DE102018114809A1

DE102018114809A1 - Messsystem, insbesondere Koordinatenmessgerät

Info

Publication number: DE102018114809A1
Application number: DE102018114809.7A
Authority: DE
Inventors: Nils Haverkamp; Dominik Seitz
Original assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Priority date: 2018-06-20
Filing date: 2018-06-20
Publication date: 2019-12-24
Anticipated expiration: 2038-06-21
Also published as: DE102018114809B4

Abstract

Die Offenbarung betrifft ein Messsystem (10, 110, 210, 310) zum dimensionellen Messen eines Messobjekts (28, 128, 228, 328), mit einem Objektträger (24, 124, 224, 324) zur Aufnahme des zu vermessenden Messobjekts (28, 128, 228, 328); einer ersten Sensoreinheit (56, 156, 256, 356) zur taktilen, optischen und/oder tomographischen Abtastung des zu vermessenden Messobjekts (28, 128, 228, 328); einer zweiten Sensoreinheit (58, 158, 258, 358) zur Bestimmung einer Lage des Objektträgers (24, 124, 224, 324), umfassend die Bestimmung einer Lage des Objektträgers (24, 124, 224, 324) entlang einer ersten Achse (Z) senkrecht zum Objektträger (24, 124, 224, 324) und die Bestimmung einer Verkippung des Objektträgers (24, 124, 224, 324) um zumindest eine zweite Achse (X, Y) die senkrecht zur ersten Achse (Z) ist; und einer Auswerteeinheit (50, 150), die dazu ausgebildet ist, Signale der ersten Sensoreinheit (56, 156, 256, 356) und Signale der zweiten Sensoreinheit (58, 158, 258, 358) zu verarbeiten, um unter Berücksichtigung der Lage des Objektträgers (24, 124, 224, 324) eine Geometrie des Messobjekts (28, 128, 228, 328) zu bestimmen.

Description

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein Messsystem zum dimensionellen Messen/ zum dimensionellen Vermessen eines Messobjektes. Zumindest in beispielhaften Ausführungsformen bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf ein Koordinatenmesssystem bzw. Koordinatenmessgerät. In beispielhaften Ausgestaltungen bezieht sicl die vorliegende Offenbarung auf ein Messsystem in Stativbauweise, wobei einige oder sämtliche der Messsensoren fest mit dem Maschinengestell gekoppelt sind, bei dem folglich ein zu messendes/vermessendes Messobjektes relativ zur (fest verbauten) Messsensorik bewegt wird.
Ferner bezieht sich die vorliegende Offenbarung zumindest in beispielhaften Ausgestaltungen auf Messsysteme mit einem Objektträger, der relativ zu einem Gestell des Messsystems/Messgerätes verfahrbar ist.
Aus der WO 01/88471 A1 ist eine Vorrichtung zum Bestimmen der 3D-Form eines Objekts bekannt, umfassend ein 3D-Koordinatenmessgerät, ein mechanisches Objektbewegungssystem, mindestens ein Referenzobjekt in Form eines Markers, und einen Rechner zum Verknüpfen der gemessenen Bereiche des Objekts, wobei die Erfassung des zumindest einen Markers optisch erfolgt, und wobei zusätzlich zumindest ein taktiler Sensor zum taktilen Antasten vorgesehen ist. Mit anderen Worten zeigt die WO 01/88471 A1 ein sogenanntes Multi-Sensor-Koordinatenmessgerät.
Messsysteme zum dimensionellen Messen eines Objekts sind in vielfältigen Gestaltungen grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt. In der dimensionellen Messtechnik werden unterschiedlichste Messverfahren eingesetzt, um Objekte jeglicher Art in ihrer Geometrie und ihren Ausmaßen zu vermessen.
Koordinatenmessgeräte für den industriellen Einsatz sind im Regelfall recht aufwendig gestaltet, um in zuverlässiger Weise die gewünschten Genauigkeiten bei der Messung/Vermessung zu gewährleisten. Koordinatenmessgeräte weisen üblicherweise eine Mehrzahl angetriebene Achsen mit entsprechenden Führungen auf. Den Achsen bzw. deren Führungen sind regelmäßig Maßverkörperungen zugeordnet, welche die Bestimmung absoluter und/oder relativer Positionen/Bewegungen ermöglichen.
Bei der Gestaltung von Koordinatenmessgeräten geht es häufig darum, ein bestimmtes Messvolumen (etwa einen Würfel oder Quader mit definierter Länge, Breite und Höhe) bereitzustellen, in dem mit einer bestimmten Genauigkeit Messungen vorgenommen werden können. Dies führt jedoch gerade dann, wenn das Messvolumen eine bestimmte Größe erreicht, die jedoch im industriellen Einsatz gefordert ist, zu einem erheblichen Aufwand. Häufig haben die genutzten Sensoren für das Antasten des Messobjekts nur einen sehr kleinen Messbereich, so dass eine Bewegung der Sensoren relativ zum Messobjekt und eine Bestimmung entsprechender Verfahrwege und/oder Verfahrwinkel unabdingbar ist.
Da ein Koordinatenmessgerät im Regelfall mehrere relativ zueinander bewegliche Achsen für Bewegungen zwischen dem Messobjekt und dem Sensor/den Sensoren aufweist, verringert sich im Regelfall die Genauigkeit mit einem zunehmenden Messvolumen und mit einer zunehmenden Anzahl an Freiheitsgraden, da sich schlimmstenfalls die Fehler der einzelnen Achsen zu einem Gesamtfehler addieren.
Eine allgemeine Zielsetzung für die Entwicklung und Gestaltung von Messsystemen, insbesondere von Koordinatenmessgeräten für den industriellen Einsatz, ist die Erhöhung der Genauigkeit, die Erhöhung der Produktivität und die Verbesserung der Tauglichkeit für den Einsatz im industriellen Umfeld. Ferner sollen verbesserte Eigenschaften möglichst ohne zusätzlichen Kostenaufwand realisierbar sein.
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Offenbarung die Aufgabe zugrunde, ein Messsystem zum dimensionellen Messen eines Objekts bereitzustellen, mit dem sich jedoch dennoch hohe Messgenauigkeiten realisieren lassen, wobei die Herstellung des Messsystems nach Möglichkeit nicht mit einem erhöhten Aufwand einhergehen sollte. Das Messsystem soll für industrielle Anwendungen geeignet sein, insbesondere im Hinblick auf die Leistungsfähigkeit (Messungen pro Zeiteinheit) sowie die Flexibilität (Durchführung verschiedenster Messaufgaben).
Vorzugsweise ist das Messsystem dazu befähigt, Messgenauigkeiten im Sub-Mikrometer-Bereich zu gewährleisten, und zwar für große Messvolumina, die bei industriell genutzten Koordinatenmessgeräten häufig gefordert sind.
Weiterhin soll im Rahmen der vorliegenden Offenbarung nach Möglichkeit ein Messsystem angegeben werden, welches mit verhältnismäßig einfachen und kostengünstigen Aufbau eine hohe Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit ermöglicht. Beispielhaft soll sich das Messsystem zum Einsatz im industriellen Umfeld eignen.
Diese Aufgabe wird durch ein Messsystem zum dimensionellen Messen eines Messobjekts gelöst, mit:

- einem Objektträger zur Aufnahme des zu vermessenden Messobjekts;
- einer ersten Sensoreinheit zur taktilen, optischen und/oder tomographischen Abtastung des Messobjekts;
- einer zweiten Sensoreinheit zur Bestimmung einer Lage des Objektträgers, umfassend die Bestimmung einer Lage des Objektträgers entlang einer ersten Achse (Z) senkrecht zum Objektträger und die Bestimmung einer Verkippung des Objektträgers um zumindest eine zweite Achse (X, Y) die senkrecht zur ersten Achse (Z) ist; und
- einer Auswerteeinheit, die dazu ausgebildet ist, Signale der ersten Sensoreinheit und Signale der zweiten Sensoreinheit zu verarbeiten, um unter Berücksichtigung der Lage des Objektträgers eine Geometrie des Messobjekts zu bestimmen.

