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Es
ist bekannt, Werkstücke
zur Bestimmung der genauen Oberflächengeometrie punktweise zu vermessen.
Dazu wird die Werkstückoberfläche mit einem
Tastkörper
punktweise angetastet, um Punkt für Punkt die Koordinaten der
Oberfläche
zu bestimmen.
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Zur
punktweisen Vermessung der Oberfläche dienen dabei so genannte
Messköpfe,
die einen Taststift aufweisen, der1 den Tastkörper trägt. Zur Feststellung einer
Berührung
zwischen dem Tastkörper
und der Werkstückoberfläche wird
in der Regel die sich ergebende Auslenkung des Taststifts herangezogen.
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Aus
der
DE 197 24 739
A1 ist ein solcher optisch arbeitender Messkopf bekannt.
Zu diesem gehört
ein optisch transparenter, kugelförmiger Tastkörper, der
von einem schwenkbar, als Lichtleiter ausgebildeten, Taststift getragen
ist. Der Taststift ist durch eine Lichtleitfaser gebildet und an
seinem festen Ende beleuchtet. Entsprechend strahlt die Tastkugel allseitig
Licht ab. Zur Erfassung der Tastkugelposition sind wenigstens zwei
bildgebende Messeinrichtungen vorgesehen, bei denen das Bild der
leuchtenden Tastkugel auf einer Sensorzeile abgebildet wird.
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Aus
der
DE 198 05 892
A1 ist ebenfalls eine Tasteinrichtung mit optischer Erfassung
der Tastkugelposition bekannt. Die Tastkugel ist in einer Ausführungsform
optisch transparent ausgebildet und an einem Lichtleiter angeschlossen.
In einer anderen Ausführungsform
ist die Tastkugel selbst optisch transparent, wobei sie jedoch mit
einem Positionsindikatorkörper
verbunden ist, der seinerseits über
einen Lichtleiter von innen her beleuchtet ist.
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Bei
Einrichtungen gemäß diesem
Stand der Technik berührt
der Tastkörper
bei der Messung die Werkstückoberfläche. Auf
die Tastrichtung wird in Folge der sich ergebenden Auslenkung des
Taststifts geschlossen. Zur Messung ist immer eine Sichtverbindung
zwischen der optischen Erfassungseinrichtung, beispielsweise mehreren
Kameras und dem Tastkörper
erforderlich. Bei komplizierten Werkstücken ist ein solcher Sichtkontakt
nicht immer vorhanden.
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Außerdem erfordert
die körperliche
Antastung des Werkstücks
eine ruhende Messung, d. h. sie kann nur streng punktweise erfolgen.
Ein Abtasten der Oberfläche
im Sinne einer kontinuierlichen linienhaften Scanvorgangs ist nicht
möglich.
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Aus
der
EP 0 415 579 A1 ist
eine Tasteinrichtung mit optischem Messprinzip bekannt. In einer
ersten Ausführungsform weist
sie einen an einem Taststift gehaltenen Tastkörper auf, wobei in dem Taststift ein
Lichtweg definiert ist. Eine Verformung des Taststifts führt zu einer Änderung
des Interferenzmusters in einer interferenzoptischen Auswerteeinrichtung, was
als Tastsignal gewertet wird. In einer zweiten Ausführungsform
ist das Tastelement als Kugellinse ausgebildet und sendet einen
Lichtstrahl in Verlängerung
des Taststifts in Richtung der Werkstückoberfläche aus und nimmt das zurückreflektierte
Licht wieder auf.
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Davon
ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, eine Tasteinrichtung zu
schaffen, die wenigstens hinsichtlich einem der genannten Nachteile
eine Verbesserung ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird mit der Tasteinrichtung nach Anspruch 1 gelöst:
Die
erfindungsgemäße Tasteinrichtung
weist eine Lichtquelle und einen über eine Lichtleiteinrichtung an
die Lichtquelle angeschlossenen Tastkörper auf, der optisch transparent
ist und in dem das eingestrahlte Licht totalreflektiert wird. An
die Lichtleiteinrichtung ist außerdem
eine optische Erfassungseinrichtung angeschlossen, die von dem Tastkörper reflektiertes
Licht erfasst und entsprechende elektrische Signale an eine Auswerteeinrichtung
liefert. Der Tastkörper
wird über
die Lichtleiteinrichtung von innen beleuchtet. Somit erfasst die
Erfassungseinrichtung die Lichtmenge die von dem Tastkörper weder selbst
absorbiert worden ist noch diesen verlassen konnte. Der Tastkörper ist
vorzugsweise glasklar ausgebildet.
