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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Koordinatenmessgerät sowie ein Verfahren zum Kalibrieren eines solchen Koordinatenmessgeräts. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogrammprodukt, das dazu eingerichtet ist, bei Ausführung auf einem Computer das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
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Koordinatenmessgeräte dienen dazu, beispielsweise im Rahmen einer Qualitätssicherung, Werkstücke zu überprüfen oder die Geometrie eines Werkstücks vollständig im Rahmen eines sogenannten „Reverse Engineering“ zu ermitteln. Darüber hinaus sind vielfältige weitere Anwendungsmöglichkeiten denkbar, wie z.B. auch prozesssteuernde Anwendungen, bei denen die Messtechnik direkt zur Online-Überwachung und -regelung von Fertigungs- und Bearbeitungsprozessen angewendet wird.
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In Koordinatenmessgeräten können verschiedene Arten von Sensoren zur Anwendung kommen, um das zu vermessende Werkstück zu erfassen. Beispielsweise sind taktil messende Sensoren bekannt, mit denen die Oberfläche des zu vermessenden Werkstücks mit einem taktilen Taststift abgetastet wird, dessen Koordinaten im Messraum ständig bekannt sind. Ein derartiger Taststift kann auch entlang der Oberfläche eines Werkstücks bewegt werden, so dass in einem solchen Messvorgang im Rahmen eines sogenannten „Scanning-Verfahrens“ eine Vielzahl von Messpunkten in festgelegten zeitlichen Abständen erfasst werden.
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Darüber hinaus ist es bekannt, optische Sensoren einzusetzen, die ein berührungsloses Erfassen der Koordinaten des Messobjekts ermöglichen. Ein Beispiel für einen derartigen optischen Sensor ist der unter der Produktbezeichnung „ViScan“ von der Anmelderin vertriebene optische Sensor.
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Die Baueinheit des Koordinatenmessgeräts, zu der der entsprechende Sensor gehört, wird häufig auch als „Messkopf“ bezeichnet. Auch im Vorliegenden soll die Bezeichnung Messkopf sowohl für einen optischen Messkopf als auch für einen taktilen Messkopf verwendet werden. Der Begriff „Messkopf“ ist vorliegend entsprechend breit aufzufassen. Er bezieht sich ganz allgemein auf die Messmimik, zu der im Fall eines optischen Messkopfes neben dem Sensor auch die Optik gehört. Im Falle eines taktilen Messkopfes weist dieser neben der Sensoreinheit auch den bereits erwähnten Taststift oder ein anders geformtes Tastelement auf.
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Aus dem Stand der Technik ist ferner eine Vielzahl von Koordinatenmessgeräten bekannt, welche mehrere Arten von Messköpfen, beispielsweise einen taktilen und einen optischen Messkopf einsetzen. Diese Art von Koordinatenmessgerät wird auch als Multi-Sensor-Koordinatenmessgerät bezeichnet. Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf ein derartiges Multi-Sensor-Koordinatenmessgerät.
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Die Messköpfe eines solchen Multi-Sensor-Koordinatenmessgeräts sind häufig in einem gemeinsamen Gehäuse an ein und demselben Bauteil, beispielsweise an der sogenannten Pinole des Koordinatenmessgeräts, untergebracht. Wenngleich die Messköpfe in einem solchen Fall von außen betrachtet eine gemeinsame Baueinheit bilden, werden diese im Vorliegenden dennoch als unterschiedliche Messköpfe bezeichnet, da mit ihnen separate Messungen ausführbar sind und die von diesen erzeugten Messsignale meist separat voneinander auswertbar sind.
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Um die hohen Qualitätsanforderungen, die an derartige Koordinatenmessgeräte gestellt werden, erfüllen zu können, ist vor einer Messung oder zumindest bei der Einrichtung des Koordinatenmessgeräts eine hochgenaue Kalibrierung des Geräts erforderlich. Bei Multi-Sensor-Koordinatenmessgeräten erfordert diese Kalibrierung ferner eine Abstimmung bzw. einen Abgleich der verschiedenen Sensoren bzw. Messköpfe zueinander. Somit muss also nicht nur jeder Messkopf für sich allein kalibriert werden, sondern die verschiedenen Messköpfe auch zueinander abgeglichen werden. Damit ist u.a. gemeint, dass die Koordinatensysteme, die zu jedem Messkopf jeweils definiert sind, auf ein gemeinsames Koordinatensystem referenziert werden müssen, so dass ein Abgleich der Messungen der verschiedenen Messköpfe untereinander möglich ist. Diese Art von Kalibrierung jedes einzelnen Sensors/Messkopfes und Abstimmung der Sensoren/Messköpfe untereinander wird auch als „Einmessung“ bezeichnet.
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Diese Einmessung wird meist anhand eines Einmessnormals durchgeführt. Zur Einmessung von taktilen Messköpfen werden meist Einmesskugeln verwendet. Zur Einmessung eines optischen Messkopfes wird hingegen meist ein Lehrring oder ein anderes Einmessnormal verwendet.
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Herkömmlicherweise werden für diese Kalibrierung bzw. Einmessung eines Multi-Sensor-Koordinatenmessgeräts mehrere Einmessnormale durch einen Benutzer manuell angefahren. Dies bedeutet, dass der Benutzer die Achsen des Koordinatenmessgerätes innerhalb eines definierten Ablaufs manuell verfährt, um mit den einzelnen Messköpfen initial die Positionen der Einmessnormale zu bestimmen. Die einzelnen Positionen der Einmessnormale müssen dabei manuell angefahren und auch manuell bestimmt werden, und zwar für jeden der vorhandenen Messköpfe einzeln. Es ist leicht nachvollziehbar, dass dies mit einem hohen Zeitaufwand und damit auch Personalaufwand einhergeht.
