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Die Erfindung betrifft ein Messsystem
und ein Verfahren zur Erfassung geometrischer Größen eines Objektes.
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Im Bereich der Messtechnik kommen
taktile und optische Verfahren zum Einsatz. Bei den taktilen Verfahren
handelt es sich um Koordinatenmessmaschinen, bei denen das Messobjekt
von einem Tastkopf abgetastet wird. Meist werden bei diesen Systemen
lediglich charakteristische Punkte eines Prüflings angefahren. Hauptvorteil
taktiler Verfahren liegt in einer sehr hohen Grundgenauigkeit. Als
Hauptnachteile gelten der sehr hohe Zeitaufwand bezüglich der
Messzeit sowie hohe Investitionskosten.
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Die Vorteile der optischen Verfahren
liegen insbesondere in der schnellen Erfassung von geometrischen Größen eines
Objektes. Dazu existieren unterschiedliche Messverfahren beispielsweise
das dreidimensionale Messverfahren, bei dem Freiformflächen eines
Objektes komplett erfaßt
werden können
oder das zweidimensionale Messverfahren, bei dem beispielsweise
Bohrungsdurchmesser oder dergleichen erfaßt werden können. Weiterhin ist das eindimensionale
Messverfahren zur Ermittlung von Abständen bekannt.
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Ein dreidimensionales Messverfahren
ist beispielsweise ein linien- oder flächenhaft arbeitendes Verfahren,
z.B. die Lichtschnitt- oder Streifenprojektion zur schnellen Erfassung
von Außenkonturen.
Bei der dreidimensionalen Vermessung von Objekten mit dem Lichtschnittverfahren
wird eine Laserlinie auf das Objekt projiziert und über eine
Kamera erfaßt. Durch
die geeignete Anordnung von Laser, Kamera und Objekt zueinander,
läßt sich
mit Hilfe einer Triangulationsrechnung eine dreidimensionale Konturlinie auf
der Oberfläche
des Objektes generieren. Mittels einer Relativbewegung zwischen
dem Meßobjekt und
der Kamera-Laser-Anordnung
läßt sich
die gesamte Objektoberfläche
Linie für
Linie abtasten. Als Ergebnis steht eine dreidimensionale Punktwolke
zur Verfügung.
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Weitere bzw. zusätzliche dreidimensionale Verfahren
sind das codierte Lichtschnittverfahren, das als Streifenprojektionsverfahren
mit speziellem Muster bezeichnet werden kann, das Phasenshiftverfahren,
bei dem eine flächenhafte
Projektion von Grauwertverläufen
verwendet wird, das Korrelationsverfahren und die Photogrammetrie
mit der Verwendung mehrerer Kameras.
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Als zweidimensionales Verfahren ist
beispielsweise die telezentrische Durchlichtmessung zur präzisen Erfassung
von Bohrungsdurchmessern und -abständen be kannt. Dabei wird das
Messobjekt zwischen einer Kamera und einer großflächigen diffusen Lichtquelle
platziert. Die Kamera erfasst dabei die Konturen des Objekts, die
sich im Gegenlicht abbilden. Die Verwendung eines telezentrischen
Objektivs ermöglicht
eine Bildaufnahme ohne perspektivische Verzerrung: Die eindimensionale
Messung z.B. als punktförmige
Abstandsmessung ist zur Erfassung von Innenkonturen geeignet.
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Die einzelnen Messverfahren sind
somit für die
Erfassung unterschiedlicher Objektmerkmale unterschiedlich gut geeignet.
So ist z.B. die telezentrische Durchlichtmessung sehr gut für die Vermessung
von Durchgangsbohrungen und -abständen geeignet. Für die korrekte
Vermessung ist die Ausrichtung des Objektes wesentlich, d.h. eine
Voraussetzung ist eine Parallelität zwischen der Bohrungsachse
und der optischen Achse des Messsystems. Außenkonturen können nur
erfasst werden, wenn sie sich im Durchlicht abbilden. Triangulationsbasierte flächen- oder
linienhaft messende Verfahren als dreidimensionale Verfahren sind
z.B. besonders für
die Erfassung von Außenkonturen
und Freiformflächen geeignet,
stoßen
jedoch bei der Erfassung von Innenkonturen schnell an ihre physikalischen
Grenzen.
