DE19816270A1 - Verfahren und Anordnung zur Erfassung der Geometrie von Gegenständen mittels eines Koordinatenmeßgeräts - Google Patents

Abstract

Gegenstand der Erfindung sind ein Verfahren und eine Anordnung für die Messung der Geometrie von Gegenständen mittels eines Koordinatenmeßgeräts. Mit einem optischen System (10) wird wenigstens ein Lichtfleck oder Lichtpunkt, dessen Lage von der Geometrie des Gegenstandes abhängig ist, auf wenigstens einem Detektor (30) abgebildet. Mit einer Zoomoptik (18), deren Linsengruppen (20, 22) jeweils motorisch axial bewegbar sind, werden der Abbildungsmaßstab, die Schärfentiefe und der Abstand zum Gegenstand eingestellt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anordnung zur Messung der Geome­ trie von Gegenständen mittels eines Koordinatenmessgeräts mit einem optischen System zur Erfassung und Abbildung wenigstens eines Lichtflecks, Lichtpunktes, Kontrastübergangs oder einer Kante dessen Lage bzw. deren Lage von der Geometrie bestimmt wird, auf wenigstens einem Detektor, dessen Ausgangssignale ausgewertet werden.

Es sind optisch abtastende Oberflächenmesssysteme bekannt, die nach dem Auto­ fokus-Verfahren arbeiten. Diese Verfahren bestehen darin, dass eine Objektivlinse in einem Sensor-Tastkopf von der Oberfläche eines Gegenstandes oder eines Objekts ausgehendes Licht in Form eines Lichtflecks auf einem Fokusdetektor abbildet und automatisch entsprechend der Oberflächentopographie nachgeführt wird. Das Licht zur Beleuchtung der Oberfläche kann von einer Laserdiode erzeugt werden und über einen Strahlteiler und einen Kollimator auf die Oberfläche geworfen werden. Der Strahlteiler richtet das reflektierte Licht auf den Fokusde­ tektor. Mit derartigen Verfahren lassen sich für allgemein technische Verfahren sehr hohe Auflösungen, z. B. im nm-Bereich erzielen.

Bekannt ist auch ein Messsystem zur Erfassung der Oberflächentopographie von Gegen­ ständen mit einem Messwertsender, der aus einem Taststift und einer Lichtquelle definierter Form an seinem Ende besteht. Die Lichtquelle wird längs der aufzunehmenden Kontur geführt.

Bei diesem Verfahren erfasst ein optischer Empfänger die jeweilige Lage der einen Lichtfleck oder Lichtpunkt bildenden Lichtquelle in einem dreidimensionalen kartesischen Koordinaten­ system. Ein Rechner wertet die Messergebnisse aus. Die Lichtquelle hat als Verlängerung des Taststifts z. B. die Form einer konzentrisch eingefassten Glasfaser (DE 40 02 043 C2).

Schließlich ist eine Vorrichtung zur Messung geometrischer Strukturen mit einem Photo­ grammetriesystem und einem Taststift aus biegeelastischem Schaft und einem mit dem Schaft verbundenen Antastelement bekannt, das bei der Messung in Berührung mit dem Messobjekt gebracht wird. Am Schaft sind Zielmarken, z. B. Kugeln, angebracht, deren Position relativ zum Tasterbezugssystem vom Photogrammiersystem erfasst wird. Die Position des An­ tastelements wird aus den Zielmarkenpositionen, die Licht abstrahlen, gemessen (DE-GM 297 10 242.7).

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein für einen weiten Einsatzbereich geeignetes Verfahren und eine Anordnung für die Verwendung in einem weiten Einsatzbereich zur Messung der Geometrie von Gegenständen mit einem optischen System bereitzustellen, das geometrieabhängig erzeugtes Licht erfasst und auf wenigstens einen Detektor abbildet.

Das Problem wird bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das optische System eine Zoomoptik umfasst, deren Linsengruppen jeweils motorisch in Stellungen für einen wählbaren Abbildungsmaßstab, eine wählbare Schärfentiefe und einen wählbaren Abstand zum Gegenstand separat bewegt werden. Dieses Verfahren eignet sich für die Messung von Geometrien, die große Unterschiede im Profil­ verlauf haben können. Es lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hohe Auflösun­ gen bei einem großen Messbereich erzielen.

