DE102018005547B3

DE102018005547B3 - Vorrichtung und Verfahren zur Vermessung von zweidimensionalen Objekten

Info

Publication number: DE102018005547B3
Application number: DE102018005547.8A
Authority: DE
Inventors: Gerald Loh
Original assignee: Sid Sachsisches Institut fur Die Druckindustrie Institut Des Vereins Polygraph Leipzig Ev GmbH; Sid Saechsisches Inst fur Die Druckindustrie Inst Des Vereins Polygraph Leipzig E V GmbH
Current assignee: Sid Sachsisches Institut fur Die Druckindustrie Institut Des Vereins Polygraph Leipzig Ev GmbH; Sid Saechsisches Inst fur Die Druckindustrie Inst Des Vereins Polygraph Leipzig E V GmbH
Priority date: 2018-07-13
Filing date: 2018-07-13
Publication date: 2019-09-12
Anticipated expiration: 2038-07-14

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Vermessung von zweidimensionalen Messobjekten, das es erlaubt, ausgedehnte Objekte mit Dimensionen von 1000 mm und mehr auf eine einfache und kostengünstige Weise mit leicht verfügbaren Mitteln und einer Genauigkeit von bis zu 0,05 mm zu vermessen. Dazu wird eine Messvorrichtung vorgeschlagen, die durch Schaffung von Antastpunkten am Messobjekt und deren Identifizierung und Vermessung mittels spezieller zu Grunde liegender Muster unter Nutzung einfacher Instrumentarien, wie beispielsweise mobiler Endgeräte, bei einfacher Handhabung in der Lage ist, die Messaufgabe kostengünstig und mit erforderlicher Genauigkeit zu lösen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Vermessung von zweidimensionalen Messobjekten, das es erlaubt, ausgedehnte Objekte mit Dimensionen von 1000 mm und mehr auf eine einfache und kostengünstige Weise mit leicht verfügbaren Mitteln und einer Genauigkeit von bis zu 0,05 mm zu vermessen.
Bei vielfältigen Fertigungsprozessen besteht die Aufgabe, vor, während und/oder nach einem Fertigungsschritt geometrische Abmessungen eines Objektes messtechnisch zu kontrollieren. Zu diesem Zweck kommen sehr unterschiedliche Mess- und Kontrollvorrichtungen zur Anwendung, die sich je nach Einsatzgebiet sehr erheblich unterscheiden.
Sehr aufwändig wird die jeweils eingesetzte Methode in der Regel dann, wenn eine extrem hohe Präzision beispielsweise im Bereich von wenigen µm erreicht werden muss und obendrein das Messobjekt relativ große Abmessungen, beispielsweise bis zu 1000 mm oder gar darüber hinaus aufweist.
Aus der DE 100 23 813 C2 ist eine Messmethode zu entnehmen, bei der das Objekt auf einem Messtisch aufgelegt ist, wobei ein Messtisch benutzt wird, auf dessen Oberfläche ein spezielles Strichmuster aufgebracht worden ist, welches es erlaubt, jedem Punkt auf dem Messtisch durch Auswertung seiner Umgebung sehr genau seine Koordinaten in der Messtischebene eineindeutig zuzuordnen. Dazu werden Messort und Objekt auf dem Messtisch mit einer hochauflösenden Kamera erfasst und das aufgenommene Bild bzw. aufgenommene Bilder mit einer entsprechenden Software ausgewertet. Befindet sich ein opakes Messobjekt auf dem Messtisch, so verdeckt dieses Teile des Tisches und des Strichmusters und es kann der zweidimensionale Verlauf der abdeckenden Kante als eine Folge von Punkten mit Koordinaten, die so unter Nutzung des Messtischmusters und einer Bildaufnahme und Bildverarbeitungseinrichtung ermittelt worden sind verortet werden. Nachteilig an dem Verfahren ist es, dass objektiv jedes Objekt eine dritte Dimension besitzt, die abhängig von der Art der Beleuchtung einen unterschiedlich großen Schatten erzeugt und damit das Maß verfälscht. Dieser Schatten wird zusätzlich durch die Struktur der Kante beeinflusst. Weiterhin treten Abbildungsfehler der Aufnahmeeinrichtung auf, die berücksichtigt werden müssen. Dazu bekannte Abhilfen wie telezentrische Beleuchtungen und Bildaufnahmen werden extrem aufwändig, wenn die Objekte relativ groß sind im Verhältnis zur geforderten Messauflösung, wie dies beispielsweise bei der Vermessung eines Kartonzuschnitts in der Verpackungsindustrie der Fall ist. Die für die in Rede stehenden Anwendungen notwendige Messauflösung beträgt im betrachteten Fall < 0,05 mm und das Objekt kann andererseits bis zu mehr 1000 mm Kantenlänge in 2 Dimensionen aufweisen.
