WO2002025206A9 - Anordnung und verfahren zum opto-taktilen messen von strukturen - Google Patents

Anordnung und verfahren zum opto-taktilen messen von strukturen

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WO2002025206A9
WO2002025206A9 PCT/EP2001/010826 EP0110826W WO0225206A9 WO 2002025206 A9 WO2002025206 A9 WO 2002025206A9 EP 0110826 W EP0110826 W EP 0110826W WO 0225206 A9 WO0225206 A9 WO 0225206A9
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probe element
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Ralf Christoph
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Werth Messtechnik Gmbh
Ralf Christoph
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/002—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring two or more coordinates
    • G01B11/005—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring two or more coordinates coordinate measuring machines
    • G01B11/007—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring two or more coordinates coordinate measuring machines feeler heads therefor
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B5/00—Measuring arrangements characterised by the use of mechanical techniques
    • G01B5/004—Measuring arrangements characterised by the use of mechanical techniques for measuring coordinates of points
    • G01B5/008—Measuring arrangements characterised by the use of mechanical techniques for measuring coordinates of points using coordinate measuring machines
    • G01B5/012—Contact-making feeler heads therefor

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for the opto-tactile measurement of structures of an object by means of a coordinate measuring machine comprising a probe with an at least end-elastic bending probe extension with a probe element probing therefrom, an optical sensor such as a camera directly or indirectly detecting the probe element and optionally first optics arranged between this and the button, the button being adjustable together with the optical sensor. Furthermore, the invention relates to a method for the opto-tactile measurement of structures of an object by means of a coordinate measuring machine comprising a probe with an at least end-elastic bending probe extension with a probe element starting from this, a probe element directly or indirectly detecting the probe element, such as a camera and optionally arranged between this and the button first optics.
  • a corresponding mechanically probing coordinate measuring machine is e.g. B. DE 43 27 250 AI.
  • the mechanical probing process can be visually checked with the aid of a monitor by observing the probe via a video camera.
  • the probe head emanating from a magnetic interchangeable holder can be designed in the form of a so-called quartz crystal probe, which is damped when it comes into contact with a workpiece surface.
  • the video camera it is thus possible to track the position of the probe ball relative to the workpiece or a hole to be measured on the monitor in order to manually observe the probing process when it is immersed in the hole.
  • the actual measurement is done electromechanically.
  • No. 4,972,597 describes a coordinate measuring machine with a probe, the probe extension of which is biased in its position by means of a spring.
  • a section of the push button extension running in a housing has two light-emitting elements spaced apart from one another in order to determine the position of the push button extension and thus indirectly that of a push button element arranged at the outer end of the push button extension by means of a sensor element.
  • WO 98/57121 proposes a coordinate measuring machine with which optotactile is measured.
  • the position of a probe element touching an object to be measured is optically determined in order to measure the structure directly from the position of the probe element itself or a target mark assigned to it.
  • the deflection of the probe element can be detected by shifting the image on a sensor field of an electronic image processing system with an electronic camera.
  • Another possibility for determining the deflection is to determine this from an order of magnitude of the image of a target mark, from which the radiation-optical relationship between the object distance and the magnification results.
  • Corresponding pushbuttons have an elastic extension, the pushbutton extension tapering towards the pushbutton element, which is preferably designed as a ball.
  • the probe extension outside the tapered end can have a diameter of 200 ⁇ m, for example. In the end area, the probe extension can have a diameter between 20 ⁇ m and 30 ⁇ m. Typical diameters of spherical probe elements are between 30 and 500 ⁇ m.
  • the probe elements to be found in WO 97/57121 can consist of different materials such as ceramic, ruby or glass. Furthermore, the optical quality of the corresponding elements can be improved by coatings with scattering or reflecting layers.
  • an opto-tactile coordinate measuring machine in which the optical sensor forms a jointly adjustable unit with the button, the button starting from an interchangeable holder and via an optical and mechanical coupling with an adjustment device of the interchangeable holder is connected, which is rotatable and translationally adjustable to or with the interchangeable holder.
  • the optical sensor itself is stationary in relation to the interchangeable holder.
  • the present invention is based, inter alia, on the problem of developing an arrangement and a method of the type mentioned at the outset in such a way that the structure of an object can be measured with high accuracy to the required extent, It is particularly important to ensure that the object does not interrupt the direct beam path between the probe element and the sensor. Measurement should also be possible under unfavorable optical conditions.
  • a high level of measurement accuracy is also to be achieved, optical distortions that lead to measurement errors being excluded.
  • the optical sensor and the button are integrated in one unit or form one.
  • the unit can be adjustable via a swivel-swivel joint.
  • the unit should include the first optics, which are designed in particular as zoom optics with a working distance that can be changed if necessary.
  • Usual optics of opto-tactile measuring coordinate measuring machines can of course also be used.
  • buttons and the optical sensor with optics are integrated in one unit and as such can be freely adjusted in space via a swivel-swivel joint, it is possible to use a coordinate measuring machine e.g. B. also to measure in an x-y plane or obliquely to this areas such as openings or holes, since the optical sensor is aligned with the structure according to the orientation of the button.
  • a coordinate measuring machine e.g. B. also to measure in an x-y plane or obliquely to this areas such as openings or holes, since the optical sensor is aligned with the structure according to the orientation of the button.
  • connection of the unit consisting of the button, the optics and the optical sensor with the rotary-swivel joint can, for. B. done via a standard change interface.
  • the button assumes a change holder, as described by DE 198 47 711 AI, so that reference is made to the relevant disclosure.
  • An interface between optics and sensor is also conceivable, so that the unit as a whole has a modular structure.
  • the optics used can be designed as zoom optics with a working distance that can be changed, as described by WO 99/53268.
  • the unit can contain lighting for the pushbutton element, wherein the pushbutton element can be illuminated directly or via the pushbutton extension as a light guide.
  • a second optical sensor or a second optical system is assigned to the scanning element or a marking assigned to it, by means of which the scanning element or the marking in a plane perpendicular to the plane measured by the first optical sensor (as xy-plane) extending axis (like z-axis) is measurable. It is therefore possible to measure three-dimensionally with the probe element.
  • the probe element is either provided with a reflective and / or a fluorescent layer only on its side facing away from the sensor and / or with a reflective or fluorescent layer Material layer is provided in such a way that radiation reflected from the surface of the layer on the sensing element side generates an optically detectable mark in the interior of the sensing element, such as a bright light spot.
  • a further proposal of the invention provides that the layer is covered, at least in its area that comes into contact with an object, with a surface-hard or abrasion-resistant protective layer, in particular a protective layer containing silicon, such as a silicon nitride layer.
  • the probe extension is based on a mark appearing in the first optical sensor as the marker of the probe element, the position of the probe element being determinable by means of the marker.
  • a disc element can thus emanate from the probe element, the projection of which in the direction of the probe element is smaller than its extension in the measuring plane.
  • a deflection of the probe element in the z direction can be determined as a displacement of the mark to the probe element.
  • the orientation of the probe element in the z-direction is consequently determined from the change in the distance between the image of the marking, that is to say the mark and the image of the probe element. Conversion is based on a measurement curve between deflection and change in distance.
  • the probe element should have a spherical geometry and the marking should have a cylindrical geometry, the mark apparently running in the center of the probe element when the probe element is not deflected.
  • the probing is an object by shifting the image of the scanning element on the sensor field of the optical sensor or determined ⁇ the image processing system.
  • measurement errors can occur due to distortion of the optics present between the probe element and the optical sensor.
  • a proprietary proposal provides that the probe element measuring in one plane (xy-plane) is moved to the probe point of the object to be measured in such a way that first a rough probing takes place, and then the probe element moves back until the image is at the starting point of the sensor field in which the image lies when the object is not touching. This measure enables a precise measurement of the probing point without optical measurement errors.
  • an independent proposal of the invention provides protection. that the probe measuring in one plane (x-y plane) can be adjusted immediately before or immediately after touching the object perpendicularly or approximately perpendicularly to the plane, that is to say to the probing direction.
  • the invention provides that in the hollow body there is arranged a light generating light directed parallel to the longitudinal axis of the push-button extension and the position of which remains unchanged when the hollow body is rotated. This ensures with structurally simple measures that the through openings can be measured in a high cycle, without adjustment measures being necessary between the individual measurements.
  • the method mentioned at the outset for opto-tactile measurement of structures of an object is characterized in that a mark is measured by the touch element to determine the position of the touch element.
  • the mark can be generated by mapping a marking emanating from the button in and / or to the image of the touch element. In particular, the mark runs through the center of the probe element when there is no contact with an object to be measured.
