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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein System zum Messen der Oberflächenbeschaffenheit eines Werkstücks mit einem Koordinatenmessgerät mit einer Positioniereinrichtung, einem an der Positioniereinrichtung angebrachten optischen bildbasierten Sensor sowie einem Lichtwellenleiter zur Übertragung des von dem optischen bildbasierten Sensor erzeugten digitalen Messsignals.
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2. Beschreibung des Standes der Technik
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Bei einem solchen System zum Messen der Oberflächenbeschaffenheit eines Werkstücks führt die momentane Entwicklung der bildbasierten Sensorik zu immer höheren Übertragungsraten. Diese erreichen mittlerweile 100 Mbit/s oder mehr, so dass entsprechend schnelle Datenleitungen zur Verfügung gestellt werden müssen. Wenn diese bildbasierten Sensoren in einem Koordinatenmessgerät an Dreh- und Schwenkgelenken angebracht sind, weisen die herkömmlichen elektrischen Kabelverbindungen den Nachteil auf, dass höhere Datenraten nur über weniger bewegliche und damit steifere elektrische Leitungen übertragbar sind. Aus diesem Grund werden zunehmend faseroptische Übertragungstechniken für den Transport der digitalen Bilddaten von dem bildbasierten Sensor beispielsweise zu einem Host-Computer oder einer anderen Auswertungsstelle eingesetzt.
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Des Weiteren ist es bekannt, punktbasierte Messsysteme wie beispielsweise konfokale Abstandssensoren einzusetzen. Derartige Messsensoren senden Licht auf die zu untersuchende Oberfläche, empfangen Licht von dieser Oberfläche und analysieren die Eigenschaften des reflektierten Lichts.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein System der eingangs genannten Art anzugeben, das vielseitiger einsetzbar ist. Insbesondere ist es eine Aufgabe, die bildbasierte Analyse der Oberflächenbeschaffenheit eines Werkstücks um eine Analyse mittels eines punktbasierten Messsystems zu ergänzen, ohne gleichzeitig den apparativen Aufwand der Messsysteme zu verdoppeln.
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Diese Aufgabe wird durch ein System zum Messen der Oberflächenbeschaffenheit eines Werkstücks gemäß dem unabhängigen Anspruch gelöst.
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Das System gemäß dem unabhängigen Anspruch zum Messen der Oberflächenbeschaffenheit eines Werkstücks weist - wie bereits eingangs erwähnt - ein Koordinatenmessgerät mit einer Positioniereinrichtung, einen an der Positioniereinrichtung angebrachten optischen bildbasierten Sensor sowie einen Lichtwellenleiter zur Übertragung des von dem optischen bildbasierten Sensor erzeugten digitalen Messsignals auf.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass an der Positioniereinrichtung ein optischer Sensor angebracht ist und dass der Lichtwellenleiter dazu eingerichtet ist, das von dem optischen Sensor erzeigte analoge optische Messsignal zu übertragen.
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Sind beide Sensoren an der Positioniereinrichtung angebracht, kann die Positionierung der Sensoren mit der gleichen Vorrichtung erfolgen. Damit erfolgt die Positionierung mit einer vergleichbaren Genauigkeit und ein Wechsel des Sensors kann mit vergleichsweise geringen Bewegungen und damit schnell erfolgen.
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Die Verwendung des gleichen Lichtwellenleiters hat den großen Vorteil, dass der für die Übertragung notwendige Lichtwellenleiter nur einfach ausgeführt zu sein braucht. Das Gleiche gilt teilweise für die Einrichtungen, die für die Weiterleitung und die Auswertung des von dem jeweiligen Sensor kommenden Messsignals vorhanden sein müssen. Es kann auch beispielsweise auf ansonsten notwendige Stecker verzichtet werden, die einen Wechsel des jeweiligen Sensors, der sich an der Positioniereinrichtung befindet, an den weiterleitenden Lichtwellenleiter ermöglichen.
