DE19642293C2 - Koordinatenmeßgerät - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Koordinatenmeßgerät mit einem optischen Tastsystem für eine berührungslose Antastung von Kanten und Oberflächenstrukturen von Meßobjekten. Das Anwendungsgebiet ist die optische Koordinatenmeßtechnik. Insbesondere sind es die Messungen an Meßobjekten mittels Ein- oder Mehrkoordinatenmeßgeräten.

Bei einer in der US-PS 5 319 442 beschriebenen optischen Sonde an Koordinatenmeßgeräten zur Bestimmung der Lage von Oberflächenstrukturen an Prüflingen und Meßobjekten im Bezug auf den beweglichen Teil des Koordinatenmeßgerätes ist ein Sensorarray vorgesehen, auf welches durch eine aus mehreren Komponenten bestehende Abbildungsoptik die Strukturen des Meßobjektes abgebildet werden. Durch sequentielles Scanning der einzelnen Sensoren des Arrays wird das Bild der Meßobjektes auf der Sensoranordnung analysiert. In dem Augenblick, in welchen die Struktur einen vorbestimmten Sensor der Sensoranordnung erreicht, wird ein Triggersignal generiert und an ein Steuersystem des Koordinatenmeßgerätes zur Positionsbestimmung des beweglichen Armes relativ zur Struktur gegeben. Nachteilig ist bei dieser Einrichtung des hohe technische Aufwand bei der Auswertung der Signale zur Meßwertgewinnung.

In der DE 40 18 333 A1 ist ein Verfahren und eine Einrichtung zum automatischen Erfassen von Kanten von Härtemeßeindrücken beschrieben, wobei durch eine TV- Kamera der Härtemeßeindruck erfaßt und das erhaltene Videosignal einem Komparator zugeführt wird, der einen einstellbarem Pegel besitzt. Das Ausgangssignal des Komparators wird differenziert und die dabei erhaltenen Kontursignale in einen Speicher geladen. Aus diesen Kontursignalen werden die geometrischen Daten der Meßeindrücke rechnerisch ermittelt.

Aus der Druckschrift Nr. 8942.5m Part. No H1000-3152-01-A der Firma Renishaw "VP 2 Video-Tastsystem", 1994 und das dazugehörende Datenblatt für einen VP 2 Video- Taster für Koordinatenmeßgeräte ist ersichtlich, daß diese Taster Abbildungsoptiken mit fester Brennweite besitzen, bei denen unterschiedliche Vergrößerungen dadurch erreicht werden können, daß die Bildebene des Objektivs je nach gewünschter Vergrößerung mehr oder weniger entfernt vom Objektiv gelegt wird. Die dann notwendige Fokussierung erfolgt durch eine Achsenbewegung (meist in der Z-Achse) des Koordinatenmeßgerätes.

Um Positionen auf dem Bild des auf dem Bildschirm abgebildeten Meßobjektes zu markieren oder anzutasten, wird auf dem Bildschirm ein Faden- oder Strichkreuz eingeblendet, welches in zwei Koordinaten X und Y über Drehschalter und Abstimmelemente in die verschiedensten Positionen auf dem Bildschirm gebracht werden kann (Druckschrift der Fa. HIMMELREICH-elektronik GmbH & Co. KG, Schwaigern, DE, "Einblendbares Video-Fadenkreuz"-Datenblatt-). Erzeugt wird dieses aus zwei Strichen zusammengesetzte Strichkreuz durch einen sog. "Strich- oder Fadenkreuzgenerator", wobei eine quarzgesteuerte Zeitbasis vorgesehen ist, und damit keine genaue Beziehung zu den Pixeln vorhanden ist.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Koordinatenmeßgerät mit einem optischen Tastsystem zu schaffen, welches einen kompakten und technisch einfachen Aufbau besitzt und in einfacher Weise handhabbar ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Koordinatenmeßgerät mit optischem Tastsystem zum berührungslosen Antasten von Kanten und Strukturen von Meßobjekten durch die in dem ersten Anspruch dargelegten Merkmale gelöst, wobei das Tastsystem, in mindestens einer Koordinate verschiebbar, Bestandteil des Koordinatenmeßgerätes ist. In den weiteren Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Ausführungsformen der Erfindung beschrieben.