  • the probe element By using a mark assigned to the probe element, it is possible to measure an object in the z direction of the coordinate measuring machine, the probe element being deflected in the z direction and the deflection of the probe element in the z direction from relative displacement between the probe element and the mark or whose images are calculated.
  • the relative shift can be determined from the distance between the center of the image of the probe element and the center of the mark.
  • the distance x should be 1 ⁇ m ⁇ x ⁇ 20 ⁇ m.
  • illumination is positioned in the hollow body in such a way that light is aligned parallel to the longitudinal axis of the push-button extension cutting the probe element measuring a through-opening. The lighting position remains unchanged when measuring through openings of the hollow body.
  • an independent solution suggests that the probe element first roughly touches the object to be measured and then withdrawn in such a way that the image of the probe element captured by the optical sensor is in one position ( Zero point), which corresponds to the image position when the object is untouched.
  • the probing can take place at high speed, whereas the movement to reach the zero positions takes place slowly.
  • FIG. 2 shows a basic illustration of a section of the coordinate measuring machine according to FIG. 1 with an opto-tactile measuring button
  • FIG. 3 shows a schematic diagram of an arrangement for three-dimensional measurement with an opto-tactile probe
  • FIG. 5 shows a first development of the feeler element according to FIG. 4,
  • FIG. 6 shows a second development of the feeler element according to FIG. 4,
  • FIG. 8 is a schematic diagram of the probe element of FIG. 7 after deflection in the z direction
  • Fig. 10 is a schematic diagram of a probe element spaced apart from an object and its. Image
  • FIG. 13 shows a basic illustration of an arrangement for measuring an opening with a small cross section
  • Fig. 17 shows the injector of Fig. 16 in a detail.
  • 1 shows a basic illustration of a coordinate measuring machine 10 - in the exemplary embodiment of a multi-sensor coordinate measuring machine - in a portal construction with which an object 12 is to be measured.
  • the coordinate measuring machine 10 has a slide 16 which can be moved along a portal 14 and from which sleeves or sensors extend in order to measure the object.
  • the coordinate measuring machine 10 comprises at least one opto-tactile measuring sensor 18 and additionally measuring optics 20 for measuring in the z direction.
  • the coordinate measuring machine 10 can be operated in the usual way via a data processing system 22 and a terminal 24. In this respect, however, reference is made to well-known techniques which also relate to the basic structure of the coordinate measuring machine 10.
  • a fiber probe which is generally provided with the reference numeral 26 and, according to FIGS. 13 and 14, consists of a preferably L-shaped probe extension 28 with a probe element 30 at its end ,
  • the feeler element 30 is preferably a spherical body, without thereby restricting the invention.
  • the push button extension 28 is designed to be flexible at least at the end and can consist of a light-conducting fiber.
  • the cross section of the push button extension 28 is usually in the range of 200 ⁇ m, wherein the push button extension 28 in the area of the touch element 30 can have a cross section between 20 ⁇ m and 30 ⁇ m.
  • the probe element 30 itself has a diameter of approximately 30 to 50 ⁇ m, depending on the measurement tasks.
  • the probe element 30 is imaged on an electronic camera or its sensor field, such as a CCD matrix, via optics 32. In this respect, too, reference is made to the known techniques which go back to the applicant.
  • the sensing element 30 instead of detecting the sensing element 30, it is also possible to select a target mark assigned to it from the probe extension 28 as the reference point. For reasons of simplification, however, the probe element 30 is always used below for the measurement, without thereby restricting the invention. Rather, the corresponding explanations apply accordingly to a target mark assigned to the sensing element 30.
  • the sensing element 30 comes into contact with the object, this is detected by shifting the image on the sensor field of the sensor 34 and is thus measured.
  • sensor and button 26 are adjusted as a unit, but the sensor generally measures parallel to the xy plane.
  • the camera 34, the optics 32 and the button 26 are designed as a unit 35 and that they are connected in particular to a rotary-swivel joint 36, which in turn can originate from a sleeve 38 of the coordinate measuring machine 10.
  • the unit 35 can be positioned with respect to the angle in the working space of the coordinate measuring machine 10 by means of the rotary-pivot joint 36.
  • the camera 34 or its image plane can assume desired positions with respect to the object 12, so that, for. B. undercuts and in particular also openings parallel to the xy plane such as bores can be measured.
  • the unit 35 can be connected to the rotary swivel joint via a standard change interface 40. There is also the possibility of the button 26 via a button change station such as this. B. described in DE 198 47 71 1 AI to connect to the unit 35.
  • the unit 35 should furthermore contain an illumination 42, via which the probe element 30 is illuminated directly or via the probe extension 28 designed as a light guide.
  • the optics 32 can be a zoom optics with a working distance that can be changed, as described in WO 99/53268, to the disclosure of which reference is expressly made.
  • the unit 35 comprising the sensor 34, the optics 32 and the button 26 is connected to a rotary-swivel joint 36, there is also the possibility of not only pressing the button element 30 in a plane such as xy-plane, but also to be measured along an axis running perpendicular to it, i.e. in the case of the xy plane, the z axis. This will be explained with reference to FIG. 3.
  • the unit 35 is aligned parallel to the x-y plane of the coordinate measuring machine 10 with respect to the optical axis 44 by means of the rotary-swivel joint 36.
  • the position of the probe element 30 can then be measured via the measuring optics 20, 46 comprising a sensor 48 and optics 50 such as zoom optics with a variable working distance, the optical axis 52 of the measuring optics 46 coinciding with the z-axis in the exemplary embodiment.
  • the sensing element 30 has a coating 56, 58 at least in regions, which consists of fluorescent or reflective material.
  • the sensor element 30 is provided with the layer 54 in its sensor-facing region 60, due to which the rays 58 entering the sensor element 30 are reflected, the geometry of the outer surface of the sensor-facing region of the sensor element Probe element 30 and the correspondingly running coating 54, the reflected rays 62 are bundled into a light spot 64, which can be perceived by the optical sensor 34 in a defined manner and can be used to determine the position of the probe element 30.
  • the outer geometry of the probe element 30 is such that the reflected rays are reflected to the center of the probe element 30 in which the light spot 64 is formed.
  • the coating 54 mentioned above only ate in the area 60 of the sensing element 30 facing away from the sensor, so that when an object is touched the layer 54 lies outside the contact area and thus cannot be rubbed off, the layer 56 extends according to FIG 6 to the approach of the probe extension 28, the peripheral edge 66 of the layer 56 serving as a diaphragm or entrance pupil for the radiation 58 entering the probe element 30, which is reflected according to the embodiment of FIG. 5 to the center of the probe element 30 and there one forms bright light spot 64, which is imaged on the optical sensor 34 via the optics 32.
  • an additional layer with a high surface hardness or abrasion resistance can be applied, which preferably consists of a silicon compound such as silicon nitride.
  • a silicon compound such as silicon nitride.
  • Other suitable layers are also possible.
  • Probe element 30 but a mark formed by the light spot 64 to determine the position of the probe element 30 by means of the optical sensor 34, there is another possibility according to the embodiment of FIGS. 7 and 8, a mark 70 related to the probe element 36 to use, in particular to be able to measure a deflection of the sensing element 30 in the Z direction.
  • the stylus extension 28 starts with a ring-shaped or disk-shaped marking 72 which, when the stylus 30 is free, that is to say when the stylus 30 does not touch an object, and a projection parallel to the optical axis 74, when the stylus extension extends at an L angle 28 should coincide with the central axis of the end of the section of the pushbutton extension that merges into the pushbutton element 30, runs centrally within the pushbutton element and thus also in the center of its image 72, provided that the pushbutton element 30 has a spherical geometry and thus a circular geometry in the direction of the optical axis 74.
  • the button extension 28 is adjusted laterally with the result that the mark 70 formed by the marking 72 becomes the center 78 of the image 72 of the Probe element 30 is moved, in the embodiment of FIG. 8 by the distance dA.
  • the deflection in the Z direction can then be determined, which is determined by previously carried out comparative measurements.
  • the relationship between the displacement dA for the deflection in the direction Z can be seen in principle in FIG. 9.
  • a structure of an object can be detected three-dimensionally with the opto-tactile measuring coordinate system 10.
  • the mark 70 formed by the marking 12 should preferably contrast with the feeler element 30 and have a darkening effect.
  • the mark 70 generated by the marking 12 can also be used in a two-dimensional measurement to measure a structure in one plane, so that consequently it is not the position of the probe element itself, but that of the mark 70 that is evaluated.
  • the invention proposes that, in particular when the button 26 is removed from the touch point 84, the former is moved perpendicularly or almost perpendicularly to the touch direction 88, so that a quick release of the touch element 30 is ensured and thus a swinging of the button 26 in undesirable scope is excluded.
