DE102018217285A1

DE102018217285A1 - Tastsystem zur optischen und taktilen Vermessung mindestens eines Messobjekts

Info

Publication number: DE102018217285A1
Application number: DE102018217285.4A
Authority: DE
Inventors: Otto Ruck; David Höcherl
Original assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Priority date: 2017-10-11
Filing date: 2018-10-10
Publication date: 2019-04-11
Also published as: US10641602B2; US20190107383A1

Abstract

Es wird ein Tastsystem (110) zur optischen und taktilen Vermessung mindestens eines Messobjekts (112) vorgeschlagen, umfassend:-mindestens einen taktilen Sensor (114), wobei der taktile Sensor (114) mindestens ein taktiles Tastelement (116) aufweist, wobei das taktile Tastelement (116) eine Sensoroberfläche (118) aufweist, wobei das taktile Tastelement (116) eingerichtet ist, das Messobjekt (112) taktil an mindestens einem Antastpunkt (120) auf der Sensoroberfläche (118) anzutasten;-mindestens eine Mikroskop-Kamera (130), wobei die Mikroskop-Kamera (130) mindestens eine Beleuchtungsvorrichtung (132) aufweist, welche eingerichtet ist, einen Beleuchtungslichtstrahl (134) zu erzeugen, wobei die Mikroskop-Kamera (130) mindestens eine Mikroskop-Optik (136) aufweist, welche eingerichtet ist, den Beleuchtungslichtstrahl (134) in dem Antastpunkt (120) zu fokussieren und mindestens ein vergrößertes Bild des Messobjekts (112) in einer Bildebene zu erzeugen, wobei die Mikroskop-Kamera (130) mindestens eine Bilderfassungsvorrichtung (138) aufweist, welche eingerichtet ist, das vergrößerte Bild aufzunehmen; wobei die Mikroskop-Kamera (130) zumindest teilweise in dem taktilen Tastelement (116) angeordnet ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Tastsystem und ein Koordinatenmessgerät zur optischen und taktilen Vermessung mindestens eines Messobjekts. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur optischen und taktilen Vermessung mindestens eines Messobjekts mit einem Koordinatenmessgerät. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere das Gebiet der Koordinatenmesstechnik unter Verwendung eines taktilen Koordinatenmessgeräts.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Vorrichtungen und Verfahren zur Vermessung von Messobjekten bekannt. Beispielsweise werden Koordinatenmessgeräte mit taktilen Sensoren verwendet, welche eine Oberfläche des Messobjekts, beispielsweise mechanisch, antasten. Derartige taktile Sensoren weisen typischerweise ein Antastelement in Form einer Tastkugel auf, welche an einem Übertragungselement befestigt ist. Bei einem Antasten der Tastkugel mit dem Messobjekt werden entstehende Kräfte auf die Tastkugel in drei Achsen gemessen und daraus ein Richtungsvektor des Antastens, der so genannte Antastvektor, bestimmt und so das Messobjekt vermessen.
Weiter bekannt sind Vorrichtungen, welche optische Sensoren aufweisen, insbesondere Koordinatenmessgeräte mit einem optischen Messkopf oder Messmikroskope. Derartige Vorrichtungen sind eingerichtet, berührungslos das Messobjekt zu vermessen. Beispielsweise beschreibt DE 101 11 130 A1 ein Koordinatenmessgerät mit einem über eine Mechanik in den Koordinatenrichtungen (x, y, z) verfahrbaren Videotastkopf und einer Steuer- und Auswerteeinheit zur Verarbeitung der Messwerte und zur Steuerung der Mechanik. Um den Videotastkopf automatisiert entlang der Kontur eines Werkstückes mit unbekannter Werkstückkontur verfahren zu können, werden die Vorschubdaten aus den Bilddaten des Videotastkopfes abgeleitet.
Mit Koordinatenmessgeräten mit messenden Tastköpfen können Merkmale des Messobjekts vermessen werden. An optisch erweiterten Koordinatenmessgeräten können mittels einer Kamera weitere Merkmale gemessen werden, welche taktil nicht messbar sind, beispielsweise weil diese mechanisch nicht angetastet werden können. Beispiele hierfür sind Aufdrucke auf einem Werkstück, weiche Materialien oder Übergänge von Verbundmaterialien, welche sich nur optisch unterscheiden lassen. Andere Messobjekte können aber optisch nicht vermessen werden, da sie nur mit einem Taststift zugänglich sind, wie beispielsweise tiefe Bohrungen. Außerdem kann bei einer optischen Messung eine Erfassung einer Z-Komponente (Höhe) nicht mit hinreichender Genauigkeit möglich sein, da über die Fokussierung nur grob die Z-Komponente ermittelt werden kann.
US 5,118,956 A beschreibt eine Sonde, welche mit einem Sensor versehen ist, der den Zustand ändert, indem er vibriert oder Spannung erfährt, wenn die Sonde ein Werkstück berührt. Der Sensor ist typischerweise an oder in der Sonde vorgesehen. Die Zustandsänderung des Sensors bewirkt eine Änderung der Weglänge, des Polarisationszustands oder der Intensität der vom Sensor übertragenen Lichtwellen. Ein Interferometer kann vorgesehen sein, um solche Änderungen zu detektieren.
DE 102 58 283 A1 beschreibt eine Tasteinrichtung und ein entsprechendes Verfahren, welche auf der Änderung der Totalreflexion an einer optisch transparenten Kugel oder einem anderweitigen Tastkörper, der von innen her beleuchtet ist, beruhen. Die Annäherung des Tastkörpers an eine Werkstückoberfläche wird erfasst, indem das von dem Tastkörper in einen Lichtleiter zurückgegebene Licht hinsichtlich Intensität und/oder Intensitätsverteilung ausgewertet werden. Der entsprechende Tastkopf kann Werkstückoberflächen berührungslos abtasten, präzise vermessen und schwer zugängliche Oberflächenteile erreichen.
Aufgabe der Erfindung
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Tastsystem und ein Koordinatenmessgerät zur optischen und taktilen Vermessung mindestens eines Messobjekts bereitzustellen, welche die Nachteile bekannter Vorrichtungen und Verfahren zumindest weitgehend vermeiden. Insbesondere soll eine Flexibilität bisheriger Koordinatenmessgeräte erhöht werden und eine Anzahl der möglichen, messbaren Werkstücke vergrößert werden und wesentliche Nachteile der optischen Messtechnik, wie beispielsweise die Fokussierung des Kamerabildes und exakte Bestimmung der Z-Komponente, vermieden werden.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Tastsystem und ein Koordinatenmessgerät zur optischen und taktilen Vermessung mindestens eines Messobjekts mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen, welche einzeln oder in Kombination realisierbar sind, sind in den abhängigen Ansprüchen dargestellt.
Im Folgenden werden die Begriffe „haben“, „aufweisen“, „umfassen“ oder „einschließen“ oder beliebige grammatikalische Abweichungen davon in nicht-ausschließlicher Weise verwendet. Dementsprechend können sich diese Begriffe sowohl auf Situationen beziehen, in welchen, neben dem durch diese Begriffe eingeführten Merkmal, keine weiteren Merkmale vorhanden sind, oder auf Situationen, in welchen ein oder mehrere weitere Merkmale vorhanden sind. Beispielsweise kann sich der Ausdruck „A hat B“, „A weist B auf“, „A umfasst B“ oder „A schließt B ein“ sowohl auf die Situation beziehen, in welcher, abgesehen von B, kein weiteres Element in A vorhanden ist (d.h. auf eine Situation, in welcher A ausschließlich aus B besteht), als auch auf die Situation, in welcher, zusätzlich zu B, ein oder mehrere weitere Elemente in A vorhanden sind, beispielsweise Element C, Elemente C und D oder sogar weitere Elemente.
Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe „mindestens ein“ und „ein oder mehrere“ sowie grammatikalische Abwandlungen dieser Begriffe oder ähnliche Begriffe, wenn diese in Zusammenhang mit einem oder mehreren Elementen oder Merkmalen verwendet werden und ausdrücken sollen, dass das Element oder Merkmal einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann, in der Regel lediglich einmalig verwendet werden, beispielsweise bei der erstmaligen Einführung des Merkmals oder Elementes. Bei einer nachfolgenden erneuten Erwähnung des Merkmals oder Elementes wird der entsprechende Begriff „mindestens ein“ oder „ein oder mehrere“ in der Regel nicht mehr verwendet, ohne Einschränkung der Möglichkeit, dass das Merkmal oder Element einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann.
Weiterhin werden im Folgenden die Begriffe „vorzugsweise“, „insbesondere“, „beispielsweise“ oder ähnliche Begriffe in Verbindung mit optionalen Merkmalen verwendet, ohne dass alternative Ausführungsformen hierdurch beschränkt werden. So sind Merkmale, welche durch diese Begriffe eingeleitet werden, optionale Merkmale, und es ist nicht beabsichtigt, durch diese Merkmale den Schutzumfang der Ansprüche und insbesondere der unabhängigen Ansprüche einzuschränken. So kann die Erfindung, wie der Fachmann erkennen wird, auch unter Verwendung anderer Ausgestaltungen durchgeführt werden. In ähnlicher Weise werden Merkmale, welche durch „in einer Ausführungsform der Erfindung“ oder durch „in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung“ eingeleitet werden, als optionale Merkmale verstanden, ohne dass hierdurch alternative Ausgestaltungen oder der Schutzumfang der unabhängigen Ansprüche eingeschränkt werden soll. Weiterhin sollen durch diese einleitenden Ausdrücke sämtliche Möglichkeiten, die hierdurch eingeleiteten Merkmale mit anderen Merkmalen zu kombinieren, seien es optionale oder nicht-optionale Merkmale, unangetastet bleiben.
In einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Tastsystem zur optischen und taktilen Vermessung mindestens eines Messobjekts vorgeschlagen. Unter einem „Tastsystem“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine grundsätzlich beliebig geformte Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist, ein Messobjekt unter mindestens einer Berührung und/oder berührungsfrei anzutasten. Unter „System“ kann eine Vorrichtung verstanden werden, welche mindestens zwei Element, bspw. Komponenten, umfasst. Unter einem Messobjekt kann dabei allgemein im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein beliebig geformtes zu vermessendes Objekt verstanden werden. Beispielsweise kann das Messobjekt ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus einem Prüfling, einem zu vermessenden Werkstück und einem zu vermessenden Bauteil. Das Messobjekt, insbesondere die Oberfläche des Messobjekts, kann starke Krümmungen, d.h. kleine Radien bis hin zu scharfen Kanten, aufweisen. Das Messobjekt kann einen Chip, insbesondere einen Mikrochip, mit Leiterbahnstrukturen umfassen. Auch andere Messobjekte sind jedoch denkbar.
Das Tastsystem umfasst

