JP2004509345A - 構造の光学的触感式測定を実行するための装置と方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、座標測定装置(10)を使用した対象物(12)の構造の光学的触感式測定用のアセンブリに関する。装置は、少なくともその端部が弾性的な先端延長部を有する接触先端部(18)を備えていて、延長部は、対象物を精査する先端部材で終息している。高度な精密さと所望の有効範囲を有して対象物(12)の構造を測定するために、オプティカルセンサおよび接触先端部が1つの装置内に集合されているか、単一の実体に形成されている。
Description
【0001】
本発明は、少なくとも端部が可撓性のプローブ延長部と対象物を感知する走査部材とを有するスキャナと、走査部材を直接または間接的に検知するカメラのようなオプティカルセンサと、これとスキャナとの間に設けられた第1のレンズとを備えた座標測定装置(coordinate measuring device)を使用して、対象物の構造の光学的触感式測定(opto−tactile measurement)を達成するための装置であり、スキャナはオプティカルセンサとともに調整可能である装置に関する。本発明はさらに、少なくとも端部が可撓性のプローブ延長部と対象物を感知する走査部材とを有するスキャナと、走査部材を直接または間接的に検知するカメラのようなオプティカルセンサと、これとスキャナとの間に設けられた第1のレンズとを備えた座標測定装置を使用して、対象物の構造の光学的触感式測定を処理するための方法に関する。
電磁気的に操作される、すなわち切り換えられるスキャナを有する座標測定装置を使用して対象物の構造を測定するプロセスは、この分野で知られていて、そのスキャナで構造の位置が直接決定される。すなわち、球体のようなセンサ部材の位置は、スキャナを介して伝達される。しかしながら、作用する摩擦力の結果このプロセス中に生ずるスキャナの変形は、しばしば測定結果のゆがみを導く。力の強い移動はまた、代表的に>10mNである測定力の結果となる。そのようなスキャナの外形構造は、通常、それを>0.3mmの球形直径に制限する。丁度数10thsミリメータの範囲の小型構造の三次元測定と、高度に変形可能な試料の走査は、それ故問題であるか不可能である。スキャナと走査部材の変形による完全には知られていないエラーの影響によって、また、例えばスティック−スリップ(stick−slip)効果により知られていない感覚力(sensory force)によって、典型的には>1μmの測定不確実さが生ずる。
【0002】
類似した機械的に走査する座標測定装置は、例えば特許文献1に記載されている。機械的走査プロセスの目視制御は、モニターの助けを借りて達成でき、センサヘッドはビデオカメラによって観察される。磁気的に交換可能な支持部から延びるセンサヘッドは、いわゆる圧電クォーツスキャナの形状であり、加工部材(workpiece)面との接触に際し制動される。ビデオカメラはこのように、加工部材に関連する精査球形の位置、または、穴が入られた場合、走査プロセスを手動で監視するためにモニター上で監視されるために測定されるための穴の位置を可能にする。しかしながら、実際の測定プロセスは、電気機械的に行われる。
プローブを有する座標測定装置が特許文献2に開示されていて、その延長部はスプリングによってその位置に偏倚されている。ハウジング内に延びたプローブ延長部の部分は、2つの光放射部材とともに装備されている。この2つの光放射部材は、感覚部材(sensory element)によってプローブ延長部の位置を検知するために、また、次に、プローブ部材の位置を間接的に検知するために、互いにある距離で配置されている。
【0003】
電気機械的に操作される切り換えスキャナの欠点を回避するために、光学的触感式方法用の座標測定装置が特許文献3で提案されている。これに示されているものにおいて、測定されるべき対象物と接触しようとする走査部材の位置は、走査部材それ自身の位置から、または、それ用の小物入れ(reticule)から、構造を直接測定するために光学的に決定される。走査部材の偏位(excursion)は、電子的カメラを有する電子的イメージ処理システムの感覚領域(sensory field)にイメージをスライドすることによって検知できる。
走査部材の偏位はまた、電子的イメージ処理システムを介したイメージのコントラスト機能(contrast function)を評価することによっても決定することが可能である。偏位を決定する他の可能な方法は、対象物距離と拡大部との間のビーム光学的接続となる小物入れのイメージの大きさのオーダー(order)から決定することである。
【0004】
対応するプローブは弾性的な延長部を有していて、プローブ延長部は、好ましくは球形に構成された走査部材に向かって下方へ細くなっている。細くなっている端部を越えたプローブ延長部は、例えば200μmの直径を有することができる。その端部領域において、スキャナ延長部は、20μmと30μmとの間の直径を有することができる。球形の走査部材の代表的な直径寸法は、30μmと500μmとの間である。
特許文献3に開示された走査部材は、セラミック、ルビー、またはガラスのような種々の材料からなることができる。さらに、対応する部材の光学的品質は、分散(dispersing)層または反射層を被覆することによって改良できる。
【0005】
特許文献4からは光学的触感式座標測定装置を知ることができ、光学センサとプローブは一体的で調整可能な装置を形成し、プローブは交換可能な支持部から延びていて、また、光学的および機械的結合部によって交換可能な支持部用の調整装置に接続されている。調整装置は、回転する方法および並進(translatory)する方法で交換可能な支持部に関連して、または交換可能な支持部とともに調整できる。
【0006】
【特許文献1】
ドイツ(DE)特許43 27 250 A1
【特許文献2】
米国(US)特許4,972,597
【特許文献3】
国際公表(WO)97/57121
【特許文献4】
ドイツ(DE)特許198 47 711 A1。
【0007】
本発明は、基本的に、上述したタイプの装置と方法の更なる改良の仕事(task)に基づいていて、対象物の構造は、所望の高度な正確さを有する範囲で測定でき、対象物が、走査部材とセンサとの間の調節的ビーム経路を遮断しないことを特に確実にする。測定は、好ましくない光学的条件下においてでも可能でなければならない。
【0008】
本発明の他の実施例によれば、走査部材は、座標測定装置のx、yおよびz方向の測定を同時に達成することを可能にしなければならない。高レベルの測定精度が、測定の歪みになる光学的収差を排除して同様に達成されなければならない。特に、スルーホールのような微細な(minute)または比較的深い開口部の測定が、プローブに対する損傷の危険なしで可能でなければならない。
仕事の基本的解決のために、光学的センサおよびスキャナが1つの装置に集合されているか、またはそのような装置に形成された本発明の1つの態様が提案された。この装置は、位置決め結合部を介して調整できる。さらに、装置は、特に、調整可能な作業距離を有するズームレンズとして構成された第1のレンズを備えていなければならない。勿論、光学的触感式測定プロセスに使用する座標測定装置の従来のレンズも同様に使用することができる。
【0009】
レンズを有するスキャナとオプティカルセンサが1つの装置内に集合されているという事実によって、また、位置決め結合部を介して空間に任意に調整することができるものとして、オプティカルセンサがスキャナの方向付けに基づく構造に調整されるので、この座標測定装置を、例えば、x−y平面に、またはそれに直交して延びた領域を測定するのに使用することが可能である。
装置の接続、スキャナの構成、レンズ、および位置決め結合部を有するオプティカルセンサは、例えば、標準的交換可能インターフェースによって行なうことができる。勿論、特許文献4に述べられていてその開示をここで参照するような、交換可能な支持部からプローブ用に延びることもまた可能である。全体として、装置用にモジュラー設定となるレンズとセンサとの間のインターフェースもまた可能性がある。
【0010】
使用されるレンズは、上述したように、ズームレンズであり、国際公表(WO)99/53268に述べられたように、変更可能な作業距離を有して構成できる。
さらに、装置は、走査部材用に照射装置を含むことができ、走査部材は、直接、または光学的導波管としてのスキャナ延長部を介して照射される。
【0011】
本発明の更なる展開について述べると、第2のオプティカルセンサまたは第2のレンズは、走査部材またはそれ用のマーキング(marking)に割り当てられていて、走査部材またはマーキングは、第1のオプティカルセンサによって測定された平面(x−y平面のような)に関して垂直に延びた軸線(z−軸線のような)に測定できる。これは、走査部材を利用した三次元測定を達成する機会を提案する。
