DE4227817A1 - Mehrfach-Meßsystem für Oberflächen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen einer Oberfläche nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. ein Ver­ fahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 10.

Oberflächenmessungen werden allgemein auf Koordinaten­ meßmaschinen (CMM) durchgeführt. Ein Meßelement in Form eines Tasters wird über ein mechanisches 3D-Positioniersystem an den gewünschten Stellen in Kontakt mit der zu messenden Ober­ fläche gebracht und die Koordinaten dieser Stellen werden vom Positioniersystem an die Auswerteeinrichtung ausgegeben. Mit den erhaltenen Meßdaten kann die Genauigkeit einer Oberfläche durch Vergleich mit Solldaten überprüft oder die Form der Oberfläche digitalisiert werden.

Die Taster, die bei Kontakt einer kugelförmigen Tastspitze mit der Oberfläche ein Signal an die Auswerteeinrichtung ab­ geben, haben zwar den Vorteil, daß sie sehr genau messen und insbesondere bei entsprechender Einstellung der Tastrichtung auch schwierige Oberflächen wie beispielsweise Hohlräume aus­ messen können; dem stehen jedoch erhebliche Nachteile gegen­ über: sie erfordern einen Kontakt mit der Oberfläche und sind daher nicht für empfindliche Oberflächen geeignet; die Mes­ sung einer beliebigen Oberfläche ist zeitaufwendig, da eine sehr große Zahl von Stellen nacheinander gemessen werden muß; zudem sind für jeden Meßpunkt normalerweise drei Messungen erforderlich, da der Taster nicht erkennen kann, an welcher Stelle der Tastspitze der Kontakt auftritt, und der Meßwert muß aufgrund der endlichen Größe der Tastspitze korrigiert werden.

Es ist ferner bekannt, Oberflächen mittels Moire-Technik zu messen. Dabei wird die Oberfläche über ein erstes Gitter be­ leuchtet und über ein zweites Gitter unter einem Winkel zur Beleuchtungsrichtung betrachtet. Durch die Überlagerung der Gitter ergeben sich Moire-Linien, die Höhenlinien der Oberfläche entsprechen und über eine Video-Kamera und einen angeschlossenen Rechner ausgewertet werden. Eine derartige Technik ist beispielsweise in der DE-OS 33 28 753 beschrie­ ben. Damit ist es möglich, eine große Zahl von Meßstellen mit einer Einstellung berührungsfrei auszuwerten; allerdings ist die Genauigkeit geringer als bei der Tastermessung, es werden nur relative Oberflächendaten erhalten und bestimmte Oberflä­ chen wie Hinterschneidungen, Hohlräume etc. bereiten Schwie­ rigkeiten.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der eine schnelle und genaue Messung auch komplizierter Oberflächen möglich ist.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.

Die Erfindung soll im weiteren unter Bezug auf ein in den Fi­ guren dargestelltes Ausführungsbeispiel im Detail beschrieben werden. Von den Figuren zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung; und

Fig. 2 eine Darstellung der an ein erfindungsgemäßes Positioniersystem ankoppelbaren verschiedenen Meßelemente.

Fig. 1 zeigt einen Meßtisch 1, auf dem ein Objekt 2 mit der zu messenden Oberfläche 3 mittels geeigneter Befestigungs­ elemente 4 fixiert ist. Auf dem Meßtisch ist eine Positioniervorrichtung 5 montiert, die einen Meßkopfhalter 6 trägt. Die Positioniervorrichtung 5 ist in bekannter Weise als XYZ-Positioniersystem ausgebildet und so angeordnet, daß der Meßkopfhalter 6 in X, Y-Richtung über eine Meßfläche 7 des Meßtisches 1 und Z-Richtung senkrecht zu dieser Meßfläche verschoben werden kann. Zusätzlich können in der in Fig. 2 gezeigten Weise weitere Freiheitsgrade für die Bewegung bzw. Positionierung des Meßkopfhalters 6 vorgesehen sein, bei­ spielsweise eine Drehung um die Z-Achse und um die X-Achse.

Die Positioniervorrichtung weist ferner eine Erfassungsein­ richtung 8a, 8b, 8c zur Erfassung der momentanen Position des Meßkopfhalters 6 in X-, Y- und Z-Richtung auf. Diese ist mit einer Auswertevorrichtung 9 verbunden, welche ein Display 10 zur Anzeige der momentanen Position aufweist.

