DE102020105768A1

DE102020105768A1 - Koordinatenmessgerät und Verfahren zum Betreiben desselben

Info

Publication number: DE102020105768A1
Application number: DE102020105768.7A
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Werth Messtechnik GmbH
Current assignee: Werth Messtechnik GmbH
Priority date: 2019-03-06
Filing date: 2020-03-04
Publication date: 2020-09-10

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Koordinatenmessgerät, zumindest aufweisend einen Bildverarbeitungssensor (1), mindestens einer Kamera (7, 9) und einer Verarbeitungseinheit zur dimensionellen Messung von geometrischen Eigenschaften des Werkstücks (3) aus dem mit der Kamera (7, 9) aufgenommenen Bildern des Werkstücks (3), wobei der Bildverarbeitungssensor (1) zumindest einen Strahlteiler (2) zur Aufteilung des vom Werkstück (3) empfangenen Lichts in mindestens zwei separate Bildverarbeitungsstrahlengänge (4,5) aufweist, wobei die in den verschiedenen Bildverarbeitungsstrahlengängen aufgenommenen Bilder etwa gleiche Helligkeit aufweisen.

Description

Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung und ein Verfahren zur dimensionellen Messung von geometrischen Eigenschaften eines Werkstücks mit einem B ildverarbeitungssensor.
Bildverarbeitungssensoren für Koordinatenmessgeräte nach dem Stand der Technik erfassen mit einem festgelegten Abbildungsmaßstab einen ausgewählten Bereich der Werkstückoberfläche. Um unterschiedlich große Bereiche der Werkstückoberfläche zu erfassen und um unterschiedlich genaue Messungen an Werkstückoberflächen mittels Bildverarbeitung vorzunehmen, werden entweder unterschiedliche Sensoren mit festem Abbildungsmaßstab nacheinander eingesetzt oder es kommen Bildverarbeitungssensoren mit einer Zoomoptik zum Einsatz. Nachteilig beim Einsatz von Zoomoptiken ist neben dem konstruktiven Aufwand und höheren Kosten eine begrenzte Genauigkeit aufgrund der begrenzten Reproduzierbarkeit bei den zur Änderung des Abbildungsmaßstabs notwendigen Bewegungen von Linsengruppen. Eine entsprechende Anordnung beschreibt beispielsweise die EP1071922 der Anmelderin. Bei der Verwendung von unterschiedlichen Optiken mit festem Abbildungsmaßstab ergibt sich neben dem Vorhalten entsprechend ausgebildeter Optiken die Notwendigkeit des manuellen Wechsels oder eines automatisierten Wechsels in einer Parkstation abgelegter Optiken, wodurch ein hoher Aufwand, insbesondere Zeitaufwand und hohe Kosten, sowie eingeschränkte Genauigkeitsbereiche durch begrenzte Reproduzierbarkeit des Wechselzyklus auftreten können.
In der EP 123 8244 der Anmelderin wird ein Autofokussensor vorgeschlagen, der unter Nutzung von drei separaten Kamerachips, die Werkstückoberfläche mit konstantem Abbildungsmaßstab aber unterschiedlichen Arbeitsabständen erfasst, um eine Autofokusmessung ohne Relativbewegung zwischen Werkstück und Sensorik zu realisieren.
Wünschenswert wäre es, gleichzeitig oder zeitsparend einen großen Bereich des Werkstücks beobachten zu können, um beispielsweise ohne Positionierbewegungen oder mit wenigen Positionierbewegungen den Bereich festzulegen, in dem eine Bildverarbeitungsmessung oder eine Messung mit einem anderen Sensor des Koordinatenmessgerätes erfolgen soll, und gleichzeitig eine hohe Messgenauigkeit für einen Messpunkt zu erzielen, ohne einen Wechsel der Optik, insbesondere auf eine Optik mit höherem Abbildungsmaßstab, oder Wechsel der Zoomstufe einer Zoomoptik durchführen zu müssen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Bildverarbeitungssensor zur Verfügung zu stellen, der einerseits einen großen Messbereich (Bildbereich) zur Verfügung stellt und gleichzeitig eine genaue Messung, in zumindest einem Teilbereich seines Messbereichs erlaubt.
Zur Lösung sieht die Erfindung vor, dass ein Bildverarbeitungssensor eingesetzt wird, der zwei oder mehrere Bildverarbeitungsstrahlengänge mit unterschiedlichem Abbildungsmaßstab aufweist, wobei die beiden bzw. mehreren Bildverarbeitungsstrahlengänge mittels eines Strahlteilers aufgeteilt werden, vorzugsweise so, dass die Mitte der beiden bzw. aller Bildverarbeitungsstrahlengänge, also deren optische Achse, auf den identischen Werkstückbereich ausgerichtet sind.
Zur Aufnahme der mit den mehreren Bildverarbeitungsstrahlengängen erzeugten Abbildungen des jeweiligen Werkstückbereichs ist jeweils eine separate Aufnahmeeinheit vorgesehen. Die separaten Aufnahmeeinheiten können erfindungsgemäß separate Kameras sein, oder aber auch separate Kamerabereiche innerhalb einer Kamera, beispielsweise einer Mehr-Chip-Kamera (z. B. 3-Chip-Kamera), die mehrere separate Detektionsflächen aufweist. Vorteil bei der zuletzt genannten Lösung ist es, dass für die mehreren Detektionsflächen identische Weiterverarbeitungshardware und -Software eingesetzt werden kann, wenn die Informationen aus den separaten Detektionsbereichen abwechselnd oder parallelisiert weiter verarbeitet werden.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine optische Abstandsmessung, vorzugsweise mit einem chromatischen Sensor oder einem Laserabstandsensor, wie Foucault-Sensor durchzuführen, wobei diese Messung ohne seitlichen (lateralen) Versatz zu der Bildverarbeitungsmessung erfolgen soll, damit ein möglichst großer gemeinsamer Bereich innerhalb des Messbereichs des Koordinatenmessgeräts für Abstandsmessungen und Bildverarbeitungsmessungen zur Verfügung steht. Aufgabe ist die Angabe eines entsprechend ausgelegten Multisensor-Messkopfes. Hierdurch kann das entsprechende Koordinatenmessgerät in lateraler Richtung kleiner ausgeführt werden, insbesondere kürzere Messachsen eingesetzt werden, wodurch Kosten eingespart werden. Zudem ist es hierdurch möglich, mit der Bildverarbeitungsmessung den Messort für die Abstandmessung festzulegen. Zudem ist es dadurch auch möglich, mit dem Abstandssensor die Abbildung für die Bildverarbeitungsmessung scharf zu stellen. Außerdem entfallen Positionierzeiten beim Umschalten zwischen der Messung mit Bildverarbeitungssensor und Abstandssensoren.
Zur Lösung sieht die Erfindung deshalb auch einen Multisensor-Messkopf vor, wobei der Strahlengang bzw. die Strahlengänge eines chromatischen Abstandssensors und/oder eines Laserabstandssensor wie Foucault-Sensor in den zwischen Werkstück und Bildverarbeitungssensor verlaufenden Abbildungsstrahlengang eingespiegelt werden. Hierzu sind entsprechend ausgebildete Strahlteiler vorgesehen. Auch vorgesehen ist eine Ausbildung des Multisensor-Messkopfs, bei der die Einspiegelung einer Hellfeldbeleuchtung des Werkstücks für die Bildverarbeitungsmessung erfolgt.
Eine besondere Aufgabe der Erfindung ist es, sicherzustellen, dass die Helligkeit der mit den mehreren Bildverarbeitungsstrahlengängen aufgenommenen Bilder zumindest etwa gleich ist.
Zur Lösung sieht die Erfindung deshalb auch vor, die Strahlteiler zur Aufteilung der Bildverarbeitungsstrahlengänge entsprechend auszuführen, beispielsweise in ihrem Teilungsverhältnis, und in Bezug auf Ihre Reihenfolge anzuordnen, dass gleiche Helligkeit in allen Bildverarbeitungsstrahlengängen vorliegt. Hierzu ist insbesondere vorgesehen, dass Bildverarbeitungsstrahlengänge die im Vergleich zu den anderen Bildverarbeitungsstrahlengängen Optiken mit größerem Abbildungsmaßstab aufweisen, größeren Anteil des vom Werkstück kommenden Lichts erhalten.
Zur Lösung sieht die Erfindung ein Koordinatenmessgerät vor, zumindest aufweisend einen Bildverarbeitungssensor, der besteht aus zumindest einer Optik zur Abbildung eines zu messenden Werkstücks auf zumindest eine Kamera, mindestens einer Kamera und einer Verarbeitungseinheit zur dimensionellen Messung von geometrischen Eigenschaften des Werkstücks aus dem mit der Kamera aufgenommenen Bildern des Werkstücks, dass sich dadurch auszeichnet, dass der Bildverarbeitungssensor zumindest einen Strahlteiler zur Aufteilung des vom Werkstück empfangenen Lichts in mindestens zwei separate Bildverarbeitungsstrahlengänge aufweist, wobei jeder Bildverarbeitungsstrahlengang eine separate Optik und eine separate Kamera oder separaten Kamerabereich (beispielsweise einer Mehr-Chip-Kamera) aufweist und wobei die Abbildungsmaßstäbe der Optiken unterschiedlich groß sind, wobei vorzugsweise Strahlteiler (2) oder weitere Strahlteiler für weitere Bildverarbeitungsstrahlengänge in ihrem Teilungsverhältnis so ausgelegt und/oder in Bezug auf ihre Position bzw. Reihenfolge im Strahlengang so angeordnet sind, dass die in den verschiedenen Bildverarbeitungsstrahlengängen aufgenommenen Bilder etwa gleiche Helligkeit aufweisen, vorzugsweise indem Bildverarbeitungsstrahlengänge die im Vergleich zu den anderen Bildverarbeitungsstrahlengängen Optiken mit größerem Abbildungsmaßstab aufweisen, größeren Anteil des vom Werkstück kommenden Lichts erhalten.
Insbesondere zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass der Bildverarbeitungssensor zu einem Multisensor-Messkopf weitergebildet ist, indem zwischen dem Werkstück und dem Bildverarbeitungssensor eine chromatische Linse, vorzugsweise Asphäre, zur Einbringung einer chromatischen Aberration angeordnet ist und dass zwischen der chromatischen Linse und dem Bildverarbeitungssensor ein Strahlteiler zur Einspiegelung des Strahlengangs eines chromatischen bzw. chromatisch-konfokalen optischen Abstandsensors angeordnet ist.
Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass der Bildverarbeitungssensor werkstückseitig oder in jedem der separaten Bildverarbeitungsstrahlengänge einen optischen Filter zur Begrenzung des vom Werkstück empfangenen Lichts auf ein schmales Wellenlängenband, beispielsweise rotes oder blaues Licht, aufweist oder dass der Strahlteiler zur Einspiegelung des Strahlengangs des chromatischen Sensors wellenlängenselektiv ausgeführt ist, so dass vollständiges Spektrum des vom Werkstück empfangenen Lichts in den Strahlengang des chromatischen Sensors und schmales Wellenlängenband, beispielsweise rotes oder blaues Licht, zum Bildverarbeitungssensor geleitet wird.
