenmessgerät durch eine Seitwärtsbewegung parallel zur Wechselebene des Dreipunktlagers den Messtaster in dem Magazinplatz anfahren kann. Durch eine anschließende senkrechte Bewegung des Koordinatenmessgeräts erfolgt dann die Kopplung, indem das Koordinatenmessgerät seine Wechselschnittstelle in den Wirkungsbereich der in der Regel magnetisch ausgebildeten Haltevorrichtung bewegt. Durch die Ausbildung der Wechselschnittstelle des erfindungsgemäßen Koordinatenmessgeräts analog zu den bekannten Wechselschnittstellen des Standes der Technik ist es nunmehr möglich, die gleichen Magazinplätze sowie die gleiche Steuersoftware wie bei den bekannten Magazinplätzen für Messtaster zu verwenden. Entsprechend zum Stand der Technik kann die Wechselschnittstelle auch elektrische Kontakte beinhalten zum Beispiel für die Versorgung einer optionalen Auflicht-Beleuchtung oder zum Beispiel für die Versorgung eines ID-Chips des Teilobjektivs bzw. der Teilobjektive.
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In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Koordinatenmessgeräts sind die Teilobjektive über eine Wechselschnittstelle miteinander gekoppelt, wobei ein Teilobjektiv in Bezug zu dem anderen Teilobjektiv objektseitig angeordnet ist und mindestens eine Lichtquelle zur Erzeugung von Beleuchtungslicht aufweist, wobei das objektseitige Teilobjektiv Mittel zur Erzeugung einer kollimierten koaxialen Auflicht-Beleuchtung des zu vermessenden Objekts aufweist. Hierdurch ist es möglich, das zu vermessende Objekt mit einer kollimierten koaxialen Auflicht-Beleuchtung zu beaufschlagen, die zu der optischen Achse der Abbildungsoptik koaxial ausgerichtet ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Koordinatenmessgeräts sind die Mittel zur Erzeugung einer kollimierten koaxialen Auflicht-Beleuchtung durch einen Strahlteiler zur Einkopplung bzw. Umlenkung des Beleuchtungslichts und durch einen Lamellenfilter zur Kollimierung des Beleuchtungslichts realisiert. Hierbei sorgt der Strahlteiler für eine koaxiale Ausrichtung des Beleuchtungslichts in Bezug zu der optischen Achse der Abbildungsoptik und der Lammellenfilter für eine Begrenzung der Beleuchtungswinkel des Beleuchtungslichts auf wenige Grad um die optische Achse der Abbildungsoptik. Insbesondere Folienfilter kommen hierbei als günstige Lammellenfilter in Betracht. Solche Folienfilter sind zum Beispiel zur Sichtbegrenzung bei Geldautomaten oder Laptop-Bildschirmen bekannt.
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In einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Koordinatenmessgeräts weist die Abbildungsoptik eine objektseitige optische Achse und eine sensorseitige optische Achse auf, wobei die Richtungen der genannten optischen Achsen voneinander abweichen und insbesondere einen Winkel von 90° zueinander aufweisen. Durch diese Ausführungsform können zum Beispiel die Innenwände von Bohrungen des zu vermessenden Objekts untersucht werden.
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In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Koordinatenmessgeräts ermöglicht die Abbildungsoptik mindestens zwei Betrachtungsrichtungen zur Betrachtung von Werkstücken und weist hierzu einen teilverspiegelten Strahlteiler innerhalb eines Teilobjektivs auf. Hierdurch ist es möglich, sowohl die Innenwände von Bohrungen als auch die Oberfläche des zu vermessenden Objekts zu untersuchen, ohne dass die Abbildungsoptik hierzu für die verschiedenen Untersuchungen getauscht werden muss. Alternativ lässt sich diese Ausführungsform des erfindungsgemäßen Koordinatenmessgeräts auch dadurch beschreiben, dass die Abbildungsoptik mindestens zwei räumlich voneinander getrennte Felder auf den Sensor des Koordinatenmessgeräts abbilden kann und hierzu einen Strahlteiler innerhalb eines Teilobjektivs aufweist. Der Strahlteiler lenkt hierbei lediglich den Strahlengang eines der Felder in Richtung des Sensors um, der Strahlengang des anderen Feldes wird ohne eine solche Umlenkung auf den Sensor abgebildet.
