DE19747027A1 - Multisensor-Tasteinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Multisensor-Tasteinrichtung für Koordinatenmeß- und Prüfeinrichtungen sowie den Einsatz in Werkzeugmaschinen nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 2.

Die EP 0 330 901 B1 offenbart bereits eine Mehrkoordinatenmeß- und -prüfeinrichtung mit einem ersten und einem zweiten in zu­ mindest zwei Koordinatenrichtungen bewegbaren Tastsystem. Das erste Tastsystem besteht dabei aus einem mechanischen Tastkopf mit einsetzbarem Taststift. Das zweite Tastsystem wird durch einen Video- und einen Lasertaster gebildet, die beide auf ei­ nem gemeinsamen Strahlengang eingerichtet sind.

Durch die DE 195 24 498 A1 ist ein Bildverarbeitungssystem mit einem Stufenzoom bekannt, das durch Erweiterung des optischen Systems um einen oder mehrere Strahlteiler realisiert wird. Da­ durch werden ohne Veränderung des Abbildungssystems mehrere Ab­ bildungsmaßstäbe gleichzeitig ermöglicht.

Ausgehend von dem vorgenannten Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine Multisensor-Tasteinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die es mit einfachen Mitteln ermög­ licht, alle oder nahezu alle denkbaren Meß- und Prüfaufgaben optimal zu lösen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Pa­ tentansprüche 1 und 2 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des grundsätzlichen Lösungsgedankens sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die neue Multisensor-Tasteinrichtung enthält alle Sensoren in kompakter Bauform in einer einzigen Einrichtung. Das bedeutet, daß alle Taster einheitlich in einem gemeinsamen Bauteil, bei­ spielsweise einer Pinoleneinrichtung, auf engstem Raum unter­ gebracht sind. Mit dem Einsatz nur eines einzigen Bauteils wird dadurch die Meß- oder Prüfeinrichtung sofort und gleichzeitig mit drei unterschiedlichen Sensoren für die Wahrnehmung unter­ schiedlicher Meßaufgaben bestückt. Hinzu kommt als weiterer Vorteil, daß auch die Beleuchtungseinrichtungen in dieser glei­ chen Baueinheit integriert sind. Der optische Sensor und der Lasersensor sind offsetfrei angeordnet. Zur Beleuchtung des zu messenden Werkstückes sind ein koaxiales Auflicht und ein Vier-Quadranten-Ringlicht in die Einrichtung integriert. Zur An­ passung des Abbildungsmaßstabes des optischen Tasters oder Sen­ sors kann das Stufenzoom in optimaler Weise verwendet werden. Der taktile Sensor bzw. der Tastkopf mit einsetzbarem Taststift ist ebenfalls in der gleichen Einrichtung eingesetzt und kann bei optischen Messungen auf einem Tasterwechsler abgelegt wer­ den.

In der Zeichnung ist ein Beispiel der Erfindung dargestellt. Darin zeigen:

Fig. 1 ein vereinfachtes Blockschaltbild der Multisensor-Tasteinrichtung, und

Fig. 2 eine vereinfachte Darstellung des Aufbaus der Multi­ sensor-Tasteinrichtung.

Auf einem Meßtisch 27 befindet sich ein Meß- oder Prüfobjekt 1, 26 (Werkstück). Der in der Gesamtheit als Meßwertaufnehmer 34 bezeichnete Block des Bildverarbeitungssystems besteht aus dem Objektiv 2 mit Linse 3, den im Beispiel gezeigten drei CCD-Kameras 14 mit vorgeschalteten Linsen oder optischen Einrich­ tungen 13, dem Stufenzoom aus den vier Strahlteilern 6, den Spiegeln 7, dem Multiplexer 15 und dem Wandlerelement (Analog- Digital-Wandler) 16. Die optische Achse 5 des Objektives 2 ist auf das Meßobjekt 1 gerichtet und verläuft durch die Strahl­ teiler 6, die als teildurchlässige Spiegel aneinandergesetzt sind.