Insbesondere zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass zwischen dem Bildverarbeitungssensor und dem Werkstück, vorzugsweise zwischen dem Bildverarbeitungssensor und dem Strahlteiler zur Einspiegelung des Strahlengangs des chromatischen Sensors, ein Strahlteiler, vorzugsweise neutraler Strahlteiler, zur Einspiegelung einer Hellfeldbeleuchtung angeordnet ist.
Bevorzugterweise sieht die Erfindung vor, dass der Bildverarbeitungssensor zu einem Multisensor-Messkopf weitergebildet ist, indem zwischen dem Bildverarbeitungssensor und dem Werkstück, vorzugsweise zwischen dem Bildverarbeitungssensor und dem Strahlteiler zur Einspiegelung des Strahlengangs des chromatischen Sensors, besonders bevorzugt zwischen dem Bildverarbeitungssensor und dem Strahlteiler zur Einspiegelung der Hellfeldbeleuchtung, ein Strahlteiler zur Einspiegelung des Strahlengangs eines optischen Abstandsensors, vorzugsweise Laserabstandssensor, wie Foucault-Sensor angeordnet ist.
Hervorzuheben ist des Weiteren, dass im Strahlengang des optischen Abstandsensors ein Filter zur Begrenzung des vom Werkstück empfangenen Lichts auf ein schmales Wellenlängenband, vorzugsweise grünes Licht, angeordnet ist oder dass der Teiler zur Einspiegelung des optischen Abstandsensors wellenlängenselektiv ausgeführt ist, so dass nur schmales Wellenlängenband in den Strahlengang des Abstandsensors geleitet wird und alle Wellenlängenbereiche oder schmales Wellenlängenband, dass sich von dem des optischen Abstandsensors unterscheidet, vorzugsweise rotes oder blaues Licht, dem Bildverarbeitungssensor zugeführt werden.
Die Erfindung zeichnet sich auch dadurch aus, dass die Verarbeitungseinheit ausgelegt ist, um mit den mehreren Kameras gleichzeitig oder nacheinander Bilder (Originalbilder) des Werkstücks aufzunehmen und diese Originalbilder zu einem Kombinationsbild zu kombinieren, wobei vorzugsweise zur Bildung des Kombinationsbild die Verarbeitungseinheit ausgebildet ist eine gleichmäßige Pixelgröße aufweisendes Kombinationsbild per Resampling zu berechnen, vorzugsweise mit der Pixelgröße des Originalbildes mit der kleinsten Pixelgröße, also welches aufgenommen wurde mit der Kamera, der die Optik mit dem höchsten Abbildungsmaßstab zugeordnet ist.
Insbesondere zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass das Koordinatenmessgerät eine Anzeigeeinheit, beispielsweise Bildschirm aufweist, auf dem das Kombinationsbild darstellbar ist, und vorzugsweise eine Bedieneinheit für einen Nutzer aufweist, die ausgebildet ist, eine Funktionalität zur Verfügung zu stellen, mit der ein durch den Bediener oder automatisch ausgewählter Bereich des Kombinationsbildes auf der Anzeigeeinheit vergrößert dargestellt wird.
Besonders hervorzuheben ist, dass der Strahlteiler zur Aufteilung des vom Werkstück empfangenen Lichts in die mindestens zwei separaten Bildverarbeitungsstrahlengänge derart ausgelegt ist, dass unter Berücksichtigung gegebenenfalls weiterer Strahlteiler der Strahlengang mit der Optik mit dem größeren Abbildungsmaßstab mehr Licht erhält, als der Strahlengang mit der Optik mit dem geringeren Abbildungsmaßstab. Hierzu ist insbesondere vorgesehen den Strahlengang mit der Optik mit dem größeren Abbildungsmaßstab aus Werkstückseitiger Sicht zuerst aus dem gemeinsamen Strahlengang auszuspiegeln und/oder ein entsprechendes Teilungsverhältnis von beispielsweise 80:20 oder 70:30 oder 60:40, je nach Verhältnis der Abbildungsmaßstäbe zueinander für den Strahlteiler vorzusehen. Besondere Relevanz liegt vor, wenn die Aufteilung in mehr als zwei Bildverarbeitungsstrahlengänge erfolgt. Dies wird folgend am Beispiel von 3 Bildverarbeitungsstrahlengängen beispielhaft erläutert. Der Strahlengang mit dem größten Abbildungsmaßstab wird dabei mit einem Strahlteiler im Verhältnis 50:50 zur Hälfte ausgespiegelt. Die zweite Hälfte wird mit einem zweiten Strahlteiler im Verhältnis 70:30 auf den Strahlengang mit dem mittleren Abbildungsmaßstab (zu 70 %) und den Strahlengang mit dem geringsten Abbildungsmaßstab (zu 30 %) aufgeteilt. Aus dem gesamten vom Werkstück kommenden Licht erhält damit der Strahlengang mit dem größten Abbildungsmaßstab 50 %, der Strahlengang mit dem mittleren Abbildungsmaßstab 35 % und der Strahlengang mit dem geringsten Abbildungsmaßstab 15 %. Hierdurch wird gewährleistet, dass alle Bildverarbeitungsstrahlengänge etwa gleich helle Bilder liefern.
Die Erfindung sieht zur Lösung auch ein Verfahren zur dimensionellen Messung geometrischer Eigenschaften eines Werkstücks vor, dass die zuvor genannte Vorrichtung nutzt und sich dadurch auszeichnet, dass die Verarbeitungseinheit aus den mit den zumindest zwei Kameras aufgenommenen Originalbildern ein kombiniertes Bild (Kombinationsbild) berechnet und vorzugsweise auf einem Ausgabemedium wie Bildschirm dargestellt.
Nach einem besonders hervorzuhebenden Vorschlag ist vorgesehen, dass zur Berechnung des Kombinationsbildes Informationen (Pixeldaten) aus den Originalbildern, welche aufgenommen wurden mit der Kamera, der die Optik mit dem größeren Abbildungsmaßstab zugeordnet ist, für den inneren Bereich des Kombinationsbildes und Informationen aus den Originalbildern, welche aufgenommen wurden mit der Kamera, der die Optik mit dem geringeren Abbildungsmaßstab zugeordnet ist, für den äußeren Bereich des Kombinationsbildes verwendet werden.
Besonders hervorzuheben ist, dass bei der Berechnung des Kombinationsbildes ein Resampling auf ein einheitliches Pixelraster (Pixelgröße) erfolgt, vorzugsweise auf das Pixelraster des Originalbildes mit der kleinsten Pixelgröße, also dem Originalbild, dass mit der Kamera aufgenommen wurde, dem die Optik mit dem größten Abbildungsmaßstabs zugeordnet ist.
Des Weiteren zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass eine elektronische Zoomfunktionalität (Digital-Zoom) durch den Bediener ausgelöst wird oder automatisch ausgelöst wird, bei der ein ausgewählter Bereich des Kombinationsbildes vergrößert dargestellt wird, wobei die vergrößerte Darstellung auf die Daten des Kombinationsbildes, vorzugsweise geresampelten Daten des Kombinationsbildes, zugreift oder, insbesondere für den Fall, dass der ausgewählte Zoombereich nur aus den Daten eines Originalbildes stammt, nur auf die Daten des jeweils benötigten Originalbildes zurückgreift.
Insbesondere zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass bei Nutzung der Zoomfunktionalität für den Fall, dass im Zoombereich ein Übergang zwischen unterschiedlichen Originalbildern vorliegt, in einem festgelegten Bereich um den Übergang eine Filterung bzw. Glättung der dargestellten Pixelinformationen erfolgt, sodass ein gleitender Übergang in Bezug auf die Pixelgrößen der angrenzenden Originalbilder erfolgt.
Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass Abstandssignal des chromatischen Sensors oder Laserabstandssensors zur Steuerung der Achsen des Koordinatenmessgerätes, insbesondere Achse in Richtung der Abbildungsrichtung des Bildverarbeitungssensors, zur Scharfstellung der Abbildung des Bildverarbeitungssensors verwendet wird.
Insbesondere zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass das Kombinationsbild zur Positionierung der Achsen des Koordinatenmessgerätes für die Festlegung des Punktes auf dem Werkstück verwendet wird, an dem eine Abstandsmessung mit dem chromatischen Sensor oder dem Laserabstandssensor, oder an dem eine Bildverarbeitungsmessung mit dem Bildverarbeitungssensor erfolgen soll.
Bevorzugterweise sieht die Erfindung vor, dass Bildverarbeitungsmessung und Abstandsmessung mit dem chromatischen Sensor und/oder dem Laserabstandssensor gleichzeitig erfolgen und vorzugsweise Messdaten aller Sensoren in einem gemeinsamen Koordinatensystem vorliegen.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben dieser Vorrichtung, wobei die Vorrichtung eine Drehvorrichtung (Drehachse) mit einem Werkzeugfutter umfasst, insbesondere zum Einsatz in einem Koordinatenmessgerät.
Bei den bekannten Verfahren nach dem Stand der Technik wird das Ein- und Ausspannen von Werkszeugen im an einer Drehachse befestigten, beispielsweise angeflanschten Werkzeugfutter wie Backenfutter manuell durch den Bediener durchgeführt. Hierzu ist zum einen das Öffnen und Schließen des Backenfutters durch Betätigung, insbesondere Drehung eines Spannrings und andererseits das Einlegen bzw. Entnehmen des Werkzeugs durchzuführen.
Für das Einlegen und Entnehmen des Werkzeugs, beispielsweise zum Bestücken von Werkzeugmaschinen mit Fräsern, Bohrern oder ähnlichem sind auch automatisierte Lösungen mittels Roboter bekannt. Hierbei muss jedoch zusätzlich das Futter entweder so ausgeführt werden, dass ein Öffnen und Schließen nicht notwendig ist oder es muss ein separater Mechanismus, beispielsweise eine Hydraulik oder ein zweiter Roboter dafür vorgesehen werden. Für den Fall, dass ein zu drehender Spannring betätigt werden muss, ergibt sich ein komplexer und teurer Aufbau, beispielsweise durch einen zweiten Roboter, der diese Drehbewegung ausführen muss.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine vereinfachte Lösung anzubieten, mit der das Einspannen und Ausspannen eines Werkzeugs in einem Werkzeugfutter, insbesondere Backenfutter automatisiert wird. Insbesondere soll der Schritt des Öffnens und Schließens des Werkzeugfutters vereinfacht und automatisiert werden, ohne dass dabei aufwändige Zusatzkomponenten wie ein zusätzlicher Roboter benötigt werden.
Zur Lösung sieht die Erfindung eine Vorrichtung vor, die ein Klemmmittel aufweist, dass mit einem Betätigungsmittel (Spannring) zum Öffnen bzw. Schließen des Werkzeugfutters der Drehachse derart in Kontakt gebracht wird, dass das Betätigungsmittel für eine Drehbewegung, welche beim Drehen des drehbaren Teils der Drehachse auftritt, gesperrt ist.
