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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Vermessen von Objektoberflächen. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Anordnung, um eine Objektoberfläche zur Definition zukünftiger Vermessungsvorgänge oder vergleichbarer Objektoberflächen zu vermessen.
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Es ist bekannt, Objektoberflächen zu verschiedensten Zwecken zu vermessen. Das Vermessen kann insbesondere das Ermitteln eines zumindest zweidimensionalen Höhenprofils entlang der Objektoberfläche umfassen, zum Beispiel um eine Rauheit oder Welligkeit der Objektoberfläche zu bestimmen. Anders ausgedrückt kann das Vermessen mit einem Bestimmen von Feingestaltabweichungen oder dem Ermitteln der lokalen Form der Objektoberfläche einhergehen, insbesondere im mikroskopischen und/oder µm-Bereich. Weitere sogenannte Prüfmerkmale, die mithilfe des Vermessens einer Objektoberfläche untersucht werden können, betreffen z. B. die Rundheit oder Planarität. Ferner können z. B. die Parallelität oder Abstände (zum Beispiel eine Breite oder ein Durchmesser) zwischen verschiedenen Objektoberflächen und/oder Oberflächenpunkten eines Objekts bestimmt werden.
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Für das Vermessen von Objektoberflächen können taktile Sensoren (zum Beispiel sogenannte Messtaster) aber auch berührungslose Sensoren eingesetzt werden (zum Beispiel optische Sensoren, wie Laserscanner oder Time-of-Flight-Kameras). Unter dem Begriff Abtasten ist im Rahmen der vorliegenden Offenbarung daher auch ein berührungsloses Abtasten zu verstehen. Insbesondere ist es möglich, mit Sensoren die Objektoberfläche entlang einer vorgegebenen Messstrecke an mehreren Messpunkten abzutasten, um Messwerte zum Beispiel bezüglich einer lokalen Höhe (bzw. eines Z-Wertes, d. h. bezogen auf eine quer zur Oberfläche verlaufende Koordinatenachse) der Objektoberfläche zu erzeugen.
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Um eine gewünschte Qualität der Messergebnisse zu erzielen, kann in Abhängigkeit der zu vermessenden Objektoberfläche vorab eine Messstrategie mit geeigneten Vermessungsparametern festgelegt werden. Parameter sind zum Beispiel der Sensortyp, eine Länge der abzutastenden Messstrecke und/oder eine Messpunktdichte entlang der Messstrecke. Um derartige Vermessungsparameter zu bestimmen, wird in der Regel auf vorab verfügbare Informationen zurückgegriffen, die zum Beispiel aus CAD-Daten gewonnen werden können, durch welche z.B. Koordinaten oder andere vermessungsrelevante Eigenschaften wie z.B. eine Oberflächenbeschaffenheit des zu untersuchenden Objekts definiert sind. Zusätzlich oder alternativ werden Erfahrungswerte oder die Fachliteratur herangezogen.
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Schwierigkeiten hinsichtlich der Wahl geeigneter Messparameter können allerdings dann entstehen, wenn derartige Informationen vollständig oder teilweise nicht oder nicht vorab zur Verfügung stehen. In einem solchen Fall besteht eine Unsicherheit dahingehend, ob eine Messstrategie für die gegebene aber nur unzulänglich bekannte Objektoberfläche tatsächlich geeignet ist. Als Resultat können die gewonnenen Messergebnisse ungenau sein und/oder es ist ein iteratives Vorgehen erforderlich, um zu einer geeigneten Messstrategie zu gelangen. Auch wenn derartige Informationen aber bekannt sind, kann nicht immer davon ausgegangen werden, dass diese tatsächlich mit einer ausreichenden Genauigkeit auf eine gegebene Objektoberfläche zutreffen. Um zu aussagekräftige Messergebnissen zu gelangen, kann daher ein kontinuierliches Vermessen entlang der Objektoberfläche erforderlich sein, was aber entsprechend die Messzeit erhöht.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, die Genauigkeit des Vermessens von Objektoberflächen mit einer begrenzten Messzeit zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Anordnung gemäß den beigefügten unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Ferner versteht es sich, dass, sofern nicht anders angegeben oder ersichtlich, sämtliche der einleitend genannten Merkmale einzeln oder in Kombination auch bei der erfindungsgemäßen Lösung vorgesehen sein können.
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Eine Grundidee der Erfindung besteht darin, mittels bestimmter Vermessungen zunächst Informationen über das Objekt zu ermitteln. Insbesondere ist eine Messung entlang einer ersten (kurzen) Messtrecke und einer zweiten (langen) Messstrecke vorgesehen, um darauf basierend eine Vermessung entlang einer dritten Messstrecke zu definieren. Anders ausgedrückt kann auf Basis der ersten und zweiten Messstrecke im Sinne von Vorab-Messung eine geeignete Strategie zur Vermessung entlang der dritten Messstrecke ermittelt werden. Letztere kann dann dazu verwendet werden, um Eigenschaften des Objekts zu vermessen und/oder zu ermitteln, welche einer tatsächlichen Auswertung und/oder einer weiteren Definition der Messstrategie zugrunde gelegt werden können. Mittels dem Vermessen entlang der ersten und zweiten Messstrecke kann also zumindest teilweise ausgeglichen werden, dass Informationen über das Objekt nicht, nur in unzureichendem Maße oder nur mit einer ungewissen Genauigkeit vorhanden sind. Stattdessen können derartige Informationen im Rahmen der vorgeschlagenen Vorab-Messungen ermittelt und das Objekt kann anschließend mittels einer geeignet angepassten Vermessung bzw. Messstrategie entlang der dritten Messstrecke vermessen werden. Bei den Informationen, die bei dem Vermessen entlang der ersten und zweiten Messstrecke gewonnen werden, kann es sich zum Beispiel um einen kurzperiodischen und langperiodischen Frequenzanteil an dem Höhenprofil der Objektoberfläche handeln.
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Es versteht sich, dass die vorgestellte Lösung aber auch dann vorteilhaft ist, wenn ausreichende Informationen über das zu vermessende Objekt vorliegen, diese jedoch mittels dem geschilderten Vermessen entlang der einzelnen Messstrecken verifiziert und/oder ergänzt werden sollen.
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Im Detail wird ein Verfahren zum Vermessen von Objektoberflächen vorgeschlagen, umfassend:
- Vermessen einer Objektoberfläche an mehreren Messpunkten, die entlang einer ersten Messstrecke angeordnet sind, sodass für jeden der Messpunkte ein Messwert, nämlich ein Koordinatenwert bezüglich einer quer zur Objektoberfläche verlaufenden Koordinatenachse oder eine örtliche Abweichung von einem idealen oder vermuteten Verlauf der Objektoberfläche entlang der ersten Messstrecke erhalten wird;
- Vermessen der Objektoberfläche an mehreren entlang einer zweiten Messstrecke angeordneten Messpunkten, wobei die zweite Messstrecke länger als die erste Messstrecke ist und eine geringere Messpunktdichte als die erste Messstrecke aufweist, und
- Vermessen der Objektoberfläche entlang einer dritten Messstrecke, die mehrere Messbereiche mit jeweils wenigstens einem Messpunkt enthält, wobei die dritte Messstrecke zumindest teilweise auf Basis der durch das Vermessen entlang der ersten und/oder der zweiten Messstrecke gewonnenen Messergebnisse definiert ist.
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Bei den vorangehenden aber auch nachstehenden Maßnahmen bzw. Verfahrensschritten handelt es sich, sofern nicht anders angegeben oder ersichtlich, um keine Definition einer feststehenden zeitlichen Abfolge. Insbesondere kann das Vermessen entlang der ersten und zweiten Messstrecke auch in gegenüber der vorstehenden Auflistung umgekehrter Reihenfolge ausgeführt werden.
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Es versteht sich, dass auch für die Messpunkte der zweiten und/oder der dritten Messstrecke entsprechende Koordinatenwerte bezüglich einer quer zur Objektoberfläche verlaufenden Koordinatenachse oder einer örtlichen Abweichung von einem idealen oder vermuteten Verlauf der Objektoberfläche entlang der ersten Messstrecke erhalten werden können. Bei der Koordinatenachse kann es sich zum Beispiel um die Achse eines (vorzugsweise kartesischen) Sensor- oder Objektkoordinatensystems handeln. In letzterem Fall können die weiteren Achsen eine zu der Objektoberfläche im Wesentlichen parallele Ebene aufspannen.