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In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Koordinatenmessgeräts weist das objektseitige Teilobjektiv mindestens eine weitere Lichtquelle zur Beleuchtung einer Referenzstruktur des objektseitigen Teilobjektivs auf. Hierdurch kann bei einer beweglich gelagerten Umlenkoptik bzw. einer beweglich ausgeführten Wechselschnittstelle die Ausrichtung des Sensors in-situ zur Referenzstruktur bestimmt werden. Zum Beispiel kann bei einem um die Z-Achse drehbar gelagerten Teilobjektiv durch das Vermessen der Referenzstruktur mittels des Sensors direkt der Drehwinkel des Teilobjektivs gegenüber der Ausrichtung des Sensors bestimmt werden, ohne dass es hierzu eines aufwändigen Winkelmessers bedarf. Dadurch kann die Lagerung und Ansteuerung der beweglichen Teile konstruktiv einfacher und auch kostengünstiger ausgeführt werden, ohne dass Einbußen bei der Genauigkeit in Kauf genommen werden müssen.
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In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Koordinatenmessgeräts ist ein Teilobjektiv, welches von den beiden Teilobjektiven objektseitig am nächsten zu dem Werkstück angeordnet ist, mit mindestens einer Ringbeleuchtung zur Auflicht-Beleuchtung des Werkstücks versehen. Hierdurch kann zum Beispiel eine Dunkelfeld-Beleuchtung des zu vermessenden Objekts realisiert werden. In einer weiteren Ausgestaltung kann eine solche Ringbeleuchtung entweder selbst eine Wechselschnittstelle oder entsprechende Aktuatoren aufweisen, so dass die Auflicht-Beleuchtung durch einen Wechsel der Ringbeleuchtung oder durch entsprechende Ansteuerung der Aktuatoren an eine durch einen Teilobjektivwechsel verursachte Arbeitsabstandsänderung angepasst werden kann.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird darüber hinaus auch gelöst durch ein Verfahren zum Kalibrieren eines Koordinatenmessgeräts mit mindestens einer objektseitig telezentrischen Abbildungsoptik zur Abbildung eines Werkstücks oder Teile davon auf einen Sensor des Koordinatenmessgeräts zwecks der metrologischen Erfassung von geometrischen Größen des Werkstücks, wobei die Abbildungsoptik mit mindestens einer Wechselschnittstelle für einen Objektivwechsel von verschiedenen Abbildungsoptiken mit verschiedenen Abbildungsmaßstäben und / oder verschiedenen Arbeitsabständen an dem Koordinatenmessgerät versehen ist und wobei die Abbildungsoptik aus mindestens zwei Teilobjektiven besteht, die sich an der mindestens einen Wechselschnittstelle der Abbildungsoptik voneinander trennen lassen, wobei die optische Funktionalität der Abbildungsoptik bzw. der Abbildungsmaßstab und / oder der Arbeitsabstand der Abbildungsoptik aus dem Zusammenspiel der mindestens zwei Teilobjektiven resultiert und wobei die mindestens eine Wechselschnittstelle der Abbildungsoptik konstruktiv so angeordnet ist, dass bei einem Objektivwechsel eines der Teilobjektive an der mindestens einen Wechselschnittstelle zur Änderung der Abbildungsoptiken bzw. der Abbildungsmaßstäben und / oder der Arbeitsabständen der Abbildungsoptiken gewechselt wird, wobei eine hierbei notwendige optische Trennung der Teilobjektive der Abbildungsoptik voneinander in einer reellen oder virtuellen Feld- oder Zwischenfeldebene der Abbildungsoptik erfolgt, wobei das Verfahren den Schritt umfasst, dass die Verzeichnungskorrektur und / oder die Abbildungsmaßstabskorrektur der resultierenden Abbildungsoptik des Koordinatenmessgeräts für das Bildfeld des Sensors bei einer Messung des Werkstücks aus den einzelnen vorab festgestellten Verzeichnungswerten und / oder aus den einzelnen vorab festgestellten Abbildungsmaßstabswerten der jeweiligen Teilobjektive der Abbildungsoptik berechnet wird.
