DE19724739A1

DE19724739A1 - Taster zur Messung geometrischer Strukturen

Info

Publication number: DE19724739A1
Application number: DE1997124739
Authority: DE
Inventors: Eugen Dr Trapet
Original assignee: Werth Messtechnik GmbH
Current assignee: Werth Messtechnik GmbH
Priority date: 1997-06-12
Filing date: 1997-06-12
Publication date: 1998-12-17

Description

Die echt dreidimensionale Messung kleiner Strukturen im Bereich einiger zehn Mi krometer bis zu einigen zehn Millimetern mit Unsicherheiten unter einem Mikrometer stellt heute noch ein ungelöstes Problem dar, ganz anders als die zweidimensionale Messung in diesem Größen- und Genauigkeitsbereich. Dies liegt hauptsächlich dar an, daß eine hochgenaue Messung stark geneigter oder vertikaler Strukturen, die Messung in Bohrungen oder die Messung von Strukturen mit Hinterschneidungen heute nur mechanisch berührend, aber nicht optisch möglich ist. Kleine 3D-Struktu ren werden im Zuge der Weiterentwicklung der Mikromechanik immer wichtiger. Bei spiele sind die Medizintechnik (z. B. minimalinvasive Chirurgie) und die Mikrosenso rik.

Es ist also bis auf weiteres für dreidimensionale Strukturen nicht auf eine mecha nisch berührende Antastung mit klassischen Taststiften aus Tastkugel und Schaft zu verzichten. Kleine Tastkugeln (< 0,1 mm) bedingen aber einen im Durchmesser noch kleineren Schaft, der außerdem aus Sicherheitsgründen (Kollision) noch sehr lang und elastisch sein muß. Dünne Schäfte führen zu instabilen Nullagen der Tastkugeln und (wegen dieser Nachgiebigkeit im Schaft) zu einem kleinen Verhältnis von Aus lenksignal zu tatsächlicher Auslenkung sowie zu einem durch Schwingungen stark gestörten Auslenksignal. Man kommt zwangsläufig zu dem Schluß, daß eine Mes sung der Tastkugelverlagerung gegenüber dem Gerätekoordinatensystem bei der Antastung, bzw. ein Erkennen des Antastzeitpunktes nicht mehr über die vom Schaft übertragene Kraft oder die Verlagerung des der Tastkugel gegenüberliegenden Schaftendes möglich ist.

Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch die direkte Messung der Tastkugel position gelöst. Grundsätzlich kommen für diese direkte Messung viele unterschied liche physikalische Prinzipien in Frage. Da die Messung der Tastkugelauslenkung in einem großen Meßbereich im Raum sehr genau erfolgen muß, z. B. um kontinuierli che Scanvorgänge zu ermöglichen, und um einen großen Überhub bei Objektanta stung aufzunehmen (z. B. aus Sicherheitsgründen, aber auch um den Aufwand für eine genaue Positionierung zu verringern), wird erfindungsgemäß ein photogramme trisches Verfahren eingesetzt. Zwei Kamerasysteme mit zueinander geneigten Ach sen (Fig. 1) sind hier die Standardlösung. Es können im wesentlichen die aus der Industriephotogrammetrie bekannten Auswertetechniken eingesetzt werden.

Mit zwei zur Schaftrichtung geneigt "blickenden" Kameras (Fig. 1 Details 4 und 5) sind alle Meßaufgaben lösbar, bei denen das Tastelement (Fig. 1 Detail 1) nicht hinter Hinterschneidungen "verschwindet". Die Verwendung einer redundanten An zahl von Kameras (z. B. drei) ermöglicht auch an Objekten mit steilen Konturen zu messen. Problematisch wird die Messung in kleinen Bohrungen. Hier hilft oft eine Kamera, die so angeordnet ist, daß sie in Schaftrichtung (gerade Faser) auf die Tastkugel "blickt". Grundsätzlich ist bei zweidimensionalen Messungen (also z. B. bei Messungen in Bohrungen) eine einzige Kamera ausreichend, die in Schaftrichtung auf die Tastkugel "blickt".