【0012】
好ましくない条件下において、または非常に精密な方法においてでも測定を実行するために、本発明に基づく示唆は、センサから離間して面した側にのみ反射および/または蛍光層を有して装備されるべきか、および/または、走査部材の側の層の表面によって反射されたビームが光学的に検知可能なマーク(mark)を輝いた光点(bright light spot)のように走査部材の内部に生成するように、反射または蛍光材料からなる層を有して装備されるべき走査部材を備えている。
【0013】
これらの測定は、走査部材に発生されたマークが測定用に使用されるので、走査部材と対象物との間の接触点よりもむしろ、高度に反射的な対象物でさえも正確な測定を可能にする。層が、センサから離間して面した走査部材の側にのみ延びている場合、すなわち、走査部材が最大限その赤道(equator)まで球形の構造を有している場合、走査部材と対象物との間の接触による磨耗の抑制が確実になる。
【0014】
本発明の他の態様によれば、層が走査部材と交差(intersect)して延びる度合いとは独立して、層は、表面硬化された、または耐磨耗性の保護被覆、特に窒化シリコーン層のようなシリコーン(silicone)を含む保護被覆によって、対象物と接触するようになる少なくともその領域において覆われている。
マークが光の反射によって走査部材に発生できる場合、更なる顕著な展開は、プローブ延長部から延びる走査部材のマークとして第1のオプティカルセンサに現われるマーキングを備えていて、走査部材の位置はマークを使用して決定できる。
【0015】
例えば、走査部材の方向への投影(projection)が測定されるべき平面のその延長部よりも小さい円盤状の部材は、走査部材から延びることができる。座標測定装置のz−方向に対象物を測定するために、z−方向の走査部材の偏位は、走査部材へのマークの偏位として決定できる。
このように、本発明によれば、z−方向の走査部材の整列は、マークのイメージ(image)、すなわち、走査部材のイメージに対するマークの距離における変化から決定される。転換(conversion)はつぎに、偏位と距離における変化との間の測定曲線を使用して位置付ける。
特に、走査部材は球形の構造を有していて、円筒状の構造をマークしなければならず、偏位のない走査部材の場合、マークは走査部材の中心に明瞭に延びている。
【0016】
一般的に、対象物の感知は、走査部材のイメージをオプティカルセンサまたはイメージ処理システムのセンサ領域上をスライドすることによって決定される。しかしながら、これによって、走査部材とオプティカルセンサとの間に合体されたレンズ収差により測定エラーが生ずる。対応する描写エラーを排除するために、本発明の1つの提案は、1つの平面(x−y平面)において測定されるべき走査部材が、測定されるべき対象物の感覚点(sensory point)に移動されることを示唆している。これは、最初、大まかなセンサプロセスが生じ、つぎに、イメージが、感覚領域の出発点に配置されるまで走査部材を後方へ移動するようにするものであり、この感覚領域において、イメージは、対象物と接触しない場合配置されている。この測定は、光学に関連する測定エラーの結果とならずに、感覚点の精密な測定を可能にする。
【0017】
プローブまたはプローブ延長部あるいは走査部材を損傷するリスクを連続することなく、特に微細な直径の穴を所望の深さで測定するために、個別におよび独立した保護によって覆われた本発明の1つの提案は、平面に垂直にまたはほぼ垂直に、すなわちセンサ方向において、対象物の接触の直前にまたは直後に調整可能な1つの平面(x−y平面)において測定するプローブを備えている。
【0018】
例えば、1μm、特に1μmと20μmとの間の距離での感覚点へのセンサ方向へ向かう垂直運動または垂直に近い運動によって、走査部材と対象物との間の粘着力(adhesive power)は克服される。そうでなければ、プローブが突然の取り外し中に振動する結果、プローブ用の望ましくない長い調整経路を交差して走査部材を対象物に取着したままにする。微細なオリフィスを測定する場合、これはプローブまたはその延長部あるいは走査部材が、対向する境界壁を衝撃し多分破壊されるであろう。
【0019】
中空本体部の壁のスルーホールが対象物として測定される場合、本発明は、中空本体部内に配置された照明装置を備えていて、これは、走査部材と交差(intersect)するプローブ延長部の長手方向軸線に平行に向けられた光を生成する。このようにして、スルーホールが、個々の測定値(measurements)間で調整の必要がない速い連続サイクルで測定できる簡単な構造の手段(measures)が保証できる。
【0020】
高いレベルの測定精度で感覚点を決定するために、対象物の構造の光学的触感式方法用の上述した方法は、走査部材が、走査部材の位置を決定するためのマークを測定するということに特徴がある。マークは、走査部材のイメージ内において、および/または、走査部材のイメージに関連したプローブから延びたマーキングを描写することによって発生される。特に、マークは、測定されるべき対象物との接触がない場合、走査部材の中心を通って連続していなければならない。
【0021】
走査部材に割り当てられたマークを使用して、座標測定装置のz−方向に対象物を測定することが可能であり、走査部材は、z−方向の偏位に遭遇し、z−方向への走査部材の偏位は、走査部材とマークまたはそのイメージとの間の相対的移動から計算される。相対的移動は、ここで、走査部材のイメージの中心とマークの中心との間の距離から計算できる。
【0022】
走査部材と対象物との間のありうる粘着力を克服するために、本発明による1つの示唆は、感覚部材が感覚点に接近するか、および/または、感覚点から離間して移動した後において、感覚点に対して距離xで、感覚点で中断する平面に関して垂直または略垂直に調整されるべきプローブを備えていて、この距離xは次のとおりでなければならない。
【数3】
【0023】
本発明の他の提案によれば、中空の本体部の壁のスルーホールを測定するために、中空の本体部に照明装置が配置されていて、光は、スルーホールを測定する走査部材と交差するプローブの延長部の長手方向軸線に平行に整列される。このプロセスにおいて、照射位置は、中空の本体部のスルーホールが次々に測定される場合、変更されずに留まる。
レンズ収差から生ずる描写に関連した測定エラーを除去するために、1つの自主的な解決は、最初に大まかな方法で、そして次にオプティカルセンサによって検知された走査部材のイメージが、対象物と接触していないイメージ位置に対応する位置(起点(point of origin))に配置されるように退避される測定されるべき対象物を走査する走査部材を備えている。
【0024】
感覚プロセスは高速度で行なうことができるので、起点位置の点に到達する移動はゆっくりと行われる。
本発明の更なる詳細、利点、および態様は、単独の請求項、および/または、それらの組合せに示された態様のみではなく、図面に表わされた好ましい実施例の以下の記述にも見出すことができる。
【0025】
図1は、対象物12の測定に使用するために設計された入り口(portal)設計の座標測定装置10―例示的実施例においてマルチセンサーの座標測定装置―の基本的描写を示している。対象物を測定するために、座標測定装置10は、入り口14に沿って移動することができそこからスピンドルまたはセンサが延びている送り台(slide)16を備えている。実施例において、座標測定装置10は、光学的触感式方法において測定する少なくとも1つのセンサ18と、z−方向に測定するための測定レンズ20を備えている。
座標測定装置10は、データ処理システム22と端末装置24とを使用して従来の方法で操作できる。しかしながらこの点において、我々は、座標測定装置10の基本的な設計にもまた関連する普通の技法を参照する。
【0026】
光学的触感式方法において対象物12の構造を測定するために、数字26が付され図13と14によれば好ましくはL字状に曲げられその端部に走査部材30を有するプローブ延長部28からなるファイバースキャナが使用される。走査部材30は、ここで本発明を限定するものではないが、好ましくは球形である。プローブ延長部28は、少なくともその端部が弾性的で、光ガイドファイバーで構成できる。プローブ延長部28の断面は、ほぼ200μmの範囲で走って(run)いて、プローブ延長部28は、走査部材30の領域において20μmと30μmとの間の断面を有している。測定仕事に依存して、走査部材30は、それが球形の形状の場合、概略的に30から50μmの直径を有している。この点において、プローブ延長部が案内装置内に延びていてその端部部分のみが自由に移動可能なような、WO98/57121および特にWO99/53269の開示を明白に参照する。これは、特別に規定された感覚力の機会を提供する。