Für durchsichtige oder durchscheinende Objekte ist das zitierte optische Verfahren praktisch nicht anwendbar, da diese häufig keine hinreichende Abdeckung oder messbare Konturen durch Schattenwurf erzielen. Gleichermaßen schwierig ist eine Vermessung, wenn sich Strukturen auf der Oberfläche des Objektes befinden, die dem Messmarkenmuster auf dem Messtisch ähneln.
Beim Verarbeiten von flächigen Materialien spielt die Maßhaltigkeit aber insbesondere auch die Winkelhaltigkeit sowie eine Parallelität und eine Geradheit von Kanten bei den einem Bearbeitungsprozess zugeführten Stücken eine erhebliche Rolle. Gleiches gilt auch für die erreichten Maßparameter nach dem Verarbeitungsprozess. So kommt es beispielsweise vor, dass ein Kartonzuschnitt nicht hinreichend genau rechtwinkelig beschnitten worden ist oder durch einen ausgeführten Bearbeitungsschritt an den Rändern und in der Mitte ungewollt unterschiedlich verformt worden ist. Das stellt entweder sofort eine Ausschussproduktion dar oder kann in einem Folgeschritt zu fehlerhaften Produkten und damit zu Verlusten von Exemplaren führen.
Als ein anderes Mittel für eine Vermessung solcher Maßparameter werden in der grafischen Industrie in Einzelfällen auch große sehr teure Maßstabslehren wie z.B. das Produkt „electronic scale“ der Fa. Müller (www.m-service.de) eingesetzt, deren Anschaffung allerdings für eine ganze Reihe von Unternehmen der Branche allein aus Kostengründen ( bei großen Abmessungen > 6.000€) unter Berücksichtigung einer nicht sonderlich häufigen Anwendung nicht darstellbar ist. Bei großen Objekten mit Messgrößen von über 1000 mm Länge, für die das vorgenannte Gerät mit einer Genauigkeit von >0,05 mm prospektiert ist (It. Bedienungsanleitung „Electronic scale“) wird in der Praxis derzeit daher aus Kostengründen auf eine Kontrolle ganz verzichtet.
Eine Vermessung von komplizierten Konturen, wie sie zum Beispiel gestanzte Innenkonturen darstellen ist damit außerdem auch nur begrenzt möglich. Die erreichbare maximale Messgenauigkeit wird zwar mit > 0,05 mm angegeben, diese ist im Einzelfall insbesondere für systematische Analysen eines Bearbeitungsprozesses aber kaum ausreichend.
Die DE 10 2015 103 373 A1 aber auch die WO 2004 / 033991 A1 beschreiben jeweils Vorrichtungen und Verfahren, bei denen ein Messobjekt durch Antastkörper in seiner Kontur angetastet wird. Die dort beschriebenen Verfahren ermitteln dann die Position des Antastkörpers relativ zu einem Messtisch und errechnen auf Grund bekannter Geometrien und einem mit dem Messtisch ebenfalls fest verbundenen Koordinatensystem die Kontur und damit die Abmaße des Messobjektes. Die Gewinnung des Messwertes erfolgt hier bevorzugt durch interferometrische Verfahren unter Einsatz aufwändiger Präzisionsmechanik. Es können dabei Auflösungen < 1µm erzielt werden. Mit den dort vorgeschlagenen Vorrichtungen und Verfahren werden auch die Problematiken, die sich aus optischen Eigenschaften des Messobjektes ergeben können wie beispielsweise Durchsichtigkeit deutlich entschärft. Solche Anordnungen sind allerdings extrem aufwändig und teuer, insbesondere wenn damit große Objekte vermessen werden müssen. Sie kommen daher nur dann überhaupt zum Einsatz, wenn es sich um die Produktion von hochpräzisen Teilen handelt, bei denen sich der Aufwand auch über den Preis eines zu vermessenden Produkts rechtfertigen lässt. Vergleichbare Verfahren werden auch in der WO 99 / 17073 A1 beschrieben, hier rechtfertigt sich der Aufwand für die Messvorrichtung insbesondere dadurch, dass diese beschriebenen Messapparaturen dreidimensional zu arbeiten in der Lage sind und so auch ausschließlich für sehr hochwertige Messobjekte zum Einsatz kommen können.