Bei einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform wird das topographieabhängige Licht durch ein Tastelement erzeugt, das mit dem Gegenstand in Berührung gebracht wird und dessen Position unmittelbar oder mittelbar über mindestens eine Zielmarke mit dem optischen System festgestellt wird. Diese Ausführungsform gestattet die Auswahl zwischen einem optischen, d. h. berührungslos arbeitenden Verfahren und einem mit mechanischer Abtastung arbeitenden, d. h. optisch-mechanischen Verfahren. Die Auswahl richtet sich nach der Art der jeweiligen zu messenden Geometrie, den Materialeigenschaften, dem gewünschten Abbildungsmaßstab, der gewünschten Schärfentiefe und dem gewünschten Messabstand bzw. Arbeitsabstand.

Bei der Messung der Geometrie des Gegenstandes mit Hilfe des Tastelements wird der Arbeitsabstand des optischen Systems zweckmäßigerweise mit der Zoomoptik so eingestellt, dass sich die Objekt- bzw. Messebene in der Mitte des Tastelements befindet.

Bei der Messung der Oberflächentopographie ohne Tastelement, d. h. nur optisch, wird der Arbeitsabstand des optischen Systems mit der Zoomoptik vorzugsweise so eingestellt, dass sich die Objekt- bzw. Messebene vor dem Tastelement befindet. Dabei liegt das Tastelement außerhalb der Schärfentiefe des optischen Systems und ist nicht sichtbar.

Alternativ kann mit der Zoomoptik die Objekt- und Messebene im Raum auf der dem Gegenstand zugewandten Seite des Tastelements eingestellt erden.

Insbesondere wird die Position des Tastelements und/oder der wenigstens einen Zielmarke mittels reflektierender und/oder durch dieses bzw. diese abschattender und/oder von dem Tastelement abstrahlender Strahlung bestimmt.

Zweckmäßigerweise wird die bei Berührung des Gegenstandes hervorgerufene Auslenkung des Tastelements mittels des optischen Systems gemessen. Die Auslenkung kann durch die Verschiebung der Abbildung des Tastelements auf dem Detektor festgestellt werden. Es ist auch möglich, die Auslenkung des Tastelements durch Auswerten der Kontrastfunktion der Abbildung mittels eines Bildverarbeitungssystems zu bestimmen. Die Auslenkung kann auch aus einer Größenänderung der Abbildung der wenigstens einen Zielmarke bestimmt werden, die auf dem strahlenoptischen Zusammenhang zwischen Objekt-Abstand und Vergrößerung beruht. Weiterhin kann die Auslenkung des Tastelements durch die scheinbare Größen­ änderung der Zielmarkenabbildung aufgrund des Kontrastverlustes durch Defokussierung bestimmt werden.

Bei einer Anordnung für die Messung der Geometrie von Gegenständen mittels eines Koordinatenmessgerätes mit einem optischen System zur Erfassung und Abbildung wenig­ stens eines Lichtflecks, Lichtpunkts, Kontrastübergangs oder Kante dessen bzw. deren Lage von der Oberflächentopographie bestimmt wird, auf wenigstens einem Detektor, dessen Ausgangssignale auswertbar sind, wird das Problem erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das optische System eine Zoomoptik aufweist, die wenigstens zwei axial jeweils motorisch verschiebbare Linsengruppen enthält. Mit den vorzugsweise separat positionierbaren Linsen­ gruppen bzw. Linsenpaketen werden der Abbildungsmaßstab, die Schärfentiefe und/oder der Arbeitsabstand verändert.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Anordnung ist ein Tastelement und/oder wenigstens eine diesem zugeordnete Zielmarke zur optischen Positionserfassung vor dem optischen System vorgesehen. Durch die Anordnung des Tastelements bzw. wenigstens der einen Zielmarke kann die erfindungsgemäße Messanordnung in zwei verschiedenen Betriebsarten arbeiten. In der einen Betriebsart wird die Geometrie ohne Berührung des Gegenstandes gemessen. In der anderen Betriebsart wird die Geometrie durch die Abtastung und Aus­ lenkung des Tastelements mittelbar optisch gemessen. Bei der Messung ohne Tastelement wird die Zoom- bzw. Variooptik so eingestellt, dass sich die Objekt- bzw. Messebene vor der dem optischen System zu gewandten Seite des Tastelements befindet, d. h. das Tastelement liegt außerhalb der Schärfentiefe des optischen Systems. Das Tastelement ist "unsichtbar". Wird die Auslenkung des Tastelements für die Messung verwendet, dann wird die Objekt­ ebene mittels der Zoomoptik in die Mitte des Tastelements gelegt.