Auf diese Weise wird die Aufgabe der Erfindung vollkommen gelöst.
Erfindungsgemäß werden nämlich etwaige Ungenauigkeiten in der Position und/oder Orientierung des Objektträgers hochgenau über die zweite Sensoreinheit erfasst. Auf Basis dieser Messwerte können Kompensationsrechnungen und/oder ähnliche Auswertungen erfolgen, die sich schlussendlich in einer deutlich erhöhten Genauigkeit der Messungen am Messobjekt niederschlagen.
Mit anderen Worten ermöglicht die zweite Sensoreinheit einen Betrieb des Messsystems in einer Weise, die einem Zustand vergleichbar ist, in dem der Objektträger hochgenau gelagert und mit Antrieben versehen ist, deren Bewegung hochgenau über entsprechende Maßverkörperungen bestimmbar ist.
Jedoch kann der Objektträger in einfacher (und kostengünstiger) Weise gelagert, geführt und angetrieben werden. Dass sich bei einer derartigen Gestaltung gewissermaßen zwangsläufig einstellende Spiel kann über die zweite Sensoreinheit erfasst und bei der Auswertung der Messergebnisse der ersten Sensoreinheit berücksichtigt werden.
Insgesamt kann die Auswerteeinheit somit hochgenaue Messergebnisse liefern, die anderweitig nur mit Ultrapräzisionsmessgeräten erzielbar wären, wobei dies einen entsprechenden Kostenaufwand sowie eine mangelnde Eignung für den industriellen Einsatz mit sich bringen würde.
Aus Veranschaulichungsgründen wird in der vorliegenden Offenbarung davon ausgegangen, dass der Objektträger eine Aufnahmefläche definiert, die sich zumindest abschnittsweise in einer horizontalen Ebene erstreckt, die durch zwei Achsen (X und Y) aufgespannt wird. Die beiden Achsen X und Y stehen senkrecht auf einander. Ferner ist eine Höhenrichtung senkrecht zur Aufnahmefläche vorgesehen (Z-Achse). Diese Definition bzw. die primär zu Veranschaulichungszwecken vorgenommene Zuordnung sind nicht einschränkend zu verstehen.
In einer beispielhaften Ausgestaltung des Messsystems ist die zweite Sensoreinheit dazu ausgebildet, eine Nickbewegung und/oder eine Rollbewegung des Objektträgers und eine Translationsbewegung des Objektträgers entlang der ersten Achse zu erfassen.
Gemäß der obigen Struktur ist die zweite Sensoreinheit beispielhaft dazu ausgestaltet, eine Rollbewegung bzw. einen Rollwinkel (Rotation um die X-Achse) und/oder eine Nickbewegung bzw. eine Nickwinkel (Rotation um die Y-Achse) des Objektträgers zu erfassen. Insbesondere die Erfassung des Rollwinkels und des Nickwinkels trägt dazu bei, ein etwaiges Spiel in den Führungen bzw. im Antrieb des Objektträgers zu erfassen, wobei dies auch die Möglichkeit zur rechnerischen Kompensation umfasst.
Ferner ist die zweite Sensoreinheit beispielhaft dazu ausgestaltet, eine Bewegung/Verlagerung des Objektträgers entlang der Z-Achse zu erfassen. Die Fähigkeit zur Erfassung von Bewegungen in der Z-Richtung kann für die Vermessung des Messobjekts selbst genutzt werden, etwa wenn der Objektträger entsprechend in der Z Richtung verfahren wird, um ein Messobjekt auf dem Objektträger (von oben) anzutasten.
Ein großer Vorteil der offenbarungsgemäßen Gestaltung besteht darin, dass Antriebe/Führungen für die Relativbewegung zwischen dem Objektträger mit dem Messobjekt und der ersten Sensoreinheit nicht übermäßig genau ausgeführt sein müssen, da es ohnehin vorgesehen ist, entsprechende Lageveränderungen und auch Fehllagen/Fehlpositionen zu erfassen.
Ferner kann die Relativbewegung für das „Antasten“ des Messobjekts mit hoher Geschwindigkeit erfolgen, da die Messung nicht direkt über die Achse bzw. über direkt mit der Achse gekoppelte Maßverkörperungen erfolgt.
Die erste Sensoreinheit selbst kann dazu genutzt werden, dass Messobjekt anzutasten, wobei dies auch eine Relativbewegung zwischen dem Objektträger (mit dem daran aufgenommenen Messobjekt) und eine entsprechende Bestimmung der Verfahrwege (bzw. Verfahrwinkel) umfassen kann.
In einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung des Messsystems ist die erste Achse eine vertikale Achse (Z), wobei 2 horizontale Achsen (X, Y) die zumindest eine zweite Achse bilden, wobei die vertikale Achse (Z) und die horizontalen Achsen (X, Y) senkrecht aufeinander stehen. Dies ist jedoch nicht einschränkend zu verstehen.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung des Messsystems umfasst die zweite Sensoreinheit ein Interferometer, welches den Objektträger von einer einem aufgenommenen Messobjekt abgewandten Seite anpeilt. Mit anderen Worten kann beispielsweise in dem Fall, dass das Messobjekt auf dem Objektträger aufliegt, das Interferometer den Objektträger von unten anpeilen. Mit anderen Worten peilt also die zweite Sensoreinheit nicht das Messobjekt an. Stattdessen dient die zweite Sensoreinheit vorrangig dazu, Ist-Lagen und Lageabweichungen des Objektträgers zu erfassen.
Für das interferometrische Antasten ist die Unterseite des Objektträgers vorzugsweise planpoliert und hochgradig reflektierend für genutzte Wellenlängen des Interferometers gestaltet.
Ferner ist es vorstellbar, für das Interferometer Wellenlängenbereiche zu nutzen, die außerhalb von Bereichen liegen, die etwaige optische Sensoren der ersten Sensoreinheit nutzen. Beispielhaft können etwa Wellenlängen von etwa 1500 nm (Nanometer) genutzt werden. Als Lichtquelle eignet sich beispielsweise ein Helium-Neon-Laser, denkbare Wellenlängen ergeben sich aus den Emissionslinien des Lasers. Andere Laser mit hoher Frequenzstabilität sind denkbar.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung des Messsystems umfasst die zweite Sensoreinheit ein Drei-Strahl-Interferometer. Insbesondere ist das Drei-Strahl-Interferometer als Laserinterferometer ausgestaltet. Ein solches Interferometer nutzt drei Strahlen, die das Zielobjekt, also den Objektträger, an drei Punkten antasten. Auf diese Weise kann eben nicht nur ein Abstand zwischen dem Objektträger und dem Interferometer erfasst werden, wobei auf Basis der Abstandsmessung die vertikale Position (Position entlang der Z-Achse) des Objektträgers und folglich des Messobjekts ermittelbar ist. Zusätzlich kann auf Basis von „Abstandsdifferenzen“, die über die Auswertung der drei Strahlen ermittelbar sind, eine Verkippung des Objektträgers erfasst werden. Die Verkippung kann eine Drehkomponente um die X-Achse (Rollen) und eine Drehkomponente um die Y-Achse (Nicken) aufweisen.
Ein Laser kann über entsprechende optische Komponenten das Licht für alle drei Strahlen über Lichtleiter bereitstellen. Die drei Strahlen sind beispielhaft parallel zueinander orientiert, wobei Strahlabstände bekannt sind. Auf diese Weise kann die Verkippung des Objektträgers hochgenau und in einfacher Weise bestimmt werden.