In der Schrift JP 2007 303 828 A werden ein Verfahren und eine Vorrichtung beschrieben, die mit vergleichsweise einfachen Mitteln und Methoden eine Kontrolle und Vermessung dreidimensionaler Messobjekte beschreibt. Sie bedient sich dazu einer Referenzfläche, auf der vorzugsweise das Objekt angeordnet ist und auf der mehrere Marker mit bekannter Geometrie berührungslos um das Objekt platziert werden. Aus dem Ort der Marker auf der Referenzfläche und der Gestalt der Marker wird dann ein Koordinatensystem errechnet, das zur Vermessung des platzierten Messobjektes verwendet wird. Die Marker sind durch Identifikationsmarken und/oder Farben voneinander unterscheidbar, die Szene wird mit einer lichtoptischen Vorrichtung erfasst und mittels einer Auswerteeinheit ausgewertet. Diese Vorgehensweise kommt zwar mit vergleichsweise einfachen Mitteln aus, ist aber nicht in der Lage, die für die oben genannten Zielanwendungen erforderlichen Genauigkeiten zu erreichen. Es werden in keiner Weise die bei der Aufbringung des Referenzmusters in der Praxis unvermeidlich auftretenden Abweichungen vom Idealmuster berücksichtigt, die sich insbesondere bei größeren Flächen (bis zu 1 m) und preiswerten Herstellungsmethoden bereits oberhalb des angestrebten Messtoleranzbereiches befinden. Gleichermaßen dienen die Markierungen auf den Markern vorrangig nur deren Identifizierung und Auffindung. Sie sind nicht geeignet, beispielsweise durch Erkennung ihrer Drehlage unvermeidliche Abweichungen ihrer Anbringung vom Idealpunkt sowie herstellungsbedingte Formabweichungen des Markers von der Idealform (wie beispielsweise Kreis, Dreieck oder Viereck) zu berücksichtigen, die bei preiswerten Herstellungsverfahren allein schon ebenfalls in die Größenordnung der angestrebten Toleranzen fallen. Des Weiteren treten unvermeidliche Messfehler bei der optischen Erfassung der Szene auf. Durch die dort beschriebenen vielschrittigen Rechenoperationen mit diesen mit o.g. Fehlern behafteten Größen entstehen den Gesetzen der Fehlerfortpflanzung folgend Koordinatendaten und damit in der Folge Messergebnisse, die die Zielstellung der für die vorliegende Erfindung gestellten Aufgabe keinesfalls zu erfüllen in der Lage sind.
Ein einfaches und kostengünstiges sowie leicht handhabbares Verfahren für gelegentliche und schnell durchzuführende Kontrollmessungen an Objekten in nur einer Ebene bei Messobjektabmessungen größer 1000 mm und einer Messgenauigkeit von ca. 0,05 mm steht heute für kleine und mittelständische Anwender nicht zur Verfügung.
Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu entwickeln, die es ermöglichen, ausgedehnte Objekte in einer Ebene präzise mit einer hohen Genauigkeit von weniger als 0,05 mm Messfehler unter Einsatz von einfachen, leicht verfügbaren und äußerst kostengünstigen Mitteln und Methoden in industrieller Umgebung schnell zu vermessen, wobei die Objekte Dimensionen von 1000 mm und mehr aufweisen dürfen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß entsprechend Hauptanspruch 1 bzw. Verfahrensanspruch 10 sowie den zugehörigen Unteransprüchen gelöst.
Der grundsätzliche Messaufbau der Messvorrichtung ist in 1 dargestellt. Die Vermessung erfolgt auf einem Messtisch (1). Auf dem Messtisch ist ein zweidimensionales Messelement, (2), im weiteren Tischmarke genannt, aufgebracht, das so aufgebaut ist, dass für jeden Ort der Tischmarke seine Koordinaten mit ihrem Bezug auf das Koordinatensystem der Tischmarke aus Eigenschaften der Umgebung des jeweiligen Orts eineindeutig bestimmbar sind. Dazu kann beispielsweise vorteilhaft ein zweidimensionales Messelement, wie es in der DE 100 23 813 C2 beschrieben wird und in 9 beispielhaft dargestellt ist, als Tischmarke eingesetzt werden, das insbesondere auch für Messtische von mehr als 1000 mm leicht erstellbar ist. Die Tischmarke kann auch als eine separate, aber fest mit dem Messtisch verbundene Auflage ausgebildet sein, die getrennt vom Messtisch extern hergestellt und dann aufgebracht worden ist. Dies ermöglicht einen leichten evtl. erforderlich werdenden späteren Austausch.
Zur Vermessung eines Messobjektes (3) wird dieses auf dem Messtisch (1) so platziert, dass es in den zu vermessenden Dimensionen vollständig auf dem Messtisch und auf der Tischmarke zu liegen kommt.
