DE10349946A1

DE10349946A1 - Tastschnittnadel

Info

Publication number: DE10349946A1
Application number: DE2003149946
Authority: DE
Original assignee: Werth Messtechnik GmbH
Current assignee: Werth Messtechnik GmbH
Priority date: 2003-10-24
Filing date: 2003-10-24
Publication date: 2005-06-02
Anticipated expiration: 2023-10-25
Also published as: DE10349946B4; WO2005040716A1

Abstract

Anordnung zur Messung von Oberflächeneigenschaften eines Objekts (15) wie Werkstücks mittels eines Koordinatenmessgerätes (10) umfassend ein auf der Oberfläche sich abstützendes und relativ zu dieser bewegbares Antastformelement (30, 52, 60), dem eine Marke (34, 58, 74) zugeordnet ist, deren Position mit einem optischen Sensor (60, 78) erfassbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Marke (34, 58, 74) und das Antastformelement (30, 52, 60) über eine starre um eine Achse (38, 46, 76) schwenkbar gelagertes Verbindungselement (36, 40, 68) verbunden sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Messung von Oberflächeneigenschaften eines Objekts wie Werkstücks mittels eines Koordinatenmessgerätes umfassend ein auf der Oberfläche sich abstützendes und relativ zu dieser bewegbares Antastformelement, dem eine Marke zugeordnet ist, deren Position mit einem optischen Sensor erfassbar ist.
Die Bestimmung der Oberflächenqualität dient zur Beurteilung der Begrenzungsfläche eines Objekts wie Werkstücks. Dabei können Tastschnittgeräte zur Anwendung gelangen, wobei mittels z. B. einer Saphir-, Diamant- oder einfachen Stahlspitze als Tastnadel die Oberfläche abgetastet wird. Die Auslenkung der Tastnadel kann z. B. induktiv oder aber laserinterferometrisch aufgenommen werden.

So wird nach der DE.Z: Techniker 5/96. Seiten 13 bis 20, zur Bestimmung der Oberflächengenauigkeit eine Tastspitze auf einer Probenfläche geführt. Die Tastspitze geht von einem Cantilever aus. Auf die Außenfläche des Cantilevers wird ein Laserstrahl gerichtet, dessen Reflexion mittels eines PSD-Sensors erfasst wird. Laser und PSD-Sensor bilden folglich einen optischen Sensor.

In der DE 198 24 107 A1 wird ein Verfahren zur Messgrößenbestimmung einer Oberfläche eines Prüflings mit einem auf der Oberfläche sich abstützenden Tastelement beschrieben, wobei die Position des Tastelementes unmittelbar oder eine Position zumindest einer dem Tastelement unmittelbar zugeordneten Zielmarke mit einem Bildverarbeitungssensor erfasst und unter Berücksichtigung der Relativbewebung zwischen dem Prüfling und dem Tastelement die Oberflächenmessgröße ermittelt wird.

Verfahren und Geräte zur Ermittlung der Oberflächenqualität von Werkstücken sind beschrieben in der DE.Z: T. Pfeifer, Fertigungsmesstechnik, Verlag Oldenbourg, 2. Auflage, Seite 289 bis 298.

Ein Verfahren zur Bestimmung von Oberflächeneigenschaften eines Werkstückes ist auch der WO 98/30866 zu entnehmen. Dabei werden mit völlig getrennten optischen und mechanischen Messsystemen die Oberflächeneigenschaften gemessen.

Um opto-taktil Oberflächeneigenschaften zu messen, wird nach der WO 99/63301 ein Koordinatenmessgerät vorgeschlagen, dass einen entlang zu messender Werkstückoberfläche verfahrbaren Fasertaster aufweist, dessen Position mittels einer Kamera gemessen wird. Kamera und Taster bilden eine gemeinsam verstellbare Einheit, wobei der Taster über eine opto-meschanische Schnittstelle mit einer Justiereinrichtung einer Wechselhalterung verbunden ist.

Nach der WO 03/008905 kann ein opto-eleketronischer Abstandssensor unmittelbar die Oberflächeneigenschaften eines Werkstücks messen. Auch ist mit dem Abstandssensor die Position eines Antastformelementes bestimmbar.

