DE19805040A1

DE19805040A1 - Durchlichtbeleuchtung für Koordinatenmeßmaschinen

Info

Publication number: DE19805040A1
Application number: DE1998105040
Authority: DE
Inventors: Werner Gurny; Norbert Steffens
Original assignee: Wegu Messtechnik GmbH
Current assignee: Mahr Multisensor GmbH
Priority date: 1998-02-09
Filing date: 1998-02-09
Publication date: 1999-08-12

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Koordinatenmeßmaschine mit Durchlichtbeleuchtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zur optischen Vermessung von Meßobjekten mit Durchlichtbeleuchtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 10.

In der Praxis sind optische Koordinatenmeßmaschinen bekannt, wie sie beispielhaft in einer vereinfachten, perspektivischen Darstellung in Fig. 3 gezeigt ist. Bei diesen herkömmlichen Koordinatenmeßmaschinen ist in dem auf einer Grundplatte 1 montierten Meßtisch 2 eine durchsichtige Glasplatte 3 integriert, die als Auflage für ein zu vermessendes Meßobjekt (nicht gezeigt) dient und deren Auflagefläche der Größe des Meßobjektes angepaßt ist. Die Glasplatte 3 ermöglicht eine sogenannte Durchlicht messung des Meßobjektes, indem unterhalb des Meßtisches 2 eine Beleuchtungsquelle 8 und über dem auf dem Meßtisch 2 abgelegten Meßobjekt eine optische Meßeinheit 9, beispielsweise ein photoelektrischer Sensor oder eine komplette CCD-Kamera, installiert ist. Die optische Meßeinheit 9 ist in einer Achse (x-Achse) oder evt. auch in einer Ebene (x-y-Ebene) parallel zur Werkstückebene bzw. zur Glasplatte 3 üblicherweise CNC-gesteuert positionierbar. Die Beleuchtungsquelle 8 ist über einen Träger 5 starr mit der beweglichen optischen Meßeinheit 9 verbunden. Durch die mechanische Kopplung von Sensor- und Beleuchtungseinheit 8, 9 bewegen sich beide gleichzeitig über den gesamten Meßbereich der Anordnung, und die Beleuchtungsquelle 8 leuchtet dabei permanent das relativ zum gesamten Meßbereich kleine Objektfeld aus.

Eine solche Koordinatenmeßmaschine ist beispielsweise auch aus der DE-C1-196 47 059 bekannt. Um die Meßgenauigkeit zu erhöhen, besteht die Auflage für das Meßobjekt bei der in dieser Druckschrift offenbarten Koordinatenmeßmaschine aus zumindest zwei parallel zueinander, beabstandet angeordneten durchsichtigen Glasplatten. Von den zwischen den Glasplatten eingeschlossenen Hohlräumen ist zumindest ein Hohlraum mit einem durchsichtigen Druckmedium gefüllt, wobei der Druck innerhalb dieses Hohlraumes größer ist als der Druck außerhalb des Hohlraumes. Der Überdruck im Hohlraum soll eine der durch das Gewicht des Meßobjekts verursachten Durchbiegung der Auflage entgegenwirkende Kraft erzeugen, um die maximal mögliche Traglast der Auflage zu erhöhen und eine sonst bei Durchbiegung der Glasplatte ständig erforderliche Nachfokussierung der optischen Meßeinheit zu vermeiden.

Zur Erzielung kurzer Meßzeiten wird in der Praxis eine hohe Positionier geschwindigkeit der Einheit aus optischem Sensor und Beleuchtungsquelle gefordert. Die insbesondere beim Abbremsen auftretenden Beschleunigungen führen aufgrund der oben anhand von Fig. 3 erläuterten Konstruktion der Befeuchtungsquelle bei herkömmlichen Koordinatenmeßmaschinen zu unerwünschten Schwingungen, da insgesamt relativ große Massen bewegt werden und die Beleuchtungsquelle an einem etwa L-förmigen Tragarm befestigt ist. Sind hohe Meßgenauigkeiten gefordert, muß vor der Meßwertaufnahme an der Zielposition zunächst das Abklingen dieser Schwingungen abgewartet werden, was demzufolge zu längeren Meßzeiten führt.

Ausgehend von dem vorgenannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine optische Koordinatenmeßmaschine und ein optisches Meßverfahren jeweils mit Durchlichtbeleuchtung vorzusehen, die mit einfachen technischen Mitteln auch bei hohen Meßgenauigkeiten kurze Meßzeiten ermöglichen.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird diese Aufgabe durch eine optische Koordinatenmeßmaschine mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst.