【0027】
対象物12の感覚プロセスを検知するために、走査部材30は、電子的カメラ、および/または、レンズ37を介したCCDマトリクスのようなそのセンサ領域に描写されている。この点において、出願人からの普通の技法もまた参照する。走査部材30を検知することに替えて、それに割り当てられ、参照点としてプローブ延長部28から延びている小物入れ(reticule)を選択することもまた可能である。しかしながら、簡単にするために、走査部材30は、本発明の目的を限定するために役立つのではなく、ここでは測定の目的のみに使用されなければならない。対応する説明はまた、走査部材30に割り当てられた小物入れに適用する。
走査部材30が対象物と接触すると、このプロセスは、センサ34のセンサ領域のイメージをすべる(slide)ことによって検知され、このようにして測定される。
【0028】
技術の状態に従うと、センサおよびスキャナ26は一体的なものとして調整されるけれども、センサは基本的にはx−y平面に平行に測定する。本発明によると、カメラ34と、レンズ32と、スキャナ26とが装置35として一体的に構成され、これが位置決めジョイント36に接続され、ついで、座標測定装置10のスリーブから延びている。位置決めジョイント36は、装置35が、座標測定装置10の作業空間においてその角度に関連して配置されるようにする。これによって、カメラ34またはそのイメージ面は、対象物12に関して所望の位置を果たすことができるので、例えば、x−y平面に平行に延びた穴のような切欠部および特にオリフィスが測定できる。装置35は、標準的な交換可能支持部40を介して位置決め支持部に接続できる。ドイツ特許(DE)198 47 711A1に述べられたようなスキャナ交換可能ステーションを介してスキャナ26を装置35に接続することもまた可能である。
【0029】
さらに装置35は、走査部材30を直接照射するか、または光案内部として構成されたプローブ延長部28を介して照射する照明装置42を備えていなければならない。
レンズ32はまた、ズームレンズにすることができ、ここでその開示を特に参照するWO99/53268に述べられたような多分調整可能な作業距離を有する。
センサ34と、レンズ32と、スキャナ36とからなる装置35が位置決めジョイント36に接続されているという事実によって、x−y平面においてのみでなく、それらに垂直に延びる軸線、すなわちx−y平面の場合においてz軸線に沿ってもまた、走査部材30を測定することもさらに可能である。これは図3の助けを借りて説明される。
【0030】
装置35は、位置決めジョイント36を介して光軸44に関して、座標測定装置10のx−y平面に平行に整列される。つぎに走査部材30の位置は、可変作業距離を有するズームレンズのようなセンサ48とレンズ50を備えた測定レンズ20、46を介して測定され、この実施例において測定レンズ46の光軸52は、z−軸線と一致する。
鏡または金属面のような非常に反射性である望ましくない光学的条件下、および/または、対象物であっても測定を達成できるために、本発明によれば走査部材30は、少なくともある領域において蛍光性または反射性の材料からなる被覆56、58を備えている。
【0031】
図4において基本が明瞭であるように、プローブ延長部28を介して案内された光ビーム58は、実質的に損傷しない方法でセンサから離間して面した走査部材30の側部から出る。これは、光学的センサ34またはその感知領域の走査部材30の描写における問題に帰着する。これを回避するために、図5の実施例によれば、走査部材30は、走査部材30の到達する光ビーム58を反射する被覆54を有するセンサから離間して面するその領域60に装着される。センサおよび対応して整列された被覆54から離間して面した走査部材30の領域の外面の形状によって、反射されたビーム62は、輝点64内に集束し、光学センサ34が所定の方法で検知でき、走査部材30の位置を決定するために使用できる。図5と6の実施例によれば、走査部材30の外形は、反射されたビームが、輝点64が生成される走査部材30の中心に向かって反射されるようになっている。
【0032】
図5の実施例による上述したような被覆54が、センサから離間して面した走査部材30の領域内にのみ延びる場合、対象物との接触に際して、層54は、接触領域外であり、それゆえ磨耗は全く生じなく、そして、図6による層56は、プローブ延長部28の出発点に延びていて、層56の周端部66は、走査部材30に到達するビーム58用のコリメータまたは入り口瞳孔(entrance pupil)として使用される。ビーム58は、図5によれば、レンズ32を介して光学的センサ34に描写された明るい輝点64を形成する走査部材30の中央に反射される。
【0033】
経験する磨耗から、走査部材30の赤道68にのみ延びた層56を阻止するために、高い表面硬度または磨耗抵抗を有する付加的な層が適用できる。この層は、好ましくは、窒化シリコンのようなシリコン(silicon)混合物からなっている。他の適切な層もまた可能である。
【0034】
図5と6の実施例において、輝点64によって描写されたマークが、走査部材30よりはむしろ、光学的センサ34の助けを使用して走査部材30の位置を決定するために実際に評価される場合、次に、図7と8の実施例において、特に走査部材30のz−方向の偏位を測定するために走査部材36と接続されたマーク70を使用するための他の可能性がある。
【0035】
実施例によれば、リングまたはディスク形状のマーキング72はプローブ延長部28から延びていて、このマーキングは、走査部材内の中心に、また、それゆえ、自由な走査部材30の場合、すなわち、走査部材30が対象物を感知しない場合においてそのイメージ72の中心に延びていて、投影(projection)は、走査部材30が光軸74の方向に球形の外径、したがって円形の外形を有する場合、L字状に走行するプローブ延長部28用に、端部と変遷部で走査部材30内に配置されたプローブ延長部の部分の中心軸線と一致する光軸74に平行である。
【0036】
スキャナしたがって走査部材30がz−方向へ移動された場合、また、対象物12の表面76が感知された場合、プローブ延長部28は横方向に調整され、それに引き続いて、マーキング72によって形成されたマーク70は、走査部材30のイメージ72の中心78に向かって、図8の実施例において距離dAによってシフト(shift)される。
このシフトはついで、z−方向への偏位が、先に導かれた比較測定を使用して決定されることを可能にする。シフトdAとz−方向への偏位との間の関係は、原理的に図9に示されている。
このように、本発明の教示によれば、光学的触感方法において測定する座標システム10は、対象物の構造を三次元的に検知するために使用できる。
【0037】
図7と8からもまた明らかなように、マーキング72によって表わされたマーク70は、好ましくは、走査部材30を対比(contrast)しなければならず、また暗くする効果(darkening effect)を有する。
これとは独立して、マーキング72によって生じたマーク70はまた、平面において構造を測定した場合、二次元測定用に使用できるので、それゆえ、走査部材自体の位置でなく、マーク70の位置が評価される。
【0038】
非常に小さな直径を有する穴80のような凹部を測定するために、特に、走査部材30を感覚面(sensory surface)82から、または感覚点(sensory point)84から分離する場合、走査部材30に作用する粘着力(adhesion force)が、スキャナ26と感覚面82との間に発生されたかなりの距離の後でのみ生じ、走査部材が穴の対向する壁86を打撃するようにプローブ延長部28が振動するというリスクの結果になり、それによって損傷が生ずるという測定点54からの分離に導かないことを確実にしなければならない。
【0039】
この問題を解決するために、本発明は、特に、スキャナ26を感覚点84から取り除く場合、スキャナが垂直にまたは実質的に垂直に感覚方向88方向へ移動され、そして、望ましくない範囲におけるスキャナ26の振動を排除して走査部材30の迅速な取り外しを確実にすることを提案する。感覚点84からの取り外しに際する感覚方向88に垂直またはほぼ垂直なスキャナ26のこの移動は、図13における点線でのイメージによって明らかにされる。
【0040】
感覚方向88に垂直またはほぼ垂直なスキャナ26の移動は、プローブ延長部28が、特に1μmと20μmとの間の数μmに達する距離を有して走査部材30がゼロ位置外に移動された位置外に距離Xによって調整された場合に、生じなければならない。
【0041】
