DE19847711B4 - Anordnung zur Messung von Strukturen eines Objektes - Google Patents

Abstract

Anordnung zur Messung von Strukturen eines Objektes mittels eines einem Koordinatenmessgerät (22) zugeordneten, ein Tastelement (12) und eine Tastverlängerung (14) in Form einer Lichtleiterfaser umfassenden Tasters (10), mittels eines dem Koordinatenmessgerät (22) zugeordneten Sensors zur optischen Bestimmung der Position des Tastelementes (12) und/oder zumindest einer diesem unmittelbar zugeordneten Zielmarke sowie mittels einer Auswerteeinheit, die aus der Position des optischen Sensors zum Koordinatensystem des Koordinatenmessgerätes und der mittels des optischen Sensors unmittelbar gemessenen Position des Tastelementes und/oder der Zielmarke die Struktur berechnet, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor mit dem Taster eine gemeinsam verstellbare Einheit bildet und dass der Taster von einer Wechselhalterung (16) ausgeht und über eine optische und mechanische Kopplung (28, 34) mit einer Justiereinrichtung (24) der Wechselhalterung (16) verbunden ist, die zu oder mit der Wechselhalterung rotatorisch und translatorisch verstellbar ist.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Messung von Strukturen mittels eines einem Koordinatenmessgerät zugeordneten, ein Tastelement und eine Tastverlängerung in Form einer Lichtleiterfaser umfassenden Tasters, mittels eines dem Koordinatenmessgerät zugeordneten Sensors zur optischen Bestimmung der Position des Tastelementes und/oder zumindest einer diesem unmittelbar zugeordneten Zielmarke sowie mittels einer Auswerteeinheit, die aus der Position des optischen Sensors zum Koordinatensystem des Koordinatenmessgerätes und der mittels des optischen Sensors unmittelbar gemessenen Position des Tastelementes und/oder der Zielmarke die Struktur berechnet.
• Zur Messung von Strukturen eines Objektes werden Koordinatenmessgeräte mit elektromechanisch arbeitenden Tastern verwendet, mit denen auf indirektem Wege die Strukturlage bestimmt wird, d. h., die Position des Antastelementes (Kugel) wird über einen Taststift übertragen. Die hierbei auftretenden Verformungen des Taststiftes in Verbindung mit den wirkenden Reibkräften führen zur Verfälschung der Messergebnisse. Durch die starke Kraftübertragung kommt es ferner zu Messkräften, die typischerweise größer als 10 mN sind. Die geometrische Ausgestaltung solcher Tastsysteme beschränkt diese auf Kugeldurchmesser größer als 0,3 mm. Die dreidimensionale Messung kleiner Strukturen im Bereich von wenigen Zehntel Millimetern und das Antasten von leicht verformbaren Prüflingen ist somit problematisch bzw. nicht möglich. Bedingt durch die nicht vollständig bekannten Fehlereinflüsse durch Verformung durch Taststift und Tastelement sowie die aufgrund z. B. von Stick-Slip-Effekten unbekannten Antastkräfte entstehen Messunsicherheiten, die typischerweise größer als 1 μm sind.
• Ein entsprechendes mechanisch abtastendes Koordinatenmessgerät ist zum Beispiel der DE 43 27 250 A1 zu entnehmen. Dabei kann eine visuelle Kontrolle des mechanischen Antastvorganges mit Hilfe eines Monitors erfolgen, indem der Tastkopf über eine Videokamera beobachtet wird. Gegebenenfalls kann der von einem magnetischen Wechselhalter ausgehende Tastkopf in Form eines sogenannten Schwingquarztasters ausgebildet sein, der bei Berührung mit der Werkstückoberfläche gedämpft wird. Mittels der Videokamera ist es somit möglich, die Position der Tastkugel relativ zum Werkstück bzw. der dort zu vermessenden Bohrung auf dem Monitor zu verfolgen und den Antastvorgang beim Eintauchen in die Bohrung manuell zu beobachten und zu steuern. Das eigentliche Messen erfolgt wiederum elektromechanisch, so dass die oben genannten Nachteile erhalten bleiben.