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Die Trennung der Teilobjektive in einer reellen oder virtuellen Feld- oder Zwischenfeldebene ermöglicht die Kalibrierung bzw. Feststellung der Verzeichnung und / oder des Abbildungsmaßstabs für jedes der Teilobjektive separat, so dass eine notwendige Verzeichnungskorrektur und / oder notwendige Abbildungsmaßstabskorrektur der gesamten Abbildungsoptik aus diesen Kalibrierwerten der Teilobjektive berechnet werden kann, ohne dass die gesamte Abbildungsoptik selbst hierzu kalibriert werden muss. Für den Nutzer eines erfindungsgemäßen Koordinatenmessgeräts entfällt somit zum Beispiel die Notwendigkeit von aufwändigen Kalibrierläufen des Koordinatenmessgeräts bei der Nachlieferung eines neuen Teilobjektivs seitens des Lieferanten. Der Nutzer muss bei einer solchen Nachlieferung lediglich das mitgelieferte Korrekturdatenfile in seinen Computer einlesen. Hierzu kann zum Beispiel die Verpackung des nachgelieferten Teilobjektivs mit einem entsprechenden QR-Code zum Scannen oder Einlesen versehen sein, der das Korrekturdatenfile enthält.
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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 der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Ansicht eines Koordinatenmessgeräts;
- 2 eine schematische Ansicht eines Koordinatenmessgeräts mit einem über eine Dreh-Schwenkeinheit gekoppelten optischen Sensorkopf des Standes der Technik;
- 3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Abbildungsoptik mit einer Wechselschnittstelle der Teilobjektive der Abbildungsoptik in einer reellen Zwischenbildebene; und
- 4 bis 9 schematische Darstellungen von weiteren Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Abbildungsoptik mit einer Wechselschnittstelle der Teilobjektive der Abbildungsoptik in einer virtuellen Zwischenbildebene.
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1 zeigt eine Ausführungsform eines Koordinatenmessgeräts 10. Das Koordinatenmessgerät 10 weist eine Regelungseinrichtung 12 auf, die dazu ausgebildet ist, das Koordinatenmessgerät 10 automatisiert zu steuern. Hierzu kann die Regelungseinrichtung 12 eine Datenverarbeitungseinheit oder einen Computer 14 aufweisen. Des Weiteren kann die Regelungseinrichtung 12 auch Anzeigevorrichtungen aufweisen, die einem Nutzer des Koordinatenmessgeräts 10 Informationen über angewählte Betriebsmodi, Messergebnisse usw. anzeigen. Des Weiteren weist das Koordinatenmessgerät 10 eine Bedienungseinrichtung 16 auf, die einem Nutzer ermöglicht, das Koordinatenmessgerät 10 zu steuern. Die Bedienungseinrichtung 16 ist dabei lediglich schematisch dargestellt. Diese soll zum einen ein manuelles Bewegen des Koordinatenmessgeräts 10 ermöglichen. Des Weiteren kann die Bedienungseinrichtung 16 dazu ausgebildet sein, dass der Nutzer Systemeingaben in die Regelungseinrichtung 12 eingeben kann, um einen Betriebsmodus usw. auszuwählen. Die Regelungseinrichtung 12 kann das Koordinatenmessgerät 10 des Weiteren auch automatisch regeln.
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Das Koordinatenmessgerät 10 dient dazu, ein Werkstück 18 zu vermessen. Hierzu weist das Koordinatenmessgerät 10 einen optischen Sensorkopf 20 des Standes der Technik auf, der einen optischen Sensor 22 und ein Beleuchtungsmodul 24 des Standes der Technik aufweist. Das Beleuchtungsmodul 24 ist mit dem optischen Sensor 22 gekoppelt.
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Um den optischen Sensorkopf 20 relativ zu dem Werkstück 18 bewegen zu können, weist das Koordinatenmessgerät in der dargestellten Ausführungsform ein Portal 26 auf, das in einer Y-Richtung bewegbar ist. Ein Schlitten 28 ist in einer X-Richtung bewegbar an einer Traverse 30 des Portals 26 gelagert. Auf diese Weise kann der optische Sensorkopf 20 durch Bewegung des Schlittens 28 auf der Traverse 30 in X-Richtung bewegt werden. In dem Schlitten 28 ist eine Pinole 32 vorgesehen, die relativ zu dem Schlitten 28 in einer Z-Richtung bewegbar ist. An der Pinole 32 ist dann der optische Sensorkopf 20 angebracht. Auf diese Weise ist es möglich, den optischen Sensorkopf 20 in allen drei Raumrichtungen X, Y und Z zu bewegen.
