DE19805892A1

DE19805892A1 - Method and arrangement for measuring structures of an object

Info

Publication number: DE19805892A1
Application number: DE19805892A
Authority: DE
Inventors: Ralf Dr Christoph; Eugen Dr Trapet; Heinrich Schwenke
Original assignee: Werth Messtechnik GmbH
Current assignee: Werth Messtechnik GmbH
Priority date: 1997-06-12
Filing date: 1998-02-13
Publication date: 1998-12-24
Also published as: DE59802842D1

Abstract

The invention relates to a method in which a coordinate measuring instrument is used to determine structures having small dimensions with a high degree of precision and in such a way that they can be reproduced. To this end, the position of the feeler (58) or of a target is determined with an optic sensor (66).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung von Strukturen eines Objekts mittels eines einem Koordinatenmeßgerät zu geordneten Tastelements, wobei das Tastelement mit dem Objekt in Berührung gebracht und sodann seine Position bestimmt wird. Ferner bezieht sich die Erfindung auf eine Anordnung zur Messung von Strukturen eines Objekts mittels eines einem Koordinatenmeßgerät zu geordneten ein Tastelement und vorzugsweise eine Tasterverlängerung umfassenden Tasters.The invention relates to a method for measuring structures of an object by means of a probe element assigned to a coordinate measuring machine, the probe element brought into contact with the object and then its position is determined. Further The invention relates to an arrangement for measuring structures of an object by means of a probe element assigned to a coordinate measuring machine and preferably a button extension comprehensive button.

Optische Meßverfahren, die auf einer elektronischen Kamera und einer nachgeschalteten Bildverarbeitung beruhen, kommen in der Koordinationsmeßtechnik zunehmend zum Einsatz. Die optische Messung von geometrischen Merkmalen ist jedoch häufig schwierig, da die optischen Eigenschaften der Werkstückoberfläche das Meßergebnis beeinflussen können. Fasern und Hinterschneidungen machen das optische Messen oft sogar unmöglich.Optical measurement methods on an electronic camera and a downstream Image processing are based, are increasingly used in coordination measurement technology. However, the optical measurement of geometric features is often difficult because the optical properties of the workpiece surface can influence the measurement result. Fibers and undercuts often make optical measurement impossible.

Bei besonders für die Messung sehr kleiner Merkmale bzw. Strukturen im Bereich kleiner als 0,5 mm gibt es meist nicht die Möglichkeit, noch mechanisch anzutasten, da die mechani schen Anforderungen an Tastelement, Tasterschaft oder -verlängerung und Mechanik die noch realisierbaren Tastergrößen nach unten begrenzen. Die im allgemeinen aus mechani schen Aufbauten resultierenden trägen Massen führen außerdem zu einer zu hohen Antast kraft, die zu einer starken Deformation des gemessenen Objektes führt.With especially for the measurement of very small features or structures in the area smaller than 0.5 mm is usually not possible to touch mechanically because the mechani requirements for feeler element, feeler stem or extension and mechanics Limit the feasible button sizes down. The generally from mechani The resulting inertial masses also lead to excessive probing force that leads to a strong deformation of the measured object.

Die echt dreidimensionale Messung kleiner Strukturen im Bereich einiger zehn Mikrometer bis zu einigen zehn Millimetern mit Unsicherheiten unter einem Mikrometer stellt im Vergleich zu zweidimensionalen Messungen in diesem Größen- und Genauigkeitsbereich ein weitgehend ungelöstes Problem dar. Ursächlich hierfür ist, 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-Strukturen werden im Zuge der Weiterentwicklung der Mikromecha nik jedoch immer wichtiger. Beispiele sind die Medizintechnik (z. B. minimalinvasive Chirurgie), die Mikrosensorik oder z. B. Einspritzdüsen für die Automobiltechnik.The real three-dimensional measurement of small structures in the range of a few tens of micrometers up to a few tens of millimeters with uncertainties below one micrometer Comparison to two-dimensional measurements in this size and accuracy range largely unsolved problem. The reason for this is that a highly accurate measurement highly inclined or vertical structures, the measurement in bores or the measurement of Structures with undercuts only touch mechanically today, but not optically is possible. Small 3D structures are used in the course of the further development of the micromecha nik increasingly important. Examples are medical technology (e.g. minimally invasive Surgery), microsensors or z. B. Injectors for automotive engineering.

Es ist ein Tastsystem für die Messung kleiner Strukturen bekannt, welches auf einem Schwingquarz basiert, der eine Glasfaser mit Antastelement anregt. Bei Berührung mit der Werkstückoberfläche wird die Dämpfung des Systems ausgewertet. Diese Technik ermöglicht zwar kleine Antastkräfte, ist jedoch mit einer relativ großen Ungenauigkeit (Meßfehler 5 µm) behaftet.A touch probe for measuring small structures is known, which is based on a Vibrating quartz is based, which excites a glass fiber with probing element. When touching the The damping of the system is evaluated on the workpiece surface. This technique enables small probing forces, but with a relatively large inaccuracy (measuring error 5 µm) afflicted.

Auch ist es bekannt, mittels eines Mikroskops die Position eines Tastelements zur Messung von Strukturen zu bestimmen, wobei gerätebedingt im Durchlichtverfahren gearbeitet werden muß, so daß allein Strukturen durchgehender Bohrungen oder sonstiger Durchbrechungen gemessen werden können.It is also known to use a microscope to measure the position of a probe element of structures to be determined, whereby device-related work is carried out using the transmitted light method must, so that only structures through holes or other openings can be measured.

Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß beliebige Strukturen mit einer hohen Meßgenauigkeit bestimmt werden können, wobei eine präzise Lagebestimmung des mit dem Objekt in Berührung zu bringenden Tastelements erfolgen soll.The problem underlying the present invention is a method and a device of the type mentioned in such a way that any structures with a high Measurement accuracy can be determined, with a precise position determination of the with Object to be brought into contact with the probe element.

Erfindungsgemäß wird das Problem im Wesentlichen dadurch, daß die Position des Tastelements unmittelbar oder eine Position zumindest einer dem Tastelement unmittelbar zugeordneten Zielmarke mit einem optischen Sensor bestimmt wird. Dabei wird das Tast element und/oder die zumindest eine Zielmarke vom Bereich des optischen Sensors her in die zu messende Position gebracht. Mit anderen Worten wird der Taster dem Objekt von dessen sensorzugewandten Seite zugeführt. Taster und Sensor sind dabei als Einheit in einem Koordinatenmeßgerät verstellbar. Es erfolgt demnach eine gekoppelte Bewegung, die eine hohe Meßgenauigkeit und Reproduzierbarkeit der Ergebnisse sicherstellt. Dabei wird insbesondere die Position des Tastelements und/oder der zumindest einen Zielmarke mittels reflektierender und/oder das Objekt durchdringender und/oder von dem Tastelement bzw. der Zielmarke abstrahlender Strahlung bestimmt.According to the invention the problem is essentially that the position of the Touch element directly or a position of at least one of the touch element directly assigned target mark is determined with an optical sensor. The key element and / or the at least one target mark from the area of the optical sensor into the brought position to be measured. In other words, the button becomes the object of it sensor-facing side fed. The button and sensor are in one unit Coordinate measuring device adjustable. There is therefore a coupled movement, the one ensures high measurement accuracy and reproducibility of the results. Doing so in particular the position of the feeler element and / or the at least one target mark reflective and / or penetrating the object and / or by the sensing element or Target radiation radiation determined.