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Ein automatisierter Ablauf dieses Einmessprozesses ist bisher nicht möglich. Dies liegt u.a. daran, dass zu Beginn, also vor dem Beginn des Einmessprozesses, weder die örtliche Anordnung der einzelnen Messköpfe zueinander und damit das räumliche Verhältnis der einzelnen Koordinatensysteme dieser Messköpfe, noch die Position der zur Einmessung verwendeten Einmessnormale relativ zu den Messköpfen bekannt ist. Für gewisse Spezialfälle und standardisierte Anordnungen ließen sich diese räumlichen Beziehungen natürlich im Voraus bereits softwaretechnisch hinterlegen, so dass eine Art Grund-Kalibrierung bereits vorliegt und anschließend lediglich eine Fein-Kalibrierung notwendig wäre. Ein solches Vorgehen genügt jedoch keineswegs den oben beschriebenen, extrem hohen Genauigkeitsanforderungen von Koordinatenmessgeräten. Im Übrigen würde dieser Ansatz auch eine standardisierte und immer gleich wiederkehrende räumliche Anordnung derselben Einmessnormale voraussetzen, was keineswegs praktikabel ist.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Koordinatenmessgerät und ein entsprechendes Kalibrierverfahren bereitzustellen, das einen automatisierten Kalibrier- bzw. Einmessprozess für ein Multi-Sensor-Koordinatenmessgerät ermöglicht, ohne dass die räumliche Anordnung der einzelnen Messköpfe des Koordinatenmessgeräts zueinander wie auch die räumliche Anordnung des zumindest einen verwendeten Einmessnormals relativ zu den Messköpfen im Vorfeld bekannt ist. Es soll also mit anderen Worten ein automatisierter Ablauf des Einmessprozesses möglich sein, der sehr flexibel auf verschiedenste Einbausituationen und Arten von Multi-Sensor-Koordinatenmessgeräten anwendbar ist.
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Gemäß einen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Koordinatenmessgerät gelöst, das folgende Bauteile aufweist:
- - einen ersten, optischen Messkopf, der ein erstes Koordinatensystem definiert;
- - einen zweiten Messkopf, der ein zweites Koordinatensystem definiert;
- - ein Einmessnormal; und
- - eine Auswerte- und Steuereinheit, die dazu eingerichtet ist, mithilfe des ersten, optischen Messkopfes Bilddaten aufzunehmen, in denen der zweite Messkopf und das Einmessnormal zumindest teilweise abgebildet sind, und auf Basis der Bilddaten eine automatische Kalibrierung der beiden Messköpfe, bei der das erste und das zweite Koordinatensystem auf ein gemeinsames Koordinatensystem referenziert werden, durchzuführen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Kalibrieren eines Messgeräts mit einem ersten, optischen Messkopf, der ein erstes Koordinatensystem definiert, mit einem zweiten Messkopf, der ein zweites Koordinatensystem definiert, und mit einem Einmessnormal, gelöst, wobei das Verfahren die Schritte aufweist.
- - Aufnehmen von Bilddaten mithilfe des ersten, optischen Messkopfes, wobei in den Bilddaten der zweite Messkopf und das Einmessnormal zumindest teilweise abgebildet sind;
- - Durchführen einer Kalibrierung der beiden Messköpfe auf Basis der Bilddaten, wobei bei der Kalibrierung das erste und das zweite Koordinatensystem auf ein gemeinsames Koordinatensystem referenziert werden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren verwenden für die Einmessung also Bilddaten, in denen zumindest Teile des zweiten Messkopfes und zumindest Teile des Einmessnormals abgebildet sind. Bei diesen Bilddaten kann es sich um ein oder mehrere Bilder oder auch um eine Bildsequenz (z.B. ein Video) handeln. Vorzugsweise ist sowohl der zweite Messkopf als auch das Einmessnormal in den Bilddaten vollständig abgebildet. Der zweite Messkopf und das Einmessnormal müssen jedoch nicht in ein und demselben Bild abgebildet sein, sondern können auch in unterschiedlichen Bildern der Bilddaten enthalten sein.
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Anhand der Bilddaten, die von dem ersten Messkopf erzeugt werden, lässt sich die Position des zweiten Messkopfes wie auch die Position des Einmessnormals ermitteln. Insbesondere lassen sich die Relativposition des zweiten Messkopfes relativ zu dem ersten Messkopf und die Relativposition des Einmessnormals relativ zu dem ersten Messkopf ermitteln.
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Durch Erkennung vordefinierter Referenzpunkte oder Referenzbauteile des zweiten Messkopfes in den Bilddaten lässt sich mittels Bildauswertung zumindest eine ungefähre Relativposition der beiden Messköpfe zueinander bestimmen. Insbesondere deren lateraler Versatz lässt sich relativ einfach ermitteln, indem der Abstand der Position des zweiten Messkopfs in einem Bild zur Bildmitte gemessen wird.
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Da es mithilfe des ersten, optischen Messkopfes ferner möglich ist, auf Basis von Bilderkennungsalgorithmen ein in der Nähe befindliches Einmessnormal zu detektieren, lässt sich dieses mit dem ersten, optischen Messkopf anfahren und optisch abtasten. Da zumindest die ungefähre Relativposition des zweiten Messkopfes aus den Bilddaten ermittelt werden kann, lässt sich das Einmessnormal auch mit dem zweiten Messkopf automatisiert anfahren und abtasten.
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Eine automatisiert ablaufende Kalibrierung der beiden Messköpfe jeweils für sich wie auch deren Referenzierung untereinander ist somit auf sehr einfache Art und Weise automatisierbar. Manuelle Eingriffe des Anwenders des Koordinatenmessgerätes werden nicht mehr benötigt.