• Eine optische Beobachtung eines Tastkopfes bei einem Koordinatenmessgerät ist auch der DE 35 02 388 A1 zu entnehmen.
• Um die genaue Position der Maschinenachsen eines Koordinatenmessgerätes zu bestimmen, werden nach der DE 43 12 579 A1 zumindest sechs Sensoren an einer Pinole und/oder einem Messkopf angebracht, um den Abstand zu einer Referenzfläche bestimmen zu können. Auf das Antasten der Objektgeometrien wird hier nicht weiter eingegangen, sondern ein berührungsloses Verfahren als Ersatz für klassische inkrementelle Wegmesssysteme beschrieben.
• In der US 4,972,597 wird ein Koordinatenmessgerät mit einem Taster beschrieben, dessen Tasterverlängerung mittels einer Feder in ihrer Position vorgespannt ist. Ein in einem Gehäuse verlaufender Abschnitt der Tasterverlängerung weist zwei zueinander beabstandete Licht emittierende Elemente auf, um mittels eines Sensorelementes die Position der Tasterverlängerung und damit indirekt die eines am äußeren Ende der Tasterverlängerung angeordneten Tastelementes zu bestimmen.
• Die optische Sensorik ersetzt hier ebenfalls die klassischen Wegmesssysteme von elektromechanischen Tastsystemen. Der eigentliche Antastvorgang erfolgt wiederum via Kraftübertragung von Tastelement zum Taststift über Federelemente zum Sensor. Die oben genannten Probleme mit Durchbiegung und Antastkraft bleiben wiederum erhalten. Es handelt sich um ein indirektes Verfahren.
• Um große Körper wie Flugzeugteile zu vermessen, sind Taststifte mit Lichtquellen bzw. reflektierenden Zielmarken bekannt, deren Positionen optisch erfasst werden ( DE 36 29 689 A1 , DE 26 05 772 A1 , DE 40 02 043 C2 ). Die Taster selbst werden von Hand oder mittels eines Roboters entlang der Oberfläche des zu messenden Körpers bewegt.
• Bei diesem Verfahren wird die Position des Tastelementes stereoskopisch durch Triangulation oder ähnliches in seiner Lage stimmt. Die Auflösung des Gesamtmesssystems ist somit direkt durch die Sensorauflösung begrenzt. Der Einsatz solcher Systeme kann somit nur bei relativ geringen Anforderungen an das Verhältnis zwischen Messbereich und Genauigkeit in Frage kommen. Praktisch ist er auf das Messen großer Teile beschränkt.
• Auch ist es bekannt, mittels eines Mikroskops die Position des Tastelementes anzuvisieren. Hierbei wird im Durchlichtverfahren gearbeitet, so dass allein Strukturen, wie durchgehende Bohrungen oder ähnliches bezüglich der Durchmessermaße gemessen werden können. Aufgrund der visuellen Auswertung im Mikroskop und der getrennten Anordnung von Tastelement und Beobachtungsoptik ist das Messen komplexerer Strukturen (Abstände von komplexen Geometrien, Winkel etc.) sowie ein automatisches Messen nicht möglich. Die Störanfälligkeit ist hierdurch bedingt ebenfalls sehr hoch und führt dazu, dass derartige Systeme nicht angeboten werden.
• Aus dem DE 297 10 242 U1 ist ein Taster zur Messung geometrischer Strukturen bekannt, der einen Taststift mit biegeelastischem Schaft umfaßt.
• Eine Wechseleinrichtung für Messeinsatzträger bei Tastköpfen wird in der DE 31 17 795 A1 beschrieben. Der Messeinsatzträger umfaßt dabei eine Aufnahme für starre Meßeinsätze.
• Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zu Grunde, eine Vorrichtung der zuvor genannten Art so weiterzubilden, dass beliebige Strukturen mit einer hohen Messgenauigkeit bestimmt werden können, wobei eine problemlose Justierung sowie ein schnelles Austauschen des Tasters möglich sein soll.
• Erfindungsgemäß wird das Problem im dadurch gelöst, dass der Sensor mit dem Taster eine gemeinsam verstellbare Einheit bildet und dass der Taster von einer Wechselhalterung ausgeht und über eine optische und mechanische Kopplung mit einer Justiereinrichtung der Wechselhalterung – verbunden ist, die zu oder mit der Wechselhalterung rotatorisch und translatorisch verstellbar ist.