- mindestens einen taktilen Sensor, wobei der taktile Sensor mindestens ein taktiles Tastelement aufweist, wobei das taktile Tastelement eine Sensoroberfläche aufweist, wobei das taktile Tastelement eingerichtet ist, das Messobjekt taktil an mindestens einem Antastpunkt auf der Sensoroberfläche anzutasten;
- mindestens eine Mikroskop-Kamera, wobei die Mikroskop-Kamera mindestens eine Beleuchtungsvorrichtung aufweist, welche eingerichtet ist, einen Beleuchtungslichtstrahl zu erzeugen, wobei die Mikroskop-Kamera mindestens eine Mikroskop-Optik aufweist, welche eingerichtet ist, den Beleuchtungslichtstrahl in dem Antastpunkt zu fokussieren und mindestens ein vergrößertes Bild des Messobjekts in mindestens einer Bildebene zu erzeugen, wobei die Mikroskop-Kamera mindestens eine Bilderfassungsvorrichtung aufweist, welche eingerichtet ist, das vergrößerte Bild aufzunehmen.

Die Mikroskop-Kamera ist zumindest teilweise in dem taktilen Tastelement angeordnet.
Unter einem taktilen Sensor kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Sensor verstanden werden, welcher eingerichtet ist, mit der Oberfläche des Messobjekts in Wechselwirkung zu treten, beispielsweise mechanisch, und eine Information über einen Antastpunkt zu erzeugen. Der taktile Sensor kann als Taster ausgestaltet sein. Der taktile Sensor weist das mindestens eine taktile Tastelement auf. Der taktile Sensor kann einen Schaft zur Befestigung des taktilen Tastelements aufweisen. Der taktile Sensor kann einen Adapter zur Verbindung des taktilen Sensors mit einer weiteren Vorrichtung, beispielsweise einem Koordinatenmessgerät, aufweisen. Beispielsweise kann der taktile Sensor ein induktiv oder kapazitiv messender taktiler Sensor sein.
Unter einem „taktilen Tastelement“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Element des taktilen Sensors verstanden werden, welches eingerichtet ist, mit der Oberfläche des Messobjekts in Wechselwirkung zu treten. Insbesondere kann das taktile Tastelement an dem mindestens einen Antastpunkt das Messobjekt antasten. Unter einem „Antastpunkt“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Punkt, ein Ort oder eine Fläche auf einer Sensoroberfläche verstanden werden, welche den kleinsten Abstand zwischen Messobjekt und der Oberfläche des taktilen Tastelements aufweist. Insbesondere kann der Antastpunkt ein Berührungspunkt der Oberfläche des taktilen Tastelements mit der Oberfläche des Messobjekts sein.
Das taktile Tastelement kann mindestens ein Antastelement aufweisen. Das Antastelement kann mindestens eine Tastkugel aufweisen. Auch andere Formen sind jedoch denkbar. Unter „taktil antasten“ und „taktil abtasten“ kann ein In-Wechselwirkung-Treten des taktilen Sensors mit dem Messobjekt verstanden werden. Beispielsweise kann das taktile Tastelement die Oberfläche des Messobjekts berühren, beispielsweise durch Inkontaktbringen der Oberfläche des Messobjekts mit einer Oberfläche des taktilen Tastelements und/oder das taktile Tastelement kann mit der Oberfläche des Messobjekts berührungsfrei in Wechselwirkung treten, beispielsweise kapazitiv. Bei dem In-Wechselwirkung-Treten können sich die Oberfläche des taktilen Tastelements und die Oberfläche des Messobjekts berühren. Insbesondere können sich die Oberfläche des taktilen Tastelements und die Oberfläche des Messobjekts elektrisch kontaktieren. Alternativ kann das In-Wechselwirkung-Treten berührungsfrei sein, beispielsweise induktiv oder kapazitiv. Das Koordinatensystem des Antastelements kann beispielsweise ein kartesisches Koordinatensystem oder ein Kugelkoordinatensystem sein. Auch andere Koordinatensysteme sind denkbar. Ein Ursprung oder Nullpunkt des Koordinatensystems kann in einem Zentrum, beispielsweise bei einer Tastkugel als Antastelement einem Kugelmittelpunkt, sein. Beispielsweise kann der Antastpunkt ein Punkt im Koordinatensystem des Tastsystems sein, welcher auf der Oberfläche des Tastsystems angeordnet ist.
Der taktile Sensor kann eingerichtet sein, mindestens ein Signal zu erzeugen, beispielsweise ein elektronisches Signal. Unter einem Signal kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein beliebiges Signal verstanden werden, welches von dem taktilen Sensor infolge des In-Wechselwirkung-Tretens mit dem Messobjekt erzeugt wird und/oder welches in Reaktion auf das In-Wechselwirkung-Treten mit dem Messobjekt erzeugt wird. Das Signal kann von mindestens einer Steuer- und Auswerteeinheit ausgewertet werden und aus dem Signal mindestens eine Information über einen Messpunkt an der Oberfläche des Messobjekts erzeugt werden.
Unter einer „Mikroskop-Kamera“ kann eine Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist, das mindestens eine vergrößerte Bild des Messobjekts in mindestens einer Bildebene zu erzeugen und das vergrößerte Bild aufzunehmen. Zu diesem Zwecke weist die Mikroskop-Kamera die mindestens eine Mikroskop-Optik und die mindestens eine Bilderfassungsvorrichtung auf.
Unter „einer Mikroskop-Optik“ kann ein optisches System umfassend mindestens eine optische Komponente mit Vergrößerungseigenschaften verstanden werden. Die Mikroskop-Optik kann eine Vielzahl von optischen Komponenten aufweisen. Die Komponenten können dabei räumlich getrennt voneinander ausgestaltet sein. Beispielsweise kann die Mikroskop-Optik eine Vielzahl von optischen Bauteilen aufweisen, beispielsweise ein oder mehrere Objektive, Blenden und/oder weitere optische Bauteile.
Die Mikroskop-Optik kann mindestens ein optisches Element aufweisen. Das optische Element kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: mehreren Linsen, beispielsweise Gradienten-Index-Linsen (GRIN); mindestens einem Linsensystem, mindestens einem Spiegel; mindestens einem Spiegelsystem. Beispielsweise kann das optische Element mindestens ein Linsensystem mit mindestens einer Germaniumlegierung aufweisen, wodurch eine optische Antastung an Wärmeübergängen möglich wird. Beispielsweise kann das optische Element eine Kombination aus Linsen und Spiegelsystemen umfassen. Die Mikroskop-Optik kann eine Vergrößerung von 2x bis 5000x, bevorzugt von 10x bis 1000x aufweisen. Die Mikroskop-Optik kann eine optische Achse aufweisen, beispielsweise eine gemeinsame optische Achse der optischen Elemente.
Unter einem „vergrößerten Bild“ kann eine Abbildung des Messobjektes und/oder eines Teil des Messobjektes verstanden werden, welche im Vergleich zu einer Größe des Messobjekts und/oder des abgebildeten Teils des Messobjekts in einer Objektebene vergrößert ist. Die Mikroskop-Optik kann einen Teil einer von dem Messobjekt ausgehenden Energie im sichtbaren Spektralbereich in die mindestens eine Bildebene übertragen. Beispielsweise kann die Energie durch Beleuchtung des Messobjekts erzeugt und am Messobjekt in übertragbare Energie umgesetzt werden, beispielsweise durch Reflektion. Unter einer „Bildebene“ kann eine Ebene senkrecht zur optischen Achse verstanden werden, in welcher mindestens ein Bildpunkt des erzeugten Bildes liegt.
Unter einer „Bilderfassungsvorrichtung“ kann eine Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist, ein Bild zu empfangen und/oder aufzunehmen und/oder weiterzuverarbeiten. Die Bilderfassungsvorrichtung kann eine Vielzahl von Pixeln aufweisen. Die Bilderfassungsvorrichtung kann mindestens eine CCD-Kamera und/oder mindestens eine CMOS-Kamera aufweisen. Beispielsweise kann die Bilderfassungsvorrichtung mindestens einen CCD Chip aufweisen, beispielsweise mit einer Auflösung von 1280 x 720 Pixel.
Die Mikroskop-Kamera kann mit mindestens einer weiteren Vorrichtung, beispielsweise mit einer Steuer- und Auswerteeinheit, verbindbar sein. Zu diesem Zwecke kann die Mikroskop-Kamera mindestens eine Schnittstelle aufweisen. Insbesondere kann die Mikroskop-Kamera mindestens eine Schnittstelle aufweisen. Die Mikroskop-Kamera kann eine universelle Schnittstelle aufweisen, beispielsweise mindestens eine USB-Schnittstelle, beispielsweise eine USB 1.0, USB 2.0, USB 3.0 oder eine USB 3.1 Schnittstelle. Die USB-Schnittstelle kann beispielsweise einen Typ-A-, ein Typ-B- oder ein Typ-C-Steckverbinder aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann die Mikroskop-Kamera mindestens eine Funkschnittstelle aufweisen. Beispielsweise kann die Mikroskop-Kamera mindestens eine USB-Kamera aufweisen. Unter einer „USB-Kamera“ kann eine Kamera verstanden werden, welche mindestens eine USB Schnittstelle aufweist. Die Verwendung einer USB-Kamera kann vorteilhaft sein, da diese eine Schnittstelle mit sehr wenigen Leitungen aufweist, günstig hergestellt werden kann und in Messmaschinen/Sensorik an Wechselschnittstellen einfach integriert werden kann. Grundsätzlich denkbar sind auch Kameras mit anders ausgestalteten Schnittstellen, beispielsweise LAN-Kameras mit synchroner Abtastung der Bilder im Bezug zur Maschinenposition.
Unter einer „Beleuchtungsvorrichtung“ kann eine Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist, einen Beleuchtungslichtstrahl zu erzeugen. Unter „Licht“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung elektromagnetische Strahlung in mindestens einem Spektralbereich ausgewählt aus dem sichtbaren Spektralbereich, dem ultravioletten Spektralbereich und dem Infraroten Spektralbereich verstanden werden. Der Begriff sichtbarer Spektralbereich umfasst grundsätzlich einen Bereich von 380 nm bis 780 nm. Der Begriff Infraroter (IR) Spektralbereich umfasst grundsätzlich einen Bereich von 780 nm bis 1000 µm, wobei der Bereich von 780 nm bis 1.4 µm als nahes Infrarot (NIR), und der Bereich von 15 µm bis 1000 µm als fernes Infrarot (FIR) bezeichnet wird. Der Begriff ultraviolett umfasst grundsätzlich einen Spektralbereich von 100 nm bis 380 nm. Bevorzugt wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung sichtbares Licht, also Licht aus dem sichtbaren Spektralbereich, verwendet. Unter dem Begriff „Lichtstrahl“ kann grundsätzlich eine Lichtmenge verstanden werden, welche in eine bestimmte Richtung emittiert und/oder ausgesandt wird. Der Lichtstrahl kann ein Strahlenbündel sein. Die Beleuchtungsvorrichtung kann mindestens eine Lichtquelle aufweisen. Beispielsweise kann die Beleuchtungsvorrichtung eine Vielzahl von identischen oder verschieden ausgestalteten Lichtquellen aufweisen. Beispielsweise kann die Beleuchtungsvorrichtung mindestens eine Light-Emitting-Diode (LED) aufweisen. Die Beleuchtungsvorrichtung kann eine Vielzahl von LEDs aufweisen, beispielsweise 2, 3, 6 oder mehr LEDs. Mindestens eine Eigenschaft des Beleuchtungslichtstrahls kann einstellbar sein. Beispielsweise kann die Beleuchtungsvorrichtung eingerichtet sein, den Beleuchtungslichtstrahl zu dimmen.