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Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass unter der Formulierung, dass der erste Messkopf „ein erstes Koordinatensystem definiert“ und der zweite Messkopf „ein zweites Koordinatensystem definiert“, vorliegend Folgendes verstanden wird: Jedem Messkopf ist initial ein Koordinatensystem zugewiesen. Dieses Koordinatensystem hat typischerweise seinen Ursprung in dem Tool-Center-Point des jeweiligen Messkopfes. Das jeweilige Koordinatensystem kann initial jedoch auch frei wählbar festgelegt sein. Wichtig ist letztendlich, dass die räumliche Position und Lage der beiden Koordinatensysteme mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelt werden und damit die beiden Koordinatensysteme auf ein gemeinsames Koordinatensystem referenziert werden. Das gemeinsame Koordinatensystem, auf das die beiden Koordinatensysteme referenziert werden, kann entweder ein weiteres (drittes) Koordinatensystem sein. Alternativ kann eines der beiden Koordinatensysteme (erstes oder zweites Koordinatensystem) als gemeinsames Koordinatensystem verwendet werden, indem später die Messungen aufgezeichnet werden.
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Die oben genannte Aufgabe ist somit vollständig gelöst.
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Gemäß einer Ausgestaltung weisen die Bilddaten ein Übersichtbild auf, in dem das Einmessnormal abgebildet ist, wobei die Auswerte- und Steuereinheit dazu eingerichtet ist, anhand des Übersichtbilds eine ungefähre Position des Einmessnormals zu bestimmen, den ersten und den zweiten Messkopf anhand der ungefähren Position zu positionieren, erste Messdaten von dem Einmessnormal mithilfe des ersten Messkopfes zu erfassen, zweite Messdaten von dem Einmessnormal mithilfe des zweiten Messkopfes zu erfassen, und die automatische Kalibrierung der beiden Messköpfe und Referenzierung der beiden Koordinatensysteme ferner auf Basis der ersten und der zweiten Messdaten durchzuführen.
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Anders ausgedrückt wird die ungefähre Position des Einmessnormals zunächst mithilfe des ersten, optischen Messkopfes anhand eines Übersichtsbilds bestimmt. Anschließend wird das Einmessnormal mit beiden Messköpfen jeweils abgetastet. Hierzu werden typischerweise mehrere Punkte auf der Oberfläche des Einmessnormals abgetastet. Durch den Abgleich der so aufgenommen Messdaten (erste Messdaten und zweite Messdaten) lässt sich die Kalibrierung und Referenzierung vornehmen. Auf diese Weise kann auch der axiale Versatz der beiden Koordinatensysteme bestimmt werden. Mit axialem Versatz ist vorliegend der Versatz der beiden Koordinatensysteme orthogonal zu dem zuvor erwähnten lateralen Versatz gemeint. Bei einer Anbringung der beiden Messköpfe an der Pinole handelt es sich dabei also um den Versatz entlang der Pinolen-Achse, welche typischerweise als z-Achse bezeichnet wird.
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Das Einmessen lässt sich auf diese Art vollständig automatisieren.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weisen die Bilddaten ein Referenzbild auf, in dem der zweite Messkopf zumindest teilweise abgebildet ist, wobei die Auswerte- und Steuereinheit dazu eingerichtet ist, anhand des Referenzbilds einen lateralen Versatz der beiden Koordinatensysteme zueinander zu bestimmen.
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Mit lateralem Versatz ist vorliegend eine zweidimensionale Relativposition zwischen den beiden Messköpfen bzw. zwischen den Ursprüngen der beiden Koordinatensysteme der Messköpfe gemeint. Es handelt sich also um den Versatz der beiden Messköpfe bzw. um den Versatz von im Referenzbild erkennbaren Referenzpunkten der Messköpfe innerhalb der zweidimensionalen Bildebene des Referenzbildes.
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Eine Skalierung des Referenzbildes kann beispielsweise anhand von bekannten Abmessungen von Bauteilen, die innerhalb des Referenzbildes sichtbar sind, erfolgen. Ebenso ist es möglich, dass das Referenzbild mehrere Bilder aufweist, mithilfe derer die Bestimmung des lateralen Versatzes der beiden Koordinatensysteme durch fotogrammetrische Auswertung oder andere geeignete Algorithmen erfolgt.
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Mithilfe eines solchen Referenzbildes, in dem vorzugsweise beide Messköpfe vollständig abgebildet sind, lässt sich durch Bildauswertung (beispielsweise durch stereoskopische Auswertung) relativ einfach der laterale Versatz der beiden Messköpfe bzw. Koordinatensysteme ermitteln.
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Mit diesem Ansatz kann nicht nur der Versatz zu einem Referenztaster des zweiten Messkopfes bestimmt werden, sondern allgemein der Versatz zu jedem beliebigen Taster eines beliebigen Tastersystems. Der zweite Messkopf kann auch einen taktilen Messkopf mit einem Sterntaster (Kombination mehrerer taktiler Taster) aufweisen. Somit kann die Einmessung jedes in einem Tasterregal des Messgerätes abgelegte Tastersystem automatisch eingemessen werden. Eine solch allgemein nutzbare Möglichkeit, den Versatz der beiden Messköpfe zueinander bestimmen zu können, ist mit den bisherigen Methoden nicht automatisiert möglich. Für Tastersysteme mit beliebig ausgestalten (optischen oder taktilen) Tastelementen kann der Versatz auch nicht in der Steuer- und Auswerteeinheit hinterlegt werden, da der Anwender diese Systeme frei zusammenstellen kann.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist das erfindungsgemäße Koordinatenmessgerät ferner eine Spiegelvorrichtung auf, die dazu eingerichtet ist, (i) zumindest einen Teil des zweiten Messkopfes zu spiegeln oder (ii) zumindest einen Teil des zweiten Messkopfes abzubilden und auf einer Anzeigeeinrichtung darzustellen, wobei die Auswerte- und Steuereinheit, dazu eingerichtet ist, das Referenzbild derart aufzunehmen, dass die Spiegelvorrichtung oder die Anzeigeeinrichtung in dem Referenzbild zumindest teilweise abgebildet ist.