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Eine Lagerung des Portals 26 des Schlittens 28 und der Pinole 32 zueinander kann beispielsweise mittels sogenannter Luftlager ausgeführt sein. Um eine Lage des Portals 26, des Schlittens 28 und der Pinole 32 zu erfassen, kann das Koordinatenmessgerät 10 Skalen aufweisen. Beispielsweise können eine Skala 34 für die X-Richtung, eine Skala 36 für die Y-Richtung und eine Skala 38 für die Z-Richtung vorgesehen sein.
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Des Weiteren kann das Koordinatenmessgerät 10 eine Halteeinrichtung 40 aufweisen. In der Halteeinrichtung 40 ist mindestens ein Magazinplatz vorgesehen, insbesondere sind mehrere Magazinplätze vorgesehen. Dargestellt sind ein erster Magazinplatz 42, ein zweiter Magazinplatz 44 und ein dritter Magazinplatz 46. Jeder der Magazinplätze 42, 44, 46 kann dazu vorgesehen sein, ein bestimmtes Beleuchtungsmodul 24 zu tragen. Ein Wechseln eines Beleuchtungsmoduls 24 kann dann beispielsweise derart automatisiert erfolgen, dass die Regelungseinrichtung 12 ein momentan gekoppeltes Beleuchtungsmodul 24 in einem der Magazinplätze 42, 44, 46 ablegt und ein weiteres Beleuchtungsmodul (nicht dargestellt) aus einem anderen der Magazinplätze 42, 44, 46 aufnimmt.
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In der dargestellten Ausführungsform ist die Halteeinrichtung 40 an dem Portal 26 angebracht, so dass sich die Halteeinrichtung 40 unterhalb der Traverse 30 parallel zu der Traverse 30 in X-Richtung erstreckt. Alternativ kann beispielsweise auch vorgesehen sein, dass die Halteeinrichtung 40 direkt an der Traverse 30 angebracht ist. Durch eine entsprechende Anordnung der Halteeinrichtung 40 können Verfahrwege zum Wechseln eines Beleuchtungsmoduls 24 besonders kurz gehalten werden. Wie jedoch aus der dargestellten Ansicht ersichtlich ist, besteht in der dargestellten Anordnung zunächst keinerlei Möglichkeit, den optischen Sensor 22 und die Halteeinrichtung 40 in Y-Richtung relativ zueinander zu verfahren. Daher ist die Halteeinrichtung 40 in der dargestellten Ausführungsform auf einem Schlitten 48 in dem Portal 26 gelagert, so dass ein relatives Bewegen der Halteeinrichtung 40 zu dem optischen Sensor 22 in Y-Richtung möglich wird. Dabei wird die Halteeinrichtung 40 in Y-Richtung relativ zu dem Portal 26 des Schlittens 48 bewegt.
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Selbstverständlich sind darüber hinaus alternative Anordnungen der Halteeinrichtung 40 denkbar. Beispielsweise ist es möglich, dass an schematisch angedeuteten Aufstellungsorten 50, 52 die Halteeinrichtung 40 positioniert wird. Sie steht dann frei in dem Koordinatenmessgerät 10. Die Magazinplätze 42, 44, 46 können dann frei von dem optischen Sensor 22 angefahren werden, um ein Beleuchtungsmodul 24 abzulegen oder aufzunehmen.
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2 zeigt eine schematische Detailansicht eines Teils des Koordinatenmessgeräts 10. Schematisch sind erneut der Schlitten 28 und die Pinole 32 dargestellt. Wie 2 zu entnehmen ist, kann an der Pinole 32 beispielsweise eine sogenannte Drehschwenkeinheit 54 angeordnet sein, die ein Drehen des optischen Sensors 22 des Standes der Technik sowohl um die Z-Richtung als auch die Y-Richtung ermöglicht. Auf diese Weise kann der optische Sensor 22 in einer Vielzahl von Richtungen ausgerichtet werden, um das Werkstück 18 aus einem gewünschten Betrachtungswinkel zu betrachten. Verschiedene Systemkomponenten sind dabei über Wechselflächen 56 gekoppelt, beispielsweise ist mittels einer Wechselfläche 56 der optische Sensor 22 mit der Drehschwenkeinheit 54 gekoppelt.