• Durch die erfindungsgemäße Lehre wird die durch die Berührung des Objekts bedingte Position des Tastelelementes optisch bestimmt, um unmittelbar aus der Position des Tastelementes selbst bzw. einer Zielmarke den Verlauf einer Struktur zu messen. Dabei kann die Auslenkung des Tastelementes durch Verschiebung des Bildes auf einem Sensorfeld eines elektronischen Bildverarbeitungssystems mit elektronischer Kamera erfasst werden. Auch besteht die Möglichkeit, die Auslenkung des Tastelementes durch Auswerten einer Kontrastfunktion des Bildes mittels eines elektronischen Bildverarbeitungssystems zu bestimmen. Eine weitere Möglichkeit zur Bestimmung der Auslenkung besteht darin, dies aus einer Größenänderung des Bildes einer Zielmarke zu bestimmen, aus dem der strahlenoptische Zusammenhang zwischen Objekt-Abstand und Vergößerung resultiert. Nach einer weiteren Möglichkeit kann die Auslenkung des Tastelementes durch scheinbare Größenänderung einer Zielmarke ermittelt werden, die aus dem Kontrastverlust durch Defokussierung resultiert. Dabei wird grundsätzlich die Auslenkung senkrecht zur optischen Achse der elektronischen Kamera bestimmt.
• Um das Tastelement bzw. der diesem zugeordneten Zielmarke problemlos zu positionieren bzw. einen Austausch von Tastern vornehmen zu können, ohne dass ein unerwünschter Zeitverlust erfolgt, ist vorgesehen, dass der Taster über eine optomechanische Schnittstelle mit einer Justiereinrichtung der Wechselhalterung verbunden ist, wobei die Justiereinrichtung selbst zumindest um drei Translations- und zwei Rotationsachsen drehbar ist. Auf diese Weise ist ein schnelles Justieren des Tasters möglich, so dass nur kurze Kalibrierzeiten erforderlich sind. Durch die optomechanische Schnittstelle bzw. die des Wechselhalters ist ein Austausch des Tasters in kurzer Zeit möglich.
• Die eine optomechanische Schnitttstelle bildende optische und mechanische Kupplung kann nach einer Weiterbildung der Erfindung, eine einen Zylinder aufnehmende Hülse umfassen, wobei der Taster bzw. dessen Tasterverlängerung von dem Zylinder aufgenommen ist. Dabei verläuft der Taster bzw. die Tasterverlängerung zumindest fluchtend zur zur optischen Achse fernliegenden Stirnfläche des Zylinders bzw. durchsetzt diese.
• Der Stirnfläche zugeordnet ist eine Lichtquelle wie LED, die über die Wechselhalterung durchsetzende elektrische Einschlüsse mit elektrischer Energie versorgt wird.
• Die Wechselhalterung selbst kann magnetisch und/oder mechanisch mit einer Halterung verbunden sein, die ihrerseits mit dem Sensor eine Einheit bildet und so gemeinsam verschwenkt wird, um erfindungsgemäß eine unmittelbare Position zur Messung des Tastelementes oder der dieser zugeordneten Zielmarke vornehmen zu können, um die Struktur eines Objektes zu bestimmen.
• Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines der Zeichnung zu entnehmenden Ausführungsbeispiels erläutert.
• Es zeigen:
• 1 eine Prinzipdarstellung einer Anordnung zur Messung von Strukturen eines Objektes und
• 2 die Anordnung gemäß 1, teilweise im Schnittpunkt.
• In den Figuren ist rein prinzipiell eine Ausführungsform einer Anordnung zur Messung von Strukturen eines Objektes mittels eines einem Koordinatenmessgerät zugeordneten Tasters 10 dargestellt. Der Taster 10 umfasst ein Tastelement 12 oder eine diesem zugeordneten Zielmarke, die von einer das Tastelement 12 endseitig aufnehmenden Tasterverlängerung 14 ausgeht, die ihrerseits als Lichtleiterfaser ausgebildet ist. Somit handelt es sich bei dem Taster 10 um einen faseroptischen Taster.