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Bei der Spiegelvorrichtung kann es sich um einen herkömmlichen (mechanischen) Spiegel (Möglichkeit (i)) oder um eine Art „digitalen Spiegel“ handeln, der bspw. eine Kamera und ein Display aufweist (Möglichkeit (ii)).
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Die Aufnahme des Referenzbildes über diese Spiegelvorrichtung ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die beiden Messköpfe nebeneinander angeordnet sind oder der zweite Messkopf aus einem anderen Grund nicht in dem Sichtfeld des ersten Messkopfes ist.
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Um die Kalibrierung bzw. das Einmessen automatisiert vornehmen zu können, bedient sich das erfindungsgemäße Koordinatenmessgerät und das erfindungsgemäße Verfahren gemäß dieser Ausgestaltung also eines Spiegels, mit dessen Hilfe der erste, optische Messkopf des Koordinatenmessgeräts ein Referenzbild aufnehmen kann, in dem der zweite Messkopf des Koordinatenmessgeräts sichtbar ist. Vorzugsweise ist in dem Referenzbild, wie bereits erwähnt, auch der erste Messkopf abgebildet. Dies ist im Allgemeinen relativ einfach möglich, da die beiden Messköpfe typischerweise nebeneinander am Koordinatenmessgerät platziert sind. Ohne die Spiegelvorrichtung würde der erste Messkopf bei einer solchen Anordnung weder sich selbst noch den daneben angeordneten zweiten Messkopf „sehen“. Mithilfe der Spiegelvorrichtung ist dies jedoch nunmehr problemlos möglich.
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Bei der Verwendung eines Spiegels kann durch das Aufnehmen eines Bilderstapels mit unterschiedlichen Abständen des ersten Messkopfes zum Spiegel, d.h. einem Autofokus auf den zweiten Messkopf, neben dem lateralen Versatz der beiden Messköpfe auch deren axialer Versatz bestimmt werden.
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Die Aufnahme des Referenzbildes „über die Spiegelvorrichtung“ bedeutet, dass der optische Messkopf eine Abbildung vornimmt, bei der sich der Spiegel im Strahlengang des von dem optischen Messkopf aufgenommenen Lichts befindet. Einfacher ausgedrückt nimmt der optische Messkopf vorzugsweise ein Bild von dem Spiegel auf, wobei in dem Spiegelbild die beiden Messköpfe oder zumindest Teile des zweiten Messkopfes sichtbar sind.
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Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der zweite Messkopf ein taktiler Messkopf mit taktilem Tastelement. Beispielsweise kann es sich um einen taktilen Messkopf mit einer oder mehreren Tastkugeln als Tastelement handeln. Typischerweise sind derartige Tastkugeln aus Rubin.
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Alternativ kann der zweite Messkopf einen optischen Weißlichtsensor aufweisen.
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Derartige Tastelemente lassen sich relativ einfach mithilfe bekannter Bildauswertungsalgorithmen in dem Referenzbild detektieren und deren Position beispielsweise mithilfe einer fotogrammetrischen Auswertung bestimmen.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung sind die Messköpfe an einem beweglichen Teil des Koordinatenmessgeräts angeordnet. Besonders bevorzugt sind die beiden Messköpfe an dem gleichen Teil des Koordinatenmessgeräts, beispielsweise an der beweglichen Pinole, angeordnet.
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Dies hat nicht nur den Vorteil einer einfachen Verfahrbarkeit der beiden Messköpfe, sondern vereinfacht auch deren Kalibrierung relativ zueinander. In diesem Fall kann nämlich angenommen werden, dass die Verbindung der beiden Messköpfe untereinander als mechanisch starr und damit als unveränderlich anzusehen ist. Der über das Referenzbild bestimmte laterale Versatz kann damit als zeitlich invariant angenommen werden. Im Übrigen ist es in diesem Fall auch einfach möglich, den Spiegel auf geeignete Art und Weise relativ zu den beiden Messköpfen zu positionieren.
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Gemäß einer Ausgestaltung ist die Spiegelvorrichtung auf einer dem ersten und dem zweiten Messkopf gegenüberliegenden Seite angeordnet. Bevorzugt ist der Spiegel an einem Messtisch montiert, der den beiden Messköpfen gegenüberliegt. Bei dem Messtisch kann es sich um einen beweglichen Messtisch handeln.
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Wenn die Messköpfe, wie weiter oben bereits erwähnt, an der Pinole des Koordinatenmessgeräts angeordnet sind, sind diese ohnehin oberhalb und damit gegenüber des Messtisches angeordnet. Falls die Spiegelvorrichtung an einem beweglichen Messtisch angeordnet ist, lässt sich diese relativ einfach in die gewünschte Stellung bringen, in der das Referenzbild aufgenommen werden kann. Entweder wird hierzu der Messtisch mit der Spiegelvorrichtung oder die Messköpfe relativ zu dem Messtisch oder sowohl die Messköpfe als auch der Messtisch verfahren.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist der erste Messkopf eine erste Kamera und eine zweite Kamera, deren Sichtfeld größer als ein Sichtfeld der ersten Kamera ist, auf.