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Berührt der
Tastkörper
eine andere Fläche, beispielsweise
eine Werkstückoberfläche, ändert sich
an der Berührungsstelle
das Reflexionsvermögen
des Tastkörpers.
Mit anderen Worten, an der Berührungsstelle
wird Licht absorbiert, so dass die angeschlossene Erfassungseinrichtung
weniger Licht empfängt,
was die Auswerteeinrichtung als Berührung auswerten kann.
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Darüber hinaus
zeigt sich, dass sich die Reflexionseigenschaften der Oberfläche des
Tastkörpers,
die eine Grenzschicht zwischen Medien unterschiedlicher Brechungsindezes
bildet, ändert,
noch bevor die Tastkörperoberfläche berührt. Die Änderung
der Reflexionseigenschaften beginnt schon bei einem gewissen Abstand
von z. B. 100 μm.
Hier können
elektrostatische Effekte eine Rolle spielen. Außerdem ändern sich die Totalreflexionseigenschaften bei
noch größerer Annäherung des
totalreflektierenden Tastkörpers
an die Werkstückoberfläche bei
einer Annäherung
auf einige wenige, z. B. vier Lichtwellenlängen (ca. 2 bis 3 μm), so dass
ein berührungsloses
Antasten möglich
ist. Eine definierte Änderung
der Intensität
und/oder flächigen
Verteilung des von dem Tastkörper über die
Lichtleiteinrichtung zurückgegebenen
Lichts wird als Kennzeichen dafür verwendbar,
dass die Annäherung
an eine Fremdfläche
(Werkstückoberfläche) auf
ein definiertes Maß erreicht
worden ist. Damit sind die Koordinaten des dem Tastkörper nächstgelegenen
Punkts der Werkstückoberfläche aus
der Position des Tastkörpers
bestimmbar, ohne dass eine wirkliche Berührung zwischen dem Tastkörper und
der Werkstückoberfläche stattfinden
würde.
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Dies
eröffnet
die Möglichkeit
der Vermessung komplizierter und zerklüfteter Oberflächenstrukturen,
bei denen der Tastkörper
aus dem Sichtfeld eines äußeren Beobachters
verschwindet. Es können Hinterschneidungen,
Bohrungen oder enge Nuten oder gleichen Ausnehmungen und sonstige
Oberflächenstrukturen
berührungslos
vermessen werden.
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Darüber hinaus
eröffnet
die erfindungsgemäße Tasteinrichtung
wegen der Möglichkeit
der berührungslosen
Vermessung von Werkstückoberflächen die
Möglichkeit
der linienhaften Abtastung von Oberflächenprofilen. Wegen der fehlenden
wirklichen Berührung
zwischen dem Tastkörper
und der Werkstückoberfläche, kann
der Tastkörper
in konstantem Abstand zu der Werkstückoberfläche der Oberflächenform
folgend bewegt werden, so dass die Oberflächenform kontinuierlich aufgenommen
wird. Zur Verfolgung der Oberflächenform
dient beispielsweise eine Regeleinrichtung, die anhand der Änderung
der von dem Tastkörper
in die Lichtleiteinrichtung zurück reflektierten
Lichtintensität
oder -verteilung den Abstand erfasst und durch Nachregelung einer
entsprechenden Positioniereinrichtung, die die Tasteinrichtung führt, konstant
hält. Es
ist sowohl punktweise Antastung als auch linienhaftes Scannen möglich.