Erfindungsgemäß wird die durch Berührung des Objekts bedingte Auslenkung des Tast elements optisch bestimmt, um den Verlauf einer Struktur zu messen. Dabei kann die Auslenkung des Tastelements durch Verschiebung des Bildes auf einem Sensorfeld eines elektronischen Bildverarbeitungssystems wie elektronischer Kamera erfaßt werden. Auch besteht die Möglichkeit, die Auslenkung des Tastelements durch Auswerten einer Kon trastfunktion des Bildes mittels eines elektronischen Bildverarbeitungssystems zu bestimmen. Eine weitere Möglichkeit zur Bestimmung der Auslenkung besteht darin, diese aus einer Größenänderung des Bildes einer Zielmarke zu bestimmen, aus dem der strahlenoptische Zu sammenhang zwischen Objekt-Abstand und Vergrößerung resultiert. Auch kann die Aus lenkung des Tastelements durch scheinbare Größenänderung einer Zielmarke ermittelt werden, die aus dem Kontrastverlust durch Defokussierung resultiert. Dabei wird grundsätz lich die Auslenkung senkrecht zur optischen Achse der elektronischen Kamera bestimmt. Alternativ kann die Position des Tastelements bzw. der zumindest einen diesem zugeordneten Zielmarke mittels eines Photogrammetriesystems bestimmt werden. Bei Vorhandensein mehrerer Zielmarken kann deren Positionen optisch erfaßt und sodann die Position des Tastelements berechnet werden, da zwischen diesem und den Zielmarken eine eindeutige feste Beziehung besteht.According to the deflection of the key caused by touching the object elements optically determined to measure the course of a structure. The Deflection of the probe element by moving the image on a sensor field electronic image processing system such as electronic camera can be detected. Also there is the possibility of deflecting the probe element by evaluating a con to determine the tracing function of the image by means of an electronic image processing system. Another way of determining the deflection is to make it out of a To determine the size change of the image of a target mark, from which the radiation-optical Zu connection between object distance and enlargement results. Even the out steering of the probe element determined by apparent size change of a target resulting from the loss of contrast due to defocusing. Thereby is fundamental Lich determines the deflection perpendicular to the optical axis of the electronic camera. Alternatively, the position of the feeler element or the at least one assigned to it Target mark can be determined using a photogrammetry system. If there is Several targets can be optically detected and then the position of the Tactile elements are calculated because there is a clear between this and the target marks solid relationship exists.

Eine Anordnung zur Messung von Strukturen eines Objektes zeichnet sich dadurch aus, daß das Koordinatenmeßgerät einen Sensor zur optischen Positionserfassung des Tastelements und/oder zumindest einer diesem unmittelbar zugeordneten Zielmarke umfaßt und daß der Sensor mit zumindest dem Tastelement als Einheit verstellbar ist. Dabei kann das Tast element und/oder die zumindest eine Zielmarke selbststrahlend und/oder als Reflektor ausgebildet sein.An arrangement for measuring structures of an object is characterized in that the coordinate measuring machine has a sensor for optically detecting the position of the probe element and / or at least one target mark directly associated therewith and that the Sensor with at least the probe element is adjustable as a unit. The key element and / or the at least one target mark self-radiating and / or as a reflector be trained.

Das Tastelement und/oder die Zielmarke sollten vorzugsweise als eine Strahlung räumlich abstrahlender oder reflektierender Körper wie Kugel oder Zylinder ausgebildet sein.The probe element and / or the target mark should preferably be spatially radiation radiating or reflecting body such as a ball or cylinder.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist das Tastelement mit einer Tasterverlängerung wie Schaft verbunden, die bzw. der biegeelastisch ausgebildet ist. Das Verbinden kann durch Kleben, Schweißen oder sonstige geeignete Verbindungsarten erfolgen. Auch kann das Tast element und/oder die Zielmarke ein Abschnitt der Tasterverlängerung selbst sein. Insbesonde re ist die Tasterverlängerung bzw. der Schaft als Lichtleiter ausgebildet oder umfaßt einen solchen, um über diesen dem Tastelement bzw. der Zielmarke das erforderliche Licht zuzuführen.According to a development of the invention, the feeler element is like a feeler extension Connected shaft, which is designed to be flexible. The connection can be done by Gluing, welding or other suitable types of connection. The touch can also element and / or the target mark a section of the push button extension itself. In particular re the push button extension or the shaft is designed as a light guide or includes one such in order to provide the necessary light via the touch element or the target feed.

Der Schaft selbst kann endseitig als Taster ausgebildet sein oder einen solchen umfassen. Insbesondere sollte das Tastelement und/oder die Zielmarke auswechselbar mit der Taster verlängerung wie Schaft verbunden sein.The end of the shaft itself can be designed as a button or comprise such a button. In particular, the touch element and / or the target should be exchangeable with the push button extension like shaft connected.

Um nahezu beliebige Strukturen bestimmen zu können, ist des weiteren vorgesehen, daß der Taster von einer in fünf Freiheitsgeraden justierbaren Halterung ausgeht. Die Halterung selbst kann wiederum mit dem Sensor eine Einheiten bilden bzw. mit dem Sensor verbunden sein.In order to be able to determine almost any structure, it is further provided that the Push button starts from a holder that can be adjusted in five straight lines of freedom. The bracket itself can in turn form a unit with the sensor or be connected to the sensor.

Auch besteht die Möglichkeit, daß das Tastelement und/oder die Zielmarke als selbst leuchtendes elektronisches Element wie LED ausgebildet ist oder ein solches umfaßt.There is also the possibility that the sensing element and / or the target as itself luminous electronic element such as LED is formed or includes such.

Erfindungsgemäß wird ein Tastsystem für Koordinatenmeßgeräte vorgeschlagen, das die Vorteile optischer und mechanischer Tastsysteme kombiniert, wobei eine Verwendung insbesondere bei der mechanischen Messung sehr kleiner Strukturen, in denen herkömmliche Tastsysteme nicht mehr einsetzbar sind, möglich ist. Aber auch eine einfache Auf- und Umrüstung optischer Meßgeräte für mechanische Meßaufgaben wird dadurch möglich. According to the invention, a touch probe for coordinate measuring machines is proposed, which Advantages of optical and mechanical touch probes combined, one use especially in the mechanical measurement of very small structures in which conventional Touch probes can no longer be used, is possible. But also a simple opening and closing This makes it possible to retrofit optical measuring devices for mechanical measuring tasks.

So ist vorgesehen, ein Tast- oder Antastelement oder eine diesem zugeordnete Zielmarke durch einen Sensor wie elektronische Kamera in seiner Position zu bestimmen, nachdem ersteres in mechanischem Kontakt mit einem Werkstück gebracht wurde. Dadurch, daß entweder das Tastelement selbst oder die Zielmarke, die unmittelbar mit dem Tastelement verbunden ist, in der Position vermessen wird, haben Verformungen eines den Taster aufnehmenden Schaftes keinen Einfluß auf das Meßsignal. Bei der Vermessung muß weder das elastische Verhalten des Schaftes berücksichtigt werden, noch können plastische Ver formungen, Hysteresen und Drifterscheinungen der mechanischen Kopplung zwischen Tastelement und dem Sensor die Meßgenauigkeit beeinflussen. Auslenkungen in der Richtung senkrecht zur Sensor- wie Kameraachse lassen sich direkt durch Verschiebung des Bildes in einem Sensorfeld insbesondere einer elektronischen Kamera bestimmen. Die Auswertung des Bildes kann mit einer bereits in einem Koordinatenmeßgerät installierten Bildverarbeitung erfolgen. Damit ist ein zweidimensional arbeitendes Tastsystem realisiert, das sehr einfach an eine optische Auswerteeinheit gekoppelt werden kann.It is provided that a touch or probe element or a target mark assigned to it after determining by a sensor like electronic camera in its position the former was brought into mechanical contact with a workpiece. As a result of that either the tactile element itself or the target mark directly with the tactile element is connected, in the position is measured, deformation of one of the buttons receiving shaft no influence on the measurement signal. When measuring, neither the elastic behavior of the shaft is taken into account, plastic ver Formations, hysteresis and drift phenomena of the mechanical coupling between Touch element and the sensor affect the measurement accuracy. Deflections in the Direction perpendicular to the sensor and camera axis can be changed directly by moving the Determine image in a sensor field, in particular an electronic camera. The Evaluation of the image can be done with one already installed in a coordinate measuring machine Image processing done. This creates a two-dimensional touch probe, that can be easily coupled to an optical evaluation unit.