  • This movement of the pushbutton 26 which occurs perpendicularly or almost perpendicularly to the touching direction 88 after being released from the touching point 84 is to be illustrated by the broken lines in FIG. 13.
  • the movement of the button 26, which is perpendicular or almost perpendicular to the probing direction 88, should take place when the button extension 28 has been displaced by a distance X from the position. in which the probe element 30 from the Zero position is moved out, the distance can be a few ⁇ m, in particular between 1 ⁇ m and 20 ⁇ m.
  • the button 26 is shown in a solid representation in a position in which the sensing element 30 touches the probing point 84 without the action of transverse forces.
  • the pushbutton extension 28 is shown at 28 'in a position in which the pushbutton 26 has already been moved counter to the probing direction 88, but the pushbutton element 30 still adheres to the touching point 84 due to the prevailing adhesive forces.
  • the dashed representation of the pushbutton 26 ' the movement perpendicular or almost perpendicular to the scanning direction has already been carried out, so that the scanning element 30 is detached from the scanning point 84 and is located above the scanning plane in which the scanning direction 88 extends.
  • the probe element 30 is spaced apart from the contact surface 82.
  • the contact element 30 touches the contact surface 82 at the contact point 84 in order to measure an edge or surface 82.
  • the button 26 is moved away from the probing direction 88 (arrow 90).
  • the probe element 30 remains adhered to the contact surface 82 and the probe extension 28 is adjusted in the direction of the arrow 60.
  • the structure of the sensor is determined by the position of the sensing element 30 or its image 94 on the sensor field 96 of the optical sensor 34 measuring object 12 determined. If the sensing element 30 is in engagement with the object 12, the image 94 is located in a defined location of the sensor field 96, which is referred to as the zero point 98. If the probe element 30 comes into contact with a structure to be measured, such as a surface 100, the image 94 shifts away from the zero point 98.
  • a light source 108 is arranged inside the hollow body 106, in order then to emit light which runs parallel to the longitudinal axis 110 of the section 12 of the push-button extension 28 which passes into the push-button element 30. Corresponding beams aligned on the longitudinal axis 110 are provided with the reference number 114.
  • the light source 108 then remains in the set position and the hollow body 106 is rotated toward the light source 108 (arrow 114). An example of a measurement in this regard can be seen in FIGS. 16 and 17.
  • an injection nozzle 118 is received as the hollow body by a holder 120 in order to rotate the injection nozzle 118 about its longitudinal axis 122.
  • a holder 120 In the head region 124 of the injection nozzle 118, through openings 126 run on a cone jacket, the axis of the cone coinciding with the longitudinal axis 122 of the injection nozzle 118 in the exemplary embodiment.
  • An illumination 132 in the form of a light guide is then positioned in the central bore 130 of the injection nozzle 118, via whose conical front face 134 light is emitted in the axial direction of the passage opening 126. This direction then coincides with the optical axis of the opto-tactile measuring system and with the longitudinal axis 110 of the angled end section 112 of the button 26.
  • the light guide 132 is held stationary.

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum opto-taktilen Messen von Strukturen eines Objektes (12) mittels eines Koordinatenmesssgerätes (10) umfassend einen Taster (18) mit einer zumindest endseitig biegeelastischen Tasterverlängerung mit von dieser ausgehendem das Objekt antastenden Tastelement. Um im erforderlichen Umfang die Struktur eines Objektes (12) mit hoher Genauigkeit messen zu können, wird vorgeschlagen, dass der optische Sensor und der Taster in einer Einheit integriert sind oder eine solche bilden.

Description

Anordnung und Verfahren zum opto-taktilen Messen von Strukturen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum opto-taktilen Messen von Strukturen eines Objektes mittels eines Koordinatenmesssgerätes umfassend einen Taster mit einer zumindest endseitig biegeelastischen Tasterverlängerung mit von dieser ausgehendem das Objekt antastenden Tastelement, einen das Tastelement direkt oder indirekt erfassenden optischen Sensor wie Kamera und gegebenenfalls zwischen diesem und dem Taster angeordnete erste Optik, wobei der Taster mit dem optischen Sensor gemeinsam verstellbar ist. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum opto-taktilen Messen von Strukturen eines Objektes mittels eines Koordinatenmessgerätes umfassend einen Taster mit einer zumindest endseitig biegeelastischen Tasterverlängerung mit von dieser ausgehendem das Objekt antastenden Tastelement, einen das Tastelement direkt oder indirekt erfassenden optischen Sensor wie Kamera und gegebenenfalls zwischen diesem und dem Taster angeordnete erste Optik.
Es ist bekannt, zum Messen von Strukturen eines Objektes ein Koordinatenmessgerät mit elektromagnetisch arbeitenden, also schaltenden Tastern zu verwenden, mit denen auf direktem Wege die Strukturlage bestimmt wird, d. h., die Position des Antastelementes wie Kugel wird über einen Taststift übertragen. Die hierbei auftretenden Verformungen des Taststiftes in Verbindung mit den wirkenden Reibkräften fuhren jedoch häufig zu Verfälschungen der Messergebnisse. Durch die starke Kraftübertragung kommt es ferner zu Messkräften- die typisch > 10 mN sind. Die geometrische Ausgestaltung solcher Tastsysteme beschränkt diese auf Kugeldurchmesser grundsätzlich > 0,3 mm. Die dreidimensionale Messung kleiner Strukturen im Bereich von wenigen l Otel Millimetern und das Antasten von leicht verformbaren Prüflingen ist somit problematisch bzw. nicht möglich. Bedingt durch die nicht vollständig bekannten Fehlereinflüsse durch Verformung des Taststiftes und Tastelement sowie die aufgrund z. B. von Stick- Slip-Effekten unbekannten Antastkräfte entstehen Messunsicherheiten, die typischerweise > 1 μm sind.
Ein entsprechendes mechanisch tastendes Koordinatenm essgerät ist z. B. der DE 43 27 250 AI zu entnehmen. Dabei kann eine visuelle Kontrolle des mechanischen Antastvorganges mit Hilfe eines Monitors erfolgen, indem der Tastkopf über eine Videokamera beobachtet wird. Gegebenenfalls kann der von einem magnetischen Wechselhalter ausgehende Tastkopf in Form eines sogenannten Schwingquarztasters ausgebildet sein, der bei Berührung mit einer Werkstück Oberfläche gedämpft wird. Mittels der Videokamera ist es somit möglich, die Position der Tastkugel relativ zum Werkstück bzw. einer zu messenden Bohrung auf dem Monitor zu verfolgen, um den Antastvorgang beim Eintauchen in die Bohrung manuell zu beobachten. Das eigentliche Messen erfolgt jedoch elektromechanisch.
In der US 4,972,597 wird ein Koordinatenmessgerät mit einem Taster beschrieben, dessen Tasterverlängerung mittels einer Feder in ihrer Position vorgespannt ist. Eine in einem Gehäuse verlaufender Abschnitt der Tasterverlängerung weist zwei zueinander beabstandete Licht emittierende Elemente auf, um mittels eines Sensorelementes die Position der Tasterverlängerung und damit indirekt die eines am äußeren Ende der Tasterverlängerung angeordneten Tastelements zu bestimmen.
Um die Nachteile der elektromechanisch arbeitenden schaltenden Taster zu vermeiden, wird durch die WO 98/57121 ein Koordinatenmessgerät vorgeschlagen, mit dem opto- taktil gemessen wird. Hierbei wird die Position eines ein zu messendes Objekt berührenden Tastelementes optisch bestimmt, um unmittelbar aus der Position des Tastelementes selbst bzw. einer diesem zugeordneten Zielmarke die Struktur zu messen. Dabei kann die Auslenkung des Tastelementes durch Verschiebung des Bildes auf einem Sensorfeld eines elektronischen Bildverarbeitungssystems mit elektronischer Kamera erfasst werden. Auch besteht die Möglichkeit, die Auslenkung des Tastelementes durch Auswerten einer Kontrastfunktion des Bildes mittels eines elektronischen Bildverarbeitungssystems zu bestimmen. Eine weitere Möglichkeit zur Bestimmung der Auslenkung besteht darin, diese aus einer Größenordnung des Bildes einer Zielmarke zu bestimmen, aus dem der strahlenoptische Zusammenhang zwischen Objekt- Abstand und Vergrößerung resultiert.
Entsprechende Taster weisen eine biegeelastische Verlängerung auf, wobei sich die Tasterverlängerung zum vorzugsweise als Kugel ausgebildeten Tastelement hin verjüngt. Die Tasterverlängerung außerhalb des verjüngten Endes kann beispielsweise einen Durchmesser von 200 μm aufweisen. Im Endbereich kann die Tasterverlängerung einen Durchmesser zwischen 20μm und 30 μm aufweisen. Typische Durchmesser von kugelförmigen Tastelementen liegen zwischen 30 und 500 μm.