Wie oben ausgeführt, ist die Mikroskop-Optik eingerichtet, den Beleuchtungslichtstrahl in dem Antastpunkt zu fokussieren. Insbesondere kann der Beleuchtungslichtstrahl in einem Punkt oder Bereich auf der Sensoroberfläche des taktilen Sensors fokussiert werden. Die Mikroskop-Optik kann derart in dem taktilen Tastelement angeordnet sein, dass ein Fokuspunkt der Mikroskop-Optik auf der Sensoroberfläche liegt.
Die Mikroskop-Kamera ist zumindest teilweise in dem taktilen Tastelement angeordnet. Unter „zumindest teilweise in dem taktilen Tastelement angeordnet“ kann verstanden werden, dass zumindest Teile der Mikroskop-Optik und/oder zumindest Teile der Bilderfassungsvorrichtung und/oder zumindest Teile der Beleuchtungsvorrichtung in dem taktilen Tastelement angeordnet sind. Die Mikroskop-Optik kann beispielsweise in einem Schaft des taktilen Tastelements angeordnet sein. Die Bilderfassungsvorrichtung und/oder die Beleuchtungsvorrichtung können beispielsweise zumindest teilweise außerhalb des taktilen Tastelements angeordnet sein, beispielsweise in einer weiteren Komponente des taktilen Sensors und/oder in einer Aufhängung, insbesondere einer Taststiftaufnahme, eines Koordinatengeräts für das taktile Tastelement. Die Aufhängung kann einen Wechselteller umfassen. Der taktile Sensor weist das mindestens eine taktile Tastelement auf. Das taktile Tastelement kann den mindestens einen Schaft und das mindestens eine Antastelement, beispielsweise eine Tastkugel, aufweisen, wie weiter unten ausgeführt wird. Die Mikroskop-Optik kann beispielsweise in dem Schaft des taktilen Tastelements angeordnet sein, so dass die Mikroskop-Kamera zumindest teilweise in dem taktilen Tastelement angeordnet ist.
Das taktile Tastelement kann mindestens ein Antastelement aufweisen. Das Antastelement kann mindestens eine Tastkugel aufweisen. Auch andere Formen sind jedoch denkbar.
In einer Ausführungsform kann die Tastkugel als eine Halbkugel ausgestaltet sein, welche eine verspiegelte Planfläche aufweist. Beispielsweise kann die Tastkugel unter einem beliebigen Winkel geteilt sein und die Planfläche verspiegelt sein. Eine derartige Ausgestaltung ermöglicht auch innerhalb von Bohrungen messen zu können. Die Planfläche kann eingerichtet sein, den Beleuchtungslichtstrahl durch die Verspiegelung umzulenken. Beispielsweise kann die Tastkugel mittig unter einem 45° Winkel geteilt sein und die entstehende Planfläche verspiegelt sein, so dass eine Umlenkung in einem 90° Winkel erfolgt. Auch andere Teilungen unter anderen Winkeln und somit andere Umlenkungswinkel sind jedoch denkbar.
In einer Ausführungsform kann die Tastkugel aus, den im vorherigen Absatz beschriebenen, zwei geteilten Tastkugelhälften zu einer Vollkugel zusammengesetzt sein. Beide Tastkugelhälften können separat kalibriert werden. Generell kann die Tastkugel als Vollkugel ausgestaltet sein, wobei die Vollkugel monolithisch oder aus mindestens zwei Teilen zusammengesetzt ist.
Das Antastelement kann aus einem zumindest teilweise transparenten Material sein. Das Antastelement kann transmissive Eigenschaften aufweisen. Das taktile Tastelement kann zumindest teilweise transparent für den Beleuchtungslichtstrahl und/oder einen von dem Messobjekt erzeugten Lichtstrahl sein. Das Antastelement kann Al₂O₃, beispielsweise 99,99% Al₂O₃, aufweisen. Das Antastelement kann einen Farbstoff aufweisen, beispielsweise einen roten Farbstoff (CrO₃). Das Antastelement kann eine Industrie-Rubin-Kugel aufweisen. Das Antastelement kann eine Industrie-Saphir-Kugel aufweisen, welche keinen Farbstoff aufweist.
Das taktile Tastelement kann mindestens einen Schaft aufweisen, an welchem das Antastelement angeordnet ist. Unter einem „Schaft“ kann ein grundsätzlich beliebig ausgestaltetes Befestigungselement verstanden werden, an welchem das Antastelement angeordnet ist. Der Schaft kann ein zylindrischer Schaft sein. Der Schaft kann als ein Rohr ausgestaltet sein, insbesondere kann der Schaft hohl sein. Der Schaft kann eine Länge kleiner als 50 mm aufweisen. Eine Schaftlänge kann im Bereich von 20 bis 240 mm liegen. Für spezielle Messaufgaben kann dieser Bereich auch unter- beziehungsweise überschritten werden. Der Schaft kann sich im Wesentlichen senkrecht zu einer Auflage, auf welcher das Messobjekt angeordnet ist, erstrecken, wobei Abweichungen von einer senkrechten Ausrichtung im Rahmen von Bauteiltoleranzen möglich sind.
Das Antastelement kann drehbar sein, insbesondere kann der Schaft und/oder das Antastelement um eine Drehachse drehbar gelagert sein. In einer Ausführungsform kann das Antastelement als eine Halbkugel ausgestaltet sein, welche eine verspiegelte Planfläche aufweist. In Kombination mit einer drehbaren Lagerung können optisch erkennbare Merkmale in Bohrungen an sonst schlecht zugänglichen Stellen erkennbar und exakt vermessen werden.
Wie oben ausgeführt, ist die Mikroskop-Kamera zumindest teilweise in dem taktilen Tastelement angeordnet. Unter „zumindest teilweise in dem taktilen Tastelement angeordnet“ kann verstanden werden, dass die Mikroskop-Kamera vollständig in dem taktilen Tastelement angeordnet ist oder dass mindestens eine Komponente der Mikroskop-Kamera außerhalb des taktilen Tastelements angeordnet ist. Die Mikroskop-Kamera kann zumindest teilweise in dem taktilen Tastelement integriert sein. Die Mikroskop-Kamera kann beispielsweise zumindest teilweise in dem Schaft angeordnet sein. Beispielsweise kann die Mikroskop-Optik zumindest teilweise in dem Schaft angeordnet sein und/oder die Bilderfassungsvorrichtung kann zumindest teilweise in dem Schaft angeordnet sein.
Die Mikroskop-Optik kann mindestens eine GRIN-Linse, insbesondere eine GRIN-Stablinse, und/oder ein System von GRIN-Linsen aufweisen. Insbesondere kann in dieser Ausführungsform das taktile Tastelement als dünner Taststift ausgestaltet sein. Eine derartige Ausgestaltung erlaubt, den mechanischen Schaft als auch die Optik in einem Bauteil zu integrieren.
Die zur Mikroskop-Kamera gerichtete Fläche des Antastelementes, insbesondere der Tastkugel, kann zumindest teilweise plangeschliffen sein, so dass bei einem Übergang von Schaft zu Antastelement kein Linseneffekt entsteht. Das Antastelement und eine Befestigungsposition des Antastelementes können derart sein, dass eine Fokusebene der Mikroskop-Optik an der Sensoroberfläche entsteht, so dass das von der Bilderfassungsvorrichtung erzeugte Bild automatisch scharf ist, sobald das Messobjekt mit dem taktilen Sensor angetastet wird. Das taktile Antasten kann mit dem optischen Antasten kombiniert werden, so dass neben der genauen optischen Messung, beispielsweise von XY, auch das normalerweise nicht mögliche Antasten in Z ausgewertet werden kann, welche durch das taktile Verfahren hochgenau ist. Eine Krümmung der Sensoroberfläche der Tastkugel kann vernachlässigt werden, da ein Bildfeld der Mikroskop-Kamera klein sein kann und von dem kleinen Bildfeld ein noch sehr viel kleineres „Field of View“ exakt in der Mitte ausgewertet werden kann.
Das Tastsystem kann eine Auflicht-Beleuchtungsvorrichtung aufweisen. Unter einer „Auflicht-Beleuchtungsvorrichtung“ kann eine Beleuchtungsvorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist, mindestens einen Lichtpunkt auf der Oberfläche des Messobjekts zu erzeugen. Die Auflicht-Beleuchtungsvorrichtung kann Teil der Beleuchtungsvorrichtung sein. Die Auflicht-Beleuchtungsvorrichtung kann eingerichtet sein, dass Messobjekt durch das Antastelement hindurch zu beleuchten. So kann, bei entsprechender Formgebung der Mikroskop-Kamera, eine Reduzierung einer Größe des Antastelementes möglich sein. Besonders vorteilhaft kann eine Kombination von optischer und taktiler Messung in einem manuellen Mode sein, da keinerlei Hilfsmittel für Fokussierung und auch keine Übersichtskamera nötig sind. Das taktile Tastelement selbst kann eine Position des Antastens zumindest grob anzeigen. Die Vermessung und/oder Abbildung des Messobjekts kann einfach durch die optische Messung erfolgen, da das Bild der Mikroskop-Kamera bereits scharf und vergrößert ist.
Die Beleuchtungsvorrichtung und/oder die Aufflicht-Beleuchtungsvorrichtung und/oder die Bilderfassungsvorrichtung können in der Taststiftaufnahme angeordnet sein. Eine derartige Ausgestaltung erlaubt eine Reduzierung der Größe des taktilen Tastelements. Der taktile Sensor kann mindestens einen Lichtleiter aufweisen. Der Schaft kann aus einem aus einer durchsichtigen Keramik, beispielsweise Glas, hergestellt sein und eingerichtet sein, den Beleuchtungslichtstrahl zu dem Antastelement zu leiten. Der Schaft kann als ein Lichtleiter wirken. Der Schaft kann ein innen verspiegeltes Rohr aufweisen. So kann verhindert werden, dass störende Strahlung auf die in der Taststiftaufnahme angeordnete Bilderfassungsvorrichtung trifft. Weiter kann eine derartige Ausgestaltung vorteilhaft sein, da durch die Beleuchtungsvorrichtung entstehende Wärme an einer unkritischen Stelle und nicht nahe des Antastelementes entsteht.
Das Tastsystem kann mindestens einen optischen Trichter aufweisen. Der optische Trichter kann einrichtet sein, den Beleuchtungslichtstrahl zu dem Antastelement zu leiten. Der optische Trichter kann auf einer der Beleuchtungsvorrichtung zugewandten Seite des optischen Trichters eine größere Öffnungsweite aufweisen als auf einer der Tastkugel zugewandten Seite des optischen Trichters. So kann eine Reduzierung einer Antastelementgröße möglich sein.
In einem weiteren Aspekt wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Koordinatenmessgerät zur optischen und taktilen Vermessung mindestens eines Messobjekts vorgeschlagen. Das Koordinatenmessgerät umfasst:

- mindestens ein erfindungsgemäßes Tastsystem,
- mindestens eine Steuer- und Auswerteeinheit, welche eingerichtet ist, dass Tastsystem zu steuern und mindestens eine Information über einen Messpunkt an einer Oberfläche des Messobjekts zu erzeugen.

Für Ausführungsformen des Tastsystems wird auf die Beschreibung des Tastsystems verwiesen. Für Einzelheiten und Definitionen in Bezug auf das Koordinatenmessgerät wird auf die Beschreibung des Tastsystems verwiesen.
Das Koordinatenmessgerät kann ausgewählt sein aus einem Koordinatenmessgerät in Portal-, Brücken- oder Ständerbauweise. Das Koordinatenmessgerät kann einen Messtisch zur Auflage des Messobjekts aufweisen. Das Koordinatenmessgerät kann mindestens ein Portal aufweisen, welches mindestens eine erste vertikale Säule, mindestens eine zweite vertikale Säule und eine die erste vertikale Säule und die zweite vertikale Säule verbindende Traverse aufweist. Mindestens eine vertikale Säule ausgewählt aus der ersten und zweiten vertikalen Säule kann auf dem Messtisch in einer horizontalen Richtung beweglich gelagert sein. Das Koordinatenmessgerät kann ein Koordinatensystem, beispielsweise ein kartesisches Koordinatensystem oder ein Kugelkoordinatensystem, aufweisen. Auch andere Koordinatensysteme sind denkbar. Ein Ursprung oder Nullpunkt des Koordinatensystems kann beispielsweise durch einen Sensor des Koordinatenmessgeräts gegeben sein.
Unter „einer Steuer- und Auswerteeinheit“ wird allgemein eine elektronische Vorrichtung verstanden, welche eingerichtet ist, um von dem Tastsystem erzeugte Signale auszuwerten. Beispielsweise können zu diesem Zweck eine oder mehrere elektronische Verbindungen zwischen dem Tastsystem und der Steuer- und Auswerteeinheit vorgesehen sein. Die Steuer- und Auswerteeinheit kann beispielsweise mindestens eine Datenverarbeitungsvorrichtung umfassen, beispielsweise mindestens einen Computer oder Mikrocontroller. Die Datenverarbeitungsvorrichtung kann einen oder mehrere flüchtige und/oder nicht flüchtige Datenspeicher aufweisen, wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung beispielsweise programmtechnisch eingerichtet sein kann, um das Tastsystem anzusteuern. Die Steuer- und Auswerteeinheit kann mindestens einen Auswerterechner umfassen, auf welchen Messdaten, beispielsweise ein Bild des Messobjekts, übertragen und ausgewertet werden können.
Die Steuer- und Auswerteeinheit kann weiterhin mindestens eine Schnittstelle umfassen, beispielsweise eine elektronische Schnittstelle, insbesondere mindestens eine USB Schnittstelle, und/oder eine Mensch-Maschine-Schnittstelle wie beispielsweise eine Eingabe-/Ausgabe-Vorrichtung wie ein Display und/oder eine Tastatur. Die USB Schnittstelle kann eine USB 2.0 oder eine USB 3.0 sein. Die Steuer- und Auswerteeinheit kann beispielsweise zentral oder auch dezentral aufgebaut sein. Auch andere Ausgestaltungen sind denkbar.
Das Tastsystem kann beispielsweise mittels eines Verbindungselements, beispielsweise mit einem Adapter, mit dem Koordinatenmessgerät verbunden sein. Das Tastsystem kann entnehmbar und austauschbar aus dem Koordinatenmessgerät ausgestaltet sein. Das Koordinatenmessgerät kann ein Multisensor-Messgerät sein, welches zusätzlich zu dem Tastsystem weitere Sensoren aufweist.
Unter einer Information über den Messpunkt kann grundsätzlich eine beliebige Information über den Messpunkt verstanden werden, beispielsweise eine Position und/oder Koordinaten des Messpunktes im Koordinatensystem des Tastsystems, insbesondere Kugelkoordinaten im Antastkugelkoordinatensystem.
In einem weiteren Aspekt wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur optischen und taktilen Vermessung mindestens eines Messobjekts vorgeschlagen. In dem Verfahren wird ein erfindungsgemäßes Koordinatenmessgerät verwendet. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:

a) Taktiles Antasten des Messobjekts an mindestens einem Antastpunkt auf mindestens einer Sensoroberfläche mindestens eines taktilen Tastelements mindestens eines taktilen Sensors, wobei mindestens eine Information über einen taktilen Messpunkt erzeugt wird;
b) Übertragen der Information über den taktilen Messpunkt an mindestens eine Steuer-und Auswerteeinheit;
c) Steuern mindestens einer Mikroskop-Kamera unter Verwendung der übertragenen Information mittels der Steuer- und Auswerteeinheit;
d) Optisches Antasten des Messobjekts mit der Mikroskop-Kamera, welche zumindest teilweise in dem taktilen Tastelement angeordnet ist, wobei mindestens ein Beleuchtungslichtstrahl mit mindestens einer Beleuchtungsvorrichtung der Mikroskop-Kamera erzeugt wird, wobei der Beleuchtungslichtstrahl in dem Antastpunkt auf der Sensoroberfläche des taktilen Tastelement durch mindestens eine Mikroskop-Optik fokussiert wird, wobei von der Mikroskop-Optik mindestens ein vergrößertes Bild des Messobjekts in einer Bildebene erzeugt wird, wobei das vergrößerte Bild von mindestens einer Bilderfassungsvorrichtung aufgenommen wird;
e) Übertragen des vergrößerten Bildes zu der Steuer- und Auswerteeinheit;
f) Auswerten der Information über den Messpunkt und/oder des vergrößerten Bildes mit der Steuer- und Auswerteeinheit und Erzeugen einer Information über mindestens eine Koordinate des Messobjekts mit der Steuer- und Auswerteeinheit.

