DE19514692C2

DE19514692C2 - Optische Koordinaten-Meßmaschine zur berührungslosen, dreidimensionalen Vermessung von Werkstücken auf einer Meßfläche

Info

Publication number: DE19514692C2
Application number: DE1995114692
Authority: DE
Inventors: Martin Dipl Phys Duerrwaechter
Original assignee: SICON SPECTROSCOPIC INSTR GmbH
Current assignee: Mycrona Gesellschaft fuer Innovative Messtechnik mbH
Priority date: 1995-04-13
Filing date: 1995-04-13
Publication date: 1998-12-17
Anticipated expiration: 2015-04-14
Also published as: DE19514692A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Koordina ten-Meßmaschine zur berührungslosen, dreidimensionalen Vermessung von Werkstücken auf einer Meßfläche.

Berührungslose optische Meßsysteme auf der Basis elek tronischer Bildverarbeitung sind zumeist als Meßmi kroskope ausgelegt, die in den Bereichen der Mikro elektronik, Mikromechanik und Präzisionsteilefertigung eingesetzt werden. Mittels CCD-Kameras werden dabei zweidimensionale Abbildungen der Meßobjekte aufgenom men und elektronisch ausgewertet. Diese Geräte erwei tern das Spektrum der Meßmöglichkeiten gegenüber tastenden Koordinaten-Meßmaschinen und Meßprojektoren auf die automatisierte Vermessung ebener Submilli meter-Strukturen. Die erforderliche Meßgenauigkeit im Mikrometerbereich beschränkt die Einsatzfähigkeit der Geräte auf Meßlabors mit geschützten Umgebungsbedin gungen. Im Fertigungsbereich der Massenproduktion von Metall- oder Kunststoffteilen sind diese wegen der offenen Bauweise und der Erschütterungsempfindlichkeit gar nicht oder nur sehr eingeschränkt einsetzbar. Als wesentlichste Einschränkung für den Produktionsbereich ist jedoch die Beschränkung auf eine Abbildungsrich tung anzusehen. Die Auswertung ist auf die zweidimen sionale Vermessung von Teilansichten von Werkstücken eingeschränkt, die in einer der parallelen Abbildungs ebenen der CCD-Kamera liegen. Mittels Zusatzgeräten (z. B. Autofocus oder Lichtschnittverfahren) ist maxi mal nur noch das Höhenprofil des Werkstückes ermittel bar. Zur vollständigen dreidimensionalen Vermessung müssen daher die Werkstücke oft mehrfach gedreht und neu positioniert werden.

Aus der DE 42 08 455 A1 ist eine Vorrichtung zur berüh rungslosen, dreidimensionalen Vermessung eines Werk stückes bekannt, bei der die Höheninformationen mit tels des Triangulationsverfahrens bestimmt werden. Da zu sind ein als Lichtquelle dienender Laser und die CCD-Kammera im Raum frei positionierbar. Dies wird durch die Möglichkeit einer translatorischen und rota torischen Verschiebung des Meßgutes und einer rotato rischen Bewegung des Tastkopfes erreicht, d. h. einer Kippung, bestehend aus einer festen Anordnung des La sers zur CCD-Kamera und deren Optiken. Bei einer be rührungslosen, dreidimensionalen Aufnahme wird das Werkstück auf dem Meßtisch befestigt, wobei sich der Tastkopf senkrecht über dem Werkstück befindet. Durch den verwendeten Laser und eine astigmatische Kollimar optik wird auf dem Meßgut ein Lichtband erzeugt, wel ches durch die CCD-Kamera erfaßt wird. Die Berechnung der Höheninformation erfolgt nach dem Triangulations prinzip und wird mit der ebenfalls vorhandenen Ortsin formation (z. B. X-Koordinate) verknüpft. Die dritte benötigte Ortsinformation (z. B. Y-Koordinate) wird durch Auswertung der Bewegung des Meßgutes erzeugt. Das Werkstück wird systematisch abgescannt und be schreibt dann ein dreidimensionales Oberflächenmodell.

