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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum dreidimensionalen opto-taktilen Messen eines Objektes bzw. von dessen Struktur mittels eines Koordinatenmessgerätes, wobei zum Messen des Objekts ein von einer biegeelastischen Tasterverlängerung ausgehendes, mit dem Objekt in Berührung zu bringendes Tastelement mit einem optischen Sensor sensiert wird.
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Aus der
WO 98/57121 A1 ist ein Koordinatenmessgerät mit einem Tastelement bekannt, das von einer biegeelastischen Tasterverlängerung ausgeht. Dabei wird die Biegeelastizität zur Realisierung der koordinatenmessgerättypischen Auslenkung von taktilen Sensoren benutzt. Um mit einem entsprechenden opto-taktilen Messverfahren auch dreidimensional messen zu können, sind zumindest zwei optische Sensoren wie etwa Kameras erforderlich. Entsprechendes lehrt auch die
DE 298 08 683 U1 .
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Um dreidimensional messen zu können, kann die Kontrastfunktion (Videoautofokus) genutzt werden. Allerdings wird bei diesem Verfahren eine eingeschränkte Empfindlichkeit in Kauf genommen, so dass gegebenenfalls Messunsicherheiten im μm-Bereich auftreten können.
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Nach einem anderen Verfahren erfolgt eine Auswertung durch die Größenänderung des Tastelementes durch Defokussierung bei einer Verschiebung in z-Richtung, die entlang der optischen Achse des optischen Sensors verläuft. In diesem Fall kann für die xy-Messung eine vorteilhafte telezentrische Optik nicht genutzt werden.
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Auch besteht die Möglichkeit, die Unschärfe bei z-Verschiebung des Tastelementes auszuwerten, wobei die zuvor erläuterten Verfahren in Kombination zur Anwendung gelangen können.
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Werden zwei Kameras auf das Tastelement oder auf eine Zielmarke einer Tasterverlängerung ausgerichtet, um dreidimensional messen zu können, ist ein erhöhter Hardware-Aufwand gegeben. Auch besteht eine Kollisionsgefahr zwischen dem zweiten optischen Sensor und dem zu messenden Objekt. Ferner können Abschattungseffekte durch das Objekt selbst auftreten.
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Der
DE 43 27 250 A1 ist ein Verfahren zur Koordinatenmessung von Werkstücken zu entnehmen. Dabei wird ein Videobild zur einfachen Positionierung eines Tasters benutzt. Zur Messung kann ein Schwingquarztaster eingesetzt werden, der eine signifikante Steifigkeit aufweisen muss, um eine ausreichend hohe Resonanzfrequenz zu erzielen. Hierdurch ist die Gefahr eines Bruches gegeben.
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Die
DE 197 36 169 A1 bezieht sich auf ein Verfahren zur Verformungs- oder Schwingungsmessung mittels elektronischer Speckle-Pattern-Interferometrie.
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Gegenstand der
US 5 118 956 A ist ein Taster, dessen Auslenkung interferometrisch bestimmt wird. Hierzu verläuft innerhalb einer aus Keramik bestehenden Tasterverlängerung ein Lichtleiter.
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Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zu Grunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass auf konstruktiv einfachem Wege dreidimensional die Position des Tastelementes ermittelt und somit das Objekt gemessen werden kann, wobei gleichzeitig eine Steigerung der Messempfindlichkeit gegenüber bekannten Verfahren in Bezug auf die z-Richtung des Koordinatenmessgeräts gegeben sein soll. Es sollen gleiche Messgenauigkeiten in den Raumrichtungen x, y und z des Koordinatenmessgerätes erreicht werden. Die Gefahr von Kollisionen soll ausgeräumt sowie Abschattungseffekte sollen vermieden werden.
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Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Tastelement zur Erzielung eines zu beobachtenden Speckle-Musters zumindest teilweise kohärente Strahlung und teilweise diffus abstrahlt, dass dem von dem Tastelement ausgehenden, sich in Richtung des optischen Sensors ausbreitenden Licht eine Referenzwelle überlagert wird, die von gleicher Lichtquelle wie die kohärente Strahlung emittiert wird und dass die Phasenlage zwischen entsprechenden Teilwellen mit bekannten Phasenschiebemethoden der Speckle-Interferometrie ermittelt und aus der entsprechenden Phasenlage auf die Position des Tastelements in z-Richtung geschlossen wird.
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Bei dreidimensionaler Messung unter Berücksichtigung der Speckle-Korrelation ergibt sich Folgendes:
- – Verwendung eines aktiv leuchtenden Tastelementes durch Zuführung von kohärentem Licht über eine die Tasterverlängerung bildenden Multimode-Lichtleitfaser bzw. Lichtleitfasern.