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Die
Erfassungseinrichtung ist vorzugsweise eine Bilderfassungseinrichtung,
die nicht nur die von dem Tastkörper
in die Lichtleiteinrichtung zurück
reflektierte Lichtintensität,
sondern auch die Lichtverteilung erfassen kann. Dabei kann es im
Einzelfall genügen,
das Gesichtsfeld der Bilderfassungseinrichtung in wenige, beispielsweise
drei oder vier Zonen aufzuteilen, die jeweils ein lichtempfindliches
Element aufweisen. Mit drei in Sektoren angeordneten oder vier in
Quadranten angeordneten photosensorischen Elementen, lässt sich
sowohl eine Lichtintensitätsänderung
als auch eine Änderung
der Lichtverteilung erfassen. Zu einer verfeinerten Erfassung kann ein
Photodiodenarray oder eine Kamera bzw. ein Kameraschaltkreis dienen,
der das Gesichtsfeld in eine größere Zahl
von Bildpunkten unterteilt und deren Helligkeit einzeln erfasst.
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Der
Tastkörper
weist vorzugsweise eine an allen Stellen gewölbte Oberfläche auf, um große Teile des
in den Tastkörper
eingestrahlten Lichts durch Totalreflexion in dem Tastkörper zu
halten und letztendlich in die Lichtleiteinrichtung zurück zu koppeln.
Beispielsweise kann der Tastkörper
als Kugel ausgebildet sein, die über
einen einzigen Lichtleiter an den Lichtweg angeschlossen ist. Dieser
Lichtleiter führt dann
sowohl das Licht in den Tastkörper
hinein als auch wieder aus diesem heraus. Zur Trennung zwischen
eingestrahltem und reflektiertem Strahl kann ein Strahlteiler dienen,
der die Lichtquelle, den Tastkörper
und die Erfassungseinrichtung miteinander verbindet. Der Strahlteiler
kann dabei so eingestellt sein, dass in einem Ausgangszweig des
Lichtwegs von der Lichtquelle herkommendes Licht und von dem Tastkörper herkommendes
Licht überlagert wird.
Wird eine kohärente
Lichtquelle verwendet, können
hier Interferenzeffekt genutzt werden, um eine charakteristisch
strukturierte Lichtverteilung auf der bilderfassenden Erfassungseinrichtung
zu erhalten. Eine Veränderung
dieser Verteilung kann zur Erfassung einer Nähe einer Fremdoberfläche zu dem Tastkörper erfasst
werden.
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Die
Auswertung des von dem Tastkörper
in die Lichtleiteinrichtung zurück
geworfenen Lichts gestattet nicht nur die Erfassung der Nähe einer
Fremdoberfläche
sondern zugleich deren Position relativ zu der Tastkugel. Fehlt
eine Oberfläche
in der Nähe der
Tastkugel entsteht auf der Erfassungseinrichtung in der Regel ein
rotationssymmetrisches Bild, bzw. eine rotationssymmetrische Helligkeitsverteilung. Dies
ist unabhängig
davon, ob kohärentes
oder nichtkohärentes
Licht verwendet wird. Wird die Tastkugel nun einer Werkstückoberfläche angenähert, ändert sich
die Helligkeitsverteilung in charakteristischer Weise, z. B. verformt
sich das von der Bilderfassungseinrichtung erfasste Bild oder in
bestimmten Quadranten nimmt die Helligkeit zu oder ab. Aus der Position
der Helligkeitszunahme bzw. -abnahme kann darauf geschlossen werden,
an welcher Stelle der Kugeloberfläche des Tastkörpers die
Totalreflexionseigenschaften durch Annäherung einer anderen Oberfläche verändert worden
sind. Auf diese Weise ist nicht nur die Tastposition sondern auch
die Tastrichtung erfassbar. Die Auswerteeinrichtung ist vorzugsweise
darauf ausgelegt, aus der Änderung der
Lichtverteilung an der Erfassungseinrichtung auf die Tastrichtung
zu schließen.