Interferometer können hohe Messfrequenzen bereitstellen. Dies trägt dazu bei, dass die Messung schnell vonstattengehen kann. Ferner haben Interferometer hinreichend große Messbereiche, so dass auch große Messvolumina abgedeckt werden können. Interferometer erlauben eine deutlich Erhöhung der Messgenauigkeiten, wobei der Kostenaufwand vertretbar ist.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung des Messsystems weist die erste Sensoreinheit zumindest einen Sensor auf, der dazu ausgebildet ist, Marker anzupeilen, die am Objektträger und/oder am Messobjekt angeordnet sind.
Auf diese Weise können Verschiebungen/Verlagerungen erfasst werden, um das Messobjekt indirekt zu messen bzw. um dessen Gestalt indirekt zu ermitteln. Demgemäß kann auch die erste Sensoreinheit mit zumindest einem Sensor versehen sein, der das Messobjekt indirekt messen/vermessen kann. Der zumindest eine Sensor ist dazu ausgebildet, Marker zu detektieren und zu identifizieren. Die Position und Orientierung der Marker ist vorbestimmt und im Regelfall bekannt. Folglich kann die Erfassung der Marker genutzt werden, um die Position des Messobjekts hochgenau zu bestimmen.
In beispielhaften Ausführungsformen sind die Marker am Objektträger angebracht, so dass dessen Bewegung erfasst werden kann. Es ist jedoch nicht ausgeschlossen, dass die Marker am Messobjekt selbst angebracht sind. Die Marker können auch als Referenzmarker bezeichnet werden. Die Marker können individualisiert sein, so dass die Position und gegebenenfalls auch die Orientierung jedes einzelnen Markers automatisiert erfassbar und herleitbar ist.
Vorzugsweise sind einzelne Marker (in sich) oder eine Mehrzahl von Markern (relativ zueinander, etwa als Muster) derart gestaltet, dass auch eine Erfassung einer Drehlage (um die Z-Achse) möglich ist.
Generell ist es vorstellbar, über hochauflösende Sensoren die Position des Messobjekts relativ zu zumindest einem Marker oder einer Mehrzahl von Markern zu bestimmen. Dies kann etwa über das (beispielsweise optische oder taktile) Antasten von Kanten und dergleichen erfolgen.
Sofern das Messobjekt in Bezug zu den Markern gebracht worden ist, kann dessen Geometrie abgetastet werden, wobei die Erfassung der Marker dazu beiträgt, Fehler bzw. ein übermäßiges Spiel in den Antrieben/Führungen des Objektträgers zu umgehen.
In einer beispielhaften Ausgestaltung ist die erste Sensoreinheit folglich mit Sensoren verschiedener Sensortypen versehen. Dies kann Sensoren umfassen, die primär dazu ausgebildet sind, das Messobjekt anzutasten. Ferner können Sensoren vorgesehen sein, die primär dazu ausgebildet sind, die Marker anzupeilen/anzutasten/zu erfassen. Es ist jedoch nicht ausgeschlossen, dass etwa im Falle einer optischen Messung auf Basis von Bilddaten ein und derselbe Sensor sowohl das Werkstück antastet/anpeilt als auch den oder die Marker.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung des Messsystems ist die erste Sensoreinheit dazu ausgebildet, anhand der Marker translatorische Bewegungen in einer Ebene (X, Y) zu erfassen, die senkrecht zur ersten Achse (Z) ist. Dies kann über Erfassung von Markern erfolgen, die an der den Sensoren der ersten Sensoreinheit zugewandten Seite des Objektträgers angeordnet sind. In ähnlicher Weise können Marker am Messobjekt vorgesehen/ausgebildet sein.
Zu diesem Zweck ist es in beispielhaften Ausführungsformen vorgesehen, dass die erste Sensoreinheit zur Erfassung von Bilddaten für bildverarbeitende Vermessung ausgebildet ist, wobei die Marker derart gestaltet und angeordnet sind, dass Rückschlüsse auf Translationsbewegungen entlang der X-Achse und Translationsbewegungen entlang der Y-Achse ermöglicht sind. Vorzugsweise sind die Marker ferner derart gestaltet und angeordnet, dass auch Drehbewegungen (Rotationen) um die Z-Achse erfassbar sind, die senkrecht zur X-Achse und zur Y-Achse orientiert ist.
Folglich ist es im Falle einer Kombination der ersten Sensoreinheit und der zweiten Sensoreinheit möglich, Bewegungen/Abweichungen des Objektträgers und des daran aufgenommenen Messobjekts in sechs Freiheitsgraden (drei translatorische Freiheitsgrade und drei rotatorische Freiheitsgrade) zu erfassen.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung des Messsystems werden die Marker mit zumindest einem optischen Sensor erfasst, der zur Bilderfassung ausgebildet ist, wobei der zumindest eine optische Sensor insbesondere als Sensor mit inhomogenem Auflösungsvermögen ausgebildet ist, und wobei vorzugsweise das Auflösungsvermögen ausgehend von einer optischen Achse hin zu Randbereichen des Sichtfeldes abnimmt.
Ein solcher optischer Sensor kann bei der ersten Sensoreinheit vorgesehen sein. Das Auflösungsvermögen kann demgemäß über das Sichtfeld (field of view) des Sensors inhomogen bzw. inkonstant sein. So ist es vorstellbar, dass der Sensor derart gestaltet und ausgelegt ist, dass im Zentrum des Sichtfeldes/Blickfeldes eine hohe Auflösung gegeben ist, wobei die Auflösung ausgehend vom Zentrum hin zu Randbereichen niedriger wird. Mit einer solchen Gestaltung kann ein guter Kompromiss zwischen einem großen Blickfeld, welches beispielsweise für eine gute „Übersicht“ in großen Messvolumina hilfreich ist, und einer hohen Genauigkeit, etwa bei der Erfassung von Kanten des Messobjekts, gefunden werden.
Demgemäß kann der Sensor analog zum menschlichen Auge in Randbereichen (vergleiche peripheres Sehen) und im Zentrum (vergleiche foveales Sehen) unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Dies kann so weit gehen, dass der Sensor in Randbereichen zwar eine geringere Auflösung bereitstellt, aber eine höhere Lichtempfindlichkeit als in einem Zentrum, in dem eine hohe Auflösung möglich ist. Mit anderen Worten kann das Auflösungsvermögen radial abnehmen.
Das Zentrum bzw. der Bereich der hohen Auflösung wird vorzugsweise genutzt, um das Messobjekt (optisch) anzutasten. Randbereichen mit niedrigerer Auflösung können genutzt werden, um Marker im Blick zu halten. Vorzugsweise sind die Marker derart gestaltet, dass deren Position/Orientierung und mögliche Bewegungen auch über die Randbereiche/Peripherie des Sensors mit hoher Genauigkeit erfassbar sind. Mit anderen Worten gibt es im Zentrum eine hohe Abbildungsqualität, wogegen die Abbildungsqualität in Randbereichen bewusst niedriger ist, um ein größeres Blickfeld zu ermöglichen.
Ein Sensor mit einem inhomogenen Auflösungsvermögen ist eine Reaktion auf den häufigen Zielkonflikt zwischen möglichst hohem Auflösungsvermögen (Pixel pro Flächeneinheit) und möglichst großem Blickfeld. Dieser Zielkonflikt lässt sich in alternativer Weise auch über einen optischen Zoom lösen. Gleichwohl führt ein optischer Zoom aufgrund der im Regelfall verbauten beweglichen Teile zu einer Erhöhung des Spiels im System und folglich zu einer Verringerung der Messgenauigkeit. Auch ein solcher spielbehafteter „Hardware-Zoom“ kann folglich vermieden werden.