Das Tastelement ist vorzugsweise am Ende eines Glasfaser- bzw. Lichtleitertaststifts an­ geordnet. Der Glasfasertaststift kann am Ende kugelig ausgebildet sein. Es ist auch möglich, den Glasfasertaststift mit wenigstens einer Zielmarke zu versehen. Durch den Lichtleiter wird dem Ende des Stifts bzw. der oder den Zielmarken Licht zugeführt, das vom Ende bzw. von den Zielmarken -abgestrahlt wird.

Es ist aber auch möglich, das Tastelement bzw. die Zielmarke als Reflektor an oder auf einem Stift auszubilden.

Der Stift bzw. der Glasfaserstift sind vorzugsweise L-förmig gebogen, wobei der an das Ta­ stende angrenzende Abschnitt längs der optischen Achse des optischen Systems angeordnet ist. Durch die zwei möglichen Betriebsarten wird der Einsatzbereich der erfindungsgemäßen Messanordnung erweitert. Die Art der Messung kann auf die Struktur der jeweiligen Objekt­ oberfläche abgestimmt werden. Die Messanordnung ist demnach als breit einsetzbarer Rauheits-, Form- oder Welligkeitstester selbst für schwierige Konturen geeignet. Gemessen werden können Oberflächenstrukturen sowohl aus hartem als auch aus weichem Material wie Gummi oder Plastik.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen und den diesen zu entnehmenden Merkmalen - für sich und/oder in Kombination -, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines in einer Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels.

In der Zeichnung ist schematisch eine Anordnung eines Koordinatenmessgerätes zur Erfas­ sung der Geometrie von Objekten bzw. Gegenständen dargestellt. Die Anordnung enthält ein optisches System 10, das ein hinter einer Blende 12 angeordnetes Grundobjektiv 14 und eine vor der Blende 12 angeordnete feststehende Linse 16 aufweist. Eine Zoom- bzw. Variooptik 18 bildet den Vorsatz vor dem Grundobjektiv 14. Die Zoomoptik 18 enthält eine erste Linsengruppe 20 bzw. ein erstes Linsenpaket und eine zweite Linsengruppe 22 bzw. ein zweites Linsenpaket. Die beiden Linsengruppen 20, 22 sind unabhängig voneinander in ihren axialen Positionen längs einer optischen Achse 24 des optischen Systems 10 motorisch einstellbar. In der Zeichnung ist die Einstellbarkeit durch einen mit der Linsengruppe 20 verbundenen motorischen Antrieb 26 und einem mit der Linsengruppe 22 verbundenen motorischen Antrieb 28 schematisch dargestellt. In einer Abbildungsebene hinter dem Grundobjektiv 14, die außerhalb des längs der Achse 24 beweglichen optischen Systems 10 angeordnet ist, befindet sich ein insbesondere photoelektrischer Detektor 130, dem die aus dem Grundobjektiv austretenden Strahlen über einen Umlenkspiegel 29 zugeführt werden und der ausgangsseitig mit einer Auswerteinheit 32 verbunden ist, mit der die Ausgangssignale des Detektors 30 aufbereitet und verarbeitet werden. Die Auswerteinheit 32 enthält ins­ besondere einen Rechner. Der Detektor 30 ist z. B. eine Kamera.

Vor dem optischen System 10 befindet sich in einem Abstand ein Tastelement 34, das am Ende eines Taststifts 36 angeordnet ist. Der Taststift 36 ist L-förmig gebogen bzw. abgewin­ kelt. Der mit dem Tastelement 34 verbundene Abschnitt des Taststifts vor der Krümmung, ist längs der optischen Achse 24 angeordnet, die auch durch das Tastelement 34 verläuft. Am Taststift 36 kann wenigstens eine Zielmarke angeordnet sein, die aber in der Zeichnung nicht dargestellt ist. Der Umlenkspiegel 29 ist teildurchlässig.

Das Tastelement 34 und/oder die Zielmarke können als eine Strahlung räumlich abstrahlender oder reflektierender Körper, insbesondere als Kugel oder Zylinder ausgebildet sein.

