DE20008721U1 - Optical coordinate measuring device - Google Patents
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Description
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Werth Messtechnik GmbH
Siemensstraße 19Werth Measurement Technology GmbH
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Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Koordinatenmessvorrichtung zum berührungslosen Vermessen von Werkstücken umfassend ein optisches System mit optischem Sensor wie CCD-Kamera sowie Beleuchtungseinrichtung, eine Steuerung zum relativen Verstellen des optischen Systems in X-, Y- und Z-Richtung zu dem Werkstück sowie eine optische Umlenkeinrichtung, die in optischer Achse des optischen Systems zum Vermessen des Werkstücks quer zur optischen Achse angeordnet ist.The invention relates to an optical coordinate measuring device for the contactless measurement of workpieces, comprising an optical system with an optical sensor such as a CCD camera and an illumination device, a control for adjusting the optical system in the X, Y and Z directions relative to the workpiece, and an optical deflection device which is arranged in the optical axis of the optical system for measuring the workpiece transversely to the optical axis.
Eine entsprechende optische Koordinatenmessvorrichtung bzw. optische Koordinatenmessmaschine ist der DE 195 14 692 C2 zu entnehmen. Um Werkstücke dreidimensional vermessen zu können, und zwar auch Bereiche quer zur Achse des optischen Systems, werden seitlich zum Werkstück Spiegel angeordnet, die fest von einem das Werkstück aufnehmenden Messtisch ausgehen. Hierdurch bedingt muss eine individuelle Ausrichtung der Spiegel in Abhängigkeit von der Größe des Werkstückes erfolgen. Bei sehr großen Werkstücken kann eine diesbezügliche Anordnung nicht gewählt werden, da ein Befestigen der Spiegel nicht möglich ist. Ferner sind entsprechend der auszumessenden Seiten des Werkstückes entsprechend viele Spiegel angeordnet werden.A corresponding optical coordinate measuring device or optical coordinate measuring machine can be found in DE 195 14 692 C2. In order to be able to measure workpieces in three dimensions, including areas perpendicular to the axis of the optical system, mirrors are arranged to the side of the workpiece, which extend from a measuring table that holds the workpiece. This means that the mirrors must be individually aligned depending on the size of the workpiece. For very large workpieces, this arrangement cannot be selected because it is not possible to attach the mirrors. In addition, a corresponding number of mirrors must be arranged according to the sides of the workpiece to be measured.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optische Koordinatenmessvorrichtung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass mit konstruktiv einfachenThe present invention is based on the object of developing an optical coordinate measuring device of the type mentioned above in such a way that with structurally simple
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Maßnahmen Werkstücke auch quer zur optischen Achse vermessbar sind, wobei Einschränkungen in Bezug auf Werkstückgrößen nicht erfolgen. Auch soll problemlos eine gewünschte Einstellung der optischen Umlenkeinrichtung möglich sein.Measures Workpieces can also be measured transversely to the optical axis, whereby there are no restrictions with regard to workpiece sizes. A desired setting of the optical deflection device should also be possible without any problems.
Zur Lösung des Problems wird erfindungsgemäß im Wesentlichen vorgeschlagen, dass die optische Umlenkeinrichtung integraler Bestandteil des optischen Systems ist.To solve the problem, the invention essentially proposes that the optical deflection device is an integral part of the optical system.
Abweichend vom vorbekannten Stand der Technik wird die Umlenkeinrichtung wie Spiegel in das optische System integriert, so dass eine separate Anordnung der Umlenkeinrichtung auf einem Messtisch nicht erforderlich ist. Auch bedarf es nicht mehrere Umlenkeinrichtungen für verschiedene Seiten des Werkstückes selbst. Vielmehr wird beim Verfahren des optische Systems die eine diesem zugeordnete optische Umlenkeinrichtung stets benutzt. Folglich bildet das optische System mit der optischen Umlenkeinrichtung eine Einheit, die relativ zu dem Werkstück verstellbar ist.In contrast to the prior art, the deflection device is integrated into the optical system like a mirror, so that a separate arrangement of the deflection device on a measuring table is not necessary. There is also no need for multiple deflection devices for different sides of the workpiece itself. Instead, when moving the optical system, the one optical deflection device assigned to it is always used. Consequently, the optical system with the optical deflection device forms a unit that can be adjusted relative to the workpiece.
Insbesondere ist vorgesehen, dass die optische Umlenkeinrichtung wie Spiegel in einem Gehäuse angeordnet ist, das austauschbar mit dem optischen System bzw. einem diesen aufnehmenden Gehäuse bzw. Abschnitt eines solchen verbunden ist. Dabei kann die optische Umlenkeinrichtung insbesondere über eine Wechselschnittstelle, vorzugsweise eine Magnetschnittstelle mit dem optischen Systems bzw. dessen Gehäuse verbunden sein.In particular, it is provided that the optical deflection device is arranged like a mirror in a housing that is exchangeably connected to the optical system or to a housing or section of the same that accommodates it. The optical deflection device can be connected to the optical system or its housing in particular via an exchange interface, preferably a magnetic interface.
