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Die Erfindung betrifft ein optisches Messverfahren in der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art zur Vermessung der dreidimensionalen Topographie einer Oberfläche eines Bauteils.
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In der Fertigungsmesstechnik ist es häufig erforderlich, Längen genau zu messen, wobei die Messung vorzugsweise schnell und zerstörungsfrei sein soll. Zu diesem Zweck bieten sich optische Messverfahren an. Längenmaße an Bauteilen bzw. Werkstücken können beispielsweise Breite und Länge oder Abstandsmaße am Rand oder in der Fläche des Werkstücks sein. Weiterhin ist es wünschenswert, die Oberfläche des Werkstücks auf die Abwesenheit von Oberflächendefekten zu prüfen.
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Ein optisches Messverfahren der betreffenden Art wird beispielsweise bei Längenmessgeräten der Produktlinie „Opticline“ der Jenoptik Industrial Metrology Germany GmbH, Drachenloch 5, 78052 Villingen-Schwenningen, eingesetzt. Bei dem bekannten Verfahren wird die zu vermessende Oberfläche mittels eines Objektivs auf ein Target einer Sensoranordnung abgebildet, wobei der Abstand zweier Objektpunkte an der Oberfläche des Bauteils anhand des Abstands ihrer Abbildung auf dem Target ermittelt wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches Messverfahren anzugeben, das bei relativ geringem apparativem Aufwand eine hohe Messgenauigkeit bietet.
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Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.
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Bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Messverfahren wird ein telezentrisches Objektiv verwendet. Dadurch ist sichergestellt, dass sich der Abbildungsmaßstab nicht mit der Entfernung zwischen dem Objektiv und der zu vermessenden Oberfläche ändert. Wenn die optische Achse des Objektivs als z-Achse definiert wird, zielt die Verwendung eines telezentrischen Objektivs darauf ab, dass die erfassten lateralen xy-Punkte sich nicht mit ihrer z-Position ändern, also unabhängig von dem Abstand bzw. der Entfernung zwischen dem Objektpunkt an dem zu vermessenden Bauteil und dem Objektiv sind.
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Eine telezentrische Abbildung erfordert eine Objektivlinse, deren Durchmesser so groß ist wie die größten Bauteilabmessungen. Soll nur ein einziges Objektiv mit einem einzigen Bildsensor zum Einsatz kommen, ist entweder der Messbereich limitiert oder es muss ein sehr großes, schweres und entsprechend teures Objektiv verwendet werden. Der Messbereich kann zwar auch in einzelne Objektiv-/Bildsensor-Kombinationen aufgespalten werden, deren Teilbilder anschließend zusammengesetzt werden. In jedem Falle ist die optische Abbildungsvorrichtung bei Verwendung eines telezentrischen Objektivs aufwendig und damit teuer.
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Hiervon ausgehend liegt der Erfindung der Gedanke zugrunde, ein entozentrisches Objektiv zur Abbildung der zu vermessenden Oberfläche auf das Target, beispielsweise einen Bildsensor der Sensoranordnung, zu verwenden und die Signalverarbeitung der Ausgangssignale des Bildsensors so zu gestalten, dass sich die gleichen Messergebnisse ergeben wie bei Verwendung eines telezentrischen Objektivs. Erfindungsgemäß werden zu diesem Zweck perspektivische Verzerrungen korrigiert, die bei einem entozentrischen oder annähernd entozentrischen Objektiv aufgrund der Entfernungsabhängigkeit des Abbildungsmaßstabes auftreten.
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In diesem Sinne sieht die Erfindung vor, dass ein entozentrisches Objektiv und eine 3D-messfähige Sensoranordnung verwendet werden und die Entfernung zwischen dem jeweiligen Objektpunkt und dem Objektiv in Richtung der optischen Achse des Objektivs gemessen wird. Zur Ermittlung des Abstandes zwischen den Objektpunkten wird für die Objektpunkte in einer Auswertungseinrichtung der für die jeweilige Entfernung zum Objektiv geltende Abbildungsmaßstab korrigierend berücksichtigt.
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Bei dem erfindungsgemäßen optischen Messverfahren wird zur Ermittlung des Abstandes zwischen zwei Objektpunkten an der Oberfläche des Bauteils also mittels der 3D-messfähigen Sensoranordnung die Entfernung zwischen dem jeweiligen Objektpunkt und dem Objektiv in Richtung der optischen Achse des Objektivs gemessen.