Das Tastsystem umfaßt eine CCD-Kamera mit einem Objektiv und in dessen Bildebene eine CCD-Matrix, wobei zur Einstellung der Vergrößerung der Abstand zwischen dem Objektiv und der Bildebene variiert wird.

Hierzu ist am Gehäuse des Objektivs ein Zapfen angeordnet, welcher mit einer am Koordinatenmeßgerät bzw. an einem Schlitten des Koordinatenmeßgerätes angeordneten Zapfenaufnahme in Wirkverbindung gebracht wird. Um auf das Objekt scharf einzustellen, wird das ganze Tastsystem in einer senkrecht zur Objektebene verlaufenden Richtung mit dem Antrieb des Koordinatenmeßgerätes bewegt. Die Verschiebung des Tastsystems relativ zum Objekt erfolgt danach ebenfalls mit dem Antrieb des Koordinatenmeßgerät für die zugeordnete Koordinate.

Es ist also zur automatischen Verstellung des Tastsystems entsprechend der zu realisierenden Vergrößerung des Objektbildes auf der CCD-Matrix vor gesehen, daß am Objektiv ein Betätigungselement und am Koordinatenmeßgerät ein in Abhängigkeit von der zu realisierenden Vergrößerung dimensioniertes Mitnahmeelement angebracht sind, welche zwecks Vergrößerungeinstellung miteinander in Wirkverbindung bringbar sind, um mit Hilfe des Antriebs des Koordinatenmeßgerätes die Vergrößerungseinstellung zu erlauben. Zwecks Scharfeinstellung wird das gesamte Tastsystem ohne Wirkverbindung in einer senkrecht zur Objektebene verlaufenden Richtung mit Hilfe des zugeordneten Antriebs des Koordinatenmeßgerätes geführt. Dabei können das Betätigungselement im Falle eines Zapfens z. B. ein Stift oder im Falle eines Drehelementes ein Zahn- oder Reibrad sein. Das passende zugehörige Gegenstück am Koordinatenmeßgerät ist dann z. B. eine gabelförmige Zapfenaufnahme oder eine Zahnstange oder Reibschiene. Diese einzelnen Teile können auch in geeigneter Weise vertauscht werden.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn weitere Bedienelemente ebenfalls über Wirkverbindungen von Betätigungs- und Mitnahmeelementen mit Hilfe zugeordneter Antriebe des Koordinatenmeßgerätes zur Ausführung weiterer Schaltfunktionen betätigbar sind. Diese Betätigungselemente können beispielsweise an sich bekannte Dreh- oder Schiebeelemente, wie Dreh- oder Schiebeschalter, sein, die mit entsprechenden Mitnahmeelementen koppelbar sind.

Das Koordinatenmeßgerät umfaßt ferner einen Strichkreuzgenerator und eine Schaltungsanordnung zur additiven Mischung der in Liniengeneratoren erzeugten Strichkreuzsignale mit den Signalen der CCD-Elemente, wobei die Zeitbasis für die gebildeten Strichkreuzsignale der Auslesetakt der CCD-Elemente (Pixel) der CCD-Matrix ist.

Es ist ferner eine logische Schaltung zur Verknüpfung der die senkrechten und waagerechten Striche darstellenden CCD-Elemente vorgesehen, wobei diese Schaltung ausgangsseitig mit einem ersten Eingang einer Flip-Flop-Schaltung in Verbindung steht. Diese Flip-Flop-Schaltung ist mit ihren zweiten Eingang an einem Ausgang eines Komparators angeschlossen. Über einen Rückführwiderstand ist der Ausgang des Komparators mit einem zweiten Komparatoreingang verbunden, welcher auch mit einem Schwellwerteinsteller in Verbindung steht. Am Ausgang der Flip-Flop-Schaltung liegt eine Impulslogik an, welche Schaltimpulse für das Koordinatenmeßgerät liefert.

Zur drahtlosen Übertragung der Tastsystemsignale zu einem Videoempfänger einer Auswerte- bzw. Anzeigeeinrichtung und zur Anzeige der Meßwerte ist ein Videosender am Tastsystem vorgesehen.