Es ist auch ein Verfahren zum Betreiben der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, bei dem das Klemmmittel wahlweise mit dem Betätigungsmittel der Drehachse in Berührung gebracht wird, sodass beim Drehen der Drehachse das Betätigungsmittel nicht mitgedreht wird, wodurch sich das Backenfutter öffnen bzw. schließen lässt.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist ein Koordinatenmessgerät aufweisend zumindest eine Drehvorrichtung (Drehachse) zur Aufnahme eines zu messenden Werkstücks wie Werkzeug, wobei die Drehachse ein Werkstückaufnahme-Futter wie Backenfutter (Werkzeugfutter) aufweist, welches vom drehbaren Teil der Drehachse ausgeht, und ein Betätigungsmittel wie Spannring zum Öffnen bzw. Schließen des Werkzeugfutters, welches vom drehbaren Teil der Drehachse ausgeht, und zeichnet sich dadurch aus, dass ein Klemmmittel wie beispielsweise Gabel vorgesehen ist, das wahlweise mit dem Betätigungsmittel in Kontakt bringbar ist, um das Betätigungsmittel für eine Drehbewegung, welche beim Drehen des drehbaren Teils der Drehachse auftreten würde, zu sperren, wobei das Klemmmittel vorzugsweise von dem feststehenden Teil der Drehachse oder von einem Teil des Koordinatenmessgerätes ausgeht.
Es ist auch vorgesehen, dass das Klemmmittel von einer Stelle außerhalb des Koordinatenmessgerätes ausgeht, beispielsweise einer neben dem Koordinatenmessgeräte angeordneten Einheit wie fester Basis oder durch einen Roboter zuführbar ist. Erfindungsgemäß muss der Roboter hier aber nicht die Drehbewegung des Betätigungsmittels ausführen und kann dadurch deutlich vereinfacht und platzsparend ausgeführt sein.
Insbesondere zeichnet sich die Erfindung nach einer unabhängigen oder aber mit den anderen genannten Lösungen kombinierbaren Lösung durch eine Vorrichtung aus, bei der das Werkzeugfutter wie Backenfutter einer Drehvorrichtung (Drehachse) durch Drehen des drehbaren Teils der Drehachse, je nach Drehrichtung öffenbar oder schließbar ausgebildet ist, indem ein wahlweise betätigbares Klemmmittel vorgesehen ist, das dazu ausgebildet ist, das Betätigungsmittel wie Spannring zum Öffnen bzw. Schließen des Werkzeugfutters gegen eine Drehung des drehbaren Teils der Drehachse zu sperren.
Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass das Klemmmittel von einer Antriebseinheit ausgeht, die mit dem feststehenden Teil der Drehachse oder einem anderen Teil des Koordinatenmessgerätes verbunden ist, wobei die Antriebseinheit ausgebildet ist, das Klemmmittel mit dem Betätigungsmittel in Kontakt zu bringen und von diesem wieder zu lösen.
Hervorzuheben ist des Weiteren, dass das Klemmmittel von einem Teil des Koordinatenmessgerätes ausgeht, der relativ zur Drehachse mittels der Messachsen des Koordinatenmessgerätes derart positionierbar ist, dass das Klemmmittel mit dem Betätigungsmittel in Kontakt gebracht und wieder von diesem gelöst werden kann, vorzugsweise der Teil des Koordinatenmessgerätes zumindest in einer Richtung senkrecht zur Richtung der Achse, um die der drehbare Teil der Drehachse drehbar ist, relativ zur Drehachse positionierbar ist.
Die Erfindung zeichnet sich auch dadurch aus, dass das Klemmmittel mittels Formschluss oder Kraftschluss mit dem Betätigungsmittel in Kontakt bringbar ist.
Insbesondere zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass der Antrieb zur Drehung des drehbaren Teils der Drehachse eine Drehmomentbegrenzung aufweist.
Hierdurch kann erreicht werden, dass das für das Schließen des Werkzeugfutters notwendige Drehmoment automatisch eingestellt wird, indem die Drehung der Drehachse so lange erfolgt, bis die Drehmomentbegrenzung sicher ausgelöst hat.
Bevorzugterweise sieht die Erfindung vor, dass das Klemmmittel eine geometrische Selbstzentrierung aufweist, so dass beim Drehen des drehbaren Teils der Drehachse automatisch ein Formschluss mit dem Betätigungsmittel entsteht, vorzugsweise indem ein Federelement vorgesehen ist, das ausgebildet ist, das Klemmmittel in Richtung des Betätigungsmittels zu drücken.
Unter geometrischer Selbstzentrierung ist hier zu verstehen, dass das Klemmmittel eine geometrische Ausgestaltung wie Öffnung aufweist, die mit dem Betätigungsmittel per Formschluss verbindbar ist, sobald sich das Betätigungsmittel in der geeigneten Drehstellung befindet. Solange sich das Betätigungsmittel aber noch in einer davon abweichenden Drehstellung befindet, soll es nicht zu einem Verhaken oder ähnlichem kommen, sondern die Drehung trotzdem möglich sein, ohne dass der Formschluss schon vorliegt, und zwar so lange, bis sich dieser aufgrund der geeigneten Drehstellung ergibt. Hierzu ist vorgesehen, dass das Klemmmittel durch Federkraft gegen das Betätigungsmittel gedrückt wird. Sobald der Formschluss möglich ist, erfolgt dieser dann automatisch (selbstzentrierend).
Hervorzuheben ist des Weiteren, dass das Betätigungsmittel und das Klemmmittel jeweils mindestens eine Abflachung aufweisen, die in- bzw. aneinander mittels Formschluss eingreifen können, vorzugsweise zwei um 180° oder vier um 90° zueinander versetzte Abflachungen.
Als alternative oder zusätzliche Ausführungsform ist auch vorgesehen, dass ein Stift am Klemmmittel vorgesehen ist, der in eine Öffnung des Betätigungsmittels eingreift.
Es ist vorgesehen, dass der Form- oder Kraftschluss durch radiale Bewegung des Spannmittels oder mehrerer Teile des Spannmittels zu einem Rand des Betätigungsmittels erfolgt. Ebenso ist auch vorgesehen, dass der Form- oder Kraftschuss durch seitliche Bewegung, senkrecht zur Richtung der Drehachse erfolgt. Beispielhaft ist vorgesehen, dass das Klemmmittel als Zange ausgebildet ist, die das Betätigungsmittel umgreift und Kraftschluss herstellt. Dies kann durch eine Zange mit feststehenden Backen, die seitlich zugeführt wird, oder aufeinander zu bewegbare Backen, die radial zugeführt werden, ausgeführt sein. Besonders bevorzugt ist der Formschluss mit einem gabelförmig ausgebildetem Klemmmittel vorgesehen.
Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass das Klemmmittel eine Winkelentkopplung wie beispielsweise Federung aufweist, sodass beim Bewegen des Klemmmittels zu dem Betätigungsmittel hin ein Formschuss ohne Verklemmen erfolgen kann.
Dies ist vorgesehen, damit der Formschluss auch bei nicht ganz genau eingestellter Drehlage der Drehachse möglich ist. Das Klemmmittel federt dann leicht seitlich und/oder in seiner Winkellage um die Richtung oder Richtungen quer zur Zuführrichtung.
Die Erfindung sieht zur Lösung auch ein Verfahren zum Betreiben der zuvor genannten Vorrichtung vor, dass sich dadurch auszeichnet, dass zum Öffnen oder Schließen des Werkzeugfutters der Drehachse das Klemmmittel mit dem Betätigungsmittel in Kontakt gebracht wird, so dass beim Drehen des drehbaren Teils der Drehachse das Betätigungsmittel nicht mitdreht, wobei anschließend durch Drehen der Drehachse das Werkzeugfutter geöffnet bzw. geschlossen wird.
Das Öffnen des Werkzeugfutters erfolgt einerseits, um ein Werkzeug mit bekanntem Schaftdurchmesser aufnehmen zu können, andererseits um ein bereits mit dem Koordinatenmessgerät gemessenes Werkzeug wieder zu entnehmen. Das Schließen des Werkzeugfutters erfolgt zum Klemmen des eingelegten Werkzeugs am Schafft mit einer definierten Kraft bzw. Drehmoment. Die Zuführung und Entnahme des Werkzeugs erfolgt beispielsweise durch einen Roboter oder den Bediener, vorzugsweise aber automatisch.
Insbesondere zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass das Drehen der Drehachse in eine Richtung zum Schließen des Werkzeugfutters solange erfolgt, bis ein definierter Drehwinkel erreicht wurde und/oder das Drehmoment die Drehmomentbegrenzung des Antriebs der Drehachse überschreitet.
Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass das Drehen der Drehachse in eine Richtung zum Öffnen des Werkzeugfutters solange erfolgt, bis ein definierter Drehwinkel eingestellt wurde, um einen vorher festgelegten Öffnungsdurchmesser des Werkzeugfutters, vorzugsweise abhängig vom Schaftdurchmesser des aufzunehmenden Werkzeugs, zu erzielen.
Die Drehrichtung der Drehachse zum Öffnen bzw. Schließen ist dabei jeweils genau entgegen gesetzt der Drehrichtung, mit der das Betätigungsmittel bei feststehender Drehachse (feststehendem drehbaren Teil der Drehachse) gedreht werden müsste.
Hervorzuheben ist des Weiteren, dass der Zusammenhang (Kennlinie) zwischen Drehwinkel der Drehachse und Änderung des Durchmessers des Werkzeugfutters eingemessen wird und dieser Zusammenhang zur Einstellung eines definierten Öffnungsdurchmessers des Werkzeugfutters verwendet wird.
Es ergeben sich grundlegend zwei alternative oder kombinierbare Lösungen, um die Kopplung bzw. Entkopplung zwischen Klemmmittel und Betätigungsmittel vorzunehmen. Die erste Idee sieht vor, dass separate Antriebsmittel für die Bewegung des Klemmmittels in Richtung auf das Betätigungsmittel zu und wieder weg vorgesehen sind, die beispielsweise an der Drehachse selbst oder einem die Drehachse aufnehmenden Messtisch angeordnet sind. Auf diese Antriebsmittel kann (aber muss nicht) verzichtet werden, wenn die ohnehin im Koordinatenmessgerät vorhandenen Messachsen für die Kopplung verwendet werden. Das Klemmmittel geht dabei vorteilhaft von einem Teil des Koordinatenmessgerätes aus, das relativ zu der Drehachse beweglich ist, insbesondere senkrecht zur Richtung der Drehachse beweglich ist. Bei durch die Messachsen bewegter Drehachse kann dies die feste Gerätebasis sein, bei feststehender Drehachse beispielsweise die bewegliche Sensoraufnahme (Pinole) des Koordinatenmessgeräts. Auch vorgesehen sind Lösungen, bei denen der Messtisch mit der Drehachse in nur einer Richtung bewegbar ist. In den beiden anderen Richtungen zur Positionierung der Drehachse mit dem zu messenden Werkstück und dem Sensor zueinander, erfolgt dies durch Bewegung des Sensors. Hier kann das Klemmmittel an einer der beiden Messachsen zur Bewegung des Sensors angebracht sein.
Bevorzugterweise sieht die Erfindung vor, dass zur Kopplung des Klemmmittels mit dem Betätigungsmittel die Antriebseinheit zur Bewegung des Klemmmittels angesteuert wird.
Die Erfindung zeichnet sich auch dadurch aus, dass zur Kopplung des Klemmmittels mit dem Betätigungsmittel eine oder mehrere Messachsen des Koordinatenmessgerätes angesteuert werden.
Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung, insbesondere Messung, geometrischer Merkmale an Werkstücken mit einem taktil-optischen Sensor.
Taktil-optische Sensoren für die Koordinatenmesstechnik sind von der Anmelderin aus diversen Schriften bereits bekannt. In der EP 0 988 505 wird eine biegeelastische Tasterverlängerung beschrieben, bei der die Auslenkung, insbesondere die laterale Auslenkung des Antastformelementes, durch einen Bildverarbeitungssensor ermittelt wird. In der EP 1 528 354 erfolgt eine Weiterbildung zu einem Sensor, bei dem auch die vertikale Auslenkung bestimmt wird. Zudem ist eine von der Tasterverlängerung ausgehende Marke vorgesehen, die anstatt des Antastformelementes mit dem Bildverarbeitungssensor erfasst wird, um die laterale Auslenkung des Antastformelementes zu bestimmen. Eine entsprechende Weiterbildung findet sich auch in der WO 2011 064 339 der Anmelderin. In dieser wird unter anderem beschrieben, wie über eine wellenselektive Teilerschicht aus dem gleichen Beleuchtungsstrahl einerseits Licht in die Tasterverlängerung eingekoppelt werden kann, um ein Eigenleuchten des Antastelementes (auch als Antastformelement bezeichnet) oder einer Marke für die Bestimmung der lateralen Auslenkung zu erzielen, und andererseits ein reflektierter Messstrahl für die Bestimmung der vertikalen Auslenkung mit einem optischen Antastsensor generiert werden kann. Die DE 10 2010 060 124 der Anmelderin beschriebt, wie für den Fall einer zusätzlichen Marke an der Tasterverlängerung mit einer Optik mit einstellbarem Arbeitsabstand oder zwei Strahlengängen abwechselnd bzw. gleichzeitig die Marke und das Antastformelement erfasst werden können.
Nachteilig beim Stand der Technik ist jedoch, dass während der Messung mit dem lateral messenden Sensor, also während der Bestimmung der lateralen Auslenkung des Antastelementes, durch Erfassung des Antastformelementes oder der Marke mit dem Bildverarbeitungssensor, während des Eigenleuchtens des Antastformelements bzw. der Marke, sämtliches Umgebungslicht, insbesondere möglicherweise vorhandene Hellfeld- oder Dunkelfeld-Auflichtbeleuchtungen oder Durchlichtbeleuchtungen des Koordinatenmessgerätes abgeschaltet sein müssen, da anderenfalls die Messung der Auslenkung des Antastformelementes bzw. der Marke mit dem Bilderverarbeitungssensor gestört werden würde. Daher ist es nicht möglich, während der Messung mit dem taktil-optischen Sensor den Messvorgang zu beobachten oder gleichzeitig Bilderverarbeitungsmessungen vorzunehmen oder eine separate Sensorik z. B. seitlich schräg auf das Objekt gerichtet, einzusetzen. Eine naheliegende Lösung, nämlich abwechselnd die Beleuchtung für den taktil-optischen Sensor und das Umgebungslicht einzuschalten und entsprechend getaktet den Bilderverarbeitungssensor des taktil-optischen Sensors auszulesen, führt zu einem komplexen und entwicklungstechnisch anspruchsvollen Aufbau, der es insbesondere nicht erlaubt, mit hoher Geschwindigkeit, beispielsweise im Scanningmodus, zu arbeiten.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, die Beobachtung des Messvorgangs mit einem taktil-optischen Sensor mit möglichst einfachen Mitteln zu ermöglichen. Eine weitere Aufgabe besteht darin, gleichzeitig zur taktil-optischen Messung eine Bildverarbeitungsmessung der Werkstückoberfläche direkt zu realisieren.
Zur Lösung sieht die Erfindung daher vor, dass der taktil-optische Sensor eine Werkstückbeleuchtung aufweist, deren Wellenlängenbereich sich nicht vollständig mit der für die Messung mit dem taktil-optischen Sensor vorgesehenen Sensorbeleuchtung überdeckt. Bei der Auswertung des vom Werkstück reflektierten oder durch dieses abgeschatteten Lichts und des von der Tasterverlängerung ausgehenden Lichts ist dann vorgesehen, die Wellenlängenbereiche oder zumindest einen Teil des Wellenlängenbereichs des Sensorlichtes zu separieren, die bzw. der nicht von dem Wellenlängenbereich des Werkstücklichts überdeckt werden. So ist es möglich, gleichzeitig eine Messung der lateralen Auslenkung des Antastelementes bzw. der Marke vorzunehmen und das Werkstücklicht zu nutzen, um eine Darstellung auf beispielsweise einem Bildschirm und/oder eine Auswertung im Sinne einer Bildverarbeitungsmessung durchzuführen.
Zur Generierung der Werkstückbeleuchtung und der Sensorbeleuchtung sind nach dem Stand der Technik Mittel bekannt, die eine Beschränkung des jeweiligen Wellenlängenbereichs erlauben, wie beispielsweise wellenselektive Strahlteiler wie Diehroide oder eine Kombination aus neutralen Strahlteilern und entsprechenden Wellenlängenfiltern (Rotfilter, Grünfilter, Blaufilter, Bandpass, Bandsperre, Interferenzfilter usw.). Ebenso sind Mittel vorgesehen und aus dem Stand der Technik bekannt, um das Werkstücklicht und Sensorlicht entsprechend der gewünschten Wellenlängenbereiche wieder aufzutrennen. Zur Auswertung der getrennten Wellenlängenbereiche sieht die Erfindung separate Kameras, den abwechselnden Betrieb einer Kamera zur Auswertung des Werkstücklichts bzw. Sensorlichts oder eine Farbkamera, deren Farbkanäle den einzelnen Wellenlängenbereichen zugeordnet sind, vor.
Insbesondere ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung ein erfindungsgemäßes Verfahren, bei dem gleichzeitig eine taktil-optische Messung und eine Bildverarbeitungsmessung vorgenommen werden kann.
Auch sieht die Erfindung vor, dass durch Ergänzung eines Abstandsensors auch die vertikale Auslenkung des Antastelementes realisiert wird, wie dies nach oben genanntem Stand der Technik bereits vorgesehen ist.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst einen taktil-optischen Sensor zur Messung von geometrischen Merkmalen an Werkstücken, vorzugsweise zum Einsatz in einem Koordinatenmessgerät, umfassend eine biegeelastische Tasterverlängerung von der zumindest ein Antastelement zur Berührung des zu messenden Werkstücks ausgeht, und von der vorzugsweise eine Marke ausgeht, und umfassend einen lateral messenden optischen Sensor wie Bildverarbeitungssensor zur Bestimmung der lateralen Auslenkung des Antastelementes durch Erfassung des Antastelementes oder der Marke, sowie umfassend eine Sensorbeleuchtung zur Beleuchtung des Antastelementes und/oder der Marke, und zeichnet sich dadurch aus, dass der taktil-optische Sensor eine Werkstückbeleuchtung aufweist, deren Wellenlängenbereich den Wellenlängenbereich der Sensorbeleuchtung nicht oder nicht vollständig überdeckt, und dass der lateral messende optische Sensor Mittel zur Auswertung des vom Werkstück reflektierten oder abgeschatteten Lichts (Werkstücklicht) und des von dem Antastelement und/oder der Marke ausgehenden Lichts (Sensorlicht) aufweist, die ausgebildet sind, zumindest einen Teil des Wellenlängenbereichs des Sensorlichts, der nicht von dem Wellenlängenbereich des Werkstücklichts überdeckt wird, zu separieren.
Die Werkstückbeleuchtung ist bevorzugt eine Auflichtbeleuchtung und erfolgt durch ein Frontobjektiv, und das Werkstücklicht ist dann vom Werkstück reflektiertes Licht. Die Erfindung sieht aber auch vor, eine Durchlichtbeleuchtung als Werkstückbeleuchtung zu verwenden. Das Werkstücklicht ist dann vom Werkstück abgeschattetes Licht.
Insbesondere zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass auf der dem Werkstück zugewandten Seite des Taktil-optischen Sensors eine Frontoptik angeordnet ist, die Werkstücklicht und Sensorlicht erfasst und dem Bildverarbeitungssensors zuführt.
Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass der Bildverarbeitungssensor Mittel aufweist zur Separierung zumindest eines Teils des Wellenlängenbereichs des Sensorlichts und zur Weiterverarbeitung des separierten Sensorlichts zur Bestimmung der lateralen Auslenkung des Antastelementes.
Insbesondere zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass der Bildverarbeitungssensor Mittel aufweist zur Weiterverarbeitung und Darstellung zumindest eines Teils des Wellenlängenbereichs des Werkstücklichts oder des Werkstücklichts und des Sensorlichts auf einem Anzeigemedium wie Bildschirm.
Bevorzugterweise sieht die Erfindung vor, dass der Bildverarbeitungssensor Mittel aufweist zur Weiterverarbeitung zumindest eines Teils des Wellenlängenbereichs des Werkstücklichts oder des gesamten Werkstücklichts zu einer Bildverarbeitungsmessung, insbesondere zur Bestimmung von Messpunkten an Kanten oder der Oberfläche des Werkstücks.
Hervorzuheben ist des Weiteren, dass der lateral messende optische Sensor eine oder mehrere Kameras wie CCD- oder CMOS-Kameras aufweist und dass als Mittel zur Separierung eines Wellenlängenbereichs des Sensorlichts insbesondere Trennung der Wellenlängenbereiche

- Wellenlängenselektive Strahlteiler oder, neutraler Strahlteiler und Filter, angeordnet sind, um die getrennten Wellenlängenbereiche über separierte Strahlengänge separaten Kameras zuzuführen oder
- Wellenlängenselektive Strahlteiler oder, neutraler Strahlteiler und Filter, angeordnet sind, um die getrennten Wellenlängenbereiche über separierte Strahlengänge identischer Kamera abwechselnd zuzuführen, vorzugsweise in den separierten Strahlengängen schaltbare Elemente wie beispielsweise Kippspiegel, Kippspiegelarrays oder zwischen Durchlass und Reflexion schaltbare Elemente wie PDLCs (Polymer Dispersed Liquid Crystal), Powder Displays, SLMs (Spatial Light Modulator) oder LCoS (Liquid Crystal on Silicon) angeordnet sind, oder
- Kamera eine Farbkamera ist, wobei Wellenlängenbereiche ausgeführt sind, so dass sie unterschiedlichen Farbkanälen der Farbkamera zugeordnet sind.

Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass Sensorbeleuchtung und Werkstückbeleuchtung separate Lichtquellen aufweisen, beispielsweise schmalbandige Lichtquelle wie LED, OLED, SLED, Laserdiode o.ä. , beispielsweise rote, grüne oder blaue Lichtquelle, oder jeweiliger Wellenlängenbereich erzeugt wird durch Verwendung breitbandiger Lichtquelle wie Weißlichtquelle in Kombination mit einem oder mehreren Filtern und/oder wellenlängenselektivem Strahlteiler wie beispielsweise Dichroid.