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Allgemein können mit den Messstrecken dieselben und/oder sich zumindest teilweise überschneidende Oberflächenbereiche vermessen werden. Insbesondere kann die dritte Messstrecke mit zumindest einer von erster und zweiter Messstrecke zumindest abschnittweise zusammenfallen (oder, mit anderen Worten, sich entlang desselben Oberflächenbereichs erstrecken). Die anhand der ersten und/oder zweiten Messstrecke gewonnen Informationen können somit ein besonders präzises, da an denselben Oberflächenbereich angepasstes Vermessen entlang der dritte Messtrecke ermöglichen.
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Bei dem Objekt kann es sich um ein Werkstück (insbesondere ein industriell gefertigtes Werkstück), ein Bauteil, eine Baugruppe oder ein allgemeines technisches System handeln. Wie einleitend geschildert, kann das Vermessen taktil oder berührungslos erfolgen. Ferner kann das Vermessen dazu dienen, ein Höhenprofil (bzw. Z-Profil) entlang der Objektoberfläche zu ermitteln, insbesondere um ein Rauheitsprofil und/oder Welligkeitsprofil zu bestimmen. Die entlang der einzelnen Messstrecken gewonnenen Messergebnisse können somit ein derartiges Höhenprofil beschreiben. Insbesondere können die Messergebnisse eine Mehrzahl an Höhenwerten und/oder Z-Werten entlang einer jeweiligen Messstrecke umfassen.
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Bei einem Messpunkt kann es sich um einen vorbestimmten Punkt entlang einer jeweiligen Messstrecke handeln, an dem wenigstens ein einzelner Messwert erfasst und/oder erzeugt werden soll. Jede der Messstrecken kann allgemein entlang und insbesondere auf der Objektoberfläche verlaufen und dabei einen beliebigen Verlauf annehmen, zum Beispiel einen im Wesentlichen geradlinigen oder kurvenförmigen Verlauf. Vorzugsweise weisen zumindest einzelne oder aber sämtliche Messstrecken jedoch einen im Wesentlichen geradlinigen Verlauf auf.
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Die erste Messstrecke kann zum Beispiel hinsichtlich ihrer Länge und/oder Messpunktedichte (d. h. der Anzahl der Messpunkte dividiert durch die Streckenlänge) derart gewählt sein, dass hiermit ein kurzperiodischer Anteil des Höhenprofils bestimmbar ist. Eine geeignete Längenwahl der ersten Messstrecke kann zum Beispiel wenige Zentimeter oder auch nur wenige Millimeter betragen und allgemein objekt- bzw. bauteilspezifisch gewählt werden.
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Allgemein können für das Höhenprofil der vermessenen Objektoberfläche mittels bekannter Auswertungsansätze (zum Beispiel Fourieranalysen) einzelne Frequenzanteile bestimmt werden. Insbesondere kann der Frequenzanteil mit der höchsten Amplitude ermittelt werden. Dieser kann für das entlang der ersten Messstrecke ermittelte Höhenprofil als entsprechender kurzperiodischer Anteil definiert werden. Alternativ kann der Frequenzanteil mit der höchsten Frequenz oder allgemein eine Grundfrequenz des Höhenprofils ermittelt und z.B. als kurzperiodischer Anteil definiert werden.
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Die zweite Messstrecke kann hinsichtlich ihrer Länge und/oder Messpunktedichte derart gewählt sein, dass hiermit ein langperiodischer Anteil des Höhenprofils bestimmbar ist. Auch in diesem Fall können Frequenzanteile zum Beispiel mittels einer Fourieranalyse für das entlang der zweiten Messstrecken ermittelte Höhenprofil bestimmt werden. Hierbei kann insbesondere der Frequenzanteil mit der höchsten Amplitude ermittelt werden und vorzugsweise als entsprechender langperiodischer Anteil des Höhenprofils definiert werden. Alternativ oder zusätzlich kann der Frequenzanteil mit der niedrigsten Frequenz oder allgemein eine Grundfrequenz des Höhenprofils betrachtet und als langperiodischer Anteil definiert werden. Die Länge der zweiten Messstrecke kann ebenfalls objekt- bzw. bauteilspezifisch gewählt werden und allgemein mehrere Millimeter, Zentimeter und insbesondere mehr als 1 cm oder mehr als 10 cm betragen.
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Für ein erstmaliges Vermessen eines Werkstücks und/oder erstmaliges Festlegen der Länge der ersten oder zweiten Messstrecke kann zum Beispiel anhand eines vorgegebenen (zum Beispiel aus Zeichnungsangaben) oder ermittelten Oberflächenkennwerts des Werkstücks eine Mindestlänge der jeweiligen Messstrecke bestimmt werden. Falls dem Oberflächenkennwert ein Frequenzwert zugeordnet ist oder sich ein solcher hierfür bestimmen lässt, kann die Mindestlänge anhand dieses Frequenzwerts bestimmt werden. Beispielsweise kann der Frequenzwert (oder eine daraus ermittelte Wellenlänge) mit einer vorbestimmten Mindestanzahl von Messpunkten multipliziert werden, z.B. mit einer Mindestanzahl von sieben Messpunkten.
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Zu den jeweils ermittelten Frequenzanteilen (beispielsweise denjenigen mit der höchsten oder niedrigsten Amplitude und/oder Frequenz) können auch jeweils die dazugehörigen Wellenlängen oder, mit anderen Worten, Periodendauern bestimmt werden. Beispielsweise kann die Fourieranalyse zur Bestimmung der Frequenzanteile oder auch allgemein die Frequenzermittlung ortsbezogen und/oder bezogen auf einen vorbestimmten Maßstab erfolgen. Zusätzlich oder alternativ kann auf ein Objektkoordinatensystem oder Maschinenkoordinatensystem Bezug genommen werden. Mit anderen Worten können die Frequenzanteile angeben, in welchen (zum Beispiel in entsprechenden Koordinatensystemen definierten) Abständen Umkehrpunkte bzw. Minimal- oder Maximalwerte der entsprechenden zu den Frequenzanteilen gehörigen Schwingungsanteile vorliegen. Aus den Abständen zwischen derartigen Umkehrpunkten kann in an sich bekannter Weise die Wellenlänge des entsprechenden Schwingungsanteils bzw. Frequenzanteils bestimmt werden. Folglich kann entlang der ersten und zweiten Messstrecke auch die Wellenlänge des Frequenzanteils mit der höchsten Amplitude und/oder mit der höchsten Frequenz bestimmt werden.
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Allgemein ist die zweite Messstrecke länger als die erste Messstrecke gewählt. Zusätzlich ist die Messpunktdichte (d. h. die Anzahl der Messpunkte dividiert durch die Messstreckenlänge) entlang der zweiten Messstrecke geringer als entlang der ersten Messstrecke, was insbesondere über eine geeignete Wahl der Anzahl der Messpunkte entlang der jeweiligen Messstrecken erfolgen kann. Zum Beispiel kann die erste (kurze) Messstrecke zumindest die gleiche Anzahl an oder auch mehr Messpunkte als die zweite (lange) Messstrecke umfassen.
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Die dritte Messstrecke kann allgemein ein vorbestimmtes Längenverhältnis zu der ersten und/oder zu der zweiten Messstrecke aufweisen. Zusätzlich oder alternativ kann sie ein vorbestimmtes Messpunktdichteverhältnis zu der ersten und/oder zu der zweiten Messstrecke aufweisen. Die Messbereiche der dritten Messstrecke können einzelne Streckenabschnitte dieser Messstrecke umfassen oder als solche definiert sein.
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Übergeordnet kann jeglicher Vermessungsparameter für das Vermessen entlang der dritten Messstrecke auf Basis der Messergebnisse entlang der ersten und der zweiten Messstrecke definiert werden, zum Beispiel die Mess- bzw. Abtastgeschwindigkeit. Vorzugsweise wird die dritte Messstrecke jedoch zumindest hinsichtlich ihrer Länge und/oder Messpunktdichte auf Basis der Messergebnisse der ersten und zweiten Messstrecke definiert (zum Beispiel auf Basis der dort jeweils ermittelten Frequenzanteile). Andere Vermessungsparameter können dann auch unabhängig von den Messergebnissen definiert werden.
