DE4321666A1 - Einrichtung zur Messung von Oberflächenstrukturen von Mustern - Google Patents
Einrichtung zur Messung von Oberflächenstrukturen von MusternInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Messung von
Oberflächenstrukturen von Mustern nach dem Oberbegriff
des Anspruches 1.
Es ist bekannt, Metallformen und Graphitelektroden für
die Metallformen mittels einer Laserabtragmaschine an der
Oberseite zu strukturieren. Hierzu werden herkömmliche
PCs mit Programmen eingesetzt, mit denen Zufallsstruktu
ren erzeugt werden können. Diese ebenen Texturen werden
mit dem Programmiersystem auf Freiformflächen projiziert
und NC-Programme zum Strukturieren erstellt.
Es ist auch bekannt, Bildvorlagen und Bildmuster mit
Scannern in Rechner einzulesen und auf Werkzeuge zu über
tragen. Beliebige ebene Texturen sowie zweidimensionale
Bildvorlagen können auf diese Weise in Freiformflächen
eingearbeitet werden.
Es besteht allerdings keine Möglichkeit, von einer Vorla
ge Oberflächenstrukturen zu erfassen und zumindest annä
hernd gleich auf herzustellende Teile zu übertragen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gattungsge
mäße Einrichtung so auszubilden, daß mit ihr Oberflächen
strukturen von Mustern so erfaßt werden können, daß an
herzustellenden Teilen zumindest annähernd gleiche Ober
flächenstrukturen gefertigt werden können.
Diese Aufgabe wird bei der gattungsgemäßen Einrichtung
erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des An
spruches 1 gelöst.
Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung wird mit der Kamera
zunächst die Oberflächenstruktur des Musters zweidimen
sional erfaßt. Die Tiefendimension der Oberflächenstruk
tur wird mittels der Sensorik erfaßt, deren Signale mit
den von der Kamera gelieferten Signalen so zu Daten auf
bereitet werden, daß sie die Oberflächenstruktur dreidi
mensional kennzeichnen. Diese aufbereiteten Daten stehen
am Datenausgang der Verarbeitungseinheit zur Verfügung.
Somit kann über diese aufbereiteten Daten beispielsweise
ein Werkzeug einer Bearbeitungsmaschine gesteuert werden.
Es lassen sich darum auf dem herzustellenden Teil zumin
dest annähernd die gleichen Oberflächenstrukturen her
stellen wie an der Vorlage bzw. am Muster. Die aufberei
teten Daten können aber beispielsweise auch einem CAD-
System zugeführt werden, so daß diese Daten beispielswei
se abgespeichert und ggf. weiter bearbeitet werden kön
nen. Wird mit den aufbereiteten Daten das Werkzeug einer
Bearbeitungsmaschine gesteuert, dann lassen sich Teile
aus Metall, Keramik, Kunststoff oder anderen Werkstoffen
bearbeiten.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den wei
teren Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
Die Erfindung wird anhand eines in den Zeichnungen darge
stellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 in schematischer Darstellung eine erfindungs
gemäße Einrichtung zur Digitalisierung von
Objektgeometrien,
Fig. 2 in vergrößerter Darstellung die Einzelteile
der erfindungsgemäßen Einrichtung,
Fig. 3 in schematischer Darstellung die Verbindung
der erfindungsgemäßen Einrichtung über eine
Recheneinheit mit einer Bearbeitungsmaschine
zur dreidimensionalen Laserbearbeitung eines
Werkstückes.
Die Meßeinrichtung dient dazu, von einem Muster dreidi
mensionale Meßwerte zu erfassen und einer Recheneinheit
zuzuführen, welche die Meßdaten aufbereitet und einer Be
arbeitungsmaschine zur Verfügung stellt, mit der unter
Ausnutzung der von der Recheneinheit gelieferten Daten in
bekannter Weise ein Werkstück entsprechend dem Muster
mittels Laserbearbeitung bearbeitet wird.