Es ist vorteilhaft, wenn die waagerechte und die senkrechte Linie des Liniengenerators derart verknüpft sind, daß ein Selektivsignal erzeugt wird, mit weichem der Zustand des Komparators in Abhängigkeit des Videosignals in der Flip-Flop-Schaltung anzeigbar ist und welches zur Einstellung oder Steuerung der Schaltschwelle des Komparators nutzbar ist.

Das von dem Kantendetektor erzeugte Schaltsignal kann über die Signalleitung des Tastsystems des Koordinatenmeßgerätes geleitet werden. Der Kantendetektor selbst ist ein im Schaltsignaltakt blinkender Punkt im Kreuzungsbereich der Linien des Strichkreuzdetektors. Er ist aus einer logischen Verknüpfung der Linien erzeugbar.

Durch den kompakten Aufbau des optischen Tastsystems mit Integration des Kantendetektors im Tastsystem und der CNC-fähigen Gestaltung der Bedienelemente am Tastsystem, dem CNC-fähigen Zoomobjektiv und der LED-Beleuchtung ist eine Einrichtung geschaffen worden, die gegen ein taktiles Tastsystem an taktil arbeitenden Koordinatenmeßgeräten austauschbar ist oder parallel angesetzt werden kann. Diese Kompaktheit wird auch dadurch erreicht, daß für die Bedienelemente und für die Zoom- Verstellung keine eigenen Antriebe vorgesehen sind, sondern er werden die bereits vorhandenen Antriebe der Koordinatenmeßgeräte zum hochgenauen Positionieren benutzt. Dazu positioniert das Koordinatenmeßgerät die dafür geeigneten Bedienelemente, z. B. den Zapfen des Objektivs, gegen eine gestellfeste Aufnahme, z. B. gegen die Zapfenaufnahme.

Der kompakte Aufbau bringt auch Vorteile hinsichtlich der Übertragung hoher Frequenzen.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen

Fig. 1 stark vereinfacht den grundsätzlichen Aufbau,

Fig. 2 ein Blockschaltbild für die objektivierte Positionsbestimmung.

Das in Fig. 1 vereinfacht dargestellte optische Tastsystem 1 ist am senkrecht zum Tisch 2 bewegbaren Schlitten oder an einer in dieser Richtung bewegbaren Pinole des Koordinatenmeßgerätes angeordnet und umfaßt ein Objektiv 3, welches das auf dem Tisch 2 angeordnete Meßobjekt 4 auf CCD-Elemente einer CCD-Matrix 5 einer CCD- Kamera abbildet. Das Tastsystem 1 umfaßt ferner eine Einheit, die einen Strichkreuzgenerator 6 und einen Kantendetektor 7 beinhaltet. Zur drahtlosen Übertragung von Signalen zu einem Empfänger einer Auswerteeinrichtung 9 ist ein Videosender 8 ebenfalls Bestandteil des Tastsystems 1. Diese Verbindung erfolgt über die Antennen 8.1 und 9.1, die dem Sender und dem Empfänger zugeordnet sind. Die Auswerteeinrichtung 9 kann eine Anzeigeeinheit 10 umfassen oder eine solche kann ihr nachgeordnet sein. Durch eine Signalleitung 11 ist das Koordinatenmeßgerät mit dem Tastsystem 1 elektrisch verbunden. Das Meßobjekt 4 ist durch eine am dem Meßobjekt 4 zugewandten Ende des Tastsystems 1 angeordnete Beleuchtungsquelle 12 beleuchtbar.

Für eine Durchlichtbeleuchtung des Meßobjektes 4 ist eine Beleuchtungsquelle (nicht dargestellt) unterhalb des Tisches 2 im Koordinatenmeßgerät KMG angeordnet.