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Über die Wechselfläche 56 hinweg werden elektrische Versorgungsleitungen, Kommunikationsschnittstellen, optische Schnittstellen usw. bereitgestellt, um den optischen Sensor 22 zum einen mit Energie zu versorgen und zum anderen das Werkstück 18 anstrahlen zu können. Des Weiteren werden die von dem optischen Sensor 22 erfassten Daten über die Wechselfläche 56 und die dort bereitgestellten Schnittstellen hinweg zu der Regelungseinrichtung 12 und ihrer Datenverarbeitungseinheit 14 geleitet.
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An dem optischen Sensor 22 ist entlang einer ersten Schnittstelleneinrichtung 58 das Beleuchtungsmodul 24 gekoppelt. Das Beleuchtungsmodul 24 weist in der dargestellten Ausführungsform die Form eines kreisförmigen Rings auf. Darüber hinaus weist der optische Sensor 22 noch eine Abbildungsoptik 60 auf, die dazu dient, von einem Werkstück 18 empfangene Lichtstrahlung auf den optischen Sensor 22 abzubilden.
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Alternativ zu dem optischen Sensor 22 des Standes der Technik der 1 und 2 wird nachfolgend anhand der 3 bis 9 ein erfindungsgemäßer optischer Sensor für ein erfindungsgemäßes Koordinatenmessgerät 10 mit mindestens einer objektseitig telezentrischen Abbildungsoptik 1 zur Abbildung eines Werkstücks 18 erläutert.
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Die erfindungsgemäße Abbildungsoptik 1 der 3 bis 9 dient dazu, die Oberfläche 6 eines zu vermessenden Werkstücks 18 bzw. die Objektebene 6 auf einen CCD- oder CMOS-Sensorchip 9 bzw. optischen Sensor 9 abzubilden. Hierzu ist der optische Sensor 9 in einer Feldebene 8 der Abbildungsoptik 1 angeordnet. Der optische Sensor 9 bildet zusammen mit einem nicht dargestellten Gehäuse inklusive etwaiger Ansteuerungs- und Auswerteelektronik eine Einheit, die analog zu dem optischen Sensor 22 des Standes der Technik gemäß den 1 oder 2 entweder direkt oder über eine Dreh-Schwenkeinheit 54 mittels einer Wechselfläche 56 austauschbar an der Pinole 32 eines erfindungsgemäßen Koordinatenmessgeräts 10 angeordnet werden kann.
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Die Steuerungseinheit 12 des erfindungsgemäßen Koordinatenmessgeräts 10 verfährt die Pinole 32 und / oder die Dreh-Schwenkeinheit 54 derart, dass die Abbildungsoptik 1 in Relation zu der Oberfläche 6 des zu vermessenden Werkstücks 18 so positioniert wird, dass die Oberfläche 6 in den für Messzwecke zulässigen Fangbereich bzw. Arbeitsabstand der Abbildungsoptik 1 gerät. Die erfindungsgemäße Abbildungsoptik 1 ist dabei zur metrologischen Vermessung von Werkstücken mit einem objektseitig telezentrischen Strahlengang ausgeführt. Selbstverständlich kann die Abbildungsoptik 1 auch bildseitig telezentrisch ausgeführt sein.
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Die Abbildungsoptik 1 der 3 bis 9 weist mindestens eine Wechselschnittstelle 4; 4a; 27 für einen Objektivwechsel von verschiedenen Abbildungsoptiken 1 mit verschiedenen Abbildungsmaßstäben und / oder verschiedenen Arbeitsabständen an dem Koordinatenmessgerät 10 auf. Ferner ist die Abbildungsoptik 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Abbildungsoptik 1 aus mindestens zwei Teilobjektiven 2; 3 besteht, die sich an der mindestens einen oder an mindestens einer weiteren Wechselschnittstelle 4; 4a; 27 der Abbildungsoptik 1 voneinander trennen lassen, wobei die optische Funktionalität der Abbildungsoptik 1 bzw. der Abbildungsmaßstab und / oder der Arbeitsabstand der Abbildungsoptik 1 aus dem Zusammenspiel der mindestens zwei Teilobjektiven 2; 3 resultiert und wobei die mindestens eine oder die mindestens eine weitere Wechselschnittstelle 4; 4a; 27 der Abbildungsoptik 1 konstruktiv so angeordnet ist, dass bei einem Objektivwechsel die gesamte Abbildungsoptik 1 oder auch nur eines der Teilobjektive 2; 3 an der mindestens einen oder der mindestens einen weiteren Wechselschnittstelle 4; 4a; 27 zur Änderung der Abbildungsoptiken 1 bzw. der Abbildungsmaßstäbe und / oder der Arbeitsabstände der Abbildungsoptiken 1 gewechselt wird. Hierdurch ist es möglich, dass ein Objektivwechsel an dem erfindungsgemäßen Koordinatenmessgerät 10 dadurch realisiert wird, indem eine ganze Abbildungsoptik 1 oder auch nur ein Teilobjektiv 2; 3 aus einem Magazinplatz 42, 44, 46 der Halteeinrichtung 40 des Koordinatenmessgeräts 10 eingewechselt wird.