Das Muster 1, das aus jedem geeigneten Material bestehen
kann, dient als Vorlage für das in der Bearbeitungsma
schine 2 herzustellende Werkstück 3 (Fig. 3). Das Muster
1 wird in geeigneter Weise unter eine Meßeinrichtung 4
gelegt, mit der die Oberseite des Musters dreidimensional
erfaßt wird. Das Muster 1 wird vorteilhaft eingespannt,
so daß während des Meßvorganges das Muster zuverlässig
festgehalten wird.
In der Meßeinrichtung 4 sind eine Scaneinheit 5, eine Ka
mera 6, ein fokussierbarer Tiefensensor 7 und eine elek
trische und/oder elektronische Verarbeitungseinheit 8 un
tergebracht. Die Scaneinheit 5 ist ein bekannter Bauteil,
so daß dessen Ausbildung nicht näher beschrieben wird.
Die Scaneinheit 5 sendet annähernd in einer Ebene liegen
de, aufgefächerte Lichtstrahlen 9 aus, die auf die Ober
seite des Musters 1 gerichtet sind. Die Scaneinheit 5 ist
so ausgebildet, daß diese Lichtstrahlen 9 in Richtung der
eingezeichneten Pfeile (Fig. 2) eine Schwenkbewegung aus
führen und so einen Bereich der Musteroberseite abtasten.
Hierzu kann entweder die gesamte Scaneinheit 5 um eine
senkrecht zur Zeichenebene in Fig. 2 liegende Achse ge
schwenkt werden. Ebenso ist es aber auch möglich, ledig
lich die Lichtstrahlen 9 durch geeignete Optiken beweg
lich auszubilden, so daß die erforderliche Abtastbewegung
erreicht wird.
Es ist aber auch möglich, das Muster 1 unterhalb der
Lichtstrahlen 9 zu bewegen. In diesem Fall ist eine Bewe
gung der Lichtstrahlen 9 nicht erforderlich.
Die Kamera 6 ist ebenfalls ein bekanntes Bauteil, mit der
die Oberseite des Musters 1 erfaßt wird. Beispielsweise
ist diese Kamera eine Flächenkamera, mit der die Obersei
te des Musters 1 in bekannter Weise abgetastet wird. Die
Kamera 6 kann aber auch eine Zeilenkamera sein.
Der Tiefensensor 7, der an sich ebenfalls bekannt ist,
weist eine Fokussiereinheit auf, mit der die vom Tiefen
sensor ausgesandten Strahlen 11 auf die Oberseite des Mu
sters 1 fokussiert werden können. Mittels des Tiefensen
sors 7 läßt sich in bekannter Weise die Tiefenstruktur in
der Musteroberseite erfassen.
Die Kamera 6 und der Tiefensensor 7 sind an die Verarbei
tungseinheit 8 angeschlossen und geben ihre jeweiligen
Meßwerte über entsprechende Leitungen 12 und 13 an die
Verarbeitungseinheit. Sie hat einen Datenausgang 14, über
den die von der Meßeinrichtung 4 berechneten Daten der
Recheneinheit 15 (Fig. 3) zugeführt werden. Sie arbeitet
diese Meßdaten auf und sendet sie an die Bearbeitungsma
schine 2, in der ein Laser 16 durch diese aufbereiteten
Meßdaten gesteuert wird. Mit dem Laser 16 wird dann in
bekannter Weise das Werkstück 3 an der Oberseite so bear
beitet, daß ein Abbild der Oberseite des Musters 1 gefer
tigt wird. Dieses Laserabtragverfahren ist bekannt und
wird darum nicht im einzelnen erläutert.