Die der WO 97/57121 zu entnehmenden Tastelemente können aus verschiedenen Materialien wie Keramik, Rubin oder Glas bestehen. Ferner kann die optische Qualität der entsprechenden Elemente durch Beschichtungen mit streuenden oder reflektierenden Schichten verbessert werden.
Aus der DE 198 47 71 1 AI ist ein opto-taktil arbeitendes Koordinatenmessgerät bekannt, bei dem der optische Sensor mit dem Taster eine gemeinsam verstellbare Einheit bildet, wobei der Taster von einer Wechselhalterung ausgeht und über eine optische und mechanische Kopplung mit einer Justiereinrichtung der Wechselhalterung verbunden ist, die zu bzw. mit der Wechselhalterung rotatorisch und translatorisch verstellbar ist. Der optische Sensor selbst ist in Bezug auf die Wechselhalterung stationär ausgebildet.
Der vorliegenden Erfindung liegt u.a. das Problem zu Grunde, eine Anordnung und ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass im erforderlichen Umfang die Stuktur eines Objektes mit hoher Genauigkeit gemessen werden kann, wobei ins- besondere sichergestellt sein soll, dass das Objekt den direkten Strahlengang zwischen Tastelement und Sensor nicht unterbricht. Dabei soll auch unter ungünstigen optischen Bedingungen ein Messen möglich sein.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung soll mittels des Tastelementes gleichzeitig in x-, y- und z-Richtung des Koordinatenmessgerätes gemessen werden können. Auch soll eine hohe Messgenauigkeit erzielt werden, wobei optische Verzeichnungsfehler, die zu Messverfälschungen fuhren, ausgeschlossen werden sollen. Insbesondere soll das Messen kleinster bzw. relativ tiefer Öffnungen wie Durchgangsbohrungen möglich sein, ohne dass die Gefahr einer Beschädigung des Tasters erwächst.
Zur grundsätzlichen Lösung der Problemstellungen wird nach einem Aspekt der Erfindung vorgeschlagen, dass der optische Sensor und der Taster in einer Einheit integriert sind oder eine solche bilden. Dabei kann die Einheit über ein Dreh-Schwenk-Gelenk verstellbar sein. Ferner sollte die Einheit die insbesondere als Zoomoptik mit gegebenenfalls veränderbarem Arbeitsabstand ausgebildete erste Optik umfassen. Übliche Optiken opto-taktil messender Koordinatenmessgeräte können selbstverständlich ebenfalls benutzt werden.
Dadurch, dass der Taster und der optische Sensor mit Optik in einer Einheit integriert und als solche über ein Dreh-Schwenk-Gelenk beliebig im Raum verstellbar sind, besteht die Möglichkeit, mit einem Koordinatenmessgerät z. B. auch in einer x-y-Ebene oder schräg zu dieser verlaufende Bereiche wie Öffnungen oder Bohrung zu messen, da der optische Sensor entsprechend der Orientierung des Tasters auf die Struktur ausgerichtet wird.
Die Verbindung der aus dem Taster, der Optik und dem optischen Sensor bestehenden Einheit mit dem Dreh-Schwenk-Gelenk kann z. B. über eine Standardwechselschnittstelle erfolgen. Dabei besteht selbstverständlich auch die Möglichkeit, dass der Taster von einer Wechselhalterung ausgeht, wie dies durch die DE 198 47 711 AI beschrieben ist, so dass auf die diesbezügliche Offenbarung verwiesen wird. Eine Schnittstelle zwischen Optik und Sensor ist gleichfalls denkbar, so dass sich für die Einheit insgesamt ein modularer Aufbau ergibt.
Die zum Einsatz gelangende Optik kann erwähntermaßen als Zoomoptik mit gegebenenfalls veränderbarem Arbeitsabstand ausgebildet sein, wie dies durch die WO 99/53268 beschrieben wird.
Des Weiteren kann die Einheit eine Beleuchtung für das Tastelement enthalten, wobei das Tastelement unmittelbar beleuchtet werden kann oder über die Tasterverlängerung als Lichtleiter.
In hervorzuhebender Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass dem Tastelement oder einer diesem zugeordneten Markierung ein zweiter optischer Sensor bzw. eine zweite Optik zugeordnet ist, mittels der das Tastelement bzw. die Markierung in einer senkrecht zu der von dem ersten optischen Sensor gemessenen Ebene (wie x-y-Ebene) verlaufenden Achse (wie z-Achse) messbar ist. Somit besteht die Möglichkeit, mit dem Tastelement dreidimensional zu messen.
Um auch unter ungünstigen optischen Bedingungen bzw. überaus präzise messen zu können, sieht ein eigenerfinderischer Vorschlag vor, dass das Tastelement entweder ausschließlich auf seiner sensorabgewandten Seite mit einer reflektierenden und/ oder einer fluoreszierenden Schicht versehen ist und/ oder mit einer aus reflektierendem bzw. fluoreszierendem Material bestehenden Schicht derart versehen ist, dass von tastelement- seitiger Fläche der Schicht reflektierte Strahlung im Inneren des Tastelementes eine optisch erfassbare Marke wie heller Leuchtfleck erzeugt.
Durch diese Maßnahmen ist eine präzise Messung auch an Objekten, die z. B. stark reflektieren, möglich, da nicht der Berührungspunkt zwischen Tastelement und Objekt, sondern eine in dem Tastelement erzeugte Marke zur Messung benutzt wird. Dabei ist dann, wenn die Schicht ausschließlich auf sensorabgewandter Seite des Tastelementes verläuft, also bei einem eine Kugelgeometrie aufweisendem Tastelement maximal bis zu dessen Äquator, sichergestellt, dass durch den Kontakt zwischen Tastelement und Objekt ein Abrieb der Schicht unterbleibt.
Unabhängig von der Erstreckung der Schicht auf dem Tastelement ist nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung vorgesehen, dass die Schicht zumindest in ihrem mit einem Objekt in Kontakt gelangenden Bereich mit einer oberflächenharten bzw. abriebfesten Schutzschicht insbesondere einer Silizium enthaltenden Schutzschicht wie Siliziumnitrid-Schicht abgedeckt ist.
Kann in dem Tastelement durch Lichtreflexion eine Marke erzeugt werden, so sieht eine hervorzuhebende eigenerfinderische Weiterbildung vor, dass von der Tasterverlängerung eine in dem ersten optischen Sensor als Marke des Tastelementes erscheinende Markierung ausgeht, wobei die Position des Tastelementes mittels der Marke bestimmbar ist.
So kann von dem Tastelement ein Scheibenelement ausgehen, dessen Projektion in Richtung des Tastelementes kleiner als dessen Erstreckung in messender Ebene ist. Dabei ist zur Messung des Objektes in z-Richtung des Koordinatenmessgerätes eine Auslenkung des Tastelementes in z-Richtung als Verschiebung der Marke zu dem Tastelement bestimmbar.
Erfindungsgemäß wird folglich aus der Veränderung des Abstandes des Bildes der Markierung, also der Marke zu dem Bild des Tastelementes die Ausrichtung des Tastelements in z-Richtung bestimmt. Eine Umrechnung erfolgt anhand einer Mess- kυrve zwischen Auslenkung und Abstandsveränderung. Insbesondere sollte das Tastelement eine Kugelgeometrie und die Markierung eine zylinderförmige Geometrie aufweisen, wobei bei unausgelenktem Tastelement die Marke scheinbar im Mittelpunkt des Tastelementes verläuft.
Üblicherweise wird das Antasten eines Objektes durch Verschieben des Bildes des Antastelementes auf dem Sensorfeld des optischen Sensors bzw^ des Bildverarbeitungssystems ermittelt. Hierdurch bedingt können jedoch Messfehler aufgrund Verzeichnungsfehler der zwischen dem Antastelement und dem optischen Sensor vorhandenen Optik auftreten. Um entsprechende Abbildungsfehler auszuschließen, sieht ein eigenerfinderischer Vorschlag vor, dass das in einer Ebene (x-y-Ebene) messende Tastelement zum Antastpunkt des zu messenden Objektes derart bewegt wird, dass zunächst ein grobes Antasten erfolgt, um sodann das Antastelement zurückzubewegen, bis sich das Bild am Ausgangspunkt des Sensorfeldes befindet, in dem das Bild bei nicht berührendem Objekt liegt. Durch diese Maßnahme ist eine präzise Messung des Antastpunktes möglich, ohne dass optisch bedingte Messfehler auftreten.