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Zusätzlich oder alternativ können auch Eigenschaften der Messbereiche auf Basis der entsprechenden Messergebnisse festgelegt werden. Die Eigenschaften können beispielsweise eine Lage sowie eine Anzahl bzw. Häufigkeit der Messbereiche, einen Relativabstand zumindest einzelner Messbereiche zueinander und/oder eine Anzahl von Messpunkten (bzw. die Messpunktdichte) je Messbereich umfassen. Der Relativabstand kann insbesondere auf Basis des Messergebnisses entlang der zweiten Messstrecke und/oder allgemein auf Basis eines ermittelten langperiodischen Anteils des Höhenprofils gewählt werden. Dies kann insbesondere derart erfolgen, dass der Abstand einem ganzzahligen Vielfachen der Wellenlänge dieses Anteils entspricht, wobei das Vielfache auch einen Wert von 1 annehmen kann. Die Messpunktdichte je Messbereich kann in Abhängigkeit des ermittelten kurzperiodischen Anteils gewählt sein.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass zumindest einzelne Messbereiche die gleiche Anzahl an Messpunkten wie die erste Messstrecke umfassen. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass zumindest einzelne Messbereiche jeweils derart definiert sind, dass dort im Wesentlichen identische Vermessungen (d. h. Vermessungen mit im Wesentlichen derselben Länge und Messpunktanzahl) wie bei der ersten Messstrecke ausgeführt werden. Mit anderen Worten kann in den Messbereichen ein zu dem Vermessen entlang der ersten Messstrecke analoges Vermessen ausgeführt werden, wobei die Messbereiche vorzugsweise in regelmäßigen Abständen zueinander positioniert sind. Die Positionierung der Messbereiche (d. h. insbesondere deren Relativabstand zueinander) kann zusätzlich oder alternativ nach Maßgabe des ermittelten langperiodischen Anteils gewählt sein, beispielsweise derart, dass ein nachfolgend geschildertes Abtasttheorem erfüllt wird.
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Zusammengefasst können mittels der ersten und zweiten Messstrecke somit im Sinne einer Vorabmessung Eigenschaften und insbesondere ein kurz- und langperiodischer Anteil der Objektoberfläche (bzw. von dessen Höhenprofil) ermittelt werden, um darauf basierend die dritte Messstrecke zu definieren (d. h. für das Vermessen entlang dieser Messstrecke zu verwendende Vermessungsparameter und/oder die allgemeine Messstrategie entlang dieser Messstrecke zu definieren). Die Definition der dritten Messstrecke kann dabei einen eigenständigen Verfahrensschritt darstellen und vorzugsweise unmittelbar vor dem Ausführen des Vermessens entlang der dieser Messstrecke ausgeführt werden. Dadurch, dass die Objektoberfläche anschließend entlang der dritten Messstrecke und dort vorzugsweise lediglich innerhalb der Messbereiche vermessen wird, kann gegenüber einem kontinuierlichen (und/oder scannenden) Vermessen der Objektoberfläche die erforderliche Messzeit reduziert werden. Dies kann bei geeigneter Definition der Messtrecken sogar für die insgesamt benötigte Messzeit zum Vermessen entlang der ersten, zweiten und dritten Messtrecke gelten, welche kürzer als die Messzeit zum kontinuierlichen (und/oder scannenden) Vermessen der Objektoberfläche ausfallen kann.
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In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens und der Anordnung umfasst die dritte Messstrecke durch die Messbereiche definierte Teilabschnitte mit einer ersten Messpunktdichte und zwischen den Messbereichen liegende weitere Teilabschnitte, die eine zweite und im Vergleich zu der ersten Messpunktdichte niedrigere Messpunktdichte aufweisen. Insbesondere können die Messbereiche eine Mehrzahl von Messpunkten und/oder eine allgemein hohe Messpunktdichte aufweisen. Die dazwischenliegenden Teilabschnitte können wenige oder auch gar keine Messpunkte aufweisen (d.h. eine Messpunktdichte von null aufweisen).
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Bei einer Weiterbildung des Verfahrens und der Anordnung ist ferner vorgesehen, dass wenigstens eine Eigenschaft der Objektoberfläche basierend auf den durch das Vermessen entlang wenigstens einer der Messstrecken gewonnen Messergebnissen ermittelt wird. Insbesondere können die Messergebnisse des Vermessens entlang der dritten Messstrecke dazu verwendet werden, um Eigenschaften der Objektoberfläche zu ermitteln. Es kann aber ebenso vorgesehen sein, für das Ermitteln zumindest bestimmter Eigenschaften auch die entlang der ersten und/oder zweiten Messstrecke gewonnenen Messergebnisse (ausschließlich oder zusätzlich zu den Ergebnissen entlang der dritten Messstrecke) zugrunde zu legen. Übergeordnet können die ermittelten Eigenschaften für eine nähere Auswertung (zum Beispiel im Sinne eines Überprüfens vorbestimmter Prüfmerkmale) und/oder für eine Messstrategiedefinition verwendet werden.
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Bei den Eigenschaften kann es sich um jegliches interessierende Prüfmerkmal des Objekts handeln, zum Beispiel die Rauheit, Welligkeit oder geometrische Merkmale wie eine Rundheit, Planarität, Parallelität oder eine allgemeine Maßhaltigkeit. Ein Vorteil der hierin offenbarten Lösung ist, dass derartige Eigenschaften beispielsweise anhand der basierend auf den Vorab-Messungen definierten dritten Messstrecke mit einer höheren Genauigkeit und/oder Zuverlässigkeit ermittelt werden können.
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Zusätzlich oder alternativ können das Verfahren und die Anordnung vorsehen, wenigstens einen Vermessungsparameter basierend auf den entlang wenigstens einer der Messstrecken gewonnenen Messergebnissen festzulegen, wobei der Vermessungsparameter zur Definition zukünftiger Vermessungsvorgänge der vermessenen und/oder vergleichbarer Objektoberflächen dient und/oder hierfür verwendbar ist. Bei dem Vermessungsparameter kann es sich um jeglichen Parameter oder, anders ausgedrückt, jegliche Größe handeln, mit der ein Vermessungsvorgang definierbar und der vorzugsweise variabel festlegbar ist. Als Beispiele seien eine Messgeschwindigkeit, eine Antastkraft sowie eine Abtastfrequenz oder -häufigkeit (bzw. eine Messpunktdichte und/oder Messstreckenlänge) für zukünftige Vermessungen genannt. Derartige Vermessungen können auf dasselbe Objekt angewandt werden, zum Beispiel um die Genauigkeit und/oder Aussagekraft der Messergebnisse noch einmal zu erhöhen, oder auf vergleichbare Objekte, die zum Beispiel art- und/oder baugleich sind oder aus einer gleichen (Fertigungs-) Serie stammen.
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Für das Festlegen des Vermessungsparameters kann insbesondere ausschließlich das Vermessen entlang der dritten Messstrecke betrachtet werden. Es ist aber auch möglich, zusätzlich oder alternativ die entlang der ersten und/oder zweiten Messstrecke gewonnenen Messergebnisse zu berücksichtigen.
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Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens und der Anordnung sind die Messstrecken derart definiert sind, dass wenigstens eine der folgenden Voraussetzungen erfüllt ist:
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Die dritte und die zweite Messstrecke sind im Wesentlichen gleich lang. Zusätzlich oder alternativ können sie eine gleiche Anzahl von Messpunkten oder eine im Wesentlichen gleiche Messpunktdichte aufweisen.
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Die Messbereiche der dritten Messstrecke sind im Wesentlichen gleich lang wie die erste Messstrecke. Zusätzlich oder alternativ können eine gleiche Anzahl von Messpunkten oder eine im Wesentlichen gleiche Messpunktdichte aufweisen.
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Die lediglich im Wesentlichen gleiche Länge der Messstrecken kann aus Toleranzen der für das Vermessen verwendeten Maschinenkinematik resultieren. Allgemein kann eine Längenabweichung von weniger als 5% und vorzugsweise weniger als 1 % angestrebt werden.