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Erfindungsgemäß erfolgt die hierbei notwendige optische Trennung der gesamten Abbildungsoptik 1 vom restlichen Koordinatenmessgerät 10 bzw. der Teilobjektive 2; 3 der Abbildungsoptik 1 voneinander in einer reellen oder virtuellen Feld- oder Zwischenfeldebene 7; 8; 7a der Abbildungsoptik 1. Hierdurch ist es möglich, dass die Teilobjektive 2; 3 unabhängig voneinander vorab kalibriert werden können und dass die notwendigen Korrekturen wie zum Beispiel eine notwendige Verzeichnungskorrektur und / oder eine notwendige Abbildungsmaßstabskorrektur in jeweils separat abgespeicherten Dateien vorgehalten werden können. Die Variante mit einer reellen Zwischenfeldebene 7 zwischen den beiden Teilobjektiven 2 und 3 der erfindungsgemäßen Abbildungsoptik 1 ist in 3 dargestellt, die Variante mit eine virtuellen Zwischenfeldebene in den 4 bis 9. Letzteres führt zu einer kompakteren Bauweise der Abbildungsoptik 1, da zumindest ein Teilobjektiv 2; 3 kürzer ausgeführt werden kann und die Linsen 5 der Teilobjektive 2 und 3 insgesamt näher zusammenrücken.
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Die mindestens eine Wechselschnittstelle 4; 27 oder die mindestens eine weitere Wechselschnittstelle 4a der erfindungsgemäßen Abbildungsoptik 1 der 3 bis 9 weist Lagerelemente eines Dreipunktlagers zur eindeutigen Positionierung der Abbildungsoptik 1 relativ zum Gehäuse des Sensors oder zur eindeutigen Positionierung der Teilobjektive 2; 3 der Abbildungsoptik 1 relativ zueinander auf. Die reellen oder virtuellen Feld- oder Zwischenfeldebene 7; 8; 7a der Abbildungsoptik 1 können benachbart zu diesen Wechselschnittstellen 4; 4a; 27 ausgeführt sein, müssen aber nicht unmittelbar mit den Wechselflächen der Wechselschnittstellen 4; 4a; 27 übereinstimmen. Insbesondere, wenn mit dem Teilobjektiv 2 alleine ein Bauteil 18 vermessen werden soll, ist es günstiger, wenn die Wechselschnittstellen 4; 27 in Richtung der Linsen 5; 5a des Teilobjektivs 2 zurückversetzt angeordnet sind, so dass das Bauteil 18 zur Messung in der Zwischenfeldebene 7; 7a platziert werden kann.
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Zum Aneinanderhalten der Abbildungsoptik 1 und des nicht dargestellten Gehäuses des Sensors 9 oder zum Aneinanderhalten der Teilobjektive 2; 3 der Abbildungsoptik 1 weist die mindestens eine Wechselschnittstelle 4; 27 oder die mindestens eine weitere Wechselschnittstelle 4a mindestens ein, in den 3 bis 9 nicht dargestelltes, Halteelement einer Halteeinrichtung auf. Hierbei ist die mindestens eine Wechselschnittstelle 4; 27 oder die mindestens eine weitere Wechselschnittstelle 4a so ausgebildet, dass durch das Koordinatenmessgerät 10 die Ablage in bzw. die Aufnahme aus einem Magazinplatz 42; 44; 46 des Koordinatenmessgeräts 10 der gesamten Abbildungsoptik 1 oder eines Teilobjektivs 2; 3 der Abbildungsoptik möglich ist.