Für eine Sensierung der Auslenkung in Richtung der optischen Sensor- wie Kameraachse sind erfindungsgemäß mehrere Möglichkeiten gegeben, so u. a.:
According to the invention, there are several possibilities for sensing the deflection in the direction of the optical sensor and camera axes, such as:

1. The deflection of the probe element in the direction of the sensor axis (camera axis) measured by a focus system, as in optical coordinate measuring technology is already known when focusing on the workpiece surface. Here will the contrast function of the image is evaluated in the electronic camera.
2. The deflection of the probe element in the direction of the sensor or camera axis is measured by evaluating the image size of a target, such. B. in the case of a circular or ring-shaped target mark, the change in the diameter. This effect is due to the optical radiation imaging and can be specifically optimize the design of the optical unit. In the coordinate measurement technology, so-called telecentric lenses are often used Largely constant magnification even if the focus plane deviates should realize. This is done by moving the optical entrance pupil in reached the "infinite". An optimization would be for the evaluation described above Reverse sign useful: Already a small deviation from the The focus level should result in a significant change in the imaging scale. This is e.g. B. by moving the optical entrance pupil in the amount of object focal point. If possible, a high Depth of field can be realized, which is a high-contrast image of the target mark allows a relatively wide range. An ideal optical unit in the sense their imaging properties would be z. Legs Pinhole camera. By using an annular target, Minimize size changes resulting from blurring: The middle ring In the first approximation, the diameter does not change due to blurring, only the Ring width.
3. Even with a third option, the size change of the target is evaluated tet, however, which results from the combination of radiation optical sizes change and the apparent magnification results from blurred edges. Against This method takes advantage of the evaluation of the blurring function, that the actual size of the target is unchangeable.

Erfindungsgemäß wird zur Strukturbestimmung von Objekten die direkte Messung einer Tast elementposition genutzt. Grundsätzlich kommen für diese direkte Messung viele unter schiedliche physikalische Prinzipien in Frage. Da die Messung der Tastelementauslenkung in einem großen Meßbereich im Raum sehr genau erfolgen muß, z. B. um kontinuierliche Scanvorgänge zu ermöglichen, und um einen großen Überhub bei Objektantastung auf zunehmen (z. B. aus Sicherheitsgründen, aber auch um den Aufwand für eine genaue Positionierung zu verringern), kann auch ein photogrammetrisches Verfahren eingesetzt werden. Zwei Kamerasysteme mit zueinander geneigten Achsen könnten benutzt werden. Es können im Wesentlichen die aus der Industriephotogrammetrie bekannten Auswertetechniken eingesetzt werden.According to the invention, the direct measurement of a key is used to determine the structure of objects element position used. Basically, many come for this direct measurement different physical principles in question. Since the measurement of the probe displacement in a large measuring range in the room must be very accurate, e.g. B. Continuous To enable scans and a large overrun when touching the object increase (e.g. for security reasons, but also for the effort for an exact To reduce positioning), a photogrammetric method can also be used will. Two camera systems with mutually inclined axes could be used. It can essentially use the evaluation techniques known from industrial photogrammetry be used.

Mit zwei z. B. zur Längsrichtung des Tastelements bzw. der diesem zugewandten Enden einer Tasterverlängerung wie Schaft geneigt "blickenden" Kameras sind alle Meßaufgaben lösbar, bei denen das Tastelement nicht hinter Hinterschneidungen "verschwindet". Die Verwendung einer redundanten Anzahl von Kameras (z. B. drei) ermöglicht auch an Objekten mit steilen Konturen zu messen. Bei der Messung in kleinen Bohrungen kann eine Kamera benutzt werden, die so angeordnet ist, daß sie in Längsrichtung des Tastelements bzw. der Tasterverlängerung auf das Tastelement "blickt". Grundsätzlich ist bei zweidimensionalen Messungen (also z. B. bei Messungen in Bohrungen) eine einzige Kamera ausreichend, die auf die Längsrichtung der das Tastelement haltenden Tasterverlängerung wie Schaft ausge richtet ist.With two z. B. to the longitudinal direction of the feeler element or the ends facing it A probe extension such as angled "looking" cameras are all measurement tasks releasable, in which the probe element does not "disappear" behind undercuts. The Using a redundant number of cameras (e.g. three) also enables objects to measure with steep contours. When measuring in small holes, a camera can be used are used, which is arranged so that they in the longitudinal direction of the probe element or Push button extension on the push button "looks". Basically, two-dimensional Measurements (e.g. for measurements in boreholes) a single camera is sufficient, the on the longitudinal direction of the probe extension holding the probe element like shaft is aimed.

Für die erfindungsgemäße Verwendung des Tasters ist kein aktiv lichtabstrahlendes Tast element oder eine sonstige aktive Zielmarke zwingend erforderlich. Besonders hohe Genau igkeiten erreicht man mit lichtabstrahlenden Tastkugeln bzw. sonstiger lichtabstrahlender Zielmarken an der Tasterverlängerung. Das Licht aus einer Lichtquelle wird dabei dem Tastelement wie -kugel oder sonstigen Zielmarken der Tasterverlängerung über z. B. eine Lichtleitfaser zugeführt, die selbst den Taster-Schaft oder die Tasterverlängerung darstellen kann. 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 elektronische Bildsysteme wie photogrammetrische Systeme, insbesondere solche für mikroskopisch kleine Strukturen, eine hohe Lichtintensität benötigen. Wird dieses Licht dem Tastelement direkt gezielt zugeführt, reduziert sich die notwendige Lichtleistung erheblich, und somit auch die Wärmebelastung des Objekts während der Messung. Bei Verwendung von Kugeln als Tastelement ergibt sich ein ideal kontrastreiches und ideal kreisförmiges Bild der Tastkugel aus allen Blickrichtungen. Insbesondere gilt dies bei der Verwendung einer volumenstreuen den Kugel. Störungen durch Abbildungen von Strukturen des Objekts selbst werden ver mieden, da das Objekt selbst nur in unmittelbarer Nähe der Tastkugel hell beleuchtet wird. Dabei wird jedoch das durch Spiegelungen am Objekt entstehende Bild der Tastkugel prak tisch immer weniger hell erscheinen als die Tastkugel selbst. Somit sind Fehler problemlos zu korrigieren. Diese Vorteile haben von außen beleuchtete Zielmarken nicht zwingend. Auch besteht die Möglichkeit, die Zielmarken fluoreszierend auszuführen, so daß eingestrahltes und abgestrahltes Licht frequenzmäßig getrennt sind, und sich somit ebenfalls die Zielmar ken im Bild deutlicher von der Umgebung isolieren lassen. Gleiche Überlegungen gelten für das Tastelement selbst.There is no active light-emitting button for the use of the button according to the invention element or other active target is mandatory. Particularly high accuracy You can achieve this with light-emitting probe balls or other light-emitting ones Target marks on the push button extension. The light from a light source becomes that Probe element such as ball or other target marks of the probe extension over z. Legs Optical fiber supplied, which themselves represent the stylus shaft or the stylus extension can. The light can also be generated in the barrel or in the target marks by this e.g. B. contain LEDs. The reason for these construction methods is that electronic Image systems such as photogrammetric systems, especially those for microscopic ones Structures that require high light intensity. This light is the probe element directly Targeted supply, the necessary light output is significantly reduced, and thus the Thermal load on the object during the measurement. When using balls as The probe element produces an ideally contrasting and ideally circular image of the probe ball from all angles. This applies in particular when using a volume-accurate the ball. Faults caused by the mapping of structures of the object itself are ver Avoid, since the object itself is only brightly lit in the immediate vicinity of the probe ball. However, the image of the probe ball created by reflections on the object becomes practical table always appear less bright than the probe ball itself. Errors are therefore no problem to correct. These advantages do not necessarily have target marks illuminated from the outside. Also there is the possibility to make the target marks fluorescent, so that irradiated and emitted light are separated in frequency, and thus also the target mar Let the picture isolate it more clearly from the surroundings. The same considerations apply to the touch element itself.