Sofern im Rahmen dieser Ausgestaltung von einem Sensor mit inhomogenem Auflösungsvermögen die Rede ist, so sollen hierunter Verzeichnungen verstanden werden, die deutlich über übliche Schwankungen bei der Herstellung optischer Systeme und entsprechender Sensoren hinausgehen. Die Verzeichnungen werden bewusst induziert. Mit anderen Worten werden bewusst Abbildungsfehler eingebracht, welche bei der Auswertung rechentechnisch kompensiert werden.
Es versteht sich, dass gleichwohl auch Ausgestaltungen vorstellbar sind, bei denen die erste Sensoreinheit einen Überblickssensor und einen Detailsensor aufweist, welche parallel oder zeitlich versetzt nutzbar sind. Der Überblickssensor und der Detailsensor sind vorzugsweise (mechanisch) starr miteinander gekoppelt.
Sofern die relative Lage zwischen dem Werkstück und den Markern unveränderlich ist, kann durch „Antasten“ des Werkstücks und optische Erfassung der Marker auch bei einem nicht vernachlässigbaren Spiel in (translatorischen und/oder rotatorischen) Antrieben des Messsystems eine sehr hohe Genauigkeit gewährleistet werden.
Folglich sollte das Messobjekt hinreichend fest auf dem Objektträger angeordnet sein. Dies kann einerseits durch geeignete Spannmittel erfolgen. Es ist jedoch bei schweren Messobjekten auch vorstellbar, dass diese lediglich aufgrund ihres Eigengewichts sicher und unverrückbar auf dem Objektträger angeordnet werden können.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung des Messsystems sind die Marker derart ausgebildet und angeordnet, dass der zumindest eine Sensor der ersten Sensoreinheit ferner eine Rotationsbewegung um die erste Achse (Z) erfasst. Bezogen auf einen einzelnen Marker kann dies durch eine definierte nicht-rotationssymmetrische Gestaltung bewirkt werden, welche ein Rückschluss auf eine Ist-Drehlage erlaubt.
Gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung des Messsystems blickt die erste Sensoreinheit „von oben“ auf das auf dem Objektträger angeordnete Messobjekt, wobei die zweite Sensoreinheit „von unten“ auf das auf dem Objektträger angeordnete Messobjekt blickt. Demgemäß sollte der Objektträger hinreichend planparallel gestaltet sein, so dass die eigentliche Auflagefläche für das Messobjekt und die von der zweiten Sensoreinheit angetastete Fläche parallel sind.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung des Messsystems weist die erste Sensoreinheit zumindest einen ersten Sensor eines ersten Sensortyps und zumindest einen zweiten Sensor eines zweiten Sensortyps auf, wobei der zumindest eine erste Sensor des ersten Sensortyps zur Erfassung der Marker ausgestaltet ist, und wobei der zumindest eine zweite Sensor des zweiten Sensortyps dazu ausgestaltet ist, das Messobjekt anzutasten/anzupeilen.
Auch wenn es grundsätzlich vorstellbar ist, mit lediglich einem Sensor sowohl die Marker zu erfassen als auch das Messobjekt anzutasten, so hat die Gestaltung der ersten Sensoreinheit mit mehreren Sensortypen durchaus Vorteile. Ganz banal kann es darum gehen, dass unterschiedliche Messprinzipien genutzt werden, einerseits um das Messobjekt anzutasten, und andererseits um die Marker anzupeilen. Ferner kann auch das Auflösungsvermögen bzw. das „Blickfeld“ der Sensoren eine Rolle spielen.
In einer beispielhaften Ausführungsform hat der Sensor, der die Marker anpeilt, ein großes Blickfeld bzw. einen großen Erfassungsbereich. Hierfür wird gegebenenfalls sogar ein moderates Auflösungsvermögen in Kauf genommen. Der Sensor, der das Messobjekt antastet, sollte ein hohes Auflösungsvermögen haben, um hochgenaue Messungen zu ermöglichen. Da eine Verfahrbarkeit zwischen dem Objektträger und dem Sensor vorgesehen ist, muss das Blickfeld bzw. muss der Erfassungsbereich nicht besonders groß sein.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung des Messsystems umfasst das Antasten/Abtasten des Messobjekts ein taktiles, optisches und/oder tomografisches Antasten/Abtasten. Entsprechende Messprinzipien und Gestaltungen von Sensoren sind dem Grundsatz nach bekannt. Das Antasten/Abtasten des Messobjekts zielt beispielsweise darauf ab, eine Position, Lage und/oder Orientierung des Messobjekts in Bezug auf den Objektträger, insbesondere in Bezug auf die Marker am Objektträger zu erfassen. Dies kann beispielsweise über die Erfassung von Kanten, Flächen und/oder sonstigen Gestaltelementen des Messobjekts erfolgen.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung des Messsystems sind der zumindest eine erste Sensor des ersten Sensortyps und der zumindest eine zweite Sensor des zweiten Sensortyps starr miteinander gekoppelt. Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung sind der zumindest eine erste Sensor des ersten Sensortyps und der zumindest eine zweite Sensor des zweiten Sensortyps an einem Stativ des Messsystems benachbart zueinander angeordnet. Beispielhaft sind die beiden Sensoren unmittelbar nebeneinander angeordnet. Dies erhöht die Messgenauigkeit. Die beiden Sensoren der ersten Sensoreinheit sind beispielsweise oberhalb des Objektträgers an einem Ausleger des Gestells des Messsystems angeordnet.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung des Messsystems weist die zweite Sensoreinheit zumindest einen ersten Sensor eines ersten Sensortyps, der als abbildender Kamerasensor gestaltet ist, zumindest einen zweiten Sensor eines zweiten Sensortyps, der als taktiler Sensor ausgestaltet ist, und zumindest einen dritten Sensor eines dritten Sensortyps auf, der als optischer Abstandssensor, insbesondere als chromatischer Abstandssensor, gestaltet ist.
Der Kamerasensor und der optische Abstandsensor erfassen die Marker am Objektträger und gegebenenfalls auch eine aktuelle Höhe (Z-Position) des Objektträgers. Der taktile Sensor kann das Messobjekt antasten, um dessen Position/Orientierung in Bezug auf den Objektträger zu ermitteln.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung weist das Messsystem ferner eine Antriebseinheit für den Objektträger auf, die dazu ausgebildet ist, den Objektträger mehrachsig relativ zur ersten Sensoreinheit und/oder zur zweiten Sensoreinheit zu verfahren. Demgemäß kann der Objektträger auch als Verschiebetisch oder Verschiebeeinheit bezeichnet werden.
In beispielhaften Ausführungsformen werden entsprechende Verfahrbewegungen des Objektträgers über die erste Sensoreinheit, insbesondere Sensoren des ersten Sensortyps, und/oder die zweite Sensoreinheit erfasst.
Die Antriebseinheit umfasst beispielsweise einen vertikalen Antrieb (Z-Antrieb) sowie zwei Antriebsachsen (X-Antrieb sowie Y-Antrieb) in der Horizontalen. Ferner ist vorstellbar, dass die Antriebseinheit einen Rotationsantrieb zur Erzeugung definierte Rotationen des Objektträgers um die Z-Achse aufweist.
Die Antriebe der jeweiligen Achsen weisen Führungen für die entsprechenden Bewegungen auf. Ferner können entsprechende Schlitten vorgesehen sein, die schlussendlich den Objektträger tragen.