Grundsätzlich ist für die erfindungsgemäße Funktion des Tasters kein aktiv lichtab strahlendes Antastelement oder eine sonstige aktive Zielmarke erforderlich. Beson ders hohe Genauigkeiten erreicht man aber bei der erfindungsgemäßen Verwen dung von lichtlabstrahlenden Tastkugeln bzw. sonstiger lichtabstrahlender Zielmar ken am Schaft. Das Licht aus einer Lichtquelle (Fig. 1 Detail 3) wird dabei der Tastkugel oder sonstigen Zielmarken am Schaft über eine Lichtleitfaser (Fig. 1 De tail 2) zugeführt, die selbst den Taster-Schaft darstellen kann aber nicht muß. Auch kann das Licht im Schaft oder in den Zielmarken erzeugt werden, indem diese z. B. LEDs enthalten. Der Grund für diese Konstruktionsweisen ist, daß photogrammetri sche Systeme, insbesondere solche für mikroskopisch kleine Strukturen, eine hohe Lichtintensität benötigen. Wird dieses Licht wie bei dem erfindungsgemäßen Taster aber nur dem Tastelement (Fig. 1 Detail 1) direkt gezielt zugeführt, reduziert sich die notwendige Lichtleistung erheblich, und somit auch die Wärmebelastung des Ob jekts (Fig. 1 Detail 6) während der Messung. Die erfindungsgemäße Konstruktion ergibt ein ideal kontrastreiches und ideal kreisförmiges Bild der Tastkugel aus allen Blickrichtungen. Insbesondere gilt dies bei Verwendung einer volumenstreuenden Kugel. Störungen durch Abbildung von Strukturen des Objekts selbst werden ver mieden, da das Objekt selbst nur in unmittelbarer Nähe der Tastkugel hell beleuch tet wird. Dabei wird aber das durch Spiegelung am Objekt entstehende Bild der Tastkugel praktisch immer weniger hell erscheinen als die Tastkugel selbst und läßt sich leicht eliminieren. Diese vorteile haben von außen beleuchtete Zielmarken nicht. Noch eine andere Alternative ist, die Zielmarken fluoreszierend auszuführen, so daß eingestrahltes und abgestrahltes Licht frequenzmäßig getrennt sind, und sich somit ebenfalls die Zielmarken im Bild deutlicher von der Umgebung isolieren las sen.

Um auch in kleinen Bohrungen oder an sehr steilen Strukturen zu messen, wenn das Antastelement wegen Abschattung selbst nicht oder nicht von mehreren Kameras erfaßt werden kann, läßt sich erfindungsgemäß die Position, die Orientierung und die Krümmung der Lichtleitfaser in den sichtbaren Teilbereichen photogrammetrisch erfassen. Daraus kann die Position der Tastkugel berechnet werden, z. B. über einen Ansatz der Faserbiegung in Form einer Parabel mit linearem und quadratischem Term. Die Messung bei unterschiedlichen Überhüben (mehr oder weniger ins Objekt hinein positioniert) und anschließende Mittelung der Tastkugelpositionen erhöht die Meßgenauigkeit. Die photogrammetrische Messung der Faser wird durch eine gleichförmige Lichtabstrahlung der Faser erleichtert, die verbessert werden kann durch Verwendung von volumenstreuendem Fasermaterial, der Aufbringung einer diffus abstrahlenden Schicht auf der Faseroberfläche oder einer sonstigen geeigne ten Wahl der Faserzusammensetzung und Fasergeometrie (z. B. Fertigung aus Ma terial mit relativ geringem Brechungsindex).

Es ist auch erfindungsgemäß möglich, auf der Lichtleitfaser weitere beleuchtete Ku geln oder sonstiger Zielmarken anzubringen, die Position dieser Zielmarken photo grammetrisch zu erfassen, und die Position der Tastkugel entsprechend zu berech nen. Kugeln stellen dabei vergleichsweise ideale, eindeutige Zielmarken dar, die es auf der Faser ansonsten nicht gibt. Eine gute Lichteinkopplung in die Kugeln erreicht man durch Störung der Lichtleitereigenschaften des Schafts, z. B. indem man die durchbohrten volumenstreuenden Kugeln auf den Schaft aufsteckt und mit diesem verklebt. Auch können die volumenstreuenden Kugeln seitlich am Schaft angeklebt sein, wobei auch eine Lichteinkopplung möglich ist, vorausgesetzt, der Schaft führt bis zu seiner Oberfläche Licht (kein Mantel an der Klebestelle). Eine besonders ho he Genauigkeit wird erreicht, wenn die Tastkugelposition als Funktion der Faserlage und Faserkrümmung (Zonen der Faser in einigem Abstand von der Tastkugel) expe rimentell erfaßt (kalibriert) wird. Auch hier ist wieder die Anmessung von entlang der Faser aufgebrachten Zielmarken anstelle der Anmessung der Faser selbst möglich. Die Kalibrierung kann z. B. durch Antastung einer Kugel aus unterschiedlichen Richtungen und mit unterschiedlichen Kräften (mehr oder weniger ins Objekt "hineinpositioniert") geschehen, oder sie erfolgt durch bekannte relative Positionie rung des Tastsystems gegenüber der geklemmten Tastkugel.