Der Taststift 36 ist zumindest in dem an das Tastelement 34 angrenzenden Abschnitt biegeelastisch. Ein rechtwinklig zur optischen Achse 24 abgewinkelter Abschnitt 38 ist an seinem Ende in einer Hülse 40 angeordnet, die an einem Halter 42 befestigt ist. Der Halter 42 kann mit einem in fünf Freiheitsgraden beweglichen Antriebsmechanismus verbunden sein. Halter 42 und optisches System 10 können miteinander verbunden sein bzw. eine starre Einheit bilden.

Der Taststift 36 ist vorzugsweise als Lichtleiter bzw. Glasfaserleiter ausgebildet, dessen im Halter 42 angeordnetes Ende über eine Optik 44 von einer Lichtquelle 46 angestrahlt wird. Der Lichtleiter ist bis auf den dem lichtdurchlässigen Tastelement 34 benachbarten Abschnitt von einer lichtundurchlässigen Hülle 48 umgeben.

Mit der in der Zeichnung dargestellten Anordnung können Oberflächen von Objekten nach zwei verschiedenen Verfahren, nämlich einem berührungslosen oder einem mechanisch/optischen gemessen werden. Beim berührungslosen, optisch abtastenden Verfahren wird die Zoomoptik 18 so eingestellt, dass der Arbeitsabstand 50 vor dem Tastelement 34 liegt. Die Linsengruppen 20 und 22 befinden sich dabei in den in der Zeichnung durch ausgezogene Linien dargestellten Positionen. Das Tastelement 34 liegt bei dieser Einstellung außerhalb der Schärfentiefe des optischen Systems 10. Dies bedeutet, dass er nicht sichtbar ist und daher nicht abgebildet wird. Mit der berührungslosen Abtastung können z. B. die Oberflächen von elastischem oder sogar weichem Material gemessen werden.

Beim mechanisch/optischen Verfahren wird die Position des in mechanischem Kontakt mit der Oberfläche des Objekts gebrachten Tastelements 34 gemessen. Zuvor wird die Zoomoptik 18 so eingestellt, dass sich die Objekt- bzw. Messebene 52 in der Mitte des Tastelements 34, der sogenannten Antastkugel befindet. Es wird also die Lage des Tastelements 34 bzw. die einer nicht dargestellten Zielmarke gemessen. Verformungen des Taststifts 36 haben keinen Einfluss auf die Messung.

Auslenkungen in der Richtung senkrecht zur Sensor- wie Kameraachse lassen sich direkt durch Verschiebung des Bildes in einem dem teildurchlässigen Umlenkspiegel 29 nach­ geschalteten Sensorfeld 54, insbesondere einer elektronischen Kamera bestimmen. Die Auswertung des Bildes kann mit einer in einem Koordinatenmessgerät in der Auswerteeinheit 32 installierten Bildverarbeitung erfolgen. Damit ist ein zweidimensional arbeitendes Tastsy­ stem realisiert, das sehr einfach an eine optische Auswerteeinheit gekoppelt werden kann.

Für eine Sensierung der Auslenkung in Richtung der optischen Sensor- wie Kameraachse sind mehrere Möglichkeiten gegeben, so u. a.:

• 1. Die Auslenkung des Tastelements 34 in Richtung der Sensorachse 24 (Kameraachse) wird durch den Detektor 30 gemessen, ein Fokussystem wie es in der optischen Koordinatenmesstechnik bei der Fokussierung auf die Werkstückoberfläche bereits bekannt ist. Hierbei wird die Kontrastfunktion des Bildes in der elektronischen Kamera ausgewertet.
• 2. Die Auslenkung des Tastelements in Richtung der Sensor- bzw. Kameraachse wird dadurch gemessen, dass die Abbildungsgröße einer Zielmarke ausgewertet wird, so z. B. bei einer kreis- oder ringförmigen Zielmarke die Veränderung des Durchmessers. Dieser Effekt ist bedingt durch die strahlenoptische Abbildung und lässt sich durch die Ausgestaltung der optischen Einheit gezielt optimieren.
• 3. Auch bei einer dritten Möglichkeit wird die Größenänderung der Zielmarke ausgewer­ tet, jedoch die, welche sich aus der Kombination von strahlenoptischer Größen­ änderung und der scheinbaren Vergrößerung durch unscharfe Ränder ergibt. Gegen­ über der Auswertung der Unschärfefunktion macht sich dieses Verfahren zunutze, dass die tatsächliche Größe der Zielmarke unveränderlich ist.