Den Antrieben sind nicht notwendigerweise Maßverkörperungen zugeordnet, die für die dimensionelle Messung/Vermessung genutzt werden. Vorzugsweise wird auf derartige Maßverkörperungen verzichtet. Gleichwohl ist vorstellbar, dass eine Steuereinheit für die Antriebseinheit vorgesehen ist, die Ist-Positionen bzw. Verfahrwege der Antriebe erfasst. Gleichwohl werden solche Informationen nicht unbedingt unmittelbar für die Messung des Messobjekts genutzt.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung ist das Messsystem als Koordinatenmessgerät ausgestaltet, insbesondere als Koordinatenmessgerät in Stativbauweise, bei dem der Objektträger relativ zu einem feststehenden Gestell verfahren wird, an dem die erste Sensoreinheit und/oder die zweite Sensoreinheit angeordnet sind.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung sind die erste Sensoreinheit und die zweite Sensoreinheit invariant zueinander am Gestell angeordnet, vorzugsweise fixiert. Wie vorstehend bereits dargelegt ist es in beispielhaften Ausführungsformen vorgesehen, den Objektträger zwischen der ersten Sensoreinheit und der zweiten Sensoreinheit anzuordnen. Beispielsweise ist die zweite Sensoreinheit unterhalb des Objektträgers und die erste Sensoreinheit oberhalb des Objektträgers angeordnet.
Eine feste und steife Verbindung zwischen der ersten Sensoreinheit und der zweiten Sensoreinheit kann etwa über Keramikbauteile und Ähnliches bewirkt werden. Vorzugsweise ist das Gestell des Messsystems derart gestaltet, dass Temperaturschwankungen und ähnliche Umwelteinflüsse nur geringe Auswirkungen auf die Relativlage zwischen der ersten Sensoreinheit und der zweiten Sensoreinheit mit sich bringen. Etwaige Fehler durch Temperatureinflüsse und Ähnliches können grundsätzlich auch rechnerisch erfasst und kompensiert werden.
Die erste Sensoreinheit und die zweite Sensoreinheit sind über das Gestell fest (starr) miteinander gekoppelt. Es kann davon ausgegangen werden, dass keine oder nur unerhebliche Relativbewegung zwischen der ersten Sensoreinheit und der zweiten Sensoreinheit gegeben sind. Die erste Sensoreinheit und die zweite Sensoreinheit sind in beispielhaften Ausführungsformen gestellfest angeordnet.
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 Offenbarung zu verlassen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und Erläuterung mehrerer beispielhafter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Es zeigen:

1 eine perspektivische schematische Ansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines als Koordinatenmessgerät ausgestalteten Messsystems in Stativbauweise;
2 eine frontale schematische Ansicht einer weiteren beispielhaften Ausführungsform eines als Koordinatenmessgerät ausgestalteten Messsystems;
3 eine schematische, stark vereinfachte Draufsicht auf einen Objektträger zur Veranschaulichung eines Auflösungsvermögens eines Sensors;
4 eine schematische, stark vereinfachte frontale Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines Messsystems; und
5 eine schematische, stark vereinfachte frontale Teilansicht einer weiteren Ausführungsform eines Messsystems.

1 veranschaulicht anhand einer perspektivischen Darstellung ein insgesamt mit 10 bezeichnetes Messsystem. Beispielhaft ist das Messsystem 10 als Koordinatenmessgerät gestaltet. Das Messsystem 10 weist ein Gestell 12 auf. In der beispielhaften Ausführungsform in 1 ist das Messsystem 10 in Stativbauweise gestaltet.
Das Gestell 12 umfasst eine Basis 14, einen Ständer 16 und einen Ausleger 18, der einen Messkopf 20 trägt. Diese Gestaltung des Gestells 12 soll nicht einschränkend verstanden werden. Das hier vorgestellte Messprinzip ist nicht auf eine spezielle Bauweise des Koordinatenmessgerätes eingeschränkt. Anstelle der in 1 gezeigten Stativbauweise können auch andere Bauweisen zum Einsatz kommen, beispielsweise eine Portalbauweise, eine Brückenbauweise, eine Auslegerbauweise oder eine Ständerbauweise. Das beschriebene Messprinzip bzw. die beschriebene Technologie kann grundsätzlich auch für die Gestaltung von Messgeräten mit handgeführten Messsensoriken genutzt werden.
Das in 1 veranschaulichte Messsystem 10 weist ferner einen Objektträger 24 auf, der zur Aufnahme eines Werkstücks oder Messobjekts 28 ausgebildet ist. Bedarfsweise kommt auch eine Halterung 30 zum Festlegen des Messobjektes 28 am Objektträger 24 zum Einsatz.
In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Objektträger 24 als sogenannter Verschiebetisch gestaltet. Zu diesem Zweck ist eine Antriebseinheit 34 vorgesehen. Auf die detaillierte Darstellung von Komponenten der Antriebseinheit 34 wurde aus Veranschaulichungsgründen in 1 verzichtet. Die Antriebseinheit 34 ist dazu ausgestaltet, den Objektträger 24 und ein darauf aufgenommenes Messobjekt 28 in verschiedenen Richtungen/Achsen zu verfahren.
Primär zur Veranschaulichungszwecken werden in den Figuren Koordinatensysteme X-Y-Z gezeigt, welche zur Bezeichnung von Richtungen, Lagezuordnungen und Verfahrwegen herangezogen werden. Es versteht sich, dass die Wahl und Anordnung des Koordinatensystems X-Y-Z nicht einschränkend zu verstehen ist. Der Fachmann kann ohne weiteres gedankliche Transformationen vornehmen, sollte er mit einer Ausführungsform mit einer abweichenden Zuordnung eines Koordinatensystems konfrontiert werden.
Die X-Achse wird allgemein auch als Längsachse bezeichnet. Die Y-Achse wird allgemein auch als Tiefenachse bezeichnet. Die Z-Achse wird allgemein auch als vertikale Achse bezeichnet. Die X-Achse und die Y-Achse bilden gemeinsam eine horizontale Ebene. Eine Rotation um die X-Achse wird zu Veranschaulichungszwecken als Rollen bezeichnet. Eine Rotation um die Y-Achse wird zu Veranschaulichungszwecken als Nicken bezeichnet. Eine Rotation um die Z Achse wird zu Veranschaulichungszwecken als Gieren bezeichnet. Auch diese Zuordnungen sind nicht einschränkend zu verstehen.
Der Objektträger 24 ist über die Antriebseinheit 34 entlang der X-Achse translatorisch verfahrbar, vergleiche einen mit 38 bezeichneten Doppelpfeil. Der Objektträger 24 ist über die Antriebseinheit 34 entlang der Y-Achse translatorisch verfahrbar, vergleiche einen mit 40 bezeichneten Doppelpfeil. Zumindest in beispielhaften Ausführungsformen ist der Objektträger 24 ferner über die Antriebseinheit 34 entlang der Z-Achse translatorisch verfahrbar, vergleiche einen mit 42 bezeichneten Doppelpfeil. Die Antriebseinheit 34 ist zumindest in beispielhaften Ausführungsformen ferner dazu ausgebildet, den Objektträger 24 um die Z-Achse zu rotieren. Eine solche Bewegung wird in 1 durch einen mit 48 bezeichneten gekrümmten Doppelpfeil veranschaulicht.
Weitere gekrümmte Doppelpfeile 44, 46 in 1 veranschaulichen Rotationen um die X-Achse bzw. um die Y-Achse. Für diese Bewegungen ist kein expliziter Antrieb vorgesehen. Stattdessen handelt es sich bei diesen Bewegungen (Rollbewegung bzw. Nickbewegung) regelmäßig um Positionierfehler und ähnliche Lageabweichungen, die etwa durch Spiel in der Antriebseinheit 34 bzw. in den (den diversen Freiheitsgraden zugeordneten) Führungen bedingt sind. Ferner muss auch bei den Freiheitsgraden, für die Antriebe vorgesehen sind, mit Lagefehlern bzw. Lage Abweichungen gerechnet werden, etwa aufgrund von Positioniertoleranzen, einem Umkehrspiel, etc.