Um insbesondere Bohrungen kleinster Durchmesser in gewünschter Tiefe zu messen, ohne dass die Gefahr einer Beschädigung des Tasters bzw. der Tasterverlängerung oder des Tastelements erwächst, sieht ein selbständig Schutz genießender Vorschlag der Erfindung vor. dass der in einer Ebene (x-y-Ebene) messende Taster unmittelbar vor bzw. unmittelbar nach Berühren des Objektes senkrecht oder in etwa senkrecht zu der Ebene, also zur Antastrichtung verstellbar ist.
Durch die senkrechte oder nahezu senkrechte Bewegung zur Antastrichtung in einem Abstand von z. B. 1 μm, insbesondere im Abstand zwischen 1 μm und 20 μm zum Antastpunkt, werden Adhäsionskräfte zwischen dem Tastelement und dem Objekt überwunden, die anderenfalls dazu führen würden, dass das Tastelement über eine unerwünscht lange Verstell strecke des Tasters an dem Objekt haften bleibt mit der Folge, dass beim plötzlichen Lösen ein Schwingen des Tasters erfolgt. Dies kann beim Messen kleinster Öffnungen dazuführen, dass der Taster bzw. dessen Verlängerung oder das Tastelement an gegenüberliegender Begrenzungswandung anschlägt und gegebenenfalls zerstört wird.
Sollen Durchgangsöffnungen in der Wandung eines Hohlkörpers als Objekt gemessen werden, sieht die Erfindung vor, dass in dem Hohlkörper eine parallel zur das Tastelement schneidenden Längsachse der Tasterverlängerung gerichtetes Licht erzeugende Beleuchtung angeordnet ist, deren Position gegenüber einem Drehen des Hohlkörpers unverändert bleibt. Somit ist mit konstruktiv einfachen Maßnahmen sichergestellt, dass in hoher Taktfolge die Durchgangsöffnungen messbar sind, ohne dass zwischen den einzelnen Messungen Justiermaßnahmen erforderlich sind.
Um mit hoher Messgenauigkeit Antastpunkte zu bestimmen, zeichnet sich das eingangs genannte Verfahren zum opto-taktilen Messen von Strukturen eines Objektes dadurch aus, dass zur Bestimmung der Position des Tastelementes eine Marke von dem Tastelement gemessen wird. Dabei kann die Marke durch Abbildung einer von dem Taster ausgehenden Markierung im und/oder zum Bild des Tastelementes erzeugt werden. Insbesondere verläuft die Marke bei fehlender Berührung eines zu messenden Objektes durch den Mittelpunkt des Tastelements.
Durch die Verwendung einer dem Tastelement zugeordneten Marke besteht die Möglichkeit, ein Objekt in z-Richtung des Koordinatenmessgerätes zu messen, wobei das Tastelement in z-Richtung ausgelenkt wird und die Auslenkung des Tastelementes in z- Richtung aus Relativverschiebung zwischen dem Tastelement und der Marke bzw. deren Bildern berechnet wird. Dabei kann die Relativverschiebung aus Abstand zwischen Mittelpunkt des Bildes des Tastelementes und Mittelpunkt der Marke bestimmt werden.
Um etwaige Adhäsionskräfte zwischen Tastelement und Objekt zu überwinden, ist nach einem eigenerfinderischen Vorschlag vorgesehen, dass der Taster bei Annäherung des Antastelements an einen Antastpunkt und/ oder nach Entfernen von einem Antastpunkt im Abstand x zum Antastpunkt senkrecht oder in etwa senkrecht zur den Antastpunkt schneidenden Ebene verstellt wird, wobei der Abstand x betragen sollte 1 μm < x < 20 μm.
Zur Ausmessung von Wandung eines Hohlkörpers durchsetzenden Durchtrittsöffnungen wird nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung eine Beleuchtung in dem Hohlkörper derart positioniert, dass Licht parallel zur Längsachse der das eine Durchtrittsöffnung messende Tastelement schneidenden Tasterverlängerung ausgerichtet wird. Dabei bleibt beim Nacheinandermessen von Durchtrittsöffnungen des Hohlkörpers die Beleuchtungsposition unverändert.
Um abbildungsbedingte Messfehler, die durch Verzeichnungsfehler der Optik entstehen können, auszuschließen, sieht ein selbständiger Lösungsvorschlag vor, dass das Tastelement das zu messende Objekt zunächst grob antastet und sodann derart zurückgezogen wird, dass das von dem optischen Sensor erfasste Bild des Antastelementes in einer Position (Nullpunkt) liegt, die der Bildposition bei unberührtem Objekt entspricht.
Dabei kann das Antasten mit großer Geschwindigkeit erfolgen, wohingegen das Bewegen zum Erreichen der Null-Positionen langsam erfolgt.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen - für sich und/oder in Kombination -, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung von den Zeichnungen zu entnehmenden bevorzugten Ausfuhrungsbeispielen.
Es zeigen: Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines Koordinatenmessgerätes,
Fig. 2 eine Prinzipdarstellung eines Ausschnittes des Koordinatenmessgerätes nach Fig. 1 mit opto-taktil messendem Taster,
Fig. 3 eine Prinzipdarstellung einer Anordnung zum dreidimensionalen Messen mit einem opto-taktil messenden Taster,
Fig. 4 eine Prinzipdarstellung eines Tastelementes,
Fig. 5 eine erste Weiterbildung des Tastelementes gemäß Fig. 4,
Fig. 6 eine zweite Weiterbildung des Tastelementes gemäß Fig. 4,
Fig. 7 eine Prinzipdarstellung eines Tastelementes mit diesem zugeordneter Markierung,
Fig. 8 eine Prinzipdarstellung des Tastelementes nach Fig. 7 nach Auslenkung in z-Richtung,
Fig. 9 einen Graph zur Ermittlung der Auslenkung des Tastelementes in z-Richtung,
Fig. 10 eine Prinzipdarstellung eines zu einem Objekt beabstandeten Tastelementes und dessen. Bild,
Fig. 1 1 das der Fig. 10 zu entnehmende Tastelement bei berührendem Objekt sowie Bild des Tastelementes,
Fig. 12 das Tastelement gemäß Fig. 1 1 in zurückbewegter Position mit Bild des
Tastelementes,
Fig. 13 eine Prinzipdarstellung einer Anordnung zum Messen einer Öffnung geringen Querschnitts,
Fig. 14 eine Prinzipdarstellung einer Anordnung zum Messen von Durchgangsöffnungen in einem Hohlkörper,
Fig. 15 verschiede Positionen eines Tastelements zu einer Antastfläche,
Fig. 16 einen Ausschnitt einer drehbar gelagerten Einspritzdüse und
Fig. 17 die Einspritzdüse nach Fig. 16 im Ausschnitt. In Fig. 1 ist eine Prinzipdarstellung eines Koordinatenmessgerätes 10 - im Ausfuhrungsbeispiel eines Multisensorkoordinatenmessgerätes - in Portalbauweise dargestellt, mit dem ein Objekt 12 gemessen werden soll. Hierzu weist das Koordinatenmessgerät 10 einen entlang eines Portals 14 verschiebbaren Schlitten 16 auf, von dem Pinolen bzw. Sensoren ausgehen, um das Objekt zu messen. Im Ausführungsbeispiel umfasst das Koordinatenmessgerät 10 zumindest einen opto-taktil messenden Sensor 18 sowie zusätzlich eine Messoptik 20 zur Messung in z-Richtung.
Das Koordinatenmessgerät 10 ist in gewohnter Weise über eine Datenverarbeitungsanlage 22 und ein Terminal 24 bedienbar. Insoweit wird jedoch auf hinlänglich bekannte Techniken verwiesen, die auch den grundsätzlichen Aufbau des Koordinatenmessgerätes 10 betreffen.