Das die optische Umlenkeinrichtung aufnehmende Gehäuse weist insbesondere eine Quaderform auf, wobei Strahleintritts- und -austrittsöffnung über transparente Schutzelemente wie Schutzgläser abgedeckt sind, so dass die optische Umlenkeinrichtung weder verschmutzt werden noch ein unkontrolliertes Verstellen dieser erfolgen kann.The housing accommodating the optical deflection device has, in particular, a cuboid shape, with the beam entry and exit openings covered by transparent protective elements such as protective glasses, so that the optical deflection device can neither become dirty nor be adjusted in an uncontrolled manner.
Insbesondere ist das die optische Umlenkeinrichtung aufnehmende Gehäuse mit einem Gehäuseabschnitt des optischen Systems verbunden, indem ein Strahlenteiler angeordnet ist, der einerseits vom Messstrahl durchsetzbar ist und über den andererseits Strahlung zum Beleuchten des Werkstückes eingespiegelt wird. Somit wird eine kompakte Messanordnung mit integrierter optischer Umlenkeinrichtung zur Verfügung gestellt, um Werkstücke im HeIl-In particular, the housing accommodating the optical deflection device is connected to a housing section of the optical system in which a beam splitter is arranged, through which the measuring beam can pass on the one hand and through which radiation is reflected to illuminate the workpiece on the other hand. This provides a compact measuring arrangement with an integrated optical deflection device in order to illuminate workpieces in the bright
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feldauflichtverfahren vermessen zu können.3
to be able to measure using the incident field light method.
In besonderes hervorzuhebender Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das optische System eine dem optischen Sensor vorgeschaltete Zoomoptik zum Verstellen des Arbeitsabstandes umfasst. Insbesondere enthält die Zoomoptik zumindest zwei axial jeweils separat motorisch verschiebbare Linsengruppen für Abbildungsmaßstab und Abstand zum Werkstück.In a particularly noteworthy embodiment, the optical system includes a zoom lens positioned upstream of the optical sensor for adjusting the working distance. In particular, the zoom lens contains at least two lens groups, each of which can be axially moved separately by motor, for the image scale and distance to the workpiece.
Die optische Umlenkeinrichtung beschreibt zur optischen Achse des optischen Systems einen Winkel &agr; mit &Ggr; < &agr; < 89°, insbesondere &agr; = 45°. Dabei kann der Spiegel der optischen Umlenkeinrichtung selbst auf einer Fläche eines Prismenkörpers wie Aluminiumklotz befestigt sein, der austauschbar in dem Gehäuse angeordnet ist. Zur individuellen und schnellen Verstellbarkeit der optischen Umlenkeinrichtung selbst kann diese mittels einer CNC-Steuerung verbunden sein.The optical deflection device describes an angle α with Γ < α < 89°, in particular α = 45°, to the optical axis of the optical system. The mirror of the optical deflection device itself can be attached to a surface of a prism body such as an aluminum block, which is arranged in the housing in an exchangeable manner. In order to enable individual and rapid adjustment of the optical deflection device itself, it can be connected by means of a CNC control.
Ferner kann die optische Umlenkeinrichtung um die optische Achse oder parallel zu dieser gedreht werden, wobei eine Drehung um einen Vollkreis möglich ist.Furthermore, the optical deflection device can be rotated around the optical axis or parallel to it, whereby a rotation around a full circle is possible.
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 -, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispiels.Further details, advantages and features of the invention emerge not only from the claims, the features to be derived therefrom - individually and/or in combination - but also from the following description of a preferred embodiment to be taken from the drawing.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines Ausschnittes eines optischen Systems bestimmtFig. 1 shows a sectional view of a section of an optical system
für eine optische Koordinatenmessmaschine,for an optical coordinate measuring machine,
Fig. 2 einen Schnitt durch eine Magnetkupplung,Fig. 2 a section through a magnetic coupling,
Fig. 3 eine Unteransicht eines der Fig. 1 zu entnehmenden Gehäuses mit optischerFig. 3 is a bottom view of a housing shown in Fig. 1 with optical
Umlenkeinrichtung undDeflection device and
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Fig. 4 eine Prinzipdarstellung des optischen Systems mit integrierter optischerFig. 4 a schematic diagram of the optical system with integrated optical
Umlenkeinrichtung.deflection device.