Um auch in kleinen Bohrungen oder an sehr steilen Strukturen zu messen, wenn das Tast element wegen Abschattung selbst nicht oder nicht von mehreren Kameras erfaßt werden kann, läßt sich erfindungsgemäß die Position, die Orientierung und die Krümmung der Licht leitfaser in den sichtbaren Teilbereichen sensorisch wie photogrammetrisch erfassen. Daraus kann die Position des Tastelements berechnet werden, z. B. über einen Ansatz der Faserbie gung in Form einer Parabel mit linearem oder quadratischen Term. Die Messung bei unter schiedlichen Überhüben (mehr oder weniger ins Objekt hinein positioniert) und anschließend Mittelung der Tastelementposition erhöht die Meßgenauigkeit. Die optische wie photogram metrische Messung der Faser wird durch eine gleichförmige Lichtabstrahlung der Faser erleichtert, die durch Verwendung von volumenstreuendem Fasermaterial, der Aufbringung einer diffus abstrahlenden Schicht auf der Faseroberfläche oder einer sonstigen geeigneten Wahl der Faserzusammensetzung und Fasergeometrie (z. B. Fertigung aus Material mit relativ geringem Brechungsindex) verbessert werden kann.To measure even in small holes or on very steep structures when the probe element due to shadowing itself or not detected by several cameras can, according to the invention, the position, the orientation and the curvature of the light Detect conductive fiber in the visible sub-areas using sensors and photogrammetry. Out of it the position of the probe element can be calculated, e.g. B. via an approach of fiber bend in the form of a parabola with a linear or quadratic term. The measurement at under different overlaps (more or less positioned in the object) and then Averaging the probe element position increases the measuring accuracy. The optical like photogram metric measurement of the fiber is achieved by a uniform light emission of the fiber facilitated by the use of volume-scattering fiber material, the application a diffuse radiation layer on the fiber surface or another suitable Choice of fiber composition and fiber geometry (e.g. production from material with relatively low refractive index) can be improved.

Es ist auch erfindungsgemäß möglich, auf der Lichtleitfaser weitere beleuchtete Kugeln oder sonstiger Zielmarken anzubringen, die Position dieser Zielmarken insbesondere photogramme trisch zu erfassen, und die Position des Tastelements entsprechend zu berechnen. Kugeln stellen dabei vergleichsweise ideale, eindeutige Zielmarken dar, die es auf der Faser anson sten nicht gibt. Eine gute Lichteinkopplung in die Kugeln erreicht man durch Störung der Lichtleitereigenschaften des Schafts, indem man z. B. die durchbohrten volumenstreuenden Kugeln auf den Schaft, d. h. der Tasterverlängerung aufgesteckt 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, weist also einen Mantel an der Klebestelle nicht auf. Eine besonders hohe Genauigkeit wird erreicht, wenn die Tastelementposition als Funktion der Faserlage und Faserkrümmung (Zonen der Faser in einigem Abstand von dem Tastelement) experimentiell erfaßt (kalibriert) wird. Auch ist hier wieder die Anmessung von entlang der Faser aufgebrachten Zielmarken anstelle der Abmessung der Faser selbst möglich. It is also possible according to the invention to add further illuminated balls or to the optical fiber other target marks, the position of these targets in particular photograms to detect trically, and to calculate the position of the probe element accordingly. Bullets represent comparatively ideal, clear target marks that are otherwise on the fiber not there. A good light coupling into the balls is achieved by disturbing the Optical properties of the shaft by z. B. the pierced volume-scattering Balls on the shaft, d. H. the push button extension plugged in and glued to it. The volume-scattering balls can also be glued to the side of the shaft, and also light coupling is possible, provided the shaft leads to its surface Light, so does not have a coat at the glue point. A particularly high level of accuracy is achieved when the probe position as a function of fiber position and fiber curvature (Zones of the fiber at some distance from the probe element) experimentally recorded (calibrated) becomes. Here again is the measurement of target marks applied along the fiber instead of the dimension of the fiber itself possible.

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 Positionierung des Tastsystems gegenüber der geklemmten Tastkugel.The calibration can e.g. B. by probing a ball from different directions and with different forces (more or less "positioned" in the object) happen, or it is done by known relative positioning of the touch probe the pinched probe ball.

Die Trennung der Elemente Tastelement wie Tastkugel und Zielmarken verringert zusätzlich die Wahrscheinlichkeit einer Störung der Messung der Tastelementposition durch Reflexe der Zielmarken auf der Objektoberfläche.The separation of the elements of the tactile element such as the ball and the target marks also reduces the probability of a disturbance in the measurement of the probe position due to reflections from the Target marks on the object surface.

Es können erfindungsgemäß mehrere Taster nacheinander im Einsatz sein, z. B. durch eine einfache Wechseleinrichtung (z. B. Revolver mit mehreren Tastern) können verschiedene Tastelemente bzw. Taststifte ins Blickfeld eingeschwenkt werden. Es können erfindungs gemäß auch mehrere Tastelemente gleichzeitig im Einsatz sein. Die Identifikation des aktiven Tastelements oder -stifts ist beispielsweise durch Abschalten der Beleuchtung der nicht aktiven Taststifte oder über eine sonstige Codierung wie z. B. durch Zielmarkengröße, Lichtfarbe, Zielmarkenposition im Tasterkoordinatensystem, Modulation des Lichts und/oder anhand aufgebrachter Muster möglich. Taststifteinmessungen, wie diese in der klassischen Koordinatenmeßtechnik üblich sind, sind bei den erfindungsgemäßen Tastern nicht zwingend erforderlich, da Tastkugellage und Tastkugeldurchmesser photogrammetrisch mit einer oft ausreichenden Genauigkeit erfaßt werden können.According to the invention, several buttons can be used one after the other, e.g. B. by a Simple changing devices (e.g. revolvers with several buttons) can be different Probe elements or styli can be swung into view. It can be fictional according to also be several probe elements in use at the same time. The identification of the active probe element or pen is, for example, by switching off the lighting inactive styli or other coding such. B. by target size, Light color, target mark position in the stylus coordinate system, modulation of the light and / or possible on the basis of applied samples. Stylus measurements like this one in the classic Coordinate measuring technology are common, are not mandatory for the buttons according to the invention required, because the position of the ball and the diameter of the ball are often photogrammetric sufficient accuracy can be detected.

Die Messung mit kleinen Tastelementen bringt oft eine hohe Anzahl zerstörter Taststifte (Tastelement, Tasterverlängerung) mit sich. Bei dem erfindungsgemäßen System sind die Taststifte billig und einfach auswechselbar. Teure Sensoren und die Bewegungsachsen werden im Allgemeinen nicht von Kollisionen beschädigt oder verändert, da der Abstand von dem Tastelement recht groß sein kann. Z. B. kann die Schaftlänge größer als der Verfahr bereich des Systems sein, eine Kollision ist so nicht möglich. Eine große Taster- wie Kugelauslenkung relativ zur Schaftlänge ist ohne Schwierigkeiten möglich. Dadurch ergibt sich eine hohe Eigensicherheit des Systems und eine gute Scanfähigkeit. Auch sind hohe An tastgeschwindigkeiten ohne Beschädigung der Objektoberfläche möglich. The measurement with small probe elements often results in a high number of destroyed styli (Push button, push button extension) with itself. In the system according to the invention Styli cheap and easy to replace. Expensive sensors and the movement axes are generally not damaged or changed by collisions since the distance from the probe element can be quite large. For example, the shaft length can be longer than the travel area of the system, a collision is not possible. A great push button-like Ball deflection relative to the shaft length is possible without difficulty. This gives high intrinsic safety of the system and good scanning ability. Also high are scanning speeds possible without damaging the object surface.

Photogrammetriesysteme oder sonstige bekannte optisch arbeitende Sensorsysteme erlauben eine mathematische Ausrichtung des Objekts vor dem eigentlichen Meßbeginn aufgrund der Bildinformation über das Objektiv. Damit ist eine punktgenaue Antastung des Objekts bei der eigentlichen taktilen Messung möglich.Allow photogrammetry systems or other known optically operating sensor systems a mathematical alignment of the object before the actual start of measurement based on the Image information about the lens. This is a precise probing of the object at the actual tactile measurement possible.

Es gibt bei diesem System zwei Arten von elastischen Einflüssen, die zu Meßabweichungen führen können.There are two types of elastic influences in this system, which lead to measurement deviations being able to lead.

1. The compliance of the object itself (in larger areas); Influences by this can be extrapolated to zero by measuring with at least two probing forces will,
2. the local compliance due to Hertzian pressure between the sphere and the object surface; these effects can be used if necessary (i.e. for highly precise measurements or in flexible objects) by measuring with at least two different Chen probing forces and extrapolation to the fictitious probing force "zero" switched off will.