- – Bei dieser Anordnung erscheint das Tastelement im Videobild nicht mehr flächig leuchtend, vielmehr bildet sich ein Speckle-Muster aus.
- – Dieses Muster ist tasterfest bei Auslenkung in x- und y-Richtung.
- – Mit Hilfe von Korrelationsverfahren kann somit die Tasterposition in der xy-Ebene ermittelt werden.
- – Bei einer Taterauslenkung in z-Richtung tritt eine radiale Vergrößerung des Speckle-Musters auf. Mit Hilfe spezieller Korrelationsalgorithmen kann dieser Vergrößerungsfaktor bestimmt und so die Tasterposition in z-Richtung ermittelt werden.
- – Vorteilhaft bei größerem Speckle-Muster könnte sein, dass bei telezentrischer Optik der telezentrische Bereich durch Defokussierung verlassen oder eine nicht-telezentrische Optik verwendet wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren unter Zugrundelegung der Speckle-Interferometrie ist wie folgt zu erläutern:
Entsprechend dem Verfahren unter Zugrundelegung der Speckle-Korrelation wird eine Beleuchtungsanordnung gewählt, jedoch vor der Einkopplung in die die Tasterverlängerung bildende Faser wird ein Teil des Lichts ausgekoppelt, um einen Referenzstrahl zu gewinnen. Sodann erfolgt eine interferenzielle Überlagerung des Referenzstrahls mit dem Licht, das sich vom Tastelement zum optischen Sensor, also insbesondere zur CCD-Kamera ausbreitet. Die optische Weglänge des Referenzstrahls oder des in die Faser eingekoppelten Lichts ist stufenweise um Bruchteile der Lichtwellenlänge veränderbar (Möglichkeit der Phasenverschiebung). Es erfolgt sodann eine Nutzung der bekannten Auswerteverfahren der „Electronic Speckle Interferometry” (ESPI) zur Bestimmung der Tasterauslenkung in z-Richtung.
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Die Bestimmung der Position in der xy-Ebene erfolgt entsprechend der Erläuterung im Zusammenhang mit der Speckle-Korrelation, und zwar durch Auswertung des Tasterbildes bei abgeblendetem Referenzstrahl mit maximaler Korrelation zwischen ausgelenktem und nicht ausgelenktem Zustand.
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Erfindungsgemäß wird ein opto-taktiler Taster für die dreidimensionale Messung verwendet. Dabei wird mit einem optischen Sensor wie einer CCD-Kamera neben dem Werkstück auch das Tastelement beobachtet, dessen Position mit Bildverarbeitungsgeräten bestimmt wird. Bevorzugtes Einsatzfeld des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Messung von Mikrostrukturen (Mikrobohrungen, Mikrozahnräder), da das Tastelement kleiner als bei konventionellen Tastern sein kann. Eine umfassende dreidimensionale Messfähigkeit ist gegeben.
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Der Hardware-Aufwand wird im Vergleich zu bekannten Verfahren, mit denen dreidimensional gemessen wird, verringert. In Bezug auf bekannte Lösungen wird die Messunsicherheit verringert, Abschattungseffekte treten nicht auf. Auch die Kollisionsgefahr mit einem Werkstück ist weitgehend ausgeschlossen.
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Ein opto-taktiler 3D-Taster zeichnet sich dadurch aus, dass das Tastelement zur Erzielung eines zu beobachtenden Speckle-Musters zumindest teilweise kohärente Strahlung und teilweise diffus abstrahlt, und dass die Position des Tastelements in xy-Richtung des Koordinatenmessgerätes dadurch ermittelt wird, dass in einer Korrelationsanalyse das aktuelle Tasterbild mit einem Tasterbild des unausgelenkten Tastelements zur Lokalisierung des aktuellen Speckle-Musters im Sichtfeld des optischen Sensors verglichen wird.
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Ferner wird dem von dem Tastelement ausgehenden, sich in Richtung des optischen Sensors ausbreitenden Licht eine Referenzwelle überlagert, die von der gleichen Lichtquelle wie die kohärente Strahlung emittiert wird, wobei die Phasenlage zwischen den entsprechenden Teilwellen mit bekannten Phasenschiebemethoden der Speckle-Interferometrie ermittelt wird.
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Bei dem Verfahren unter Zugrundelegung der Speckle-Interferometrie werden zur Messung der z-Koordinate die bekannten Messanordnungen und Auswerteverfahren der „Electronic Speckle Interferometry (ESPI)” genutzt, wie sie z. B. in (1) erläutert sind.