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Der
Tastkörper
kann über
ein flexibles Lichtleitmittel an die ruhende Lichtquelle und die
ruhende Erfassungseinrichtung angeschlossen werden. In diesem Fall
wird nur der Tastkörper
bewegt. Es ist jedoch auch möglich,
als Lichtquelle eine Miniaturlichtquelle, beispielsweise eine Glühlampe oder
eine Leuchtdiode zu verwenden, die Teil des Tastkopfs ist und wie
die Erfassungseinrichtung mit diesem mitbewegt wird. Auf diese Weise
können
Einflüsse,
wie sie aus der Verformung eines Lichtleiters herrühren könnten, ausgeschlossen
werden. Es wird monochromatisches kohärentes Licht bevorzugt. Zusätzlich zur
Intensitätsänderung
des totalreflektierten Lichts können
dann auch Interferenzänderungen ausgewertet
werden. Es kann aber auch weißes, nichtkohärentes Licht
Anwendung finden. Das Licht kann ein Linienspektrum oder ein kontinuierliches Spektrum
aufweisen.
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Bei
einer abgewandelten Ausführungsform ist
der Tastkörper über einen
ersten Zweig der Lichtleiteinrichtung mit der Lichtquelle verbunden
und über
einen zweiten Zweig ist die Verbindung zu der Erfassungseinrichtung
hergestellt. Die Zweige können
beispielsweise durch Lichtleitfasern gebildet sein, die einander
benachbart oder einander gegenüberliegend
an den Tastkörper
angeschlossen sind. Es ist darüber
hinaus möglich,
den Tastkörper über mehrere
Lichtleitfasern mit der Lichtquelle und der Erfassungseinrichtung
zu verbinden. Beispielsweise kann das Licht über eine erste Lichtleitfaser
zugeführt werden,
wobei das zurückreflektierte
Licht über
zwei symmetrisch zu der zuführenden
Lichtleitfaser angeordnete abführende
Lichtleitfasern zu zwei verschiedenen Erfassungseinrichtungen geführt wird.
Werden mehrere wegführende
Lichtleitfasern, beispielsweise drei, vier, fünf oder eine noch größere Anzahl verwendet,
können
diese jeweils an eine einzelne photosensorische Einrichtung angeschlossen
sein, wobei dann eine Bilderfassung im eigentlichen Sinne nicht
erforderlich ist. Die Nähe
einer Werkstückoberfläche kann
dann durch eine Ungleichverteilung der Lichtintensitäten auf
die einzelnen photosensorischen Elemente erfasst werden.
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Das
mit der Tasteinrichtung ausgeführte
Verfahren nutzt zur berührenden
oder vorzugsweise berührungslosen
Vermessung von Werkstückoberflächen den
Effekt, dass ein lichtführender
Tastkörper, wenn
er in die Nähe
einer Werkstückoberfläche gebracht
wird, seine Totalreflexionseigenschaften an der Berührstelle ändert. Die Änderung
beginnt bevor eine körperliche
Berührung
zwischen dem Tastkörper und
der Werkstückoberfläche stattfindet.
Dies ermöglicht
den Aufbau filigraner, sehr kleiner und dabei empfindlicher Präzisionsmessköpfe, mit
denen sich auch kleinste Oberflächenstrukturen
punktweise oder kontinuierlich erfassen lassen. Durch die fehlende
körperliche
Berührung
zwischen Tastkörper
und Werkstückoberfläche können Oberflächenprofile
linienhaft abgetastet (gescannt) werden. Der Tastkörper haftet
nicht an der Werkstückoberfläche.
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Vorteilhafte
Einzelheiten von Ausführungsformen
der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen und ergeben sich aus der
Zeichnung oder der Beschreibung. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele
der Erfindung veranschaulicht. Es zeigen:
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1 eine
Tasteinrichtung mit transparentem Tastkörper zur Vermessung eines Werkstücks in schematisierter
Darstellung,
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2 den
Tastkörper
und die Werkstückoberfläche nach 1 in
einer schematisierten und vergrößerten Darstellung,
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3 die
Lichtintensität
des von dem Tastkörper
in die Lichtleiteinrichtung zurückgeworfenen Lichts,
bei verschiedenen Abständen
zu einer Werkstückoberfläche als
schematisches Diagramm,
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4 den
Tastkörper
nach 2 in schematischer Darstellung,
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5 die
Tasteinrichtung nach 1 mit schematischer Darstellung
eines von der Erfassungseinrichtung erfassten Bildes ohne Werkstückoberfläche,
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6 die
Tasteinrichtung nach 5 mit einer in der Nähe befindlichen
Werkstückoberfläche und
die sich daraus ergebende Bildveränderung in schematischer Darstellung,
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7 u. 8 die
Tasteinrichtung nach 1 in einer abgewandelten Ausführungsform
mit und ohne in der Nähe
der Tastkugel befindliche Werkstückoberfläche in schematischer
Darstellung,
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9 eine
abgewandelte Ausführungsform der
Tasteinrichtung mit getrennten Lichtwegen zu der Tastkugel hin und
von dieser weg in schematisierter Darstellung,
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10 eine
abgewandelte Ausführungsform der
Tasteinrichtung nach 9 mit symmetrischer Anordnung
von hin- und rückführendem
Lichtweg und
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11 ein
Tastkopf mit Lichtquelle und Erfassungseinrichtung in schematisierter
Darstellung.