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:
The extrapolation to force "zero" is possible in the second case, since the Hertz deformation is equal to a constant multiplied by the (contact force) ^2/3 :

D = K.F^2/3
D = KF ^2/3

mit:
D: Deformation an der Kontaktstelle zwischen Objekt und Tastkugel
F: Kraft (bzw. eine Größe, die proportional zur Antastkraft ist)
K: Konstante
With:
D: Deformation at the contact point between the object and the probe ball
F: force (or a quantity that is proportional to the contact force)
K: Constant

D₁ = K.F₁ ^2/3
D₂ = K.F₂ ^2/3
D₁-D₂ = K.(F₁ ^2/3-F₂ ^2/3).D ₁ = KF ₁ ^2/3
D ₂ = KF ₂ ^2/3
D ₁ -D ₂ = K. (F ₁ ^2/3 -F ₂ ^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 gegenüber der Antastung mit Kraft "Null" berechnet werden. Die kraftproportionalen Werte sind z. B. die Verfahrwege gerechnet ab der ersten Objektberührung. Alternativ lassen sich diese auch mit Kraftsensoren messen. Ein Kraftsensor kann z. B. die Faser selbst sein, wenn ihre Krümmung photogram metrisch gemessen wird oder anhand von Änderungen des intern zur Lichtquelle reflektier ten/rückgestreuten Lichts bzw. des abgestrahlten Lichts. Es ist sinnvoll, die Messung mit mehreren Antastkräften für alle hochgenauen Meßaufgaben durchzuführen, da die effektiven Radien im Berührpunkt zwischen Objekt und Tastelement durch lokale Welligkeiten und Rauheiten stark variieren können.From this follows the value of K for a known difference from the measurement (D ₁ -D ₂ ) and for known F ₁ and F ₂ . The flattenings D ₁ and D ₂ can now be calculated with respect to the probing with force "zero". The force proportional values are e.g. B. the travels calculated from the first object touch. Alternatively, these can also be measured with force sensors. A force sensor can e.g. B. be the fiber itself if its curvature is measured photometrically or based on changes in the internally reflected to the light source / backscattered light or the emitted light. It makes sense to carry out the measurement with several probing forces for all highly precise measuring tasks, since the effective radii at the point of contact between the object and the probe element can vary greatly due to local ripples and roughness.

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.If Hertzian and linear resilience are of the same order of magnitude, must also at least three forces must be touched, and both the linear and the Hertzian compliance constant can be determined to zero to the fictitious force to be able to extrapolate.

Sollten die Abweichungen von der idealen Kugelform bei kleinen Kugeln als Taster mit Durchmessern unter 0,1 mm nicht vernachlässigbar sein, kann eine richtungsabhängige Korrektur der Antastpunkt-Koordinaten erforderlich sein. Zur Erfassung der Korrekturwerte kommen zwei Verfahren in Frage:
If the deviations from the ideal spherical shape are not negligible for small spheres as probes with diameters below 0.1 mm, a direction-dependent correction of the probing point coordinates may be necessary. Two methods can be used to record the correction values:

1. The measurement of the deviations of the probe element from the spherical shape, carried out independent of the touch probe with separate measuring devices,
2. the measurement of the deviations of the probe element from the spherical shape by measuring a reference sphere with the touch probe itself.

Grundsätzlich ist es auch möglich, eine andere Geometrieform für die Tastelemente zu wählen als die einer Kugel, z. B. Zylinder, der die Faser selbst darstellen kann, oder das verrundete Ende der Faser selbst, als der Tasterverlängerung. In principle, it is also possible to use a different geometry for the probe elements choose as that of a ball, e.g. B. cylinder that can represent the fiber itself, or that rounded end of the fiber itself, as the stylus extension.

Da das Tastelement (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 Tastelements mit sogenannten robusten Ausgleichsalgorithmen zu bestimmen. Zu diesen Algorithmen gehören z. B. die Minimierung der Summe der Abweichungsbeträge (sogenannte L1-Norm).Since the probe element (e.g. a ball) is more or less strong depending on the viewing direction is completely mapped and dirt is very disruptive, it makes sense to the location to determine the probe element with so-called robust compensation algorithms. To this Algorithms include e.g. B. the minimization of the sum of the deviation amounts (so-called L1 standard).

Zuvor geschilderte Korrekturverfahren sind jedoch nur in Extremfällen notwendig, ohne daß hierdurch die erfindungsgemäße Lehre grundsätzlich beeinträchtigt wird.Correction procedures described above are only necessary in extreme cases without this fundamentally affects the teaching of the invention.

Grundsätzlich kann die Beleuchtung des Tastelements der Zielmarken bzw. des Schafts nicht nur von innen durch den Schaft erfolgen, sondern auch durch geeignete Beleuchtungsein richtungen von außen.Basically, the illumination of the sensing element of the target marks or the shaft cannot only from the inside through the shaft, but also by suitable lighting directions from the outside.

Hier bietet sich auch eine Variante an, bei der das Tastelement bzw. die Zielmarken Retrore flektoren (Tripelreflektoren, Katzenaugen, spiegelnde Kugeln) sind und aus der Kamera-Blick richtung extern beleuchtet werden.Here is also a variant where the touch element or the target marks retrore are reflectors (triple reflectors, cat eyes, reflecting balls) and from the camera view direction are illuminated externally.

Der erfindungsgemäße Taster ist grundsätzlich nicht auf bestimmte Baugrößen der Meß objekte und des Tastelements selbst beschränkt. Er kann sowohl zur Messung ein-, zwei- als auch dreidimensionaler Strukturen eingesetzt werden. Insbesondere kann die Tasterver längerung als Lichtleiter ausgebildet sein und einen Durchmesser von 20 µm aufweisen. Der Durchmesser des Tastelements wie Tastkugel sollte dann bevorzugterweise 50 µm betragen.The probe according to the invention is fundamentally not the measuring of certain sizes objects and the touch element itself limited. It can measure one, two or two three-dimensional structures can also be used. In particular, the push button ver be formed as a light guide and have a diameter of 20 microns. Of the The diameter of the probe element such as the probe ball should then preferably be 50 µm.

Um die Bruchfestigkeit der Tasterverlängerung zu erhöhen, kann bei der Verwendung von Lichtleitern als Material diese eine Oberflächenbeschichtung wie Teflon oder eine sonstige bruchhemmende Substanz aufweisen. Eine Ummantelung kann z. B. durch Sputtering ausgebildet werden.To increase the breaking strength of the stylus extension, you can use As a material, light guides have a surface coating such as Teflon or another have break-resistant substance. A casing can e.g. B. by sputtering be formed.

Die Raumlage des Tastelements kann mittels eines zweidimensionalen Meßsystems dann be stimmt werden, wenn dem Tastelement zumindest drei Zielmarken zugeordnet sind, deren Bilder zur Bestimmung der räumlichen Lage des Tastelements ausgewertet werden. The spatial position of the probe element can then be by means of a two-dimensional measuring system be correct if at least three target marks are assigned to the sensing element, their Images for determining the spatial position of the probe element are evaluated.

Die Erfindung ermöglicht auch ein scannendes Antastverfahrens zur Bestimmung von Werk stückgeometrien. Insbesondere können die auszuwertenden Bilder von einem positions empfindlichen Flächensensor erzeugt werden.The invention also enables a scanning probing method for determining work piece geometries. In particular, the images to be evaluated can be viewed from one position sensitive area sensor are generated.

Gegenüber rein mechanisch messenden Tastsystemen ergeben sich mit der erfindungsgemä ßen Lehre u. a. folgende Vorteile:
Compared to purely mechanical measuring touch probes, the teaching according to the invention has the following advantages, among others:

- Elastic and plastic influences as well as creep phenomena of the mechanical Bracket and probe shaft are not included in the measurement result.
- Very low probing forces can be achieved (<1 N).
- No precision mechanics are required.
- Very small probe elements and shaft diameters can be realized.
- The positioning of the touch probe can be optimized by the operator thanks to the optics be monitored.
- The system can directly connect to the existing optics of a coordinate measuring machine be attached and the image signal out with an existing image processor be evaluated.
- Low equipment expenditure resulting from the adaptation to existing optical Coordinate measuring machines.