Insbesondere zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass Sensorbeleuchtung und Werkstückbeleuchtung aus identischer Lichtquelle, vorzugsweise breitbandiger Lichtquelle wie Weißlichtquelle, erzeugt werden durch Verwendung zumindest eines Strahlteilers, vorzugsweise wellenlängenselektivem Strahlteiler wie beispielsweise Dichroid und/oder neutralem Strahlteiler und einem oder mehreren Filtern.
Bevorzugterweise sieht die Erfindung vor, dass die Tasterverlängerung eine lichtleitende Faser ist und die Sensorbeleuchtung eine Lichtquelle aufweist, die Licht in die Tasterverlängerung einkoppelt.
Hervorzuheben ist des Weiteren, dass Werkstückbeleuchtung eine Hellfeldbeleuchtung ist, die Licht über die Frontoptik auf das Werkstück richtet oder eine Dunkelfeldbeleuchtung ist, die Licht nicht über die Frontoptik auf das Werkstück richtet.
Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass der taktil-optische Sensor zusätzlich einen vertikal messenden optischen Abstandsensor (Abstandsensor) wie Foucault-Sensor oder chromatischen Sensor oder chromatisch konfokalen Sensor oder Fokussensor aufweist, der ausgebildet ist, das Tastelement oder die Marke oder eine weitere von der Tasterverlängerung ausgehende (zweite) Marke wie vom Werkstück abgewandtes Ende der Tasterverlängerung zu erfassen und vertikale Auslenkung des Antastelementes zu bestimmen.
Insbesondere zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass Messlicht des Abstandsensors Wellenlängenbereich aufweist der nicht oder nicht vollständig vom Wellenlängenbereich der Werkstückbeleuchtung überdeckt wird.
Bevorzugterweise sieht die Erfindung vor, dass Messlicht des Abstandsensors Wellenlängenbereich aufweist der nicht oder nicht vollständig vom Wellenlängenbereich der Sensorbeleuchtung überdeckt wird.
Die Erfindung sieht zur Lösung auch ein Verfahren zum Betreiben des zuvor beschriebenen taktil-optischen Sensors zur Messung geometrischer Merkmale an Werkstücken, vorzugsweise Betreiben in einem Koordinatenmessgerät, vor, dass sich dadurch auszeichnet, dass während der Messung Werkstückbeleuchtung und Sensorbeleuchtung gleichzeitig eingeschaltet werden und zumindest ein Teil des Wellenlängenbereichs des Sensorlichts, der nicht von dem Wellenlängenbereich des Werkstücklichts überdeckt wird, separiert und zur Bestimmung der lateralen Auslenkung des Antastelementes weiterverarbeitet wird.
Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass zumindest ein Teil des Wellenlängenbereichs des Werkstücklichts, vorzugsweise Werkstücklicht und Sensorlicht auf einem Anzeigemedium wie Bildschirm dargestellt werden.
Insbesondere zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass zumindest ein Teil des Wellenlängenbereichs des Werkstücklichts zur Bildverarbeitungsmessung, insbesondere zur Bestimmung von Messpunkten an Kanten oder der Oberfläche des Werkstücks verwendet wird.
Kanten werden dabei bevorzugt erfasst, wenn die Werkstückbeleuchtung eine Durchlichtbeleuchtung ist, und Oberflächen, wenn die Werkstückbeleuchtung eine Auflichtbeleuchtung ist.
Bevorzugterweise sieht die Erfindung vor, dass Antastelement und/oder Marke im Eigenleuchten betrieben werden, indem als Tasterverlängerung eine lichtleitende Faser verwendet wird und als Sensorbeleuchtung eine Lichtquelle verwendet wird, die Licht in die Tasterverlängerung einkoppelt.
Hervorzuheben ist des Weiteren, dass vertikale Auslenkung des Tastelementes durch einen vertikal messenden optischen Abstandsensor ermittelt wird und gemeinsam mit der lateralen Auslenkung des Antastelementes Messpunkte gebildet werden, die zur Messung der geometrischen Merkmale herangezogen werden.
Die Erfindung zeichnet sich auch dadurch aus, dass die Messung durch Scannen mit dem taktil-optischen Sensor erfolgt.
Gegenstand einer selbstständigen Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Softwarebasierten und konstruktiven Temperaturkompensation von Multisensorkoordinatenmessgeräten.
Bei den bekannten Verfahren zur Kompensation von temperaturbedingten Messabweichungen von Koordinatenmessgeräten (KMG) werden bislang ausschließlich die Längenausdehnung der Maßstäbe und der Werkstücke berücksichtigt. Längen- und Formabweichungen und andere temperaturabhängige physikalische Effekte einzelner Gerätekomponenten sowie Sensordrifts (absolut und relativ) werden nicht berücksichtigt, sodass eine Kompensation im Submikrometerbereich nur unzureichend und nur bei erhöhten Umgebungsanforderungen zu gewährleisten ist. Insbesondere Temperatureffekte in Folge von Temperaturgradienten und dynamischen Temperaturänderungen werden bislang nicht kompensiert, welche durch interne Wärmequellen, wie Antriebe, Lichtquellen, Elektronikkomponenten und/oder Wärmesenken wie Luftlager und schwankende Umgebungsbedingungen hervorgerufen werden.
Weitere temperaturbedingte Messabweichungen sind auf unterschiedliche Komponenten des Sensors oder des KMGs zurückzuführen. Sensorkomponenten sind beispielsweise Kamera, Halteelemente, elektronische Komponenten oder auch optische Abbildungselemente wie Linsen, Blenden, Teiler, optische Filter. Als Komponenten des KMGs sind beispielsweise die Achsen und der gesamte Geräterahmen zu nennen.
Im bekannten Stand der Technik, beispielweise in der DE102010060124A1 und der EP2284485B1 der Anmelderin werden lediglich sehr einfache und auf einen bestimmten Teilaspekt gerichtete Vorrichtungen und Verfahren zur Temperaturkompensation beschrieben. In der DE102010060124A1 ist das Anbringen eines Temperatursensors am Kamerachip eines optischen Sensors vorgesehen. Das konkrete Vorgehen und das Verfahren der Temperaturkompensation werden dabei nicht näher erläutert. In der EP2284485B1 wird das Anbringen von Temperatursensoren lediglich an den Verbindungselementen zwischen mehreren Sensoren vorgeschlagen. Eine ganzheitliche Lösung für das gesamte KMG fehlt jedoch.
Die Nachteile des Stands der Technik treten in der hier beschrieben Erfindung nicht auf. Die beschriebene Erfindung ermöglicht es den thermischen Einfluss sämtlicher einzelner Komponenten auf die resultierende Messung zu beschreiben und sowohl softwareseitig als auch konstruktiv temperaturinduzierte Messabweichungen zu korrigieren oder zu kompensieren.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, temperaturbedingte Messabweichungen durch eine differenzierte Kompensation der einzelnen Sensor- /und Gerätekomponenten des KMGs zu korrigieren. Insbesondere sollen Temperatureinflüsse auf die Brechzahl optischer Komponenten in Sensoren, beispielsweise auf optische Linsen modelliert und kompensiert werden.
Zur Lösung sieht die Erfindung vor, dass das thermische Verhalten einzelner Komponenten modelliert wird und diese Modelle zur softwarebasierten Kompensation der Maschinenkoordinaten und der Gerätesignale genutzt werden oder ein empirischer Zusammenhang bestimmt wird. Als Gerätesignale sind beispielsweise Signale des Sensorsystems, Positionssignale der Geräteachsen, Signale der Temperaturmessungen und alle anderen in der Steuerung verfügbaren Sensorsignale zu verstehen.
Die Erfindung umfasst ein Verfahren zur Temperaturkorrektur von Koordinaten von Messpunkten und/oder daraus gebildeter Maße geometrischer Merkmale an einem Werkstück und/oder von Positionen der Geräteachsen (Achspositionen) eines Koordinatenmessgerät (KMG), für dimensionelle Messungen an einem Werkstück mittels eines KMGs mit zumindest einem Sensorsystem, vorzugsweise optischem und/oder taktilem und/oder optisch-taktilem und/oder computertomographischem Sensorsystem, das sich dadurch auszeichnet, dass der Einfluss des thermischen Verhaltens mindestens einer Komponente des KMGs auf temperaturbedingte Messabweichungen durch ein Modell bzw. Rechenvorschrift des thermischen Verhaltens unter Verwendung mindestens einer der jeweiligen Komponente zugeordneten Temperatur korrigiert wird.
Nach einem besonders hervorzuhebenden Vorschlag ist vorgesehen, dass die Formänderung und/oder Längenänderung und/oder Brechungseigenschaften von Linsen oder Linsenpaketen und/oder andere physikalische Effekte mit Einfluss auf die temperaturbedingten Messabweichungen infolge von Temperaturänderungen von mindestens einer Komponente eines KMGs, insbesondere eines Sensorsystems des KMGs softwaretechnisch berücksichtigt und korrigiert wird.
Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass auf Basis der zumindest einem dem Sensorsystem zugeordneten gemessenen Temperatur, die Relativposition zwischen Sensorsystem und Werkstück und/oder Relativposition zwischen Sensorsystem und Achspositionen der Geräteachsen (Geräteposition) und/oder Relativposition zu zumindest einem weiteren Sensorsystem und/oder die Messwerte des Sensorsystems und/oder die Geräteposition korrigiert werden.
Hervorzuheben ist, dass zur Temperaturkorrektur ein Modell bzw. Rechenvorschrift genutzt wird, das mindestens eine zugeordnete Temperatur und/oder die Zeit und/oder andere Gerätesignale berücksichtigt.
Des Weiteren zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass zur Temperaturkorrektur physikalisch/analytische Modelle oder empirische Modelle, vorzugsweise Polynomvorschrift und/oder Polygonvorschrift und/oder Autoregressionsverfahren und/oder künstliche neuronale Netze und/oder andere Regressionsverfahren, verwendet werden.
Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass die temperaturbedingten Messabweichungen softwareseitig mit dem Modell kompensiert werden und das Modell vorzugsweise echtzeitfähig ist.
Hervorzuheben ist, dass die Parametrierung der Modelle zur Temperaturkorrektur durch experimentelle Modellbildung, vorzugsweise Messung des Zusammenhangs der Temperatur und dem Verhalten der Komponente, und/oder Parameterbestimmung aus Simulation, wie thermo-mechanische Finite Elemente Methode (FEM) und/oder Raytracingsimulationen, erfolgt und/oder Parametrierung aus Datenblättern und/oder Werkstoffparametern erfolgt.
Des Weiteren zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass die Parametrierung einmalig für eine KMG-Geräteklasse und/oder ein Sensorsystem durchgeführt wird und/oder die Parametrierung in periodischen Zeitabständen durch Messungen am KMG durchgeführt wird und/oder die Parametrierung während Wiederholmessungen durch rekursive Rechenvorschriften optimiert wird.
Als KMG- Geräteklasse sind die unterschiedlichen Gerätebauweisen zu verstehen, welche sich in ihrer konstruktiven Gestalt und Genauigkeitsanforderungen unterscheiden. (vgl. Christoph et. al. (2013), Multisensorkoordinatenmesstechnik, S. 56ff.)