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In 1 ist
eine Tasteinrichtung 1 veranschaulicht, die zur Vermessung
eines Werkstücks 2 dient.
Letzteres ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel auf einem Tisch 3 ruhend
gelagert.
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Die
Tasteinrichtung 1 weist einen Tastkopf 4 auf,
der an einer Führungseinrichtung 5 in
zumindest einer Richtung X bewegbar gelagert ist. Zur Erfassung
der Position des Tastkopfs 4 dient ein Wegsensor 6,
der die Position des Tastkopfs 4 anhand einer Maßverkörperung 7 erfasst.
Bedarfsweise kann die Führungseinrichtung 5 mehrere
Führungsrichtungen mit
entsprechenden Stelleinrichtungen und Wegsensoren aufweisen.
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Der
Tastkopf 4 trägt
einen schlanken Lichtleiter 8, der starr oder flexibel
ausgebildet sein kann. Der Lichtleiter 8 ist beispielsweise
ein dünner,
optisch transparenter Stab oder eine Lichtleitfaser. An dem freien
Ende des Lichtleiters 8 ist eine optisch transparente,
vorzugsweise glasklare, Kugel 9 vorgesehen, die als Tastkörper dient.
Der Lichtleiter 8 und die Kugel 9 sind aus einem
solchen Material, das der Brechungsindex eingestrahltes Licht im
Wege der Totalreflexion innerhalb des Lichtleiters 8 und
der Kugel 9 hält.
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Der
Lichtleiter 8 gehört
zu einer Lichtleiteinrichtung 10, die einen Lichtweg 11 (5)
von einer Lichtquelle 12 über die Tastkugel 9 zu
einer Erfassungseinrichtung 13 festlegt. Die Lichtleiteinrichtung 10 weist
dazu beispielsweise einen von der Lichtquelle 12 zu einem
Strahlteiler 14 führenden
Lichtleiter 15, den Lichtleiter 8 sowie einen
von dem Strahlteiler 14 zu der Erfassungseinrichtung 13 führenden
Lichtleiter 16 auf. Der Lichtleiter 8 ist an den Strahlteiler 14 angeschlossen.
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Die
Lichtquelle 12 ist vorzugsweise eine Quelle für nichtkohärentes,
wenig oder nicht interferierendes Licht; beispielsweise ist sie
eine Glühlampe 17 oder
Leuchtdiode. Die Erfassungseinrichtung 13 weist mindestens
einen, vorzugsweise aber mehrere lichtempfindliche Sensoren, beispielsweise
in Form eines Diodenarrays 18 auf (5).
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Die
einzelnen Lichtsensoren des Diodenarrays 18 sind über eine
entsprechende Leitung 19 an eine Auswerteeinrichtung 21 angeschlossen,
die beispielsweise durch einen Computer gebildet ist. Die Auswerteeinrichtung 21 erhält über die
Leitung 19 von der Erfassungseinrichtung 13 elektrische
Signale, die das von der Erfassungseinrichtung 13 empfangene
Bild kennzeichnen. Die Auswerteeinrichtung 21 dient dann
dazu, Veränderungen
in diesem Bild zu erfassen und zu interpretieren, um die Annäherung des
Werkstücks 2 an
die Kugel (oder umgekehrt) zu erfassen. Außerdem erhält die Auswerteeinrichtung 21 über eine
Leitung 22 Signale von dem Wegsensor 6, die die
aktuelle Position des Tastkopfs 4 kennzeichnen. Über eine
nicht weiter veranschaulichte Verbindung mit der Führungseinrichtung 5 kann
die Auswerteeinrichtung 21 außerdem die Bewegung des Tastkopfs 4 steuern,
um die Kugel 9 gezielt an das Werkstück 2 anzunähern, bzw.
von diesem zu entfernen.