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Wie geschildert, kann die Messpunktdichte allgemein als Anzahl von Messpunkten Verhältnis zu der Länge einer Messstrecke definiert sein. Da die Messstrecken aufgrund von Mess- oder Maschinentoleranzen geringfügig voneinander abweichen können, kann vorgesehen sein, lediglich im Wesentlichen identische Messpunktdichten entlang der geschilderten Messbereiche und/oder Messstrecken vorzusehen. Insbesondere kann auf Basis der aufgelisteten Varianten vorgesehen sein, dass Vermessen entlang der ersten Messstrecke in vorzugsweise regelmäßigen Abständen entlang der dritten Messstrecke zu wiederholen, wobei die dritte Messstrecke vorzugsweise gleich lang wie die zweite Messstrecke ist.
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Bei einer weiteren Variante des Verfahrens und der Anordnung wird dann, wenn in einem Messbereich der dritten Messstrecke mehrere Messpunkte vermessen werden, ein Mittelwert aus den Messergebnissen der einzelnen Messpunkte gebildet (zum Beispiel aus den Messergebnissen an bzw. für die einzelnen Messpunkte). Insbesondere kann für jeden Messbereich entlang der dritten Messstrecke ein entsprechender Mittelwert gebildet werden und für die weitere Auswertung und/oder Messstrategiedefinition zugrunde gelegt werden. Hierdurch kann die Aussagekraft und Genauigkeit der ermittelten Messergebnisse erhöht werden.
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Eine Ausführungsform des Verfahrens und der Anordnung sieht ferner vor, dass basierend auf dem erstmaligen Vermessen entlang der ersten Messstrecke ein vorbestimmtes Kriterium erfüllender Frequenzanteil eines (auf Basis dieser Vermessung) ermittelten Höhenprofils der Objektoberfläche ermittelt wird, und wobei eine Anzahl der Messpunkte innerhalb der dritten Messstrecke basierend auf dem ermittelten Frequenzanteil derart gewählt wird, dass das Abtasttheorem erfüllt ist. Bei dem Abtasttheorem kann es sich allgemein um das sogenannte Shannon-Nyquist-Abtasttheorem handeln. Folglich kann dieses Theorem derart definiert sein, dass eine Abtastfrequenz mehr als doppelt so hoch sein sollte, wie die höchste im Höhenprofil enthaltene Frequenz bzw. der höchstfrequente betrachtete Frequenzanteil. Gemäß einer Variante wird als erforderliche Messpunktanzahl eine Mindestzahl von 7 Punkten pro Wellenlänge des betrachteten Frequenzanteils vorgegeben.
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Bei der ermittelten Anzahl von Messpunkten kann es sich um eine Anzahl je Messbereich handeln und/oder eine insgesamt vorliegende Anzahl innerhalb der dritten Messstrecke. Insbesondere kann also die Anzahl von Messpunkten je Messbereich der dritten Messstrecke derart gewählt sein, dass das Abtasttheorem erfüllt ist.
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In der vorstehend geschilderten Weise können die betrachteten Frequenzanteile basierend auf einer Fourieranalyse ermittelt werden. Über die Anzahl der Messpunkte kann die Abtastfrequenz bzw. Messpunktdichte entlang der einzelnen Messstrecken oder Messbereiche festgelegt werden. Das vorbestimmte Kriterium kann zum Beispiel umfassen oder angeben, dass der Frequenzanteil mit der höchsten Amplitude oder, vorzugsweise, mit der höchsten Frequenz ausgewählt wird. Allgemein kann vorgesehen sein, dass die Messpunktanzahl gemäß jeglicher der vorstehenden Kriterien und Varianten für einzelne Messbereiche der dritten Messstrecke und insbesondere für jeden Messbereich ermittelt wird, zum Beispiel in der Form, dass jeder Messbereich das Abtasttheorem erfüllt.
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Durch Berücksichtigen des Abtasttheorems kann gewährleistet werden, dass die auf Basis der dritten Messstrecke gewonnenen Messergebnisse eine ausreichend hohe Aussagekraft besitzen. Die Aussagekraft wird zusätzlich dadurch erhöht, dass das Erfüllen des Abtasttheorems auf Basis von für eine gegebene Oberfläche tatsächlich erfassten Informationen sichergestellt wird.
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Eine Weiterbildung von Verfahren und Anordnung sieht ferner vor, durch eine Auswertung der Messwerte, die für die Messpunkte entlang wenigstens einer der Messstrecken (und insbesondere der ersten und/oder zweiten Messstrecken) erhalten wurden, eine Messpunktdichte und/oder eine Mindestlänge einer Verteilung von Messpunkten für eine zukünftige Vermessung der Objektoberfläche zu ermitteln, so dass die Dichte von Messpunkten bzw. die Mindestlänge ein vorbestimmtes Kriterium erfüllen.
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Die zukünftige Vermessung kann sich auf ein Vermessen entlang der dritten Messstrecke beziehen (d. h. zukünftig bezogen auf den Zeitpunkt des Vermessens entlang der ersten und/oder zweiten Messstrecke). Insbesondere kann basierend auf der vorstehenden Auswertung die Messpunktdichte und/oder Mindestlänge innerhalb der bzw. von den Messbereichen der dritten Messstrecke ermittelt werden. Es kann sich bei der zukünftigen Vermessung aber auch um eine von der dritten Messtrecke verschiedene Vermessung z.B. entlang einer weiteren Messstrecke handeln. Ferner kann es sich bei dem vorbestimmten Kriterium um das Einhalten des bereits geschilderten Abtasttheorems handeln, wobei sämtliche vorstehenden Erläuterungen und Weiterbildungen bezüglich des Abtasttheorems auch auf die vorliegende Variante zutreffen können. In einer Variante wird die Auswertung der erste Messtrecke für eine Festlegung der Messpunktdichte und/oder Mindestlänge der Messbereiche der dritten Messtrecke verwendet. Die Auswertung der zweiten Messtrecke kann zusätzlich oder alternativ für eine Festlegung der Mindestlänge der Messbereiche der dritten Messtrecke verwendet werden und/oder für das Festlegen der Relativabstände hierzwischen. Übergeordnet kann somit sowohl eine basierend auf einer Auswertung der ersten als auch der zweiten Messstrecke eine Messpunktdichte und/oder Mindestlänge ermittelt werden, insbesondere mit Bezug auf die dritte Messtrecke und/oder deren Messbereiche.
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Im Rahmen des Verfahrens und der Anordnung kann ferner vorgesehen sein, dass die ermittelte Eigenschaft der Objektoberfläche eine der Folgenden ist:
- - eine Rauheit der Objektoberfläche;
- - eine Welligkeit der Objektoberfläche;
- - ein Höhenprofil entlang wenigstens einer der ersten bis dritten Messstrecke;
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Es versteht sich, dass auch mehrere Eigenschaften und insbesondere sämtliche der vorstehend aufgelisteten Eigenschaften im Rahmen des Verfahrens und der Anordnung ermittelt werden können. Bei der Rauheit kann es sich um einen standardisierten Rauheitswert wie einen Mittenrauwert (Ra) oder die Rautiefe (Rz) handeln. Die Höhenprofile können derart ermittelt oder definiert werden, dass in vorbestimmten Abständen Höhen- bzw. Z-Werte ermittelt werden, aus denen das Höhenprofil zusammengesetzt wird. Anders ausgedrückt können die Höhenprofile auf Basis von Einzelwerten definiert und angenähert werden, nicht aber zwingend kontinuierlich vermessen werden.
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Bei einer weiteren Ausführungsform von Verfahren und Anordnung betrifft der Vermessungsparameter eine der folgenden Varianten:
- - eine Messpunktdichte;
- - eine Mindestmesslänge;
- - einen für das zukünftige Vermessen zu verwendenden Sensortyp;
- - eine optische Vergrößerung, falls ein optischer Sensor zum zukünftigen Vermessen verwendet werden soll;
- - ein optischer Suchbereich, in dem nach einem vorbestimmten zu vermessenden Element gesucht wird (zum Beispiel einer Kante oder einem vergleichbaren Kontur- oder Geometrieelement).