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Hierbei wird vor der Einkopplung in die Faser ein Teil des Lichts einer kohärenten Lichtquelle ausgekoppelt, das als Referenzstrahl dient. Dieser Referenzstrahl wird mit dem Licht, das sich vom Tastelement zur CCD-Kamera ausbreitet, interferenziell überlagert. Die optische Weglänge des Referenzstrahls oder des in die Faser eingekoppelten Lichts lässt sich stufenweise um Bruchteile der Lichtwellenlänge verändern.
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Ist die die Tasterverlängerung bildende Faser als Multimode-Faser ausgebildet, so ist im CCD-Bild der Kamera ein Speckle-Muster sichtbar. Für die Intensität der einzelnen Speckles gilt der Zusammenhang ICCD = Ī·(1 + cos(Δϕ + ϕ0)) mit: Δϕ = 2π / λ·z (1)
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Hierbei sind:
Ī: mittlere Intensität, λ: Lichtwellenlänge, z: z-Position der Tastkugel, ϕ0: Phasenwinkel, abhängig von den optischen Weglängen der beiden Lichtstrahlen.
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Um die gesuchte Position z zu bestimmen, kann die Phasenschiebe-Methode angewandt werden. Da Gl. (1) drei Unbekannte enthält, sind hierzu mindestens drei Intensitäten bei unterschiedlichen Phasenwinkeln ϕ
0i erforderlich. Werden beispielsweise vier Intensitäten I
0 ... I
3 gemessen, bei denen der Phasenwinkel
ϕ01 = ϕ00 + π/2, π02 = ϕ00 + π, ϕ03 = ϕ00 + 3π/2 beträgt, gilt für die Position z
mit n: ganze Zahl.
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Derartige Messungen sind vor und nach dem Antasten an das Werkstück durchzuführen.
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Gl. (2) ist mehrdeutig, da n nicht bekannt ist. Zur Bestimmung der gesuchten Tasterposition h durch das Antasten sind folgende Vorgehensweisen möglich:
- – Überwachung der Speckle-Intensitäten während des Antastens und Zählen der Hell-Dunkel-Übergänge, die der Zahl n in Gl. (2) entspricht.
- – Überwachung der Speckle-Intensitäten während des Antastens und Stoppen der Maschine nach einer z-Tasterbewegung < λ, um sicherzustellen, dass n = 0 beträgt.
- – Ausführen der Messung gemäß Gl. (2) mit zwei kohärenten Lichtquellen mit den Lichtwellenlängen λa und λb, die sich vorteilhafterweise nur geringfügig unterscheiden. In diesem Fall ist in Gl. (2) anstelle von λ die synthetische Wellenlänge Λ = λaλb/|λa – λb| und anstelle von Δϕ die der Phasenwinkel Δϕab = Δϕa – Δϕb anzusetzen. Da die synthetische Wellenlänge Λ deutlich größer als die Wellenlängen λa und λb ist, vergrößert sich der Eindeutigkeitsbereich.
- – Ausführen der Messung gemäß Gl. (2) mit zwei kohärenten Lichtquellen mit den Lichtwellenlängen λa und λb, die sich vorteilhafterweise nur geringfügig unterscheiden, und Bildung der Intensitätsdifferenz ΔI = Ia – Ib. Es läst sich zeigen, dass für diese Differenz gilt: ΔI = Ĩ·sin(Δϕ + ϕ0) mit: Δϕ = 2π / Λz (3)
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Auch hier tritt wieder die synthetische Wellenlänge Λ auf, so dass sich der Eindeutigkeitsbereich vergrößert.
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Würde anstelle der Multimode-Faser eine Monomode-Faser für die Tasterverlängerung verwendet, so wäre im CCD-Kamerabild kein Speckle-Muster, sondern ein Interferenzstreifenmuster sichtbar. Auch in diesem Fall kann die beschriebene Messprozedur verwendet werden, wenn statt der Speckle-Intensität die Intensität begrenzter Bereiche im Kamerabild betrachtet wird.
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In den den Figuren zu entnehmenden Ausführungsbeispielen wird anhand der 3 die erfindungsgemäße Lehre erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine Prinzipdarstellung eines Koordinatenmessgerätes,
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2 eine Prinzipdarstellung einer ersten Ausführungsform einer Anordnung zum dreidimensionalen Messen mittels eines opto-taktilen Messverfahrens,
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3 eine Prinzipdarstellung einer zweiten Ausführungsform einer Anordnung zum dreidimensionalen Messen mittels eines opto-taktilen Messverfahrens und
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4 einen Verfahrensablauf zum dreidimensionalen Messen unter Verwendung der Speckle-Korrelation.