Auf dem Meßtisch 1 ist im Bereich der Meßfläche 7 ein Magazin 11 zur Aufnahme verschiedener Meßelemente angeordnet. Zwei dieser Meßelemente sind in Fig. 2 dargestellt. Mit 12 ist ein Taster bezeichnet, der eine an einem Schaft 13 über einen Ausleger 14 befestigte kugelförmige Spitze 15 aufweist. Der Ausleger 14 löst bei Kontakt der Spitze 15 mit einer Fläche über einen Schalter oder dgl. ein elektrisches Signal aus, das zur Auswertevorrichtung 9 übermittelt wird. Zur Verbin­ dung des Tasters 12 mit dem Meßkopfhalter 6 weist dieser ei­ nen Anschluß 16 zur mechanischen und elektrischen Ankopplung an ein entsprechendes Anschlußelement 17 am Taster 12 auf. Anschluß 16 und Anschlußelement 17 weisen in üblicher Weise mechanische Koppelelemente, beispielsweise eine Rast- oder Bajonettverbindung, und elektrische Koppelelemente, bei­ spielsweise in Form von elektrischen Kontakten bzw. Kontakt­ stiften, zur Übermittlung von elektrischen Signalen auf.

Mit 18 ist ein weiterer Taster bezeichnet, der ebenfalls ein Anschlußelement 17 mit einem Ausleger 14 aufweist, an dem je­ doch eine Mehrzahl von Spitzen 14 jeweils in X-, Y- und Z-Richtung beabstandet befestigt sind.

Es ist ferner ein Moir´-Meßkopf 19 vorgesehen, der ebenfalls ein Anschlußelement 17 zur Ankopplung an den Meßkopfhalter 6 aufweist. Dieser Meßkopf 19 arbeitet nach dem Moir´-Verfahren, wie es beispielsweise in der DE-OS 33 28 753 beschrieben ist. Hierzu enthält der Meßkopf 19 in einer miniaturisierten Weise eine Beleuchtungseinrichtung, bei­ spielsweise einen Laser, zum Beleuchten der Meßfläche 7 durch ein erstes Gitter und eine Bildaufnahmeeinrichtung, bei­ spielsweise eine Videokamera, zum Betrachten der Meßfläche durch ein zweites Gitter unter einem Winkel zur Beleuchtungs­ richtung. Die elektrischen Versorgungsleitungen für die Be­ leuchtungseinrichtung und die Signalleitungen für den Ausgang der Videokamera sowie für ein den Meßkopf 17 identifizieren­ des Signal sind zu den elektrischen Koppelelementen in An­ schlußelement 17 geführt.

Die Auswertevorrichtung 9 enthält eine erste Verarbeitungs­ schaltung zur Auswertung der Signale der Taster 12, 18 und eine zweite Auswerteschaltung mit einem Video-Interface zum Auswerten der Signale des Meßkopfes 19 und zum Umrechnen die­ ser Signale in Koordinateninformation sowie einem Monitor zum Betrachten der Video-Bilder des Meßkopfes 19. Ferner enthält die Auswertevorrichtung eine Steuerung zum Steuern der Positioniervorrichtung 5 in Abhängigkeit des Auswerteergeb­ nisses in der weiter unten beschriebenen Weise.

Im Betrieb wird zunächst ein Objekt 2 mit der zu messenden Oberfläche 3 mittels der Befestigungselemente 4 auf dem Meßtisch innerhalb der Meßfläche befestigt. Dann fährt die Positioniervorrichtung 5 zum Magazin 11, um eines der Meßelemente 12, 18 oder 19 mit dem Meßkopfhalter zu verbin­ den. Beispielsweise soll zunächst der Taster 12 angeschlossen werden. Die Positioniervorrichtung steuert hierzu die Posi­ tion des Tasters 12 im Magazin 11 an und senkt den Meßkopfhalter 6 ab, so daß das Anschlußelement 17 des Tasters 12 mit dem Anschluß 16 in Eingriff gelangt, wodurch automa­ tisch eine mechanische Kopplung und eine elektrische Kopplung der Koppelelemente erfolgt.

