DE19733709A1

DE19733709A1 - Optischer Tastkopf für 3D-Koordinatenmeßgeräte

Info

Publication number: DE19733709A1
Application number: DE1997133709
Authority: DE
Inventors: Klaus Gumbert; Winfried Dr Fugmann; Jan Dr Neumann
Original assignee: Leitz Brown and Sharpe Messtechnik GmbH
Current assignee: Hexagon Metrology GmbH
Priority date: 1997-08-04
Filing date: 1997-08-04
Publication date: 1999-02-11
Anticipated expiration: 2017-08-05
Also published as: DE19733709B4

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Tastkopf für 3D-Koordinatenmeßgeräte.

Zum Stand der Technik gehören Koordinatenmeßgeräte, die Werkstücke in der Regel mechanisch antasten, das heißt, es werden berührende Taster eingesetzt. Dies ist bei be stimmten Meßaufgaben unpraktikabel oder gar nicht möglich, insbesondere bei der Messung

- weicher Oberflächen oder solcher Materialien, die sich auf dem Taster ablagern,
- sehr harter Oberflächen, die den Taster beschädigen,
- flexibler Teile,
- sehr kleiner oder nur optisch wirksamer Strukturen, wie etwa Beschichtungen, oder
- wenn sehr viele Merkmale auf engem Raum schnell ge messen werden müssen.

In vielen dieser Fälle kann die Meßaufgabe besser oder nur durch eine optische Antastung gelöst werden.

Da die genannten Meßaufgaben nicht auf zweidimensio nale Teile beschränkt sind, sondern auch bei dreidimensio nalen Werkstücken vorkommen, werden für 3D-Koordinatenmeß geräte zusätzliche optische Sensoren angeboten. Dies sind einerseits Punkt- oder Liniensensoren, die in einem Punkt oder in Punkten entlang einer Linie den Abstand zur Werk stückoberfläche messen, und andererseits Bildsensoren, bei denen eine CCD-Kamera (Charge-Coupled-Device) ein Bild der Werkstückoberfläche aufnimmt und über ein Fadenkreuz oder eine automatische Bildverarbeitung die Bestimmung von Koor dinatenwerten oder sonstige Auswertungen möglich sind.

Bedingung für eine optische Antastung ist stets, daß genügend Licht von der Objektoberfläche in den optischen Sensor gelangt. Oberflächen, die zur Beleuchtungsrichtung so geneigt sind, daß kein oder zu wenig Licht in den opti schen Sensor reflektiert wird, können daher ohne entspre chendes Schwenken des Sensors nicht angetastet werden.

Da die meisten technischen Oberflächen vorwiegend gerichtet reflektieren, darf daher die Neigung der Oberflächennormalen zu der Achse des Sensors gemäß dem Stand der Technik den halben Aperturwinkel nicht wesentlich überschreiten.

Bei der Mehrzahl der Meßaufgaben an technischen Werk stücken sind jedoch Merkmale zu messen, die eine seitliche Antastung erfordern, wie beispielsweise Durchmesser von Bohrungen. Mechanische Taster, bei denen an der Spitze eines Schafts eine Kugel angebracht ist, deren Durchmesser größer als der des Schafts ist, sind für achsenparallele und seitliche Antastungen ausgelegt. Mit optischen Tastern ist aus dem beschriebenen Grund die Antastung einer Ober fläche, deren Normale beispielsweise senkrecht zur Achse des Sensors steht, nicht möglich.

Bekannte Lösungen, wie Drehtische oder Dreh-Schwenk einrichtungen verteuern das System oder verschlechtern die Meßgenauigkeit erheblich. Darüber hinaus ist auch mit sol chen Einrichtungen keine Messung in Bohrungen oder Nuten möglich, da hierbei der gesamte Sensor in die Hohlstruktur eintauchen müßte.