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Der
1 ist rein prinzipiell ein Koordinatenmessgerät
10 mit einem z. B. aus Granit bestehenden Grundrahmen
12 mit Messtisch
14 zu entnehmen, auf dem ein nicht dargestelltes Objekt anordenbar ist, um dieses zu messen. Entlang dem Grundrahmen
12 ist ein Portal
16 in y-Richtung verstellbar. Hierzu sind Säulen oder Stände
18,
20 gleitend auf dem Grundrahmen
12 abgestützt. Von den Säulen
18,
20 geht eine Traverse
22 aus, entlang der, also in x-Richtung, ein Schlitten
24 verstellbar ist, der seinerseits eine Pinole oder Säule
26 aufnimmt, die in z-Richtung verstellbar ist. Von der Pinole oder Säule
26 geht ein Messsensor aus, der im Ausführungsbeispiel aus einem L-förmig gebogenen Taster
28 und einem optischen Sensor
30 wie einer CCD-Kamera besteht. Der Taster
28 weist an seinem Ende ein Tastelement
32 auf. In diesem Bereich ist der Taster
28 biegeelastisch ausgebildet, weist demzufolge eine Konstruktion auf, wie diese der
WO 98/57121 A1 zu entnehmen ist. Dabei kann der Taster
28 abschnittsweise von einem starren Element umgeben sein, um Antastkräfte bzw. Schwingungsamplituden gezielt einstellen zu können. Der an dem Taster
32 angrenzende Abschnitt des Tasters
28 ist jedoch biegeelastisch. Als Tastermaterial selbst kommt insbesondere eine Multimode-Lichtleitfaser in Frage.
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Um mit einem entsprechenden Koordinatenmessgerät 10 dreidimensional ein Objekt bzw. Strukturen eines solchen messen zu können, können verschiedene Funktionsprinzipien zur Anwendung gelangen, bei der nur ein optischer Sensor 30, also vorzugsweise eine CCD-Kamera, benötigt wird:
- 1. laterale Schwingungsanregung des Tastelements,
- 2. konfokale Messanordnung (2),
- 3. Speckle-Korrelation,
- 4. Speckle-Interferometrie (3).
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In 2 ist ein Ausschnitt eines Tasters 28 (1) dargestellt, der zumindest eine biegeelastische Tasterverlängerung 1 mit einem Tasterelement 2 aufweist, das mit zu messenden Objekten in Berührung gebracht wird. Von der biegeelastischen Tasterverlängerung 1 geht eine Zielmarke 3 aus, und zwar von einem Abschnitt der biegeelastischen Tasterverlängerung 1, der entlang der optischen Achse eines optischen Abbildungssystems 5 verläuft, das eine geringe Tiefenschärfe aufweist, gegebenenfalls konfokal sein kann. Dem Abbildungssystem 5 ist ein optischer Sensor wie etwa ein CCD-Sensor 4 zugeordnet, auf den in nachstehend beschriebener Weise die Zielmarke 3 abgebildet wird, bei der es sich z. B. um eine solche mit Kegelgeometrie handeln kann.
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Die optische Zielmarke 3 weist eine in Richtung des optischen Sensors 4 sich verändernde laterale Abmessung auf. Im Ausführungsbeispiel soll es sich bei der Zielmarke 3 um einen Kegel handeln, wobei die Höhe des Kegels dem benötigten z-Messbereich entspricht. Der Durchmesser des Kegels wird dabei so gewählt, dass der größte Durchmesser vollständig auf dem optischen Sensor 4 abgebildet wird. Die Struktur wird mit der Optik 5, die wie erwähnt eine sehr geringe Tiefenschärfe aufweist, auf den optischen Sensor 4 abgebildet.
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Eine Einmessung des Tasters erfolgt nun dadurch, dass der Zusammenhang zwischen der Position der Zielmarke 3 und der Position des Tastelements 2 bestimmt wird. Die x-, y- und z-Koordinatenwerte werden bei der Messung sodann aus der Position der Zielmarke 3 wie folgt ermittelt:
- x, y:
- Mittelpunkt des scharfabgebildeten Kreises,
- z:
- Durchmesser des scharf abgebildeten Kreises.
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Selbstverständlich ist die erfindungsgemäße Lehre nicht auf eine Zielmarke 3 kegelförmiger Geometrie begrenzt. Andere Formen sind gleichfalls möglich, wobei die entsprechenden geometrischen Beziehungen sodann zu berücksichtigen sind.