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Die 5, 7 und 8 zeigen eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Abbildungsobjektivs 1, bei der ein Teilobjektiv 3, welches von den beiden Teilobjektiven 2; 3 objektseitig am nächsten zu dem Werkstück 18 angeordnet ist, mit mindestens einer Ringbeleuchtung 11 zur Auflicht-Beleuchtung des Werkstücks 18 versehen ist.
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Die 6 bis 9 zeigen eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Abbildungsobjektivs 1, bei der die Teilobjektive 2 und 3 über eine Wechselschnittstelle 4; 27 miteinander gekoppelt sind und wobei ein Teilobjektiv 3 in Bezug zu dem anderen Teilobjektiv 2 objektseitig angeordnet ist und mindestens eine Lichtquelle 17 zur Erzeugung von Beleuchtungslicht aufweist, wobei das objektseitige Teilobjektiv 3 Mittel 13, 15; 19 zur Erzeugung einer kollimierten koaxialen Auflicht-Beleuchtung des zu vermessenden Objekts 18 aufweist. Hierbei sind die Mittel 13, 15; 19 durch einen Strahlteiler 15; 19 zur Einkopplung bzw. Umlenkung des Beleuchtungslichts und durch einen Lamellenfilter 13 zur Kollimierung des Beleuchtungslichts realisiert. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Lamellenfilter 13 als ein Folienfilter ausgeführt.
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Die 7 bis 9 zeigen eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Abbildungsobjektivs 1, bei der die Abbildungsoptik 1 eine optische Achse aufweist, deren Richtung von der Betrachtungsrichtung des Werkstücks 18 abweicht und insbesondere gegenüber dieser Betrachtungsrichtung einen Winkel von 90° aufweist. Hierdurch ist es insbesondere möglich, die Innenwände von Zylinderbohrungen eines Werkstücks 18 zu vermessen. Anders ausgedrückt weisen die Ausführungsformen der 7 bis 9 eine objektseitige optische Achse und eine sensorseitige optische Achse auf, wobei die Richtungen der genannten optischen Achsen voneinander abweichen und insbesondere zueinander einen Winkel von 90° aufweisen.
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Die 8 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Abbildungsobjektivs 1, bei der die Abbildungsoptik 1 mindestens zwei Betrachtungsrichtungen zur Betrachtung von Werkstücken ermöglicht und hierzu einen teilverspiegelten Strahlteiler 19 innerhalb eines Teilobjektivs 3 aufweist. Anders ausgedrückt kann die Ausführungsform der 8 mindestens zwei räumlich voneinander getrennte Felder auf den Sensor 9 des Koordinatenmessgeräts 10 abbilden und weist hierzu einen Strahlteiler 19 innerhalb eines Teilobjektivs 3 auf.
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Die 9 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Abbildungsobjektivs 1, bei der das objektseitige Teilobjektiv 3 mindestens eine weitere Lichtquelle 21 zur Beleuchtung einer Referenzstruktur 23 des objektseitigen Teilobjektivs 3 aufweist. Mit Hilfe einer solchen Referenzstruktur 23 können somit Referenzmarken wahlweise durch das Einschalten der mindestens einen weiteren Lichtquelle 21 in den Strahlengang der Abbildungsoptik 1 eingebracht werden. Ein weiterer optionaler Lammellenfilter 13 (in 9 nicht dargestellt) kann hierbei wiederum für eine Ausrichtung des Lichts der Referenzmarke parallel zur optischen Achse sorgen. Darüber hinaus kann ein schaltbarer Absorber 25 zum Beispiel LCD für eine auch nur teilweise Ein- und Ausblendung der Referenzstruktur 23 sorgen.
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Im Gegensatz zu den 3 bis 8 weist die erfindungsgemäße Ausführungsform der Abbildungsoptik 1 gemäß 9 eine drehbare Wechselschnittstelle 27 mit Schleifkontaktringen zur Trennung der beiden Teilobjektiven 2 und 3 an der virtuellen Zwischenfeldebene 7a auf. Mit Hilfe dieser drehbar ausgeführten Wechselschnittstelle 27 ist es möglich, das objektseitige Teilobjektiv 3 analog einem Periskop um die optische Achse der Abbildungsoptik 1 zu drehen. Somit können durch die Drehung des objektseitigen Teilobjektivs 3 die Wände von Bohrungen bzw. Innenzylinder auf einer Kreisbahn vollständig erfasst werden. Es versteht sich, dass die drehbare Wechselschnittstelle 27 auch motorisiert betrieben werden kann und dass eine solche Wechselschnittstelle 27 auch anstelle der anderen Wechselschnittstellen 4 und 4a der 3 bis 9 eingesetzt werden kann.