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Die mit dem größeren Sichtfeld versehene zweite Kamera wird typischerweise als Übersichtskamera bezeichnet. Die erste Kamera, die ein vergleichsweise kleineres Sichtfeld hat, wird hingegen als Messkamera verwendet. Mithilfe der Übersichtskamera lässt sich zu Beginn des Kalibrierungsprozesses ein Übersichtsbild erzeugen, aus dem sich mittels Bilderkennung die ungefähre Position eines Einmessnormals ermitteln lässt. Die Messkamera (erste Kamera) kann hingegen für die optische Abtastung des Einmessnormals verwendet werden. Sie wird auch bei späteren Messungen typischerweise für die optische Messung des zu vermessenden Werkstücks verwendet.
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Erfindungsgemäß wird das Referenzbild vorzugsweise ebenfalls mithilfe der Übersichtskamera (zweite Kamera) aufgenommen, da sich mit deren größeren Sichtfeld auf einfache Art und Weise das gewünschte Referenzbild, in dem die beiden Messköpfe oder zumindest Teile davon abgebildet sein müssen, erzeugen lässt.
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Vorzugsweise wird also das Übersichtsbild mithilfe der zweiten Kamera (Übersichtskamera) aufgenommen und die ersten Messdaten mithilfe der ersten Kamera (Messkamera) erfasst.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung umfassen die ersten Messdaten mindestens eine Autofokus-Messung des Einmessnormals und die zweiten Messdaten mindestens eine taktile Antastung des Einmessnormals. Mithilfe der Autofokus-Messung lässt sich der axiale Abstand (entlang der z-Achse) zu dem Einmessnormal relativ gut messen. In Kombination mit der taktilen Antastung des Einmessnormals mithilfe des zweiten Messkopfes kann eine sehr exakte Kalibrierung und Referenzierung der beiden Messköpfe, insbesondere in z-Richtung, vorgenommen werden. Wie bereits erwähnt, kann es sich bei den zweiten Messdaten auch um Messdaten eines Weißlichtsensors handeln.
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Durch Vergleich der ersten und zweiten Messdaten lässt sich ferner auch der laterale Versatz der beiden Messköpfe/Koordinatensysteme zueinander noch exakter bestimmen, als dies zunächst aus der Auswertung des Referenzbildes erfolgt ist.
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Als Einmessnormal wird vorzugsweise ein Lehrring verwendet. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung können auch zwei Einmessnormale vorgesehen sein, wobei das erste Einmessnormal beispielsweise einen Lehrring aufweist und das zweite Einmessnormal eine Einmesskugel aufweist. Die Einmesskugel wird insbesondere zur Kalibrierung eines taktilen Tastkopfes verwendet. Der Lehrring kann, wie bereits erwähnt, jedoch erfindungsgemäß zur Referenzierung der beiden Tastköpfe relativ zueinander verwendet werden.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Ebenso sei explizit darauf hingewiesen, dass die in den abhängigen Ansprüchen zu dem erfindungsgemäßen Koordinatenmessgerät definierten Merkmale in gleicher oder äquivalenter Form auch bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens gelten und hier nicht nochmals explizit bezüglich des Verfahrens wiederholt werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 ein Koordinatenmessgerät gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 2 eine schematische Darstellung eines Messtisches des Koordinatenmessgeräts aus 1 in einer Draufsicht von oben;
- 3 eine schematische Darstellung zweier Messköpfe des Koordinatenmessgerät aus 1 in einer Draufsicht von unten;
- 4 eine schematische Darstellung der Messköpfe des Koordinatenmessgeräts aus 1 in einer Seitenansicht; und
- 5 ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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1 zeigt ein beispielhaftes Koordinatenmessgerät in einer schematischen Darstellung. Das Koordinatenmessgerät ist darin in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 100 gekennzeichnet.
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Das in 1 gezeigte Koordinatenmessgerät ist beispielhaft in Portalbauweise ausgeführt. In anderen Ausführungsbeispielen kann es sich bei dem Koordinatenmessgerät 100 auch um ein Koordinatenmessgerät in anderer Bauweise (z.B. Brücken-, Ständer- oder Auslegerbauweise) handeln. Ebenso ist es denkbar, dass als beweglicher Träger für die Messsensoren des Koordinatenmessgeräts ein Roboter, z.B. ein Knickarmroboter, verwendet wird. Der Begriff „Koordinatenmessgerät“ ist vorliegend demnach breit aufzufassen und umfasst jede Art von Messgerät, das sich zum dimensionellen Messen eines Messobjekts eignet, so dass der Begriff weitestgehend unabhängig von der Art und Bauweise des Koordinatenmessgeräts verwendet wird.
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Das in 1 gezeigte Koordinatenmessgerät 100 weist eine Basis 10 auf. Bei der Basis 10 handelt es sich vorzugsweise um eine stabile Platte, welche beispielsweise aus Granit gefertigt ist. Auf dieser Basis 10 kann ein Messtisch 12 angeordnet sein, der als Werkstückaufnahme dient. Dieser Messtisch 12 ist vorzugsweise entlang zweier Achsen (x- und y-Achse) gegenüber der Basis 10 verfahrbar. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, dass die Basis 10 als Werkstückaufnahme dient, ohne dass darauf ein separater Messtisch 12 angeordnet ist.
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Auf dem Messtisch 12 sind in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Spiegelvorrichtung 14, ein erstes Einmessnormal 15 und ein zweites Einmessnormal 16 angeordnet. Alle drei Elemente 14, 15 und 16 sind vorzugsweise an dem Messtisch 12 fixiert angebracht.