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Bei dem optischen Sensor kann es sich beispielsweise um einen optischen punktbasierten Sensor handeln, wie beispielsweise einen konfokalen Weißlichtsensor, einen chromatisch konfokalen Sensor, einen optischen Kohärenztomograph („OCT“), ein Weißlichtinterferometer oder einen anderen optischen Sensor handeln, dessen Signal insbesondere analog durch einen optischen Lichtwellenleiter zu einer Auswerteeinheit zu übertragen ist.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Lichtwellenleiter zumindest eine Kopplungsstelle auf für das Zusammenführen oder/und das Trennen des analogen und des digitalen Messsignals. Die Kopplungsstelle für das Zusammenführen ist als eine fest in den Lichtwellenleiter integrierte oder fest mit dem Lichtwellenleiter verbundene Einrichtung zu verstehen, die ohne weiteres manuelles Zutun ein Einkoppeln des analogen und des digitalen Messsignals in den gemeinsamen Lichtwellenleiter ermöglicht. Die Kopplungsstelle für das Trennen ist in gleicher Weise als eine fest in den Lichtwellenleiter integrierte oder fest mit dem Lichtwellenleiter verbundene Einrichtung zu verstehen, die ohne weiteres manuelles Zutun ein Auskoppeln des analogen und des digitalen Messsignals aus dem gemeinsamen Lichtwellenleiter in getrennte Lichtwellenleiter ermöglicht. Somit entfällt - sofern ein einziger gemeinsamer Lichtwellenleiter für den Transport der optischen Messsignale vorgesehen ist - ein Umstecken der von dem jeweiligen Sensor kommenden Lichtwellenleiter und ein Wechsel des Messsensors kann ohne große zeitliche Verzögerung oder einem manuellen Eingriff erfolgen.
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Bei einer konkreten Ausgestaltung der Erfindung ist die Kopplungsstelle ein faserbasierter Lichtwellenleiterkoppler, auch oft als Fasersplitter, Faserkoppler oder fiber optic coupler bezeichnet.
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Vorteilhafterweise erfolgt an der Kopplungsstelle das Trennen des analogen und des digitalen Signals in Abhängigkeit von der Wellenlänge des analogen und des digitalen Signals. Dies hat den Vorteil, dass beide Sensoren gleichzeitig betrieben werden können und die entsprechenden Messsignale aufgetrennt und separat ausgewertet werden können.
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Dabei ist es von Vorteil, wenn das analoge und das digitale Signal in verschiedenen Wellenlängenbereichen des Lichtwellenleiters übertragbar sind. Beispielsweise kann das analoge Messsignal oder Nutzsignal in einem Wellenlängenbereich von 400 nm bis 700 nm liegen und das digitale Messsignal oder Nutzsignal in den Wellenlängenbereichen um 1310 nm oder um 1550 nm liegen. Diese Messsignale können beispielsweise über einen Fasersplitter, der die Bereiche unterhalb von 850 nm von Bereich oberhalb von 1300 nm trennt, voneinander separiert werden.
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Bei dem Lichtwellenleiter kann es sich vorzugsweise um eine Multimode-Faser handeln. Alternativ kann auch eine Singlemode-Faser zum Einsatz kommen.
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Alternativ oder zusätzlich kann das Trennen des analogen und des digitalen Signals in Abhängigkeit von der Polarisation des analogen und des digitalen Signals erfolgen. Dabei können das analoge und das digitale Signal in verschiedenen Polarisationen des Lichtwellenleiters übertragbar sein. Vorteilhafterweise handelt es sich dann bei dem Lichtwellenleiter um einen polarisationserhaltenden Lichtwellenleiter.
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Das digitale Messsignal kann Bilddaten umfassen und das analoge Messsignal kann zur Ermittlung des Abstands verwendbar sein.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:
- 1 eine schematische perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems zum Messen der Oberflächenbeschaffenheit eines Werkstücks mit einem Koordinatenmessgerät; und
- 2 eine schematische funktionale Darstellung von Teilen des Systems der 1.