Die Trennung der Elemente Tastkugel und Zielmarken verringert noch mehr die Wahrscheinlichkeit einer Störung der photogrammetrischen Messung der Tastku gelposition durch Reflexe der Zielmarken auf der Objektoberfläche.

Es können erfindungsgemäß mehrere Taststifte nacheinander im Einsatz sein, z. B. durch eine einfache Wechseleinrichtung (z. B. Revolver mit mehreren Taststiften) können verschiedene Taststifte ins Blickfeld eingeschwenkt werden. Es können er findungsgemäß auch mehrere Taststifte gleichzeitig im Einsatz sein. Die Identifikati on des aktiven Taststifts ist einfach durch Abschalten der Beleuchtung der nicht ak tiven Taststifte möglich oder über eine sonstige Codierung, wie z. B. anhand der Zielmarkengröße, der Lichtfarbe, der Zielmarkenposition im Tasterkoordinatensy stem, der Modulation des Lichts, oder anhand aufgebrachter Muster. Taststiftein messungen wie sie in der klassischen Koordinatenmeßtechnik üblich sind, sind bei den erfindungsgemäßen Tastern nicht immer unbedingt erforderlich, da Tastkugel lage und Tastkugeldurchmesser photogrammetrisch mit einer oft ausreichenden Ge nauigkeit erfaßt werden können.

Die Messung mit kleinen Tastern bringt oft eine hohe Anzahl zerstörter Taststifte mit sich. Bei dem erfindungsgemäßen System sind die Taststifte billig und einfach aus wechselbar. Das teure Photogrammetriesystem und die Bewegungsachsen werden im allgemeinen nicht von Kollisionen beschädigt oder verändert, da der Abstand von der Tastkugel erfindungsgemäß sehr groß ist. Z.B. kann die Schaftlänge größer als der Verfahrbereich des Systems sein, eine Kollision ist so nicht möglich. Eine große Tastkugelauslenkung relativ zur Taststiftlänge ist ohne Schwierigkeiten möglich. Dadurch ergibt sich eine hohe Eigensicherheit des Systems, und eine gute Scanfä higkeit. Auch sind hohe Antastgeschwindigkeiten ohne Beschädigung der Objekto berfläche möglich.

Die Photogrammetriesysteme erlauben eine mathematische Ausrichtung des Objekts vor dem eigentlichen Meßbeginn aufgrund der Bildinformation über das Objekt. Damit ist eine punktgenaue Antastung des Objektes bei der eigentlichen taktilen Messung möglich.

Es gibt bei diesem System zwei Arten von elastischen Einflüssen, die zu Meßab weichungen führen können:

1. die Nachgiebigkeit des Objekts selbst (in größeren Bereichen); Einflüsse durch diese können durch Messung mit mindestens zwei Antastkräften auf Null extra poliert werden,
2. die lokale Nachgiebigkeit durch die Hertz'sche Pressung zwischen Kugel und Objektoberfläche; diese Effekte können bei Bedarf (also bei hochgenauen Mes sungen oder bei nachgiebigen Objekten) durch eine Messung mit mindestens zwei unterschiedlichen Antastkräften und Extrapolation auf die fiktive Antastkraft "Null" ausgeschaltet werden.

Die Extrapolation auf Kraft "Null" im zweiten Fall ist möglich, da die Deformation nach Hertz gleich einer Konstanten multipliziert mit der (Antastkraft)^2/3 ist:

D=K.F^2/3

mit:
D: Deformation an der Kontaktstelle zwischen Objekt und Tastkugel
F: Kraft (bzw. eine Größe, die proportional zur Antastkraft ist)
K: Konstante
D₁ = K.F₁ ^2/3
D₂ = K.F₂ ^2/3
D₁ - D₂ = K.(F₁ ^2/3 - F₂ ^2/3).