Mit der Kamera 6 der Meßeinrichtung 4 wird zunächst das
Muster 1 an seiner Oberseite zweidimensional erfaßt. Das
abzutastende Muster 1 wird hierbei vorteilhaft beleuch
tet, so daß auf der Musteroberfläche Kontraste entstehen,
wenn sie Profilierungen in Höhenrichtung aufweist. Diese
Kontraste führen bei entsprechender Beleuchtung zu Hel
ligkeitsunterschieden in der Musteroberfläche, die von
der Kamera 6 erfaßt werden. Aufgrund der Helligkeitsun
terschiede wird eine Information darüber erhalten, daß in
diesem Bereich eine entsprechende Profilierung in der
Oberseite des Musters 1 vorliegt. Je größer die Kontrast
unterschiede sind, umso größer sind auch die Tiefenunter
schiede. Die Kamera 6 erfaßt in bekannter Weise diese
Helligkeitsunterschiede. Sind die Kontraste gering, d. h.
an der Oberseite des Musters 1 befinden sich nur flache
dreidimensionale Strukturen, dann wird der Tiefensensor 7
eingesetzt, um die genaue Tiefenstruktur zu erfassen. Er
wird vorteilhaft dann eingesetzt, wenn Tiefenunterschiede
beispielsweise in der Größenordnung von etwa 1 µ be
stehen. Diese sehr geringen Tiefenunterschiede können mit
dem fokussierbaren Tiefensensor 7 genau erfaßt werden.
Sind die Kontraste bzw. Helligkeitsunterschiede größer,
dann sind auch größere Tiefendimensionen an der Oberseite
des Musters 1 vorhanden. In diesem Falle setzt die Meß
einrichtung 4 die Scaneinheit 5 ein, mit der solche Tie
fendimensionen einfach erfaßt werden können. Beispiels
weise wird die Scaneinheit 5 dann eingesetzt, wenn in der
Musteroberseite Tiefenunterschiede in der Größenordnung
von beispielsweise 10 bis 15 µ auftreten.
Da die Scaneinheit 5 einen flächigen Strahlbereich 9 hat,
lassen sich die entsprechenden Oberflächenbereiche des
Musters 1 innerhalb kurzer Zeit meßtechnisch erfassen, so
daß der Meßvorgang rasch durchgeführt werden kann.
Da die vom Tiefensensor 7 ausgehenden Lichtstrahlen 11
fokussiert werden, wird die Musteroberseite entsprechend
punktförmig abgetastet. Darum dauert der Meßvorgang bei
Einsatz des Tiefensensors 7 wesentlich länger als bei
Einsatz der Scaneinheit 5. Darum wird der Tiefensensor 7
auch nur dort eingesetzt, wo die Tiefenunterschiede nur
sehr gering sind. Bei größeren Tiefenunterschieden reicht
der Einsatz der Scaneinheit 5 vollständig aus, um die Mu
steroberseite genau zu erfassen.
Da die Oberseite des Musters 1 zunächst von der Kamera 6
erfaßt wird, werden zu Beginn des Meßvorganges bereits
diejenigen Oberflächenbereiche ermittelt, in denen drei
dimensionale Strukturen vorhanden sind. Beim weiteren
Meßvorgang werden darum auch nur diese Oberflächenberei
che von der Scaneinheit 5 oder dem Tiefensensor 7 erfaßt.
Diejenigen Oberflächenbereiche, in denen keine Oberflä
chenstrukturen auftreten, werden durch die Scaneinheit
oder den Tiefensensor 7 nicht meßtechnisch erfaßt. Da
durch kann mit dieser Meßeinrichtung 4 sehr rasch die ge
samte Oberflächenstruktur des Musters 1 festgestellt wer
den. Durch die Kamera 6 bzw. die Verarbeitungseinheit 8
erhält die Scaneinheit 5 bzw. der Tiefensensor 7 entspre
chende Steuersignale, so daß sie ihre Lichtstrahlen 9
bzw. 11 auf die entsprechenden Oberflächenbereiche des
Musters 1 richten. Da nur die tatsächlich kritischen
Oberflächenbereiche durch die Scaneinheit 5 bzw. den Tie
fensensor 7 abgetastet werden, ist auch der Rechenaufwand
verhältnismäßig gering, so daß die Anforderungen an die
Verarbeitungseinheit 8 bzw. an die Recheneinheit 15 nicht
hoch sind.