Durch die starr angeordnete Beleuchtungsquelle, die gleichzeitig den gesamten Meßbereich der Anordnung ausleuchtet, können die oben erläuterten Schwingungen nicht mehr auftreten, da die Beleuchtungsquelle zu keiner Zeit bewegt werden muß. Außerdem sind aufgrund der verringerten bewegten Masse, welche im wesentlichen nur von der optischen Meßeinheit gebildet wird, höhere Beschleunigungen und schnellere Positionierungen der optischen Meßeinheit und somit auch kürzere Meßzeiten möglich.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn sich die Beleuchtungsquelle in der Ebene parallel zur Auflage im wesentlichen nur in einer Richtung (x-Achse) erstreckt und die optische Meßeinheit ebenfalls nur in dieser einen Richtung (x-Achse) in einer Ebene parallel zur Auflage positionierbar ist, wobei in diesem Fall das Meßobjekt bzw. der Meßtisch mit dem darauf angeordneten Meßobjekt vorzugsweise in der anderen Richtung (y-Achse) parallel zur Auflage positionierbar ist.

Ebenso kann sich aber die Beleuchtungsquelle in der Ebene parallel zur Auflage auch in beide Richtungen erstrecken (x-y-Ebene) und die optische Meßeinheit ebenfalls in beide Richtungen (x-y-Ebene) in einer Ebene parallel zur Auflage positionierbar sein, so daß das Meßobjekt bzw. der Meßtisch mit dem darauf angeordneten Meßobjekt während der Vermessung des Meßobjektes nicht verschoben werden muß.

Vorzugsweise weist die Beleuchtungsquelle eine Anordnung von Faserlichtleitern, Leuchtstoffröhren und/oder Leuchtdioden auf, wobei die Beleuchtungsstärke durch eine Anordnung von Blenden, durch Steuerung des Beleuchtungsstromes, durch Steuerung der Belichtungszeit der optischen Meßeinheit und/oder durch Filteranordnungen eingestellt werden kann.

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die oben genannte Aufgabe durch ein optisches Meßverfahren gemäß Patentanspruch 10 gelöst.

Das Verfahren wird im Prinzip mit einer oben beschriebenen erfindungsgemäßen Koordinatenmeßmaschine durchgeführt, weshalb an dieser Stelle bezüglich der Vorteile und Weiterbildungen des Verfahrens nur auf die bereits erläuterten Vorteile und Weiterbildungen der Koordinatenmeßmaschine verwiesen werden soll.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Koordinaten meßmaschine wird im folgenden anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 eine vereinfachte Darstellung einer erfindungsgemäßen Koordinaten meßmaschine in Seitenansicht;

Fig. 2 eine perspektivische Prinzipdarstellung der Koordinatenmeßmaschine von Fig. 1; und

Fig. 3 eine vereinfachte, perspektivische Darstellung einer herkömmlichen Koordinatenmeßmaschine.

In Fig. 1 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer optischen Koordinaten meßmaschine mit Durchlichtbeleuchtung in Seitenansicht dargestellt; dabei sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugsziffern versehen wie in der oben beschriebenen herkömmlichen Koordinatenmeßmaschine von Fig. 3.

Die Koordinatenmeßmaschine besteht aus einer Grundplatte 1, auf der ein Meßtisch 2 montiert ist. In den Meßtisch 2 ist eine Auflage 3 aus durchsichtigem Material, vorzugsweise eine durchsichtige Glasplatte, integriert, die als Auflage für das zu vermessende Meßobjekt 4 dient. Unter dem Meßtisch 2 ist eine Beleuchtungsquelle 8 angeordnet, die auf einem entsprechenden Träger 13 montiert ist und die Licht nach oben in Richtung auf die Glasplatte 3 bzw. das Meßobjekt 4 ausstrahlt. Der Träger 13 der Beleuchtungsquelle 8 ist fest mit der Grundplatte 1 verbunden, so daß die Beleuchtungsquelle starr und unbeweglich angeordnet ist.