Gegenüber rein optisch messenden Tastsytemen ergeben sich u. a. folgende Vorteile:
Compared to purely optical measuring touch systems, there are the following advantages:

- The actual mechanical quantities are measured. Properties of the Surface such as color and reflection behavior are not included in the measurement result.
- Measurements can be made on three-dimensional structures that are for pure optical systems are not accessible. So the diameter and the Record the shape deviation of a hole in different height sections.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen - für sich und/oder in Kombination -, son dern auch aus der nachfolgenden Beschreibung von der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispiel.Further details, advantages and features of the invention result not only from the Claims, the features to be extracted from them - for themselves and / or in combination -, son dern also from the following description of the drawing preferred embodiment.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 eine Ausführungsform einer Anordnung zur Messung von Strukturen eines Objekts, Fig. 1 shows an embodiment of an arrangement for measurement of structures of an object,

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform einer Anordnung zur Messung von Strukturen eines Objekts, Fig. 2 shows a second embodiment of an arrangement for measuring structures of an object,

Fig. 3 eine dritte Ausführungsform einer Anordnung zur Messung von Strukturen eines Objekts, Fig. 3 shows a third embodiment of an arrangement for measuring structures of an object,

Fig. 4 eine vierte Ausführungsform einer Anordnung zur Messung von Strukturen eines Objekts, Fig. 4 shows a fourth embodiment of an arrangement for measuring structures of an object,

Fig. 5 eine fünfte Ausführungsform einer Anordnung zur Messung von Strukturen eines Objekts, Fig. 5 shows a fifth embodiment of an arrangement for measuring structures of an object,

Fig. 6 eine sechste Ausführungsform einer Anordnung zur Messung von Strukturen eines Objekts, Fig. 6 shows a sixth embodiment of an arrangement for measuring structures of an object,

Fig. 7 einen Abschnitt einer ersten Ausführungsform eines Tasters, Fig. 7 shows a portion of a first embodiment of a push button,

Fig. 8 einen Abschnitt einer zweiten Ausführungsform eines Tasters, Fig. 8 a section of a second embodiment of a push button,

Fig. 9 einen Abschnitt einer dritten Ausführungsform eines Tasters, Fig. 9 shows a portion of a third embodiment of a push button,

Fig. 10 eine siebte Ausführungsform einer Anordnung zur Messung von Strukturen eines Objekts und Fig. 10 shows a seventh embodiment of an arrangement for measuring structures of an object and

Fig. 11 eine achte Ausführungsform einer Anordnung zur Messung von Strukturen eines Objekts. Fig. 11 shows a eighth embodiment of an arrangement for measuring structures of an object.

In den Figur, in denen gleiche Elemente grundsätzlich mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, sind rein prinzipiell verschiedene Ausführungsformen von Anordnungen zur Messung von Strukturen eines Objektes mittels eines einem Koordinatenmeßgerät zugeordneten Tasters dargestellt. Als Ausführungsbeispiel soll die Struktur einer Bohrung 10 in einem Objekt 12 bestimmt werden. Der Rand der Bohrung 10 wird von einem Tastelement 14 abgefahren, der seinerseits von einer Tasterverlängerung 16 ausgeht, die zusammen eine Taster 18 bilden.In the figures, in which the same elements are generally provided with the same reference numerals, purely in principle different embodiments of arrangements for measuring structures of an object are shown by means of a probe assigned to a coordinate measuring machine. As an exemplary embodiment, the structure of a bore 10 in an object 12 is to be determined. The edge of the bore 10 is traversed by a feeler element 14 , which in turn starts from a feeler extension 16 , which together form a feeler 18 .

Der Taster 18 geht von einer Halterung 20 aus, die zumindest um drei Freiheitsgrade, vorzugsweise um 5 Freiheitsgrade justierbar ist. An der Halterung 20 selbst ist vorzugsweise eine Optik eines Koordinatenmeßgeräts 22 montiert. Eine andere Verbindungsart ist gleich falls möglich. Ausschlaggebend ist jedoch, daß die Optik bzw. ein Sensor des Koordinaten meßgerätes 22 als Einheit mit dem Tastelement 14 in X-, Y- und Z-Richtung verstellbar ist. Unabhängig davon erfolgt eine Justierung des Tastelements 14 zur optischen Achse 24 und zur Fokalebene. Dabei bestehen verschiedene Möglichkeiten, das Tastelement 14, d. h. im Ausführungsbeispiel eine Tastkugel im Schnittpunkt der optischen Achse 24 mit der Fokal ebene zu positionieren. So kann nach dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 die Tasterver längerung 16 seitlich von der Halterung 20 ausgehend in den Strahlgang 24 eingebracht werden.The button 18 is based on a holder 20 which can be adjusted by at least three degrees of freedom, preferably by 5 degrees of freedom. Optics of a coordinate measuring machine 22 are preferably mounted on the holder 20 itself. Another type of connection is possible if possible. It is crucial, however, that the optics or a sensor of the coordinate measuring device 22 as a unit with the probe element 14 is adjustable in the X, Y and Z directions. Regardless of this, the feeler element 14 is adjusted to the optical axis 24 and to the focal plane. There are various possibilities for positioning the probe element 14 , ie in the exemplary embodiment a probe ball at the intersection of the optical axis 24 with the focal plane. Thus, according to the exemplary embodiment in FIG. 1, the push button extension 16 can be introduced laterally from the holder 20 into the beam path 24 .

Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 gehen von der Halterung 20 Befestigungsarme 26, 28, die außerhalb der Fokalebene enden und als Aufnahme für eine seitlich in die optische Achse 24 hineingeführte Tasterverlängerung 16 dient, die über ein Kupplungsstück 30 mit dem Tastelement 32 verbindbar ist, das über einen stabförmigen Abschnitt 34, der entlang der optischen Achse 24 verläuft, in das eigentliche Tastelement 14 in Form der Kugel übergeht, mittels der die Struktur des Randes der Bohrung 10 bestimmt wird.In the embodiment of FIG. 2 go from the holder 20 attachment arms 26, 28 which terminate outside the focal plane and serves to accommodate a laterally into guided in the optical axis 24 of probe extension 16 which is connected to the sensing element 32 via a coupling piece 30, which passes over a rod-shaped section 34 , which runs along the optical axis 24 , into the actual probe element 14 in the form of the ball, by means of which the structure of the edge of the bore 10 is determined.

Bei der Anordnung gemäß Fig. 3 wird ein L-förmig gebogener Tasterverlängerer 38 von einer von der Halterung 20 ausgehenden Aufnahme 36 gehalten, wobei ein geradlinig verlaufender Endabschnitt 42 der Tasterverlängerung 38 parallel zur optischen Achse 24 verläuft und endseitig in das Tastelement wie Tastkugel 14 übergeht.In the arrangement according to FIG. 3, an L-shaped stylus extender 38 is held by a receptacle 36 extending from the holder 20 , a straight end portion 42 of the stylus extension 38 running parallel to the optical axis 24 and merging at the end with the probe element like probe ball 14 .

Nachdem das Tastelement 14 justiert ist, kann es durch die vorhandene Optik des Koor dinatenmeßgerätes 22 oder einem entsprechenden Sensor beobachtet werden. Bei Antastung des Randes der Bohrung 12 ändert das Tastelement 14 seine Lage im Kamera- bzw. Sensor feld. Diese Auslenkung wird durch eine elektronische Bildverarbeitung ausgewertet. Hier durch wird eine Funktionsweise realisiert, die analog zu einem konventionell messenden Tastsystem wirkt. Dabei kann die Ansteuerung des Koordinatenmeßgeräts 22 entsprechend einem konventionell mechanisch messenden Tastsystem erfolgen.After the sensing element 14 is adjusted, it can be observed through the existing optics of the coordinate measuring device 22 or a corresponding sensor. When touching the edge of the bore 12 , the sensing element 14 changes its position in the camera or sensor field. This deflection is evaluated by electronic image processing. In this way, a mode of operation is implemented that works analogously to a conventionally measuring touch probe. The coordinate measuring machine 22 can be activated in accordance with a conventionally mechanically measuring touch probe.

Um das Tastelement 14 optisch zu erfassen, bestehen verschiedene Möglichkeiten, die rein prinzipiell den Fig. 4 bis 6 und 10 und 11 zu entnehmen sind.There are various possibilities for optically detecting the feeler element 14 , which can be seen in principle in FIGS. 4 to 6 and 10 and 11.