Das der Erfindung zugrunde liegende technische Problem besteht darin, einen optischen Tastkopf anzugeben, der seitliche Antastungen auch an Flächen, deren Normale nahezu senkrecht zur Sensorachse steht, ermöglicht und damit in der Einsatzbreite einem 3D-Taster näher kommt als bekannte optische Taster.

Dieses technische Problem wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

Dadurch, daß dem eigentlichen Sensor eine Aufspal tungs- und/oder Umlenkvorrichtung vorgeschaltet ist, ist es möglich, Oberflächen optisch anzutasten, deren Normale ge gen die Tastkopfachse geneigt ist. Die Aufspaltungs- und/ oder Umlenkvorrichtung kann erheblich kompakter ausge führt werden als der Sensor selbst, so daß auch Innenmes sungen in Bohrungen, Nuten oder anderen Hohlstrukturen mög lich sind.

Die erfindungsgemäß vorgesehene Aufspaltungs- und/oder Umlenkvorrichtung ist mit dem optischen Taster starr, gege benenfalls auswechselbar verbunden und lenkt den Beleuch tungs- und/oder Beobachtungsstrahl ab oder spaltet ihn in mehrere Strahlen auf. Hierbei spielt es keine wesentliche Rolle, ob die Aufspaltungs- und/oder Umlenkvorrichtung zwi schen Kamera und dem wenigstens einen Objektiv oder vor dem wenigstens einen Objektiv angeordnet ist.

Als optische Elemente enthält die Aufspaltungs-und/ oder Umlenkvorrichtung Spiegel und/oder Teiler, bei spielsweise auch Beugungselemente oder holographisch-opti sche Elemente, und/oder faseroptische Elemente sowie gege benenfalls optische Schaltelemente, wie Shutter oder LCD-Folien (Liquid-Cristal-Devices). Mit den optischen Schalt elementen können einzelne Strahlengänge ausgeblendet wer den, um Störlicht von nichtaktiven Zweigen des "Taster baums" zu vermeiden. Dies ist jedoch oft nicht notwendig, da aus nicht fokussierten Strahlengängen meist nur sehr we nig Licht in den Sensor zurückfällt.

Sind mehrere Strahlengänge gleichzeitig "geöffnet", so muß klar sein, welcher Strahl die Antastung ausführt, etwa dadurch, daß sich die Objektoberfläche nur bei einem der Strahlengänge im Meßbereich befindet.

Der optische Tastkopf ist erfindungsgemäß als ein flä chig abbildender Sensor ausgebildet, bei dem im Bild manu ell oder automatisch Auswertungen vorgenommen werden kön nen. Der optische Tastkopf kann aber auch ein optischer Punkt- oder Liniensensor sein.

Bei dem optischen Tastkopf können verschiedene Antast- oder Meßrichtungen gewählt werden. Diese Antast- oder Meß richtungen werden durch Einwechseln der entsprechenden Auf spaltungs- und/oder Umlenkvorrichtung analog dem Taster wechsel bei mechanischen Tastern gewählt. Es ist aber auch möglich, die Antast- oder Meßrichtungen mit Hilfe einer be weglichen Aufspaltungs- und/oder Umlenkvorrichtung oder ei nes ansteuerbaren optischen Elements im Strahlengang zu wählen.

Das ansteuerbare optische Element enthält Strahltei ler, LCD-Folien, Shutter, ansteuerbare polarisationsopti sche Elemente, ansteuerbare Filter oder eine Kombination daraus.

Die Aufspaltungs- und/oder Umlenkvorrichtung oder das ansteuerbare optische Element befinden sich objektseitig, das heißt, vor dem wenigstens einen Objektiv oder zwischen Kamera und dem wenigstens einen Objektiv.

Die Optik kann weitere Umlenk-, Filter-, Polarisa tions- oder Strahlformungselemente enthalten.

Vorteilhaft ist der Beleuchtungsstrahl koaxial ausge bildet und wird mit dem Abbildungsstrahlengang umgelenkt.

Es ist auch möglich, räumlich getrennte Aufspaltungs- und/ oder Umlenkvorrichtungen vorzusehen für den Beleuch tungs- und Beobachtungsstrahlengang.