図13は、横の力の影響なしで感覚点84と接触するようになる走査部材30の位置において実線で示されたスキャナ26を示している。28’は、スキャナ26が感覚方向88と反対にすでに移動された位置におけるプローブ延長部28を示していて、走査部材30はしかしながら、粘着の作用力によって感覚点84に依然として取着されている。点線で示されたスキャナ26’の位置において、感覚方向に垂直にまたはほぼ垂直にすでに生じた移動が示されていて、走査部材30は、感覚点84から取外されるようになり、感覚方向88が走行する感覚面上に配置される。
【0042】
上述したプロセスは再度図15に示されている。左側の位置において、走査部材30は感覚面82から離間して配置されている。その次の描写において、走査部材30は端部または表面82を測定するために感覚点84で感覚面82と接触している。次にスキャナ26は、感覚方向88と反対の方向へ遠くに移動される(矢印90)。それによって走査部材30は感覚面82に取着されて残り、プローブ延長部28は矢印60の方向へ調整される。次に、感覚方向88に垂直に、またはほぼ垂直に走行する移動(矢印92)が行なわれ、次に、走査部材30が直ちに感覚領域(sensory field)82から取外され、プローブ延長部28の長手方向の軸線に整列される。
【0043】
図10〜12に基づくと、本発明の独立した態様が説明される。
光学的触感式測定プロセスにおいて、走査部材30またはそのイメージ94の位置付けによって、測定されるべき対象物12の構造は光学的センサ34の感覚領域96に決定される。走査部材30が対象物12と接触しない場合、イメージ94は、起点(point of origin)98とラベルがつけられた感覚領域96の所定の点に設けられる。走査部材30が、表面100のような測定されるべき構造と接触した場合、イメージ94は、起点から離れて移動する。
【0044】
光学的センサ34と走査部材30との間に配置されたレンズ32によって光学的に関連する検知エラーが生じ、測定の不正確性を導く。それゆえ、走査部材30が感覚面100と接触する正確な瞬間に走査部材30の位置を測定することが有益である。これは本発明によって可能になり、イメージ94を起点98にシフトするために、走査部材30は最初概略的方法で感覚面100を走査する。プローブおよびそれ故走査部材30は、次に、図12において明らかなように、イメージ94が再び起点にあるかまたはそれに整列されるまで、後方へ移動する。感覚移動は、比較的迅速に達成されるけれども、反作用プロセスは、例えば粘着力によって生ずるエラーを排除するためにゆっくりと行なわれなければならない。
【0045】
図14は、本発明における教示の他の独立した態様を知らせる。
中空の本体部106のスルーホール102、104を通して測定するために、本発明は、光を発するように中空の本体部106内に配置された光源108を備えていて、光は、走査部材30内に変移するプローブ延長部28の部分12の長手方向の軸線110に平行に走行する。長手方向の軸線110に向けられた適切なビームは、114のラベルが付けられている。種々のスルーホール102を測定するために、光源108は次に調整された位置に残り、中空の本体部106は光源108に向かって回転される(矢印116)。
【0046】
そのような測定プロセスの1つの例は、図16と17に開示されている。図16において、インジェクションノズル118は、中空の本体部がインジェクションノズル118をその長手方向の軸線122の周りに回転するようにするために固定装置120に据え付けられている。インジェクションノズル118の頂部領域124において、スルーホール126は円錐状のケーシングに配置されていて、この実施例において円錐状の軸線は、インジェクションノズル118の長手方向の軸線122と一致する。その円錐形の端面134を介して光がスルーホール126の軸線の方向に照射される光案内部の形状の照射装置132が、次いでインジェクションノズル118の中心孔30に配置される。この方向は、光学的触感式測定システムの光学的軸線と、および、スキャナ26の角度を有する端部部分112の長手方向の軸線110と一致する。円錐形のケーシングに矩形に配置されたスルーホール126を測定するために、いまや、インジェクションノズル118を回転することのみが必要である(図16における矢印134)。これは、光案内部132を固定的に維持する。
【図面の簡単な説明】
【図1】座標測定装置の基本的描写を示す図。
【図2】光学的触感式方法で測定するスキャナを有する図1に示された座標測定装置の基本的描写の断面図。
【図3】光学的触感式方法で測定するスキャナを有する三次元測定を達成するための装置の基本的描写を示す図。
【図4】走査部材の基本的描写を示す図。
【図5】図4による走査部材の第1の更なる発展を示す図。
【図6】図4による走査部材の第2の更なる発展を示す図。
【図7】割り当てられたマーキングを有する走査部材の基本的描写を示す図。
【図8】z−方向への引き続く偏位の図7による走査部材の基本的描写を示す図。
【図9】z−方向への走査部材の偏位を決定するためのグラフ。
【図10】対象物とそのイメージから所定の距離に配置された走査部材の基本的描写を示す図。
【図11】対象物と接触する場合の図10に示された走査部材と、走査部材のイメージとを示す図。
【図12】走査部材のイメージを有し、図11による退避された位置における走査部材を示す図。
【図13】小さい直径のオリフィスを測定するための装置の基本的描写を示す図。
【図14】中空の本体部のスルーホールを測定するための装置の基本的描写を示す図。
【図15】感覚面と関連した走査部材の種々の位置を示す図。
【図16】回転可能に据え付けられたインジェクションノズルの断面図。
【図17】図16によるインジェクションノズルの断面図。
本発明は、少なくとも端部が可撓性のプローブ延長部と対象物を感知する走査部材とを有するスキャナと、走査部材を直接または間接的に検知するカメラのようなオプティカルセンサと、これとスキャナとの間に設けられた第1のレンズとを備えた座標測定装置(coordinate measuring device)を使用して、対象物の構造の光学的触感式測定(opto−tactile measurement)を達成するための装置であり、スキャナはオプティカルセンサとともに調整可能である装置に関する。本発明はさらに、少なくとも端部が可撓性のプローブ延長部と対象物を感知する走査部材とを有するスキャナと、走査部材を直接または間接的に検知するカメラのようなオプティカルセンサと、これとスキャナとの間に設けられた第1のレンズとを備えた座標測定装置を使用して、対象物の構造の光学的触感式測定を処理するための方法に関する。
電磁気的に操作される、すなわち切り換えられるスキャナを有する座標測定装置を使用して対象物の構造を測定するプロセスは、この分野で知られていて、そのスキャナで構造の位置が直接決定される。すなわち、球体のようなセンサ部材の位置は、スキャナを介して伝達される。しかしながら、作用する摩擦力の結果このプロセス中に生ずるスキャナの変形は、しばしば測定結果のゆがみを導く。力の強い移動はまた、代表的に>10mNである測定力の結果となる。そのようなスキャナの外形構造は、通常、それを>0.3mmの球形直径に制限する。丁度数10thsミリメータの範囲の小型構造の三次元測定と、高度に変形可能な試料の走査は、それ故問題であるか不可能である。スキャナと走査部材の変形による完全には知られていないエラーの影響によって、また、例えばスティック−スリップ(stick−slip)効果により知られていない感覚力(sensory force)によって、典型的には>1μmの測定不確実さが生ずる。
【0002】
類似した機械的に走査する座標測定装置は、例えば特許文献1に記載されている。機械的走査プロセスの目視制御は、モニターの助けを借りて達成でき、センサヘッドはビデオカメラによって観察される。磁気的に交換可能な支持部から延びるセンサヘッドは、いわゆる圧電クォーツスキャナの形状であり、加工部材(workpiece)面との接触に際し制動される。ビデオカメラはこのように、加工部材に関連する精査球形の位置、または、穴が入られた場合、走査プロセスを手動で監視するためにモニター上で監視されるために測定されるための穴の位置を可能にする。しかしながら、実際の測定プロセスは、電気機械的に行われる。
プローブを有する座標測定装置が特許文献2に開示されていて、その延長部はスプリングによってその位置に偏倚されている。ハウジング内に延びたプローブ延長部の部分は、2つの光放射部材とともに装備されている。この2つの光放射部材は、感覚部材(sensory element)によってプローブ延長部の位置を検知するために、また、次に、プローブ部材の位置を間接的に検知するために、互いにある距離で配置されている。
【0003】