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Aus der gemessenen Entfernung und dem entfernungsabhängigen Abbildungsmaßstab des Objektivs kann dann für jeden Objektpunkt der zugehörige Abbildungsmaßstab ermittelt werden und individuell für jeden Objektpunkt bei der Ermittlung des Abstandes zwischen zwei Objektpunkten korrigierend berücksichtigt werden.
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Die Ermittlung des Abstandes zwischen den Objektpunkten an der Oberfläche des Bauteils geht dann von dem Abstand der Abbildung der Objektpunkte auf dem Target aus. Bei einem telezentrischen Objektiv entspricht dieser Abstand dem Abstand der Objektpunkte an der Oberfläche des Werkstücks. Bei dem erfindungsgemäßen Messverfahren wird der Abstand der Abbildungen der Objektpunkte auf dem Target mittels des für jeden Objektpunkt ermittelten Abbildungsmaßstabes korrigiert. Das Ergebnis der Messung ist dann der (im Rahmen der Messgenauigkeit) absolute Abstand zwischen den Objektpunkten an der Oberfläche des Werkstücks.
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Die Erfindung ermöglicht damit mit einem relativ einfachen und kostengünstigen Aufbau mit einem 3D-messfähigen Sensor und einem entozentrischen Objektiv eine Messung von Abständen mit hoher Genauigkeit. Da jede Längenmessung einen Abstand zwischen zwei Objektpunkten misst, ermöglicht das erfindungsgemäße Messverfahren die Messung beliebiger Längenmaße an Bauteilen bzw. Werkstücken.
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Ein besonderer Vorteil besteht darin, dass die erfindungsgemäß durchgeführte Korrektur in der Signalverarbeitung der Ausgangssignale der Sensoranordnung durch die Software einer Auswertungseinrichtung durchgeführt werden kann. Dementsprechend ist zur Implementierung der Erfindung keine zusätzliche Hardware erforderlich, sodass bereits bestehende Messvorrrichtungen mit einer entsprechenden Software nachgerüstet und erfindungsgemäß ausgestattet werden können.
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Zweckmäßigerweise wird der Abstand zwischen den Objektpunkten in einer durch die Objektpunkte verlaufenden, zur optischen Achse geneigten oder senkrechten Ebene gemessen.
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Zweckmäßigerweise weist die Sensoranordnung wenigstens eine Kamera auf, wie dies eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vorsieht. Entsprechende Kameras stehen als relativ einfache und kostengünstige Standardbaugruppen mit hoher Auflösung und damit entsprechend hoher Messgenauigkeit zur Verfügung.
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Eine besonders einfach aufgebaute und damit kostengünstige Weiterbildung der vorgenannten Ausführungsform sieht vor, dass wenigstens eine Kamera als Zeilenkamera ausgebildet ist.
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Eine Weiterbildung der vorgenannten Ausführungsform sieht vor, dass die Sensoranordnung wenigstens zwei gegeneinander geneigte Zeilenkameras aufweist. Durch die Neigung der Zeilenkameras relativ zueinander ist mit einfachen und kostengünstigen Mitteln eine 3D-messfähige Sensoranordnung realisiert. Entsprechend den jeweiligen Anforderungen und Gegebenheiten kann die 3D-Messfähigkeit der Sensoranordnung auf beliebige geeignete Weise realisiert werden, beispielsweise durch ein Stereo-Triangulationsverfahren, wie es aus der
DE 10 2015 010 225 A1 bekannt ist. Die vorgenannte Druckschrift beschreibt ein Stereo-Triangulationsverfahren im Zusammenhang mit der Inspektion rotationssymmetrischer Hohlräume. Das Grundprinzip des Verfahrens ist jedoch auch auf die Vermessung bzw. Abbildung nicht rotationssymmetrischer, ebener oder flächiger Bauteile anwendbar. Aus der
DE 10 2014 118 844 A1 ist, ebenfalls im Zusammenhang mit der Inspektion rotationssymmetrischer Hohlräume, die Vermessung der dreidimensionalen Topographie eine Oberfläche mittels des Shape-form-Shading-Verfahrens bekannt. Auch dieses Verfahren ist auf ebene oder flächige Bauteile anwendbar.
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Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass wenigstens eine Kamera als Matrixkamera mit einem flächigen Target ausgebildet ist.