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Aus der
EP 1 160 539 A1 ist eine Scannvorrichtung
zum Erzeugen eines dreidimensionalen Computermodells bekannt, die
eine Messvorrichtung zur dreidimensionalen Erfassung eines Objekts
mit einer flächenhaft
strukturierten Beleuchtung und einer Bildaufnahmevorrichtung und
eine Messvorrichtung zweidimensionalen Erfassung des Objekts aufweist.
Weiterhin ist ein Bewegungssystem vorgesehen, das verschiedene Elemente
der Scannvorrichtung bewegt.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe
zugrunde, ein Messsystem und ein Verfahren zur Erfassung geometrischer
Größen eines
Objektes zu schaffen, mit dem es möglich ist, die unterschiedlichsten
geometrischen Größen von
unterschiedlichen Objekten zu erfassen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einMesssystem
mit den Merkmalen dem Hauptanspruch sowie durch ein Verfahren mit
den Merkmalen des Nebenanspruchs gelöst.
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Durch die in den Unteransprüchen angegebenen
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.
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Dadurch, dass in dem erfindungsgemäßen Messsystem
eine Kombination von mindestens zwei von mehreren z.B. drei optischen
Messvorrichtungen vorhanden ist, wobei die drei optischen Messsystem eine
dreidimensionale, eine zweidimensionale und eine eindimensionale
Messvorrichtung sind und dass ein Bewegungssystem vorhanden ist,
das Teile der Messvorrichtungen gezielt bewegen kann, dass weiterhin
eine Steuervorrichtung das Bewegungssystem ansteuert, wobei die
Steuervorrichtung abhängig
von den von einer der mindestens zwei optischen Messvorrichtungen
Messergebnisse das Bewegungssystem steuert und dass weiterhin eine
ausgeführte
Einrichtung zur Bestimmung der geometrischen Größen aus den von den Messvorrichtungen
gelieferten Messergebnissen umfasst ist, ist es möglich, die
verschiedensten geometrischen Merkmale des zu vermessenden Objektes
schnell und in genauer Weise zu messen.
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Für
die optischen Messvorrichtungen können die im Stand der Technik
bekannten und teilweise oben ausge führten Messvorrichtungen verwendet werden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des Messsystems,
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2 den
Aufbau eines Messsystems nach der Erfin dung in perspektivischer
Darstellung.
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1 zeigt
schematisch in Blockdarstellung ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Messsystems.
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Als dreidimensionale Messvorrichtung
ist eine Lichtschnittsensorvorrichtung 11 vorgesehen, die
zweidimensionale Messvorrichtung bildet eine telezentrische Durchlichtmessvorrichtung 12,
während die
eindimensionale Messvorrichtung eine Vorrichtung 13 zur
punktförmigen
Abstandsmessung ist. Weitere optische Sensoreinrichtungen 14 können vorgesehen
sein. Eine Beleuchtungseinrichtung 15 liefert die für die Messvorrichtungen
notwendige Beleuchtung.
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Alle Messvorrichtungen 11 bis 14 sowie
die Beleuchtungsvorrichtung 15 sind mit einem Computer 16 verbunden,
der seinerseits mit einer Steuerung 17 für ein Mehr-Achs-Bewegungssystem 18 verbunden
ist bzw. selbst die Steuerung bildet. Das Mehr-Achs-Bewegungssystem steuert
die Teile der Messvorrichtungen in die vom Computer 16 und
der Steuerung vorgegebenen Positionen.
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Der Computer 16 nimmt die
weiter unten beschriebene Auswertung vor.
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In der 2 ist
perspektivisch ein Ausführungsbeispiel
des Messsystems dargestellt, wobei mit 1 eine Spannvorrichtung
bezeichnet ist, in die ein zu vermessendes Objekt 2 eingespannt
werden kann. Die Spannvorrichtung 1 ist durch ein nicht
dargestelltes Bewegungssystem, z.B. durch einen oder mehrere Elektromotoren
mit Getriebe in zwei Richtungen schwenkbar oder neigbar.
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Als zweidimensionale Messvorrichtung
ist eine Kamera mit telezentrischem Objektiv 3 sowie eine
großflächige diffuse
Beleuchtung 4 vorgesehen, wobei das Objekt 2 zwischen
telezentrischem Objektiv 3 und Beleuchtung 4 angeordnet
ist. Unterhalb des Objektivs 3 ist ein Lichtschnittsensor 5 mit
Linienlaser und eine Kamera 6 angeordnet. Mittels des nicht
näher dargestellten
Bewegungssystems lassen Lichtschnittsensoren 5 und Kamera 6 um
das Objektiv 3 herum mittels Rotationsachse bewegen, und
das telezentrische Objektiv 3 und der Lichtschnittsensor 5 mit
Kamera 6 sind darüber
hinaus in zwei Richtungen verfahrbar.