Weiterhin gehören zur Messvorrichtung ein oder eine Anzahl n von Mess-Chips (4.n), im Weiteren auch als Chips bezeichnet. Zum Zwecke der Vermessung eines ausgewählten Details der Kontur des Messobjektes wird dort jeweils ein Messchip in direktem Kontakt zum Messobjekt platziert (siehe 1 (4a....4x)).
Ein Messchip (s. 2) ist vorzugsweise als ein flacher vergleichsweise kleiner, vorzugsweise symmetrischer Körper (21) ausgebildet, der auf einer sichtbaren Oberseite mindestens eine Chipmarke (22) trägt. In 2 ist dieser beispielhaft als flacher zylindrischer Chipkörper ausgebildet. Diese Chipmarke (22) ist grundsätzlich so aufgebaut, dass sie eine Information zur individuellen eineindeutigen Erkennung eines jeweiligen Chips enthält, also seine und nur seine Chipmarke dieses Chips verkörpert, weiterhin eine sehr genaue Definition eines repräsentativen Ortes auf dem Chip, im Weiteren Ortspunkt (23) des Chips genannt, und einer Winkellage des Chips mindestens relativ zu einer von der Chipmarke aufgespannten fiktiven Nulllage und Achsendefinition ermöglicht.
Dazu wird beispielsweise als Chipmarke ein Markenmuster benutzt, wie es in der DE 10 2011 009 791 B4 beschrieben wird. 7 zeigt beispielhaft ein Abbild einer derartigen Marke.
Für einen jeden Messchip ist vor der Zusammenstellung einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung in einer einmaligen Kalibrierprozedur ein für diesen Chip individueller Ortspunkt (23) ermittelt und festgelegt worden, der damit fürderhin bekannt ist. Dazu wird der Abstand des Ortspunktes eines Messchips zu seiner äußeren Kontur in einer hohen Auflösung und Genauigkeit ermittelt und in einer Speichereinheit (s. auch 3, (31)) als individuelle Korrekturdaten des Messchip in einer ersten Kalibriertabelle gespeichert. Diese Tabelle wird bei den späteren rechnerischen Auswerteschritten zur Erreichung einer hohen Genauigkeit wieder mit herangezogen. Damit sind relative Lagefehler des Ortspunktes zur Symmetrie der Kontur des Messchips für diesen Messchip fixiert und bei seinem Einsatz als Korrekturgröße bekannt.
Weitere Bestandteile der Vorrichtung sind eine Bedien-, eine Aufnahme-, eine Speicher- und eine Auswerteeinheit wie in 3 (31) veranschaulicht. Praktischerweise sind häufig mehrere dieser funktionalen Einheiten hardwaremäßig in einem gemeinsamen Geräteteil zusammengefasst (31).
Die Bedieneinheit wirkt funktionell als Bedien- und Steuereinheit für den gesamten Messprozess. Mit ihr wird die Art einer Messaufgabe (beispielsweise eine Längenmessung) ausgewählt, der Messablauf gestartet und der Bediener wird durch den der Messaufgabe entsprechenden Messablauf geführt. Dazu ist eine aufgabenspezifische Software in der Bedieneinheit installiert. Schließlich können in der Bedieneinheit auch Messergebnisse angezeigt werden.
Die Aufnahmeeinheit enthält mindestens eine optische Abtastvorrichtung, die aus einer Bildaufnahmeeinheit mit Kamera und Szenenbeleuchtung (32) sowie einem mechanischen Messaufsatz mit stativähnlichem Ständer (33) besteht, mit dem die Aufnahmeeinheit über dem Ort der Bildaufnahme positioniert werden kann. In der Regel erfolgt die Positionierung manuell über dem zu vermessenden Messchip (34) und seiner Umgebung, wobei stets ein Messchip und mindestens ein Teil der Tischmarke (35) vom Bildfeld der Kamera (32) erfasst werden müssen. Zur Maximierung der Genauigkeit dieses Schrittes ist vorher für die hierfür relevanten Systemkomponenten eine zweite Kalibriertabelle erstellt worden, die die Abbildungsfehler der Aufnahmeeinheit umfasst sowie eine dritte Kalibriertabelle, die Abweichungen der realen Tischmarke (35) von ihrer Idealgestalt und zu möglichen Anschlägen beinhaltet. Beide werden im weiteren Messwertverarbeitungsprozess herangezogen. Der stativartige Ständer sollte vorteilhaft so ausgebildet sein, dass er für jede Bildaufnahme ein und denselben Abstand zwischen Bildaufnahmeeinheit (32) und Tischmarkenebene (35) sichert.