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2 veranschaulicht
die Verhältnisse
hinsichtlich der Licht-Totalreflexion in der Kugel 9 schematisch.
Ein über
den Lichtleiter 8 in die Kugel 9 eingestrahlter
Strahl 23 wird von der Kugeloberfläche ein- oder mehrfach nach
innen gebrochen und somit total reflektiert, bis er letztendlich
als austretender Strahl 24 die Kugel 9 über den
Lichtleiter 8 wieder verlässt. Weitere Strahlen treten
unter unterschiedlichen Winkeln in die Kugel 9 ein und
werden an unterschiedlichen Stellen der Kugeloberfläche reflektiert. Die
Strahlen 23, 24 sind somit lediglich exemplarisch veranschaulicht.
Ist keine Oberfläche
in der Nähe
der Kugel 9 vorhanden, erfolgt an vielen Punkten der Oberfläche der
Kugel 9 eine Totalreflexion der betreffenden, hier ankommenden
Strahlen, so dass das in die Kugel 9 eingestrahlte Licht
diese im Wesentlichen auch über
den Lichtleiter 8 wieder verlässt. Nähert sich die Kugel 9 jedoch
des Oberfläche
des Werkstücks 2 an,
können
die Reflexionsverhältnisse
beispielsweise an der Stelle 25 eines in 2 gestrichelt
veranschaulichten Bereichs 26 der Kugel 9 geändert werden,
der sich der Werkstückoberfläche annähert. Wird
der Abstand zwischen der Oberfläche des
Werkstücks 2 und
der Oberfläche
der Kugel 9 geringer als etwa drei bis vier Lichtwellenlängen, wird die
Totalreflexion in dem Bereich 26 gestört, so dass hier weniger Licht
zurückgestrahlt
wird. 3 veranschaulicht dies anhand eines schematischen
Prinzipdiagramms. Mit Verringerung des Abstands X nimmt die Intensität des rückgestrahlten
Lichts nahezu sprunghaft ab und zwar noch bevor eine Berührung zwischen
den beteiligten Oberflächen
eintritt. Eine Abstandsänderung ΔX im Bereich
von etwa einem μm
erzeugt eine sehr starke Intensitätsänderung der Reflexion in dem
Bereich 26. Somit weist die Kugel 9, wie in 4 schematisch
veranschaulicht ist, gewissermaßen
einen Fangbereich 27 auf. Tritt eine Oberfläche in diesen
Fangbereich ein, wird dies durch Änderung der Intensität und der
Verteilung des Lichts an der Erfassungseinrichtung 13 erfasst.
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Die
insoweit beschriebene Tasteinrichtung 1 arbeitet wie folgt:
Zur
Vermessung eines Werkstücks 2 wird
der Tastkopf 4 von der Führungseinrichtung 5 so
an das Werkstück 2 herangefahren,
dass sich die Kugel 9 der Oberfläche des Werkstücks 2 nähert. Solange sich
die Kugel 9 noch in größerer Entfernung
(mehr als vier oder fünf
Lichtwellenlängen)
von dem Werkstück 2 befindet,
erfasst die Erfassungseinrichtung 13, wie in 5 veranschaulicht,
ein Bild mit einer rotationssymmetrischen Lichtverteilung. Abweichungen
von der rotationssymmetrischen Lichtverteilung können durch Ungenauigkeiten
der Kugel 9 oder der beteiligten Lichtleiter 8, 15, 16 verursacht
sein. In 5 ist die Helligkeitsverteilung
durch Linien konstanter Helligkeit angedeutet. Das Bild kann in
ringförmige
Zonen größerer und
geringerer Helligkeit aufgeteilt sein. Zur Erfassung dieser Lichtverteilung dient
das Diodenarray 18, das in 5 und 6 lediglich
ausschnittsweise im oberen linken Quadranten veranschaulicht ist.