Um die Struktur des Objektes 12 opto-taktil zu messen, wird ein Fasertaster benutzt, der prinzipiell mit dem Bezugszeichen 26 versehen ist und entsprechend der Fig. 13 und 14 aus einer vorzugsweise L-formig gebogenen Tasterverlängerung 28 mit an derem Ende vorhandenem Tastelement 30 besteht. Bei dem Tastelement 30 handelt es sich vorzugsweise um einen Kugelkörper, ohne dass hierdurch die Erfindung eingeschränkt wird. Die Tasterverlängerung 28 ist zumindest endseitig biegeelastisch ausgebildet und kann aus einer Licht leitenden Faser bestehen. Der Querschnitt der Tasterverlängerung 28 beläuft sich üblicherweise im Bereich von 200 μm, wobei die Tasterverlängerung 28 im Bereich des Tastelementes 30 einen Querschnitt zwischen 20 μm und 30 μm aufweisen kann. Das Tastelement 30 selbst weist im Falle einer Kugelform einen Durchmesser von in etwa 30 bis 50 μm in Abhängigkeit von den Messaufgaben auf. Insoweit wird ausdrücklich auf die Offenbarung der WO 98/57121 und insbesondere der WO 99/53269 verwiesen, nach der die Tasterverlängerung innerhalb einer Führung verläuft und nur in einem Endabschnitt elastisch frei beweglich ist. Hierdurch besteht die Möglichkeit, definierte Antastkräfte vorzugeben. Um das Antasten des Objektes 12 zu erfassen, wird das Tastelement 30 über eine Optik 32 auf eine elektronische Kamera bzw. dessen Sensorfeld wie CCD-Matrix abgebildet. Auch insoweit wird auf die bekannten auf die Anmelderin zurückgehenden Techniken verwiesen. Anstelle der Erfassung des Tastelementes 30 kann auch eine diesem zugeordnete von der Tasterverlängerung 28 ausgehende Zielmarke als Bezugspunkt gewählt werden. Aus Gründen der Vereinfachung wird jedoch nachstehend stets das Tastelement 30 zur Messung benutzt, ohne dass hierdurch eine Einschränkung der Erfindung erfolgt. Vielmehr gelten die entsprechenden Erläuterungen entsprechend für eine dem Tastelement 30 zugeordnete Zielmarke.
Gelangt nun das Tastelement 30 mit dem Objekt in Berührung, so wird dies durch Verschiebung des Bildes auf dem Sensorfeld des Sensors 34 erfasst und damit gemessen.
Nach dem Stand der Technik werden Sensor und Taster 26 als Einheit verstellt, wobei jedoch der Sensor grundsätzlich parallel zur x-y-Ebene misst. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Kamera 34, die Optik 32 und der Taster 26 als Einheit 35 ausgebildet sind und diese insbesondere mit einem Dreh-Schwenk-Gelenk 36 verbunden ist, das seinerseits von einer Pinole 38 des Koordinatenmessgerätes 10 ausgehen kann. Durch das Dreh-Schwenk-Gelenk 36 kann die Einheit 35 bezüglich des Winkels im Arbeitsraum des Koordinatenmessgerätes 10 positioniert werden. Hierdurch bedingt kann die Kamera 34 bzw. dessen Bildebene gewünschte Positionen zu dem Objekt 12 einnehmen, so dass z. B. Hinterschneidungen und insbesondere auch parallel zur x-y-Ebene verlaufende Öffnungen wie Bohrungen gemessen werden können. Dabei kann die Einheit 35 mit dem Dreh-Schwenk-Gelenk über eine Standard-Wechselschnittstelle 40 verbunden sein. Auch besteht die Möglichkeit, den Taster 26 über eine Tasterwechselstation, wie diese z. B. in der DE 198 47 71 1 AI beschrieben, mit der Einheit 35 zu verbinden. Die Einheit 35 sollte des Weiteren eine Beleuchtung 42 enthalten, über die das Tastelement 30 direkt oder über die als Lichtleiter ausgebildete Tasterverlängerung 28 beleuchtet wird.
Bei der Optik 32 kann es sich um eine Zoomoptik mit gegebenenfalls veränderbarem Arbeitsabstand handeln, wie diese in der WO 99/53268 beschrieben ist, auf deren Offenbarung ausdrücklich verwiesen wird.
Dadurch, dass die den Sensor 34, die Optik 32 und den Taster 26 umfassende Einheit 35 mit einem Dreh-Schwenk-Gelenk 36 verbunden ist, besteht des Weiteren die Möglichkeit, das Tastelement 30 nicht nur in einer Ebene wie x-y-Ebene, sondern auch entlang einer senkrecht hierzu verlaufenden Achse, also im Falle der x-y-Ebene der z- Achse zu messen. Dies soll anhand der Fig. 3 erläutert werden.
Die Einheit 35 ist mittels des Dreh-Schwenk-Gelenkes 36 in Bezug auf die optische Achse 44 parallel zur x-y-Ebene des Koordinatenmessgerätes 10 ausgerichtet. Sodann kann die Position des Tastelementes 30 über die Messoptik 20, 46 umfassend einen Sensor 48 und eine Optik 50 wie Zoomoptik mit veränderbarem Arbeitsabstand gemessen werden, wobei im Ausfuhrungsbeispiel die optische Achse 52 der Messoptik 46 mit der z-Achse zusammenfallt.
Um auch unter ungünstigen optischen Bedingungen und/oder Objekte messen zu können, die stark reflektieren wie Spiegel oder Metalloberflächen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Tastelement 30 zumindest bereichsweise eine Beschichtung 56, 58 aufweist, die aus fluoreszierendem bzw. reflektierendem Material besteht.
Wie die Prinzipdarstellung der Fig. 4 verdeutlicht, treten Lichtstrahlen 58, die über die Tasterverlängerung 28 geleitet werden, weitgehend ungehindert aus der sensorabgewand- ten Seite 60 des Tastelementes 30 aus. Hierdurch bedingt kann es zu Problemen bei der Abbildung des Tastelementes 30 auf dem optischen Sensor 34 bzw. dessen Sensorfeldes kommen. Um dies zu vermeiden, ist nach dem Ausführungsbeispiel der Fig. 5 das Tastelement 30 in seinem sensorabgewandten Bereich 60 mit der Schicht 54 versehen, aufgrund der die in das Tastelement 30 gelangenden Strahlen 58 reflektiert werden, wobei aufgrund der Geometrie der Außenfläche des sensorabgewandten Bereichs des Tastelementes 30 und der entsprechend verlaufenden Beschichtung 54 eine Bündelung der reflektierten Strahlen 62 zu einem Leuchtfleck 64 erfolgt, der vom optischen Sensor 34 definiert wahrnehmbar und zur Bestimmung der Position des Tastelementes 30 benutzt werden kann. Dabei ist entsprechend dem Ausführungsbeispiel der Fig. 5 und 6 die Außengeometrie des Tastelementes 30 derart, dass die reflektierten Strahlen zum Mittelpunkt des Tastelementes 30 reflektiert werden, in dem der Lichtfleck 64 entsteht.
Verläuft nach dem Ausfuhrungsbeispiel der Fig. 5 die Beschichtung 54 erwähnter aßen nur im sensorabgewandten Bereich 60 des Tastelementes 30, so dass beim Berühren eines Objektes die Schicht 54 außerhalb des Kotaktbereiches liegt und somit nicht abgerieben werden kann, so erstreckt sich die Schicht 56 gemäss Fig. 6 bis zum Ansatz der Tasterverlängerung 28, wobei umlaufender Rand 66 der Schicht 56 als Blende bzw. Eintrittspupille für die in das Tastelement 30 gelangende Strahlung 58 dient, die entsprechend dem Ausführungsbeispiel der Fig. 5 zum Mittelpunkt des Tastelementes 30 reflektiert wird und dort einen hellen Lichtfleck 64 bildet, der über die Optik 32 auf dem optischen Sensor 34 abgebildet wird.
Um zu verhindern, dass die Schicht 56, die sich gegebenenfalls nur bis zum Äquator 68 des Tastelementes 30 erstrecken kann, abgerieben wird, kann eine zusätzliche Schicht mit hoher Oberflächenhärte bzw. Abriebfestigkeit aufgebracht werden, die vorzugsweise aus einer Siliziumverbindung wie Siliziumnitrid besteht. Andere geeignete Schichten sind gleichfalls möglich.
Wird in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 5 und 6 im eigentlichen Sinne nicht das Tastelement 30, sondern eine durch den Lichtfleck 64 gebildete Marke zur Bestimmung der Position des Tastelementes 30 mittels des optischen Sensors 34 ausgewertet, so besteht nach dem Ausführungsbeispiel der Fig. 7 und 8 eine andere Möglichkeit, eine zu dem Tastelement 36 in Beziehung stehende Marke 70 zu benutzen, um insbesondere eine Auslenkung des Tastelementes 30 in Z-Richtung messen zu können.
Nach dem Ausführungsbeispiel geht von der Tasterverlängerung 28 eine ring- bzw. scheibenförmige Markierung 72 aus, die bei freiem Tastelement 30, wenn also das Tastelement 30 ein Objekt nicht antastet, und einer Projektion parallel zur optischen Achse 74, die bei L-winklig verlaufender Tasterverlängerung 28 mit der Mittelachse des endseitigen in das Tastelement 30 übergehenden Abschnitts der Tasterverlängerung zusammenfallen sollte, mittig innerhalb des Tastelementes und damit auch mittig in dessen Bild 72 verläuft, sofern das Tastelement 30 eine Kugelgeometrie und damit in Richtung der optischen Achse 74 eine Kreisgeometrie aufweist.