Weist das Muster eine gleichmäßige Oberflächenstruktur
auf, d. h. sind die Helligkeitsunterschiede, die von der
Kamera 6 erfaßt werden, über die Musteroberfläche etwa
gleichmäßig verteilt, dann reicht es aus, nur einen sehr
eng begrenzten Bereich der Oberfläche mittels der Scan
einheit 5 oder des Tiefensensors 7 zu erfassen. Der in
der Verarbeitungseinheit 8 verwendete Algorithmus kann
dann aufgrund der Meßwerte die für die gesamte Oberfläche
des Musters 1 erforderliche Struktur interpolieren.
Sind auf der Musteroberfläche räumlich getrennte Bereiche
zu erkennen, die besondere Helligkeitsunterschiede im
Verhältnis zum benachbarten Oberflächenbereich aufweisen,
dann wird nur in diesen Oberflächenbereichen die Tiefen
dimension des Musters 1 mit der Scaneinheit 5 oder dem
Tiefensensor 7 erfaßt. Der Bereich zwischen diesen erfaß
ten Oberflächenbereichen kann dann über den in der Verar
beitungseinheit 8 abgelegten Rechenalgorithmus so ausge
glichen werden, daß ein allmählicher Übergang von der
Oberflächenstruktur des einen Bereiches zur Oberflächen
struktur des anderen Bereiches erfolgt.
Mit der beschriebenen Meßeinrichtung 4 werden die Objekt
geometrieen erfaßt. Mit Hilfe der vorzugsweise monokula
ren, aber auch möglichen binokularen Bildverarbeitung
mittels der Kamera 6 werden die optischen Daten in zwei
dimensionaler Form aufgezeichnet. Die dritte Dimension,
die Tiefendimension (Objektflächentopographie), wird ent
weder durch die Scaneinheit 5 oder den Tiefensensor 7 er
mittelt. Die Scaneinheit 5 ist über eine Leitung 17 mit
der Kamera 6 verbunden. Über sie erhält die Scaneinheit 5
Signale, aufgrund derer die Lichtstrahlen 9 über den ab
zutastenden Oberflächenbereich des Musters 1 geführt wer
den. Außerdem werden über diese Leitung 17 die die abge
tastete Oberflächenstruktur kennzeichnenden Meßwerte der
Kamera 6 zugeführt. Die Verarbeitungseinheit 8 erhält
dann über die Leitung 12 die dreidimensionale Dimension
der Musteroberfläche kennzeichnende Meßwerte.
Auch wenn der Tiefensensor 7 eingesetzt wird, dann erhält
er über die Verarbeitungseinheit 8 Signale, durch welche
er auf die zuvor von der Kamera 6 erfaßten Bereiche ge
führt wird, um dort die Tiefenmessung vorzunehmen. Der
Tiefensensor 7 übermittelt dann die Meßwerte über die
Leitung 13 der Verarbeitungseinheit 8, in der die ver
schiedenen Meßwerte so kombiniert werden, daß die voll
ständige dreidimensionale Geometrie des Musters 1 zur
Verfügung steht. Über den Datenausgang 14 der Verarbei
tungseinheit 8 werden diese Meßwerte der Recheneinheit 15
zugeführt, in der diese die dreidimensionale Geometrie
kennzeichnenden Daten so aufbereitet werden, daß sie in
der Bearbeitungsmaschine 2 direkt genutzt werden können.
Die Meßwerte werden in der Verarbeitungseinheit digitali
siert. Dadurch lassen sich diese Meßwerte problemlos wei
terverarbeiten.
Mit der beschriebenen Einrichtung ist es möglich, auf dem
Werkstück 3 mittels des Lasers 16 die identisch gleiche
oder nahezu identisch gleiche Oberfläche dreidimensional
herzustellen. Das fertig bearbeitete Werkstück 3 weist
nach der Bearbeitung die gleiche Oberflächenausbildung
auf wie das Muster 1. Dadurch können die Werkstücke hin
sichtlich ihres Oberflächenaussehens optimal an das vor
gegebene Muster angepaßt werden. Die Oberflächenstruktur
des Werkstückes 3 sieht dementsprechend natürlich aus.