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Es versteht sich, dass auch mehrere Vermessungsparameter und insbesondere sämtliche der vorstehend aufgelisteten Parameter im Rahmen des Verfahrens und der Anordnung betrachtet bzw. festgelegt werden können. Die Messpunktdichte kann gemäß der vorstehenden Variante zur Erfüllung des Abtasttheorems gewählt werden. Zum Ermitteln der Mindestmesslänge kann die Wellenlänge des betrachteten Frequenzanteils (beispielsweise desjenigen mit der höchsten Amplitude und/oder Frequenz) mit der (zum Beispiel zum Erfüllen des Abtasttheorems) erforderlichen Messpunktdichte multipliziert werden. Die tatsächlich gewählte Messlänge kann dann zum Beispiel ein Mehrfaches der Mindestmesslänge betragen. Zum Erhöhen der Messgenauigkeit kann beispielsweise eine Messlänge von mindestens dreimal und vorzugsweise mindestens sechsmal der Mindestmesslänge vorgesehen sein. Diese Messlänge kann dann für das zukünftige Vermessen desselben oder baugleicher Werkstücke verwendet werden. Eine auf diese Weise ermittelte Mindestmesslänge kann sowohl auf taktile als auch berührungslose (zum Beispiel optische) Sensoren angewandt werden.
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Übergeordnet ist festzuhalten, dass auch die Länge eines Messbereichs (oder sämtlicher Messbereiche) der dritten Messstrecke ebenfalls gemäß einer der vorstehenden Variante festgelegt werden kann, also als Produkt aus der (zum Beispiel zum Erfüllen des Abtasttheorems) erforderlichen Messpunktdichte und der Wellenlänge eines betrachteten Frequenzanteils (beispielsweise desjenigen mit der höchsten Amplitude und/oder Frequenz). Ebenso kann die Länge des Messbereichs (oder sämtlicher Messbereiche) als ein Vielfaches der auf diese Weise ermittelten Mindestmesslänge gewählt werden, wobei zum Beispiel mindestens das dreifache oder mindestens das sechsfache der Mindestmesslänge angewandt werden kann.
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Ein Sensortyp kann zum Beispiel danach ausgewählt werden, welches Rauheits- und/oder Welligkeitsausmaß ermittelt wurde (insbesondere auf Basis eines Vermessens entlang der dritten Messstrecke). Anhand derartiger aber auch anderer Informationen kann die erforderliche Messauflösung ermittelt werden, anhand derer der für zukünftige Vermessungen zu verwendende Sensor ausgewählt werden kann.
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Das Festlegen der optischen Vergrößerung eines für zukünftige Vermessungen gegebenenfalls verwendeten optischen Sensors kann insbesondere nach Maßgabe des ermittelten kurzperiodischen Anteils erfolgen. Allgemein kann vorgesehen sein, dass je höher eine maximal ermittelte Frequenz und/oder Amplitude eines betrachteten Frequenzanteils ist, desto größer wird die Vergrößerung gewählt.
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Der optische Suchbereich, der allgemein für jeglichen optischen Sensor definiert werden kann, kann zum Beispiel nach Maßgabe einer ermittelten Ungenauigkeit (zum Beispiel in Form einer Rauheit, Welligkeit oder Maßhaltigkeit) gewählt werden. Allgemein kann der Suchbereich je größer gewählt werden, desto höhere Ungenauigkeiten ermittelt werden. Zusätzlich oder alternativ kann der optische Suchbereich nach Maßgabe einer messtechnisch ermittelten Maßhaltigkeit und/oder Toleranz gewählt werden. Beispielsweise sollte der Suchbereich je größer gewählt werden, desto geringer die Maßhaltigkeit bzw. desto größer die ermittelten Toleranzen sind.
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Gemäß einer Weiterbildung von Verfahren und Anordnung wird der Vermessungsparameter zusätzlich unter Berücksichtigung von wenigstens einer der folgenden Informationen festgelegt:
- - ein Toleranzwert eines für das (zurückliegende oder zukünftige) Vermessen verwendeten Sensors;
- - wenigstens eine Eigenschaft eines für das Vermessen verwendeten taktilen Sensors;
- - wenigstens eine Information bezüglich der räumlichen Anordnung eines für das Vermessen verwendeten Sensors während dem (zurückliegenden oder zukünftigen) Vermessen;
- - eine Länge von zumindest einer der ersten, zweiten und dritten Messstrecke;
- - eine Farbe der Objektoberfläche;
- - eine Härte der Objektoberfläche;
- - das Verwenden eines Gauß- oder Tangentialelements beim Auswerten der Messergebnisse.
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Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung kann vorgesehen sein, dass das Vermessen entlang der ersten bis dritten Messstrecke nur einmal durchgeführt und dazu verwendet wird, anschließende Messvorgänge desselben oder artgleicher Werkstücke durchzuführen. Es kann aber ebenso vorgesehen sein, basierend auf einem erstmaligen Vermessen entlang der ersten bis dritten Messstrecke den Vermessungsparameter festzulegen und darauf basierend das Objekt noch einmal entlang wenigstens einer der ersten bis dritten Messstrecke zu vermessen, wobei sich die Vermessungen durch Anwenden des Vermessungsparameters von dem erstmaligen Durchgang unterscheiden können.
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Der Toleranzwert kann eine erzielbare Messauflösung angeben oder als eine solche definiert sein. Hierüber kann auf die Güte der ermittelten Messergebnisse geschlossen werden und der Vermessungsparameter kann ebenfalls mit einem entsprechenden Toleranzwert beaufschlagt oder nach Maßgabe von einem solchen Toleranzwert angepasst werden. Somit kann die Aussagekraft und/oder die Genauigkeit zukünftiger Messergebnisse gesteigert werden.
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Bei der Eigenschaft des taktilen Sensors kann es sich zum Beispiel um eine geometrische Eigenschaft wie einen Kugeldurchmesser einer Tastspitze handeln. Alternativ oder zusätzlich kann eine Steifigkeit des taktilen Sensors betrachtet werden. Die Eigenschaft kann allgemein derart gewählt sein, dass eine kleinste mit dem Sensor erfassbare Amplitude oder Frequenz im Höhenprofil eines Objekts nicht weniger als die bei dem Vermessen entlang wenigstens einer der ersten bis dritten Messstrecke ermittelte kleinste Amplitude bzw. Frequenz ist.
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Informationen zu der räumlichen Anordnung können insbesondere eine Relativanordnung zwischen Sensor und Objekt betreffen. Anhand derartiger Informationen kann abgeschätzt werden, inwieweit mit einem bestimmten Sensor oder einer gewählten Mess- bzw. Abtastbewegung sämtliche relevanten Messpunkte erreicht werden können.
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Informationen zu der Farbe der Objektoberfläche können zum Beispiel dafür verwendet werden, um Eigenschaften eines optischen Sensors geeignet zu wählen. Insbesondere können Eigenschaften, welche mit einem durch die Farbe beeinflussten Reflektions- und/oder Absorptionsverhalten zusammenhängen, entsprechend gewählt sein. Als Beispiel sind Beleuchtungsgrößen und/oder eine Beleuchtungsleistung (zum Beispiel eine Laserleistung) zu nennen, mit der optische Sensoren in an sich bekannter Weise ein Objekt bestrahlen können, um hiervon reflektierte Strahlungsanteile zu erfassen.
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Informationen zu der Härte der Werkstückoberfläche können zum Beispiel dafür verwendet werden, um eine Antastkraft eines taktilen Sensors geeignet zu wählen. Für weiche Materialien sollten zum Vermeiden von Objektbeschädigungen und/oder die Messergebnisse verfälschende Verhakungen des Tasters in der Objektoberfläche lediglich geringe Antastkräfte verwendet werden.