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Bei der Spiegelvorrichtung 14 kann es sich um einen handelsüblichen Spiegel handeln. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, dass als Spiegelvorrichtung 14 ein digitaler Spiegel verwendet wird, der eine Kamera und ein entsprechendes Display aufweist. Beispielsweise kann hierzu ein portables Computergerät mit Kamera und Display verwendet werden, das in der Art eines Spiegels die gegenüberliegende Umgebung mithilfe der Kamera aufnimmt und auf dem Display darstellt, so dass letztendlich der gleiche bzw. ähnliche Effekt wie bei einem handelsüblichen physischen/mechanischen Spiegel entsteht.
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Das erste Einmessnormal 15 weist vorzugsweise einen Lehrring auf. Derartige Lehrringe werden meist zur Einmessung und Kalibrierung von optischen und taktilen Messsensoren verwendet. Das zweite Einmessnormal 16 weist vorzugsweise eine Einmesskugel auf, wie sie klassischerweise zur Einmessung und Kalibrierung von taktilen Messsensoren verwendet wird. Es versteht sich, dass neben den beiden Einmessnormalen 15, 16 auch weitere Einmessnormale vorgesehen sein können, die auf dem Messtisch 12 platziert werden. Ebenso ist es möglich, dass die beiden Einmessnormale 15, 16 miteinander kombiniert werden oder nur ein Einmessnormal bereitgestellt wird.
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Das Koordinatenmessgerät 100 ist in diesem Beispielsfall, wie bereits erwähnt, in Portalbauweise ausgeführt. Auf der Basis 10 ist ein Portal 18 in Längsrichtung verschiebbar angeordnet. Diese Längsrichtung ist vorliegend als y-Achse bezeichnet. Das Portal 18 dient als bewegliche Trägerstruktur. Das Portal 18 weist zwei von der Basis 10 nach oben abragende Säulen auf, die durch einen Querzeiger miteinander verbunden sind und gesamthaft eine umgekehrte U-Form aufweisen.
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Zur Bewegung des Portals 18 wird üblicherweise ein motorischer Antrieb 20 (z.B. ein Stellmotor) verwendet. Der Antrieb 20 ist in einem zu der Basis 10 weisenden Endbereich einer der abragenden Säulen angeordnet und dazu eingerichtet, das Portal 18 entlang der y-Achse zu verfahren.
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An dem oberen Querträger des Portals ist ein Schlitten 22 angeordnet, der in Querrichtung über einen zweiten motorischen Antrieb 24 verfahrbar ist. Diese Querrichtung wird üblicherweise als x-Achse bezeichnet. Der zweite Antrieb 24 ist vorliegend in dem Schlitten 22 verbaut.
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Der Schlitten 22 trägt eine Pinole 26, die entlang der z-Achse, also senkrecht zu der Basis 10, über einen dritten motorischen Antrieb 28 verfahrbar ist. Der dritte Antrieb 28 ist in dem Schlitten 22 integriert. Es sei erwähnt, dass die Antriebe 20, 24, 28 nicht n den genannten Positionen angeordnet sein müssen. Beispielsweise kann der dritte Antrieb 28 auch in der Pinole 26 verbaut sein.
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Die Bezugsziffern 30, 32, 34 bezeichnen Messeinrichtungen, anhand derer die x-, y- und z-Positionen des Portals 18, des Schlittens 22 und der Pinole 26 bestimmt werden können. Typischerweise handelt es sich bei den Messeinrichtungen 30, 32, 34 um Glasmaßstäbe, welche als Messskalen dienen. Diese Messskalen sind in Verbindung mit entsprechenden Leseköpfen (hier nicht dargestellt) dazu ausgebildet, die jeweils aktuelle Position des Portals 18 relativ zu der Basis 10, die Position des Schlittens 22 relativ zu dem oberen Querbalken des Portals 18 und die Position der Pinole 26 relativ zu dem Schlitten 22 zu bestimmen.
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An einem unteren, freien Ende der Pinole 26 sind in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel des Koordinatenmessgeräts 100 zwei Messköpfe 36, 38 angeordnet. Diese beiden Messköpfe 36, 38 dienen zur dimensionellen Messung eines Messobjekts. Mithilfe dieser beiden Messköpfe 36, 38 kann das Messobjekt abgetastet werden. Hierbei werden verschiedene Punkte auf der Oberfläche des Messobjekts auf digitale, optische und/oder mechanische Art und Weise erfasst.
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Die beiden Messköpfe 36, 38 sind in 3 und 4 nochmals schematisch im Einzelnen dargestellt. 3 zeigt das untere Ende der Pinole 26 in einer schematischen Draufsicht von unten. 4 zeigt das untere Ende der Pinole 26 mit den beiden Messköpfen 36, 38 in einer schematischen Seitenansicht.
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Bei dem ersten Messkopf 36 handelt es sich in dem vorliegend gezeigten Ausführungsbeispiel um einen optischen Messkopf, der zwei Kameras 40, 42 aufweist. Die beiden Kameras 40, 42 unterscheiden sich im Wesentlichen durch deren Sichtfeld. Die erste Kamera 40, welche als Messkamera verwendet wird, hat ein kleineres Sichtfeld als die zweite Kamera 42, welche vorliegend auch als Übersichtskamera bezeichnet wird. Vorzugsweise hat die Messkamera 40 eine höhere Auflösung als die Übersichtskamera 42.
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Bei dem zweiten Messkopf 38 handelt es sich vorzugsweise um einen taktilen Messkopf, der ein Tastelement 44 aufweist, an dessen freien unteren Ende eine Tastkugel 46 angeordnet ist. Selbstverständlich kann es sich bei dem Tastelement 44 auch um ein Tastelement mit mehreren daran angeordneten Tastkugeln 46 handeln.