Am Objektiv 3 ist ein Betätigungselement 13 angebracht, welches mit einem in Abhängigkeit von der einzustellenden Vergrößerung dimensionierten, und vorzugsweise am Tisch 2 des Koordinatenmeßgerät fest angeordneten Mitnahmeelement 14 in Wirkverbindung bringbar ist. Je nach einzustellender Vergrößerung sind dann das Objektiv 3 zusammen mit der mit ihm verbundenen CCD-Matrix in einer senkrecht zur Objektebene verlaufenden Richtung zwecks Fokussieruung auf das Meßobjekt 4 mit Hilfe des entsprechenden, dieser Richtung oder Koordinate zugeordneten Antriebs des Koordinatenmeßgerätes verschiebbar. Das Betätigungselement 13 kann als Zapfen (Fig. 1) oder auch als Drehelement, z. B. als Hebel, ausgebildet sein. Das Mitnahmeelement 14 ist z. B. eine gabelförmige Zapfenaufnahme (Fig. 1) oder eine Zahnstange oder Reibschiene. Auf jeden Fall müssen diese beiden einander zugeordneten Bauteile leicht miteinander ein- und auskoppelbar sein. Auch können weitere Mitnahme- und Betätigungselemente zur Ausführung noch weiterer Schaltfunktionen vorgesehen sein, welche an sich bekannte Dreh- und/oder Schiebeschalter umfassen.

Bei einer gegebenen CNC-Fähigkeit wird eine Kompaktheit des optischen Tastsystems 1 erreicht, indem für die Bedienelemente (Betätigungselement 13 und Mitnahmeelement 14) und für die Verstellung der Vergrößerung (Zoom-Verstellung) keine eigenen Antriebe vorgesehen sind. Diese Verstellungen werden durch die Verstellantriebe des Koordinatenmeßgerätes, die zum hochgenauen Positionieren z. B. des Tisches 2 dienen, übernommen. Diese Kompaktheit wirkt sich weiterhin vorteilhaft für die Strichkreuzerzeugung im Strichkreuzgenerator 6 und für den Kantendetektor 7 aus.

Die objektivierte Positionsbestimmung einer Struktur oder Kante am Meßobjekt 4 wird mit Hilfe einer in Fig. 2 dargestellten Schaltung vorgenommem. Auf der Grundlage des Pixeltaktes wird durch eine logische Verknüpfungsanordnung 15 aus den durch den Strichkreuzgenerator 6 erzeugten Waagerechtlinien- 16 und Senkrechtliniensignalen 17 ein Selektivsignal am Ausgang 18 der Verknüpfungsanordnung 15 erzeugt, welcher mit einem der Eingänge einer nachgeordneten Flip-Flop-Schaltung 19 verbunden ist. Mit Hilfe des Selektivsignals am Ausgang 18 der Verknüpfungsanordnung 15 wird der Zustand eines Komparators 21 in Abhängigkeit vom Videosignal 26 eines Videoempfängers 25 in der Flip-Flop-Schaltung 19 gespeichert. Diese Flip-Flop- Schaltung 19 ist mit einem zweiten Eingang 20 mit dem Ausgang des zugeordneten Komparators 21 verbunden, wobei der Komparator 21 mit seinem einen Eingang 22 über einen Rückführwiderstand 23 mit dem Ausgang der Flip-Flop-Schaltung 19 verbunden ist. Mit seinem zweiten Eingang 24 ist der Komparator 21 mit dem Ausgang des Videoempfängers 25 verbunden.

Dieser Rückführwiderstand 23 sorgt aufgrund der Rauschanteile im Videosignal für eine Stabilisierung des Schaltverhaltens des Komparators 21. Mit einem Einstellwiderstand 27, der mit dem Eingang 22 des Komparators 21 verbunden ist, wird die Schaltschwelle des Komparators 21 verändert.

Jeder Flankenwechsel am Ausgang der Flip-Flop-Schaltung 19 generiert in einer nachgeschalteten Impulslogik 28 einen, einem taktilen Tastsystem äquivalenten Schaltimpuls 29 für das Koordinatenmeßgerät. Der Ausgang 31 wird ferner mittels einer vorgesehenen LED 30 angezeigt, weil dieses Signal gleichzeitig ein Hell-Dunkel-Signal für eine momentane Detektorposition im Bezug auf eine Hell-Dunkel-Struktur (Kreuzungspunkt der Linien des Strichkreuzes) darstellt und als Einstellhilfe für die Schwellwerteinstellung mit dem Einstellwiderstand 27 dient.