Wird der Taster und damit das Tastelement 30 in Z-Richtung bewegt und tastet eine Fläche 76 des Objektes 12 an, so wird die Tasterverlängerung 28 seitlich verstellt mit der Folge, dass die von der Markierung 72 gebildete Marke 70 zum Mittelpunkt 78 des Bildes 72 des Tastelementes 30 verschoben wird, und zwar im Ausführungsbeispiel der Fig. 8 um die Streckt dA.
Aus dieser Verschiebung kann sodann die Auslenkung in Z-Richtung ermittelt werden, die durch zuvor durchgeführte Vergleichsmessungen ermittelt wird. Die Beziehung zwischen der Verschiebung dA zur Auslenkung in Richtung Z ist der Fig. 9 prinzipiell zu entnehmen.
Somit kann nach der erfindungsgemäßen Lehre mit dem opto-taktil messenden Koordinatensystem 10 eine Struktur eines Objektes dreidimensional erfaßt werden. Wie aus den Fig. 7 und 8 ebenfalls deutlich wird, sollte die von der Markierung 12 gebildete Marke 70 vorzugsweise im Kontrast zu dem Tastelement 30 stehen und abdunkelnd wirken.
Unabhängig hiervon kann auch bei einer zweidimensionalen Messung die von der Markierung 12 erzeugte Marke 70 zur Messung einer Struktur in einer Ebene benutzt werden, so dass folglich nicht die Position des Tastelementes an sich, sondern die der Marke 70 ausgewertet wird.
Um Aussparungen wie Bohrungen 80 überaus geringer Durchmesser zu messen, muss sichergestellt sein, dass insbesondere beim Lösen des Tastelementes 30 von einer Antastfläche 82 bzw. einem Antastpunkt 84 auf das Tastelement 30 einwirkende Adhäsionskräfte nicht dazu fuhren, dass ein Lösen von dem Messpunkt 54 erst nach erheblicher Entfernung des Tasters 26 von der Antastfläche 82 erfolgt, so dass die Gefahr bestünde, dass die Tasterverlängerung 28 derart in Schwingung versetzt wird, dass das Tastelement an gegenüberliegender Wandung 86 der Bohrung 80 auftrifft und somit eine Beschädigung erfolgen könnte.
Um dieses Problem zu lösen, schlägt die Erfindung vor, dass insbesondere beim Entfernen des Tasters 26 vom Antastpunkt 84 ersterer senkrecht oder nahezu senkrecht zur Antastrichtung 88 bewegt wird, so dass ein schnelles Lösen des Tastelementes 30 sichergestellt ist und somit ein Schwingen des Tasters 26 im unerwünschten Umfang ausgeschlossen wird. Dieses senkrecht oder nahezu senkrecht zur Antastrichtung 88 erfolgende Bewegen des Tasters 26 nach Lösen von dem Antastpunkt 84 soll durch die gestrichelten Darstellungen in Fig. 13 verdeutlicht werden.
Dabei sollte die senkrecht oder nahezu senkrecht zur Antastrichtung 88 verlaufende Bewegung des Tasters 26 dann erfolgen, wenn die Tasterverlängerung 28 um eine Strecke X aus der Position verstellt worden ist. in der das Tastelement 30 aus der Nulllage herausbewegt ist, wobei die Strecke einige μm, insbesondere zwischen 1 μm und 20 μm betragen kann.
In Fig. 13 ist der Taster 26 in durchgezogener Darstellung in einer Position dargestellt, in der das Tastelement 30 den Antastpunkt 84 ohne Einwirkung von Querkräften berührt. Mit 28' ist die Tasterverlängerung 28 in einer Position dargestellt, in dem der Taster 26 bereits entgegen der Antastrichtung 88 bewegt ist, das Tastelement 30 jedoch noch an dem Antastpunkt 84 aufgrund der herrschenden Adhäsionskräfte anhaftet. In der gestrichelten Darstellung des Tasters 26' ist bereits die senkrecht oder nahezu senkrecht zur Antastrichtung erfolgte Bewegung durchgeführt worden, so dass das Tastelement 30 von dem Antastpunkt 84 gelöst ist und sich oberhalb der Antastebene befindet, in der die Antastrichtung 88 verläuft.
Der zuvor geschilderte Ablauf ist noch einmal in Fig. 15 dargestellt. In der linken Position befindet sich das Tastelement 30 beabstandet zur Antastfläche 82. In der nachfolgenden Darstellung berührt das Tastelement 30 die Antastfläche 82 im Antastpunkt 84, um eine Kante bzw. Fläche 82 zu messen. Sodann wird der Taster 26 entgegen der Antastrichtung 88 wegbewegt (Pfeil 90). Dabei bleibt das Tastelement 30 an der Antastfläche 82 haften und die Tasterverlängerung 28 wird in Richtung des Pfeils 60 verstellt. Sodann erfolgt die senkrecht oder nahezu senkrecht zur Antastrichtυng 88 verlaufende Bewegung (Pfeil 92) mit der Folge, dass das Tastelement 30 von der Antastfläche 82 sofort gelöst wird und sich auf die Längsachse der Tasterverlängerung 28 ausrichtet.
Anhand der Fig. 10 - 12 soll ein eigenerfinderischer Aspekt der Erfindung erläutert werden.
Beim opto-taktilen Messverfahren wird durch die Position des Tastelements 30 bzw. dessen Bild 94 auf dem Sensorfeld 96 des optischen Sensors 34 die Struktur des zu messenden Objekts 12 ermittelt. Ist das Tastelement 30 in Ausgriff mit dem Objekt 12, so befindet sich das Bild 94 in einem definierten Ort des Sensorfelds 96, der als Nullpunkt 98 bezeichnet wird. Gelangt das Tastelement 30 mit einer zu messenden Struktur wie einer Fläche 100 in Kontakt, so verschiebt sich das Bild 94 vom Nullpunkt 98 weg.
Durch die zwischem dem optischen Sensor 34 und dem Tastelement 30 vorhandene Optik 32 können optisch bedingte Zeichnungsfehler auftreten, die zu Messungenauigkeit fuhren. Daher wäre es von Vorteil, die Position des Tastelements 30 genau in dem Moment zu messen, wenn das Tastelement 30 die Antastfläche 100 berührt. Erfindungsgemäß wird dies dadurch ermöglicht, dass das Tastelement 30 zunächst grob die Antastfläche 100 antastet, wodurch ein Verschieben des Bildes 94 zum Nullpunkt 98 erfolgt. Sodann wird der Taster und damit das Tastelement 30 so lange zurückbewegt, bis das Bild 94 erneut im Nullpunkt 98 liegt oder auf diesen ausgerichtet ist, wie dies anhand der Figur 12 verdeutlicht wird. Dabei kann die Bewegung zum Antasten relativ schnell durchgeführt werden, wohingegen das Zurückfahren langsam erfolgen sollte, um zum Beispiel durch Adhäsionskräfte bedingte Fehler auszuschließen.
Die Fig. 14 vermittelt einen weiteren eigenständigen Aspekt der erfindungsgemäßen Lehre.
Um Durchgangsöffnungen 102, 104 eines Hohlkörpers 106 zu messen, ist vorgesehen, dass eine Lichtquelle 108 innerhalb des Hohlkörpers 106 angeordnet wird, um sodann Licht zu emittieren, das parallel zur Längsachse 1 10 des in das Tastelement 30 übergehenden Abschnitts 12 der Tasterverlängerung 28 verläuft. Entsprechende auf die Längsachse 1 10 ausgerichtete Strahlen sind mit dem Bezugszeichen 1 14 versehen. Zum Messen der verschiedenen Durchgangsöffnungen 102 verbleibt sodann die Lichtquelle 108 in der eingestellten Position und der Hohlkörper 106 wird zu der Lichtquelle 108 gedreht (Pfeil 1 14). Ein Beispiel für eine diesbezügliche Messung ist den Fig. 16 und 17 zu entnehmen. So ist in Fig. 16 eine Einspritzdüse 118 als der Hohlkörper von einer Halterung 120 aufgenommen, um die Einspritzdüse 118 um deren Längsachse 122 zu drehen. Im Kopfbereich 124 der Einspritzdüse 118 verlaufen auf einem Kegelmantel Durchgangsöffnungen 126, wobei im Ausführungsbeispiel die Achse des Kegels mit der Längsachse 122 der Einspritzdüse 118 zusammenfällt. In die zentrale Bohrung 130 der Einspritzdüse 1 18 wird sodann eine Beleuchtung 132 in Form eines Lichtleiters positioniert, über dessen kegelförmig ausgebildete Stirnfläche 134 Licht in Achsrichtung der Durchgangsöffnung 126 abgestrahlt wird. Diese Richtung fällt sodann mit der optischen Achse des opto-taktil-arbeitenden Messsystems und mit der Längsachse 1 10 des abgewinkelten Endabschnitts 1 12 des Tasters 26 zusammen. Um die auf dem Kegelmantel vorhandenen Durchtrittsöffnungen 126 nacheinander zu messen, ist es nur noch erforderlich, die Einspritzdüse 118 zu drehen (Pfeil 134 in Fig. 16). Dabei wird der Lichtleiter 132 ortsfest gehalten.