Die beiden Linsengruppen 20 und 22 sind bei der Objektvermessung mit dem Tastelement 34 in geringerem Abstand voneinander angeordnet als bei der optischen Abtastung. Die entsprechenden Positionen der Linsengruppen 20, 22 sind in der Zeichnung mit 20' und 22' bezeichnet.

Mit der oben beschriebenen Messanordnung lassen sich der Abbildungsmaßstab, die Schär­ fentiefe und der Arbeitsabstand verändern bzw. den Erfordernissen an die Genauigkeit und Geschwindigkeit der Oberflächenabtastung anpassen. Da die Messanordnung auch an die Materialeigenschaften wie Härte angepasst werden kann, ist sie für einen weiten Einsatz­ bereich geeignet.

Claims (14)

1. Verfahren zur Messung der Geometrie von Gegenständen mittels eines Koordinaten­ messgeräts mit einem optischen System zur Erfassung und Abbildung wenigstens eines Lichtflecks, Lichtpunkts, Kontrastübergangs und/oder einer Kante, dessen bzw. deren Lage von der Geometrie bestimmt wird, auf wenigstens einem Detektor, dessen Ausgangssignale ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, dass das optische System eine Zoomoptik umfasst, deren Linsengruppen jeweils motorisch in Stellungen für einen wählbaren Abbildungsmaßstab, eine wählbare Schärfentiefe und einen wählbaren Abstand zum Gegenstand separat bewegt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtfleck, Lichtpunkt, Kontrastübergang oder die Kante durch ein Tast­ element erzeugt wird, das mit dem Gegenstand in Berührung gebracht wird und dessen Position unmittelbar oder mittelbar über wenigstens eine Zielmarke mit dem optischen System festgestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsabstand des optischen Systems mit der Zoomoptik derart eingestellt wird, dass sich die Objekt- bzw. Messebene in der Mitte des Tastelements befindet.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsabstand des optischen Systems mit der Zoomoptik derart eingestellt wird, dass sich die Objekt- bzw. Messebene vor dem Tastelement befindet.

5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die bei Berührung des Gegenstandes hervorgerufene Auslenkung des Tastele­ ments mit dem optischen System gemessen wird.

6. Anordnung für die Messung der Geometrie von Gegenständen mittels eines Koor­ dinatenmessgeräts mit einem optischen System zur Erfassung und Abbildung wenig­ stens eines Lichtflecks, Lichtpunkts, Kontrastübergangs oder einer Kante dessen bzw. deren Lage von der Geometrie bestimmt wird, auf wenigstens einen Detektor, dessen Ausgangssignale auswertbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass das optische System (10) eine Zoomoptik (18) aufweist, die wenigstens zwei axial jeweils motorisch verschiebbare Linsengruppen (20, 22) enthält.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Tastelement (34) und/oder wenigstens eine diesem zugeordnete Zielmarke zur optischen Positionserfassung des Lichtflecks oder Lichtpunkts vor dem optischen System (10) angeordnet ist.

8. Anordnung nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Zoomoptik (18) die Objekt- bzw. Messebene im Raum auf der dem Gegenstand zugewandten Seite des Tastelements (34) eingestellt ist.

9. Anordnung nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Zoomoptik (18) die Objekt- bzw. Messebene im Raum vor der dem optischen System (10) zugewandten Seite des Tastelements (34) eingestellt ist.

10. Anordnung nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Zoomoptik (18) die Objekt- bzw. Messebene durch die Mitte des Tastelements (34) verlaufend eingestellt ist.

11. Anordnung nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Tastelement (34) am Ende eines Lichtleitertaststifts (36) angeordnet ist.

12. Anordnung nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleitertaststift (36) am Ende ein lichtdurchlässiges kugeliges Tastelement (34) trägt.

13. Anordnung nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Tastelement oder wenigstens eine Zielmarke als Reflektor ausgebildet ist, der mit einem Stift verbunden ist.

14. Anordnung nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stift L-förmig abgewinkelt ist und dass der an das Tastelement (34) an­ grenzende Abschnitt des Stifts längs der optischen Achse (24) des optischen Systems (10) verläuft.