Mit den bekannten Verfahren bzw. den entsprechenden Anordnungen ist es grundsätzlich nur möglich, Oberflächenkonturen auf Werkstücken zu messen, wenn Oberflächennormale der Werkstückoberfläche im Messpunkt in Richtung des optischen Messkopfes weist. Ferner ist zwingende Voraussetzung, dass Rückseite des als Tastschnittnadel zu bezeichnenden Antastformelements für eine Optik frei zugänglich ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Anordnung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass unabhängig von der Ausrichtung des Antastformelementes auf das zu messende Objekt bzw. dessen Oberflächenkontur eine sichere Bestimmung dieser möglich ist. Auch soll die Möglichkeit geschaffen werden, Messungen in geschlossenen Hohlräumen wie Rohren durchzuführen.

Erfindungsgemäß wird das Problem im Wesentlichen dadurch gelöst, dass die Marke und das Antastformelement über ein starres um eine Achse schwenkbar gelagertes Verbindungselement verbunden sind.

Erfindungsgemäß wird mittels des optischen Sensors wie opto-elektronischen Abstandssensors die Auslenkung nicht direkt hinter dem Antastformelement, also der Tastschnittnadel, sondern an einem über ein Gelenk mit dieser starr verbundenen Konstruktion wie Hebelkonstruktion gemessen, die die Marke aufweist. Hierdurch kann sowohl der Arbeitsabstand des Systems erweitert werden, – andere Messebene als direkt messender Strahl bzw. Laserstrahl – als auch in geschlossenen Hohlräumen wie in horizontal liegenden Bohrungen oder Rohren gemessen werden. Es besteht die Möglichkeit, die Messrichtung umzukehren, d. h., ein Messen von nach unten weisenden Flächen ist möglich.

In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Marke und das Antastformelement mit seinem das Objekt messenden Bericht auf gleicher Seite des Verbindungselementes angeordnet sind, also sensorseitig. Alternativ besteht die Möglichkeit, dass das Antastformelement mit seinem messenden Bereich auf sensorabgewandter Seite des Verbindungselementes wie Hebels angeordnet ist.

Von von dem Sensor erfasster Bereich der Marke aufgespannte Ebene kann in Weiterbildung der Erfindung einen oder in etwa einen rechten Winkel zur zum Berührungsbereich des Antastformelements aufgespannten Ebene einschließen, also optische Achse des Sensors und Normale des Antastformelementes rechtwinklig oder in etwa rechtwinklig zueinander verlaufen.

Insbesondere gehen die Marke und das Antastformelement von jeweils einem Schenkel des Verbindungselements aus, wobei die Schenkel einen gewünschten Winkel einschließen können. Des Weiteren kann der antastformelementseitige Schenkel mehrere in Bezug auf das zu messende Objekt voneinander abweichende Antastrichtungen aufweisende Antastformelemente aufweisen.

Des Weiteren sieht die Erfindung vor, dass zumindest einer, vorzugsweise jeder Schenkel aus einen Winkel, insbesondere einen stumpfen Winkel einschließenden Abschnitten besteht. Dabei sollte die Marke bzw. das Antastformelement vom jeweiligen äußeren Abschnitt der Schenkel ausgehen, wobei die äußeren Abschnitte ggf. parallel zueinander verlaufen können. Dabei können die äußeren Schenkel in voneinander abweichenden Ebenen verlaufen.

Ferner kann die Anordnung ein Wechselsystem zum Auswechseln von Verbindungselementen wie Hebeln und/oder deren Lagern aufweisen.

Bei dem optischen Sensor handelt es sich erwähntermaßen vorzugsweise um einen optoelektronischen Abstandssensor. Zur optischen Achse des Abstandssensors kann Antastrichtung des Antastformelementes aufgrund der erfindungsgemäßen Lehre einen gewünschten Winkel beschreiben, so z. B. von oder in etwa von 90°.

Des Weiteren kann der oder ein weiterer optischer Sensor mit einer Bildverarbeitung verbunden sein, um eine Verdrehung des bzw. der Antastformelemente über die Bildverarbeitung mittels Lageerfassung von mehreren an dem Verbindungselement angeordneten Marken zu bestimmen und zu verrechnen. Auch kann ein Kippen des Antastformelementes über die Bildverarbeitung als Lageerfassung von mehreren an dem Verbindungselement angeordneten vorzugsweise satellitenförmig ausgebildeten Marken bestimmt und verrechnet werden.