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BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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1 zeigt in einer schematischen perspektivischen Darstellung ein System 1 mit einem Koordinatenmessgerät 10 zum Messen der Oberflächenbeschaffenheit eines Werkstücks 18. Das Koordinatenmessgerät 10 umfasst einen Tisch 12, der eine Basis 14 und eine Platte 16 aus Hartgestein umfasst. Die Platte 16 dient zur Aufnahme eines Werkstücks 18, dessen Oberfläche vermessen werden soll.
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Der Tisch 12 trägt eine Positioniereinrichtung 20, mit der sich Sensoren 100, 102 relativ zu dem Tisch 12 mit hoher Genauigkeit positionieren lässt. Die Positioniereinrichtung 20 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel in Portalbauweise ausgeführt und umfasst ein Portal 24, das mit zwei Füßen 26, 28 an den Rändern des Tisches 12 gelagert und in der horizontal verlaufenden X-Richtung entlang des Tisches 12 motorisch verfahrbar ist. An einem Portalquerbalken 30, der die beiden Füße 26, 28 miteinander verbindet, ist ein Ausleger 32 so gelagert, dass er entlang der Längsrichtung des Portalquerbalkens 30, d.h. in der ebenfalls horizontal verlaufenden Y-Richtung, motorisch verfahren werden kann. In einer vertikal ausgerichteten Aufnahme 34 des Auslegers 32 ist ein Messträger 36 aufgenommen und entlang der vertikal verlaufenden Z-Richtung motorisch verfahrbar. Die Verfahrbarkeit ist jeweils durch einen Doppelpfeil angedeutet.
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An dem Messträger 36 sind die Sensoren 100, 102 mittels einer Kupplung befestigt. Die Kupplung stellt neben einer mechanischen Verbindung auch eine Kommunikationsverbindung her. Bei der Kommunikationsverbindung handelt es sich bei der vorliegend gezeigten Ausführungsform um eine optische Verbindung. Zusätzlich kann auch eine elektrische Verbindung beispielsweise für eine Spannungsversorgung oder zur Übertragung von Mess- oder/und Steuersignalen herstellbar sein. Über die optische Verbindung können je nach Art des Sensors 100, 102 entweder analoge oder digitale Daten zu einer Steuer- und Auswerteeinrichtung 38 übertragbar sein. Zusätzlich kann eine Kommunikation über eine Funkschnittstelle (nicht explizit gezeigt) erfolgen.
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Der Raum, der von dem Messträger 36 durch Verfahrbewegungen entlang den X-, Y- und Z-Achse erreicht werden kann, liegt im dargestellten Ausführungsbeispiel in der Größenordnung von etwa 2 m3, sodass auch deutlich größere Werkstücke 18 vermessen werden können, als dies in 1 dargestellt ist.
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Die Positioniereinrichtung 20 verfügt für jede der drei Verfahrrichtungen X, Y, Z beispielsweise über mindestens einen Wandler, der an die Auswerte- und Steuereinrichtung 38 Informationen über die zurückgelegten Verfahrwege zurückgibt. Dadurch ist die Position der Kupplung, an welcher die Sensoren 100, 102 befestigt sind, und die im Wesentlichen dem Arbeitspunkt („Tool Center Point“, TCP) bei Robotern entspricht, in allen Verfahrstellungen mit hoher Genauigkeit bekannt.
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Die Auswerte- und Steuereinrichtung 38 steuert die Bewegungen der Positioniereinrichtung 20 und wertet die von den Sensoren 100, 102 übergebenen Messwerte aus. Die Auswertung kann auch beispielsweise eine rechnerische Korrektur der von den Sensoren 100, 102 gelieferten Messwerte umfassen. Damit können beispielsweise statische und dynamische Einflüsse der Positioniereinrichtung 20, thermische Verformungen des Tisches 12 oder andere Störeinflüsse berücksichtigt werden.