Von dem ersten Strahlteiler 6 nach dem Objektiv 2 verläuft die optische Achse 5 einerseits geradlinig durch zu den zwei weite­ ren in Richtung der CCD-Kamera 14 gelegenen Strahlteilern 6. Andererseits wird die optische Achse 5 in den Strahlteilern 6 in teildurchlässigen Spiegeln rechtwinklig umgelenkt zu den Spiegeln 7 und von dort zu den weiteren CCD-Kameras 14 geführt. Den Strahlteilern 6 mit Spiegeln 7 sind also insgesamt drei CCD-Kameras 14 auf der optischen Achse 5 nachgeschaltet. Dies bedeutet, daß alle CCD-Kameras 14 das Bild des Meßobjektes 1 gleichzeitig zur Verfügung haben.

Die CCD-Kameras 14 besitzen immer kleiner werdende, also unter­ schiedliche Chips bei gleicher Auflösung. So wird als eine be­ vorzugte Maßstabsreihe: 1 inch, 2/3 inch, 1/2 inch, 1/3 inch angesehen. Ebenso möglich sind aber auch Maßstabsreihen, wie beispielsweise: 1/5 inch, 1/10 inch usw. in mathematischer Fol­ ge.

Statt des geschilderten Einsatzes von CCD-Chips unterschiedli­ cher Größe können ebenso auch CCD-Chips gleicher Größe mit vor­ geschalteter unterschiedlicher optischer Vergrößerung eines ausgewählten Linsensystems Verwendung finden. Auch diese Lösung zählt zum Schutzumfang der vorliegenden Erfindung.

Von den CCD-Kameras 14 führen Leitungsverbindungen 21, 22, 23 zur Weiterleitung der Bildaufnahmesignale zu einem Multiplexer 15, der seinerseits mit dem Wandler 16 verbunden ist. Der Block des Meßwertaufnehmers 34 ist mit dem Block der Meßverarbeitung ver­ bunden, der durch einen Rechner 17 mit angeschlossenem Speicher und einer Verarbeitungssoftware schematisch dargestellt ist. Mit 18 ist die Meßwertausgabe als Anzeigeeinheit oder Steuer­ größe (Drucker) bezeichnet.

Statt der gezeigten drei CCD-Kameras 14 ist auch eine andere Anzahl, beispielsweise zwei oder vier, möglich. Der Grundaufbau in den geschilderten wesentlichen Einheiten und Verbindungen bleibt dabei natürlich erhalten.

Mit 3 ist in dem Objektiv 2 noch eine Linse schematisch ange­ deutet.

Für die Konturerfassung einer Werkstückoberfläche ist die Mul­ tisensor-Tasteinrichtung zusätzlich zu dem Videotaster 2, 6, 7, 13, 14 mit einem Lasertaster 2, 6, 9, 10 an gleicher Pinole 31, 32 oder Pinoleneinrichtung versehen, mit dem beliebige Oberflä­ chenkonturen berührungslos und automatisch vermessen werden. Der Lasertaster folgt mit konstantem Abstand der Oberflächen­ kontur. Dies hat den Vorteil, daß die konturerfassende Meßachse in der Echtzeit kontinuierlich innerhalb eines Laserfangberei­ ches geregelt wird.

Der Lasertaster regelt die Bewegung der Multisensor-Tastein­ richtung in der vertikalen oder Z-Achse. Die Abtastrichtungen in den waagerechten oder X- und Y-Koordinaten sind durch übli­ che Meßschlitten, beispielsweise nach der EP 0 330 901 B1, be­ liebig vorgebbar und abfahrbar. Dem Tastprinzip liegt das so­ genannte Lichtschnittverfahren zugrunde, bei dem die reflek­ tierende Oberfläche des Werkstückes 1,26 als Referenz für die Scharfstellung benützt wird.