Für die Steuerung der Antriebseinheit 34 und die Steuerung weiterer Komponenten des Messsystems 10 ist in 1 eine mit 50 bezeichnete Steuereinheit angedeutet, die mit einer Auswerteeinheit 52 gekoppelt ist. Es versteht sich, dass die Steuereinheit 50 auch teilweise oder vollständig in die Auswerteeinheit 52 integriert sein kann, oder umgekehrt. Die Steuereinheit 50, die Auswerteeinheit 52 und weitere Komponenten des Messsystems 10 sind über geeignete Leitungen 54 miteinander gekoppelt.
Das Messsystem 10 weist ferner eine erste Sensoreinheit 56 und eine zweite Sensoreinheit 58 auf. Zumindest in beispielhaften Ausführungsformen ist sowohl die erste Sensoreinheit 56 als auch die zweite Sensoreinheit 58 fest (starr) mit dem Gestell 12 gekoppelt. Mit anderen Worten ist es gemäß diesen Ausführungsbeispielen vorgesehen, Relativbewegungen zwischen dem Messobjekt 28 und Sensoren der Sensoreinheiten 56, 58 über die Bewegung des Objektträgers 24 relativ zum Gestell 12 herbeizuführen.
Die erste Sensoreinheit 56 ist dem Ausleger 18 bzw. dem Messkopf 20 zugeordnet. Die zweite Sensoreinheit 58 ist der Basis 14 zugeordnet. Mit anderen Worten kann die erste Sensoreinheit 56 in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel als obere Sensoreinheit und die zweite Sensoreinheit 58 als untere Sensoreinheit bezeichnet werden.
Beispielhaft weist die erste Sensoreinheit 56 einen taktilen Sensor 62 und einen optischen Sensor 64 auf. Demgemäß ist der optische Sensor 64 einem ersten Sensortyp zugehörig, und der taktile Sensor 62 ist einem zweiten Sensortyp zugehörig. Der taktile Sensor 62 ist primär dazu ausgestaltet, das Messobjekt 28 anzutasten. Der optische Sensor 64 ist primär dazu ausgestaltet, Marker 72 anzutasten, die am Objektträger 24 angeordnet sind.
Am Objektträger 24 ist eine Mehrzahl von Markern 72 in definierter Weise in bekannter Ausrichtung und an bekannten Positionen angeordnet. In alternativen Ausgestaltungen ist auch am Messobjekt 28 zumindest ein Marker 72 angeordnet.
Der taktile Sensor 62 kann das Messobjekt 28 antasten. Der optische Sensor 64 überblickt mit seinem Blickfeld zumindest einen Teilbereich des Objektträgers 24, in dem ein Marker oder mehrere Marker 72 angeordnet sind. Folglich kann die Relativlage zwischen dem Messobjekt 28 und den Markern 72, also dem Objektträger 24, ermittelt werden.
In Kenntnis der Relativlage zwischen dem Messobjekt 28 und den Markern 72 können nun durch „Verfolgung“ der Marker 72 bei der Bewegung des Objektträgers 24 zum Antasten verschiedener Abschnitte des Messobjekts 28 Verfahrbewegungen des Objektträgers 24 erfasst werden. Auf diese Weise kann das Messobjekt 28 gemessen/vermessen werden. Die Messung erfolgt gewissermaßen indirekt über die Peilung der Marker. Gleichwohl erfolgt das antasten des Messobjekt 28 hochgenau über den hierfür besonders geeigneten Sensor 62.
Die zweite Sensoreinheit 58 umfasst einen Sensor in Form eines Interferometers 80. Das Interferometer 80 ist beispielhaft als Laserinterferometer ausgestaltet. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Interferometer 80 als Drei-Strahl-Interferometer gestaltet. Strahlen des Drei-Strahl-Interferometers 80 sind mit 82, 84, 86 bezeichnet. Das Interferometer 80 peilt mit den drei Strahlen 82, 84, 86 den Objektträger 24 an, insbesondere eine Unterseite des Objektträgers 24. Auf diese Weise kann die zweite Sensoreinheit 58 eine Position und/oder Bewegung des Objektträgers in Z-Richtung (Doppelpfeil 42) erfassen. Ferner ist durch die Gestaltung als Drei-Strahl-Interferometer 80 die Erfassung von Rollbewegungen (Doppelpfeil 44) und Nickbewegungen (Doppelpfeil 46) möglich.
Insgesamt kann das Messobjekt 28 hochgenau vermessen werden. Dies lässt sich auch dann erreichen, wenn die Antriebseinheit 34 mit den einzelnen Antrieben/Führungen für die Freiheitsgrade nicht hochgenau (und entsprechend teuer) gefertigt ist.
Mit Bezugnahme auf die 2 bis 5 werden alternative Ausgestaltungen von Messsystemen veranschaulicht, die in ähnlicher Weise wie das Messsystem 10 gemäß 1 zur hochgenauen Messung von Messobjekten im industriellen Umfeld geeignet sind. Bei der Beschreibung der Messsysteme in den 2 bis 5 wird vorrangig auf Unterscheidungsmerkmale eingegangen, bezogen auf das Messsystem 10 in 1. Sonstige Gestaltungen und Details können der Darstellung in 1 und der zugehörigen Beschreibung entnommen werden. Teilaspekte und entsprechende Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen von Messsystemen, die in den 1 bis 5 veranschaulicht werden, können mit den Gestaltungen der jeweils anderen Messsysteme kombiniert werden.
2 veranschaulicht ein mit 110 bezeichnetes Messsystem. Das Messsystem 110 ist als Koordinatenmessgerät gestaltet. Das Messsystem 110 weist ein Gestell 112 auf, dass eine Basis 114, einen Ständer 116 und einen Ausleger 118 umfasst. Ferner ist ein (verfahrbarer) Objektträger 124 vorgesehen, der ein Messobjekt 128 trägt. 3 veranschaulicht in einer schematischen Darstellung eine Draufsicht auf den Objektträger 124 mit dem Messobjekt 128.
Zu Veranschaulichungszwecken ist in 2 anhand einer gestrichelten Darstellung ein verlagerter/verkippter Zustand des Objektträgers 124 veranschaulicht, vergleiche das Bezugszeichen 124'. Es versteht sich, dass insbesondere die Neigung des Objektträgers 124' überzeichnet dargestellt ist.
Ähnlich wie bei der in 1 gezeigten Ausgestaltung des Messsystems 10 weist auch das Messsystem 110 eine erste Sensoreinheit 156 und eine zweite Sensoreinheit 158 auf. Beide Sensoreinheiten 156, 158 sind gestellfest und (lage-)invariant am Gestell 112 angeordnet. Zwischen den beiden Sensoreinheiten 156, 158 ist der Objektträger 124 angeordnet, der relativ zum Gestell 112 verfahrbar/bewegbar ist, um das Messobjekt 128 zu vermessen.
Die erste Sensoreinheit 156 weist in dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 einen optischen Sensor 164 auf. Der optische Sensor 164 hat ein definiertes Sichtfeld/Blickfeld 168 und eine optische Achse 170 im Zentrum des Sichtfeldes 168. Das Sichtfeld 168 des Sensors 164 ist groß genug, um neben dem Messobjekt 128 auch Marker 172, 174, 176 anzupeilen, vergleiche hierzu auch 3.
Die zweite Sensoreinheit 158 weist ein Interferometer 180 auf, welches mehrere Strahlen 182, 184 umfasst. Vorzugsweise ist das Interferometer 180 ähnlich wie das Interferometer 80 gemäß 1 als Drei-Strahl-Interferometer gestaltet.