In Fig. 1 ist im Ausschnitt ein Gehäuseabschnitt 10 eines optischen Systems einer Koordinatenmessmaschine dargestellt, um Werkstücke 66 sowohl in Richtung optischer Achse 12 des optischen Systems als auch schräg zu dieser vermessen zu können.In Fig. 1, a housing section 10 of an optical system of a coordinate measuring machine is shown in detail in order to be able to measure workpieces 66 both in the direction of the optical axis 12 of the optical system and at an angle to it.
Die Koordinatenmessmaschine oder -vorrichtung ist dabei insbesondere CNC-gesteuert, wobei das optische System relativ zu dem Werkstück in X-, Y- und Z-Richtung verstellbar ist. Insoweit wird jedoch auf hinlängliche Techniken verwiesen, auf die nicht näher einzugehenThe coordinate measuring machine or device is in particular CNC-controlled, whereby the optical system can be adjusted relative to the workpiece in the X, Y and Z directions. In this respect, however, reference is made to sufficient techniques which will not be discussed in detail.
Das optische System selbst kann als optischen Sensor eine CCD-Kamera umfassen mit elektronischem Bildverarbeitungssystem, ohne dass es eines näheren Eingehens bedarf.The optical system itself can include a CCD camera as an optical sensor with an electronic image processing system, without the need for further explanation.
Der in Fig. 1 dargestellte Gehäuseabschnitt 10 des optischen Systems ist über eine Wechselschnittstelle - im Ausführungsbeispiel eine ringförmigen Magnetkupplung 14 - mit einem quaderförmigen Gehäuse 16 verbunden, in dem eine optische Umlenkeinrichtung 18 angeordnet ist. Die optische Umlenkeinrichtung 18 besteht aus einem Prismenblock wie Aluminiumklotz 20, auf dessen schräg zur optischen Achse 12 verlaufenden Fläche 22 ein Spiegel 24 befestigt wie geklebt ist, der im Ausführungsbeispiel zur optischen Achse 12 unter einem Winkel &agr; mit &agr; = 45° geneigt verläuft, so dass ein entlang der optischen Achse 12 verlaufender Strahl um 90° umgelenkt wird. Es besteht jedoch ohne Weiteres die Möglichkeit, den Neigungswinkel &agr; anders einzustellen. Bevorzugterweise kann dabei die optische Umlenkeinrichtung 18 CNC-gesteuert verstellt werden.The housing section 10 of the optical system shown in Fig. 1 is connected via an exchange interface - in the exemplary embodiment a ring-shaped magnetic coupling 14 - to a cuboid-shaped housing 16 in which an optical deflection device 18 is arranged. The optical deflection device 18 consists of a prism block such as an aluminum block 20, on whose surface 22 running obliquely to the optical axis 12 a mirror 24 is fastened or glued, which in the exemplary embodiment runs at an angle α with α = 45° to the optical axis 12, so that a beam running along the optical axis 12 is deflected by 90°. However, it is easily possible to set the angle of inclination α differently. The optical deflection device 18 can preferably be adjusted using CNC control.
Ferner kann die optische Umlenkeinrichtung 18 um die optische Achse 12 um einen Winkel &ggr; gedreht werden, wobei insbesondere 0° < &ggr; < 360° beträgt.Furthermore, the optical deflection device 18 can be rotated about the optical axis 12 by an angle γ, wherein in particular 0° < γ < 360°.
Das quaderförmige Gehäuse 18 weist eine Strahleintrittsöffnung 26 und eine Strahlaustrittsöffnung 28 auf, die jeweils mit einem transpartenten Schutzelement wie Schutzglas 30, 32The cuboid-shaped housing 18 has a beam inlet opening 26 and a beam outlet opening 28, each of which is provided with a transparent protective element such as protective glass 30, 32
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verschlossen sind. Hierdurch ist sichergestellt, dass einerseits die optische Umlenkeinrichtung 18 in ihrer optischen Fläche, also dem Spiegel 24 nicht verschmutzt werden kann und andererseits ein unkontrolliertes Verstellen dieses selbst nicht möglich ist.are closed. This ensures that, on the one hand, the optical deflection device 18 cannot become dirty in its optical surface, i.e. the mirror 24, and, on the other hand, that an uncontrolled adjustment of the latter is not possible.
Das Gehäuse 16 ist des Weiteren durch einen Bodendeckel 34 verschließbar, um auf einfache Weise die optische Umlenkeinrichtung 18 einzusetzen bzw. auszutauschen.The housing 16 can also be closed by a bottom cover 34 in order to easily insert or replace the optical deflection device 18.
Wie die Unteransicht gemäß Fig. 3 verdeutlicht, weist das Gehäuse 18 im Schnitt eine Quadratform auf.As the bottom view according to Fig. 3 shows, the housing 18 has a square shape in section.