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Durch das Einschalten der Referenzstruktur 23 mithilfe der mindestens einen Lichtquelle 21 kann nun bei einer Drehung des objektseitigen Teilobjektivs 3 der Drehwinkel anhand des Abbildes der Referenzmarken auf dem Sensor 9 festgestellt werden. Die Notwendigkeit eines zusätzlichen Winkelmessgeräts entfällt hierdurch. Darüber hinaus werden diese Referenzmarken bei einer Messung eines Werkstücks in das eigentliche Messbild eingeblendet, wodurch der aktuelle Drehwinkel bei der Messung im eigentlichen Messbild festgehalten wird. Somit kann auch im Nachhinein immer der gültige Drehwinkel eines Messbildes anhand der Ausrichtung der Referenzmarken innerhalb des Messbildes festgestellt werden. Darüber hinaus können auch ein eventueller Lateralversatz oder eine eventuelle Neigung des Teilobjektivs 3 gegenüber der optischen Achse anhand der Ausrichtung bzw. Lage der Referenzmarken innerhalb des Messbildes festgestellt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Erfindungsgemäße Abbildungsoptik (objektseitig und bildseitig telezentrisch)
- 2
- Ein Teilobjektiv
- 3
- Ein weiteres Teilobjektiv
- 4
- Eine Wechselschnittstelle (ebenso 4a)
- 5
- Optische Linsen der Teilobjektive
- 6
- Objektebene (bzw. Oberfläche des zu vermessenden Werkstücks 18)
- 7
- Reelle Zwischenfeldebene / virtuelle Zwischenfeldebene 7a
- 8
- Reelle Feldebene bzw. Bildebene der Abbildungsoptik
- 9
- CCD oder CMOS-Sensor in Bildebene
- 10
- Koordinatenmessgerät
- 11
- Ringbeleuchtung für Hellfeld-Auflichtbeleuchtung (variable Beleuchtungswinkel)
- 12
- Steuerungseinheit für Koordinatenmessgerät
- 13
- Lamellenfilter zur parallelen Ausrichtung des koaxialen Auflichts
- 14
- Computer der Steuerungseinheit 12
- 15
- Strahlteiler
- 16
- Bedienpult des Koordinatenmessgeräts
- 17
- Lichtquellen für koaxiales Auflicht
- 18
- Werkstück
- 19
- Strahlteiler teilverspiegelt
- 20
- Optischer Sensorkopf des Standes der Technik
- 21
- Lichtquellen für Referenzstruktur
- 22
- Optischer Sensor des Standes der Technik
- 23
- Referenzstruktur
- 24
- Beleuchtungsmodul
- 25
- Schaltbarer Absorber (z.B. LCD)
- 26
- Portal
- 27
- Drehvorrichtung mit Wechselschnittstelle
- 28
- Schlitten
- 29
- ---
- 30
- Traverse des Portals 26
- 31
- ---
- 32
- Pinole
- 33
- ---
- 34
- Skala für x-Richtung
- 35
- ---
- 36
- Skala für y-Richtung
- 37
- ---
- 38
- Skala für z-Richtung
- 39
- ---
- 40
- Halteeinrichtung
- 41
- ---
- 42
- Erster Magazinplatz
- 43
- ---
- 44
- Zweiter Magazinplatz
- 45
- ---
- 46
- Dritter Magazinplatz
- 47
- ---
- 48
- Schlitten für Halteeinrichtung 40 in Portal 26
- 49
- ---
- 50
- Alternativer Aufstellort für Halteeinrichtung 40
- 51
- ---
- 52
- Weiterer Aufstellort für Halteeinrichtung 40
- 53
- ---
- 54
- Dreh-Schwenkeinheit 54
- 55
- ---
- 56
- Wechselflächen
- 57
- ---
- 58
- Schnittstelleneinrichtung
- 59
- ---
- 60
- Abbildungsoptik des Standes der Technik