So wird nach der Fig. 4 ein Durchlichtverfahren vorgeschlagen, wobei auf dem Sensor- bzw. Kamerafeld der Schatten des Tastelements 14 beobachtet bzw. gemessen wird. Voraussetzung für das der Fig. 4 zu entnehmende Durchlichtverfahren ist, daß die Bohrung 10 durchgehend ist, also das Werkstück 12 vollständig durchsetzt.Thus, a transmitted-light method is in accordance with FIG. 4 proposed, which it is noted on the sensor or camera field of the shadow of the probe element 14 and measured. A prerequisite for the transmitted light method shown in FIG. 4 is that the bore 10 is continuous, that is to say completely penetrates the workpiece 12 .

Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 5 wird das Tastelement 14 durch Einspiegelung von Licht entlang des Strahlengangs 24 mit Licht beaufschlagt. Hierzu befindet sich oberhalb des Koordinatenmeßgeräts 22 ein Spiegel 42, über den durch das Koordinatenmeßgerät 22 und die Halterung 20 hindurch Licht entlang der optischen Achse 24 eingespiegelt wird. In the embodiment of FIG. 5, the probe element 14 is acted upon by the reflection of light along the beam path 24 . For this purpose, there is a mirror 42 above the coordinate measuring device 22 , via which light is reflected along the optical axis 24 through the coordinate measuring device 22 and the holder 20 .

Es wird für die Tasterverlängerung 30 vorzugsweise eine Lichtleitfaser benutzt. Diese bietet auch den Vorteil, daß das Licht durch diese selbst zu dem Tastelement 14 geführt wird, wie dies anhand der Fig. 6 verdeutlicht wird. Die Lichtquelle selbst ist in den Figur mit den Bezugszeichen 44 versehen.An optical fiber is preferably used for the button extension 30 . This also offers the advantage that the light is guided through this itself to the feeler element 14 , as is illustrated in FIG. 6. The light source itself is provided with the reference symbol 44 in the figures.

Das Tastelement 14 weist in den Ausführungsbeispielen eine volumenmäßig abstrahlende Kugelform auf. Dabei kann das Tastelement 14 mit der Tasterverlängerung 30 z. B. durch Kleben oder Schweißen fest verbunden sein. Aber auch eine auswechselbare Verbindung über eine Kupplung ist möglich.In the exemplary embodiments, the feeler element 14 has a spherical shape radiating in volume. The probe element 14 with the push button extension 30 z. B. be firmly connected by gluing or welding. An interchangeable connection via a coupling is also possible.

Ist bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 7 das Tastelement 14 mit dem Ende 40 der Tasterverlängerung 30 verklebt, so kann bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 8 das Tast element 30, d. h. dessen Endabschnitt 40 selbst als Tastelement ausgebildet sein. Hierzu wird vorzugsweise der Endabschnitt 40 endseitig entsprechend geformt. Es besteht aber auch die Möglichkeit, die endseitige Stirnfläche der Tasterverlängerung 30 mit einer reflektierenden Abdeckung zu versehen, um die Funktion der Zielmarke zu erfüllen.If the pushbutton element 14 is glued to the end 40 of the pushbutton extension 30 in the embodiment of FIG. 7, the pushbutton element 30 , ie its end section 40 itself, can be designed as a pushbutton element in the embodiment of FIG. 8. For this purpose, the end section 40 is preferably shaped accordingly at the end. However, there is also the possibility of providing the end face of the button extension 30 with a reflective cover in order to fulfill the function of the target.

Anstelle der Beobachtung des Tastelementes 14 selbst kann diesem in fester ortsmäßiger Zuordnung eine vorzugsweise ebenfalls kugelförmige Zielmarke 46 zugeordnet sein, die ein Abschnitt der Tasterverlängerung 30 ist oder auf diese aufgesetzt ist, wie dies anhand der Fig. 11 verdeutlicht wird. So weist die Tasterverlängerung 30 endseitig das kugelförmige Tastelement 14 auf. Des weiteren sind in Abständen zueinander an der Tastenverlängerung 30 kugelförmige Zielmarken 46, 48, 50 angebracht. Somit besteht die Möglichkeit, entweder die Position des Tastelements 14 unmittelbar oder die der diesem eindeutig zugeordneten Zielmarken 46 bzw. 46, 48 bzw. 46, 48, 50 zu beobachten.Instead of observing the pushbutton element 14 itself, a preferably also spherical target mark 46 , which is a section of the pushbutton extension 30 or is placed thereon, can be assigned to it in a fixed location, as is illustrated in FIG. 11. The pushbutton extension 30 has the spherical pushbutton element 14 at the end. Furthermore, spherical target marks 46 , 48 , 50 are attached to the key extension 30 at intervals. It is thus possible to observe either the position of the feeler element 14 directly or that of the target marks 46 or 46 , 48 or 46 , 48 , 50 which are clearly assigned to it.

Das Tastelement 14 bzw. die Zielmarke 46, 48, 50 kann aus verschiedenen Materialien wie Keramik, Rubin oder Glas bestehen. Ferner kann die optische Qualität der entsprechenden Elemente durch Beschichtungen mit streuenden oder reflektierenden Schichten verbessert werden. The sensing element 14 or the target 46 , 48 , 50 can be made of different materials such as ceramic, ruby or glass. Furthermore, the optical quality of the corresponding elements can be improved by coatings with scattering or reflecting layers.

Der Durchmesser der Tasterverlängerung 30 beträgt vorzugsweise weniger als 100 µm, vorzugsweise einen Durchmesser von 20 µm. Das Tastelement 14 bzw. die Zielmarke 46, 48, 50 weist einen größeren Durchmesser auf, vorzugsweise einen zwischen 1,5- und 3fach größeren Durchmesser als den der Tasterverlängerung 30 wie Lichtleiter.The diameter of the probe extension 30 is preferably less than 100 microns, preferably a diameter of 20 microns. The feeler element 14 or the target 46 , 48 , 50 has a larger diameter, preferably a diameter that is between 1.5 and 3 times larger than that of the feeler extension 30, such as light guides.

In dem Bereich, wo der Mantel der Tasterverlängerung 30 von Licht nicht durchsetzt werden muß, kann eine Oberflächenbeschichtung aus Teflon oder einer sonstigen bruchhemmenden Substanz vorgesehen sein.In the area where the jacket of the button extension 30 does not have to be penetrated by light, a surface coating made of Teflon or another break-resistant substance can be provided.