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Im Folgenden wird mit Bezug auf die 2 der Aufbau der optischen Kommunikationsverbindungen näher erläutert.
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2 veranschaulicht in einer schematischen Darstellung den Aufbau der optischen Kommunikationsverbindungen in dem System 1. Das System 1 weist, wie bereits erwähnt, beispielhaft zwei Sensoren 100, 102 auf. Dies stellt vermutlich den häufigsten Anwendungsfall dar. Es ist im Rahmen der Erfindung auch die gleichzeitige Verwendung von mehr als zwei Sensoren, beispielsweise drei oder vier, möglich.
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Bei dem in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei den dargestellten Sensoren um einen konfokalen Weißlichtsensor 100 als punktbasierten Sensor und um einen Kamerasensor 102 als bildbasierten Sensor. Jeder der beiden Sensoren 100, 102 ist mittels eines optischen Lichtwellenleiters 104, 106 angebunden, d.h. die im Betrieb des jeweiligen Sensors 100, 102 zu übertragenden Signale werden jeweils über den zugehörigen Lichtwellenleiter 104, 106 übertragen.
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Im Falle eines punktbasierten Sensors, wie dies beispielsweise bei dem konfokalen Weißlichtsensor 100 des Ausführungsbeispiels der 1 und 2 der Fall ist, werden analoge Signale über die Anschlussleitung 104 übertragen. Es wird dabei Licht über die Anschlussleitung 104 auf die zu untersuchende Oberfläche des Werkstücks 18 gesendet. Das von der beleuchteten Oberfläche reflektierte Licht wird über die gleiche Anschlussleitung 104 zurückgeleitet. Die Verwendung eines konfokalen Weißlichtsensors 100 in dem Ausführungsbeispiel der 1 und 2 ist lediglich beispielhaft. Stattdessen kann auch ein chromatisch konfokaler Sensor, ein optischer Kohärenztomograph („OCT“), ein Weißlichtinterferometer oder ein anderer optischer Sensor, dessen Signal durch eine optische Faser zu einer Auswerteeinheit zu übertragen ist, verwendet werden.
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Im Fall des bildbasierten Sensors 102 sind die über die optische Anschlussleitung 106 zu übertragenden Signale digitaler Natur.
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Beide Anschlussleitungen 104, 106 sind mit einem ersten Faserkoppler 108 verbunden. Der in diesem Ausführungsbeispiel verwendete Faserkoppler 108 ist so ausgeführt, dass er sowohl die Signale des konfokalen Weißlichtsensors 100 als auch die des Kamerasensors 102 weiterleiten und insbesondere für eine Transportfaser 110 zusammenführen kann. Die Transportfaser 110 leitet beide optische Signale - das analoge Signal des punktbasierten Sensors 100 und das digitale Signal des bildbasierten Sensors 102 - von der Positioniereinrichtung 20 beispielsweise zu der Steuer- und Auswerteeinrichtung 38.
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Dort ist bei der in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsform ein weiterer zweiter Faserkoppler 112 vorhanden. Der zweite Faserkoppler 112 ist an seiner einen Seite mit der Transportfaser 108 verbunden und teilt die auf dieser Faser befindlichen analogen und digitalen Signale auf zwei getrennte Fasern 114, 116 auf, die auf der anderen Seite des Faserkopplers angebunden sind. Die Auftrennung der Signale kann an dieser Stelle beispielsweise anhand der Wellenlängenbereich erfolgen, in denen sich die Signale befinden. So kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass die analogen Signale in einem Wellenlängenbereich von 400-700 nm liegen und die digitalen Signale entsprechend in einem Wellenlängenbereich geführt werden, der sich ausreichend weit von den genannten Wellenlängenbereich entfernt befindet. Dieser kann beispielsweise um 1310 nm oder um 1550 nm zentriert sein.