Nachteilig bei dieser bekannten Vorrichtung ist, die geringe Auflösung bzw. zu große Ungenauigkeit des Ver fahrens. Außerdem sind die durch das Abscannen ent stehenden Datenmengen sehr groß und beschränken somit die Verarbeitungszeit. Des weiteren werden keine Sei tenansichten des Werkstückes berücksichtigt. Das Be stimmen relevanter Abmessungen, wie z. B. Durchmesser des Werkstückes oder Abstände zwischen bestimmten Punkten, müßten in einem separaten Koordinatenauswer tungsprogramm erfolgen. Die bekannte Vorrichtung ist daher für die schnelle und einfache Ausmessung von dreidimensionalen Werkstücken, insbesondere in der Qualitätssicherung ungeeignet. Außerdem ist der ope rative Aufwand des Handhabens derart hoch, daß sich diese Vorrichtung nicht zur Verwendung in der Massen produktion eignet.

Aus der DD 239 858 A1 ist eine Anordnung zur dreidi mensionalen Vermessung und Lageerkennung von Werk stücken mit einem optischen Sensor in Form einer CCD- Zeilenkamera bekannt, bei der durch die Verwendung von Spiegeln der technische Aufwand zur Sortierung der Werkstücke verringert wird. Der verwendete eindimen sionale Zeilensensor liefert in Kombination mit einer translatorischen Bewegung eine zweidimensionale Abbil dung des Werkstücke. Durch die Spiegelanordnung kann die Abbildungsebene geteilt werden, so daß durch eine Bildaufnahme mehrere zweidimensionale Abbildungen des Werkstückes aus verschiedenen Richtungen zur Bestim mung bestimmter dreidimensionaler Abmessungen kom biniert werden können. Dabei ist die räumliche Lage der bestimmbaren Abmessungen durch die aus der Anord nung der Kamera und der Spiegel ausgezeichnete Raum richtung festgelegt. Die Meßgenauigkeit bzw. die Auf lösung sind dabei durch die Größe des Werkstückes stark eingeschränkt, weil der Zeilensensor in Kombina tion mit einem Spiegel die gesamte Information über zwei Dimensionen des Werkstückes in einem Bild (einer Zeile) erfaßt. Absolute Abmessungen sind nur bei bekannter Winkellage der entsprechenden Oberflächen des Werkstückes bezüglich der durch die Anordnung der Kamera und der Spiegel ausgezeichneten Raumrichtungen erfaßbar. Horizontale Lagetoleranzen des Werkstückes auf der Fördereinrichtung beeinflussen das Meßergeb nis, da sich die Abbildungslängen der Teile der Abbildung unterschiedlich ändern (Fokus, Bildgröße).

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine optische Koordinaten-Meßmaschine zur berührungslosen, dreidimensionalen Vermessung von Werkstücken auf einer Meßfläche zu schaffen, mit der Abmessungen, wie z. B. Abstände, Durchmesser oder Winkel, einfach handhabbar bzw. automatisierbar dreidimensional vermessen werden können, ohne die Werkstücke umzuspannen.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen nach dem Patentanspruch 1. Durch die Verwendung eines zweidimensionalen Matrixsensors als CCD-Kamera werden zweidimensionale Abbildungen von Teilausschnitten des Werkstückes gewonnen. Die Größe der Teilausschnitte bestimmt die Auflösung bzw. die Meßgenauigkeit. Die translatorische Bewegung der CCD-Kamera mit Matrixsensor parallel zur optischen Achse dient zur Fokussierung des Teilausschnittes des Werkstückes. In Kombination mit der translatorischen Bewegung der Kamera parallel zur optischen Achse wer den dreidimensionale Informationen aus der zweidimen sionalen Abbildung des Werkstückes und der Stellung der CCD-Kamera mit Matrixsensor erzielt, welche die räumliche Lage des Teilausschnittes des Werkstückes definieren. Der Einsatz der translatorischen Bewegung des Meßtisches erlaubt die Erfassung von dreidimensio nalen Informationen über die räumliche Lage von belie bigen Teilausschnitten des Werkstückes aus einer Raum richtung.