電気機械的に操作される切り換えスキャナの欠点を回避するために、光学的触感式方法用の座標測定装置が特許文献3で提案されている。これに示されているものにおいて、測定されるべき対象物と接触しようとする走査部材の位置は、走査部材それ自身の位置から、または、それ用の小物入れ(reticule)から、構造を直接測定するために光学的に決定される。走査部材の偏位(excursion)は、電子的カメラを有する電子的イメージ処理システムの感覚領域(sensory field)にイメージをスライドすることによって検知できる。
走査部材の偏位はまた、電子的イメージ処理システムを介したイメージのコントラスト機能(contrast function)を評価することによっても決定することが可能である。偏位を決定する他の可能な方法は、対象物距離と拡大部との間のビーム光学的接続となる小物入れのイメージの大きさのオーダー(order)から決定することである。
【0004】
対応するプローブは弾性的な延長部を有していて、プローブ延長部は、好ましくは球形に構成された走査部材に向かって下方へ細くなっている。細くなっている端部を越えたプローブ延長部は、例えば200μmの直径を有することができる。その端部領域において、スキャナ延長部は、20μmと30μmとの間の直径を有することができる。球形の走査部材の代表的な直径寸法は、30μmと500μmとの間である。
特許文献3に開示された走査部材は、セラミック、ルビー、またはガラスのような種々の材料からなることができる。さらに、対応する部材の光学的品質は、分散(dispersing)層または反射層を被覆することによって改良できる。
【0005】
特許文献4からは光学的触感式座標測定装置を知ることができ、光学センサとプローブは一体的で調整可能な装置を形成し、プローブは交換可能な支持部から延びていて、また、光学的および機械的結合部によって交換可能な支持部用の調整装置に接続されている。調整装置は、回転する方法および並進(translatory)する方法で交換可能な支持部に関連して、または交換可能な支持部とともに調整できる。
【0006】
【特許文献1】
ドイツ(DE)特許43 27 250 A1
【特許文献2】
米国(US)特許4,972,597
【特許文献3】
国際公表(WO)97/57121
【特許文献4】
ドイツ(DE)特許198 47 711 A1。
【0007】
本発明は、基本的に、上述したタイプの装置と方法の更なる改良の仕事(task)に基づいていて、対象物の構造は、所望の高度な正確さを有する範囲で測定でき、対象物が、走査部材とセンサとの間の調節的ビーム経路を遮断しないことを特に確実にする。測定は、好ましくない光学的条件下においてでも可能でなければならない。
【0008】
本発明の他の実施例によれば、走査部材は、座標測定装置のx、yおよびz方向の測定を同時に達成することを可能にしなければならない。高レベルの測定精度が、測定の歪みになる光学的収差を排除して同様に達成されなければならない。特に、スルーホールのような微細な(minute)または比較的深い開口部の測定が、プローブに対する損傷の危険なしで可能でなければならない。
仕事の基本的解決のために、光学的センサおよびスキャナが1つの装置に集合されているか、またはそのような装置に形成された本発明の1つの態様が提案された。この装置は、位置決め結合部を介して調整できる。さらに、装置は、特に、調整可能な作業距離を有するズームレンズとして構成された第1のレンズを備えていなければならない。勿論、光学的触感式測定プロセスに使用する座標測定装置の従来のレンズも同様に使用することができる。
【0009】
レンズを有するスキャナとオプティカルセンサが1つの装置内に集合されているという事実によって、また、位置決め結合部を介して空間に任意に調整することができるものとして、オプティカルセンサがスキャナの方向付けに基づく構造に調整されるので、この座標測定装置を、例えば、x−y平面に、またはそれに直交して延びた領域を測定するのに使用することが可能である。
装置の接続、スキャナの構成、レンズ、および位置決め結合部を有するオプティカルセンサは、例えば、標準的交換可能インターフェースによって行なうことができる。勿論、特許文献4に述べられていてその開示をここで参照するような、交換可能な支持部からプローブ用に延びることもまた可能である。全体として、装置用にモジュラー設定となるレンズとセンサとの間のインターフェースもまた可能性がある。
【0010】
使用されるレンズは、上述したように、ズームレンズであり、国際公表(WO)99/53268に述べられたように、変更可能な作業距離を有して構成できる。
さらに、装置は、走査部材用に照射装置を含むことができ、走査部材は、直接、または光学的導波管としてのスキャナ延長部を介して照射される。
【0011】
本発明の更なる展開について述べると、第2のオプティカルセンサまたは第2のレンズは、走査部材またはそれ用のマーキング(marking)に割り当てられていて、走査部材またはマーキングは、第1のオプティカルセンサによって測定された平面(x−y平面のような)に関して垂直に延びた軸線(z−軸線のような)に測定できる。これは、走査部材を利用した三次元測定を達成する機会を提案する。
【0012】
好ましくない条件下において、または非常に精密な方法においてでも測定を実行するために、本発明に基づく示唆は、センサから離間して面した側にのみ反射および/または蛍光層を有して装備されるべきか、および/または、走査部材の側の層の表面によって反射されたビームが光学的に検知可能なマーク(mark)を輝いた光点(bright light spot)のように走査部材の内部に生成するように、反射または蛍光材料からなる層を有して装備されるべき走査部材を備えている。
【0013】
これらの測定は、走査部材に発生されたマークが測定用に使用されるので、走査部材と対象物との間の接触点よりもむしろ、高度に反射的な対象物でさえも正確な測定を可能にする。層が、センサから離間して面した走査部材の側にのみ延びている場合、すなわち、走査部材が最大限その赤道(equator)まで球形の構造を有している場合、走査部材と対象物との間の接触による磨耗の抑制が確実になる。
【0014】
本発明の他の態様によれば、層が走査部材と交差(intersect)して延びる度合いとは独立して、層は、表面硬化された、または耐磨耗性の保護被覆、特に窒化シリコーン層のようなシリコーン(silicone)を含む保護被覆によって、対象物と接触するようになる少なくともその領域において覆われている。
マークが光の反射によって走査部材に発生できる場合、更なる顕著な展開は、プローブ延長部から延びる走査部材のマークとして第1のオプティカルセンサに現われるマーキングを備えていて、走査部材の位置はマークを使用して決定できる。
【0015】
例えば、走査部材の方向への投影(projection)が測定されるべき平面のその延長部よりも小さい円盤状の部材は、走査部材から延びることができる。座標測定装置のz−方向に対象物を測定するために、z−方向の走査部材の偏位は、走査部材へのマークの偏位として決定できる。
このように、本発明によれば、z−方向の走査部材の整列は、マークのイメージ(image)、すなわち、走査部材のイメージに対するマークの距離における変化から決定される。転換(conversion)はつぎに、偏位と距離における変化との間の測定曲線を使用して位置付ける。
特に、走査部材は球形の構造を有していて、円筒状の構造をマークしなければならず、偏位のない走査部材の場合、マークは走査部材の中心に明瞭に延びている。
【0016】
一般的に、対象物の感知は、走査部材のイメージをオプティカルセンサまたはイメージ処理システムのセンサ領域上をスライドすることによって決定される。しかしながら、これによって、走査部材とオプティカルセンサとの間に合体されたレンズ収差により測定エラーが生ずる。対応する描写エラーを排除するために、本発明の1つの提案は、1つの平面(x−y平面)において測定されるべき走査部材が、測定されるべき対象物の感覚点(sensory point)に移動されることを示唆している。これは、最初、大まかなセンサプロセスが生じ、つぎに、イメージが、感覚領域の出発点に配置されるまで走査部材を後方へ移動するようにするものであり、この感覚領域において、イメージは、対象物と接触しない場合配置されている。この測定は、光学に関連する測定エラーの結果とならずに、感覚点の精密な測定を可能にする。
【0017】
プローブまたはプローブ延長部あるいは走査部材を損傷するリスクを連続することなく、特に微細な直径の穴を所望の深さで測定するために、個別におよび独立した保護によって覆われた本発明の1つの提案は、平面に垂直にまたはほぼ垂直に、すなわちセンサ方向において、対象物の接触の直前にまたは直後に調整可能な1つの平面(x−y平面)において測定するプローブを備えている。
【0018】