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Die dem Objektiv 3 zugeordnete
Kamera sowie der Lichtschnittsensor 5 und die Kamera 6 sind mit
einer Auswerte- und Steuereinrichtung verbunden, wobei in gleicher
Weise das nicht dargestellte Bewegungssystem mit der Steuervorrichtung
verbunden ist.
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Zusätzlich zu den in der Figur
dargestellten Messvorrichtungen kann zur Komplettierung des Messsystems
eine eindimensionale Messvorrichtung vorgesehen sein, die in einem
Ausführungsbeispiel als
punktförmige
Strahlungsquelle, z.B. als Laserlichtquelle und einem Empfänger, der
am Objekt reflektierten Strahlung ausgebildet ist. Strahlungsquelle
und Empfänger
sind wiederum mit der Auswerte- und Steuervorrichtung verbunden.
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Die Verwendung des in der Figur dargestellten
und beschriebenen Messsystem soll nun anhand von unterschiedlichen
Messaufgaben beschrieben werden.
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Es soll die Vermessung von Bohrungen
in gebogenen Blechteilen vorgenommen werden. Das für die zweidimensionale
Vermessung von Bohrungen und Objektkanten bevorzugt angewendete Messverfahren
ist die telezentrische Durchlichtmessung. Hierbei wird das Objekt
bzw. der Prüfling
zwischen der Kamera hinter dem Objektiv 3 und der diffusen
Beleuchtungseinrichtung plaziert. Die sich im Durchlicht abbildenden
Konturen können
im Kamerabild mit klassischen Verfahren der Bildverarbeitung sehr
schnell und präzise
vermessen werden. Wie schon oben ausgeführt wurde, sind für zuverlässige Messergebnisse
folgende Voraussetzungen zu erfüllen:
Die Bohrungsachse und die optische Achse der Kamera müssen zueinander
parallel verlaufen. Eine Nichtparallelität führt zu einer verzerrten Abbildung der
Kontur, d.h. ein Kreis würde
sich z.B. als Ellipse abbilden, wodurch keine präzise Vermessung möglich ist.
Weiterhin muß die
zu erfassende Kontur sich im Tiefenschärfebereich des Objektives 3 befinden. Nur
für diesen
Bereich ist die telezentrische. d.h. perspektivfreie Abbildung der
Kontur garantiert.
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Entsprechend der Erfindung wird die
geforderte Achsparallelität
und der vorgegebene Messabstand durch eine Relativbewegung zwischen
dem Objekt 2 und dem zugehörigen optischen System hergestellt,
wobei dann die Spannvorrichtung 1 auf einem Messtisch allein
oder mit diesem zusammen verschiebbar ist. Das Objekt bzw. der Prüfling 2 wird so
zum zweidimensionalen optischen System positioniert, daß die optische
Achse des telezentrischen Objektivs 3 und die zu erfassenden
Merkmale orthogonal zueinander stehen. Zu diesem Zweck muß die Lage
des Prüflings
2 im Raum bekannt sein.
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Dies wird wie folgt erreicht: Nach
dem Fixieren des Objektes 2 in der Spannvorrichtung 1 wird das
Objekt mit dem Projektor 5 bestrahlt und die Kamera erfaßt das Bild
der projizierten Linien oder Gitter auf dem Objekt und liefert diese
Informationen an die nicht dargestellt Auswertevorrichtung. Die
Auswertevorrichtung bestimmt über
das Lichtschnittverfahren die dreidimensionale Lage des Objektes 2 und berechnet
anschließend
Korrekturparameter, die an die Steuervorrichtung für das Bewegungssystem
gegeben wird, das wiederum die Antriebsvorrichtungen der Spannvorrichtung 1 und
oder des Objektivs 3 mit der Kamera derart ansteuert, dass
die oben erwähnte Ausrichtung
zwischen Objekt 2 und Objektiv 3 mit Kamera entsprechend
den Bedingungen für
die Durchlichtmessung entspricht. Somit werden durch eine Bewegung
des Objektes 2 und/oder des Objektivs mit der Kamera die
Voraussetzungen für
eine zuverlässige
telezentrische Vermessung gegeben. Praktisch als Nebenprodukt stehen
darüber
hinaus noch die für
das Lichtschnittverfahren erfassbaren Maße einer Qualitätskontrolle
zur Verfügung.