Die Vorrichtung verfügt, wie bereits erwähnt, über eine Speichereinheit. In ihr ist beispielsweise die oben genannte erste Kalibriertabelle gespeichert. Hinzu kommen in der Regel weitere zweite und dritte Kalibriertabellen. Des Weiteren können in der Speichereinheit auch Messergebnisse, insbesondere Messreihen, abgelegt werden sowie auch deren Auswerteergebnisse.
Die Auswerteeinheit vollzieht zunächst den gesamten Bildkorrektur- und Verarbeitungsprozess, übernimmt weiterhin die rechnerische Aufbereitung der aus dem Bild gewonnenen Positionsdaten sowie die Ermittlung des gesuchten Messwertes unter Nutzung bekannter Rechenverfahren der analytischen Geometrie und der o.g. Kalibriertabellen.
Sie stellt die Messergebnisse sowohl zur Anzeige, als auch zur internen oder externen Speicherung oder nachgelagerten Auswertung zur Verfügung.
Der beschriebene Aufbau und das zugehörige Messverfahren lassen sich in besonders vorteilhafter Weise ausgestalten, wenn die Hardware durch ein mobiles Endgerät, beispielsweise ein Smartphone oder ein Tablet PC, gebildet wird. Die Software kann dann modular als Applikation (eine App) passend auf dem Gerät installiert werden, sie kann auch auf solche Komponenten begrenzt werden, die für die vorgesehenen Messaufgaben erforderlich sind. Insbesondere bei einer solchen Ausrüstung reduzieren sich Kosten für die Hardware zu einem sehr erheblichen Teil, da ein mobiles Endgerät sogar sehr häufig als bereits vorhanden vorausgesetzt werden kann.
Die gewünschte hohe Messgenauigkeit kann insbesondere mit einer solchen Vorrichtung auch dadurch erreicht werden, dass insbesondere die o.g. benutzten Messmarkenfelder eine interne Vielfachauswertung von Positionsdaten unterstützen und bekannte mathematischen Gesetzmäßigkeiten (beispielsweise Regression etc.) zusätzlich zur Reduzierung von Messfehlern eingesetzt werden. Gleichzeitig sind sie geeignet, als Werkzeug bei der hochgenauen Erstellung der o.g. Kalibriertabellen herangezogen werden zu können.
Als ein erstes Ausführungsbeispiel soll nachstehend die Messung einer Länge eines rechteckigen Zuschnitts beschrieben werden (s. auch 4).
Auf dem Messtisch ist eine Tischmarke (41) mit den vorstehend beschriebenen Eigenschaften aufgebracht. Der Messtisch soll dabei einen Anschlag (42) besitzen, an dem das Messobjekt (43) mit einer Kante angelegt wird. Diese Anschlagschiene und damit die Anlagestelle soll einen Ort mit der Koordinate (0/X) im Beug auf das von der Tischmarke aufgespannte Koordinatensystem repräsentieren. Gesucht ist die Länge des Objektes als Position der gegenüberliegenden Kante.
Das Messobjekt (43) wird auf den Tisch mit der Tischmarke an der Anschlagschiene aufgelegt. Der Bediener wählt das entsprechende Messprogramm an der Bedieneinheit aus, das beispielsweise den Namen „Zuschnittlänge“ tragen soll. Entsprechend den Programmvorgaben legt er nun manuell 2 Messchips (44) an der zu vermessenden Kante an. Die Messchips sollen diesmal flach und zylindrisch ähnlich einer Münze ausgebildet sein und auf der Oberseite ihre Chipmarke tragen. Im nächsten Schritt platziert der Bediener den Messaufsatz (s. auch 3) mit der Aufnahmeeinheit über einem ersten Messchip und zwar so, dass sowohl der Messchip als auch ein Teil der Tischmarke im Bildfeld (45) liegen und von einer Bildaufnahme erfasst werden. Diese Voraussetzung kann er auf dem Bildschirm seiner Bedieneinheit kontrollieren und schließlich löst er eine erste Bildaufnahme aus. Das System erkennt den benutzten Chip und errechnet nun unter Zuhilfenahme aller Kalibrierdaten für diesen Chip die Koordinaten der Lage des ersten Chips (seines Ortspunktes) bezüglich des Koordinatensystems der Tischmarke. Dabei werden die zweite und dritte Kalibriertabelle in die Berechnung mit einbezogen. In gleicher Weise setzt er von der Bedieneinheit geleitet den Vorgang bezüglich des zweiten eingesetzten Chips fort. Das System errechnet nun aus den Koordinaten der beiden Ortspunkte und der ersten Kalibriertabelle die Lage der Kante des Messobjektes.