Dadurch, daß die CCD-Kamera als Matrixsensor ausge bildet ist, der zweidimensionale Abbildungen mehrerer Teilausschnitte des Werkstückes in mehreren Bildern erfaßt, sind die Auflösung und damit die Meßgenauig keit nur durch die Größe des Teilausschnittes, d. h. durch die Wahl des Objektives, nicht durch die Größe des Objektes eingeschränkt. Auch bei einer unbekannten Winkellage der entsprechenden Oberflächen des Gegen standes sind absolute Abmessungen erfaßbar. Horizon tale Lagetoleranzen der Gegenstände auf dem Meßtisch beeinflussen das Meßergebnis nicht, da die räumlichen Lagen der Teilausschnitte des Werkstückes, aus denen die Abmessungen bestimmt werden, aus den zweidimen sionalen Abbildungen des Werkstückes und der jewei ligen Stellung der CCD-Kamera gewonnen werden.

Durch die Anordnung mindestens eines optisch plan parallelen Spiegels im 45°-Winkel zur Meßfläche und zur senkrecht zum Meßtisch stehenden optischen Achse der CCD-Kamera mit Matrixsensor, dessen Unterkante sich auf Höhe der Meßfläche befindet, kann auch eine senkrecht zur Meßfläche stehende Seite des Werkstückes vermessen werden. Dazu wird der Spiegel unter die CCD-Kamera verschoben, so daß die Seitenfläche des Werkstücks unverzerrt über den Spiegel auf die CCD- Kamera abgebildet wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Durch die zusätzliche Rotationsbewegung des Meßtisches können beliebig viele Seitenansichten von z. B. rota tionssymetrischen Werkstücken einfach vermessen wer den. Außerdem sind somit z. B. alle vier Seiten eines Werkstückes mit Seitenflächen, die zueinander recht winklig stehen, einer Vermessung zugänglich. Das gleiche Ergebnis wird erzielt, wenn an allen vier Kan ten des Meßfläche je ein optisch planparalleler Spie gel im Winkel von 45° zur Meßfläche und zur optischen Achse der CCD-Kamera angeordnet ist. Mittels einer zweiten CCD-Kamera kann eine Gesamtsicht des Werk stückes aufgenommen werden. Diese Gesamtsicht kann z. B. auf einem Monitor dargestellt werden. Bei der Er stellung eines Meßprogrammes können die relevanten Meßpunkte des Werkstückes besonders einfach erkannt und selektiert werden. Zusätzlich kann der Bediener der Meßmaschine dadurch erkennen, wo ge rade das Werkstück vermessen wird.

Die Erfindung ist anhand eines in den Zeichnungen dar gestellten bevorzugten Ausführungsbeispieles einer op tischen Koordinaten-Meßmaschine näher erläutert. Die Figuren zeigen:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht,

Fig. 2 einen schematischen Querschnitt durch die Spiegelanordnung mit einem Werkstück auf der Meßfläche und

Fig. 3 eine schematische Draufsicht auf die Spiegelanordnung mit einem Werkstück auf der Meßfläche.