Claims (8)

1. Koordinatenmeßgerät mit

• 1. - einem optischen Tastsystem zum berührungslosen Antasten von Kanten oder Strukturen von Meßobjekten mit einer CCD-Kamera, die die Kanten oder Strukturen des Meßobjektes über ein Objektiv auf eine CCD-Matrix abbildet und bei der der Abstand zwischen Objektiv und CCD-Matrix zur Einstellung des Abbildungsmaßstabs veränderbar ist,
• 2. - einer Verschiebeeinrichtung für das Tastsystem in wenigstens einer Koordinatenrichtung,
• 3. - einem am Gehäuse des Objektives angeordneten Betätigungselement und einem am Koordinatenmeßgerät außerhalb des Tastsystems vorgesehenen Mitnahmeelement, die in Wirkverbindung bringbar sind, so daß bei Vorliegen der Wirkverbindung die Betätigung der Verschiebeeinrichtung zu einer Abstandsänderung von Objektiv und CCD-Matrix führt, wogegen bei gelöster Wirkverbindung die Betätigung der Verschiebeeinrichtung eine Scharfstellung auf das Meßobjekt bei gleichbleibenden Objektiv-Matrix-Abstand erlaubt,
• 4. - mit Strichgeneratoren und einer Schaltungsanordnung zur additiven Mischung der elektronisch in den Strichgeneratoren erzeugten Strichkreuzsignale mit den Signalen der CCD-Elemente der CCD-Matrix, wobei die Zeitbasis für die Strichkreuzsignale der Auslesetakt der CCD-Elemente der CCD-Matrix ist,
• 5. - einer logischen Verknüpfungsanordnung (15) zur Verknüpfung der die senkrechten und waagerechten Striche repräsentierenden CCD-Elemente, wobei diese logische Verknüpfungsanordnung ausgangsseitig mit einem ersten Eingang einer Flip-Flop- Schaltung in Verbindung steht, die mit einem zweiten Eingang an einem Ausgang eines Komparators und mit ihrem Ausgang über einen Schaltwiderstand an einem zweiten Eingang des Komparators anliegt, welcher gleichzeitig mit dem Ausgang für ein Positionserfassungssystem verbunden ist, und
• 6. - einem Videosender zur drahtlosen oder drahtgebundene Übertragung der Tastsystemsignale zu einem Videoempfänger einer Auswerte- und Anzeigeeinheit.

2. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß, die Abstandsänderung von Objektiv (3) und CCD-Matrix (5) bei Wirkverbindung zwischen Betätigungs- und Mitnahmeelement in einer senkrecht zur Objektebene verlaufenden Richtung mit Hilfe des dieser Richtung oder Koordinate zugeordneten Antriebs des Koordinatenmeßgerätes durchführbar ist.

3. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Betätigungselement (13) ein Zapfen oder Drehelement ist und daß das Mitnahmeelement (14) eine gabelförmige Zapfenaufnahme oder eine Zahnstange oder Reibschiene ist.

4. Koordinatenmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in ihm ein Strichkreuzgenerator (6) und/oder Kantendetektor (7) vorgesehen sind.

5. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die waagerechte und senkrechte Linie des Strichkreuzgenerators (6) derart verknüpft sind, daß ein Selektivsignal erzeugt wird, mit welchem der Zustand des Komparators in Abhängigkeit des Videosignals in der Flip-Flop-Schaltung (19) anzeigbar ist, welches zur Einstellung (Steuerung) der Schaltschwelle des Komparators (21) nutzbar ist und welches als Hell-Dunkel-Signal für eine Richtungsbestimmung und/oder Antastkorrektur verwendbar ist.

6. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das von dem Kantendetektor (7) oder vom Strichkreuzgenerator (6) erzeugte Schaltsignal über die Signalleitung des Tastsystems des Koordinatenmeßgerätes geleitet wird.

7. Koordinatenmeßgerät nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kantendetektor (7) ein im Schaltsignaltakt blinkender Punkt im Kreuzungsbereich der Linien des Strichkreuzdetektors ist, der aus der logischen Verknüpfung der Linien erzeugt ist.

8. Koordinatenmeßgerät nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß weitere Bedienelemente ebenfalls über Wirkverbindungen von Betätigungs- und Mitnahmeelementen mit Hilfe von zugeordneten Antrieben des Koordinatenmeßgerätes zur Ausführung weiterer Schaltfunktionen betätigbar sind.