Claims

Patentansprüche
1. Anordnung zum opto-taktilen Messen von Strukturen eines Objektes (12) mittels eines Koordinatenmessgerätes (10) umfassend einen Taster (18, 26) mit einer zumindest endseitig biegeelastischen Tastverlängerung (28, 112) mit von dieser ausgehendem das Objekt antastenden Tastelement (30), einen das Tastelement direkt oder indirekt erfasssenden optischen Sensor (34) wie Kamera und gegebenenfalls zwischen diesem und dem Taster angeordnete erste Optik (32), wobei der Taster mit dem optischen Sensor gemeinsam verstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Sensor (34) und der Taster (26) in einer Einheit (35) integriert sind und eine solche bilden.
2. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit (35) über ein Dreh-Schwenk-Gelenk (36) verstellbar ist und insbesondere die vorzugsweise als Zoomoptik mit gegebenenfalls veränderbarem Arbeitsabstand ausgebildete erste Optik (32) umfasst.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit (35) eine Beleuchtung (32) für den Taster (26) bzw. dessen Tastelement (30) enthält.
. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Tastelement (30) oder einer diesem zugeordneten Markierung ein zweiter optischer Sensor bzw. eine zweite Optik zugeordnet ist, mittels der das Tastelement bzw. die Makierung in einer senkrecht zu der von dem ersten optischen Sensor gemessenen Ebene (X-Y-Ebene) verlaufenden Achse (Z-Achse; 52) messbar ist.
5. Anordnung nach vorzugsweise Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Tastelement (30) entweder ausschließlich auf seiner sensorabgewandten Fläche (60) mit einer reflektierenden und/oder einer fluoreszierenden Schicht (54) versehen ist und/oder mit einer aus reklektierendem bzw. fluoreszierendem Material bestehenden Schicht (56) derart versehen ist, dass von tastelementseiti- ger Fläche der Schicht reflektierte Strahlung im Inneren des Tastelements (30) eine optisch erfassbare Marke (64) wie heller Leuchtfleck erzeugt.
6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzei chnet, dass die Schicht (54) bei einem eine Kugelform aufweisenden Tastelement auf sensorabgewandter Fläche (60) bis oder in etwa bis zum Äquator (68) des Tastelementes verläuft.
7. Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (54, 56) zumindest in ihrem mit dem Objekt (12) in Kontakt gelangenden Bereich mit einer oberflächenharten bzw. abriebfesten Schutzschicht, insbesondere einer siliziumenthaltenden Schutzschicht wie Siliziumnitrid-Schicht abgedeckt ist.
8. Anordnung nach vorzugsweise einem der hervorgehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass von der Tasterverlängerung (28) des Tasters (26) eine in dem ersten optischen Sensor (34) als Marke (70) des Tastelements (30) erscheinende Markierung (72) ausgeht, wobei die Position des Tastelementes mittels der Marke bestimmbar ist.
9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass Projektion der Markierung (22) wie Scheibenelement in Richtung des Tastelementes (30) kleiner als dessen Erstreckung in Messebene des Tasters (30) ist.
10. Anordnung nach zumindest einem der hervorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass zur Messung des Objektes (12) in Z-Richtung des Koordinatenmessgerätes (10) eine Auslenkung des Tastelementes (30) in Z-Richtung aus Verschiebung der Marke (70) zu dem Tastelement (30) bzw. dessen Bild (72) bestimmbar ist.
11. Anordnung nach zumindest einem der hervorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Marke (70) ein abgedunkelter Bereich im beleuchteten Tastelement (30) ist.
12. Anordnung nach zumindest einem der hervorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzei chnet, dass bei unausgelenktem Tastelement (30) die Marke (70) scheinbar im Mittelpunkt (78) des Tastelementes verläuft.
13. Anordnung nach vorzugsweise einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der in einer Ebene (X-Y-Ebene) messende Taster (26) in einem Abstand x von einem zu messenden Antastpunkt (84) senkrecht oder in etwa senkrecht zu der Ebene verstellbar ist.
14. Anordnung nach vorzugsweise einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Taster (28) nach Entfernen von dem Antastpunkt (84) in einem Abstand x mit insbesondere 1 μm < x < 20 μm senkrecht oder in etwa senkrecht zu in der Ebene liegenden Antastrichtung (88) verstellbar ist.
15. Anordnung nach vorzugsweise einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Objekt (106, 118) ein Hohlkörper mit Durchgangsöffnungen (102, 104, 126) aufweisender Wandung (124) ist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Hohlkörper (106, 118) eine parallel zur das Tastelement (30) schneidenden Längsachse (11) der Tasterverlängerung (112) gerichtetes Licht erzeugende Beleuchtung (108, 132) angeordnet ist, deren Position gegenüber ein Drehen des Hohlkörpers unverändert bleibt.
16. Verfahren zum opto-taktilen Messen von Strukturen eines Objektes mittels eines Koordinatenmessgerätes (10) umfassend einen Taster (18, 26) mit einer zumindest endseitig biegeelastischen Tasterverlängerung (28, 112) mit von dieser ausgehendem das Objekt antastenden Tastelement (30), einen das Tastelement direkt oder indirekt erfassenden optischen Sensor (34) wie Kamera und gegebenenfalls zwischen diesem und dem Taster angeordnete erste Optik (32), dadurch gekennzei chnet, dass das Tastelement (30) das zu messende Objekt (100) zunächst grob antastet und sodann derart zurückbewegt wird, dass von dem optischen Sensor (34) erfasstes Bild des Antastelementes in einer Position (Nullpunkt; 98) liegt, die Bildposition bei unberührtem Objekt entspricht.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das grobe Antasten mit höherer Geschwindigkeit des Tasters (26) als das Zrückbewegen des Tasters zur Erreichung der Nullpunktbildposition in dem optischen Sensor (34) durchgeführt wird.
18. Verfahren nach vorzugsweise einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Position des Tastelementes (30) eine Marke (70) von dem Tastelement (30) gemessen wird.
19. Verfahren nach zumindest Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Marke (70) durch Abbildung einer von dem Taster (26) bzw. dessen Tasterverlängerung ausgehenden Markierung (72) im und/oder zum Bild (72) des Tastelementes (30) erzeugt wird.
20. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Marke (70) bei fehlender Berührung eines zu messenden Objekts (12, 76) durch Mittelpunkt (78) des Tastelementes (30) bzw. dessen Bilds (72) verläuft.
21. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung des Objekts (76) in Z-Richtung das Tastelement (30) in Z- Richtung ausgelenkt wird, wobei Auslenkung des Tastelements in Z-Richtung aus Relativverschiebung zwischen dem Tastelement und der Marke (70) bzw. deren Bildern (70, 72) berechnet wird.
22. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Relativverschiebung aus dem Abstand (dA) zwischen dem Mittelpunkt (789 des Bilds des Tastelementes (30) und Mittelpunkt der Marke (70) bestimmt wird.
23. Verfahren nach vorzugsweise einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Taster (26) vor Annäherung und/oder Entfernen von einem Antastpunkt (84) des Objekts (82) in einem Abstand x zum Antastpunkt senkrecht oder in etwa senkrecht zur den Antastpunkt schneidenden Messebene (88) verstellt wird.
24. Verfahren nach zumindest Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Taster (26) in einem Abstand x mit 1 μm < x < 20 μm von dem Antastpunkt (84) senkrecht oder in etwa senkrecht zur Antastrichtung (88) verstellt wird.
25. Verfahren nach vorzugsweise einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ausmessen von Wandung eines Hohlkörpers (106, 118) durchsetzenden Durchtrittsöffnungen (102, 104, 126) eine Beleutung (108, 132) in dem Hohlköφer derart positioniert wird, dass Licht parallel zur Längsachse (110) der das eine Durchtrittsöffnung messende Tastelement (30) schneidenden Tasterverlängerung (112) ausgerichtet ist.
26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass zum aufeinanderfolgenden Messen von Durchtrittsöffnungen (102, 104, 126) der Hohlkörper (106, 118) gedreht und die Beleuchtung (108, 132) zu dem Hohlköφer positionsunverändert gehalten wird.
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