Hieraus folgt der Wert von k bei aus der Messung bekannter Differenz (D₁ - D₂) sowie bei bekannten F₁ und F₂. Es können nun die Abplattungen D₁ und D₂ gegen über der Antastung mit Kraft "Null" berechnet werden. Die kraftproportionalen Werte sind z:B. die Verfahrwege, gerechnet ab der ersten Objektberührung. Alternativ las sen sich diese auch mit Kraftsensoren messen. Ein Kraftsensor kann z. B. die Faser selbst sein, wenn ihre Krümmung photogrammetrisch gemessen wird oder anhand von Änderungen des intern zur Lichtquelle reflektierten/rückgestreuten Lichts bzw. des abgestrahlten Lichts. Es ist sinnvoll, die Messung mit mehreren Antastkräften für alle hochgenauen Meßaufgaben durchzuführen, da die effektiven Radien im Be rührpunkt zwischen Objekt und Tastelement durch lokale Welligkeiten und Rauhei ten stark variieren können.

Liegen Hertz'sche und lineare Nachgiebigkeit in der gleichen Größenordnung, muß mit mindestens drei Kräften angetastet werden, und es muß sowohl die lineare als auch die Hertz'sche Nachgiebigkeitskonstante bestimmt werden, um auf die fiktive Kraft "Null" extrapolieren zu können.

Es ist zu erwarten, daß die Abweichungen von der idealen Kugelform bei kleinen Kugeln mit Durchmessern unter 0,1 mm nicht vernachlässigbar sein werden. Des halb ist eine richtungsabhängige Korrektur der Antastpunkt-Koordinaten meist un umgänglich. Zur Erfassung der Korrekturwerte kommen zwei Verfahren in Frage:

1. Die Messung der Abweichungen des Tastelements von der Kugelform, durchge führt unabhängig vom Tastsystem mit gesonderten Meßgeräten
2. Die Messung der Abweichungen des Tastelements von der Kugelform, durchge führt durch Messung einer Referenzkugel mit dem Tastsystem selbst.

Grundsätzlich ist es auch möglich, eine andere Geometrieform für die Antastelemen te zu wählen als die einer Kugel, z. B. Zylinder (die Faser selbst stellt einen solchen dar) oder sogar das verrundete Ende der Faser selbst.

Da das Antastelement (z. B. eine Kugel) je nach Betrachtungsrichtung mehr oder weniger stark vollständig abgebildet wird und auch Schmutz sehr störend wirkt, ist es sinnvoll, die Lage des Antastelements mit sogenannten robusten Ausgleichsal gorithmen zu bestimmen. Zu diesen Algorithmen gehören z. B. die Minimierung der Summe der Abweichungsbeträge (sogenannte L1-Norm).

Grundsätzlich ist der Taster erfindungsgemäß auch so ausführbar, daß die Beleuch tung der Zielmarken bzw. des Schafts nicht von innen durch den Schaft erfolgt, son dern durch geeignete Beleuchtungseinrichtungen von außen.

Hier bietet sich auch eine Variante an, bei der die Zielmarken Retroreflektoren (Tripelreflektoren, Katzenaugen, spiegelnde Kugeln) sind und aus der Kamera-Blickrichtung extern beleuchtet werden.

Diese Ausführungsart ist aber wegen des geringeren Abbildungskontrasts und des erforderlichen höheren Aufwands für die Beleuchtung weniger vorteilhaft, wenn dif fus reflektierende Zielmarken eingesetzt werden. Deshalb ist auch die erfindungs gemäße Ausführungsvariante mit Retroreflektoren als Zielmarken günstig. Hierzu zählt auch eine Ausführungsvariante, bei der die Zielmarken (z. B. auch die Tastku gel selbst) als Reflektoren dienen; die Zielmarken können z. B. Katzenaugen, polierte Kugeln oder außen spiegelnde Kugeln sein, die jeweils aus der Kamera-Blickrichtung extern beleuchtet werden.

Der erfindungsgemäße Taster ist grundsätzlich nicht auf bestimmte Baugrößen der Meßobjekte und des Tasters selbst beschränkt, wobei jedoch seine wesentlichen Vorteile konventionellen Tastern gegenüber bei der Messung kleiner Objekte liegen. Er kann sowohl zur Messung ein-, zwei- als auch dreidimensionaler Strukturen ein gesetzt werden.

Claims

1. Taster zur Messung geometrischer Strukturen, erfindungsgemäß bestehend aus einem Photogrammetriesystem und aus einem Taststift mit biegeelastischem Schaft und einem mit dem Schaft verbundenen Antastelement, welches bei der Messung in Berührung mit dem Meßobjekt gebracht wird, gekennzeichnet dadurch, daß Ziel marken (wie z. B. Kugeln) am Schaft angebracht sind, wobei die Position der Ziel marken relativ zum Tasterbezugssystem vom Photogrammetriesystem erfaßt wird, und die Position des Antastelements im Tasterbezugssystem aus den Zielmarken positionen errechnet wird, gekennzeichnet dadurch, daß die Zielmarken selbst Licht abstrahlen.