例えば、1μm、特に1μmと20μmとの間の距離での感覚点へのセンサ方向へ向かう垂直運動または垂直に近い運動によって、走査部材と対象物との間の粘着力(adhesive power)は克服される。そうでなければ、プローブが突然の取り外し中に振動する結果、プローブ用の望ましくない長い調整経路を交差して走査部材を対象物に取着したままにする。微細なオリフィスを測定する場合、これはプローブまたはその延長部あるいは走査部材が、対向する境界壁を衝撃し多分破壊されるであろう。
【0019】
中空本体部の壁のスルーホールが対象物として測定される場合、本発明は、中空本体部内に配置された照明装置を備えていて、これは、走査部材と交差(intersect)するプローブ延長部の長手方向軸線に平行に向けられた光を生成する。このようにして、スルーホールが、個々の測定値(measurements)間で調整の必要がない速い連続サイクルで測定できる簡単な構造の手段(measures)が保証できる。
【0020】
高いレベルの測定精度で感覚点を決定するために、対象物の構造の光学的触感式方法用の上述した方法は、走査部材が、走査部材の位置を決定するためのマークを測定するということに特徴がある。マークは、走査部材のイメージ内において、および/または、走査部材のイメージに関連したプローブから延びたマーキングを描写することによって発生される。特に、マークは、測定されるべき対象物との接触がない場合、走査部材の中心を通って連続していなければならない。
【0021】
走査部材に割り当てられたマークを使用して、座標測定装置のz−方向に対象物を測定することが可能であり、走査部材は、z−方向の偏位に遭遇し、z−方向への走査部材の偏位は、走査部材とマークまたはそのイメージとの間の相対的移動から計算される。相対的移動は、ここで、走査部材のイメージの中心とマークの中心との間の距離から計算できる。
【0022】
走査部材と対象物との間のありうる粘着力を克服するために、本発明による1つの示唆は、感覚部材が感覚点に接近するか、および/または、感覚点から離間して移動した後において、感覚点に対して距離xで、感覚点で中断する平面に関して垂直または略垂直に調整されるべきプローブを備えていて、この距離xは次のとおりでなければならない。
【数3】
【0023】
本発明の他の提案によれば、中空の本体部の壁のスルーホールを測定するために、中空の本体部に照明装置が配置されていて、光は、スルーホールを測定する走査部材と交差するプローブの延長部の長手方向軸線に平行に整列される。このプロセスにおいて、照射位置は、中空の本体部のスルーホールが次々に測定される場合、変更されずに留まる。
レンズ収差から生ずる描写に関連した測定エラーを除去するために、1つの自主的な解決は、最初に大まかな方法で、そして次にオプティカルセンサによって検知された走査部材のイメージが、対象物と接触していないイメージ位置に対応する位置(起点(point of origin))に配置されるように退避される測定されるべき対象物を走査する走査部材を備えている。
【0024】
感覚プロセスは高速度で行なうことができるので、起点位置の点に到達する移動はゆっくりと行われる。
本発明の更なる詳細、利点、および態様は、単独の請求項、および/または、それらの組合せに示された態様のみではなく、図面に表わされた好ましい実施例の以下の記述にも見出すことができる。
【0025】
図1は、対象物12の測定に使用するために設計された入り口(portal)設計の座標測定装置10―例示的実施例においてマルチセンサーの座標測定装置―の基本的描写を示している。対象物を測定するために、座標測定装置10は、入り口14に沿って移動することができそこからスピンドルまたはセンサが延びている送り台(slide)16を備えている。実施例において、座標測定装置10は、光学的触感式方法において測定する少なくとも1つのセンサ18と、z−方向に測定するための測定レンズ20を備えている。
座標測定装置10は、データ処理システム22と端末装置24とを使用して従来の方法で操作できる。しかしながらこの点において、我々は、座標測定装置10の基本的な設計にもまた関連する普通の技法を参照する。
【0026】
光学的触感式方法において対象物12の構造を測定するために、数字26が付され図13と14によれば好ましくはL字状に曲げられその端部に走査部材30を有するプローブ延長部28からなるファイバースキャナが使用される。走査部材30は、ここで本発明を限定するものではないが、好ましくは球形である。プローブ延長部28は、少なくともその端部が弾性的で、光ガイドファイバーで構成できる。プローブ延長部28の断面は、ほぼ200μmの範囲で走って(run)いて、プローブ延長部28は、走査部材30の領域において20μmと30μmとの間の断面を有している。測定仕事に依存して、走査部材30は、それが球形の形状の場合、概略的に30から50μmの直径を有している。この点において、プローブ延長部が案内装置内に延びていてその端部部分のみが自由に移動可能なような、WO98/57121および特にWO99/53269の開示を明白に参照する。これは、特別に規定された感覚力の機会を提供する。
【0027】
対象物12の感覚プロセスを検知するために、走査部材30は、電子的カメラ、および/または、レンズ37を介したCCDマトリクスのようなそのセンサ領域に描写されている。この点において、出願人からの普通の技法もまた参照する。走査部材30を検知することに替えて、それに割り当てられ、参照点としてプローブ延長部28から延びている小物入れ(reticule)を選択することもまた可能である。しかしながら、簡単にするために、走査部材30は、本発明の目的を限定するために役立つのではなく、ここでは測定の目的のみに使用されなければならない。対応する説明はまた、走査部材30に割り当てられた小物入れに適用する。
走査部材30が対象物と接触すると、このプロセスは、センサ34のセンサ領域のイメージをすべる(slide)ことによって検知され、このようにして測定される。
【0028】
技術の状態に従うと、センサおよびスキャナ26は一体的なものとして調整されるけれども、センサは基本的にはx−y平面に平行に測定する。本発明によると、カメラ34と、レンズ32と、スキャナ26とが装置35として一体的に構成され、これが位置決めジョイント36に接続され、ついで、座標測定装置10のスリーブから延びている。位置決めジョイント36は、装置35が、座標測定装置10の作業空間においてその角度に関連して配置されるようにする。これによって、カメラ34またはそのイメージ面は、対象物12に関して所望の位置を果たすことができるので、例えば、x−y平面に平行に延びた穴のような切欠部および特にオリフィスが測定できる。装置35は、標準的な交換可能支持部40を介して位置決め支持部に接続できる。ドイツ特許(DE)198 47 711A1に述べられたようなスキャナ交換可能ステーションを介してスキャナ26を装置35に接続することもまた可能である。
【0029】
さらに装置35は、走査部材30を直接照射するか、または光案内部として構成されたプローブ延長部28を介して照射する照明装置42を備えていなければならない。
レンズ32はまた、ズームレンズにすることができ、ここでその開示を特に参照するWO99/53268に述べられたような多分調整可能な作業距離を有する。
センサ34と、レンズ32と、スキャナ36とからなる装置35が位置決めジョイント36に接続されているという事実によって、x−y平面においてのみでなく、それらに垂直に延びる軸線、すなわちx−y平面の場合においてz軸線に沿ってもまた、走査部材30を測定することもさらに可能である。これは図3の助けを借りて説明される。
【0030】
装置35は、位置決めジョイント36を介して光軸44に関して、座標測定装置10のx−y平面に平行に整列される。つぎに走査部材30の位置は、可変作業距離を有するズームレンズのようなセンサ48とレンズ50を備えた測定レンズ20、46を介して測定され、この実施例において測定レンズ46の光軸52は、z−軸線と一致する。
鏡または金属面のような非常に反射性である望ましくない光学的条件下、および/または、対象物であっても測定を達成できるために、本発明によれば走査部材30は、少なくともある領域において蛍光性または反射性の材料からなる被覆56、58を備えている。
【0031】
図4において基本が明瞭であるように、プローブ延長部28を介して案内された光ビーム58は、実質的に損傷しない方法でセンサから離間して面した走査部材30の側部から出る。これは、光学的センサ34またはその感知領域の走査部材30の描写における問題に帰着する。これを回避するために、図5の実施例によれば、走査部材30は、走査部材30の到達する光ビーム58を反射する被覆54を有するセンサから離間して面するその領域60に装着される。センサおよび対応して整列された被覆54から離間して面した走査部材30の領域の外面の形状によって、反射されたビーム62は、輝点64内に集束し、光学センサ34が所定の方法で検知でき、走査部材30の位置を決定するために使用できる。図5と6の実施例によれば、走査部材30の外形は、反射されたビームが、輝点64が生成される走査部材30の中心に向かって反射されるようになっている。