Danach steuert die Auswertevorrichtung 9 die Positionier­ vorrichtung 5 an eine oder mehrere als Referenzstelle ge­ wählte Stellen der Oberfläche 3 und registriert die entspre­ chenden Oberflächenkoordinaten. Anschließend legt die Positioniervorrichtung 5 den Taster 12 wieder an seinem Platz im Magazin 11 ab, fährt zum Platz des Moir´-Meßkopfes 19 und koppelt diesen in gleicher Weise wie den Taster 12 automa­ tisch an. Mit dem Moir´-Meßkopf werden zunächst die Referenz­ stellen gemessen, um eine Kalibrierung des Meßkopfes durch Vergleich des Meßergebnisses des Meßkopfes mit dem des Tasters 12 vorzunehmen. Nach dieser Kalibierung kann der Meßkopf 19 an verschiedene Meßorte, vorzugsweise programm­ gesteuert von der Auswertevorrichtung 9, oberhalb der Ober­ fläche 3 zur flächigen Messung dieser Oberfläche verschoben werden, wobei die Auswertung der bei der Moir´-Messung erhal­ tenen Linienmuster und ggfs. die Anzeige des Meßergebnisses ebenfalls in der Auswertevorrichtung 9 erfolgt.

Stellt die Auswertevorrichtung einen Problem- oder Fehlmeßbereich, beispielsweise anhand einer Unstetigkeit des Linienmusters, wie sie beispielsweise bei den dargestellten Löchern in der Oberfläche auftritt, anhand von unter einem Schwellwert liegenden Intensitätsänderungen bei der in der DE-OS 33 28 753 beschriebenen Phasenshiftmethode oder von über einem Schwellwert liegenden Gradienten des Linienmu­ sters, oder aufgrund von Plausibilitätsprüfungen, Vergleich mit Toleranzbereichen oder dgl. fest, dann betätigt die Aus­ wertevorrichtung 9 über die Steuerung die Positioniervorrichtung 5 derart, daß der Meßkopf in eine neue Meßposition gebracht wird, in der der Problem- oder Fehlmeßbereich aus einer anderen Richtung gemessen wird. Bei­ spielsweise kann der Meßkopf 19 horizontal verschoben oder um die in Fig. 2 gezeigten Dreh- und Schwenkachsen 20, 21 ge­ dreht und/oder gekippt werden. Ist die Messung aus dieser neuen Meßposition unproblematisch und eindeutig, dann kann das ausgewertete Meßergebnis abgespeichert werden. Ist dies nicht der Fall, kann die Messung aus weiteren Meßpositionen wiederholt werden und die Messungen aus den einzelnen Meßpositionen zur Bildung eines Mittelwerts gewichtet werden. Wird nach einer festgelegten Zahl von Meßpositionen keine unproblematische oder offensichtlich fehlerfreie Messung er­ halten, dann steuert die Auswertevorrichtung 9 die Position­ iervorrichtung 5 zum Magazin 11 und wechselt automatisch den Moir´-Meßkopf 19 gegen den Taster 12 aus. Anschließend wird der Taster 12 über die Positioniervorrichtung 5 genau zu den vorher ermittelten Problem- oder Fehlmeßbereichen gesteuert und die Messung an diesen wird mit dem Taster 12 durchge­ führt.

Die Kalibrierung mittels des Tasters 12 kann entfallen, wenn erfindungsgemäß im Meßkopf 19 ein Lasertriangulations-Meß­ gerät eingebaut ist, das die absoluten Oberflächenkoordinaten an einer oder mehreren Referenzstellen zur Kalibrierung der Moir´-Messung ermittelt und an die Auswertevorrichtung 9 lie­ fert.

Erfindungsgemäß sind auch andere Kombination von Taster­ messung und Moir´-Messung möglich. Enthält beispielsweise die zu messende Oberfläche sowohl Regelflächen wie Zylinder, Ku­ gel etc. als auch beliebige Oberflächen, dann kann die Mes­ sung der Regelflächen mit dem Taster an einigen wesentlichen Stellen - woraus dann die gesamte Kontur berechenbar ist - und die Messung der beliebigen Oberflächen mit dem Moir´-Meßkopf 19 durchgeführt werden. Wenn sowohl die Lage als auch die Qualität einer Regelfläche, beispielsweise die Höhe und Ebenheit einer ebenen Fläche, festgestellt werden sollen, dann kann die Tastermessung zur genauen Feststellung der absoluten Position und die Moir´-Messung zur Feststellung von Abweichungen von dieser Position eingesetzt werden. Fer­ ner kann auch zunächst die Moir´-Messung zur Feststellung der Lage von besonderen Merkmalen eingesetzt werden, um diese Merkmale dann für die genauere Vermessung mittels der Tastermessung automatisch ansteuern zu können.