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Das Tangentialelement kann auch als sogenanntes (zum Beispiel inneres oder äußeres) Pferchelement bezeichnet werden. In an sich bekannter Weise können hierdurch aus den ermittelten Messwerten eine zum Beispiel entlang des hiervon gebildeten Höhenprofils innere oder äußere Kurve bzw. Gerade ermittelt werden. Um Tangentialelemente beim späteren Auswerten von Messergebnissen verwenden zu können, kann eine Auflösung des verwendeten Sensors geeignet gewählt oder eingestellt werden. Dies kann beispielsweise basierend auf einem erwarteten oder vorab vermessenen Toleranzwert eines untersuchten Prüfmerkmals erfolgen. Mittels einem Gaußelement können die Messergebnisse hingegen gemittelt werden. Insbesondere kann darauf basierend eine mittlere Kurve oder Gerade oder aber allgemein eine Mittellinie durch das ermittelte Höhenprofil ermittelt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Verfahren auf ein erstes Objekt aus einer Bearbeitungsserie von Objekten und nach einer vorbestimmten Anzahl von bearbeiteten Objekten auf eines der bearbeiteten Objekte angewandt wird, und insbesondere wobei auf Basis der jeweiligen Objektvermessungen Informationen bezüglich eines Abnutzungsgrades eines für das Bearbeiten der Objekte verwendeten Werkzeugs ermittelt werden. Demnach kann das Verfahren zum Beispiel im Rahmen einer seriellen Werkstückfertigung und/oder Werkstückbearbeitung eingesetzt werden. Nach einer vorbestimmten Anzahl von gefertigten und/oder bearbeiteten Objekten (bzw. Werkstücken), kann das Verfahren wiederholt werden. Aus einem Vergleich der ursprünglich für das erste Objekt ermittelten Messergebnisse und der für das weitere bearbeitete Objekt ermittelten Messergebnisse kann daraufhin auf etwaige Abnutzungen eines Werkzeugs geschlossen werden, beispielsweise wenn das weitere bearbeitete Objekt größere Ungenauigkeiten aufweist (beispielsweise in Form einer höheren Rauheit oder Welligkeit oder allgemein einer geringeren Maßhaltigkeit).
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Wird eine erhöhte Abnutzung bzw. eine sich vermindernde Oberflächenqualität festgestellt, kann wenigstens ein Vermessungsparameter angepasst werden, um die Oberfläche trotz entsprechender Qualitätseinbußen nach wie vor mit einer ausreichenden Genauigkeit vermessen zu können. Der Vermessungsparameter kann dabei gemäß jeglichem der vorstehenden Beispiele gewählt sein. Beispielsweise kann die Messgeschwindigkeit reduziert werden, um das erwartungsgemäß stärker variierende Höhenprofil der Oberfläche nach wie vor mit einer ausreichenden Genauigkeit erfassen zu können.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Anordnung zum Vermessen von Objektoberflächen, mit: einer Messeinrichtung, umfassend einen Messsensor; und einer Steuereinrichtung, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, die Messeinrichtung zum Ausführen der folgenden Maßnahmen zu veranlassen:
- - Vermessen einer Objektoberfläche an mehreren Messpunkten, die entlang einer ersten Messstrecke angeordnet sind;
- - Vermessen der Objektoberfläche an mehreren entlang einer zweiten Messstrecke angeordneten Messpunkten, wobei die zweite Messstrecke länger als die erste Messstrecke ist, und
- - Vermessen der Objektoberfläche entlang einer dritten Messstrecke, die mehrere Messbereiche mit jeweils wenigstens einem Messpunkt enthält, wobei die dritte Messstrecke auf Basis der durch das Vermessen entlang der ersten und/oder der zweiten Messstrecke gewonnenen Messergebnisse definiert ist.
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Die Anordnung kann jegliche Weiterbildung und jegliches weitere Merkmal umfassen, um sämtliche der vorstehenden oder nachstehenden Schritte, Betriebszustände und Funktionen bereitzustellen oder auszuführen. Insbesondere kann die Anordnung dazu eingerichtet sein, ein Verfahren gemäß jeglichem der vorstehenden oder nachstehenden Aspekte auszuführen. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung ferner dazu ausgebildet sein, wenigstens eine Eigenschaft der Werkstückoberfläche basierend auf den gewonnenen Messergebnissen zu ermitteln und/oder wenigstens einen Vermessungsparameter basierend auf den Messergebnissen festzulegen.
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Die Messeinrichtung kann dazu ausgebildet sein, den Messsensor, der zum Beispiel als taktiler oder berührungsloser Sensor (insbesondere als ein optischer Sensor) ausgebildet sein kann, relativ zu dem zu vermessenden Objekt zu bewegen. Insbesondere kann die Messeinrichtung dazu ausgebildet sein, eine solche Relativbewegung zu erzeugen, dass der Messsensor und das Objekt relativ zueinander entlang einer oder sämtlicher der ersten bis dritten Messstrecken bewegt werden. Übergeordnet kann die Messeinrichtung eine oder mehrere angetriebene Achsen umfassen, um die geschilderten Relativbewegungen zu erzeugen. In einer Ausführungsform umfasst die Messeinrichtung ein Koordinatenmessgerät oder ist als ein solches ausgebildet.
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Die Steuereinrichtung, die allgemein elektronisch und/oder digital betreibbar sein kann, kann zum Durchführen der aufgelisteten Maßnahmen eine Vermessungsfunktion bereitstellen und/oder eine Vermessungseinrichtung umfassen. Ferner kann die Steuereinrichtung eine Auswertungsfunktion bereitstellen und/oder eine Auswertungseinrichtung umfassen, um die während dem Vermessen enthaltenen Informationen auszuwerten und daraus entsprechende Messergebnisse abzuleiten. Ferner kann die Steuereinrichtung eine Definitionsfunktion bereitstellen und/oder eine Definitionseinrichtung umfassen, um beispielsweise die dritte Messstrecke auf Basis der Messergebnisse geeignet definieren zu können. Ferner können auch eine Eigenschaftsermittlungsfunktion und/oder -einrichtung sowie eine Vermessungsparameterwertefestlegefunktion und/oder -einrichtung vorgesehen sein.
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Im Folgenden wird eine Ausführungsform der Erfindung anhand der beigefügten schematischen Figuren erläutert. In Ihrer Art und/oder Funktion übereinstimmende Merkmale können dabei figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Es stellen dar:
- 1: eine Ansicht einer erfindungsgemäßen Anordnung, mit ein erfindungsgemäßes Verfahren ausführbar ist;
- 2: ein Ablaufschema eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
- 3A-3B: Beispiele für während eines Vermessens entlang einer ersten Messstrecke ermittelte Höhenprofile;
- 4: ein während eines Vermessens entlang einer zweiten Messstrecke ermitteltes Höhenprofil;
- 5: ein während eines Vermessens entlang einer dritten Messstrecke ermitteltes Höhenprofil; und
- 6: eine Prinzipskizze zum Erläutern des Vermessens entlang der dritten Messstrecke.
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Die in 1 dargestellte Anordnung 11 umfasst ein Koordinatenmessgerät (KMG) 20, welche eine Relativbewegungen ermöglichende Messeinrichtung der Anordnung 11 bildet. Das KMG 20 ist in Portalbauweise ausgebildet und umfasst einen Messtisch 1, über dem Säulen 2, 3 verfahrbar sind, die zusammen mit einem Querträger 4 ein Portal des KMG 20 bilden. Der Querträger 4 ist an seinen gegenüberliegenden Enden mit den Säulen 2 bzw. 3 verbunden, die auf dem Messtisch 1 längsverschieblich gelagert sind.
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Der Querträger 4 ist mit einem Querschlitten 7 kombiniert, welcher luftgelagert entlang dem Querträger 4 (in X-Richtung) beweglich ist. Die momentane Position des Querschlittens 7 relativ zu dem Querträger 4 kann anhand einer Maßstabsteilung 6 festgestellt werden. An dem Querschlitten 7 ist eine in vertikaler Richtung bewegliche Pinole 8 gelagert, die an ihrem unteren Ende über eine Montageeinrichtung 10 mit einem Messsensor 5 verbunden ist. An dem Messsensor 5 ist ein taktil abtastender Tastkopf 9 abnehmbar angeordnet. Anstelle des Tastkopfs 9 könnte der Messsensor 5 ebenso einen berührungslos abtastenden Sensor umfassen, insbesondere einen Lasersensor. Ein geeignetes Beispiel für einen Messesensor 5 stellt der von der Anmelderin vertriebene ZEISS ROTOS Sensor dar, mit dem insbesondere die Rauheit von Oberflächen präzise erfasst werden kann.
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Auf dem Messtisch 1 ist ein zusätzlicher drehbarer Messtisch 13 angeordnet, auf dem ein zu vermessendes Objekt 21 angeordnet ist, welches durch Drehung des Messtisches 13 um eine vertikale Drehachse gedreht werden kann. Ferner ist auf dem Messtisch 1 ein Magazin 14 angeordnet, in dem verschiedene Tastköpfe angeordnet werden können, die gegen den Tastkopf 9 ausgetauscht werden können, oder in dem verschiedene Taststifte angeordnet werden können, die gegen den von dem Tastkopf 9 getragenen Taststift ausgetauscht werden können.