【0032】
図5の実施例による上述したような被覆54が、センサから離間して面した走査部材30の領域内にのみ延びる場合、対象物との接触に際して、層54は、接触領域外であり、それゆえ磨耗は全く生じなく、そして、図6による層56は、プローブ延長部28の出発点に延びていて、層56の周端部66は、走査部材30に到達するビーム58用のコリメータまたは入り口瞳孔(entrance pupil)として使用される。ビーム58は、図5によれば、レンズ32を介して光学的センサ34に描写された明るい輝点64を形成する走査部材30の中央に反射される。
【0033】
経験する磨耗から、走査部材30の赤道68にのみ延びた層56を阻止するために、高い表面硬度または磨耗抵抗を有する付加的な層が適用できる。この層は、好ましくは、窒化シリコンのようなシリコン(silicon)混合物からなっている。他の適切な層もまた可能である。
【0034】
図5と6の実施例において、輝点64によって描写されたマークが、走査部材30よりはむしろ、光学的センサ34の助けを使用して走査部材30の位置を決定するために実際に評価される場合、次に、図7と8の実施例において、特に走査部材30のz−方向の偏位を測定するために走査部材36と接続されたマーク70を使用するための他の可能性がある。
【0035】
実施例によれば、リングまたはディスク形状のマーキング72はプローブ延長部28から延びていて、このマーキングは、走査部材内の中心に、また、それゆえ、自由な走査部材30の場合、すなわち、走査部材30が対象物を感知しない場合においてそのイメージ72の中心に延びていて、投影(projection)は、走査部材30が光軸74の方向に球形の外径、したがって円形の外形を有する場合、L字状に走行するプローブ延長部28用に、端部と変遷部で走査部材30内に配置されたプローブ延長部の部分の中心軸線と一致する光軸74に平行である。
【0036】
スキャナしたがって走査部材30がz−方向へ移動された場合、また、対象物12の表面76が感知された場合、プローブ延長部28は横方向に調整され、それに引き続いて、マーキング72によって形成されたマーク70は、走査部材30のイメージ72の中心78に向かって、図8の実施例において距離dAによってシフト(shift)される。
このシフトはついで、z−方向への偏位が、先に導かれた比較測定を使用して決定されることを可能にする。シフトdAとz−方向への偏位との間の関係は、原理的に図9に示されている。
このように、本発明の教示によれば、光学的触感方法において測定する座標システム10は、対象物の構造を三次元的に検知するために使用できる。
【0037】
図7と8からもまた明らかなように、マーキング72によって表わされたマーク70は、好ましくは、走査部材30を対比(contrast)しなければならず、また暗くする効果(darkening effect)を有する。
これとは独立して、マーキング72によって生じたマーク70はまた、平面において構造を測定した場合、二次元測定用に使用できるので、それゆえ、走査部材自体の位置でなく、マーク70の位置が評価される。
【0038】
非常に小さな直径を有する穴80のような凹部を測定するために、特に、走査部材30を感覚面(sensory surface)82から、または感覚点(sensory point)84から分離する場合、走査部材30に作用する粘着力(adhesion force)が、スキャナ26と感覚面82との間に発生されたかなりの距離の後でのみ生じ、走査部材が穴の対向する壁86を打撃するようにプローブ延長部28が振動するというリスクの結果になり、それによって損傷が生ずるという測定点54からの分離に導かないことを確実にしなければならない。
【0039】
この問題を解決するために、本発明は、特に、スキャナ26を感覚点84から取り除く場合、スキャナが垂直にまたは実質的に垂直に感覚方向88方向へ移動され、そして、望ましくない範囲におけるスキャナ26の振動を排除して走査部材30の迅速な取り外しを確実にすることを提案する。感覚点84からの取り外しに際する感覚方向88に垂直またはほぼ垂直なスキャナ26のこの移動は、図13における点線でのイメージによって明らかにされる。
【0040】
感覚方向88に垂直またはほぼ垂直なスキャナ26の移動は、プローブ延長部28が、特に1μmと20μmとの間の数μmに達する距離を有して走査部材30がゼロ位置外に移動された位置外に距離Xによって調整された場合に、生じなければならない。
【0041】
図13は、横の力の影響なしで感覚点84と接触するようになる走査部材30の位置において実線で示されたスキャナ26を示している。28’は、スキャナ26が感覚方向88と反対にすでに移動された位置におけるプローブ延長部28を示していて、走査部材30はしかしながら、粘着の作用力によって感覚点84に依然として取着されている。点線で示されたスキャナ26’の位置において、感覚方向に垂直にまたはほぼ垂直にすでに生じた移動が示されていて、走査部材30は、感覚点84から取外されるようになり、感覚方向88が走行する感覚面上に配置される。
【0042】
上述したプロセスは再度図15に示されている。左側の位置において、走査部材30は感覚面82から離間して配置されている。その次の描写において、走査部材30は端部または表面82を測定するために感覚点84で感覚面82と接触している。次にスキャナ26は、感覚方向88と反対の方向へ遠くに移動される(矢印90)。それによって走査部材30は感覚面82に取着されて残り、プローブ延長部28は矢印60の方向へ調整される。次に、感覚方向88に垂直に、またはほぼ垂直に走行する移動(矢印92)が行なわれ、次に、走査部材30が直ちに感覚領域(sensory field)82から取外され、プローブ延長部28の長手方向の軸線に整列される。
【0043】
図10〜12に基づくと、本発明の独立した態様が説明される。
光学的触感式測定プロセスにおいて、走査部材30またはそのイメージ94の位置付けによって、測定されるべき対象物12の構造は光学的センサ34の感覚領域96に決定される。走査部材30が対象物12と接触しない場合、イメージ94は、起点(point of origin)98とラベルがつけられた感覚領域96の所定の点に設けられる。走査部材30が、表面100のような測定されるべき構造と接触した場合、イメージ94は、起点から離れて移動する。
【0044】
光学的センサ34と走査部材30との間に配置されたレンズ32によって光学的に関連する検知エラーが生じ、測定の不正確性を導く。それゆえ、走査部材30が感覚面100と接触する正確な瞬間に走査部材30の位置を測定することが有益である。これは本発明によって可能になり、イメージ94を起点98にシフトするために、走査部材30は最初概略的方法で感覚面100を走査する。プローブおよびそれ故走査部材30は、次に、図12において明らかなように、イメージ94が再び起点にあるかまたはそれに整列されるまで、後方へ移動する。感覚移動は、比較的迅速に達成されるけれども、反作用プロセスは、例えば粘着力によって生ずるエラーを排除するためにゆっくりと行なわれなければならない。
【0045】
図14は、本発明における教示の他の独立した態様を知らせる。
中空の本体部106のスルーホール102、104を通して測定するために、本発明は、光を発するように中空の本体部106内に配置された光源108を備えていて、光は、走査部材30内に変移するプローブ延長部28の部分12の長手方向の軸線110に平行に走行する。長手方向の軸線110に向けられた適切なビームは、114のラベルが付けられている。種々のスルーホール102を測定するために、光源108は次に調整された位置に残り、中空の本体部106は光源108に向かって回転される(矢印116)。
【0046】
そのような測定プロセスの1つの例は、図16と17に開示されている。図16において、インジェクションノズル118は、中空の本体部がインジェクションノズル118をその長手方向の軸線122の周りに回転するようにするために固定装置120に据え付けられている。インジェクションノズル118の頂部領域124において、スルーホール126は円錐状のケーシングに配置されていて、この実施例において円錐状の軸線は、インジェクションノズル118の長手方向の軸線122と一致する。その円錐形の端面134を介して光がスルーホール126の軸線の方向に照射される光案内部の形状の照射装置132が、次いでインジェクションノズル118の中心孔30に配置される。この方向は、光学的触感式測定システムの光学的軸線と、および、スキャナ26の角度を有する端部部分112の長手方向の軸線110と一致する。円錐形のケーシングに矩形に配置されたスルーホール126を測定するために、いまや、インジェクションノズル118を回転することのみが必要である(図16における矢印134)。これは、光案内部132を固定的に維持する。