Das Bild des Tastelements 14 oder einer dieser zugeordneten Zielmarke 46, 48, 50 kann z. B. auf einem CCD-Feld einer optischen Koordinatenmeßmaschine abgebildet werden. Die Verschiebung des Lichtfleckes im CCD-Feld kann mit Subpixelgenauigkeit gemessen werden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sind reproduzierbare Messungen mit einer Genau igkeit im µm-Bereich möglich.The image of the touch element 14 or a target mark 46 , 48 , 50 assigned to it can, for. B. on a CCD field of an optical coordinate measuring machine. The displacement of the light spot in the CCD field can be measured with sub-pixel accuracy. With the method according to the invention, reproducible measurements with an accuracy in the μm range are possible.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 10 und 11 gelangt ein photogrammetrisches Verfahren zur Anwendung. Von einer gemeinsamen Halterung 20 gehen zwei auf das Tastelement 14 ausgerichtete optische Abbildungssysteme wie Kameras 52, 54 aus. Die auf das Tastelement 14 optisch ausgerichteten Kameras 52, 54 ermöglichen eine räumliche Bestimmung des Tastelements 14 mit üblichen aus der Industriephotogrammetrie bekannten Auswertetechni ken. Die Verwendung einer redundanten Anzahl von Kameras z. B. drei ermöglicht ein Objekt auch zu messen, wenn eine der Kameras abgeschattet ist. Bei kleinen Bohrungen reicht der Einsatz einer Kamera aus, die so optisch auf das Tastelement 14 ausgerichtet ist. Losgelöst hiervon wird zur Bestimmung der Struktur im Objekt entweder ein aktiv licht abstrahlendes, lichtreflektierendes oder lichtabschattendes Abtastelement 14 bzw. eine Zielmarke 46, 48, 50 benutzt, wobei vorzugsweise aus der Lichtquelle 44 dem Tastelement 14 bzw. den Zielmarken 46, 48, 50 über die als Lichtleitfaser ausgebildete Tasterverlängerung 30 Licht zugeführt. Alternativ besteht die Möglichkeit, das Licht selbst in der Tasterver längerung 30 oder in den Zielmarken 46, 48, 50 bzw. dem Tastelement 14 zu , in dem diese z. B. elektrisch leuchtende Bausteine wie LEDs enthalten oder solche sind. Mit der erfindungsgemäßen Lehre ergibt sich ein ideal kontrastreiches und ein ideal kreisförmiges Bild des Tastelements 14 bzw. der Zielmarke 46, 48, 50, sofern diese eine Kugelform aufweisen. Zusätzlich oder alternativ besteht die Möglichkeit, das Tastelement 14 bzw. die Zielmarken 46, 48, 50 fluoreszierend auszuführen, so daß eingestrahltes und abgestrahltes Licht frequenzmäßig getrennt sind, so daß das von dem Tastelement 14 bzw. den Zielmarken 46, 48, 50 erzeugte Bild von der Umgebung getrennt werden kann.In the embodiment of FIGS. 10 and 11, a photogrammetric method passes to the application. Two optical imaging systems, such as cameras 52 , 54, which are aligned with the probe element 14 , proceed from a common holder 20 . The cameras 52 , 54 optically aligned on the probe element 14 enable spatial determination of the probe element 14 using standard evaluation techniques known from industrial photogrammetry. The use of a redundant number of cameras e.g. B. three enables an object to be measured even if one of the cameras is shadowed. In the case of small bores, it is sufficient to use a camera which is optically aligned with the probe element 14 . Detached from this, either an actively light-emitting, light-reflecting or light-shading scanning element 14 or a target mark 46 , 48 , 50 is used to determine the structure in the object, preferably from the light source 44 the probe element 14 or the target marks 46 , 48 , 50 the push button extension 30 designed as an optical fiber is supplied with light. Alternatively, there is the possibility of extending the light even in the Tasterver 30 or in the target marks 46 , 48 , 50 or the probe element 14 , in which these z. B. contain or are electrically illuminated modules such as LEDs. With the teaching according to the invention, an ideally high-contrast and an ideally circular image of the sensing element 14 or the target mark 46 , 48 , 50 results, provided that these have a spherical shape. Additionally or alternatively, there is the possibility to design the touch element 14 or the target marks 46 , 48 , 50 fluorescent, so that irradiated and emitted light are separated in terms of frequency, so that the image generated by the touch element 14 or the target marks 46 , 48 , 50 can be separated from the environment.

Claims

1. A method for measuring structures of an object by means of a probe element associated with a coordinate measuring device, which is brought into contact with the object and then its position is determined indirectly or directly, characterized in that the position of the sensing element is immediate or a position of at least one of the Tactile element directly assigned target mark is determined with an optical sensor.

2. The method according to claim 1, characterized, that the probe element and / or the at least one target mark the object of it sensor-facing side is fed.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized, that the position of the sensing element and / or the at least one target mark by means of reflective and / or by this or these shadowing and / or by that Probe element or the target radiation emitting radiation is determined.

4. The method according to at least one of the preceding claims, characterized, that the probe element is adjusted with the sensor as a unit.

5. The method according to at least one of the preceding claims, characterized, that a deflection of the probe element caused by touching the object is optically determined.

6. The method according to at least one of the preceding claims, characterized, that the deflection of the probe element by moving its image or one a target is detected on a sensor field.

7. The method according to at least one of the preceding claims, characterized, that the deflection of the probe element by evaluating a contrast function is determined.

8. The method according to at least one of the preceding claims, characterized, that the deflection of the probe element from a change in size of an image Target mark is determined from the radiation-optical connection between Object distance and enlargement result.

9. The method according to at least one of the preceding claims, characterized, that the deflection of the probe element by an apparent change in size Target mark is determined, which results from the loss of contrast due to defocusing animals.

10. The method according to at least one of the preceding claims, characterized, that the deflection perpendicular to the optical axis of an electronic image ver working system is determined by this.

11. The method according to at least one of the preceding claims, characterized, that the spatial position of the probe by means of a two-dimensional measuring system element is determined by means of at least 3 associated target marks.

12. The method according to at least one of the preceding claims, characterized, that a stylus extension or a section of this as a spatially extended target brand is used, its position relative to the probe body in freely selectable cross cut is measured.

13. The method according to at least one of the preceding claims, characterized, that target marks arranged on the probe extension for determining the position of the probe element can be recorded photogrammetrically (at least 2 cameras).

14. The method according to at least one of the preceding claims, characterized, that the position of the probe element ge (at least 2 cameras) will measure.

15. Arrangement for measuring structures of an object ( 12 ) by means of a probe element ( 14 ) and preferably a probe extension ( 16 , 38 ) comprising a probe assigned to a coordinate measuring device, characterized in that the coordinate measuring device ( 22 ) has a sensor for optically determining the probe element ( 14 ) and / or at least one target directly assigned to this and that the sensor is adjustable with at least the sensing element as a unit.

16. The arrangement according to claim 15, characterized in that the sensing element ( 14 ) and / or the target ( 46 , 48 , 50 ) is ausgebil det as a reflector.

17. The arrangement according to at least one of the preceding claims, characterized in that the sensing element ( 14 ) and / or the target mark ( 46 , 48 , 50 ) is self-radiating out.

18. Arrangement according to at least one of the preceding claims, characterized in that the sensing element ( 16 ) and / or the target mark ( 46 , 48 , 50 ) is a radiation spatially radiating or reflecting body such as a sphere or cylinder.

19. The arrangement according to at least one of the preceding claims, characterized in that the push button extension ( 38 ) is at least partially flexible and / or designed as a light guide or comprises such.

20. The arrangement according to at least one of the preceding claims, characterized in that the key extension ( 38 , 40 ) or at least a portion of this is the key element ( 14 ) and / or the target ( 46 , 48 ).

21. The arrangement according to at least one of the preceding claims, characterized in that the feeler element ( 14 ) is assigned a plurality of target marks ( 46 , 48 ) which preferably emanate from the feeler extension ( 30 ) or form sections thereof.

22. The arrangement according to at least one of the preceding claims, characterized in that the button extension ( 30 ) is L-shaped for alignment on an optical axis ( 24 ).

23. The arrangement according to at least one of the preceding claims, characterized in that the push button extension ( 30 ) is formed at the end as a push button ( 14 ).

24. The arrangement according to at least one of the preceding claims, characterized in that the feeler element ( 14 ) and / or the target ( 46 , 48 , 50 ) are interchangeably connected to the feeler extension ( 30 ).

25. The arrangement according to at least one of the preceding claims, characterized in that the feeler element ( 14 ) and / or the target ( 46 , 48 , 50 ) with the push button extension ( 30 ) are connected by gluing or welding.

26. Arrangement according to at least one of the preceding claims, characterized in that the button ( 18 ) is based on a holder ( 30 ) adjustable by at least 3 degrees of freedom, preferably by 5 degrees of freedom.

27. The arrangement according to at least one of the preceding claims, characterized in that the button ( 18 ) starts from a holder ( 20 ) which forms a unit with the sensor or is connected to the sensor.

28. Arrangement according to at least one of the preceding claims, characterized in that the button ( 18 ) of the object ( 12 ) can be fed from the sensor-facing side.

29. Arrangement according to at least one of the preceding claims, characterized in that the sensing element ( 14 ) and / or the target mark ( 46 , 48 , 50 ) has or is a self-illuminating electronic element such as LED.

30. Arrangement according to at least one of the preceding claims, characterized, that the sensor is an image processing sensor.

31. Arrangement according to at least one of the preceding claims, characterized, that the sensor is a position sensitive area sensor.

32. Arrangement according to at least one of the preceding claims, characterized in that the diameter of the feeler element ( 14 ) is approximately 1 to 3 times larger than that of the feeler extension ( 38 ).

33. Arrangement according to at least one of the preceding claims, characterized in that the sensing element ( 30 ) has a cylindrical shape at the end and is designed as a sensing element ( 14 ).

34. Arrangement according to at least one of the preceding claims, characterized in that the button extension ( 30 ) is spherically rounded to form the sensing element ver.