Gemeinsam können die erste Sensoreinheit 156 und die zweite Sensoreinheit 158 Bewegungen des Objektträgers 124 erfassen, um das Messobjekt 128 mit hoher Genauigkeit zu messen/vermessen. In 2 veranschaulichen die Bezugszeichen 190, 192, 194 Lageveränderungen des verlagerten Objektträgers 124' (in Relation zur ursprünglichen Orientierung des Objektträgers 124). Das Bezugszeichen 190 beschreibt eine Verlagerung in X-Richtung. Das Bezugszeichen 192 beschreibt eine Verlagerung in Z-Richtung. Das Bezugszeichen 194 beschreibt eine Verkippung (Nickbewegung) um die Y-Achse, vergleiche auch 3.
Die Abweichung bzw. die Verlagerung 190 kann über den Sensor 164 der ersten Sensoreinheit 156 erfasst werden. Die Abweichung bzw. die Verlagerung 192 kann über den Sensor (das Interferometer) 180 der zweiten Sensoreinheit 158 erfasst werden. Auch die Verkippung 194 des Objektträgers 124 kann über den Sensor (das Interferometer) 180 der zweiten Sensoreinheit 158 erfasst werden.
Ferner veranschaulicht 2 eine Ausgestaltung, bei der eine Durchlichteinheit 198 mit einer Lichtquelle 200 an der von der ersten Sensoreinheit 156 mit dem Sensor 164 abgewandten Seite des Objektträgers 124 vorgesehen ist. Ähnlich wie bei dem Interferometer 180 ist auch die Durchlichteinheit 198 „von unten“ auf den Objektträger 124 gerichtet. Die Durchlichteinheit 198 kann das Messobjekt in geeigneter Weise illuminieren, so dass dessen Kanten gut für den Sensor 164 erfassbar sind.
3 veranschaulicht, dass der Sensor 164 als optischer Sensor mit nicht konstantem Auflösungsvermögen gestaltet sein kann. Die Musterdarstellung/Netzdarstellung in 3 veranschaulicht, dass das Auflösungsvermögen des Sensors 164 innerhalb des Sichtfeldes 168 nahe der optischen Achse 170 deutlich größer ist als in Randbereichen des Sichtfeldes 168. Dies hat den Vorteil, dass das Werkstück 128 gleichwohl im Zentrum des Sichtfeldes des 168 hochgenau detektiert werden kann. Gleichwohl können weiterhin zumindest einige der Marker 172, 174, 176 gut erfasst werden, da das Sichtfeld 168 insgesamt groß genug gewählt ist.
Die Gestaltung des Sensors 164 als Sensor mit veränderlichem Auflösungsvermögen kann zumindest in beispielhaften Ausführungsformen dazu führen, dass die erste Sensoreinheit lediglich einen einzigen Sensor 164 aufweist, der sowohl das Messobjekt 128 (optisch) antasten kann, als auch zur Navigation bzw. zur Erfassung der Lage des Objektträgers über die Marker 172, 174, 176 nutzbar ist.
4 veranschaulicht anhand einer vereinfachten Darstellung eine beispielhafte Ausführungsform eines Messsystems 210 mit Multi-Sensor-Gestaltung. Das Messsystem 210 weist ein Gestell 212 auf, das mit einer Basis 214, einem Ständer 216 und einem Ausleger 218 versehen ist.
Zwischen der Basis 214 und dem Ausleger 218 ist ein Objektträger 224 relativ zum Gestell 212 verfahrbar aufgenommen. Am Objektträger 224 ist ein Messobjekt 228 aufgenommen. Das Messsystem 210 weist eine erste Sensoreinheit 256 und eine zweite Sensoreinheit 258 auf.
Die in 4 veranschaulichte Ausgestaltung des Messsystems 210 weist bei der ersten Sensoreinheit 256 eine Mehrzahl von Sensoren 262, 264, 266 auf. Beispielhaft ist der Sensor 262 als taktiler Sensor zum Antasten des Messobjektes 228 ausgeführt. Beispielhaft ist der Sensor 264 als optischer (Kamera basierter) Sensor zur Erfassung einer Ist-Lage des Objektträgers 224 relativ zum Gestell 212 des Messsystems 210 ausgeführt. Der optische Sensor 264 kann auch als Kamerasensor bezeichnet werden. Der Sensor 266 ist beispielhaft als chromatischer Abstandsensor gestaltet. Auf diese Weise kann eine Höhenlage (Z-Lage) des Objektträgers 224 in Relation zum Gestell 212 ermittelt werden.
Die zweite Sensoreinheit 258 umfasst in grundsätzlich zuvor schon beschriebener Weise ein Interferometer 280 mit drei Strahlen 282, 284, 286. Das Interferometer 280 peilt den Objektträger 224 von unten an.
Die Ausführung der ersten Sensoreinheit 256 mit drei oder mehr unterschiedlichen Sensortypen erlaubt es, für die verschiedenen Aufgaben tatsächlich gut geeignete Sensoren zu verwenden. Dies führt einerseits zwar zu einem erhöhten Aufwand für die Sensoreinheit 256, erhöht jedoch andererseits die Leistungsfähigkeit und die Genauigkeit des Messsystems 210.
5 veranschaulicht eine weitere beispielhafte Ausgestaltung eines Messsystems 310. Das Messsystem 310 weist ein Gestell 312 auf, welches einen Ausleger 318 trägt. Ferner weist das Messsystem 310 einen Objektträger 324 auf, der relativ zum Gestell 312 verfahrbar ist.
Das Messsystem 310 umfasst eine erste Sensoreinheit 356, die einen ersten Sensor 364 und einen zweiten Sensor 366 aufweist. Der erste Sensor 364 und der zweite Sensor 366 sind in einer Einheit miteinander kombiniert.
Das Messsystem 310 weist ferner in grundsätzlich zuvor schon beschriebener Weise eine zweite Sensoreinheit 358 auf, welche beispielhaft ein Interferometer 380 umfasst, dass den Objektträger 324 „von unten“ anpeilt.
Der erste Sensor 364 und der zweite Sensor 366 der ersten Sensoreinheit 356 sind miteinander gekoppelt und nutzen zumindest abschnittsweise den gleichen optischen Pfad. Beispielhaft weist der erste Sensor 364 der ersten Sensoreinheit 356 ein breites (relativ großes) Sichtfeld 368 mit moderater Auflösung auf. Hingegen weist der zweite Sensor 366 der ersten Sensoreinheit 356 ein kleineres Sichtfeld 378 mit höherer Auflösung auf. Mit anderen Worten dient der erste Sensor 364 als Navigationssensor. Der zweite Sensor 366 wird hingegen zum hochgenauen (optischen) Antasten verwendet.
Die beiden Sensoren 364, 366 sind jeweils beispielhaft als Kamera-Sensoren, etwa als CCD-Sensoren gestaltet. Die beiden Sensoren 364, 366 nutzen teilweise den gleichen Strahlengang. Um Rückkopplungen/Interferenzen zwischen den beiden Sensoren 364, 366 zu vermeiden, ist es zumindest in beispielhaften Ausführungsformen vorgesehen, für die Beleuchtung und Bilderfassung bei den beiden Sensoren 364, 366 unterschiedliche Wellenlängenbereiche zu nutzen. Alternativ oder zusätzlich ist es vorstellbar, Belichtungszeiten der beiden Sensoren 364, 366 zeitlich zu staffeln, so dass die beiden Sensoren 364, 366 nicht gleichzeitig Bilddaten erfassen. Eine solche zeitliche altenierende Ansteuerung kann auch eine entsprechende Steuerung von Lichtquellen der Sensoren 364, 366 umfassen.
Beispielhaft ist dem ersten Sensor 364 eine erste Lichtquelle 398 zugeordnet. Dem zweiten Sensor 366 ist eine zweite Lichtquelle 400 zugeordnet. Emittierte Strahlung aus der ersten Lichtquelle 398 wird über einen halbdurchlässigen Spiegel (Teilspiegel) 402 in den Strahlengang eingekoppelt. Emittierte Strahlung aus der zweiten Lichtquelle 400 wird über einen halbdurchlässigen Spiegel (Teilspiegel) 404 in den Strahlengang ein gekoppelt. Eine Verbindung/Verknüpfung der beiden Strahlengänge erfolgt über einen weiteren halbdurchlässigen Spiegel (Teilspiegel) 406.