In der Fig. 1 ist eine schematische Seitenansicht einer Meßmaschine 1 dargestellt. Die Meßmaschine 1 besteht im wesentlichen aus einem Portal 18, einer am Portal 18 befestigten in die Z-Richtung verfahrbaren Positio nierachse 19, einer an der Positionierachse 19 be festigten CCD-Kamera 2, zwei zueinander senkrecht an geordneten in X- bzw. Y-Richtung verfahrbaren Positio nierachsen 4, 5, einem horizontalen Meßtisch 9 mit einer ebenen Meßfläche 8 und vier im Winkel von 45° zur Meßfläche 8 und zur vertikalen optischen Achse der CCD-Kamera 2 angeordneten Spiegeln 6, 7, wobei die Unterkanten der Spiegel 6, 7 sich auf der Höhe (glei che Z-Koordinate) der Meßfläche 8 befinden. Innerhalb des Portals 18 ist parallel zur Meßfläche 8 eine dif fus lichtdurchlässige Streuscheibe 20 angeordnet, die mittig eine Öffnung für die CCD-Kamera 2 aufweist. Ebenso besteht die Meßfläche 8 aus einer diffus licht durchlässigen Streuscheibe. Oberhalb der diffus licht durchlässigen Streuscheibe innerhalb des Portals 18 sind Lichtquellen 21, 22 angeordnet. Die in unmittel barer Umgebung der in X-Y-Richtung ortsfesten CCD-Ka mera 2 angeordneten Lichtquellen 21 dienen vor allem zur Vermessung im Auflichtverfahren, wohingegen die zu den Seitenträgern des Portals 18 hin angeordneten Lichtquellen 22 sowohl im Auflicht als auch im Durch lichtverfahren zur Anwendung kommen. Ebenso sind Lichtquellen 23 für das Durchlichtverfahren im Meß tisch 9 unterhalb der Meßfläche 8 angeordnet.

Der Tiefenschärfe-Bereich der CCD-Kamera 2 ist durch deren telezentrisches Objektiv 3 festgelegt. Um daher für unterschiedlich hohe Meßobjekte jeweils scharfe Abbildungen zu erhalten, ist die CCD-Kamera 2 mittels der Positionierachse 19 in Richtung der Z-Achse ver schiebbar angeordnet. Allerdings könnte auch eine CCD-Kamera 2 mit verstellbarem Kamera-Objektiv verwen det werden, so daß keine Verschiebung der CCD-Kamera 2 in Z-Richtung erforderlich wäre. Die CCD-Kamera 2 nimmt z. B. einen Bereich von 5 × 5 mm auf, wobei z. B. die Meßfläche 8 Abmessungen von 400 × 300 mm aufweist. Der ebene Meßtisch 9 ist mittels der Positionierachsen 4, 5 in X- bzw. Y-Richtung verschiebbar. Prinzipiell ist es auch möglich, die CCD-Kamera 2 in X-Y-Richtung verfahrbar auszulegen und somit auf die Positionier achsen 4, 5 zu verzichten. Allerdings besteht bei einer Verschiebung der CCD-Kamera 2 in X-Y-Richtung immer die Gefahr, daß sich die senkrecht zum Meßtisch 9 bzw. Meßfläche 8 befindliche optische Achse der CCD-Kamera 2 verschiebt.

Anhand der Fig. 2 und 3 wird das Meßprinzip näher er läutert. Mittels einer zweiten neben der CCD-Kamera 2 angeordneten nicht dargestellten CCD-Kamera wird zu nächst das zu vermessende Werkstück 14 in seiner Ge samtheit aufgenommen. D. h. zusätzlich zur Draufsicht 15 auf das Werkstück 14 werden die beiden Seitenan sichten 10, 12, die Vorderansicht 11 und die Hinteran sicht 13 über die Spiegel 6, 7 in die Ebene der CCD- Kamera 2 abgebildet und auf einem nicht dargestellten Monitor dargestellt. Anhand dieser Darstellung werden vom Bediener die gewünschten Meßpunkte im Monitorbild festgelegt. Um nun z. B. die Länge d des Werkstückes 14 zu vermessen, wird das Werkstück 14 mit seiner linken Außenkante 16 unter die CCD-Kamera 2 gefahren. Sind die Lichtquellen 23 im Meßtisch 9 angeschaltet, so wird von der CCD-Kamera 2 die Außenkante 16 als schar fe dunkle Kontur wahrgenommen. Mittels eines Bildver arbeitungsprogrammes werden die genauen X-Y-Koordina ten der Außenkante 16 oder eines selektierten Meßpunk tes ermittelt. Anschließend wird das Werkstück 14 mit seiner rechten Außenkante 17 unter die CCD-Kamera 2 gefahren. Erneut wird die Kontur abgebildet und als Kordinate ausgewertet. Aus den Koordinaten der Bilder und dem Verfahrweg wird die Länge d des Werkstückes 14 berechnet.