• Der Taster 10 geht von einer Wechselhalterung 16 aus, die ihrerseits magnetisch mit einer Halterung 20 verbunden ist, die zusammen mit dem Koordinatenmessgerät 22 und mit dem in diesem vorhandenen optischen Sensor als Einheit verstellbar ist.
• Die Wechselhalterung 16 selbst umfasst eine Justiereinrichtung 24, von der aus über eine optische und mechanische Kopplung Schnittstelle 26 der Taster 10 ausgeht. Die als optomechanische Schnittstelle zu bezeichnende Kupplung 26 umfasst einen Zylinder 28, der von der Tasterverlängerung 14 bis zu dessen zur optischen Achse 30 fernliegenden Stirnfläche 32 durchsetzt wird. Der Zylinder 28 wird seinerseits von einer Hülse 34 aufgenommen und in dieser fixiert. Gegenüberliegend zur Stirnfläche 32 ist eine Lichtquelle in Form einer LED 36 angeordnet, um die Tasterverlängerung 14 in Form eines Lichtleiters mit Licht zu beaufschlagen, welches zum Tastelement 12 gelangt, um sodann das Tastelement 12 durch die vorhandene Optik des Koordinatenmessgerätes 22 oder einem entsprechenden Sensor zu beobachten.
• Die Justiereinrichtung 24 ist erfindungsgemäß um drei Translationsachsen xyz und zwei Rotationsachsen, im Ausführungsbeispiel um die Achsen x und y, drehbar. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit, den Taster 10 überaus präzise justieren zu können. Durch die optomechanische Schnittstelle 24 ergibt sich zudem der Vorteil, dass problemlos ein Taster ausgetauscht bzw. erneuert werden kann.
• Die Wechselschnittstelle 38 zwischen Wechselhalter 16 und Halterung 20 wird von den erforderlichen Versorgungsleitungen durchsetzt, um z. B. die Lichtquelle 36 mit Strom zu versorgen.

Claims (8)

1. Anordnung zur Messung von Strukturen eines Objektes mittels eines einem Koordinatenmessgerät (22) zugeordneten, ein Tastelement (12) und eine Tastverlängerung (14) in Form einer Lichtleiterfaser umfassenden Tasters (10), mittels eines dem Koordinatenmessgerät (22) zugeordneten Sensors zur optischen Bestimmung der Position des Tastelementes (12) und/oder zumindest einer diesem unmittelbar zugeordneten Zielmarke sowie mittels einer Auswerteeinheit, die aus der Position des optischen Sensors zum Koordinatensystem des Koordinatenmessgerätes und der mittels des optischen Sensors unmittelbar gemessenen Position des Tastelementes und/oder der Zielmarke die Struktur berechnet, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor mit dem Taster eine gemeinsam verstellbare Einheit bildet und dass der Taster von einer Wechselhalterung (16) ausgeht und über eine optische und mechanische Kopplung (28, 34) mit einer Justiereinrichtung (24) der Wechselhalterung (16) verbunden ist, die zu oder mit der Wechselhalterung rotatorisch und translatorisch verstellbar ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Justiereinrichtung (24) um drei Translations- und zumindest zwei Rotationsachsen (x,y,z) verstellbar ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die optische und mechanische Kopplung einen Zylinder (28) mit diesen aufnehmender Hülse (34) umfasst, wobei die Tasterverlängerung (14) von dem Zylinder aufgenommen ist.
4. Anordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tastverlängerung (14) fluchtend zur rückseitigen Stirnfläche (32) des Zylinders (28) endet oder diese durchsetzt.
5. Anordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stirnfläche (32) des Zylinders (28) gegenüberliegend eine Lichtquelle (36) wie LED zugeordnet ist.
6. Anordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (28) in der Hülse (34) verrastbar ist.
7. Anordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselhalterung (16) magnetisch und/oder mechanisch mit einer Halterung (20) verbunden ist, die mit dem Sensor eine Einheit bildet.
8. Anordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselhalterung (16) mechanisch formschlüssig und/oder mechanisch kraftschlüssig mit der Halterung (20) verbunden ist.