Hervorzuheben ist, dass im Modell der Temperaturkorrektur die Abhängigkeit der Brennweite und/oder des Brechungsindex und/oder der Position einer optischen Komponente, wie Objektiv, eines Sensorsystems von der Temperatur einzelner Linsen und/oder Linsenpakete und/oder des Grundkörpers zur Aufnahme der optischen Komponenten, berücksichtigt wird, vorzugsweise Einfluss infolge temperaturabhängiger Längenänderungen und/oder infolge Brechzahländerungen der Linsen auf das Sensorsignal und/oder auf die optische Abbildung mit der optischen Komponente modelliert werden
Die Erfindung zeichnet sich auch dadurch aus, dass die Abhängigkeit der Temperatur einzelner Linsen oder Linsenpakete auf das Sensorsignal durch eine Kennlinie oder Kennfeld über eine experimentelle Messung durch die Variation der Temperaturen mit einem Peltierelement und/oder durch physikalische/analytische Modellbildung ermittelt werden.
Des Weiteren zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass die Korrektur des temperaturabhängigen Brechungsindex für mindestens ein optisches und/oder optisch-taktiles Sensorsystem erfolgt, vorzugsweise das Sensorsystem zumindest aus einem Bildverarbeitungssensor und/oder zumindest einem optischen Abstandssensor wie Laserabstandssensor oder Liniensensor oder chromatischen Sensor oder flächig messendem Sensor wie konfokalen Sensor besteht.
Hervorzuheben ist, dass die Abbildungsfehler einer optischen Komponente korrigiert werden indem das Sensorsignal des die optische Komponente aufweisenden Sensorsystems entsprechend korrigiert wird.
Die Erfindung zeichnet sich auch dadurch aus, dass der Einfluss der Umgebungstemperatur, des Luftdrucks und der Luftfeuchtigkeit im Modell berücksichtigt wird.
Auf Grundlage der Modelle werden zur Effizienzsteigerung konstruktive Maßnahmen zur Temperaturkompensation umgesetzt. Zusätzlich werden Temperatursensoren an entsprechende Komponenten des KMGs angebracht.
Daher sieht die Erfindung zur Lösung auch eine Vorrichtung vor, die mindestens einen Temperatursensor an oder in der Nähe der Komponenten des KMGs angeordnet sind, deren Temperatur Einfluss auf die dimensionelle Messung hat, insbesondere Sensorkomponente und/oder Gerätkomponente, besonders bevorzugt Wärmequelle, und/oder mindestens ein Temperatursensor in der Umgebungsluft des KMGs. Insbesondere auch die Anordnung an den Antrieben, Lichtquellen, Elektronikkomponenten und/oder Wärmesenken wie Luftlager ist vorgesehen. Mittels einer entsprechend ausgebildeten Auswerte- bzw. Recheneinheit wird die Temperaturkorrekt der Messwerte für die dimensionelle Messung des Werkstücks vorgenommen.
Die Erfindung umfasst eine Vorrichtung zur Temperaturkorrektur von Koordinaten von Messpunkten und/oder daraus gebildeter Maße geometrischer Merkmale an einem Werkstück und/oder von Positionen der Geräteachsen (Achspositionen) eines Koordinatenmessgerät (KMG), für dimensionelle Messungen an einem Werkstück mittels eines Koordinatenmessgeräts (KMG) zumindest aufweisend ein Sensorsystem, vorzugsweise optisches und/oder taktiles und/oder optisch-taktiles und/oder computertomographisches Sensorsystem, die sich dadurch auszeichnet, dass mindestens ein Temperatursensor an oder in der Nähe mindestens einer Komponente des KMGs angeordnet ist, deren Temperatur Einfluss auf die dimensionelle Messung hat, insbesondere Sensorkomponente und/oder Gerätkomponente, besonders bevorzugt Wärmequelle, und/oder mindestens ein Temperatursensor in der Umgebungsluft angeordnet ist, und dass die Vorrichtung eine Recheneinheit umfasst die dafür ausgebildet ist zumindest die Messsignale der Temperatursensoren zu verarbeiten und durch Anwendung eines Modells bzw. einer Rechenvorschrift des thermischen Verhaltens mindestens einer der jeweiligen Komponente und der der jeweiligen Komponente zugeordneten Temperatur, die Temperaturkorrektur vorzunehmen.
Besonders hervorzuheben ist, dass zumindest ein Temperatursensor ein Oberflächentemperaturfühler ist, der direkt an oder nahe der Komponente mit thermischem Einfluss auf die Messung angeordnet ist.
Insbesondere zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass zumindest ein Temperatursensor direkt an oder nahe der Linsen oder Linsenpakete oder Linsen bzw. Linsenpakete aufnehmenden Grundkörper, insbesondere zwischen zwei Linsen bzw. Linsenpaketen am Grundkörper, einer optischen Komponente eines Sensorsystems angeordnet ist.
Bevorzugterweise sieht die Erfindung vor, dass zumindest ein Temperatursensor an oder nahe den Wärmequellen und/oder Wärmesenken wie Servomotoren und/oder Elektronikkomponenten und/oder Beleuchtungen und/oder Luftlagern angeordnet ist.
Besonders hervorzuheben ist, dass thermische Isolatoren zur Verminderung globaler Temperaturerhöhungen um die oder an den Komponenten des KMGs, vorzugsweise an oder nahe der Wärmequellen und/oder Wärmesenken angeordnet sind.
Insbesondere zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass Komponenten des KMGs zumindest teilweise aus Werkstoffen mit hoher thermischer Leitfähigkeit zur Homogenisierung der räumlichen Temperaturverteilungen ausgebildet sind.
Bevorzugterweise sieht die Erfindung vor, dass Mittel zur aktiven und/oder passiven Kühlung zur Reduzierung des Temperaturniveaus und/oder Heizung zur Erhöhung des Temperaturniveaus und/oder zur Erzielung eines definierten Wärmeflusses an oder nahe den Wärmequellen und/oder Wärmesenken angeordnet sind.
Besonders hervorzuheben ist, dass Komponenten des KMGs zumindest teilweise aus Werkstoffen mit gezieltem thermischen Längenänderungskoeffizienten ausgebildet sind, um Längen- und Formänderungen in Abhängigkeit der Temperatur gezielt zu beeinflussen, vorzugsweise so dass eine Kompensation durch gegenläufige Ausdehnungen erzielt wird.
Insbesondere zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass Wärmequellen von temperaturempfindlichen Komponenten räumlich getrennt werden, vorzugsweise indem das Licht einer räumlich getrennten Lichtquelle durch eine Faser zumindest über eine Teilstrecke der Strecke bis zum Lichtaustrittsort übertragen wird.
Bevorzugterweise sieht die Erfindung vor, dass Mittel zur Beheizung der Druckluft für die Luftlager angeordnet sind.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen - für sich und/oder in Kombination - sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung der Figuren.
Es zeigen:

1 eine Prinzipdarstellung des erfindungsgemäßen Multisensor-Messkopfs,
2 eine Prinzipdarstellung für die Ermittlung des Kombinationsbildes,
3 eine Prinzipdarstellung des erfindungsgemäßen Koordinatenmessgerätes mit einer Drehachse mit Backenfutter in einer ersten Ausgestaltung,
4 eine Prinzipdarstellung des erfindungsgemäßen Koordinatenmessgerätes mit einer Drehachse mit Backenfutter in einer zweiten Ausgestaltung,
5 Schematische Darstellung eines temperaturkompensierten MultisensorKoordinatenmessgeräts,
6 Blockschaltbild der softwareseitigen Temperaturkompensation eines temperaturkompensierten Multisensorkoordinatenmessgeräts und
7 Versuchsaufbau zur Bestimmung der temperaturabhängigen Fokuspunktverschiebung eines optischen Sensors.

1 zeigt einen Multisensor-Messkopf 24 eines hier nicht dargestellten Koordinatenmessgeräts. Der Multisensor-Messkopf 24 ist an dem Koordinatenmessgerät, beispielsweise an einer Pinole anbringbar. Multisensor-Messkopf 24 und Werkstück 3 sind in zwei oder drei Richtungen mittels der Messachsen des Koordinatenmessgeräts relativ zueinander verschiebbar.
Der Multisensor-Messkopf 24 umfasst zumindest den erfindungsgemäßen Bildverarbeitungssensor 1, der hier auch losgelöst vom Multisensor-Messkopf 24 erfindungsgemäß vorgesehen ist. Der Strahlteiler 2 teilt den vom Werkstück 3 verlaufenden Abbildungsstrahlengang in einen ersten Bildverarbeitungsstrahlengang 4 und einen zweiten Bildverarbeitungsstrahlengang 5 auf. In dem ersten Bildverarbeitungsstrahlengang 4 ist eine erste Optik 6 und eine erste Kamera 7 angeordnet, in dem zweiten Bildverarbeitungsstrahlengang 5 ist eine zweite Optik 8 und eine zweite Kamera 9 angeordnet. Erste Optik 6 und zweite Optik 8 weisen unterschiedlich große Abbildungsmaßstäbe auf, beispielsweise Abbildungsmaßstab 1 und Abbildungsmaßstab 5 bis 20.
Nach einer besonderen erfinderischen Ausgestaltung ist der Bildverarbeitungssensor 1 zu dem Multisensor-Messkopf 24 weitergebildet. Dabei wird durch einen weiteren Strahlteiler 10 ein Strahlengang zu einem chromatischen Abstandssensor 11 ein- bzw. ausgespiegelt. Hierzu ist zudem eine eine chromatische Aberration aufweisende chromatische Linse 12 vorgesehen, die zwischen dem Strahlteiler 10 und dem Werkstück 3 angeordnet ist. Bei dem chromatischen Sensor 11 handelt es sich um eine Anordnung nach dem Stand der Technik, bei der eine hier nicht dargestellte und beispielsweise auch außerhalb des Multisensor-Messkopfs 24 angeordnete Weißlichtquelle, deren Licht beispielsweise mittels einer Lichtleifaser zu dem Multisensor-Messkopf 24 übertragen wird, zur Beleuchtung des Werkstücks 3, und ein wellenlängenselektiver Detektor, wie Spektrometer, der ebenfalls auch Fasergebunden außerhalb des Multisensor-Messkopfs 24 angeordnet sein kann, zur Analyse der vom Werkstück 3 reflektierten Wellenlängenanteile der Weißlichtquelle eingesetzt werden. Der Fasereintritt der zum wellenlängenselektiven Detektor verlaufenden Faser, die im vom Detektor und der Lichtquelle abgewandten Bereich auch mittels beispielsweise Faserkoppler gemeinsam verlaufen können, bildet dabei beispielsweise die für das chromatische Messprinzip benötigte Konfokal-Blende. Der Strahlteiler 10 ist erfindungsgemäß so ausgeführt, dass vollständiges Licht-Spektrum vom bzw. zum chromatischen Sensor 11 geleitet wird. Damit dem Bildverarbeitungssensor 1 nur ein scharfes Bild zur Verfügung gestellt wird, ist die Einschränkung auf einen schmalbandigen Wellenlängenbereich erforderlich. Hierzu ist der Strahlfilter 13 vorgesehen, der nur rote Lichtanteile hindurch lässt.
Nach einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform der Vorrichtung ist eine Hellfeldeinspiegelung vorgesehen. Hierzu ist ein weiterer, insbesondere neutraler Teiler 14 angeordnet, der das Licht einer Hellfeldlichtquelle 15 auf das Werkstück richtet.