Es kann eine Schrägauflicht-Beleuchtung vorgesehen sein, die gegebenenfalls der Antastrichtung anpaßbar ist.

Um die Positionen der einzelnen Antastpunkte zueinan der oder relativ zu einem Referenzpunkt am Taster genauer zu bestimmen, kann die Kalibrierung an einem dafür geeigne ten Objekt vorgesehen sein. Darüber hinaus kann eine Kali brierung an dem für mechanische Taster vorgesehenen Kali briernormal vorgesehen sein, insbesondere auch relativ zu einem mechanischen Taster, um Meßaufgaben zu erfüllen, bei denen optisch und mechanisch angetastet werden muß. Hierfür sind allgemein Meßobjekte mit sowohl optisch als auch mechanisch antastbaren Merkmalen geeignet.

Weitere Einzelheiten der Erfindung können den Unteran sprüchen entnommen werden.

Auf der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Er findung dargestellt, und zwar zeigen:

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Tastkopf;

Fig. 2 ein geändertes Ausführungsbeispiel;

Fig. 3 einen Tastkopf mit Tasterwechselmög lichkeit;

Fig. 4 ein geändertes Ausführungsbeispiel.

Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Tastkopf (1) mit einer Beleuchtungseinrichtung (2). Der von der Beleuch tungseinrichtung ausgesendete Lichtstrahl wird an einem Teilerprisma (3) umgelenkt auf eine Aufspaltungs- und/oder Umlenkvorrichtung (4). Die Aufspaltungs- und/oder Umlenk vorrichtung (4) weist LCD-Folien (5, 6, 7) auf, mit denen die Sichtrichtung je nach elektrischer Beschaltung (nicht dargestellt) geöffnet wird.

Von der Aufspaltungs- und Umlenkvorrichtung kann der von dem Teilerprisma (3) kommende Lichtstrahl auf Objekte (8, 9, 10) aufgespalten und umgelenkt werden. Die Objekte (8, 9, 10) können beispielsweise die Oberfläche einer Boh rung eines Werkstückes darstellen. Vor den Objekten (8, 9, 10) sind telezentrische Optiken (11, 12, 13) angeordnet. Zwischen der Optik (13) und dem Objekt (10) ist zusätzlich ein weiterer Umlenkspiegel (14) vorgesehen. Je nachdem, welcher Strahlengang "geöffnet" ist, wird der Lichtstrahl von dem Objekt (8, 9 oder 10) auf die Umlenkvorrichtung (4) durch die Optiken (11, 12 oder 13) reflektiert. Von der Umlenkvorrichtung (4) fällt der Lichtstrahl durch das Teilerprisma in eine CCD-Kamera (16). Der Störlichtanteil läßt sich durch bekannte polarisationsoptische Maßnahmen (nicht dargestellt) verringern. Die weitere Verarbeitung und Auswertung ist ebenfalls nicht dargestellt.

Die Aufspaltungs- und/oder Umlenkvorrichtung (4) ist mit dem optischen Taster starr verbunden. Sie kann aber auswechselbar gestaltet sein. Die Aufspaltungs- und/oder Umlenkvorrichtung (4) lenkt den Beleuchtungsstrahl (17) entweder zur Seite ab oder spaltet ihn in mehrere Strahlen (17a, 17b, 17c) auf.

Als optische Elemente enthält die Aufspaltungs- und/ oder Umlenkvorrichtung (4) Spiegel oder Teiler. Bei einem optischen Taster (1), bei dem der Beobachtungsstrah lengang (18, 19, 20) koaxial zum Beleuchtungsstrahlengang (17a, 17b, 17c) verläuft, werden die von den einzelnen Strahlen erzeugten Lichtflecke auf den Objektoberflächen der Objekte (8, 9, 10) über dieselben Elemente beobachtet.

Die Fig. 1 zeigt einen optischen Taster mit zwei um 90° umgelenkten Strahlen (17a, 17c) und einem durchgehenden Strahl (17b).

