DE4321666C2 - Einrichtung zur Messung von Oberflächenstrukturen von Mustern - Google Patents

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 herkömmli­ che PCs mit Programmen eingesetzt, mit denen Zufalls­ strukturen 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 übertragen. Beliebige ebene Texturen sowie zweidimensio­ nale Bildvorlagen können auf diese Weise in Freiformflä­ chen eingearbeitet werden.

Es besteht allerdings keine Möglichkeit, von einer Vor­ lage Oberflächenstrukturen zu erfassen und zumindest an­ nähernd gleich auf herzustellende Teile zu übertragen.

Die gattungsgemäße Einrichtung (DE-OS 36 43 470) dient zum Ermitteln des geometrischen Profiles von Fahrbahnen und hat H-Sensoren, welche die Oberflächenstruktur der Fahrbahn dreidimensional erfassen. Die H-Sensoren sind quer zur Fahrtrichtung mit Abstand nebeneinander an ei­ nem Fahrzeug angeordnet. Während der Fahrt des Fahrzeu­ ges erfassen die H-Sensoren die Oberflächenstruktur der Fahrbahn. Um unter Berücksichtigung der Fahrgeschwindig­ keit die von den H-Sensoren ermittelten Werte in eine Relation zueinander zu bringen, d. h. eine genaue Zuord­ nung der Werte der H-Sensoren zu ermöglichen, ist ein L-Sensor vorgesehen. Er hat die Aufgabe, aperiodische (stochastische) Unregelmäßigkeiten der Fahrbahn zur Orts­ identifizierung aufzunehmen. Erst mittels dieses L-Sen­ sors ist es möglich, die von den H-Sensoren aufgenomme­ nen Werte der Fahrbahn zuordnen zu können. Mit den H-Sen­ soren ist eine flächenhafte zweidimensionale Erfassung der Oberflächenstruktur der Fahrbahn nicht möglich. Durch Fahren mit dem Fahrzeug wird die Fahrbahn vielmehr zeilenförmig abgetastet, wobei die einzelnen Zeilen ei­ nen Abstand haben, der dem Abstand der H-Sensoren von­ einander entspricht.

Es ist eine optische Abstandsmeßvorrichtung bekannt (DE-OS 33 22 709), bei der ein Lichtbündel einer Licht­ quelle auf einer Werkstückoberfläche fokussiert und de­ fokusssiert werden kann.

Es ist ferner bekannt (DE-OS 36 13 096), mit einem TV- Kamera-Sensor den Oberflächenverlauf eines Werkstückes zu bestimmen. Auf das Werkstück wird eine Markierung, eine Schnittlinie o. dgl. aufgegeben, um die zu bearbei­ tende Position zu markieren. Der Sensor wird mittels ei­ nes Roboters an den Markierungen entlanggeführt, wobei an vorgegebenen Punkten die Koordinaten des Sensors in eine NC-Steuerung als Programmpunkte eingegeben werden. Auf der Basis dieses NC-Programmes werden anschließend die Werkstücke mit einem entsprechenden Werkzeug bear­ beitet.

Es ist schließlich bekannt (DE-OS 34 13 027), die Ober­ fläche einer sich bewegenden Materialschicht mittels ei­ ner Kamera zu kontrollieren. In der Oberfläche befinden sich Markierungen, Muster oder auch Fehlstellen, die mit der Kamera überwacht bzw. kontrolliert werden sollen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gattungs­ gemäße Einrichtung so auszubilden, daß mit ihr Oberflä­ chenstrukturen von Mustern so erfaßt werden können, daß an herzustellenden Teilen zumindest annähernd gleiche Oberflächenstrukturen gefertigt werden können.

Diese Aufgabe wird bei der gattungsgemäßen Einrichtung erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung wird mit der Kame­ ra die Oberflächenstruktur bzw. Textur des Musters zwei­ dimensional erfaßt. Die Kamera liefert die entsprechen­ den Signale an die Verarbeitungseinheit. Mit der Senso­ rik wird dann der von der Kamera erfaßte Oberflächenbe­ reich zumindest teilweise in bezug auf die Tiefendimen­ sion erfaßt. Somit erhält die Verarbeitungseinheit von der Kamera die optischen Daten in zweidimensionaler Form, während die Sensorik die entsprechenden Tiefensig­ nale der Verarbeitungseinheit zuführt. In ihr werden diese Signale verarbeitet, die am Datenausgang der Ver­ arbeitungseinheit zur Verfügung gestellt werden. Über diese aufbereiteten Daten kann beispielsweise ein Werk­ zeug einer Bearbeitungsmaschine gesteuert werden. Es lassen sich darum auf dem herzustellenden Teil zumindest die gleichen Oberflächenstrukturen bzw. Texturen 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 beispiels­ weise abgespeichert und gegebenenfalls weiter bearbeitet werden können. Wird mit den aufbereiteten Daten das Werkzeug einer Bearbeitungsmaschine gesteuert, dann las­ sen sich Teile aus Metall, Keramik, Kunststoff oder an­ deren Werkstoffen bearbeiten.

Merkmale von Ausführungsbeispielen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.

Die Erfindung wird anhand eines in den Zeichnungen dar­ gestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 in schematischer Darstellung eine Einrich­ tung zur Digitalisierung von Objektgeome­ trien,

Fig. 2 in vergrößerter Darstellung die Einzelteile der Einrichtung,

Fig. 3 in schematischer Darstellung die Verbindung der Einrichtung über eine Recheneinheit mit einer Bearbeitungsmaschine zur dreidimen­ sionalen Laserbearbeitung eines Werkstüc­ kes.

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 geometrien 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 (13)

1. Einrichtung zur Messung von Oberflächenstrukturen von Mustern, mit mindestens einer die Tiefe der Oberflächenstruktur erfassenden Sensorik, welche an eine Verarbeitungseinheit angeschlossen ist, welche die aufbereiteten Daten an wenigstens einem Daten­ ausgang zur Verfügung stellt, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung minde­ stens eine Kamera (6) aufweist, welche die Oberflä­ chenstruktur des Musters (1) zweidimensional erfaßt und an die Verarbeitungseinheit (8) angeschlossen ist, daß die die Tiefe der Oberflächenstruktur er­ fassende Sensorik (5, 7) auf diejenigen von der Kamera (6) erfaßten Oberflächenbereiche gerichtet wird, in denen Kontrastunterschiede auftreten, und daß die von dieser Sensorik (5, 7) gelieferten Sig­ nale mit den von der Kamera (6) gelieferten Signalen verarbeitet werden.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kamera (6) eine Flächenkamera ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kamera (6) eine Zeilenkamera 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 Oberfläche 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 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß an den Datenausgang (14) der Verarbeitungseinheit (8) eine Recheneinheit (15) angeschlossen ist, welche die Daten zur Wei­ terverarbeitung aufbereitet.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinheit (15) an eine Bearbeitungsmaschine (2) angeschlossen ist
12. Einrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Rechenein­ heit (15) aufbereiteten Daten zur Steuerung wenig­ stens eines Werkzeuges (16) der Bearbeitungsmaschi­ ne (2), vorzugsweise eines Lasers, dienen.

13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kamera (6) monokular ausgebildet ist.

14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kamera (6) binokular ausgebildet ist.