Damit ist die Messaufgabe gelöst.
Mit Bezug auf einen Einsatz zu einer Stichprobenkontrolle innerhalb eines Produktionsprozesses oder einer Wareneingangsprüfung stellt die Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verfügung, das eine sehr einfache und trotzdem hochgenaue Vermessung bei einem geringen gerätetechnischen und finanziellen Aufwand beim Nutzer erlaubt.
Geht man beispielsweise davon aus, dass jeder für eine solche Aufgabe in Frage kommende Mitarbeiter mit einem Smartphone ausgerüstet ist und dort eine der Aufgabe entsprechende App installiert ist, dann wird es zusätzlich möglich, dass jeder dieser Mitarbeiter den entsprechenden Messvorgang ausführen kann, wann immer es erforderlich ist und bei Vorhandensein einer entsprechenden Infrastruktur wie z.B. einem WLAN alle diese Daten auch an zentraler Stelle erfasst und verarbeitet werden können.
In einem weiterführenden Ausführungsbeispiel sollen mindestens 3 Messchips zum Einsatz kommen.
Es soll hier beispielhaft geprüft werden, ob ein flaches, ebenes Zwischenprodukt während eines Produktionsprozesses etwa einseitig und bleibend verformt worden ist und eine Kante von der Idealform einer Geraden abweicht (5).
Dazu kann der Messtisch wieder mit einem Anschlag ausgestattet sein, für eine Geradheitsprüfung ist aber ebenso eine freie Platzierung des Messobjektes über dem Messtisch mit seiner Tischmarke wählbar. Beispielsweise sollen hier mindestens 3 Messchips zum Einsatz kommen.
Das Messobjekt (51) wird wieder auf dem Messtisch positioniert.
Entlang der zu untersuchenden Kante werden nun entsprechend der anstehenden Fragestellung an 3 Punkten die Messchips (52) platziert. Die Vermessung der Messchips erfolgt analog zum vorangegangenen Beispiel, im Ergebnis liegen nun die Positionsdaten der 3 Chips vor. Aus den 3 Koordinatenpaaren kann dann leicht der typische Verlauf der vermessenen Kante rekonstruiert werden und es kann bewertet werden, ob eine Deformation der Kante vorliegt (wenn die Chips beispielsweise nicht auf einer Geraden liegen). Wenn eine Abweichung vorliegt, ist auch auf einfache Weise ein typischer Verlauf der Abweichung feststellbar. Infolge der einfachen und schnellen Handhabung des Messverfahrens macht es wenig Mühe, mittels einer erfindungsgemäßen Messanordnung schnell auch eine repräsentative Messreihe zu erstellen, aus der Rückschlüsse auf den vorgelagerten Bearbeitungsprozess oder ein angeliefertes Produkt gezogen werden können. Es ist leicht erkennbar, dass eine Verdichtung der Aussage zur realen Form einer Kante, einfach dadurch erreicht werden kann, dass eine größere Zahl von Chips entlang der fraglichen Kante zum Einsatz kommt.
Vorrichtung und Verfahren lassen sich in analoger Weise auch zur Vermessung der Maßhaltigkeit von Innenkonturen, beispielsweise gestanzten kreisförmigen Ausschnitten, einsetzen. Eine Anordnung zur Lösung einer solchen Aufgabe ist beispielhaft in 6 dargestellt.
Dazu werden mindestens 3 Messchips (61) an der in Rede stehenden kreisförmigen Innenkontur (62) platziert. Im Ablauf der Messung wird dann ebenfalls analog zu den vorstehenden Beispielen verfahren, d.h. Messaufgabe wählen und starten, Messobjekt (63) auf dem Messtisch auf der Tischmarke (64) platzieren und Messchips an der zu vermessenden Kontur entsprechend den Vorgaben für die Aufgabe platzieren, sowie die Positionen der Chips mit der Kamera der Reihe nach erfassen. Aus den aus den Bildaufnahmen ermittelten Positionsdaten der Messchips und ihrer Ortspunkte wird dann eine Kreiskontur errechnet und schließlich werden die daraus abgeleiteten Messwerte mit den Sollwerten verglichen.
Mit dem Einsatz von 4 Messchips wird es möglich, auch eine Kreisformabweichung zu finden, wie sie bei fehlerhaften Stanzungen durchaus häufiger entstehen kann.
Es ist auch leicht erkennbar, dass die erfindungsgemäße Lösung auch eine vorteilhafte Anwendung bei der Dimensionskontrolle oder Vermessung von transparenten Materialien wie Glas oder nicht opaken Kunststoffplatten oder Folien finden kann. Hier werden durch den Gebrauch der Messchips die materialspezifischen Fehlerquellen, wie sie bei einer rein optischen Vermessung von Kanten solcher Materialien unvermeidlich sind, nicht wirksam.