【図面の簡単な説明】
【図1】座標測定装置の基本的描写を示す図。
【図2】光学的触感式方法で測定するスキャナを有する図1に示された座標測定装置の基本的描写の断面図。
【図3】光学的触感式方法で測定するスキャナを有する三次元測定を達成するための装置の基本的描写を示す図。
【図4】走査部材の基本的描写を示す図。
【図5】図4による走査部材の第1の更なる発展を示す図。
【図6】図4による走査部材の第2の更なる発展を示す図。
【図7】割り当てられたマーキングを有する走査部材の基本的描写を示す図。
【図8】z−方向への引き続く偏位の図7による走査部材の基本的描写を示す図。
【図9】z−方向への走査部材の偏位を決定するためのグラフ。
【図10】対象物とそのイメージから所定の距離に配置された走査部材の基本的描写を示す図。
【図11】対象物と接触する場合の図10に示された走査部材と、走査部材のイメージとを示す図。
【図12】走査部材のイメージを有し、図11による退避された位置における走査部材を示す図。
【図13】小さい直径のオリフィスを測定するための装置の基本的描写を示す図。
【図14】中空の本体部のスルーホールを測定するための装置の基本的描写を示す図。
【図15】感覚面と関連した走査部材の種々の位置を示す図。
【図16】回転可能に据え付けられたインジェクションノズルの断面図。
【図17】図16によるインジェクションノズルの断面図。
Claims (26)
- 少なくとも一側が弾性的なプローブ延長部(28、112)と対象物を感知する走査部材(30)とを有するスキャナ(18、26)と、走査部材を直接または間接的に検知するカメラのようなオプティカルセンサ(34)と、これとスキャナとの間に設けられた第1のレンズ(32)とを備えた座標測定装置(10)を使用して、対象物(12)の構造の光学的触感式測定を達成するための装置であり、スキャナはオプティカルセンサとともに調整可能であって、
オプティカルセンサ(34)とスキャナ(26)とは、1つの装置(35)内に一体にされていることを特徴とする装置。 - 装置(35)は、位置決めジョイント(36)によって調整可能であり、また、特に、好ましくはたぶん調整可能な作業距離を有するズームレンズのように構成された第1のレンズを備えていることを特徴とする請求項1記載の装置。
- 装置(35)は、スキャナ(26)またはその走査部材(30)用の照明装置(32)を備えていることを特徴とする請求項1または2記載の装置。
- 走査部材(30)またはそれ用のマーキングは、第2のオプティカルセンサまたは第2のレンズに割り当てられていて、走査部材またはマーキングは、第1のオプティカルセンサによって測定された平面(x−y平面)に直角に延びた軸線(z−軸線;52)方向に測定できることを特徴とする請求項1記載の装置。
- 走査部材(30)は、走査部材の側の被覆面によって反射された放射が走査部材(30)の内部に明るい輝点のような光学的に検知可能なマーク(64)を生成するように、センサから離れて面した表面(60)に占有的に、反射性および/または蛍光性の被覆(54)を装着されているか、および/または反射性または蛍光性の材料からなる層(56)を備えていることを特徴とする請求項1記載の装置。
- 被覆(54)は、球面形状を有する走査部材の場合にセンサから離間して面する表面(60)の走査部材の赤道(68)まで、またはほぼ赤道(68)までのびていることを特徴とする請求項5記載の装置。
- 少なくとも対象物(12)と接触する領域の被覆(54、56)は、特に、窒化シリコンのようなシリコン含有保護被覆で表面硬化された保護被覆、または、耐磨耗保護被覆で覆われていることを特徴とする請求項5または6記載の装置。
- マーキングは、スキャナ(26)のプローブ延長部(28)から延びていて、走査部材(30)のマーク(70)として第1のオプティカルセンサ(34)に現われ、走査部材の位置はマークによって決定できることを特徴とする先行する請求項のいずれか1項記載の装置。
- 走査部材(30)の方向におけるディスク部材のようなマーキング(22)の投影は、スキャナ(30)の測定平面におけるその延長部よりも小さいことを特徴とする請求項8記載の装置。
- 座標測定装置(10)のz−方向の対象物(12)を測定するために、z−方向の走査部材(30)の偏位は、マーク(70)と走査部材(30)またはそのイメージ(72)との相対的な移動によって決定できることを特徴とする先行する請求項の少なくともいずれか1項記載の装置。
- マーク(70)は、照射された走査部材(30)の暗い領域であることを特徴とする先行する請求項の少なくともいずれか1項記載の装置。
- 偏位がない走査部材(30)の場合において、マーク(70)は走査部材のほぼ中心(78)に延びていることを特徴とする先行する請求項の少なくともいずれか1項記載の装置。
- 平面(x−y平面)において測定するスキャナ(36)は、測定されるべき感覚点(84)からxの距離に、平面に垂直またはほぼ垂直に調整可能であることを特徴とする先行する請求項のいずれか1項記載の装置。
- 対象物は、スルーホール(102、104、126)を備えた壁を有する中空の本体部(116、118)であって、走査部材(30)と交差するプローブ延長部(112)の長手方向軸線(11)に平行に向けられた光を発生する照明装置(108、132)は、中空の本体部の回転により変化されずに維持される照明装置を有する中空の本体部(116、118)内に設けられていることを特徴とする先行する請求項のいずれか1項記載の装置。
- 少なくとも一側が弾性的なプローブ延長部(28、112)と対象物を感知する走査部材(30)とを有するスキャナ(18、26)と、走査部材を直接または間接的に検知するカメラのようなオプティカルセンサ(34)と、これとスキャナとの間に設けられた第1のレンズ(32)とを備えた座標測定装置(10)を使用して、対象物(12)の構造の光学的触感式測定を処理するための方法であって、
走査部材(30)が、測定されるべき対象物(100)をおおまかな方法で最初に感知し、次に、オプティカルセンサ(34)によって捕捉された感覚部材のイメージが、対象物と接触することがない場合イメージの位置に対応する位置(起点;98)にあるように後退することを特徴とする方法。 - おおまかな感覚処理は、オプティカルセンサ(34)における最初のイメージ位置に到達するために、スキャナの後退よりも高速のスキャナ(26)で達成されることを特徴とする請求項16項記載の方法。
- 走査部材(30)の位置を決定するために、マーク(70)は走査部材(30)によって測定されることを特徴とする先行する請求項のいずれか1項記載の方法。
- マーク(70)は、走査部材(30)のイメージ(72)内におよび/またはそのイメージ(72)に関連して、スキャナ(26)および/またはそのプローブ延長部から延びたマーキング(72)を描写することによって生成されることを特徴とする少なくとも請求項18記載の方法。
- 測定されるべき対象物(12、76)と接触しない場合、マーク(70)は、走査部材(30)またはそのイメージ(72)の中心を通って延びていることを特徴とする先行する請求項の少なくともいずれか1項記載の方法。
- 対象物(76)をz−方向へ測定するために、走査部材(30)は、z−方向への偏位を体験し、走査部材のz−方向への偏位は、走査部材とマーク(70)またはそのイメージ(70、72)との間の相対的移動から計算されることを特徴とする先行する請求項の少なくともいずれか1項記載の方法。
- 相対的移動は、走査部材(30)のイメージの中心(78)とマーク(70)の中心との間の距離(dA)から決定されることを特徴とする先行する請求項の少なくともいずれか1項記載の方法。
- 対象物(82)の感覚点(84)に接近するかおよび/またはそれから離れるように移動する前に、スキャナ(36)は、感覚点からxの距離で測定平面(88)と交差する感覚点に垂直にまたはほぼ垂直に調整されることを特徴とする先行する請求項のいずれか1項記載の方法。
- スルーホール(102、104、126)を備えた中空の本体部(106、118)の壁を測定するために、照明装置(108)は、光が、スルーホールを測定する走査部材(30)と交差するプローブ延長部(102)の長手方向の軸線(110)に平行に整列されるように中空の本体部内に配置されていることを特徴とする先行する請求項のいずれか1項記載の方法。
- スルーホール(102、104、126)の連続的測定のために、中空の本体部(106、118)は回転され、また、照明装置(108、132)の位置は中空の本体部と相対的に変更されないで維持されることを特徴とする請求項25項記載の方法。
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