Mit dem Laser 16 lassen sich die Oberflächen der Werk
stücke 3 auf zwei verschiedene Arten herstellen. So ist
es möglich, die Oberfläche des Werkstückes 3 schichtweise
abzutragen. In diesem Falle wird jeweils die gesamte
Oberseite des Werkstückes 3 bearbeitet. Es ist aber auch
möglich, die Oberseite des Werkstückes 3 gleich auf die
volle Tiefe zu bearbeiten.
Im beschriebenen und dargestellten bevorzugten Ausfüh
rungsbeispiel wird mit den von der Einrichtung ermittel
ten Daten der Laser 16 der Bearbeitungsmaschine 2 über
die Recheneinheit 15 angesteuert. Es ist aber auch mög
lich, die beschriebene Einrichtung in Verbindung mit ei
ner CAD-Einheit zu verwenden.
Mit der Laser-Abtragmaschine 2 lassen sich die unter
schiedlichsten Werkstoffe in bekannter Weise bearbeiten.
Es ist auch möglich, die beschriebene Einrichtung in Ver
bindung mit anderen Bearbeitungsmaschinen einzusetzen,
mit denen ebenfalls Werkstückoberflächen hergestellt wer
den können. So lassen sich auch andere Werkzeuge, wie zum
Beispiel Fräser, steuern.
Claims (15)
1. Einrichtung zur Messung von Oberflächenstrukturen von
Mustern,
dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung minde
stens eine Kamera (6) aufweist, welche die Oberflä
chenstruktur des Musters (1) zweidimensional erfaßt
und an eine Verarbeitungseinheit (8) angeschlossen
ist, welche die von der Kamera (6) gelieferten Signa
le mit Signalen mindestens einer die Tiefe der Ober
flächenstruktur erfassenden Sensorik (5, 7) verarbei
tet und die aufbereiteten Daten an wenigstens einem
Datenausgang (14) zur Verfügung stellt.
2. Einrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kamera (6) eine Flä
chenkamera ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kamera (6) eine Zei
lenkamera ist.
4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorik wenigstens
eine Scaneinheit (5) aufweist.
5. Einrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die von der Scaneinheit
(5) ausgesandten Strahlen (9) in einer quer zur zu
messenden Oberflächen verlaufenden Ebene liegen.
6. Einrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlen (9) über die
Oberfläche des Musters (1) schwenkbar sind.
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorik mindestens
einen fokussierbaren Tiefensensor (7) aufweist.
8. Einrichtung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlen (11) des
Tiefensensors (7) auf den jeweiligen Oberflächenab
schnitt des Musters (1) fokussierbar sind.
9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß die Scaneinheit (5) an
die Kamera (6) angeschlossen ist.
10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß der Tiefensensor (7) an
die Verarbeitungseinheit (8) angeschlossen ist.
11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß an den Datenausgang (14)
der Verarbeitungseinheit (8) eine Recheneinheit (15)
angeschlossen ist, welche die Daten zur Weiterverar
beitung aufbereitet.
12. Einrichtung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinheit (15) an
eine Bearbeitungsmaschine (2) angeschlossen ist.
13. Einrichtung nach Anspruch 11 oder 12,
dadurch gekennzeichnet, daß die von der Recheneinheit
(15) aufbereiteten Daten zur Steuerung wenigstens ei
nes Werkzeuges (16) der Bearbeitungsmaschine (2),
vorzugsweise eines Lasers, dienen.
14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kamera (6) monokular
ausgebildet ist.
15. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kamera (6) binokular
ausgebildet ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4321666A DE4321666C2 (de) | 1993-06-30 | 1993-06-30 | Einrichtung zur Messung von Oberflächenstrukturen von Mustern |
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DE4321666A1 true DE4321666A1 (de) | 1995-01-12 |
DE4321666C2 DE4321666C2 (de) | 1996-07-18 |
Family
ID=6491542
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DE4321666A Expired - Fee Related DE4321666C2 (de) | 1993-06-30 | 1993-06-30 | Einrichtung zur Messung von Oberflächenstrukturen von Mustern |
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