2. Taster zur Messung geometrischer Strukturen entsprechend Anspruch 1, ge kennzeichnet dadurch, daß der Schaft eine Lichtleitfaser enthält, durch die das Licht zur Beleuchtung der Zielmarken zugeführt wird.

3. Taster zur Messung geometrischer Strukturen entsprechend Anspruch 1, ge kennzeichnet dadurch, daß das Antastelement eine Kugel ist (Tastkugel).

4. Taster zur Messung geometrischer Strukturen entsprechend Anspruch 1, ge kennzeichnet dadurch, daß das Antastelement selbst eine Zielmarke ist.

5. Taster zur Messung geometrischer Strukturen entsprechend Anspruch 1, ge kennzeichnet dadurch, daß der Schaft selbst als räumlich ausgedehnte Zielmarke dient, dessen Position relativ zum Tasterkörper in frei gewählten Querschnitten ge messen wird.

6. Taster zur Messung geometrischer Strukturen entsprechend Anspruch 1, ge kennzeichnet dadurch, daß auf dem Schaft Zielmarken angebracht sind, und daß die Positionen der Zielmarken entlang des Schafts photogrammetrisch erfaßt werden und daraus die Position des Antastelements berechnet wird, gekennzeichnet da durch, daß der Zusammenhang zwischen der Position des Antastelements und der Lage der Zielmarken entlang des Schafts empirisch durch Kalibrierung ermittelt wird.

7. Taster zur Messung geometrischer Strukturen entsprechend Anspruch 1, ge kennzeichnet dadurch, daß auf dem Schaft Zielmarken wie z. B. Kugeln angebracht sind, und daß die Positionen der Zielmarken entlang des Schafts photogrammetrisch erfaßt werden und daraus die Position des Antastelements berechnet wird, gekenn zeichnet dadurch, daß der Zusammenhang zwischen der Position des Antastele ments und der Lage der Zielmarken entlang des Schafts durch rechnerische Extra polation der Kurvenform des durch die Zielmarken markierten und an diesen Ziel marken in seinen Koordinaten bekannten Schafts ermittelt wird.

8. Taster zur Messung geometrischer Strukturen entsprechend Anspruch 1, ge kennzeichnet dadurch, daß Lage und Form des Schafts direkt ohne zusätzliche Zielmarken photogrammetrisch erfaßt werden, und daß daraus die Position des An tastelements berechnet wird, gekennzeichnet dadurch, daß der Zusammenhang zwischen der Position des Antastelements und der photogrammetrisch gemessenen Lage und Krümmung des Schafts empirisch durch Kalibrierung ermittelt wird.

9. Taster zur Messung geometrischer Strukturen entsprechend Anspruch 1, ge kennzeichnet dadurch, daß Lage und Form des Schafts direkt ohne zusätzliche Zielmarken photogrammetrisch erfaßt werden, und daß daraus die Position des An tastelements berechnet wird, gekennzeichnet dadurch, daß der Zusammenhang zwischen der Position des Antastelements und der Lage und Krümmung des Schafts durch rechnerische Extrapolation der Kurvenform des Schafts ermittelt wird.

10. Taster zur Messung geometrischer Strukturen entsprechend Anspruch 1, ge kennzeichnet dadurch, daß der Schaft gekrümmt ist, um für alle Antastrichtungen ei ne hohe Nachgiebigkeit zu erreichen.

11. Taster zur Messung geometrischer Strukturen entsprechend Anspruch 1, ge kennzeichnet dadurch, daß mehrere Taststifte gleichzeitig im Einsatz sind, wobei das gleiche Photogrammetriesystem für alle Taststifte verwendet wird.

12. Taster zur Messung geometrischer Strukturen entsprechend Anspruch 1, ge kennzeichnet dadurch, daß durch eine Tasterwechseleinrichtung verschiedene Taststifte nacheinander eingeschwenkt werden können, wobei das gleiche Photo grammetriesystem für alle Taststifte verwendet wird.

13. Taster zur Messung geometrischer Strukturen entsprechend Anspruch 1, ge kennzeichnet dadurch, daß das zylindrische Schaftende selbst als Antastelement dient.

14. Taster zur Messung geometrischer Strukturen entsprechend Anspruch 1, ge kennzeichnet dadurch, daß das Schaftende sphärisch verrundet ist und selbst als Antastelement dient.