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Um unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens rotationssymmetrische Hohlräume untersuchen zu können, sieht eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vor, dass zur Vermessung der Oberfläche eines rotationssymmetrischen oder annähernd rotationssymmetrischen Hohlraumes in dem Bauteil ein Objektiv mit Rundumsicht verwendet wird. Eine Stereo-Bildaufnahme kann damit beispielsweise mit einer der in vorgenannten Druckschriften offenbarten Messvorrichtung realisiert werden. Die
DE 10 2017 111 819 A1 zeigt und beschreibt eine weitere Möglichkeit, mit einem Objektiv mit Rundumblick eines Stereo-Bildaufnahme zu realisieren. Einzelheiten der Verarbeitung der Bilddaten sind den vorgenannten Druckschriften sowie insbesondere auch der
DE 10 2007 031 358 A1 zu entnehmen
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Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass zur Abtastung der Oberfläche des Bauteils die Sensoranordnung relativ zu dem Bauteil bewegt wird.
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Insbesondere kann die Sensoranordnung durch eine scannende Stereokamera gebildet sein.
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Unter einem entozentrischen Objektiv werden erfindungsgemäß auch annähernd entozentrische Objektive verstanden.
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Eine erfindungsgemäße optische Messvorrichtung ist im Anspruch 9 angegeben. Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Messvorrichtung sind in den Unteransprüchen 10 bis 14 angegeben. Es ergeben sich sinnentsprechend die gleichen Eigenschaften und Vorteile wie bei dem erfindungsgemäßen Messverfahren und seinen Weiterbildungen.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte, stark schematisierte Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es ist für den Fachmann ersichtlich, dass die einzelnen Merkmale eines Ausführungsbeispiels das Ausführungsbeispiel jeweils für sich genommen, also unabhängig von den weiteren Merkmalen, weiterbilden. Damit ist für den Fachmann auch ersichtlich, dass alle beschriebenen, in der Zeichnung dargestellten und in den Patentansprüchen beanspruchten Merkmale für sich genommen sowie in beliebiger technisch sinnvoller Kombination miteinander den Gegenstand der Erfindung bilden, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen und deren Rückbezügen sowie unabhängig von ihrer konkreten Beschreibung bzw. Darstellung in der Zeichnung. Zum Gegenstand und Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung gehören auch Kombinationen von Merkmalen der Vorrichtungsansprüche mit Merkmalen der Verfahrensansprüche. Ebenfalls gehören zum Gegenstand und Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung Unterkombinationen der Patentansprüche, bei denen wenigstens ein Merkmal eines Patentanspruchs weggelassen oder durch ein anderes Merkmal ersetzt ist
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Es zeigt:
- 1 eine Schemaskizze zur Verdeutlichung des Grundprinzips einer Abbildung mit einem entozentrischen Objektiv,
- 2 eine Schemaskizze zur Verdeutlichung des Grundprinzips einer 3D-messfähigen Sensoranordnung und
- 3 eine blockschaltbildartige Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen optischen Messvorrichtung zur Durchführung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Zunächst wird anhand von 1 nachfolgend das Grundprinzip einer entozentrischen Abbildung erläutert.
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In 1 ist schematisch und vereinfachend ein entozentrisches Objektiv 1 durch eine Lochblende symbolisiert, deren Öffnung aus Gründen der Erläuterung überhöht groß dargestellt ist.
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Ein Target 2 einer Kamera ist ebenfalls rein schematisch gezeigt.
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Die zu lösende Messaufgabe besteht darin, die Breite eines Bauteils 3 in z-Richtung zu messen.
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Aus 1 ist ersichtlich, wie ein Objektpunkt 4 des Bauteils 3 über das Objektiv 1 (Lochblende) auf einen Bildpunkt 5 des Targets 2 und ein Objektpunkt 6 über das Objektiv 1 auf einen Bildpunkt 7 des Targets 2 abgebildet wird.
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In hierzu entsprechender Weise wird ein Objektpunkt 8 über das Objektiv 1 auf einen Bildpunkt 9 des Targets 2 und ein Objektpunkt 10 über das Objektiv 1 auf einen Bildpunkt 11 des Targets 2 abgebildet. Wie aus 1 ersichtlich ist, liegen die Objektpunkte 4, 6 in z-Richtung übereinander, werden aber aufgrund der durch das entozentrische Objektiv 1 eingeführten perspektivischen Verzerrung an verschiedenen Stellen 5 und 7 bzw. auf verschiedene Bildpunkte des Targets 2 abgebildet. Entsprechendes gilt für die Objektpunkte 8, 10.