Claims (13)

1. Vorrichtung zum Messen einer Oberfläche, mit einem Meßelement (12, 18, 19) zum Abtasten der Oberfläche, einer Positioniervorrichtung (5) zum Positionieren des Meßelements (12, 18, 19) relativ zur Oberfläche und einer Auswerteeinrichtung (9) zum Auswerten der Meßsignale des Meßelements (12, 18, 19), dadurch gekennzeichnet, daß zwei verschiedene Meßelemente vorgesehen sind, nämlich ein Taster (12, 18) und ein Moir´-Meßkopf (19), und daß die Positionier­ vorrichtung (5) eine Halterung (6) zum auswechselbaren Befestigen entweder des Tasters (12, 18) oder des Moir´- Meßkopfes (19) aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (6) einen mechanischen Anschluß zum ausgerichteten Halten der Meßelemente und einen elektrischen Anschluß zur Übermittlung der Meßsignale aufweist, wobei der elektri­ sche Anschluß zusammen mit dem mechanischen Anschluß au­ tomatisch gekoppelt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Anschluß ein Identifiziersignal zum Identifizieren des angeschlosse­ nen Meßelementes an die Auswertevorrichtung (9) übermit­ telt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Magazin (11) zur Lage­ rung der Meßelemente (12, 18, 19) vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertevorrichtung (9) so ausgebildet ist, daß sie die Positioniervorrichtung (5) zum Magazin (11) zur automatischen Auswechselung des Meßelementes (12, 18, 19) steuert.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertevorrichtung (9) eine erste Verarbeitungsschaltung zum Verarbeiten der Meßsignale des Tasters (12, 18) und eine zweite Verarbei­ tungsschaltung zum Verarbeiten der Meßsignale des Moir´-Meßkopfes (19) aufweist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Auswertevorrichtung (9) eine Steuerung aufweist, die mit einer Verarbeitungs­ schaltung für die Meßsignale des Moir´-Meßkopfes (19) und mit der Positioniervorrichtung (5) derart gekoppelt ist, daß die Positioniervorrichtung (5) die Position des Moir´-Meßkopfes (19) in Abhängigkeit der ausgewerteten Meßsignale verändert.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß weitere Meßelemente wie z. B. Lasertriangulations-Meßelemente und 2D-Video-Meßelemente vorhanden sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lasertriangulations- Meßelement im Moir´-Meßkopf (19) eingebaut ist.

10. Verfahren zum Messen einer Oberfläche, bei dein die Ober­ fläche in einer ersten Meßposition durch ein erstes Git­ ter beleuchtet und durch ein zweites Gitter unter einem Winkel zur Beleuchtungsrichtung betrachtet wird und die dadurch entstehenden Linienmuster zur Bestimmung von Oberflächenkoordinaten ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Linienmuster zur Bestim­ mung von Problem- oder Fehlmeßbereichen ausgewertet wird und daß bei Entdeckung eines derartigen Problem- oder Fehlmeßbereiches die Messung automatisch aus einer zwei­ ten Meßposition wiederholt wird, in der die Beleuchtungs- und/oder Betrachtungsrichtung gegenüber der ersten Meßposition verschoben und/oder relativ zur Oberfläche gedreht oder gekippt ist.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß Problem- oder Fehlmeßbereiche anhand zu geringer Intensitätsänderungen oder zu starker Gradienten des Linienmusters erkannt werden.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßergebnisse der ersten und zweiten Meßposition zur Berechnung eines Mittelwert­ es gewichtet werden.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß dann, wenn der Problem- oder Fehlmeßbereich auch bei der zweiten oder einer weiteren Meßposition vorliegt, die Messung in diesem Bereich mit­ tels eines Tastmeßsystems durchgeführt wird, das automa­ tisch in diesem Bereich positioniert wird.