Die Beleuchtungsquelle 8 ist im Prinzip linienförmig aufgebaut, d. h. die Ausdehnung der Beleuchtungsquelle 8 in der Ebene parallel zur Auflage 3 erstreckt sich im wesentlichen nur in einer Richtung, vorzugsweise der x-Richtung der Anordnung, wie insbesondere aus der perspektivischen Darstellung von Fig. 2 gut zu erkennen ist. Die Länge der Beleuchtungsquelle 8 in x-Richtung entspricht etwa der Ausdehnung der Glasplatte 3 in x-Richtung, so daß von der starren Beleuchtungsquelle 8 gleichzeitig der gesamte Meßbereich der Anordnung ausgeleuchtet werden kann, der durch die möglichen Positionierungen der in x-Richtung verschiebbaren optischen Meßeinheit 9 bestimmt wird.

Für die Beleuchtungsquelle 8 können beispielsweise geeignete Anordnungen von Faserlichtleitern, Leuchtstoffröhren, Leuchtdioden oder auch Kombinationen derselben eingesetzt werden. Die Einstellung der Beleuchtungsstärke kann dabei auf verschiedene Weisen erfolgen. Bei der Verwendung von Faserlichtleitern und Leuchtdioden bietet sich hierzu eine Steuerung des Beleuchtungsstromes an, bei der Verwendung von Faserlichtleitern und Leuchtstoffröhren sind geeignete Blenden oder Blendensysteme denkbar. Ferner ist es auch möglich, die Belichtungszeit der optischen Meßeinheit 9, beispielsweise durch einen sogenannten Shutterbetrieb von CCD-Kameras, anzupassen oder die Einstellung der Beleuchtungsstärke durch geeignete Filter, wie zum Beispiel Polfilter zu realisieren. Außerdem ist es denkbar, das Meßobjekt 4 entweder diffus oder gerichtet durch die Beleuchtungsquelle 8 auszuleuchten.

Zur Befestigung der optischen Meßeinheit 9, beispielsweise ein photoelektrischer Sensor mit vorgeschaltetem Objektiv 10 oder eine komplette CCD-Kamera, ist ein vertikaler Träger 6 vorgesehen, der starr mit der Grundplatte 1 der Koordinatenmeßmaschine verbunden ist. An seinem oberen Ende weist der Träger 6 einen Querträger 7 auf, der in einer Orientierung parallel zur Glasplatte 3, insbesondere in x-Richtung, angeordnet ist. Auf diesem Querträger 7 ist, in Längsrichtung des Querträgers 7 auf diesem verschiebbar, ein Schlitten 12 montiert. Der Schlitten 12 dient als Träger für die optische Meßeinheit 9, die zum Zwecke einer möglichen Fokussierung am Schlitten 12 auch in z-Richtung, d. h. in der Richtung senkrecht zur Ebene der Auflage 3, verschiebbar ist. Die Positionierung der optischen Meßeinheit 9 in z-Richtung sowie des Schlittens 12 in x-Richtung erfolgt vorzugsweise CNC-gesteuert. In y-Richtung ist die optische Meßeinheit in jeder Stellung so positioniert, daß die optische Achse 11 der Meßeinheit 9 exakt über der Beleuchtungsquelle 8 liegt.

Da bei der in Fig. 1 und 2 gezeigten Konstruktion der Koordinatenmeßmaschine die Beleuchtungsquelle 8 starr angeordnet ist und während der Vermessung des Meßobjekts 4 nicht bewegt wird bzw. bewegt werden muß, werden die bei herkömmlichen Koordinatenmeßmaschinen aufgrund der Beschleunigung der Beleuchtungsquelle 8 auftretenden Schwingungen vollständig vermieden. Bei einer gewünschten hohen Meßgenauigkeit muß somit ein Abklingen solcher Schwingungen nicht abgewartet werden und es können auch bei hohen Meßgenauigkeiten kürzere Meßzeiten erzielt werden. Ferner wird bei der erfindungsgemäßen Konstruktion nur die optische Meßeinheit 9 mit dem Schlitten 12 bewegt, so daß im Vergleich zu den herkömmlichen Koordinatenmeßmaschinen die zu bewegende Masse deutlich verringert ist, was zu einer schnelleren Positionierung der optischen Meßeinheit 9 und somit ebenfalls zu kürzeren Meßzeiten führt.