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Bei dem vorliegend gezeigten Koordinatenmessgerät 100 handelt es sich also um ein Multi-Sensor-Koordinatenmessgerät mit vorzugsweise einem optischen Sensor und einem taktilen Sensor. Die optische Abtastung des Messobjekts erfolgt anhand des optischen Messkopfes 36. Hierbei werden mithilfe der Messkamera 40 Bilder von dem Messobjekt aufgenommen und durch Bildauswertungsalgorithmen in bekannter Weise Oberflächenpunkte auf dem Messobjekt detektiert, um letztendlich dessen Form zu extrahieren. Die taktile Abtastung erfolgt mittels des taktilen Messkopfes 38. Hierbei wird das Messobjekt in bekannter Weise mithilfe des Tastelements 44 abgetastet, um den die Tastkugel 46, welche vorzugsweise als Rubinkugel ausgestaltet ist, über die Oberfläche des Messobjekts geführt wird oder an diskreten Punkten mit dem Messobjekt in Kontakt gebracht wird und die entsprechenden Koordinaten der jeweiligen Antastpunkte ermittelt und abgespeichert werden.
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Die Messsensorik der beiden Messköpfe 36, 38 ist vorzugsweise im Inneren der Pinole 26 untergebracht. Grundsätzlich kann die Messsensorik jedoch auch an einer beliebigen anderen Stelle des Koordinatenmessgeräts 100 untergebracht sein. Teile der Messsensorik der beiden Messköpfe 36, 38 können auch miteinander kombiniert in gleichen Baugruppen untergebracht sein.
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Unabhängig von der Art der Abtastung der Oberfläche des Messobjektes erzeugt der jeweils verwendete Messkopf 36, 38 ein elektronisches Messsignal, auf Basis dessen die dimensionalen Eigenschaften des zu vermessenden Messobjekts ermittelt werden können. Zum Anfahren eines Messpunktes an dem Messobjekt wird der jeweilige Messkopf 36, 38 relativ zu dem Messtisch 12 bzw. dem Messobjekt mittels der Antriebe 20, 24, 28 verfahren. Hierzu erhalten die Antriebe 20, 24, 28 von einer Auswerte- und Steuereinheit 48 Steuerbefehle, auf Basis derer die Antriebe 20, 24, 28 jeweils einzeln oder gesamthaft beispielsweise über eine CNC-Ansteuerung angesteuert werden.
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Die Auswerte- und Steuereinheit 48 ist in 1 beabstandet von dem Koordinatenmessgerät 100 als separate Einheit angeordnet und mit der Basis 10 über ein Kabel 50 verbunden. Eine kabellose Verbindung ist jedoch ebenfalls möglich. Zudem ist es möglich, dass die Auswerte- und Steuereinheit 48 in dem Koordinatenmessgerät 100 (z.B. in der Basis 10) integriert ist.
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Die Auswerte- und Steuereinheit 48 weist in dem vorliegend gezeigten Ausführungsbeispiel eine Recheneinheit 52 sowie eine Anzeigevorrichtung 54 auf. Die Recheneinheit 52 der Auswerte- und Steuereinheit 48 steuert nicht nur eine mit dem Koordinatenmessgerät 100 vorgenommene Messung, sondern erfindungsgemäß auch ein automatisch ablaufendes Verfahren zum Kalibrieren des Koordinatenmessgeräts 100. Ein Ausführungsbeispiel dieses Kalibrierverfahrens wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 2-5 näher erläutert.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass mithilfe des ersten, optischen Messkopfes 36 Bilddaten aufgenommen werden, in denen zumindest Teile des zweiten Messkopfes 38 und Teile eines der beiden Einmessnormale 15, 16 sichtbar sind, und auf Basis diese Bilddaten das erste Koordinatensystem des ersten Messkopfes 36 und das zweite Koordinatensystem des zweiten Messkopfes 38 auf ein gemeinsames Koordinatensystem referenziert werden (Schritt S105, 5). Zudem lässt sich anhand der Bilddaten die Position des zumindest einen Einmessnormals 15, 16 ermitteln, so dass dies zum Einmessen der beiden Messköpfe 36, 38 automatisiert angefahren werden kann.
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Mithilfe der Spiegelvorrichtung 14 ist es möglich, dass eine der Kameras 40, 42 des ersten Messkopfes 36 ein Bild (das Referenzbild) aufnimmt, in dem beide Messköpfe 36, 38 oder zumindest Teile des zweiten Messkopfes 38 sichtbar sind. Wie bereits erwähnt, ist eine Spiegelvorrichtung 14 jedoch nur dann von Nöten, wenn, wie in der vorliegend gezeigten Bauweise des Koordinatenmessgerät 100, der zweite Messkopf 38 nicht im Sichtfeld des ersten Messkopfes ist.
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In Schritt S101 wird zunächst ein Übersichtsbild mithilfe des ersten Messkopfes 36 aufgenommen. Dieses Übersichtsbild hat insbesondere den Zweck, den Messtisch 12 mitsamt seinen darauf platzierten Bauteilen 14-16 abzubilden, um diese anschließend zumindest grob lokalisieren zu können. Das Übersichtsbild wird vorzugsweise mit der zweiten Kamera 42 (Übersichtskamera) aufgenommen, da diese ein größeres Sichtfeld als die erste Kamera 40 (Messkamera) hat.
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Anhand des Übersichtsbilds wird im Schritt S102 eine ungefähre Position des ersten Einmessnormals 15 bestimmt. Diese Ortsbestimmung muss nicht allzu exakt sein, so dass hierfür gängige Objekterkennungsalgorithmen bei der Auswertung des Übersichtsbilds ausreichend sind. Vorzugsweise erfolgt diese ungefähre Positionsbestimmung bereits in dem gemeinsamen Koordinatensystem (Bezugssystem), auf das letztendlich die Koordinatensysteme beider Messköpfe 36, 38 referenziert werden.