Hinschlich Ausführungsformen und Definitionen kann auf obige Beschreibung des Tastsystems und des Koordinatenmessgeräts verwiesen werden. Die Verfahrensschritte können in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden, wobei einer oder mehrere der Schritte zumindest teilweise auch gleichzeitig durchgeführt werden können und wobei einer oder mehrere der Schritte mehrfach wiederholt werden können. Darüber hinaus können weitere Schritte unabhängig davon, ob sie in der vorliegenden Anmeldung erwähnt werden oder nicht, zusätzlich ausgeführt werden.
In Schritt a) kann eine Kalibrierung des Tastsystems erfolgen, in welcher der taktile Sensor kalibriert wird. Beispielsweise kann die Kalibrierung vor einer taktilen Messung in Schritt a) erfolgen.
Das Messobjekt kann mittels bekannter Antastverfahren mit dem taktilen Sensor taktil angetastet werden. Mit dem kalibrierten Antastelement kann die taktile Messung und auch eine Reorientierung vorgenommen werden. Die Steuer- und Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, ein taktiles Antastverfahren durchzuführen.
Das Verfahren kann eine Antastregelung des optischen Antastens umfassen. Während des optischen Antastens kann das erzeugte, vergrößerte Bild von dem taktilen Sensor zu dem Auswerterechner übertragen werden. Das vergrößerte Bild kann direkt von dem taktilen Sensor zu dem Auswerterechner übertragen werden und/oder das vergrößerte Bild kann zu einer Elektronik des Koordinatenmessgeräts übertragen werden und von dieser zu dem Auswerterechner übertragen werden. In der Elektronik des Koordinatenmessgeräts kann das Bild auf eine CAT5 Verkabelung umgesetzt werden und bis zum Auswerterechner übertragen werden. Der Auswerterechner kann eingerichtet sein, das Bild auszuwerten und ein Ergebnis der Auswertung über mindestens einen Kommunikationskanal an mindestens eine Steuereinheit der Steuer- und Auswerteeinheit zu übertragen. Am Auswerterechner kann wieder in USB, beispielsweise USB 2.0, gewandelt werden und über einen Treiber der Mikroskop-Kamera eine Applikation mit Daten versorgt werden, welche die Auswertung sowohl für die Antastregelung als auch für eine Pixelkorrektur des Messergebnisses vornimmt. Ein Ergebnis für die Antastregelung kann über einen TCP-IP Übertragungskanal an die Steuereinheit übertragen werden, welche eine Regelung von Motoren zum optischen Antasten vornimmt. Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, das Messobjekt optisch, beispielsweise an einer Kante anzutasten, insbesondere das Messobjekt mittels unbekannter Kontur, wie beispielsweise in DE 10 111 130 A1 beschrieben, zu verfolgen. Die Steuer- und Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, optisches und taktiles Antasten zu unterscheiden und/oder optisches und taktiles Antasten für Anwendungen zu kombinieren.
Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen und das erfindungsgemäße Verfahren sind gegenüber bekannten Verfahren und Vorrichtungen vorteilhaft. Durch eine Kombination eines taktilen Sensors und einer Mikroskop-Kamera kann kostengünstig eine Anzahl der möglichen Werkstücke und Werkstückformen vergrößert werden. Beispielsweise können farbliche Unterschiede, zum Beispiel Texte, Aufdrucke, Markierungen, Gravuren usw. vermessen werden. Hierbei ist keine aufwändige Fokussierung des Bildes notwendig, da die Fokusebene auf der Sensoroberfläche liegt. Auch eine Bestimmung einer Position kleinster Bohrungen und Vertiefungen, wie beispielsweise Blisks, welche Bohrungen im 200 µm Bereich aufweisen, kann ermöglicht werden, da durch die taktile Messung eine Position einer Oberfläche und optisch eine Position einer Kante bestimmt werden kann. Weiter können das Tastsystem, das Koordinatenmessgerät und das Verfahren bei weiteren Anwendungen, wie eine Bestimmung eines Hochpunktes auf Schneiden, Turbinenschaufeln usw. verwendet werden. Mit der Mikroskop-Kamera kann sich eine Kante einer Schneide exakt bestimmen und durch einen Scanningvorgang verfolgt werden, während mit dem taktilen Sensor eine Höhe des Messobjekts bestimmt wird. Durch die eine Größe des optischen Messfeldes kann die Genauigkeit einer Scanningbahn und auch eine mögliche Geschwindigkeit bestimmt werden. Auch andere hochpräzise Messobjekt, wie Düsen, welche neben extrem tolerierten Abmessungen auch winzigste Bohrungen enthalten, können vermessen werden.
Zusammenfassend sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung folgende Ausführungsformen besonders bevorzugt:

Ausführungsform 1: Tastsystem zur optischen und taktilen Vermessung mindestens eines Messobjekts umfassend
- - mindestens einen taktilen Sensor, wobei der taktile Sensor mindestens ein taktiles Tastelement aufweist, wobei das taktile Tastelement eine Sensoroberfläche aufweist, wobei das taktile Tastelement eingerichtet ist, das Messobjekt taktil an mindestens einem Antastpunkt auf der Sensoroberfläche anzutasten;
- - mindestens eine Mikroskop-Kamera, wobei die Mikroskop-Kamera mindestens eine Beleuchtungsvorrichtung aufweist, welche eingerichtet ist, einen Beleuchtungslichtstrahl zu erzeugen, wobei die Mikroskop-Kamera mindestens eine Mikroskop-Optik aufweist, welche eingerichtet ist, den Beleuchtungslichtstrahl in dem Antastpunkt zu fokussieren und mindestens ein vergrößertes Bild des Messobjekts in einer Bildebene zu erzeugen, wobei die Mikroskop-Kamera mindestens eine Bilderfassungsvorrichtung aufweist, welche eingerichtet ist, das vergrößerte Bild aufzunehmen;
wobei die Mikroskop-Kamera zumindest teilweise in dem taktilen Tastelement angeordnet ist.
Ausführungsform 2: Tastsystem nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das taktile Tastelement mindestens ein Antastelement aufweist.
Ausführungsform 3: Tastsystem nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei das Antastelement mindestens eine Tastkugel aufweist.
Ausführungsform 4: Tastsystem nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei die Tastkugel als eine Halbkugel ausgestaltet ist, welche eine verspiegelte Planfläche aufweist.
Ausführungsform 5: Tastsystem nach einer der zwei vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Tastkugel als Vollkugel ausgestaltet ist, wobei die Vollkugel monolithisch oder aus mindestens zwei Teilen zusammengesetzt ist.
Ausführungsform 6: Tastsystem nach einer der vier vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das Antastelement aus einem zumindest teilweise transparenten Material ist.
Ausführungsform 7: Tastsystem nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei das Antastelement eine Industrie-Rubin-Kugel oder eine Industrie-Saphir-Kugel aufweist.
Ausführungsform 8: Tastsystem nach einer der sechs vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das taktile Tastelement mindestens einen Schaft aufweist, an welchem das Antastelement angeordnet ist.
Ausführungsform 9: Tastsystem nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei das Antastelement drehbar ist.
Ausführungsform 10: Tastsystem nach einer der zwei vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die zur Mikroskop-Kamera gerichtete Fläche des Antastelementes zumindest teilweise plangeschliffen ist, so dass bei einem Übergang von Schaft zu Antastelement kein Linseneffekt entsteht.
Ausführungsform 11: Tastsystem nach einer der drei vorhergehenden Ausführungsformen, wobei der Schaft ein innen verspiegeltes Rohr aufweist.
Ausführungsform 12: Tastsystem nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei der taktile Sensor mindestens einen Lichtleiter aufweist.
Ausführungsform 13: Tastsystem nach einer der drei vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das Tastsystem mindestens einen optischen Trichter aufweist.
Ausführungsform 14: Tastsystem nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Mikroskop-Optik mindestens ein optisches Element aufweist, wobei das optische Element ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: mehreren Linsen, beispielsweise Gradienten-Index-Linsen (GRIN); mindestens einem Linsensystem.
Ausführungsform 15: Tastsystem nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Beleuchtungsvorrichtung mindestens eine Lichtquelle aufweist.
Ausführungsform 16: Tastsystem nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei mindestens eine Eigenschaft des Beleuchtungslichtstrahls einstellbar ist.
Ausführungsform 17: Tastsystem nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Mikroskop-Kamera mindestens eine Schnittstelle aufweist, insbesondere eine USB Schnittstelle.
Ausführungsform 18: Tastsystem nach einer der vorhergehenden Ausführungsform, wobei die Mikroskop-Optik eine Vergrößerung von 2x bis 5000x, bevorzugt von 10x bis 1000x aufweist.
Ausführungsform 19: Tastsystem nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Bilderfassungsvorrichtung mindestens eine CCD-Kamera und/oder mindestens eine CMOS-Kamera aufweist.
Ausführungsform 20: Koordinatenmessgerät zur optischen und taktilen Vermessung mindestens eines Messobjekts umfassend:
- - mindestens ein Tastsystem nach einer der vorherigen, ein Tastsystem betreffenden, Ausführungsformen,
- - mindestens eine Steuer- und Auswerteeinheit, welche eingerichtet ist, das Tastsystem zu steuern und mindestens eine Information über einen Messpunkt an einer Oberfläche des Messobjekts zu erzeugen.
Ausführungsform 21: Verfahren zur optischen und taktilen Vermessung mindestens eines Messobjekts mit einem Koordinatenmessgerät nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
1. a) Taktiles Antasten des Messobjekts an mindestens einem Antastpunkt auf mindestens einer Sensoroberfläche mindestens eines taktilen Tastelements mindestens eines taktilen Sensors, wobei mindestens eine Information über einen taktilen Messpunkt erzeugt wird;
2. b) Übertragen der Information über den taktilen Messpunkt an mindestens eine Steuer- und Auswerteeinheit;
3. c) Steuern mindestens einer Mikroskop-Kamera unter Verwendung der übertragenen Information mittels der Steuer- und Auswerteeinheit;
4. d) Optisches Antasten des Messobjekts mit der Mikroskop-Kamera, welche zumindest teilweise in dem taktilen Tastelement angeordnet ist, wobei mindestens ein Beleuchtungslichtstrahl mit mindestens einer Beleuchtungsvorrichtung der Mikroskop-Kamera erzeugt wird, wobei der Beleuchtungslichtstrahl in dem Antastpunkt auf der Sensoroberfläche des taktilen Tastelement durch mindestens eine Mikroskop-Optik fokussiert wird, wobei von der Mikroskop-Optik mindestens ein vergrößertes Bild des Messobjekts in einer Bildebene erzeugt wird, wobei das vergrößerte Bild von mindestens einer Bilderfassungsvorrichtung aufgenommen wird;
5. e) Übertragen des vergrößerten Bildes zu der Steuer-und Auswerteeinheit;
6. f) Auswerten der Information über den Messpunkt und/oder des vergrößerten Bildes mit der Steuer- und Auswerteeinheit und Erzeugen einer Information über mindestens eine Koordinate des Messobjekts mit der Steuer- und Auswerteeinheit.