Bei einem optischen Taster, bei dem Beleuchtungs- und Beobachtungsstrahlengang räumlich getrennt sind (nicht dargestellt), sind entweder räumlich getrennte Aufspal tungs- und/oder Umlenkelemente zu verwenden, oder diese müssen so groß sein, daß beide Strahlengänge in gleicher Weise aufgespalten oder umgelenkt werden.

Bei einem "schaltenden" optischen Taster, der ein Signal gibt, wenn die Objektoberfläche sich in einem be stimmten Abstand zum Taster befindet, sollte die Bedienung ähnlich wie bei einem taktilen Taster mit "Tasterbaum" erfolgen, das heißt, es sollte klar erkennbar sein, welcher Strahl die Antastung ausführt.

Dieses ist in Fig. 2 dargestellt. Fig. 2 zeigt den op tischen Taster (21) mit der Aufspaltungs- und/oder Umlenk vorrichtung (22), welche den Beleuchtungsstrahlengang (23) in die Beleuchtungsstrahlengänge (25a, 25b, 25c) aufspaltet und die Beobachtungsstrahlengänge (25a, 25b, 25c) in den Beobachtungsstrahlengang (23) zusammenführt.

Wenn bei dem in der Fig. 2 dargestellten Sensor (21) die Antastung im Fokus erfolgt, ist dieses gemäß Fig. 2 der Strahl (25a). Bei einem messenden optischen Taster, der in nerhalb eines Meßbereichs den Abstand zur Objektoberfläche (24) mißt, darf sich die Objektoberfläche (24) entweder nur bei einem der Strahlen im Meßbereich befinden, oder die An tastung muß durch andere Merkmale, etwa durch Polarisation, eindeutig einem Strahl zuzuordnen sein.

In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel mit einem opti schen Taststiftwechsel dargestellt.

An einer Pinole (26) eines Koordinatenmeßgerätes (27) ist ein optischer Tastkopf (28) angeordnet. Die Pinole (26) und der Tastkopf (28) werden durch einen Kollisionsschutz (29) geschützt.

Der optische Tastkopf (28) enthält eine Lichtquelle (30), einen ersten Teiler (31), einen Sensor (32), der bei spielsweise eine CCD-Kamera sein kann, ein Objektiv (33), gegebenenfalls weitere optische Elemente (nicht darge stellt) und eine Tasterwechsel-Schnittstelle (34). Die kon struktive Ausführung der Tasterwechsel-Schnittstelle (34), die eine lösbare aber reproduzierbare und starre Verbindung gewährleisten soll, ist von mechanischen Tastköpfen für Ko ordinatenmeßgeräte bekannt.

Auf die Tasterwechsel-Schnittstelle (34) wird eine op tische Taststiftaufnahme (35) aufgesetzt, die anstelle ei nes mechanischen Taststifts einen zweiten Teiler (36) trägt, der über eine Halterung, beispielsweise ein Rohr, mit der Taststiftaufnahme (35) verbunden ist. Die kon struktiven Merkmale der Taststiftaufnahme (35) und der Hal terung sind ebenfalls im wesentlichen von mechanischen Ta stern bekannt, wobei hier ein ungestörter Strahlengang zu ermöglichen ist. Vorteilhaft kann die mechanische Halterung als pyramiden- oder kegelförmiger Glasstab (37) ausgebildet sein, der einen Teil des Lichtwegs enthält und dadurch den Arbeitsabstand vom Sensor (32) zum Antastpunkt vergrößert. Im dargestellten Beispiel sind zwei Antastrichtungen (38, 39) realisiert, anstelle des zweiten Teilers (36) kann aber auch beispielsweise ein einfacher Umlenkspiegel verwendet werden, wodurch nur eine Antastrichtung entsteht.

