DE4227817C2 - Mehrfach-Meßsystem für Oberflächen - Google Patents

Description

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

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 Moir´-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 Moir´-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 33 28 753 A1 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.

Aus der DE 36 10 160 A1 ist eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 bekannt.

Aus der DE 39 34 423 C1 ist eine Kamera zur Erfassung der Topo­ graphie einer Prüflingsoberfläche durch Erzeugen eines Moir´- Bildes bekannt.

Aus der DE 33 20 127 A1 ist eine Aufnahme zur auswechselbaren Befestigung eines Taststiftes bzw. einer Taststiftkombination am Tastkopf eines Koordinatenmeßgerätes bekannt, bei der die Tast­ stifte bzw. die Taststiftkombination mit hoher Genauigkeit be­ züglich ihrer räumlichen Lage auswechselbar befestigt werden können.

Aus der EP 0 121 353 A1 ist ein Verfahren zum Messen einer Oberfläche, bei dem die Oberfläche in einer ersten Meßposition durch ein erstes Gitter beleuchtet und durch ein zweites Gitter unter einem Winkel zur Beleuchtungsrichtung betrachtet wird und die dadurch entstehenden Linienmuster zur Bestimmung von Oberflächenkoordinaten ausgewertet werden, bekannt.

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.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gegeben.

Es folgt die Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. 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 inessenden 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 Meßeleinente 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 15 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 33 26 753 A1 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 33 28 753 A1 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 Kombinationen 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 (12)

1. Vorrichtung zum Messen einer Oberfläche, mit einem Meßelement (12, 18, 19) zum Abtasten der Oberfläche, einer Positioniervor­ richtung (5) zum Positionieren des Meßelements (12, 18, 19) rela­ tiv zur Oberfläche und einer Auswertevorrichtung (9) zum Auswer­ ten der Meßsignale des Meßelements (12, 18, 19), dadurch gekennzeichnet, daß die Positioniervorrichtung (5) eine Halterung (6) zum auswechselbaren Befestigen des Meßelementes (12, 18, 19) aufweist und daß als Meßelement (12, 18, 19) ein Taster (12, 18) und ein Moir´-Meßkopf (19) vorgesehen sind.

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 elektrische Anschluß zusammen mit dem mechanischen An­ schluß automatisch gekoppelt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Anschluß ein Identi­ fiziersignal zum Identifizieren des angeschlossenen Meßelementes an die Auswertevorrichtung (9) übermittelt.

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

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertevorrichtung (9) so aus­ gebildet 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 Ta­ sters (12, 18) und eine zweite Verarbeitungsschaltung zum Verar­ beiten der Meßsignale des Moir´-Meßkopfes (19) aufweist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertevorrichtung (9) eine Steuerung aufweist, die mit einer Verarbeitungsschaltung für die Meß­ signale des Moir´-Meßkopfes (19) und mit der Positioniervorrich­ tung (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 als weitere Meßelemente Lasertriangulations- Meßelemente und/oder 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 dem die Oberflä­ che in einer ersten Meßposition durch ein erstes Gitter beleuch­ tet und durch ein zweites Gitter unter einem Winkel zur Beleuch­ tungsrichtung betrachtet wird und die dadurch entstehenden Lini­ enmuster zur Bestimmung von Oberflächenkoordinaten und von Pro­ blem- oder Fehlmeßbereichen ausgewertet werden und bei Ent­ deckung eines derartigen Problem- oder Fehlmeßbereiches die Messung automatisch aus einer zweiten Meßposition wiederholt wird, in der die Beleuchtungs- und/oder Betrachtungsrichtung gegenüber der ersten Meßposition verschoben und/oder relativ zur Oberfläche gedreht oder gekippt ist, und, wenn der Problem- oder Fehlmeßbereich auch bei der zweiten oder einer weiteren Meßposition vorliegt, die Messung in diesem Bereich mittels eines Tastmeßsystems durchgeführt wird, das automatisch in diesem Bereich positioniert wird.

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 Mittelwertes gewichtet werden.