Ausführungsform 22: Verfahren nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei in Schritt a) eine Kalibrierung des Tastsystems erfolgt.
Figurenliste
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen, insbesondere in Verbindung mit den Unteransprüchen. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. Die Ausführungsbeispiele sind in den Figuren schematisch dargestellt. Gleiche Bezugsziffern in den einzelnen Figuren bezeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche bzw. hinsichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente.
Im Einzelnen zeigen:

1A bis 1C eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Tastsystems;
2A und 2B schematische Darstellung weiterer Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Tastsystems; und
3 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines optischen Antastens.

Ausführungsbeispiele
1A zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Tastsystems 110 zur optischen und taktilen Vermessung mindestens eines, hier hoch schematisch dargestellten, Messobjekts 112. Das Tastsystem 110 umfasst mindestens einen taktilen Sensor 114. Der taktile Sensor 114 weist mindestens ein taktiles Tastelement 116 auf. Das taktile Tastelement 116 weist eine Sensoroberfläche 118 auf. Das taktile Tastelement 116 ist eingerichtet, das Messobjekt 112 taktil an mindestens einem Antastpunkt 120 auf der Sensoroberfläche 118 anzutasten.
Der taktile Sensor 114 kann als Taster ausgestaltet sein. Der taktile Sensor 114 kann einen Schaft 122 zur Befestigung des taktilen Tastelements 116 aufweisen. Der taktile Sensor 114 kann einen Adapter zur Verbindung des taktilen Sensors 114 mit einer weiteren Vorrichtung, beispielsweise einem Koordinatenmessgerät 124, aufweisen. Beispielsweise kann der taktile Sensor 114 ein induktiv oder kapazitiv messender taktiler Sensor sein.
Das taktile Tastelement 116 kann mindestens ein Antastelement 125 aufweisen. Das Antastelement 125 kann mindestens eine Tastkugel 126 aufweisen. Auch andere Formen sind jedoch denkbar.
Der taktile Sensor 114 kann eingerichtet sein, mindestens ein Signal zu erzeugen, beispielsweise ein elektronisches Signal. Das Signal kann von mindestens einer Steuer- und Auswerteeinheit 128 ausgewertet werden und aus dem Signal mindestens eine Information über einen Messpunkt an der Oberfläche des Messobjekts 112 erzeugt werden.
Der Schaft 122 kann ein zylindrischer Schaft sein. Der Schaft 122 kann als ein Rohr ausgestaltet sein, insbesondere kann der Schaft hohl sein. Der Schaft 122 kann eine Länge kleiner als 50 mm aufweisen. Eine Schaftlänge kann im Bereich von 20 bis 240 mm liegen. Für spezielle Messaufgaben kann dieser Bereich auch unter- beziehungsweise überschritten werden. Der Schaft 122 kann sich im Wesentlichen horizontal zu einer Auflage, auf welcher das Messobjekt 112 angeordnet ist, erstrecken, wobei Abweichungen von einer horizontalen Ausrichtung im Rahmen von Bauteiltoleranzen möglich sind.
Das Tastsystem 110 umfasst weiter mindestens eine Mikroskop-Kamera 130. Die Mikroskop-Kamera 130 weist mindestens eine Beleuchtungsvorrichtung 132 auf, welche eingerichtet ist, einen Beleuchtungslichtstrahl 134 zu erzeugen. Die Mikroskop-Kamera 130 weist mindestens eine Mikroskop-Optik 136 auf, welche eingerichtet ist, den Beleuchtungslichtstrahl 134 in dem Antastpunkt 120 zu fokussieren und mindestens ein vergrößertes Bild des Messobjekts 112 in mindestens einer Bildebene zu erzeugen. Die Mikroskop-Kamera 130 weist mindestens eine Bilderfassungsvorrichtung 138 auf, welche eingerichtet ist, das vergrößerte Bild aufzunehmen. Die Mikroskop-Kamera 130 ist zumindest teilweise in dem taktilen Tastelement 116 angeordnet. Der taktile Sensor 114 weist das mindestens eine taktile Tastelement 116 auf. Das taktile Tastelement 116 kann den mindestens einen Schaft 122 und das mindestens eine Antastelement 125, beispielsweise die Tastkugel 126, aufweisen. Die Mikroskop-Optik 136 kann beispielsweise in dem Schaft 122 des taktilen Tastelements 116 angeordnet sein, so dass die Mikroskop-Kamera 130 zumindest teilweise in dem taktilen Tastelement 116 angeordnet ist.
Die Mikroskop-Optik 136 kann eine Vielzahl von optischen Komponenten aufweisen. Die Komponenten können dabei räumlich getrennt voneinander ausgestaltet sein. Beispielsweise kann die Mikroskop-Optik 136 eine Vielzahl von optischen Bauteilen aufweisen, beispielsweise ein oder mehrere Objektive, Blenden und/oder weitere optische Bauteile. Die Mikroskop-Optik 136 kann mindestens ein optisches Element aufweisen. Das optische Element kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: mehreren Linsen, beispielsweise Gradienten-Index-Linsen (GRIN); mindestens einem Linsensystem; mindestens einem Spiegel; mindestens einem Spiegelsystem. Die Mikroskop-Optik 136 kann eine Vergrößerung von 2x bis 5000x, bevorzugt von 10x bis 1000x aufweisen. Die Mikroskop-Optik 136 kann eine optische Achse aufweisen, beispielsweise eine gemeinsame optische Achse der optischen Elemente.
Die Mikroskop-Optik 136 kann einen Teil einer von dem Messobjekt 112 ausgehenden Energie im sichtbaren Spektralbereich in die mindestens eine Bildebene übertragen. Beispielsweise kann die Energie durch Beleuchtung des Messobjekts 112 erzeugt und am Messobjekt 112 in übertragbare Energie umgesetzt werden, beispielsweise durch Reflektion. Die Bilderfassungsvorrichtung 138 kann eine Vielzahl von Pixeln aufweisen. Die Bilderfassungsvorrichtung 138 kann mindestens eine CCD-Kamera und/oder mindestens eine CMOS-Kamera aufweisen. Beispielsweise kann die Bilderfassungsvorrichtung 138 mindestens einen CCD Chip aufweisen, beispielsweise mit einer Auflösung von 1280 x 720 Pixel.
Die Mikroskop-Kamera 130 kann mit mindestens einer weiteren Vorrichtung, beispielsweise mit der Steuer- und Auswerteeinheit 128, verbindbar sein. Zu diesem Zwecke kann die Mikroskop-Kamera 130 mindestens eine Schnittstelle 140 aufweisen. Insbesondere kann die Mikroskop-Kamera 130 mindestens eine Schnittstelle aufweisen. Die Mikroskop-Kamera 130 kann eine universelle Schnittstelle aufweisen, beispielsweise mindestens eine USB-Schnittstelle, beispielsweise eine USB 2.0 oder USB 3.0 Schnittstelle. Alternativ oder zusätzlich kann die Mikroskop-Kamera mindestens eine Funkschnittstelle aufweisen. Beispielsweise kann die Mikroskop-Kamera 130 mindestens eine USB Kamera aufweisen.
Die Beleuchtungsvorrichtung 132 kann mindestens eine Lichtquelle 142 aufweisen. Beispielsweise kann die Beleuchtungsvorrichtung 132 eine Vielzahl von identischen oder verschieden ausgestalteten Lichtquellen 142 aufweisen. Beispielsweise kann die Beleuchtungsvorrichtung 132 mindestens eine Light-Emitting-Diode (LED) aufweisen. Die Beleuchtungsvorrichtung 132 kann eine Vielzahl von LEDs aufweisen, beispielsweise 2, 3, 6 oder mehr LEDs. Mindestens eine Eigenschaft des Beleuchtungslichtstrahls 134 kann einstellbar sein. Beispielsweise kann die Beleuchtungsvorrichtung 132 eingerichtet sein, den Beleuchtungslichtstrahl 134 zu dimmen.
Die Mikroskop-Kamera 130 ist zumindest teilweise in dem taktilen Tastelement 116 angeordnet. Die Mikroskop-Optik 136 kann beispielsweise in dem Schaft 122 angeordnet sein. Die Bilderfassungsvorrichtung 138 und/oder die Beleuchtungsvorrichtung 132 können beispielsweise zumindest teilweise außerhalb des taktilen Tastelements 116 angeordnet sein, beispielsweise in einer weiteren Komponente des taktilen Sensors 114 und/oder in einer Aufhängung 144, insbesondere einer Taststiftaufnahme, für das taktile Tastelement 116. Die Aufhängung 144 kann mindestens einen Wechselteller und/oder mindestens eine Befestigungshülse zur Aufnahme des Schaftes 122 umfassen. Die Mikroskop-Kamera 130 kann zumindest teilweise in dem taktilen Tastelement 116 integriert sein. Die Mikroskop-Kamera 130 kann beispielsweise zumindest teilweise in dem Schaft 122 angeordnet sein. Beispielsweise kann die Mikroskop-Optik 136 zumindest teilweise in dem Schaft 122 angeordnet sein und/oder die Bilderfassungsvorrichtung 138 kann zumindest teilweise in dem Schaft 122 angeordnet sein.