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Aus 1 ist ersichtlich, dass die Abstände der Objektpunkte 4, 8 und entsprechend der Objektpunkte 6, 10 an dem Bauteil gleich sind, aufgrund der perspektivischen Verzerrung, die das entozentrische Objektiv 1 einführt, aber in unterschiedliche Abstände zwischen den Bildpunkten 5 und 9 einerseits bzw. den Bildpunkten 6 und 10 andererseits abgebildet werden. Eine Längenmessung durch Abbildung des Objekts 3 auf das Targets 2 ist damit in der in 1 dargestellten Konfiguration nicht möglich.
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Die Erfindung macht sich zunutze, dass die anhand von 1 erläuterte perspektivische Verzerrung durch das Maß, mit dem der Abbildungsmaßstab bei variierender Entfernung zwischen Objektiv und Objekt variiert, durch die optische Konstruktion des Objektivs definiert ist und damit entweder aus den Konstruktionsdaten des Objektivs errechnet oder mit einer Kalibrierung anhand eines Kalibrierungsobjekts ermittelt werden kann.
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Bei der Messung eines Abstandes bzw. einer Länge mit dem erfindungsgemäßen Messverfahren ist dann wesentlich, dass die Entfernung zwischen einem Objektpunkt und dem Objektiv 1 bekannt ist.
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Zur Ermittlung der Entfernung verwendet die Erfindung eine 3D-messfähige Sensoranordnung.
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2 stellt stark schematisiert ein Ausführungsbeispiel einer 3-D-messfähigen Sensoranordnung 12 dar. Diese Sensoranordnung weist zwei im Winkel zueinander angeordnete Zeilenkameras 14, 16 auf, denen jeweils ein Linsenarray 18, 20 zugeordnet ist. Aufbau und Funktionsweise dieses Ausführungsbeispiels sind in der
DE 10 2017 126 042 A1 näher erläutert, auf die an dieser Stelle Bezug genommen wird.
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Eine entsprechende Sensoranordnung 12 ermöglicht eine Höhenmessung in z-Richtung und damit die Ermittlung bzw. Messung der Entfernung zwischen einem Objektpunkt und dem Objektiv 1. Eine entsprechende Höhenmessung in z-Richtung kann entsprechend den jeweiligen Anforderungen und Gegebenheiten auch mit einem beliebigen anderen Stereoverfahren oder 3D-fähigen Messverfahren ausgeführt werden. In diesem Zusammenhang wird auf die oben genannten Druckschriften verwiesen, die entsprechende Verfahren im Zusammenhang mit der Inspektion rotationssymmetrischer Hohlräume beschreiben.
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3 zeigt stark schematisiert ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen optischen Messvorrichtung 22 zur Durchführung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Messvorrichtung 22 weist eine bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel als scannende Stereokamera 24 ausgebildete Kamera 24 mit einer Sensoranordnung 12 entsprechend 2 und einem entozentrischen Objektiv 26 auf. Die Sensoranordnung 12 steht in Bilddatenübertragungsverbindung mit einer Auswertungseinrichtung 28.
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Das Objektiv 26 bildet bei Betrieb der Messvorrichtung 22 die Oberfläche des Bauteils 3 auf ein Target der Stereokamera 24 ab. Die hieraus resultierenden Bilddaten der Oberfläche des Bauteils 3 werden zu der Auswertungseinrichtung übertragen, die derart ausgebildet und programmiert ist, dass der Abstand zweier Objektpunkte an der Oberfläche anhand des Abstands ihrer Abbildungen auf dem Target 2 ermittelt wird.
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Erfindungsgemäß wird bei der Auswertung der Bilddaten die durch das entozentrische Objektiv 26 eingeführte Perspektivverzerrung korrigiert. Hierzu ist die Auswertungseinrichtung 28 derart ausgebildet und programmiert, dass zur Ermittlung des Abstandes zwischen den Objektpunkten für die Objektpunkte anhand der mittels der Stereokamera 24 gemessenen Entfernung zwischen dem Objektpunkt und dem Objektiv der für die gemessene Entfernung zum Objektiv geltende Abbildungsmaßstab korrigierend berücksichtigt wird.
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Das erfindungsgemäße optische Messverfahren und die erfindungsgemäße optische Messvorrichtung ermöglichen damit unter Verwendung eines relativ einfach aufgebauten und kostengünstigen entozentrischen Objektivs eine exakte Längenmessung an Bauteilen oder Werkstücken.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015010225 A1 [0018]
- DE 102014118844 A1 [0018]
- DE 102017111819 A1 [0020]
- DE 102007031358 A1 [0020]
- DE 102017126042 A1 [0037]