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Die Korrekturparameter für den Fall
der dreidimensionalen Vermessung, Ausrichtung und zweidimensionalen
Vermessung werden wie folgt bestimmt. Die räumliche Lage der Sensoren wurde durch
einen Einmessvorgang ermittelt. Aus den dreidimensionalen Messdaten
lässt sich
somit die räumliche
Lage des Messobjektes berechnen. Da die Lage der zweidimensionalen
Messvorrichtung ebenso bekannt ist, lässt sich hieraus eine "Lagedifferenz" z.B. zwischen der
optischen Achse und einer Bohrungsachse berechnen, welche durch
das Bewegungssystem ausgeglichen wird, d.h. zu Null gemacht wird.
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Ein weiteres Anwendungsbeispiel des
erfindungsgemäßen Messsystems
ist die Bestimmung von Prägetiefen
an tiefgezogenen Blechen, die eine Vorzugslage aufweisen, so dass
Bohrungen hinsichtlich ihrer Achse zu der optischen Achse des Objektivs 3 ausgerichtet
sind. Dieses tiefgezogene Blech weist neben Bohrungen z.B. auch
Aufprägungen
auf, also Bereiche, die gegenüber
der ursprünglichen
Blechebene durch das Tiefziehwerkzeug hervorgehoben werden. Die
Höhe bzw.
Tiefe dieser Einprägungen stellt
ein zu erfassendes Geometriemerkmal dar. Bei einer automatisierten
Vermessung ist natürlich
wichtig, an welcher Stelle diese Höheninformation gewonnen wird.
Entsprechend der Erfindung wird die Lage des Objektes 2 durch
Vermessung mit dem telezentrischen Objektiv und der Kamera 3 bestimmt,
d.h. die die Informationen aus dieser Messung erhaltende Auswerteeinrichtung
berechnet die Koordinaten des Objektes und gibt Korrekturparameter
für die
Messung mit einer nicht dargestellten eindimensionalen Messvorrichtung
an die Steuervorrichtung weiter. Die Steuervorrichtung steuert die
Antriebe für
den nicht dargestellten Abstandssensor an, damit dieser in die gewünschte Messstellung
gebracht wird. Es wird danach die Höhe an spezifisch ermittelten
Punkten durch die eindimensionale Messvorrichtung gemessen und an
die Auswertevorrichtung gegeben.
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Ein weiteres Anwendungsbeispiel ist
die Vermessung von Innenkonturen, wobei hier die dreidimensionale
Messvorrichtung und die eindimensionale Messvorrichtung verwendet
werden. Innenkonturen an Kunststoffspritzgussteilen stellen aus
messtechnischer Sicht eine sehr große Herausforderung dar. Die
klassische Koordinatenmesstechnik scheitert zumeist an der fehlenden
Zugänglichkeit
oder zu geringen Merkmalsgrößen und
optische Durchlichtverfahren sind nicht anwendbar. Digitalisierverfahren auf
Basis einer zerstörenden
Werkstoffprüfung
liefern zwar gute Messergebnisse, sind aber für die Integration in die Produktion
zu langsam. Das punktförmige, d.h.
eindimensionale optische Messverfahren sorgt hier zumindest teilweise
für Abhilfe,
da es nicht wie triangulationsbasierte Verfahren auf zwei frei Blickrichtungen
auf das Merkmal angewiesen ist, sondern eine deutlich größere Freiheit
in der Objekterfassung bietet. Da die punktförmigen Messverfahren als Messwert
prinzipiell einen Abstand ausgeben, ist es, wie schon bei dem vorigen
Beispiel für
die Bewertung dieses Maßes
wichtig, den entsprechenden Objektpunkt zu diesem Abstand zu kennen.
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Dazu wird wieder, wie in dem ersten
Ausführungsbeispiel
das Objekt in der universellen Spannvorrichtung 1 fixiert
und die dreidimensionale Messvorrichtung das Objekt 2 vermisst
und die Auswertevorrichtung entsprechend z.B. dem Lichtschnittverfahren
die Lage des Objektes 2 im Raum bestimmt. Letztere berechnet
die Korrekturparameter und liefert sie an die Steuervorrichtung,
die wiederum die Antriebe des Bewegungssystem ansteuert. Objekt 2 und/oder
Teile der eindimensionalen Messvorrichtung werden relativ zueinander
so eingestellt, dass sichergestellt wird, dass der Abstand an vorgebbaren Objektpunkten
gemessen wird. Auf diese Weise ist eine qualitative Bewertung des
Objektes möglich.