Soll zusätzlich der Winkel β des Werkstückes 14 ausge messen werden, so wird dies ohne Umspannen des Werk stücks 14 durch die Spiegelanordnung ermöglicht. Dazu wird der vordere Spiegel 6 oder der hintere Spiegel 7 unter die CCD-Kamera 2 gefahren. Über den Spiegel 6 wird die Vorderansicht 11 oder über den Spiegel 7 die Hinteransicht 13 des Werkstücks 14 von der CCD-Kamera 2 aufgenommen. Mittels der Koordinaten der Außenkan ten, die den Schenkel des Winkels bilden, läßt sich der Winkel β bestimmen. Analog lassen sich Merkmale der Seitenansichten 10, 12 des Werkstücks 14 vermes sen.

Zur Abbildung von Werkstück-Konturen erweist sich zu meist das Durchlichtverfahren als das geeignetste. Für Konturen in der X-Y-Ebene wird dazu - wie zuvor be schrieben - die Lichtquelle im Meßtisch 9 eingeschal tet. In der X-Y-Ausdehnung des Werkstückes 14 wird das Licht der Lichtquellen 23 auf dem Weg zur CCD-Kamera 2 reflektiert bzw. absorbiert. Neben dem Werkstück 14 wird das Licht von der CCD-Kamera 2 empfangen. Dadurch entsteht ein starker hell-dunkel Kontrast an der Kon tur des Werkstückes 14 in der Abbildung. Sollen Kontu ren in der Y-Z bzw. X-Z-Achse abgebildet werden, so gibt es verschiedene Möglichkeiten, das Durchlichtver fahren zu realisieren. Bei der Ausführung mit nur einem Spiegel 6 wird dieser unter die CCD-Kamera 2 ge fahren. Auf der zum Spiegel 6 gegenüberliegenden Seite wird eine Lichtquelle angeordnet, die vorzugsweise in Richtung des Spiegels 6 abstrahlt. Licht, das auf das Werkstück 14 fällt, wird teilweise reflektiert. Ein anderer Teil des Lichts fällt am Werkstück 14 vorbei auf den Spiegel 6 und wird von diesem auf die CCD- Kamera 2 reflektiert. Bei Ausführungen mit vier Spie geln 6, 7 wird wieder der entsprechende Spiegel 6 unter die CCD-Kamera 2 gefahren. Dann wird die Licht quelle 22 über dem gegenüberliegenden Spiegel 7 ein geschaltet. Das Licht fällt überwiegend auf den gegen überliegenden Spiegel 7 und wird von diesem in Rich tung des Spiegels 6, der unter der CCD-Kamera 2 ange ordnet ist, reflektiert. Wiederum wird die unverzerrte Kontur des Werkstücks 14 über den Spiegel 6 auf die darüber angeordnete CCD-Kamera 2 abgebildet. Bei ent sprechender Beleuchtungsanordnung sind somit die Kon tur des Werkstückes 14 in Seitenansicht 10, 12 bzw. Vorder- oder Hinteransicht 11, 13 vermessbar. Ver deckte Kanten und Strukturen auf den Seitenflächen werden im Auflichtverfahren vermessen. Im Auflicht verfahren wird eine Lichtquelle 21 neben der CCD- Kamera 2 eingeschaltet. Das Licht fällt dann auf den unterhalb der CCD-Kamera 2 angeordneten Spiegel 6 und wird von diesem auf die Seitenfläche des Werkstückes 14 reflektiert. Die so beleuchtete Seitenfläche wird dann vom Spiegel 6 unverzerrt auf die CCD-Kamera 2 ab gebildet. Ebenfalls mit den Lichtquellen 21 neben der CCD-Kamera 2 werden Strukturen innerhalb der Drauf sicht 15 direkt beleuchtet und im Auflichtverfahren vermessen.