Als eine sehr spezielle Anwendung aus der grafischen Industrie soll als weiteres Ausführungsbeispiel eine genaue Vermessung einer Plattenbiegung, insbesondere die genaue Dimension der abgekanteten Platte und deren Winkeltreue beschrieben werden (siehe 8a und 8b). Dazu wird der Chip als ein flacher Keil (81) ausgebildet, der dann recht einfach unter in den in einem flachen Winkel abgewinkelten Teil der Druckplatte (82) geschoben werden kann. Die zu vermessende Chipmarke (83) befindet sich in einem für eine optische Abtastvorrichtung leicht zugänglichen Teil dieses keilförmigen Chips. Das andere Ende der Platte wird beispielsweise wieder, wie in einem der vorherigen Beispiele auch, an einem Anschlag (84) angelegt. Zur Vermessung der Parallelität kommen mindestens 2 solche keilförmigen Messchips (81) über die Breite des Messobjektes verteilt zum Einsatz. Dadurch sind leicht sowohl absolute Maße als auch die Parallelität der Kanten messbar. So kann beispielsweise vermieden werden, dass erst nach Einbringen einer Platte in eine Druckmaschine ein Abkantfehler festgestellt wird und im Fehlerfall die Platte dann verbunden mit Maschinenstillstand wieder ausgebaut werden muss.
Eine Erhöhung der Genauigkeit bei der Bestimmung des Ortspunktes eines Messchips und damit der Koordinaten eines Chips mit Bezug auf das Koordinatensystem der Tischmarke und damit wiederum des gesamten Messergebnisses kann zusätzlich noch dadurch erreicht werden, dass der Messchip mehrfach unter unterschiedlichen eigenen Verdrehungslagen des Messchips an derselben Stelle angelegt wird und diese Mehrfachmessung zusätzlich einer statistischen Auswertung unterzogen wird.
Eine über das Maß einer rein mathematisch-statistischen Messwertbildung aus einer Vielzahl von Messungen deutlich hinausgehende Erhöhung der Messgenauigkeit kann beim beschriebenen Verfahren weiterhin dadurch erreicht werden, dass die Positionierung der Bildaufnahmevorrichtung über einer Umgebung ein und desselben Messchips mehrfach neu erfolgt, wobei kleine Veränderungen des aufgenommenen Bildausschnittes sowie Änderungen der Orientierung der Bildaufnahmeeinheit bezüglich des Koordinatensystems der Tischmarke vorgenommen werden. Damit werden zu einem Teil mehr und zusätzliche Elemente des Tischmarkensystems in die Auswertung einbezogen und bei der Vermessung der Chipmarke werden deren Markenelemente einer veränderten Behandlung unterzogen, durch die zufällige „Fehler“ zusätzlich ausgeglichen werden.
Als eine weitere, andere Vorgehensweise bei einer Vermessung kann ein Messchip mit einem kreisförmigen Querschnitt entlang einer zu vermessenden Kante abgerollt und in kurzen Abständen jedes Mal vermessen werden. Damit kann ein Kantenverlauf mit wenig Aufwand schnell rekonstruiert werden. Mit dem Verfahren kann insbesondere aus der Erkennung des Verdrehungswinkels der Chipmarke an jeder vermessenen Position eine Schrittweite einer solchen Abtastung unabhängig ermittelt werden.
Mit der erfindungsgemäßen Anordnung und dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Vermessung von ebenen Messobjekten steht eine sehr kostengünstige und einfache Methode zur Verfügung, die in hohem Maße materialunabhängig ist sowie bei großen Dimensionen sehr vorteilhaft eingesetzt werden kann. Damit wird die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe gelöst.