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 den nachfolgenden Beschreibungen von der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung eines Koordinatenmessgerätes,
2 eine Prinzipdarstellung einer ersten Ausführungsform einer Messeinrichtung und
3 eine zweite Ausführungsform einer Messeinrichtung.
Der 1 ist rein prizipiell ein Koordinatenmessgerät 10 mit z. B. aus Granit bestehendem Grundrahmen 12 mit Messtisch 14 zu entnehmen, auf dem ein Werkstück 15 anordbar ist, um dessen Oberflächeneigenschaften wie Rauigkeit zu messen.
Entlang dem Grundrahmen ist ein Portal 16 in Y-Richtung verstellbar. Hierzu sind Säulen oder Ständer 18, 20 gleitend auf dem Grundrahmen 12 abgestützt. Von den Säulen 18, 20 geht eine Traverse 22 aus, entlang der, also gemäß der Figur 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 bzw. einer Wechselschnittstelle 28 geht ein ein Antastformelement 30 aufweisender Taster 32 aus, das zur Bestimmung der Oberflächeneigenschaften entlang des Werkstückes 15 gleitet, um aus der Position des Antastformelementes 30 bzw. dessen Tastspitze die Oberflächeneigenschaften messen zu können. Um die Bewegung des Antastformelementes 30 zu messen, ist diesem eine Marke 34 zugeordnet, die über einen optischen Sensor, der in der Pinole oder Säule 26 vorhanden ist, erfasst wird. Die Bezeichnung Marke ist dabei Synonym für ein Mittel auf dem Taster 32, das mit dem Sensor erfasst wird.
Hinsichtlich des Abstandssensors 32 ist anzumerken, dass es sich hierbei insbesondere um einen solchen handelt, der nach dem Video-Autofocus-Verfahren, dem Laser-Autofocus-Verfahren und dem Foucoult'schen Schneidenprinzip arbeitet.
Erfindungsgemäß gehen das Antastformelement 30 und die diesem zugeordneten Marke 34 von einem Hebel 36 aus, der um ein Lager 38 schwenkbar ist. Dies ergibt sich insbesondere aus den 2 und 3.
In 2 ist ein Hebel 40 dargestellt, der einen Mittelabschnitt 42 und äußere Abschnitte 44, 46 aufweist. Der Hebel 40 ist in seinem Mittelabschnitt 42 von einem Lager 46 schwenkbar aufgenommen. Das Lager 46 unterteilt folglich den Hebel 42 in einen ersten Schenkel 48 und einen zweiten Schenkel 50. Der erste Schenkel 48 weist im Endbereich seines äußeren Abschnitts 46 ein Antastformelement 52 mit zwei Tastspitzen 54 und 56 auf. Im Endbereich des äußeren Abschnitts 44 des Schenkels 50 ist eine Marke 58 angeordnet, deren Position über einen Abstandssensor 60 gemessen wird. Des Weiteren kann eine optische Bildverarbeitung 62 vorgesehen sein, um mittels Lageerfassung von mehreren an dem Abschnitt 44 angebrachten nicht näher dargestellten Marken eine Verdrehung des Antastformelementes 52, d. h. dessen Tastspitzen 54, 56 zu bestimmen und zu verrechnen. Auch kann ein Verkippen des Antastformelementes 52 über die Bildverarbeitung 62 mittels Lageerfassung von mehreren an dem Hebel 40 angebrachten satellitenförmig ausgebildeten Marken bestimmt und verrechnet werden.
Wie der 2 zu entnehmen ist, gehen das Antastformelement 52, d. h. die Tastspitzen 54, 56 und die von dem Sensor wie dem Abstandssensor 60 in ihrer Position bestimmte Marke 58 von den im Ausführungsbeispiel parallel zueinander, jedoch in versetzten Ebenen verlaufenden äußeren Abschnitte 44, 46 des Hebels 40 aus. Dies ist jedoch keine zwingende Bedingung. Unabhängig hiervon kann jedoch mittels der Tastspitze 54 eine sensorabgewandte Fläche, also Unterseite eines Objekts gemessen werden. Mit der Tastspitze 56 wird in üblicher Weise eine sensorzugewandte Fläche gemessen.
In 3 geht ein Antastformelement 60 mit Tastspitzen 62, 64 von einem ersten Schenkel 66 eines Hebels 68 aus, der um ein Lager 70 schwenkbar ist. Von einem zweiten vorzugsweise senkrecht zu dem ersten Schenkel 66 verlaufenden Schenkel 72 geht eine Marke 74 aus, die vom Strahlengang 76 eines optischen Sensors 78 wie Laserabstandssensor erfasst ist, um also die Position der Marke 74 in Z-Richtung eines Koordinatenmessgerätes zu bestimmen. Durch die Anordnung des Antastformelementes 60 und der Marke 74 an den senkrecht zueinander verlaufenden Schenkeln 66, 72 des Hebels 68 besteht die Möglichkeit, eine Umlenkung der Messrichtung um 90° vorzunehmen. Somit können senkrecht verlaufende Flächen, die sich parallel bzw. entlang dem Strahlengang 76 des Sensors 78 erstrecken, gemessen werden.
Es wird somit die Möglichkeit eines eine vertikal verlaufende optische Achse aufweisenden Laserabstandssensors des Koordinatenmessgerätes auf die Messung von extrem geneigten oder sogar in entgegengesetzte Richtung zeigenden Flächen ausgedehnt, wie die Erläuterung zu den 2 und 3 verdeutlichen.
Ist zusätzlich ein Bildverarbeitungssensor 80 – wie der in 2 mit 62 bezeichnete – vorhanden, bei dem es sich um eine CCD-Kamera handeln kann, kann durch Auswertung der Lage der Markierung 58, 74 für den optischen Sensor 60, 78 direkt die Verschiebung in X- und Y-Richtung des Koordiantenmessgerätes in Folge von Verdrehung oder Verkippung ermittelt und verrechnet werden.