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Ferner zeigt 1 schematisch eine Steuereinrichtung 12 des KMG 20, die beispielsweise durch einen Computer realisiert werden kann, der über Software und zumindest einen Datenspeicher 15 verfügt und der über Signal- und Steuerleitungen mit ansteuerbaren Komponenten des Koordinatenmessgerätes 20 verbunden ist, insbesondere mit Antrieben. Außerdem ist die Steuerung 12 über eine Messdatenverbindung mit denjenigen Elementen des KMG 20 verbunden, die zur Ermittlung der nachfolgend erläuterten Messwerte eingesetzt werden. Da derartige Elemente und Einrichtungen auf dem Gebiet von Koordinatenmessgeräten allgemein bekannt sind, wird hier nicht näher darauf eingegangen.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass mit dem Koordinatenmessgerät 20 aus 1 in an sich bekannter Weise auch Objektkoordinaten (d. h. Koordinaten von Messpunkten auf der Objektoberfläche) zum Beispiel in einem Maschinenkoordinatensystem ermittelt werden können. Im Rahmen des nachstehend erläuterten Verfahrens wird das Koordinatenmessgerät 20 aber primär dazu verwendet, andere Eigenschaften der Objektoberfläche zu ermitteln, insbesondere ein zweidimensionales Höhenprofil hiervon.
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Zunächst bezugnehmend auf 2 wird im Folgenden ein Ablaufschema eines erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert, dass zum Beispiel mittels dem Koordinatenmessgerät 20 aus 1 ausgeführt werden kann. Die darin genannten einzelnen Schritte S1-S4 werden anhand der nachfolgenden Figuren noch näher erläutert. In einem ersten Schritt S1 wird das Objekt 21 entlang einer ersten (im Vergleich kurzen) Messstrecke vermessen. Basierend auf dieser Messung wird ein kurzperiodischer Anteil an einem entlang der ersten Messstrecke erfassten Höhenprofil ermittelt. In einem zweiten Schritt S2 wird das Objekt 21 entlang einer zweiten Messstrecke vermessen, wobei ein langperiodischer Anteil an dem entlang der zweiten Messstrecke erfassten Höhenprofil ermittelt wird. In einem dritten Schritt S3 wird basierend auf diesen Anteilen eine dritte Messstrecke definiert und das Objekt 21 entlang dieser Messstrecke vermessen. In dem Schritt S4 wird dann eine Eigenschaft des Objekts ermittelt sowie die Messstrategie für zukünftige Vermessungen des Objekts 21 oder art- bzw. baugleicher Objekte 21 definiert.
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Der Schritt S1 wird im Folgenden anhand der 3A und 3B näher erläutert. In diesen Figuren ist jeweils ein Höhenprofil 22 entlang der Oberfläche 25 des Objekts 21 gezeigt. Dabei handelt es sich um ein tatsächlich vorliegendes Höhenprofil 22, dass im Rahmen der hierin offenbarten Vermessungen aus einzelnen erfassten Messpunkten 24 lediglich angenähert wird. Das Höhenprofil ist entlang einer in 3A größtenteils verdeckten X-Achse aufgetragen, welche sich zum Beispiel auf ein Werkstückkoordinatensystem bezieht und Positionswerte angibt, an denen die Messpunkte 24 erfasst werden. Es versteht sich, dass mittels dieser Positionswerte auch Relativabstände der Messpunkte 24 zueinander definiert und/oder ermittelt werden können, aber auch Relativabstände von basierend auf den Messpunkten 24 ermittelten und nachfolgend erläuterten Schwingungs- und/oder Frequenzanteilen oder von diesen Anteilen definierten Maximalwerten oder Umkehrpunkten. In den folgenden Figuren sind von dem Werkstückkoordinatensystem lediglich die X- und Z-Achse gezeigt, nicht aber auch eine Y-Achse, da entlang dieser keine Vermessung stattfindet.
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In dem Schritt S1 wird die Oberfläche 25 lediglich entlang einer vergleichsweise kurzen ersten Messstrecke 26 vermessen. Genauer gesagt werden in regelmäßigen Abständen einzelne Messpunkte 24 auf der Oberfläche 25 erfasst und zwar hinsichtlich deren Höhen- bzw. Z-Wert. Auf Basis der an diesen Messpunkten 24 erfassten Werte kann das Höhenprofil mittels einer strichliert angedeuteten Kurve angenähert werden. Diese Kurve kann in an sich bekannter Weise mittels einer Fourieranalyse in einzelne Frequenzanteile zerlegt werden. In dem gezeigten Beispiel wird anhand des Frequenzanteils mit der höchsten Amplitude ein sogenannter kurzperiodischer Anteil des Höhenprofils 22 ermittelt. Da die Frequenz allgemein ortsbezogen bzw. bezogen auf das Werkstückkoordinatensystem ermittelt wird, kann auch der Abstand zwischen einzelnen Maximalwerten dieses Frequenzanteils (bzw. des dazugehörigen Schwingungsanteils) und somit eine zu diesem Frequenzanteil dazugehörige Wellenlänge ermittelt werden.
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Bei dem in 3A gezeigten Beispiel weist die Oberfläche 25 ein vergleichsweise ausgeprägtes Höhenprofil 22 auf. In 3B ist hingegen ein Fall gezeigt, bei dem das Höhenprofil 22 weniger stark ausgeprägt und die Oberfläche 25 im Wesentlichen glatt ist. Insbesondere kann man in diesem Fall die X-Achse samt der im Werkstückkoordinatensystem definierten Positionswerte erkennen, entlang derer das Höhenprofil 22 aufgezeichnet wird und an denen die Messpunkte 24 aus 3A erfasst werden. Es versteht sich, dass im Fall von 3B der kurzperiodische Anteil deutlich geringer ausfällt als im Fall von 3A.
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Anhand von 4 wird im Folgenden ein Vermessen entlang einer zweiten Messstrecke 30 erläutert, die länger als die erste Messstrecke 26 gewählt ist (beispielsweise mindestens zweimal oder mindestens viermal so lang). Auch in diesem Fall werden entlang der X-Achse einzelne Messpunkte 24 erfasst und an diesen ein jeweiliger Z-Wert ermittelt, wobei die Messpunkte 24 in regelmäßigen Abständen zueinander angeordnet sind. Anhand der Werte der X-Achse erkennt man, dass sich das Vermessen entlang der zweiten Messstrecke 30 unmittelbar an das Vermessen entlang der ersten Messstrecke 30 anschließt. Hierdurch können die notwendigen Verfahrwege und die insgesamt benötigte Messdauer reduziert werden.
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Auch aus den entlang der zweiten Messstrecke ermittelten Messwerten kann eine strichliert angedeutete Annäherungskurve ermittelt werden, um das Höhenprofil 22 entlang der Oberfläche 25 anzunähern. Erneut kann mittels einer Fourieranalyse basierend auf dieser Kurve ein langperiodischer Anteil samt dazugehöriger Wellenlänge ermittelt werden, welcher dem im Rahmen der Fourieranalyse ermittelten Frequenzanteil mit der höchsten Amplitude entspricht.
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Basierend auf den auf diese Weise ermittelten kurzperiodischen und langperiodischen Anteilen kann eine in 5 dargestellte Oberflächenvermessung entlang einer dritten Messstrecke 40 definiert werden. In dem gezeigten Beispiel ist die dritte Messstrecke 40 länger als die erste und auch die zweite Messstrecke 26, 30, was jedoch nicht zwingend ist. Insbesondere kann die dritte Messstrecke 40 im Wesentlichen gleich lang zu der zweiten Messstrecke 30 gewählt werden.