Die Mikroskop-Optik 136 kann mindestens eine GRIN-Linse, insbesondere eine GRIN-Stablinse, und/oder ein System von GRIN-Linsen aufweisen. Insbesondere kann in dieser Ausführungsform das taktile Tastelement 116 als dünner Taststift ausgestaltet sein.
Die Mikroskop-Optik 136 ist eingerichtet, den Beleuchtungslichtstrahl 134 in dem Antastpunkt 120 zu fokussieren, siehe 1C. Insbesondere kann der Beleuchtungslichtstrahl 134 in einem Punkt oder Bereich auf der Sensoroberfläche 118 des taktilen Sensors 114 fokussiert werden. Die Mikroskop-Optik 136 kann derart in dem taktilen Tastelement 116 angeordnet sein, dass ein Fokuspunkt der Mikroskop-Optik 136 auf der Sensoroberfläche 118 liegt.
Das Antastelement 125 kann aus einem zumindest teilweise transparenten Material sein. Das Antastelement 125 kann transmissive Eigenschaften aufweisen. Das taktile Tastelement 116 kann zumindest teilweise transparent für den Beleuchtungslichtstrahl 134 und/oder einen von dem Messobjekt 112 erzeugten Lichtstrahl sein. Das Antastelement 125 kann Al₂O₃, beispielsweise 99,99% Al₂O₃, aufweisen. Das Antastelement 125 kann einen Farbstoff aufweisen, beispielsweise einen roten Farbstoff (CrO₃). Das Antastelement 125 kann eine Industrie-Rubin-Kugel aufweisen. Das Antastelement 125 kann eine Industrie-Saphir-Kugel aufweisen, welche keinen Farbstoff aufweist.
Die zur Mikroskop-Kamera 130 gerichtete Fläche des Antastelementes 125, insbesondere die Tastkugel 124, kann zumindest teilweise plangeschliffen sein, so dass bei einem Übergang 146 von Schaft 122 zu Antastelement 125 kein Linseneffekt entsteht. Das Antastelement 125 und eine Befestigungsposition des Antastelementes 125 können derart sein, dass eine Fokusebene der Mikroskop-Optik 136 an der Sensoroberfläche 118 entsteht, so dass das von der Bilderfassungsvorrichtung 138 erzeugte Bild automatisch scharf ist, sobald das Messobjekt 112 mit dem taktilen Sensor 114 angetastet wird. Das taktile Antasten kann mit dem optischen Antasten kombiniert werden, so dass neben der genauen optischen Messung, beispielsweise von XY, auch das normalerweise nicht mögliche Antasten in Z ausgewertet werden kann, welche durch das taktile Verfahren hochgenau ist. Eine Krümmung der Sensoroberfläche 118 der Tastkugel 124 kann vernachlässigt werden, da ein Bildfeld der Mikroskop-Kamera 130 klein sein kann und von dem kleinen Bildfeld ein noch sehr viel kleineres „Field of View“ exakt in der Mitte ausgewertet werden kann.
Das Tastsystem kann eine Auflicht-Beleuchtungsvorrichtung aufweisen. Die Auflicht-Beleuchtungsvorrichtung kann Teil der Beleuchtungsvorrichtung sein. Die Auflicht-Beleuchtungsvorrichtung kann eingerichtet sein, das Messobjekt 112 durch das Antastelement 125 hindurch zu beleuchten. So kann, bei entsprechender Formgebung der Mikroskop-Kamera 130, eine Reduzierung einer Größe des Antastelementes 125 möglich sein. Besonders vorteilhaft kann eine Kombination von optischer und taktiler Messung in einem manuellen Mode sein, da keinerlei Hilfsmittel für Fokussierung und auch keine Übersichtskamera nötig sind. Das taktile Tastelement 116 selbst kann eine Position des Antastens zumindest grob anzeigen. Die Vermessung und/oder Abbildung des Messobjekts 112 kann einfach durch die optische Messung erfolgen, da das Bild der Mikroskop-Kamera 130 bereits scharf und vergrößert ist.
Die Beleuchtungsvorrichtung 132 und/oder die Aufflicht-Beleuchtungsvorrichtung und/oder die Bilderfassungsvorrichtung 138 können in der Aufhängung 144, insbesondere in der Taststiftaufnahme, angeordnet sein. Eine derartige Ausgestaltung erlaubt eine Reduzierung der Größe des taktilen Tastelements 116. Der taktile Sensor 114 kann mindestens einen Lichtleiter 148 aufweisen. Der Schaft 122 kann aus einem aus einer durchsichtigen Keramik, beispielsweise Glas, hergestellt sein und eingerichtet sein, den Beleuchtungslichtstrahl 134 zu dem Antastelement 125 zu leiten. Der Schaft 122 kann als ein Lichtleiter 148 wirken. Der Schaft 122 kann ein innen verspiegeltes Rohr aufweisen. So kann verhindert werden, dass störende Strahlung auf die in der Taststiftaufnahme angeordnete Bilderfassungsvorrichtung 138 trifft. Weiter kann eine derartige Ausgestaltung vorteilhaft sein, da durch die Beleuchtungsvorrichtung 134 entstehende Wärme an einer unkritischen Stelle und nicht nahe des Antastelementes 125 entsteht.
2A zeigt eine Ausführungsform, in welcher die Tastkugel 126 als eine Halbkugel ausgestaltet ist, welche eine verspiegelte Planfläche 150 aufweist. Beispielsweise kann die Tastkugel 126 unter einem beliebigen Winkel geteilt sein und die Planfläche 150 verspiegelt sein. Eine derartige Ausgestaltung ermöglicht auch innerhalb von Bohrungen messen zu können. Die Planfläche 150 kann eingerichtet sein, den Beleuchtungslichtstrahl 134 durch die Verspiegelung umzulenken. Beispielsweise kann die Tastkugel 126 mittig unter einem 45° Winkel geteilt sein und die entstehende Planfläche 150 verspiegelt sein, so dass eine Umlenkung in einem 90° Winkel erfolgt. Auch andere Teilungen unter anderen Winkeln und somit andere Umlenkungswinkel sind jedoch denkbar. Das Antastelement 125 kann drehbar sein, insbesondere kann der Schaft 122 und/oder das Antastelement 125 um eine Drehachse drehbar gelagert sein. In Kombination mit einer drehbaren Lagerung können optisch erkennbare Merkmale in Bohrungen an sonst schlecht zugänglichen Stellen erkennbar und exakt vermessen werden.
Das Tastsystem 110 kann mindestens einen optischen Trichter 152 aufweisen. Der optische Trichter 152 kann einrichtet sein, den Beleuchtungslichtstrahl 134 zu dem Antastelement 125 zu leiten. Der optische Trichter 152 kann zwischen dem Schaft 122 und der Tastkugel 126 angeordnet sein. Der optische Trichter 152 kann auf einer der Beleuchtungsvorrichtung 132 zugewandten Seite des optischen Trichters 152 eine größere Öffnungsweite aufweisen als auf einer der Tastkugel 126 zugewandten Seite des optischen Trichters 152. So kann eine Reduzierung einer Antastelementgröße möglich sein.
Ein taktiles Antasten kann mittels bekannter Verfahren erfolgen, wobei mit der kalibrierten Tastkugel 126 die Messung und auch eine Reorientierung erfolgen kann. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines optischen Antastens 154. Während des optischen Antastens 154 kann das erzeugte, vergrößerte Bild von der Mikroskop-Kamera 130 zu einem Auswerterechner 156 übertragen werden, beispielsweise über mindestens einen Kommunikationskanal. Das vergrößerte Bild der Mikroskop-Kamera 130 kann durch einen Wechselteller, auch Tastkopfteller genannt, an welchem das Tastsystem 110 angeordnet ist, einen Tastkopf 158 und das Koordinatenmessgerät 124 an den Auswerterechner übertragen werden. Das vergrößerte Bild kann direkt von der Mikroskop-Kamera 130 zu dem Auswerterechner 156 übertragen werden und/oder das vergrößerte Bild kann zu einer Elektronik des Koordinatenmessgeräts 124 übertragen werden und von dieser zu dem Auswerterechner übertragen werden. In der Elektronik kann das Bild auf eine CAT5 Verkabelung umgesetzt werden und bis zum Auswerterechner 156 übertragen werden. Der Auswerterechner 156 kann eingerichtet sein, das Bild auszuwerten und ein Ergebnis der Auswertung über mindestens einen Kommunikationskanal an mindestens eine Steuereinheit der Steuer- und Auswerteeinheit zu übertragen. Am Auswerterechner 156 kann wieder in USB, beispielsweise USB 2.0, gewandelt werden und über einen Treiber der Mikroskop-Kamera 130 eine Applikation mit Daten versorgt werden, welche die Auswertung sowohl für eine Antastregelung als auch für eine Pixelkorrektur des Messergebnisses vornimmt. Ein Ergebnis für die Antastregelung kann über einen TCP-IP Übertragungskanal an eine Steuereinheit 160 übertragen werden, welche eine Regelung von Motoren 162 zum optischen Antasten vornimmt. Die Steuereinheit 160 kann eingerichtet sei, das Messobjekt 112 optisch, beispielsweise an einer Kante anzutasten, insbesondere das Messobjekt mittels unbekannter Kontur, wie beispielsweise in DE 10 111 130 A1 beschrieben, zu verfolgen. Die Steuer- und Auswerteeinheit 128 kann eingerichtet sein, optisches und taktiles Antasten zu unterscheiden und/oder optisches und taktiles Antasten für Anwendungen zu kombinieren.