Mit dem erfindungsgemäßen Tastkopf (28) können Innen messungen an Bohrungen (49) vorgenommen werden, in die der Tastkopf (28) nicht eintauchen kann. Soll eine an dem be treffenden optischen Taststift nicht realisierte Antast richtung gewählt werden, so wird manuell oder automatisch ein entsprechender zweiter, gegenüber dem ersten optischen Taststift kalibrierter optischer Taststift eingewechselt.

Gemäß Fig. 4 ist eine Tasterwechsel-Schnittstelle (40) zwischen dem Koordinatenmeßgerät (27) und einem Tastkopf (41) angeordnet, daß heißt, es ist eine Tastkopf-Schnitt stelle ausgebildet.

Der optische Tastkopf (41) enthält die gleichen Ele mente wie im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3, nämlich einen Sensor (42), ein Objektiv (43), eine Lichtquelle (44), ei nen Glasstab (45), einen ersten Teiler (46) und einen zwei ten Teiler (47). Die Tasterwechsel-Schnittstelle (40) ist gemäß Fig. 4 jedoch an einer Pinole (48) angeordnet. Auf die Tasterwechsel-Schnittstelle (40) können verschiedene Tastköpfe (41) aufgesetzt werden, unter anderem mechanische und optische Tastköpfe. Verbindungsleitungen sind gemäß Fig. 4 nicht dargestellt. Über eine Halterung, etwa ein Rohr oder den Glasstab (45), ist mit dem Tastkopf (41) starr der zweite Teiler (47) verbunden, der bei Innen messungen in Hohlstrukturen eintauchen kann.

Ein Meßlauf mit dem erfindungsgemäßen Tastkopf (41) gemäß Fig. 4 kann dann folgendermaßen ablaufen:

1. Es wird eine Kalibrierung aller bei dem Meßlauf be nutzten Taster vorgenommen, gegebenenfalls an einem Kalibriernormal, das optische und mechanische Anta stungen zuläßt.
2. Es werden die mit anderen Tastköpfen, auch mecha nischen, anzutastenden Antastpunkte aufgenommen.
3. Es wird der erfindungsgemäße Tastkopf (41) auf die Tasterwechsel-Schnittstelle (40) eingewechselt.
4. Der Tastkopf (41) wird so bewegt, daß entweder die anzutastende Werkstückoberfläche sich für einen der Strahlengänge im Meßbereich befindet (bei einem messenden Antastverfahren), oder daß der Schalt punkt eines der Strahlengänge auf die anzutastende Werkstückoberfläche bewegt wird (bei einem schal tenden Antastverfahren). Der betreffende Strahlen gang wird entweder vom Bediener, durch die Bewe gungsrichtung oder durch andere, gegebenenfalls optische Maßnahmen identifiziert. Die Antastpunkte werden aus Tastkopf- und Maschinendaten errechnet.
5. Mit dem erfindungsgemäßen Tastkopf werden weitere Messungen vorgenommen, oder es wird ein weiterer optischer Tastkopf, in dem weitere Antastrichtungen realisiert sind, eingewechselt.