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Im Ausführungsbeispiel der 3 ist das erfindungsgemäße Messprinzip unter Zugrundelegung der Speckle-Interferometrie prinzipiell dargestellt, wobei für Elemente, die der 1 zu entnehmen sind, gleiche Bezugszeichen verwendet werden.
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Der Taster 28, d. h. dessen Tasterverlängerung, besteht vorzugsweise aus einer Multimode-Lichtleitfaser. Über eine kohärente Lichtquelle 34 wird kohärentes Licht dem Tastelement 32 zugeführt. Vor Einkoppeln der kohärenten Strahlung in den Taster 28 wird ein Teil des Lichtes ausgekoppelt, um einen Referenzstrahl 36 zu erzeugen. Dieser Referenzstrahl 36 wird interferenziell dem Licht überlagert, das sich von dem Tastelement 32 in Richtung der CCD-Kamera 30 ausbreitet. Durch das zumindest teilweise kohärente Licht und das teilweise diffuse Abstrahlen derselben von dem Tastelement erscheint das Tastelement im Videobild der CCD-Kamera 30 nicht mehr flächig leuchtend, vielmehr bildet sich ein Speckle-Muster aus.
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Wird nun die optische Weglänge des Referenzstrahls oder des in den Taster eingekoppelten Lichts, z. B. mit Hilfe eines Piezotranslators 38, stufenweise um Bruchteile der Lichtwellenlänge verändert (Möglichkeit der Phasenverschiebung), kann durch Nutzung bekannter Auswerteverfahren wie der „Electronic Speckle Interferometry” (ESPI) die Tasterauslenkung in z-Richtung, also entlang der optischen Achse der CCD-Kamera 30, bestimmt werden. Die xy-Position des Tastelements 32, also die Position in der senkrecht zu der z-Achse verlaufenden Ebene, erfolgt durch Auswertung des Tasterbildes ohne Referenzstrahl mit maximaler Korrelation zwischen ausgelenktem und nicht ausgelenktem Zustand, wie dies im Zusammenhang mit der Speckle-Korrelation eingangs erläutert worden ist.
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Anhand der 4 soll der Verfahrensablauf bei Messungen mit Hilfe der Speckle-Korrelation näher erläutert werden.
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Bei Verwendung der Speckle-Korrelation wird kohärentes Licht in die Lichtleitfaser eingekoppelt. Hierdurch erscheint ein Speckle-Muster im Videobild. Dieses Speckle-Muster ist tasterfest in x- und y-Richtung und vergrößert bzw. verkleinert sich radial, wenn sich der Abstand zwischen dem lichtabstrahlenden Tastelement zur CCD-Kamera ändert.
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In einem Einmessprozess wird zunächst der Mittelpunkt des unausgelenkten Tastelementes bestimmt (Verfahrensschritt 42). Dies kann z. B. bei Durchlichtbeleuchtung und abgeschalteter kohärenter Lichtquelle erfolgen. Weiterhin wird das Speckle-Muster abgespeichert, das die CCD-Kamera bei nicht ausgelenktem Tastelement und in die Lichtleitfaser eingekoppelter kohärenter Beleuchtung erfasst (Verfahrensschritt 44). Dieses dient bei der eigentlichen Messung als Referenzbild für den Korrelationsprozess. Schließlich wird die Abhängigkeit des radialen Vergrößerungsfaktors V von der Tastelementposition z in z-Richtung ermittelt (Verfahrensschritt 46). Dies kann z. B. analog zur anschließend erläuterten Messung erfolgen, wobei entweder das Koordinatenmessgerät an ein ebenes Messobjekt antastet und anschließend bekannte Zustellbewegungen in z-Richtung ausführt oder das Koordinatenmessgerät ein Objekt antastet, dessen Geometrie bekannt ist. Weiterhin ist die Bestimmung der Kennlinie aufgrund theoretischer Modelle (Abbildungsmaßstab) des Strahlengangs möglich.
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Bei der Messung tastet das Tastelement an das Messobjekt an und es wird das Speckle-Muster erfasst (Verfahrensschritte 48, 50). Dieses Muster wird einer speziellen Korrelationsanalyse unterzogen (Verfahrensschritt 52). Ergebnis dieser Analyse sind die x- und y-Position des Speckle-Musters im Bild sowie der radiale Vergrößerungsfaktor. Für den Vergrößerungsfaktor wird dabei neben dem Referenzbild die Position des unausgelenkten Tastelementes benötigt, die eine Lokalisierung des Tastermittelpunktes im Referenzbild ermöglicht. Mit Hilfe der Referenzkennlinie V = f(z) ergibt sich schließlich die Tasterposition in z-Richtung (Verfahrensschritt 54).