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Die dritte Messstrecke 40 ist prinzipiell derart definiert, dass in vorbestimmten regelmäßigen Abständen 42 einzelne Messbereiche 44 angeordnet sind, in denen mehrere Messpunkte 24 erfasst werden. Die Messbereiche 44 weisen demnach eine vergleichsweise hohe Messpunktdichte auf, während in zwischen den Messbereichen 44 liegenden Teilabschnitte der dritten Messstrecken 40 eine niedrige Messpunktdichte und in dem gezeigten Fall eine Messpunktdichte von null vorliegt. In dem gezeigten Fall werden in jedem Messbereich 44 wenigstens drei Messpunkte 24 erfasst, wobei die Messpunkte 24 lediglich für den ersten Messbereich 44 mit einem entsprechenden Bezugszeichen versehen sind. Der Abstand 42 zwischen den Messbereichen 44 ist allgemein konstant und in dem gezeigten Beispiel basierend auf der Wellenlänge des ermittelten langperiodischen Anteils gewählt, beispielsweise in der Form, dass der Abstand 42 dieser Wellenlänge oder einem ganzzahligen Vielfachen hiervon entspricht.
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Dies ermöglicht eine Reduktion der Messpunktanzahl gegenüber einer üblichen Oberflächenabtastung mit gleichmäßig beabstandeten Messpunkten. Stattdessen werden erfindungsgemäß nur ausgewählte und die Oberflächenform maßgeblich bestimmende Bereiche bzw. Oberflächenanteile erfasst, wodurch sich die Mess- und auch die Berechnungszeit in Anbetracht der reduzierten Anzahl erfasster Messwerte verkürzen lässt.
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Innerhalb der Messbereiche 44 können hingegen (bezogen auf die Streckenlänge und Messpunktanzahl bzw. -dichte) identische Vermessungen wie entlang der ersten Messstrecke 26 erfolgen, auch wenn in dem Beispiel aus 5 lediglich drei Messpunkte 24 je Messbereich 44 gezeigt sind. Unabhängig von der genauen Anzahl der Messpunkte 24 innerhalb der Messbereiche 44 sieht das gezeigte Verfahren vor, aus den für die jeweiligen Messpunkte 24 eines Messbereichs 44 erfassten Messwerte einen Mittelwert zu ermitteln, der dem jeweiligen Messbereich 44 als maßgeblicher Messwert zugeordnet wird. Die weitere Auswertung kann dann basierend auf diesem Mittelwert erfolgen.
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Neben der Wahl des Abstands 42 basierend auf dem langperiodischen Anteil kann auch der kurzperiodische Anteil oder allgemein das Höhenprofil entlang der ersten Messtrecke 26 zum Definieren des Vermessens entlang der dritten Messstrecke 40 herangezogen werden. Insbesondere kann dieses Höhenprofil samt der darin enthaltenen Frequenzanteile dazu verwendet werden, um eine Anzahl von Messpunkten 24 innerhalb eines einzelnen Messbereichs 44 zu wählen, sodass das Abtasttheorem erfüllt ist. Dies bedeutet, dass die Abtastfrequenz (also die Messpunktdichte in einem Messbereich 40) mehr als doppelt so hoch sein sollte, wie die höchste in dem Höhenprofil enthaltene Frequenz bzw. der höchstfrequente enthaltene Frequenzanteil. Auch dieser Frequenzanteil samt dazugehöriger Wellenlänge kann auf Basis des entlang der ersten Messstrecke 26 erfassten bzw. angenäherten Höhenprofils 22 ermittelt werden. In dem gezeigten Fall wird als Messpunktanzahl zum Erfüllen des Abtasttheorems eine Mindestzahl von sieben Punkten pro Wellenlänge des betrachteten Frequenzanteils vorgegeben.
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Basierend auf dem Vermessen entlang der dritten Messstrecke 40, die basierend auf den Messergebnissen der ersten und zweiten Messtrecke 26, 30 definiert wurde, kann die Oberfläche 25 daher in einer Weise bzw. mit einer Messstrategie vermessen werden, welche den grundlegenden Eigenschaften dieser Oberfläche 25 Rechnung trägt. Insbesondere erfolgt das Vermessen entlang der dritten Messstrecke 40 in der Weise, dass die langperiodischen und kurzperiodischen Anteile des Höhenprofils 22 der Oberfläche 25 ausreichend berücksichtigt bzw. mit vermessen werden. Die Messstrategie ermöglicht eine Erfassung der Oberflächeneigenschaften mit einer reduzierten Messpunktanzahl, da bildlich gesprochen für die einzelnen kurz- und langperiodisch verteilten lokalen Hoch- und/oder Tiefpunkte eine ausreichend präzise Annäherung insbesondere per Mittelung erfolgt.
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In 6 ist abschließend eine Darstellung zum Verdeutlichen des Ablaufs eines Vermessens entlang der dritten Messstrecke 40 aus 5 gezeigt. Dabei ist der Tastkopf 9 aus 1 in unterschiedlichen Positionen während des Vermessens gezeigt (d. h. es existiert nur ein Tastkopf 9, für den in 6 jedoch mehrere Positionen bzw. Stellungen gezeigt sind). Es wird ersichtlich, dass der Tastkopf 9 beim Vermessen der Werkstückoberfläche 25 im Wesentlichen kontinuierlich entlang der einzelnen Messbereiche 44 mit einer ersten Messgeschwindigkeit vm bewegt wird. Zwischen den Messbereichen 44 wird der Tastkopf 9 hingegen mit einer zweiten und im Vergleich höheren Messgeschwindigkeit vt bewegt. Innerhalb der Messbereiche 24 werden jeweils die in 5 angedeuteten Messpunkte 24 erfasst, d. h. an diesen Positionen werden konkrete Messwerte in Form von Höhen- oder Z-werten erfasst. Daraus kann dann in der vorstehend geschilderten Weise ein Mittelwert als maßgeblicher Messwert für jeden der Messbereich 44 bestimmt werden.
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Es versteht sich, dass sämtliche der vorstehend gezeigten Messverfahren auch mit einem optischen Sensor ausgeführt werden können. Hierbei bietet die anhand der 5 und 6 gezeigte Messstrategie entlang der dritten Messstrecke 40 den Vorteil, dass gegenüber der mit optischen Sensoren eigentlich möglichen hohen Abtastrate weniger Messpunkte 24 erfasst werden, nämlich nur diejenigen in den Messbereichen 44. Somit wird die anfallende Datenmenge begrenzt und der Messvorgang kann insgesamt beschleunigt werden.
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Aus den entlang der dritten Messstrecke 40 ermittelten Messwerten können anschließend Eigenschaften zum Beispiel in Form von Prüfmerkmalen der Oberfläche 25 und somit des Objekts 21 bestimmt und ermittelt werden. Da diese Messwerte nicht anhand einer beliebigen Messstrategie, sondern auf Basis von den Vorab-Messungen entlang der ersten und zweiten Messstrecke 26, 30 ermittelt wurden, besitzen diese Messwerte eine hohe Aussagekraft und Genauigkeit.
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Zusätzlich oder alternativ können die entlang der dritten Messstrecke 40 ermittelten Messwerte dazu verwendet werden, um wenigstens einen Vermessungsparameter für zukünftige Vermessungen vergleichbarer und insbesondere baugleicher Objekte 21, die beispielsweise aus einer gemeinsam seriellen Objektfertigung stammen, zu definieren. Ebenso kann dasselbe Objekt 21 unter Anwenden eines entsprechenden Vermessungsparameters noch einmal vermessen werden. Beispiele für entsprechende Vermessungsparameter wurden vorstehend allgemein diskutiert.
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Bezogen auf den Fall einer Serienobjektfertigung und/oder -bearbeitung kann ferner vorgesehen sein, verschiedene Objekte 21 nach vorbestimmten Zeitabständen bzw. Fertigungsmengen (zum Beispiel nach einer Fertigung von 50 Objekten) gemäß dem hierin offenbarten Verfahren zu vermessen. Aus einem Vergleich der dabei jeweils gewonnenen Messergebnisse (und insbesondere den entlang der jeweiligen dritten Messstrecken gewonnenen Messergebnisse) kann dann mit einer besonders hohen Genauigkeit festgestellt werden, ob Qualitätsverluste im Fertigungs- bzw. Bearbeitungsprozess zunehmen, beispielsweise da ein hierfür verwendetes Werkzeug einen zunehmenden Verschleiß erfährt. Anschließend kann das Vermessen weiterer Objekte 21 geeignet angepasst werden, um trotz der sich verschlechternden Oberflächenqualität nach wie vor eine ausreichende Messgenauigkeit zu erzielen.