Vorzugsweise erfasst das Diodenarray 18 jedoch das gesamte
Bild.
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Nähert sich
die Kugel 9 nun der Oberfläche des Werkstücks 2 an,
erfolgt, wie 6 veranschaulicht, eine Störung der
Totalreflexion der Kugel 9 in dem Bereich 26.
Dadurch ändert
sich die Intensität des
aus der Kugel 9 über
den Lichtleiter 8 zurückgegebenen
Lichts. Darüber
hinaus ändert
sich die Lichtverteilung, was in 6 rechts
durch eine Änderung der
Zonen gleicher Helligkeit angedeutet ist. Aus der Art der Änderung
des Bilds, d. h. aus der Stelle an der die Bildänderung, beispielsweise eine
Bildaufhellung oder eine Bildabdunklung erfolgt, kann auf die Lage bzw.
die Position des Bereichs 26 geschlossen werden. Aus der
Stärke
der Veränderung
kann auf den Abstand zwischen der Kugel 9 und der Werkstückoberfläche geschlossen
werden. Beides leistet die Auswerteeinrichtung 21, die
den Abstand zwischen der Kugel 9 und der Oberfläche des
Werkstücks 2 sowie
die Position des Bereichs 26 ermittelt. Daraus lassen sich
die Koordinaten des Punkts P präzise
bestimmen, ohne dass die Oberfläche
des Werkstücks 2 wirklich
berührt
werden müsste.
Als weiterer Effekt kann hinzukommen, dass die Kugel 9 an
einigen Stellen Licht austreten lässt, das die Werkstückoberfläche trifft.
Unterschreitet der Abstand zwischen dem Werkstück 2 und der Kugel 9 eine
Grenze, empfängt die
Kugel 9 von dem Werkstück 2 zurück geworfenes Licht,
was ebenfalls die Lichtverteilung an der Erfassungseinrichtung 13 ändern kann.
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Bei
einer weiter entwickelten Ausführungsform
führt die
Auswerteeinrichtung 21 den Tastkopf 4 unter Konstanthaltung
des Abstands zwischen der Kugel 9 und der Oberfläche des
Werkstücks 2 entlang
eines vorgegebenen Tastwegs an der Werkstückoberfläche entlang und erfasst so
die Oberflächenform
kontinuierlich entlang einer Linie.
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Die 7 und 8 veranschaulichen
die sich ergebende Änderung
des Bilds an der Erfassungseinrichtung 13 nochmals schematisch.
Das Bild an der Erfassungseinrichtung 13 kann, bei frei
im Raum stehender Kugel 9, eine Grundstrukturierung aufweisen.
Diese kann in der Auswerteeinrichtung 21 auf ein einheitliches
Niveau kalibriert werden, so dass ein verarbeitetes Bild 28 einheitlich
grau erscheint. Befindet sich, wie 8 veranschaulicht,
die Oberfläche
des Werkstücks 2 in
der Nähe
der Kugel 9, so dass die Totalreflexion in einem Bereich 26 gestört wird,
wird ein Bild erhalten, das bei gleicher Kalibrierung Helligkeitsmaxima
und -minima 29, 30 zeigt, die Rückschlüsse auf
die Lage des Bereichs 26 zulassen. Sollte der Rückschluss
nicht eindeutig möglich
sein, kann der betreffende Punkt der Oberfläche des Werkstücks 2 aus
zumindest zwei verschiedenen Richtungen berührungslos angetastet werden,
um letztendlich eindeutig die Position der Tastrichtung zu bestimmen.
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Bei
den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen kann an Stelle
der Glühlampe 17 eine
Lichtquelle für
interferenzfähiges
Licht, beispielsweise ein Laser oder eine Laserdiode Anwendung finden.
In dem Lichtleiter 16 interferieren dann von dem Strahlteiler 14 rekombiniertes
Licht von dem Laser und der Kugel 9. Dies ergibt ein Interferenzmuster
an der Erfassungseinrichtung 13, das wiederum zur Auswertung
der Reflexionsverhältnisse
an der Kugel 9 dienen kann. Dies ist beispielsweise bei der
Ausführungsform
des Tastkopfs 4 nach 11 verwirklicht.