Bezugszeichenliste

1

optischer Taster

2

Beleuchtungseinrichtung

3

Teilerprisma

4

Aufspaltungs- und/oder Umlenkvorrichtung

5

,

6

,

7

LCD-Folien

8

,

9

,

10

Objekte

11

,

12

,

13

telezentrische Optik

14

Spiegel

16

CCD-Kamera

17

Beleuchtungsstrahlengang

17

a,

17

b,

17

c Beleuchtungsstrahlengänge

18

,

19

,

20

Beobachtungsstrahlengänge

21

optischer Taster

22

Aufspaltungs- und/oder Umlenkvorrichtung

23

Beleuchtungs- und Beobachtungs strahlengang

24

Objektoberfläche

25

a,

25

b,

25

c Beleuchtungs- und Beobachtungs strahlengänge

26

Pinole

27

Koordinatenmeßgerät

28

optischer Tastkopf

29

Kollisionsschutz

30

Lichtquelle

31

erster Teiler

32

Sensor

33

Objektiv

34

Tasterwechsel - Schnittstelle

35

optische Taststiftaufnahme

36

zweiter Teiler

37

Glasstab

38

,

39

Antastrichtungen

40

Tastkopf-Schnittstelle

41

optischer Tastkopf

42

Sensor

43

Objektiv

44

Lichtquelle

45

Glasstab

46

erster Teiler

47

zweiter Teiler

48

Pinole

49

Bohrung

Claims

1. Optischer Tastkopf für 3D-Koordinatenmeßgeräte, dadurch gekennzeichnet, daß der op tische Tastkopf wenigstens eine Aufspaltungs- und/oder Um lenkvorrichtung (4) für den Beleuchtungsstrahl (17) und/ oder für den Beobachtungsstrahl (18, 19, 20) aufweist.

2. Tastkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem optischen Tastkopf verschiedene Antast- und/ oder Meßrichtungen wählbar sind.

3. Tastkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Antast- und/oder Meßrichtungen durch Einwechseln der wenigstens einen entsprechenden Aufspaltungs- und/oder Umlenkvorrichtung (4) und/oder durch Einwechseln des opti schen Tastkopfes (28, 41) wählbar ist.

4. Tastkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Antast- und/oder Meßrichtungen mit Hilfe der wenig stens einen Aufspaltungs- und/oder Umlenkungsvorrichtung (4), welche beweglich ausgebildet ist, oder mit Hilfe we nigstens eines ansteuerbaren optischen Elementes (5, 6, 7) im Strahlengang wählbar sind.

5. Tastkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine ansteuerbare optische Element (5, 6, 7) wenigstens einen Strahlteiler, wenigstens eine LCD-Folie (Liquid-Cristal-Devices), wenigstens einen Shutter, wenigstens ein ansteuerbares polarisationsoptisches Element und/oder wenigstens einen ansteuerbaren Filter aufweist.

6. Tastkopf nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die Aufspaltungs- und/oder Umlenkvorrichtung (4) und/oder das ansteuerbare optische Element (5, 6, 7) zwischen dem wenigstens einen Objektiv (11, 12, 13) und ei nem Objekt (8, 9, 10) angeordnet ist.

7. Tastkopf nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die Aufspaltungs- und/oder Umlenkvorrichtung (4) und/oder das ansteuerbare optische Element (5, 6, 7) zwischen einer Kamera (16) und dem wenigstens einen Objek tiv (11, 12, 13) angeordnet ist.

8. Tastkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Tastkopf als ein flächig abbildender Sen sor ausgebildet ist, bei dem im Bild manuell oder automa tisch Auswertungen vornehmbar sind.

9. Tastkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Tastkopf als ein optischer Punkt- oder Liniensensor ausgebildet ist.

10. Tastkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Optik (11, 12, 13) telezentrisch ausgebildet ist.

11. Tastkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Optik (11, 12, 13) als Zoom-Optik ausgebildet ist.

12. Tastkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Optik (11, 12, 13) wenigstens ein weiteres Umlenk-, Filter-, Polarisations- und/oder Strahlformungselement (14) aufweist.

13. Tastkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Beleuchtungsstrahlengang (17) koaxial ausgebildet ist.

14. Tastkopf nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Beleuchtungsstrahlengang (17) zusammen mit dem Ab bildungsstrahlengang (18, 19, 20) umlenkbar ausgebildet ist.

15. Tastkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schrägauflicht-Beleuchtung vorgesehen ist.

16. Tastkopf nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Schrägauflicht-Beleuchtung als eine der Antastrich tung anpaßbare Schrägauflicht-Beleuchtung ausgebildet ist.

17. Tastkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kalibrierung vorgesehen ist.

18. Tastkopf nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalibrierung relativ zu einem mechanischen Taster ausführbar ist.

19. Tastkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß räumlich getrennte Aufspaltungs- und/oder Umlenkvor richtungen (4) für den Beleuchtungsstrahlengang (17) und den Beobachtungsstrahlengang (18, 19, 20) vorgesehen sind.