Beispielsweise kann das Messobjekt 112, wie in 3 gezeigt, ein so genanntes USAF Normal 164 sein. Die nachfolgende Tabelle zeigt experimentelle Ergebnisse bei sowohl manueller als auch in (Computer Numerical Control) CNC-Abläufen:

Messung Nr	Maschinenposition in mm			Tastkopfposition in mm			Sensor/Tastkugelposition in mm (Summe aus Maschine und Tastkopf)			Mittelwert	Distanz
	X	Y	Z	x	y	z	X	Y	Z	Y	Y
1	0,0005	0,0714	0,0012	-0,0275	-0,0199	0,0339	-0,0270	0,0515	0,0351
1	0,0004	0,0811	0,0006	-0,0275	-0,0206	0,0348	-0,0271	0,0605	0,0354	0,0552
1	0,0007	0,0740	0,0012	-0,0280	-0,0204	0,0341	-0,0273	0,0536	0,0353
1	0,0006	0,0094	0,0007	-0,0276	-0,0201	0,0345	-0,0270	-0,0107	0,0352		0,0645
1	-0,0001	0,0139	0,0005	-0,0273	-0,0203	0,0325	-0,0274	-0,0064	0,0330	-0,0093
1	0,0003	0,0083	0,0009	-0,0272	-0,0192	0,0318	-0,0269	-0,0109	0,0327
2	0,0004	0,0778	0,0011	-0,0275	-0,0199	0,0339	-0,0271	0,0579	0,0350
2	0,0001	0,0832	0,0011	-0,0275	-0,0206	0,0348	-0,0274	0,0626	0,0359	0,0601
2	0,0003	0,0803	-0,0003	-0,0280	-0,0204	0,0341	-0,0277	0,0599	0,0338
2	-0,0001	0,0127	0,0001	-0,0276	-0,0201	0,0345	-0,0277	-0,0074	0,0346		0,0692
2	0,0002	0,0081	0,0003	-0,0273	-0,0203	0,0325	-0,0271	-0,0122	0,0328	-0,0091
2	0,0004	0,0115	-0,0001	-0,0272	-0,0192	0,0318	-0,0268	-0,0077	0,0317

Es wurde ein Element des USAF Normals mit einer Linienbreite von 70 µm gewählt und eine Breite der Linie durch ein dreimaliges optisches Antasten der Linie von beiden Seiten bestimmt. Hierbei wurden Messfelder mit einem Radius von 3 und 7 Pixeln verwendet. Für den Versuchsaufbau wurde eine Mikroskop-Kamera 130 mit einer Pixelauflösung von ca. 5 µm, einer Vergrößerung von 10x bis 200x, einem Außendurchmesser von ca. 8 mm und einer Beleuchtung mit 6 LEDs verwendet. Für den Nachweis der Genauigkeit wurden jeweils 3 mal an einer Seite eines 70um breiten Striches auf dem Normal angetastet und daraus der Mittelwert berechnet. Die Antastrichtung war dabei +Y und -Y. Die gemittelten Werte wurden voneinander subtrahiert, wodurch ein Ergebnis von 64.5µm und 69.2µm erreicht wurde. Ohne jegliche Korrektur wurde eine Antastregelungswiederholbarkeit im Bereich von 5 µm erreicht und die Breite der Linie mit 70 µm mit der Unsicherheit der Einzelpunktmessung ermittelt. Diese für optische Messungen hohe Genauigkeit kann erreicht werden, da nicht die Kamera selbst, sondern das Koordinatenmessgerät eine Massverkörperung darstellt und die Genauigkeit der Kamera durch eine immer gleiche mittige Antastung unerheblich wird.
Bezugszeichenliste

110: Tastsystem
112: Messobjekt
114: taktiler Sensor
116: taktiles Tastelement
118: Sensoroberfläche
120: Antastpunkt
122: Schaft
124: Koordinatenmessgerät
125: Antastelement
126: Tastkugel
128: Steuer- und Auswerteeinheit
130: Mikroskop-Kamera
132: Beleuchtungsvorrichtung
134: Beleuchtungslichtstrahl
136: Mikroskop-Optik
138: Bilderfassungsvorrichtung
140: Schnittstelle
142: Lichtquelle
144: Aufhängung
146: Übergang
148: Lichtleiter
150: Planfläche
152: optischer Trichter
154: optisches Antasten
156: Auswerterechner
158: Tastkopf
160: Steuereinheit
162: Motoren
164: USFA Normal

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10111130 A1 [0003, 0051, 0076]
US 5118956 A [0005]
DE 10258283 A1 [0006]

Claims

Tastsystem (110) zur optischen und taktilen Vermessung mindestens eines Messobjekts (112) umfassend - mindestens einen taktilen Sensor (114), wobei der taktile Sensor (114) mindestens ein taktiles Tastelement (116) aufweist, wobei das taktile Tastelement (116) eine Sensoroberfläche (118) aufweist, wobei das taktile Tastelement (116) eingerichtet ist, das Messobjekt (112) taktil an mindestens einem Antastpunkt (120) auf der Sensoroberfläche (118) anzutasten; - mindestens eine Mikroskop-Kamera (130), wobei die Mikroskop-Kamera (130) mindestens eine Beleuchtungsvorrichtung (132) aufweist, welche eingerichtet ist, einen Beleuchtungslichtstrahl (134) zu erzeugen, wobei die Mikroskop-Kamera (130) mindestens eine Mikroskop-Optik (136) aufweist, welche eingerichtet ist, den Beleuchtungslichtstrahl (134) in dem Antastpunkt (120) zu fokussieren und mindestens ein vergrößertes Bild des Messobjekts (112) in einer Bildebene zu erzeugen, wobei die Mikroskop-Kamera (130) mindestens eine Bilderfassungsvorrichtung (138) aufweist, welche eingerichtet ist, das vergrößerte Bild aufzunehmen; wobei die Mikroskop-Kamera (130) zumindest teilweise in dem taktilen Tastelement (116) angeordnet ist.
Tastsystem (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das taktile Tastelement (116) mindestens ein Antastelement (125) aufweist, wobei das Antastelement (125) mindestens eine Tastkugel (126) aufweist.
Tastsystem (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Tastkugel (126) als eine Halbkugel ausgestaltet ist, welche eine verspiegelte Planfläche (150) aufweist.
Tastsystem (110) nach einem der zwei vorhergehenden Ansprüche, wobei das Antastelement (125) aus einem zumindest teilweise transparenten Material ist, wobei das Antastelement (125) eine Industrie-Rubin-Kugel oder eine Industrie-Saphir-Kugel aufweist.
Tastsystem (110) nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, wobei das taktile Tastelement (116) mindestens einen Schaft (122) aufweist, an welchem das Antastelement (125) angeordnet ist, wobei die zur Mikroskop-Kamera (130) gerichtete Fläche des Antastelementes (125) zumindest teilweise plangeschliffen ist, so dass bei einem Übergang von Schaft (122) zu Antastelement (125) kein Linseneffekt entsteht.
Tastsystem (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der taktile Sensor (114) mindestens einen Lichtleiter (148) aufweist.
Tastsystem (110) nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, wobei das Tastsystem (110) mindestens einen optischen Trichter (152) aufweist.
Tastsystem (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mikroskop-Kamera (130) mindestens eine Schnittstelle (140) aufweist, insbesondere eine USB-Schnittstelle.
Tastsystem (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bilderfassungsvorrichtung (138) mindestens eine CCD-Kamera und/oder mindestens eine CMOS-Kamera aufweist.
Koordinatenmessgerät (124) zur optischen und taktilen Vermessung mindestens eines Messobjekts (112) umfassend: - mindestens ein Tastsystem (110) nach einem der vorherigen, ein Tastsystem betreffenden, Ansprüche, - mindestens eine Steuer- und Auswerteeinheit (128), welche eingerichtet ist, das Tastsystem (110) zu steuern und mindestens eine Information über einen Messpunkt an einer Oberfläche des Messobjekts (112) zu erzeugen.
Verfahren zur optischen und taktilen Vermessung mindestens eines Messobjekts (112) mit einem Koordinatenmessgerät (124) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: a) Taktiles Antasten des Messobjekts (112) an mindestens einem Antastpunkt (120) auf mindestens einer Sensoroberfläche (118) mindestens eines taktilen Tastelements (116) mindestens eines taktilen Sensors (114), wobei mindestens eine Information über einen taktilen Messpunkt erzeugt wird; b) Übertragen der Information über den taktilen Messpunkt an mindestens eine Steuer- und Auswerteeinheit (128); c) Steuern mindestens einer Mikroskop-Kamera (130) unter Verwendung der übertragenen Information mittels der Steuer- und Auswerteeinheit (128); d) Optisches Antasten des Messobjekts (112) mit der Mikroskop-Kamera (130), welche zumindest teilweise in dem taktilen Tastelement (116) angeordnet ist, wobei mindestens ein Beleuchtungslichtstrahl (134) mit mindestens einer Beleuchtungsvorrichtung (132) der Mikroskop-Kamera (130) erzeugt wird, wobei der Beleuchtungslichtstrahl (134) in dem Antastpunkt (120) auf der Sensoroberfläche (118) des taktilen Tastelements (116) durch mindestens eine Mikroskop-Optik (136) fokussiert wird, wobei von der Mikroskop-Optik (136) mindestens ein vergrößertes Bild des Messobjekts (112) in einer Bildebene erzeugt wird, wobei das vergrößerte Bild von mindestens einer Bilderfassungsvorrichtung (138) aufgenommen wird; e) Übertragen des vergrößerten Bildes zu der Steuer-und Auswerteeinheit (128); f) Auswerten der Information über den Messpunkt und/oder des vergrößerten Bildes mit der Steuer- und Auswerteeinheit (128) und Erzeugen einer Information über mindestens eine Koordinate des Messobjekts (112) mit der Steuer- und Auswerteeinheit (128).
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei in Schritt a) eine Kalibrierung des Tastsystems (110) erfolgt.