In dem Gehäuseabschnitt 10 ist ein Strahlteiler 36 angeordnet, der einerseits von dem Messstrahl durchsetzt wird, der über ein nicht dargestelltes mit dem Gehäuseabschnitt über einen Anschluss 38 verbindbares eine Zoomoptik umfassendes Objektiv zu dem optischen Sensor wie CCD-Kamera mit Matrixsensor gelangt. Dabei umfasst die Zoomoptik zumindest zwei separat und entlang der optischen Achse 12 verstellbare Linsengruppen, um einerseits den Abbildungsmaßstab und andererseits den Abstand zum Gegenstand 66 einstellen zu können.A beam splitter 36 is arranged in the housing section 10, through which the measuring beam passes on the one hand, which reaches the optical sensor such as a CCD camera with a matrix sensor via a lens (not shown) that can be connected to the housing section via a connection 38 and includes a zoom lens. The zoom lens comprises at least two lens groups that can be adjusted separately along the optical axis 12 in order to be able to adjust the image scale on the one hand and the distance to the object 66 on the other.
Über den Strahlenteiler 36 selbst wird das zum Beleuchten des Werkstücks 66 erforderliche Licht in die optische Achse 12 umgelenkt. Das Licht wird dabei zum Beispiel über einen mit Gehäuseabschnitt verbindbaren Lichtleiter eingespiegelt. Hierzu weist der Gehäuseabschnitt 10 einen seitlich abragenden Abschnitt 40 zur Aufnahme des Lichtleiters auf. Insoweit wird jedoch ebenfalls auf hinlängliche Techniken verwiesen. Ferner ist der Gehäuseabschnitt 10 lichtaustrittsseitig ebenfalls über ein transparentes Schutzelement wie Schutzglas 42 abgeschlossen. The light required to illuminate the workpiece 66 is deflected into the optical axis 12 via the beam splitter 36 itself. The light is reflected, for example, via a light guide that can be connected to the housing section. For this purpose, the housing section 10 has a laterally protruding section 40 for receiving the light guide. In this respect, however, reference is also made to sufficient techniques. Furthermore, the housing section 10 is also closed off on the light exit side by a transparent protective element such as protective glass 42.
Wie die Schnittdarstellung der Magnetkupplung 14 verdeutlicht, weist diese konzentrisch zu ihrem Mittelpunkt 44 angeordnete Magneten 46, 48, 50 auf, um somit das Gehäuse 16 mit dem Gehäuseabschnitt 10 sicher zu verbinden. Ferner verlaufen kugelförmige Erhebungen 52, 54, 56 entlang eines Kreises 58, die in entsprechenden Aufnahmen 60 der zugewandten Fläche des Gehäuseabschnitts 10 einrasten, wodurch eine eindeutige Positionierung sichergestellt ist. Durch diese Maßnahme besteht auch die Möglichkeit, das Gehäuse 18 um dieAs the sectional view of the magnetic coupling 14 shows, it has magnets 46, 48, 50 arranged concentrically to its center 44 in order to securely connect the housing 16 to the housing section 10. Furthermore, spherical elevations 52, 54, 56 run along a circle 58, which engage in corresponding receptacles 60 on the facing surface of the housing section 10, thereby ensuring clear positioning. This measure also makes it possible to rotate the housing 18 around the
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optische Achse 12 in diskreten Schritten zu verstellen. Unabhängig hiervon kann erwähntermaßen die optische Umlenkeinrichtung 18 stufenlos einen gewünschten Neigungswinkel &agr; zur optischen Achse 12 einnehmen, wobei insbesondere eine CNC-Steuerung zum Einsatz gelangen kann.optical axis 12 in discrete steps. Independently of this, as mentioned, the optical deflection device 18 can continuously assume a desired angle of inclination α to the optical axis 12, in which case a CNC control can be used in particular.
Der Fig. 4 ist eine Prinzipdarstellung des optischen Systems mit integrierter optischer Umlenkeinrichtung zu entnehmen. Dabei ist ein eine CCD-Kamera 62 sowie ein Objektiv 64 umfassendes optisches System mit der als Winkelvorsatz zu bezeichnenden optischen Umlenkeinrichtung 18 vorzugsweise über eine Magnetschnittstelle verbindbar. Optisches System 62, 64 und optische Umlenkeinrichtung 18 bilden eine Einheit, mit der unter anderem Seitenflächen des Werktstückes 66 vermessen werden können.Fig. 4 shows a schematic diagram of the optical system with integrated optical deflection device. An optical system comprising a CCD camera 62 and a lens 64 can be connected to the optical deflection device 18, which can be referred to as an angle attachment, preferably via a magnetic interface. The optical system 62, 64 and the optical deflection device 18 form a unit with which, among other things, side surfaces of the workpiece 66 can be measured.
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