Nach einer wiederum weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform der Vorrichtung ist ein weiterer Strahlteiler 16 vorgesehen, der eine Ein- und Auskopplung des Strahlengangs eines optischen Laserabstandssensors 17, insbesondere Foucault-Sensor realisiert. Der Strahlteiler 16 ist neutral ausgeführt und im zum Laserabstandsensor 17 verlaufenden Strahlengang ist ein Strahlfilter 18 vorgesehen, der einen schmalbandigen Bereich, vorzugsweise grünes Licht, zu dem Laserabstandsensor 17 durchlässt.
Die hier dargestellten Strahlengänge verlaufen werkstückseitig alle auf der gemeinsamen optischen Achse 19 zu bzw. vom Werkstück 3. Hierdurch wird eine gleichzeitige Funktionalität in Bezug auf die identische Stelle der Oberfläche des Werkstücks 3 realisiert. Dies ermöglicht beispielsweise den gemeinsamen, auch gleichzeitigen Betrieb der Abstandssensoren 11 und/oder 17 und der Bildverarbeitungsstrahlengänge 4 und 5.
Aus den mit den Kameras 7 und 9 aufgenommenen Bildern kann daher ein kombiniertes Bild berechnet und angezeigt werden. Die entsprechende Anzeigeeinheit des Koordinatenmessgerätes ist hier nicht dargestellt. Zudem können gleichzeitig zu dem Bildverarbeitungssensor 1 eine oder beide der Abstandssensoren 12, 17 betrieben werden. Dies ermöglicht beispielsweise das Scharfstellen der Abbildung für den Bildverarbeitungssensor 1 durch Bewegung der entsprechend entlang der optischen Achse 18 verlaufenden Messachse des Koordinatenmessgerätes, dient aber auch zur Beobachtung und Einstellung des mit den Abstandssensoren 11 oder 17 zu erfassenden Bereiches mittels des Bildverarbeitungssensors 1.
In der 2 wird das Prinzip der Aufnahme der Bilder mit den beiden Bilderverarbeitungsstrahlengängen 4 und 5 und der Berechnung und Darstellung eines Kombinationsbildes 22, 23 dargestellt. Aus dem Bild 20 der ersten Kamera 7, welches eine relativ hohe Pixelgröße aufweist, und dem Bild 21 der zweiten Kamera 9, welches eine relativ dazu geringere Pixelgröße aufweist, wird das Kombinationsbild 22 berechnet. Im inneren Bereich 22a weist das Kombinationsbild zunächst die höhere Auflösung des Bildes 21 auf und im äußeren Bereich 22b die Auflösung bzw. Pixelgröße des geringer aufgelösten Bildes 20. In einem nächsten Schritt wird mittels Resampling für das gesamte Kombinationsbild 22 ein geresampeltes Kombinationsbild 23 mit äquidistantem Pixelraster berechnet, das beispielsweise die Pixelgröße des Bildes 21 aufweist. Das Resampling im Bereich 22b erfolgt mittels der bekannten Verfahren durch Interpolation der Grauwerte an den zwischen den ursprünglich vorhandenen Pixeln liegenden Positionen.
Bei Verwendung einer elektronischen Zoomfunktion (auch als digitale Zoomfunktion bezeichnet) wird beispielsweise der Bereich 23c des Kombinationsbildes 23 vergrößert auf dem Bildschirm dargestellt.
3 zeigt ein erfindungsgemäßes Koordinatenmessgerät mit einer Drehvorrichtung (Drehachse) 32 in einer ersten bevorzugten Ausführungen für die Anordnung und Funktionsweise des Klemmmittels 39. Ausgehend von einer Basis (Gerätebasis) 30 ist ein in zu dieser in X- und Y-Richtung mittels der nicht gesondert dargestellten Messachsen des Koordinatenmessgeräts beweglicher Messtisch 31 angeordnet, der die Drehachse 32 aufnimmt. Zudem geht von der Basis 30 ein Verbindungsträger 35 aus, hier beispielhaft L-förmig ausgeprägt, an dem die in Z-Richtung mittels einer Messachse des Koordinatenmessgeräts bewegliche Sensoraufnahme (auch als Pinole bezeichnet) 36 angeordnet ist, welche wiederrum den zur Messung eines Werkzeugs 34 verwendeten Sensor 37 aufnimmt. Beispielhaft ist ein taktiler Sensor 37 dargestellt. Es sind alternativ oder zusätzlich auch andere Sensoren vorgesehen, beispielsweise optische Sensoren oder taktil-optische Sensoren.
Die Drehachse 32 weist den feststehenden Teil 32a und den drehbaren Teil 32b auf. Am drehbaren Teil 32b ist das Werkzeugfutter 33, hier als Backenfutter ausgeführt, angeflanscht, welches zusammen mit dem drehbaren Teil 32b der Drehachse 32 drehbar ist. Das Backenfutter 33 weist das relativ zu den restlichen Baugruppen des Backenfutters 33 drehbare Betätigungsmittel 33a auf, das hier als Spannring ausgeführt ist. Durch Drehen des Spannrings 33a öffnen bzw. schließen sich, je nach Drehrichtung, die Backen 33b des Backenfutters 33, zwischen denen der Schafft des Werkstücks bzw. Werkzeugs 34 eingespannt ist.
Nach der ersten bevorzugten Ausführung geht das erfindungsgemäße Klemmmittels 39, hier als Gabel mit innenliegenden Flachstellen ausgeführt, von einer Antriebseinheit 38 aus, die eine Bewegung des Klemmmittels 39 in Y-Richtung realisiert und von dem feststehenden Teil 32a der Drehachse 32 ausgeht. Um einen Formschluss zwischen den abgeflachten Innenseiten des gabelförmigen Klemmmittels 39 und dem Spannring 33a zu realisieren, weist der Spannring 33a vier um 90° versetzte Abflachungen auf, von denen drei Abflachungen durch die Bezugszeichen 33a-1 bis 33a-3 gekennzeichnet sind. Ist der Formschluss hergestellt, wird der bewegliche Teil 32b der Drehachse 32 gedreht, wobei der Spannring 33a geklemmt ist, sich also nicht mit dreht. Hierdurch dreht sich der Spannring 33a relativ zum Rest des Werkzeugfutters 33, wodurch sich, je nach Drehrichtung die Backen 33b öffnen bzw. schließen. Alternativ kann die Antriebseinheit 38 mit dem Klemmmittel 39 auch ober- oder unterhalb des Spannrings 33a angeordnet sein und der Formschluss durch Bewegung in Z-Richtung erfolgen. Auch eine Mischung der beiden Richtungen ist möglich, wobei die Bewegungsrichtung senkrecht zur Richtung der Achse steht, um die sich der drehbare Teil 32b der Drehachse 32 dreht.
Die zweite bevorzugte Ausführung wird in 4 dargestellt, für die die gleichen Bezugszeichen gelten, wie für 3. Im Vergleich zu 3 ist das Klemmmittel 39 nun nicht mittels der Antriebseinheit 38 an der Drehachse 32 angeordnet, sondern über den Halter 40 mit der Basis 30 fest verbunden. Der Formschluss zwischen dem Klemmmittel 39 und dem Spannring 33a wird hier durch Bewegen des Messtisches 31 mit den Messachsen des Koordinatenmessgeräts in Y-Richtung realisiert. Gegebenenfalls ist zuvor eine Ausrichtung des Messtisches in X-Richtung notwendig.
Alternativ kann das Klemmmittel 39 auch an dem Verbindungsträger 35 fest angeordnet sind. Nach einer weiteren Alternative kann das Klemmmittel 39 auch an der Pinole 36 befestigt sein, wobei gegebenenfalls eine Ausrichtung in Z-Richtung dem Formschluss vorausgeht. Auch vorgesehen ist, dass zusätzlich das Antriebsmittel 38 verwendet wird.
Erfindungsgemäß ist die Nutzung der Messachsen des Koordinatenmessgerätes für das in Kontakt bringen von Klemmmittel 39 und Spannring 33a auch für sämtliche weitere Bauarten von Koordinatenmessgeräten, beispielsweise mit bewegter Brücke oder mit feststehender Brücke vorgesehen, da hier stets Messachsen vorliegen, die die notwendigen Relativbewegungen zwischen den in Kontakt zu bringenden Teilen realisieren. Das Klemmmittel 39 wird dann entsprechend an einer Stelle, beispielsweise der Brücke oder der Pinole angeordnet, die mindestens in Y-Richtung zur Drehachse 32 beweglich ist.
Die Ausrichtung der Drehachse 32 in X-Richtung der Messachsen des Koordinatenmessgerätes ist rein beispielhaft. Erfindungsgemäß ist für beide bevorzugte Ausgestaltungen nach den 3 und 4 auch eine Ausrichtung in Y- oder Z-Richtung vorgesehen, wobei die Bewegungsrichtung zum in Kontakt bringen entsprechend jeweils senkrecht dazu verläuft.
In 5 ist ein temperaturkompensiertes Multisensorkoordinatenmessgerät 100 dargestellt, welches beispielhaft mit einem taktilen Sensorsystem 103 und einem optischen Sensorsystem 102 ausgerüstet ist. Der Aufbau des optischen Sensorsystems 102 besteht aus mehreren Linsen oder Linsenpaketen 104, 105, welche über einen Grundkörper 106 miteinander verbunden sind. Zur Messung der lokalen Temperaturen werden Temperatursensoren 107, 108, 109 an den charakteristischen Komponenten, hier beispielhaft an dem Grundkörper 106, angebracht. Aus den gemessenen Temperaturen wird die temperaturbedingte systematische Abweichung für die Koordinaten der gemessenen Punkte am Werkstück 101 softwareseitig kompensiert. Zur Bestimmung und Korrektur des temperaturabhängigen Drifts des relativen räumlichen Versatzes zwischen den beiden Sensorsystemen 102 und 103 werden zusätzliche Temperatursensoren 110 am taktilen Sensorsystem 103 angebracht. Beispielhaft wird damit die Drift in der vertikalen Richtung erfasst. Das Vorgehen ist besonders dann von Bedeutung, wenn an einem Werkstück Messungen mit mehreren Sensoren erfolgen, deren Ergebnisse kombiniert werden, also in einem gemeinsamen Koordinatensystem ausgewertet werden.
Um temperaturbedingte Messabweichungen konstruktiv zu kompensieren, wird die lokale Temperaturerhöhung, welche durch die Wärmequellen 113 induziert wird, durch Mittel zur aktiven oder passiven Kühlung 112 gezielt gekühlt. Zusätzlich wird über thermische Isolatoren 111 eine Temperaturerhöhung der Sensorsysteme 102, 103 reduziert.