Claims

Anordnung zur Messung von Oberflächeneigenschaften eines Objekts (15) wie Werkstücks mittels eines Koordinatenmessgerätes (10) umfassend ein auf der Oberfläche sich abstützendes und relativ zu dieser bewegbares Antastformelement (30, 52, 60), dem eine Marke (34, 58, 74) zugeordnet ist, deren Position mit einem optischen Sensor (60, 78) erfassbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Marke (34, 58, 74) und das Antastformelement (30, 52, 60) über eine starre um eine Achse (38, 46, 76) schwenkbar gelagertes Verbindungselement (36, 40, 68) verbunden sind.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das starre Verbindungselement ein Hebel (36, 40, 68) ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Marke (34, 58, 74) und das Antastformelement (30, 52, 60) mit seinem das Objekt (15) messenden Bereich auf gleicher Seite des Verbindungslementes angeordnet sind.
Anordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Marke (34, 58, 74) und das Antastformelement (30, 52, 60) mit seinem das Objekt (15) messenden Bereich auf voneinander abweichenden Seiten des Verbindungselementes (36, 40, 68) angeordnet sind.
Anordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Marke (34, 58, 74) und das Antastformelement (30, 52, 60) von jeweils einem Schenkel (48, 50, 66, 72) des Verbindungselementes wie Nebels ausgehen und dass die Schenkel einen Winkel gewünschter Größe einschließen.
Anordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der antastformelementseitige Schenkel (48, 66) in Bezug auf das Objekt (15) mehrere voneinander abweichende Antastrichtungen aufweisende Antastformelemente (30, 52, 60) oder entsprechende Abschnitte eines Antastformelementes aufweist.
Anordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Schenkel (48, 50) des Verbindungselementes (40) aus einen Winkel, insbesondere einen stumpfen Winkel einschließenden Abschnitten (42, 44; 42 46) besteht.
Anordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Marke (34, 58, 74) bzw. das Antastformelement (30, 52, 60) aufweisende äußere Abschnitte (44, 46) der Schenkel (48, 50) parallel zueinander verlaufen.
Anordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die äußeren Abschnitte (44, 46) der Schenkel (48, 50) in voneinander abweichenden Ebenen verlaufen.
Anordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung ein Wechselsystem zum Auswechseln von Verbindungselementen und/oder deren Lagern aufweist.
Anordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Sensor (60, 78) ein Abstandssensor ist.
Anordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Messrichtung des Antastformelementes (60) in Bezug auf optische Achse (76) des Abstandssensors (78) ein Winkel von oder in etwa von 90° beschreibt.
Anordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder ein weiterer optischer Sensor ein Bildverarbeitungssensor (62, 80) ist.
Anordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Koordinatenmessgerät (10) neben dem optischen Sensor (60, 78) ein Bildverarbeitungssensor (62, 80) wie CCD-Kamera aufweist, über die Position der Marke (34, 58, 74) oder Position von mehreren Marken auf dem Verbindungselement wie Hebel (40, 68) in X- und Y-Richtung des Koordinatenmessgerätes (10) ermittelbar ist.
Anordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung von Verdrehung bzw. Verkippung des Antastformelementes (32, 52, 60) mittels des Bildverarbeitungssensors (62, 80) mehrere vorzugsweise satellitenförmig ausgebildete Marken an dem Verbindungselement (36, 40, 68) angeordnet sind.
Anordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Antastformelement (30, 52, 60) zumindest zwei in entgegengesetzte Richtungen weisende Tastspitzen (54, 56, 62, 64) umfasst.