Alternativ zu der oben anhand der Fig. 1 und 2 beschriebenen Anordnung einer linienförmigen Beleuchtungsquelle 8 und einer in x-Richtung positionierbaren optischen Meßeinheit 9 ist es im Sinne der Erfindung ebenso möglich, eine großflächige Beleuchtungsquelle 8 zu verwenden und die optische Meßeinheit 9 in x- und in y-Richtung zu verschieben, so daß es zur kompletten Vermessung eines Meßobjekts 4 nicht nötig ist, das Meßobjekt 4 auf der Auflage 3 oder den gesamten Meßtisch 2 in y-Richtung verschiebbar vorzusehen. In diesem Fall erstreckt sich die Ausdehnung der Beleuchtungsquelle 8 in der Ebene parallel zur Auflage 3 also sowohl in x-Richtung als auch in y-Richtung, wobei die Größe der Ausdehnung der Beleuchtungsquelle 8 vorzugsweise etwa der Größe der Glasplatte 3 entspricht, so daß als Meßbereich die gesamte Glasplatte 3 dienen kann.

Bezugszeichenliste

1

Grundplatte

2

Meßtisch

3

Durchsichtige Auflage/Glasplatte

4

Meßobjekt

5

Träger

6

Träger

7

Querträger

8

Beleuchtungsquelle

9

Optische Meßeinheit

10

Objektiv

11

Optische Achse

12

Schlitten

13

Träger

Claims

1. Optische Koordinatenmeßmaschine mit Durchlichtbeleuchtung, mit einer Auflage (3) aus durchsichtigem Material für ein Meßobjekt (4), einer Beleuchtungsquelle (8) auf einer Seite der Auflage und einer optischen Meßeinheit (9) auf der anderen Seite der Auflage, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungsquelle (8) starr angeordnet und derart aufgebaut ist, daß gleichzeitig der gesamte Meßbereich ausleuchtbar ist.

2. Koordinatenmeßmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Ausdehnung der Beleuchtungsquelle (8) in der Ebene parallel zur Auflage (3) im wesentlichen nur in einer Richtung (x-Richtung) erstreckt.

3. Koordinatenmeßmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Meßeinheit (9) in einer Ebene parallel zur Auflage (3) nur in einer Richtung (x-Richtung) positionierbar und das Meßobjekt (4) in einer anderen Richtung (y-Richtung) parallel zur Auflage (3) positionierbar ist.

4. Koordinatenmeßmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Ausdehnung der Beleuchtungsquelle (8) in der Ebene parallel zur Auflage (3) in beide Richtungen (x-y-Ebene) erstreckt.

5. Koordinatenmeßmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Ausdehnung der Beleuchtungsquelle (8) in der Ebene parallel zur Auflage (3) etwa der Größe der Auflage (3) entspricht.

6. Koordinatenmeßmaschine nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Meßeinheit (9) in einer Ebene parallel zur Auflage (3) in beiden Richtungen (x-y-Ebene) positionierbar ist.

7. Koordinatenmeßmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungsquelle (8) eine Anordnung von Faserlichtleitern, Leuchtstoffröhren und/oder Leuchtdioden aufweist.

8. Koordinatenmeßmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungsquelle (8) eine Anordnung von Blenden zur Einstellung der Beleuchtungsstärke aufweist.

9. Koordinatenmeßmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungsquelle (8) eine Steuervorrichtung des Beleuchtungsstromes zur Einstellung der Beleuchtungsstärke aufweist.

10. Verfahren zur optischen Vermessung eines Meßobjekts (4) mit Durchlicht beleuchtung, bei dem das Meßobjekt (4) auf einer Auflage (3) aus durchsichtigem Material angeordnet wird, eine Beleuchtungsquelle (8) auf einer Seite der Auflage das Meßobjekt anstrahlt und eine optische Meßeinheit (9) auf der anderen Seite der Auflage das Meßsignal erfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungsquelle (8) gleichzeitig den gesamten Meßbereich ausleuchtet.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Meßbereich nur in einer Richtung (x-Richtung) erstreckt und die optische Meßeinheit (9) in einer Ebene parallel zur Auflage (3) in der gleichen Richtung (x-Richtung) positioniert wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Meßbereich in beide Richtungen einer Ebene (x-y-Ebene) erstreckt und die optische Meßeinheit (9) in einer Ebene parallel zur Auflage (3) in beide Richtungen (x-y-Ebene) positioniert wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungsstärke durch Steuerung des Beleuchtungsstromes, durch Blenden oder Blendensysteme, durch Steuerung der Belichtungszeit der optischen Meßeinheit (9) und/oder durch Filter eingestellt wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßobjekt (4) von der Beleuchtungsquelle (8) diffus oder gerichtet beleuchtet wird.