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Für diese Wellenlängenbereiche kann beispielsweise eine Multimode-Faser herkömmlicher Bauweise verwendet werden. Diese ermöglicht die weitgehend ungestörte Übertragung sowohl der analogen als auch der digitalen Signale. Auch existieren für die genannten Wellenlängenbereiche der digitalen Übertragung sowohl Emitter als auch Detektoren.
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Die Faser 114, auf der sich die analogen Signale befinden, ist mit einer entsprechenden analogen Auswerteeinheit 118 verbunden, die beispielsweise Teil der Steuer- und Auswerteeinrichtung 38 sein kann. Die analoge Auswerteeinheit 118 kann einerseits die über die Faser 114 herangeführten optischen Signale auswerten und daraus entsprechende Messwerte erzeugen. Andererseits kann die analoge Auswerteeinheit 118 auch beispielsweise das benötigte Weißlicht für die Beleuchtung der Oberfläche des Werkstücks 18 erzeugen und in die Faser 114 einkoppeln.
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Die Faser 116, auf der sich nach dem Durchlaufen des Faserkopplers 108 die digitalen Signale befinden, ist mit einer digitalen Auswerteeinheit 120 verbunden, welche ebenfalls beispielsweise Teil der Steuer- und Auswerteeinrichtung 38 sein kann. Die digitale Auswerteeinheit 120 wandelt die optischen Signale in weiterverarbeitbare elektrische Signale um und kann auch entsprechende elektrische Steuersignale in optische Steuersignale umwandeln, diese in die Faser 116 einkoppeln und zurück zu dem bildbasierten Sensor 102 senden, falls dies erwünscht und notwendig sein sollte.
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Bei der Übertragung der Signale über die Transportfaser 108 können auch mehr als zwei Wellenlängenbereiche genutzt, d.h. zusammengeführt und getrennt werden. Beispielsweise kann dies der Fall sein, wenn zwei unterschiedliche analoge Sensoren mit den entsprechenden Auswerteeinheiten zu verbinden sind und gleichzeitig noch eine Datenübertragung über dieselbe Faser zur Verfügung stehen soll.
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Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der gleichzeitige Sende- und Empfangsbetrieb möglich. Bei einer vereinfachten Ausführungsform ist es auch denkbar, bei dem ersten Faserkoppler 108 das Zusammenführen der analogen und digitalen Signale wellenlängenunspezifisch durchzuführen. Dies hätte zur Folge, dass das für die Beleuchtung der Oberfläche des Werkstücks benötigte Licht zumindest teilweise auch zu dem Kamerasensor 102 geleitet wird. Dies könnte dort aber einfach ausgefiltert werden, da der Kamerasensor 102 ebenfalls nur im Sendebetrieb betrieben werden kann.
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Die Ausführungsform der 1 und 2 könnte dahingehend noch verbessert werden, wenn der analoge optische Sensor 100 für die Faserverbindung Inklusive Faserkoppler 108 kalibriert wird. Damit lassen sich möglicherweise vorhandene Spektraleffekte bei der Aufteilung oder dem Zusammenführen der analogen und digitalen Signale kompensieren. Eine solche Kalibrierung kann über die Software der Auswerteeinheit 118 erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann ein optisches Element in die Faserstrecke eingebaut werden, das die wellenlängenabhängige Wirkung des Faserkopplers kompensiert. Ein solches Element kann beispielsweise zwischen den Faseraustritt an dem Faserkoppler 112 und der Auswerteeinheit 118 angeordnet werden.
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Alternativ zu der Auftrennung der Signale nach den Wellenlängenbereichen könnte eine Aufteilung und/oder Zusammenführung auch anhand der Polarisation erfolgen. In einem solchen Falle müsste zumindest bis zur Auftrennung der zusammen geführten Signale mit polarisationserhaltenden Fasern gearbeitet werden.