Als Lichtquelle dient eine Laserdiode 11, deren Leuchtfläche durch ein optisches System auf der Werkstückoberfläche abgebil­ det wird. Der Lichtstrahl trifft nach der Laserdiode 11 auf einen um 45° geneigten Spiegel 35, wird von dort zu einer Optik 9 umgelenkt und gleichzeitig zu einem weiteren um 45° geneigten zweiten Spiegel 36 geleitet. Von diesem Spiegel 36 wird der Lichtstrahl zum Objektiv 2 gebracht, das im Abstand über der Werkstückoberfläche steht. Von dort wird dann der auftreffende Lichtstrahl reflektiert und über die Spiegel 36, 35 zur Optik 9 zurückgeschickt. Das Werkstück 1 remittiert dadurch einen Teil des reflektierten Laserlichtes durch das Objektiv 2, 3 und das optische System 36, 35, 9 auf eine mit Differenzdioden 12 be­ stückte Empfängereinheit 10. Der Meßpunkt wandert bei Defokus­ sierung aus und erzeugt ein Differenzsignal im Achsenverstärker 19. Dadurch wird im Ergebnis die vertikale oder Z-Achse moto­ risch, beispielsweise über einen Servomotor 20, automatisch wieder in die für den Videotaster notwendige Schärfeebene posi­ tioniert. Die Meßpunkte, die um einen Betrag nach Minus oder Plus verschoben sein können, werden entsprechend dem optischen System zu den Differenzdioden 12 reflektiert und im Empfänger 10 schließlich als Signal gemäß der Leitung 24, 25 über dem Sen­ der 11 zur Anpassung eines Meßschlittens in der Z-Koordinate weitergegeben.

Die Fig. 1 zeigt im Prinzip ineinandergeschachtelte Regel­ kreise, von denen der erste Regelkreis in Abhängigkeit eines Empfangsignals das Steuersignal in der Sendeeinheit 11 steuert. Dieser Regelkreis beeinflußt die Sendeleistung des Laserta­ sters. Der zweite Regelkreis ist dem ersten Regelkreis über­ geordnet und steuert den Autofokus über den motorischen Antrieb 20. Dadurch wird die jeweils optimale Schärfeebene ermöglicht.

Wie aus der Fig. 1 weiter ersichtlich ist, erfolgt durch eine Lichtquelle 8 eine Weißlichteinkopplung in die Strahlteiler 6 mit den Spiegeln 35, 36 und von dort durch die optische Achse 5 und das Objektiv 2 auf die Werkstückoberfläche 1. Es handelt sich hierbei um ein koaxiales Auflicht für die Beleuchtung des Werkstücks 1.

Außerdem ist noch ein Vier-Quadranten-Ringlicht durch die Ele­ mente 4 schematisch dargestellt. Auch dieses Vier-Quadranten-Ringlicht 4 ist in die Multisensor-Tasteinrichtung integriert und leuchtet die Werkstückoberfläche gemäß der Pfeile schatten­ frei aus.

Der Tastkopf 28 mit eingesetztem Taststift 29, beispielsweise ein Tastkopf vom schaltenden Typ, hat eine beliebige, undefi­ nierte Tasterauslenkung und einen Schaltpunkt eines Mikroschal­ ters im Tastkopf. Die Antastung an ein Werkstück 1 erfolgt me­ chanisch mit dem Taststift 29. Durch die Berührung des Tast­ stiftes 29 mit der Werkstückfläche wird der Mikroschalter betä­ tigt und ein entsprechender Impuls an den Rechner 15 gegeben. Dieser Impuls steht für ein Meßergebnis. Bei optischen Messun­ gen durch die Multisensor-Tasteinrichtung wird der taktile Ta­ ster 28, 29 abgelegt, was in bevorzugter Weise durch einen Ta­ sterwechsel (nicht gezeigt) in bekannter Ausführung erfolgt.

Aus Fig. 2 ist ein wesentliches Merkmal der Erfindung zu er­ kennen, nämlich daß der Videotaster 2 mit integriertem Laser­ taster und mit integriertem Auflicht und integriertem Mehr- Segmenten-Ringlicht, beispielsweise und bevorzugt einem Vier- Quadranten-Ringlicht, zusammen mit dem taktilen Taster 28, 29 in einer einzigen Pinole 31 oder von einer Pinole getragenen Ein­ richtung aufgenommen ist. Mit 32, 33 und 30 sind die üblichen Bauelemente zur Aufnahme der Pinole 31 in einer Meß- oder Prüf- oder Werkzeugmaschine und für die Verbindung untereinander dar­ gestellt.

Sämtliche in den Figuren dargestellten und in der Beschreibung erwähnten Einzelheiten sind für die Erfindung wichtig.