Eine Laserdiode 31 ist hier Bestandteil des Tastkopfs 4 und
ruht in Bezug auf die Kugel 9 und den Lichtleiter 8.
Als Erfassungseinrichtung 13 dient ein Kamerachip 32.
Der Tastkopf 4 weist somit lediglich elektrische Anschlussleitungen 19, 33 auf.
Der Vorzug dieser Ausführungsform
liegt darin, dass eine Veränderung
des Interferenzmusters nicht durch Bewegung zwischen dem Strahlteiler 14 der
Laserdiode 31 und dem Kamerachip 32 stattfinden
kann, sondern lediglich durch Auslenkung des Lichtleiters 8 und/oder
durch Änderung
der Reflexionsverhältnisse an
der Oberfläche
der Kugel 9. Das von der Erfassungseinrichtung 13 erfasste
Bild ist gewissermaßen das
Hologramm der Innenansicht der Kugel 9. Das Hologramm ändert sich
auf charakteristische Weise, wenn an einer Stelle der Oberfläche der
Kugel 9 die Reflexion wegfällt.
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9 veranschaulicht
eine weitere Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Tasteinrichtung 1 im
Ausschnitt. Die Kugel 9 ist hier mit einem lichtzuführenden
Lichtleiter 8a und einem lichtwegführenden Lichtleiter 8b verbunden.
Auf den Strahlteiler 14 wird verzichtet. An Stelle dessen
ist die Lichtquelle 12 an den Lichtleiter 8a angeschlossen.
Die Erfassungseinrichtung 13 ist an den Lichtleiter 8b angeschlossen.
Ansonsten stimmt die Ausführungsform
mit der Ausführungsform
nach 1 überein.
Die Funktion und Bildauswertung ist entsprechend. Alternativ können ergänzend zu
dem wegführenden
Lichtleiter 8b mehrere zusätzliche Lichtleiter an die
Kugel 9 angeschlossen werden, die beispielsweise symmetrisch um
den Lichtleiter 8a herum angeordnet sind und die jeweils
zu einer einzigen Sensorzelle führen.
Dies kann in einfachen Fällen
die Auswertung der sich ergebenden Lichtverteilung über die
einzelnen Sensorelemente vereinfachen. Geben alle Sensorelemente das
gleiche Signal ab, ist keine Oberfläche an die Kugel angenähert (im
Fangbereich 27). Geben jedoch ein oder mehrere Sensorelemente
schwächeres
Signal, befindet sich die Oberfläche
des Werkstücks 2 in dem
Fangbereich 27. Gegebenenfalls muss der Tastvorgang aus
mehreren Tastrichtungen kommend wiederholt werden, um aus der Verteilung
der Signalstärken über die
einzelnen Sensorelemente auf die Tastrichtung schließen zu können.
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10 veranschaulicht
eine weitere Ausführungsform.
Bei dieser sind der zuführende
Lichtleiter 8a und der wegführende Lichtleiter 8b an
die Kugel 9 koaxial zueinander, d. h. symmetrisch angeschlossen.
Der Lichtleiter 8b führt
zu einer Bilderfassungseinrichtung, wie beispielsweise bei der Ausführungsform
nach 1.
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Die
erfindungsgemäße Tasteinrichtung 1 und das
mit ihr ausführbare
Verfahren beruhen auf der Änderung
der Totalreflexion an einer optisch transparenten Kugel oder einem
anderweitigen Tastkörper, der
von innen her beleuchtet ist. Die Annäherung des Tastkörpers an
eine Werkstückoberfläche wird
erfasst, indem das von dem Tastkörper 9 in
einen Lichtleiter 8 zurückgegebene
Licht hinsichtlich Intensität und/oder
Intensitätsverteilung
(bildgebende Untersuchung) ausgewertet werden. Der entsprechende Tastkopf 4 kann
Werkstückoberflächen berührungslos
abtasten, präzise
vermessen und schwer zugängliche
Oberflächenteile
erreichen.