Insbesondere im Rahmen der Qualitätssicherung und -kontrolle werden häufig wiederkehrend die gleichen Werkstücke 14 vermessen. Hierzu läßt sich die Vermes sung der Werkstücke leicht automatisieren. Zuerst werden die relevanten Meßpunkte, an denen die Meßbil der aufgenommen werden sollen, in der Gesamtansicht der zweiten CCD-Kamera festgelegt. Anschließend werden die Beleuchtungsbedingungen und die Auswertungsbe reiche der einzelnen Meßbilder optimal eingestellt. Das Bildverarbeitungsprogramm wertet dann selbststän dig die ermittelten Konturen aus und vergleicht diese mit den vorher eingegebenen Sollwerten und den gefor derten Toleranzen. Sämtliche Meßpunkte und Einstel lungen werden in ein Meßprogramm des entsprechenden Werkstücks gespeichert. Der Benutzer der Meßmaschine 1 benötigt dann keine programmiertechnischen oder ver fahrenstechnischen Kenntnisse, sondern muß zur Ver messung lediglich das Werkstück an gekennzeichneten Stellen auf der Meßfläche 8 befestigen und das ent sprechende Meßprogramm starten.

Bezugszeichenliste

1

Meßmaschine

2

CCD-Kamera

3

telezentrisches Objektiv

4

Positionierachse

5

Positionierachse

6

Spiegel

7

Spiegel

8

Meßfläche

9

Meßtisch

10

Seitenansicht (des Werkstücks)

11

Vorderansicht (des Werkstücks)

12

Seitenansicht (des Werkstücks)

13

Hinteransicht (des Werkstücks)

14

Werkstück

15

Draufsicht (des Werkstücks)

16

Außenkante (des Werkstücks)

17

Außenkante (des Werkstücks)

18

Portal

19

Positionierachse

20

Streuscheibe

21

Lichtquelle

22

Lichtquelle

23

Lichtquelle

Claims

1. Optische Koordinaten-Meßmaschine zur berührungslo sen, dreidimensionalen Vermessung von Werkstücken (14) auf einer Meßfläche (8) mit

1. einem Meßtisch (9),
2. einer CCD-Kamera (2) mit Matrixsensor, deren optische Achse senkrecht zum Meßtisch (8) steht,
3. Beleuchtungseinrichtungen (21, 22, 23),
4. einem elektronischen Bildverarbeitungssystem,
5. mindestens einem optisch planparallelen Spiegel (6, 7) im Winkel von 45° seitlich zur Meßfläche und mit der Spiegelunterkante auf der Höhe der Meßfläche (8),
6. Mitteln zur translatorischen X-Y-Relativbewegung von Meßtisch (9) und CCD-Kamera (2) senkrecht zu deren optischer Achse sowie zur translatorischen Z-Bewegung der CCD-Kamera (2) parallel zu ihrer optischen Achse zur Aufnahme beliebiger Teil ausschnitte des Werkstückes (14) - vermittels des mindestens einen Spiegels (6, 7) auch aus mehreren Raumrichtungen -, und
7. Mitteln zur Erfassung von Informationen über die räumliche Lage der aufgenommenen Teilausschnitte.

2. Optische Koordinaten-Meßmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Spiegel (6, 7) neben dem Meßtisch (9) angeordnet ist.

3. Optische Koordinaten-Meßmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Spiegel (6, 7) auf dem Meßtisch (9) angeordnet ist.

4. Optische Koordinaten-Meßmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an jeder Seite des Meßtisches (9) je ein Spiegel (6, 7) angeordnet ist.

5. Optische Koordinaten-Meßmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßtisch (9) rotierbar um die optische Achse der CCD-Kamera (2) gelagert ist.

6. Optische Koordinaten-Meßmaschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß neben der CCD-Kamera (2) in gleicher Ebene eine zweite CCD-Kamera angeordnet ist.