Anhand der 6 ist ein Blockschaltbild zur Funktionsweise der softwareseitigen Kompensation des temperaturkompensierten KMGs dargestellt. Dabei wird das temperaturabhängige Verhalten der einzelnen Komponenten des KMGs inkl. der Sensorsysteme durch geeignete mathematische Modelle in Abhängigkeit der zugeordneten Temperaturen beschrieben. Die berechnete temperaturabhängige Messabweichung des KMGs und der Sensorsysteme wird von den realen Gerätesignalen abgezogen, um so die temperaturabhängigen Messabweichungen zu reduzieren. T bezeichnet dabei die Temperatur. (x,y,z) bezeichnet die Geräteachsrichtungen. x _soll,KMG ist die vorgegebene Positionsgröße für eine Geräteposition des KMGs. x _Objekt ist eine vorgegebene Referenzgröße für die Sensorposition des jeweiligen Sensors. Die Messgrößen für die KMG- bzw. Sensorpositionen sind mit x _ist, _KMG, und x _ist, _Sensor ₁ bZW. x _ist, _Sensor ₂ bezeichnet und ergeben in Summe die noch bzgl. der Temperatureinflüsse erfindungsgemäß zu korrigierende Istposition des jeweiligen Messpunktes x _Messpunkt. T_1,KMG ist die gemessene Temperatur an den jeweiligen Komponenten 1, 2 usw. des KMGs, T_1,1 an den jeweiligen Komponenten 1, 2 usw. des Sensors 1 und T₁,₂ des Sensors 2 usw. Mittels der erfindungsgemäßen Modellbildung ergeben sich daraus die Korrekturwerte (T)_KMG für die KMG-Komponenten und x(T)_Sensor1, x(T)_Sensor2 usw. für die Sensor-Komponenten, die in Summe die auf x _Messpunkt anzuwendende Korrektur ergeben um die bzgl. Temperatureinflüsse korrigierte Messposition x _{Messpunkt,T-kompensiert} zu bestimmen.
Bezüglich 7 ist der Aufbau zur Bestimmung der temperaturabhängigen Fokuspunktverschiebung eines optischen Sensorsystems dargestellt. Dabei werden an einem optischer Sensor 304 bestehend aus den mehreren Linsen oder Linsenpaketen 302, 303 und der nicht bezeichneten unteren Abbildungslinse, ein Peltierelement 307 und mehrere Temperatursensoren 305, 306, 308 an den charakteristischen Komponenten des Sensorsystems (hier beispielhaft die Teile des Grundkörpers zur Aufnahme der Linsen 302 und 303) angebracht. Durch schrittweise Erwärmung des Sensors 304 kann der Zusammenhang der Temperatur der charakteristischen Komponenten und der Verschiebung der Fokusweite 301 des Fokuspunktes bestimmt werden. Dieser Zusammenhang wird anschließend zur Kompensation der temperaturabhängigen Messabweichung genutzt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1071922 [0002]
EP 1238244 [0003]
EP 0988505 [0060]
EP 1528354 [0060]
WO 2011064339 [0060]
DE 102010060124 [0060]
DE 102010060124 A1 [0091]
EP 2284485 B1 [0091]

Claims

Koordinatenmessgerät, zumindest aufweisend einen Bildverarbeitungssensor (1), der besteht aus zumindest einer Optik (6, 8) zur Abbildung eines zu messenden Werkstücks (3) auf zumindest eine Kamera (7, 9), mindestens einer Kamera (7, 9) und einer Verarbeitungseinheit zur dimensionellen Messung von geometrischen Eigenschaften des Werkstücks (3) aus dem mit der Kamera (7,9) aufgenommenen Bildern des Werkstücks (3), dadurch gekennzeichnet, dass der Bildverarbeitungssensor (1) zumindest einen Strahlteiler (2) zur Aufteilung des vom Werkstück (3) empfangenen Lichts in mindestens zwei separate Bildverarbeitungsstrahlengänge (4, 5) aufweist, wobei jeder Bildverarbeitungsstrahlengang (4, 5) eine separate Optik (6, 8) und eine separate Kamera (7, 9) oder separaten Kamerabereich (beispielsweise einer Mehr-Chip-Kamera) aufweist und wobei die Abbildungsmaßstäbe der Optiken (6,8) unterschiedlich groß sind, wobei vorzugsweise Strahlteiler (2) oder weitere Strahlteiler für weitere Bildverarbeitungsstrahlengänge in ihrem Teilungsverhältnis so ausgelegt und/oder in Bezug auf ihre Position bzw. Reihenfolge im Strahlengang so angeordnet sind, dass die in den verschiedenen Bildverarbeitungsstrahlengängen aufgenommenen Bilder etwa gleiche Helligkeit aufweisen, vorzugsweise indem Bildverarbeitungsstrahlengänge die im Vergleich zu den anderen Bildverarbeitungsstrahlengängen Optiken mit größerem Abbildungsmaßstab aufweisen, größeren Anteil des vom Werkstück kommenden Lichts erhalten.
Verfahren zur dimensionellen Messung geometrischer Eigenschaften eines Werkstücks mit einer Vorrichtung vorzugsweise nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verarbeitungseinheit aus mit zumindest zwei Kameras aufgenommenen Originalbildern ein kombiniertes Bild (Kombinationsbild) berechnet und vorzugsweise auf einem Ausgabemedium wie Bildschirm darstellt.
Koordinatenmessgerät aufweisend zumindest eine Drehvorrichtung (Drehachse) (32) zur Aufnahme eines zu messenden Werkstücks (34) wie Werkzeug, wobei die Drehachse (32) ein Werkstückaufnahme-Futter (33) wie Backenfutter (Werkzeugfutter) aufweist, welches vom drehbaren Teil (32b) der Drehachse (32) ausgeht, und ein Betätigungsmittel (33a) wie Spannring zum Öffnen bzw. Schließen des Werkzeugfutters (33), welches vom drehbaren Teil (32b) der Drehachse (33) ausgeht, dadurch gekennzeichnet, dass ein Klemmmittel (39) wie beispielsweise Gabel vorgesehen ist, das wahlweise mit dem Betätigungsmittel (33a) in Kontakt bringbar ist, um das Betätigungsmittel (33a) für eine Drehbewegung, welche beim Drehen des drehbaren Teils (32b) der Drehachse (32) auftreten würde, zu sperren, wobei das Klemmmittel (39) vorzugsweise von dem feststehenden Teil (32a) der Drehachse (32) oder von einem Teil (30, 35, 36, 40) des Koordinatenmessgerätes ausgeht.
Vorrichtung nach vorzugsweise Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeugfutter (33) wie Backenfutter einer Drehvorrichtung (Drehachse) (32) durch Drehen des drehbaren Teils (32b) der Drehachse (32), je nach Drehrichtung öffenbar oder schließbar ausgebildet ist, indem ein wahlweise betätigbares Klemmmittel (39) vorgesehen ist, das dazu ausgebildet ist, das Betätigungsmittel (33a) wie Spannring zum Öffnen bzw. Schließen des Werkzeugfutters (33) gegen eine Drehung des drehbaren Teils (32b) der Drehachse (32) zu sperren.
Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zum Öffnen oder Schließen des Werkzeugfutters der Drehachse das Klemmmittel mit dem Betätigungsmittel in Kontakt gebracht wird, so dass beim Drehen des drehbaren Teils der Drehachse das Betätigungsmittel nicht mitdreht, wobei anschließend durch Drehen der Drehachse das Werkzeugfutter geöffnet bzw. geschlossen wird.
Taktil-optischer Sensor zur Messung von geometrischen Merkmalen an Werkstücken, vorzugsweise zum Einsatz in einem Koordinatenmessgerät, umfassend eine biegeelastische Tasterverlängerung von der zumindest ein Antastelement zur Berührung des zu messenden Werkstücks ausgeht, und von der vorzugsweise eine Marke ausgeht, und umfassend einen lateral messenden optischen Sensor wie Bildverarbeitungssensor zur Bestimmung der lateralen Auslenkung des Antastelementes durch Erfassung des Antastelementes oder der Marke, sowie umfassend eine Sensorbeleuchtung zur Beleuchtung des Antastelementes und/oder der Marke, dadurch gekennzeichnet, dass der taktil-optische Sensor eine Werkstückbeleuchtung aufweist, deren Wellenlängenbereich den Wellenlängenbereich der Sensorbeleuchtung nicht oder nicht vollständig überdeckt, und dass der lateral messende optische Sensor Mittel zur Auswertung des vom Werkstück reflektierten oder abgeschatteten Lichts (Werkstücklicht) und des von dem Antastelement und/oder der Marke ausgehenden Lichts (Sensorlicht) aufweist, die ausgebildet sind, zumindest einen Teil des Wellenlängenbereichs des Sensorlichts, der nicht von dem Wellenlängenbereich des Werkstücklichts überdeckt wird, zu separieren.
Verfahren zum Betreiben des taktil-optischen Sensors vorzugsweise nach zumindest Anspruch 6, zur Messung geometrischer Merkmale an Werkstücken, vorzugsweise Betreiben in einem Koordinatenmessgerät, dadurch gekennzeichnet, dass während der Messung Werkstückbeleuchtung und Sensorbeleuchtung gleichzeitig eingeschaltet werden und zumindest ein Teil des Wellenlängenbereichs des Sensorlichts, der nicht von dem Wellenlängenbereich des Werkstücklichts überdeckt wird, separiert und zur Bestimmung der lateralen Auslenkung des Antastelementes weiterverarbeitet wird.
Verfahren zur Temperaturkorrektur von Koordinaten von Messpunkten und/oder daraus gebildeter Maße geometrischer Merkmale an einem Werkstück und/oder von Positionen der Geräteachsen (Achspositionen) eines Koordinatenmessgerät (KMG), für dimensionelle Messungen an einem Werkstück mittels eines KMGs mit zumindest einem Sensorsystem, vorzugsweise optischem und/oder taktilem und/oder optisch-taktilem und/oder computertomographischem Sensorsystem, dadurch gekennzeichnet, dass der Einfluss des thermischen Verhaltens mindestens einer Komponente des KMGs auf temperaturbedingte Messabweichungen durch ein Modell bzw. Rechenvorschrift des thermischen Verhaltens unter Verwendung mindestens einer der jeweiligen Komponente zugeordneten Temperatur korrigiert wird.
Vorrichtung zur Temperaturkorrektur von Koordinaten von Messpunkten und/oder daraus gebildeter Maße geometrischer Merkmale an einem Werkstück (101) und/oder von Positionen der Geräteachsen (Achspositionen) eines Koordinatenmessgerät (KMG) (100), für dimensionelle Messungen an einem Werkstück (101) mittels eines Koordinatenmessgeräts (KMG)(100) zumindest aufweisend ein Sensorsystem (102, 103), vorzugsweise optisches und/oder taktiles und/oder optisch-taktiles und/oder computertomographisches Sensorsystem, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Temperatursensor (107, 108, 109, 110, 305, 306, 308) an oder in der Nähe mindestens einer Komponente (106) des KMGs (100) angeordnet ist, deren Temperatur Einfluss auf die dimensionelle Messung hat, insbesondere Sensorkomponente und/oder Gerätkomponente, besonders bevorzugt Wärmequelle (113), und/oder mindestens ein Temperatursensor in der Umgebungsluft angeordnet ist, und dass die Vorrichtung eine Recheneinheit umfasst die dafür ausgebildet ist zumindest die Messsignale der Temperatursensoren zu verarbeiten und durch Anwendung eines Modells bzw. einer Rechenvorschrift des thermischen Verhaltens mindestens einer der jeweiligen Komponente und der der jeweiligen Komponente zugeordneten Temperatur, die Temperaturkorrektur vorzunehmen.