Der Wellenlängenbereich, der durch den ersten Sensor 364 genutzt wird, entspricht vorzugsweise einem Wellenlängenbereich, bei dem die Marker 372 gut detektiert war sind. Der Wellenlängenbereich, der durch den zweiten Sensor 366 genutzt wird, entspricht vorzugsweise einem Wellenlängenbereich, in dem das Messobjekt 328 bzw. dessen Kontur gut erfassbar ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 0188471 A1 [0003]

Claims

Messsystem (10, 110, 210, 310) zum dimensionellen Messen eines Messobjekts (28, 128, 228, 328), mit: - einem Objektträger (24, 124, 224, 324) zur Aufnahme des zu vermessenden Messobjekts (28, 128, 228, 328); - einer ersten Sensoreinheit (56, 156, 256, 356) zur taktilen, optischen und/oder tomographischen Abtastung des zu vermessenden Messobjekts (28, 128, 228, 328), - einer zweiten Sensoreinheit (58, 158, 258, 358) zur Bestimmung einer Lage des Objektträgers (24, 124, 224, 324), umfassend die Bestimmung einer Lage des Objektträgers (24, 124, 224, 324) entlang einer ersten Achse (Z) senkrecht zum Objektträger (24, 124, 224, 324) und die Bestimmung einer Verkippung des Objektträgers (24, 124, 224, 324) um zumindest eine zweite Achse (X, Y) die senkrecht zur ersten Achse (Z) ist, und - einer Auswerteeinheit (50, 150), die dazu ausgebildet ist, Signale der ersten Sensoreinheit (56, 156, 256, 356) und Signale der zweiten Sensoreinheit (58, 158, 258, 358) zu verarbeiten, um unter Berücksichtigung der Lage des Objektträgers (24, 124, 224, 324) eine Geometrie des Messobjekts (28, 128, 228, 328) zu bestimmen.
Messsystem (10, 110, 210, 310) nach Anspruch 1, wobei die zweite Sensoreinheit (58, 158, 258, 358) dazu ausgebildet ist, eine Nickbewegung und/oder eine Rollbewegung des Objektträgers (24, 124, 224, 324) und eine Translationsbewegung des Objektträgers (24, 124, 224, 324) entlang der ersten Achse (Z) zu erfassen.
Messsystem (10, 110, 210, 310) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Achse eine vertikale Achse (Z) ist, wobei zwei horizontale Achsen (X, Y) die zumindest eine zweite Achse bilden, und wobei die vertikale Achse (Z) und die horizontalen Achsen (X, Y) senkrecht aufeinander stehen.
Messsystem (10, 110, 210, 310) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die zweite Sensoreinheit (58, 158, 258, 358) ein Interferometer (80, 180, 280, 380) umfasst, welches den Objektträger (24, 124, 224, 324) von einer einem aufgenommenen Messobjekt (28, 128, 228, 328) abgewandten Seite anpeilt.
Messsystem (10, 110, 210, 310) nach Anspruch 4, wobei die zweite Sensoreinheit (58, 158, 258, 358) ein Drei-Strahl-Interferometer (80, 180, 280, 380) umfasst.
Messsystem (10, 110, 210, 310) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die erste Sensoreinheit (56, 156, 256, 356) zumindest einen Sensor (64, 164, 264, 364) aufweist, der dazu ausgebildet ist, Marker (72, 172, 174, 176, 272, 372) anzupeilen, die am Objektträger (24, 124, 224, 324) und/oder am Messobjekt (28, 128, 228, 328) angeordnet sind.
Messsystem (10, 110, 210, 310) nach Anspruch 6, wobei die erste Sensoreinheit (56, 156, 256, 356) dazu ausgebildet ist, anhand der Marker (72, 172, 174, 176, 272, 372) translatorische Bewegungen in einer Ebene (X, Y) zu erfassen, die senkrecht zur ersten Achse (Z) ist.
Messsystem (10, 110, 210, 310) nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Marker (72, 172, 174, 176, 272, 372) mit zumindest einem optischen Sensor (64, 164, 264, 364) erfasst werden, der zur Bilderfassung ausgebildet ist, wobei der zumindest eine optische Sensor (64, 164, 264, 364) insbesondere als Sensor mit inhomogenem Auflösungsvermögen ausgebildet ist, und wobei vorzugsweise das Auflösungsvermögen ausgehend von einer optischen Achse (170) hin zu Randbereichen des Sichtfeldes (168) abnimmt.
Messsystem (10, 110, 210, 310) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die Marker (72, 172, 174, 176, 272, 372) derart ausgebildet und angeordnet sind, dass der zumindest eine Sensor (64, 164, 264, 364) der ersten Sensoreinheit (56, 156, 256, 356) ferner eine Rotationsbewegung um die erste Achse (Z) erfasst.
Messsystem (10, 110, 210, 310) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei die erste Sensoreinheit (56, 156, 256, 356) zumindest einen ersten Sensor (64, 164, 264, 364) eines ersten Sensortyps und zumindest einen zweiten Sensor (62, 262, 366) eines zweiten Sensortyps aufweist, wobei der zumindest eine erste Sensor (64, 164, 264, 364) des ersten Sensortyps zur Erfassung der Marker ausgestaltet ist, und wobei der zumindest eine zweite Sensor (62, 262, 366) des zweiten Sensortyps dazu ausgestaltet ist, das Messobjekt (28, 128, 228, 328) anzutasten/anzupeilen.
Messsystem (10, 110, 210, 310) nach Anspruch 10, wobei das Antasten/Abtasten des Messobjekts (28, 128, 228, 328) ein taktiles, optisches und/oder tomografisches Antasten/Abtasten umfasst.
Messsystem (10, 110, 210, 310) nach Anspruch 10 oder 11, wobei der zumindest eine erste Sensor (64, 164, 264, 364) des ersten Sensortyps und der zumindest eine zweite Sensor (62, 262, 366) des zweiten Sensortyps starr miteinander gekoppelt und insbesondere an einem Stativ des Messsystems (10, 110, 210, 310) benachbart zueinander angeordnet sind.
Messsystem (10, 110, 210, 310) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die erste Sensoreinheit (56, 156, 256, 356) zumindest einen ersten Sensor (64, 164, 264, 364) eines ersten Sensortyps, der als abbildender Kamerasensor gestaltet ist, zumindest einen zweiten Sensor (62, 262, 366) eines zweiten Sensortyps, der als taktiler Sensor ausgestaltet ist, und zumindest einen dritten Sensor (266) eines dritten Sensortyps aufweist, der als optischer Abstandssensor, insbesondere als chromatischer Abstandssensor, gestaltet ist.
Messsystem (10, 110, 210, 310) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, ferner aufweisend eine Antriebseinheit (34) für den Objektträger (24, 124, 224, 324), die dazu ausgebildet ist, den Objektträger (24, 124, 224, 324) mehrachsig relativ zur ersten Sensoreinheit (56, 156, 256, 356) und/oder zur zweiten Sensoreinheit (58, 158, 258, 358) zu verfahren.
Messsystem (10, 110, 210, 310) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei das Messsystem (10, 110, 210, 310) als Koordinatenmessgerät ausgestaltet ist, insbesondere als Koordinatenmessgerät in Stativbauweise, bei dem der Objektträger (24, 124, 224, 324) relativ zu einem feststehenden Gestell (12) verfahren wird, an dem die erste Sensoreinheit (56, 156, 256, 356) und/oder die zweite Sensoreinheit (58, 158, 258, 358) angeordnet sind.