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Bei dem Bezugssystem kann es sich entweder um das erste Koordinatensystem des ersten Messkopfes 36 oder um das zweite Koordinatensystem des zweiten Messkopfs 38 oder um ein beliebiges anderes Koordinatensystem handeln. Besonders bevorzugt ist es jedoch, dass das erste Koordinatensystem des ersten Messkopfes 36 als Bezugssystem bzw. gemeinsames Koordinatensystem gewählt wird, da dies die Berechnung vereinfacht.
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Bei der Verwendung zweier Kameras 40, 42 innerhalb des ersten Messkopfes, wie es in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Fall ist, sollten die beiden Kameras 40, 42 bereits zueinander kalibriert sein. Zumindest sollte deren Relativposition zueinander bereits im Vorfeld bekannt sein, so dass eine Umrechnung der Koordinaten, die die Kameras 40, 42 liefern, bereits bekannt ist bzw. beide bereits im gleichen Koordinatensystem messen.
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Im Schritt S103 werden mithilfe des ersten Messkopfes 36 nun erste Messdaten an dem ersten Einmessnormal 15 aufgenommen. Die Messkamera 40 tastet dabei optisch mehrere Punkte auf der Oberfläche des Lehrrings 15 ab. Die ersten Messdaten umfassen vorzugsweise auch mindestens eine Autofokus-Messung. Diese ist insbesondere für die Kalibrierung und Referenzierung in z-Richtung hilfreich.
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Die Schritte S104 und S105, in denen mithilfe der Übersichtskamera 42 ein Referenzbild erzeugt wird und dieses anschließend zum Referenzieren der beiden Koordinatensysteme der Messköpfe 36, 38 verwendet wird, wurden oben bereits erwähnt. Mithilfe von gängigen Detektionsalgorithmen lassen sich innerhalb des Referenzbilds einer oder mehrere markante Punkte an jedem der Messköpfe 36, 38 detektieren und deren Abstand voneinander, beispielsweise durch eine stereoskopische Auswertung, mittels Bildauswertung bestimmen. Auf diese Weise ist nach den Schritten S104 und S105 zumindest der laterale Versatz Δxy der beiden Messköpfe 36, 38 bekannt. Bei diesem lateralen Versatz Δxy kann es sich beispielsweise um den Abstand der Tool-Center-Points der beiden Messköpfe 36, 38 handeln. Ziel der Schritte S104 und S105 ist es also, den lateralen Versatz Δxy zumindest grob mithilfe des Übersichtsbilds zu bestimmen.
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In den Schritten S106 und S107 lässt sich zudem der axiale Versatz Δz (4) zwischen den Koordinatensystemen der beiden Messköpfe 36, 38 bestimmen. Hierzu wird der Lehrring 15 nur noch mithilfe des zweiten Messkopfes 38 taktil abgetastet. Dieser Vorgang wird vorliegend allgemein als Aufnehmen von zweiten Messdaten am ersten Einmessnormal 15 bezeichnet.
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Nach Ausführung des Schritts S106 sind nun also sowohl Messdaten mithilfe des ersten Messkopfes 36 (erste Messdaten, Schritt S103) als auch Messdaten mithilfe des zweiten Messkopfes 38 (zweite Messdaten, Schritt S106) von dem Lehrring 15 erfasst. Die beiden Messdaten lassen sich somit untereinander abgleichen, um daraus die Referenzierung der beiden Koordinatensysteme und die Kalibrierung beider Messköpfe 36, 38 relativ zueinander zu verfeinern. Insbesondere kann aus diesem Abgleich der beiden Messdaten auch der axiale Versatz Δz zwischen der Messkamera 40 und dem Tastelement 44 bzw. der Tastkugel 46 ermittelt werden. Diese Ermittlung kann unter Zuhilfenahme der zuvor vorgenommenen mindestens einen Autofokus-Messung erfolgen.
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Die Schritte S108-110 betreffen im Wesentlichen die Fein-Kalibrierung des taktilen zweiten Messkopfes 38. Der zweite Messkopf 38 tastet dabei mit seinem Tastelement 44 mehrere Punkte in bekannter Art und Weise an der Einmesskugel 16 ab. Um die Einmesskugel 16 korrekt anfahren zu können, wird dazu im Schritt S108 wiederum mithilfe des Übersichtsbilds die ungefähre Position der Einmesskugel 16 bestimmt. Anschließend wird die Einmesskugel 16 mithilfe des Tastelements 44 angefahren und mithilfe mehrerer Antastungen weitere Messdaten, die vorliegend als dritte Messdaten bezeichnet werden, aufgenommen. Anhand dieser dritten Messdaten lässt sich im Schritt S110 die Kalibrierung des zweiten taktilen Messkopfes 38 verfeinern. Eine weitere Feinabstimmung und Fein-Kalibrierung bzw. Fein-Referenzierung der beiden Messköpfe 36, 38 zueinander kann durch ein anschließendes Abtasten des Lehrrings 15 mithilfe des zweiten Messkopfes 38 erfolgen. Im Gegensatz zu den im Schritt S106 aufgenommenen zweiten Messdaten können in diesem in 5 nicht explizit dargestellten Schritt noch weitere Punkte auf der Oberfläche des Lehrrings 15 detektiert und zum Abgleich mit den ersten Messdaten, die mit dem ersten Messkopf 38 aufgenommen wurden, verwendet werden.
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Es sei darauf hingewiesen, dass nicht alle in 5 dargestellten Schritte zwangsläufig ausgeführt werden müssen. Auch die Reihenfolge der einzelnen Schritte kann von der in 5 dargestellten Reihenfolge abweichen, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Ebenso können weitere Schritte innerhalb dieses Verfahrens vorgesehen werden oder einzelne der dargestellten Schritte durch alternative Schritte ersetzt werden.