Claims

Vorrichtung zur Vermessung von Messobjekten in zwei Dimensionen bestehend aus > einem Messtisch, auf dem eine zweidimensionale optisch auswertbare Tischmarke aufgebracht ist, die eine eineindeutige Koordinatenbestimmung für jeden Ort des Messtischs erlaubt, > einem Set von Messchips, die jeder ein für den jeweiligen Messchip charakteristisches optisch abtastbares Chipmuster tragen und auf dem Messtisch frei platziert werden können, > einer optischen Abtastvorrichtung und > einer Bedien-, einer Auswerte- und einer Speichereinheit, dadurch gekennzeichnet, dass > in der Auswerte- und Speichereinheit charakteristische Daten der Tischmarke in einer ersten Kalibriertabelle gespeichert sind und > auf jedem Messchip mindestens eine Chipmarke aufgebracht ist, die mindestens eine individuelle, eineindeutige Kennung dieses Messchips aufweist sowie dort eine Winkellagenerkennung und die Festlegung eines fiktiven Ortspunktes erlaubt, und > in der Speichereinheit ein vorbestimmtes Set von individuellen Daten für jeden Messchip abgelegt ist, das mindestens für jeden Messchip dessen individuelle Kennzeichnung und eine eineindeutige Zuordnung zwischen seinem Ortspunkt und seiner äußeren Geometrie als einen weiteren Satz an Kalibrierdaten beinhaltet, und > die Bedieneinheit die Bedien- und Anzeigeelemente und > die Auswerte- und Speichereinheit die Bildaufnahme-, Mess- und Auswerteprogramme enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Messchips als Zylinder ausgebildet sind, wobei ein Messchip mit der einen Stirnfläche als seine Grundfläche auf die Messunterlage aufgesetzt wird und auf der gegenüberliegenden Stirnseite des Messchips als dessen Oberseite die Chipmarke dieses Messchips aufgebracht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Tischmarke durch direktes Aufdrucken auf den Messtisch oder durch eine auf dem Messtisch fixierte Messunterlage, die die Tischmarke an ihrer Oberfläche aufweist, realisiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei Messchip und Messtisch oder Messunterlage so ausgebildet sind, dass zwischen ihnen eine magnetische Haftung besteht oder hergestellt werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei Bildaufnahmevorrichtung, Bedieneinheit, Mess- und Auswerteeinheit und Speichereinheit durch ein mobiles Endgerät, vorzugsweise ein Smartphone oder einen Tablet PC, gebildet werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein Messchip mehrere Chipmarken aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 4, wobei ein Messchip so ausgebildet ist, dass er eine Antastung in einem vertikalen Abstand von der Messtischebene erlaubt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei Mess- und Auswerteprogramm als ein jeweils aufgabenspezifisches Modul ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die optische Abtastvorrichtung einen stativartigen Ständer enthält, der für jede Aufnahme einunddenselben Abstand zwischen Bildaufnahmevorrichtung und Tischmarke herstellt.
Verfahren zur Vermessung von Messobjekten in zwei Dimensionen mittels einer Vorrichtung gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, bestehend aus den Verfahrensschritten Platzieren des Messobjektes auf dem Messtisch gemäß Anspruch 1, Auswählen eines Messprogramms entsprechend der anstehenden Messaufgabe an der Bedieneinheit und Starten des Messprogramms, Platzieren der Messchips im Kontakt zu dem zu vermessenden Messobjekt entsprechend der anstehenden Messaufgabe, erstes Platzieren der optischen Abtastvorrichtung über mindestens einem der Messchips samt einem Teil der Tischmarke in seiner Umgebung und Auslösen einer ersten Bildaufnahme, falls erforderlich, schrittweises Platzieren der optischen Abtastvorrichtung über weiteren Messchips entsprechend der anstehenden Messaufgabe und jeweiliges Auslösen weiterer Bildaufnahmen, Starten des Auswertevorganges nach Abschluss der Bildaufnahmen und Errechnung der Messergebnisse und Anzeigen und Speichern der Messergebnisse, dadurch gekennzeichnet, dass > die optische Abtastvorrichtung in beliebiger Lage über Messchip und umgebendem Tischmarkenausschnitt positioniert werden kann und > in der Auswerteeinheit mittels vorbekannter Eigenschaften der Tischmarke gemäß Anspruch 1 und > unter Verwendung vorbestimmter in Kalibriertabellen in der Speichereinheit gespeicherter Daten gemäß Anspruch 1 und unter Zuhilfenahme bekannter mathematisch-geometrischer Gesetzmäßigkeiten die Messergebnisse für das Messobjekt rechnerisch ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Platzierung der Messvorrichtung jeweils manuell erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei Mess-, Bedien- und Auswertesoftware als eine App auf einem mobilen Endgerät, vorzugsweise einem Smartphone oder einem Tablet-PC, verfügbar gemacht sind.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Bediener schrittweise zu den auszuführenden Arbeitsschritten auf der Anzeigeeinheit aufgefordert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die Messdaten drahtlos an eine zentrale Datenerfassungseinheit weitergegeben werden.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei eine Vermessung einer Chipposition mit verbesserter Genauigkeit durch mehrfaches unterschiedliches Positionieren der Aufnahmevorrichtung über dem Chip samt Tischmarkenumgebung und mehrfache Bildaufnahmen erfolgt.