Claims (9)

1. Multisensor-Tasteinrichtung, für den Einsatz in Koordina­ tenmeßeinrichtungen, in Prüfeinrichtungen oder in Werkzeugma­ schinen, mit einem taktilen Taster, einem Videotaster und einem Lasertaster, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Tastersysteme aus taktilem Taster (28, 29), Video­ taster (2, 6, 7, 13, 14) und Lasertaster (2, 6, 9, 10) in einer ge­ meinsamen Einrichtung (31) integriert sind, die in Koordinaten­ meß- und in Prüfeinrichtungen und Werkzeugmaschinen auswechsel­ bar eingesetzt ist, wobei der Videotaster (2, 6, 7, 13, 14) und der Lasertaster (2, 6, 9, 10) zur Erfassung eines gleichen Meßpunktes auf einem Werkstück (1) eingerichtet und angeordnet sind, und wobei ferner der taktile Taster (28, 29), der Videotaster (2, 6, 7, 13, 14) und der Lasertaster (2, 6, 9, 10) mikroprozessorgesteuert sind, unabhängig voneinander arbeiten und wahlweise jeweils alleine ansteuerbar oder in beliebiger Kombination miteinander koppelbar sind.

2. Multisensor-Tasteinrichtung mit einem taktilen Taster, einem Videotaster und einem Lasertaster, dadurch gekennzeichnet,
daß die drei Tastersysteme aus taktilem Taster (28, 29), Video­ taster (2, 6, 7, 13, 14) und Lasertaster (2, 6, 9, 10) zusammen mit einem koaxialen Auflicht und einem Mehr-Segmenten-Ringlicht (4) in einer gemeinsamen Einrichtung integriert sind,
daß der Videotaster (2, 6, 7, 13, 14) und der Lasertaster (2, 6, 9, 10) zur Erfassung eines gleichen Meßpunktes auf einem Werkstück (1) eingerichtet sind, und
daß die drei Tastersysteme mikroprozessorgesteuert sind und un­ abhängig voneinander arbeiten und wahlweise alleine ansteuerbar oder in beliebiger Kombination miteinander koppelbar sind.

3. Multisensor-Tasteinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Videotaster (2, 6, 7, 13, 14) und der Lasertaster (2, 6, 9, 10) auf einer gemeinsamen optischen Achse (5) eingerichtet sind.

4. Multisensor-Tasteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Videotaster (2, 6, 7, 13, 14) und der Lasertaster (2, 6, 9, 10) offsetfrei angeordnet sind.

5. Multisensor-Tasteinrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in den Videotaster aus Objektiv, Kamera, Wandlerelement, Elektronik und optischen Elementen ein Stufenzoom integriert ist, das mehrere Abbildungsmaßstäbe des Meßobjektes gleichzei­ tig liefert.

6. Multisensor-Tasteinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die CCD-Kameras (14) unterschiedliche Chips bei gleicher Auflösung besitzen.

7. Multisensor-Tasteinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die CCD-Kameras (14) Chips gleicher Größe mit vorgeschalte­ ten optischen Vergrößerungen aufweisen.

8. Multisensor-Tasteinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in den Videotaster (2, 6, 7, 13, 14) ein motorgetriebenes Zoom integriert ist, das mehrere Abbildungsmaßstäbe des Meßobjektes (1) gleichzeitig liefert.

9. Multisensor-Tasteinrichtung mit einem Videotaster und einem Lasertaster, dadurch gekennzeichnet, daß die Tastersysteme aus Videotaster (2, 6, 7, 13, 14) und Laser­ taster (2, 6, 9, 10) zusammen mit einem koaxialen Auflicht und mit einem Mehr-Segmenten-Ringlicht (4) in einer gemeinsamen Ein­ richtung (31) integriert sind, wobei der Videotaster (2, 6, 7, 13, 14) und der Lasertaster (2, 6, 9, 10) zur Erfassung eines gleichen Meßpunktes auf einem Werkstück (1) eingerichtet sind, und daß die Tastersysteme mikroprozessorgesteuert sind und unabhängig voneinander arbeiten und wahlweise alleine ansteuerbar oder in Kombination miteinander koppelbar sind.