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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Vermessen von Bauteilen
mit einer Lasertriangulationsmesseinrichtung enthaltend mindestens
einen Triangulationssensor zur Bestimmung von Höhenprofilen des Bauteils, wobei
das Bauteil auf einer relativ zu der Lasertriangulationsmesseinrichtung
in horizontaler Verschieberichtung verfahrbaren Auflageebene angeordnet
ist.
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Ferner
betrifft die Erfindung eine Auswerteeinheit für ein oben genannte Vorrichtung
zum Vermessen von Bauteilen.
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Aus
der
DE 100 62 251
C2 ist eine Vorrichtung zum Vermessen von Bauteilen bekannt,
bei der mittels einer Lasertriangulationsmesseinrichtung ein Höhenprofil
des Bauteils bestimmt wird. Die bekannte Vorrichtung beschränkt sich
auf die Bestimmung von Höhenbildern
einer ebenen bzw. gewölbten Oberfläche des
Bauteils.
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Aus
der
DE 40 25 682 C2 ist
eine Vorrichtung zum Vermessen von Bauteilen bekannt, wobei mittels
einer Lasertriangulationsmesseinrichtung das Höhenprofil von strangförmigen Bauteilen
ermittelt wird. Die Lasertriangulationsmesseinrichtung weist einen
einzigen Triangulationssensor auf, der auf eine einzige Oberfläche des
strangförmigen
Bauteils ausgerichtet ist und ein Vermessen des in horizontaler Richtung
relativ zu der Lasertriangulationsmesseinrichtung verfahrbaren Bauteils
in vertikaler und horizontaler Richtung ermöglicht. Die Lasertriangulationsmesseinrichtung
ist relativ aufwändig
und beschränkt
sich auf das Vermessen des Bauteils von einer Seite her.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Vermessen
von Bauteilen bzw. eine Auswerteeinheit für diese Vorrichtung derart weiterzubilden,
dass mit geringem Aufwand ein berührungsfreies Vermessen von
dreidimensionalen Geometrien von Bauteilen ermöglicht wird.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe ist die Erfindung in Verbindung des Oberbegriff des
Patentanspruchs 1 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Triangulationssensoren
in mindestens einer gemeinsamen Messebene unter Bildung eines Lageversatzes
angeordnet sind zur Bestimmung des Höhenprofils und eines Querprofils
des Bauteils in der Messebene.
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Der
besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin,
dass eine geometrische Prüfung,
das heißt
dreidimensionale Prüfung des
Bauteils ermöglicht
wird, die ein vollständiges Überprüfen der
Kontur des Bauteils ermöglicht.
Erfindungsgemäß sind mindestens
zwei Triangulationssensoren in einer gemeinsamen Messebene unter Bildung
eines Lageversatzes angeordnet, so dass die hierdurch gebildete
Detektiereinheit quasi einen Lasermessvorhang bil det, durch den
das Bauteil auf der Auflageebene liegend relativ bewegt wird.
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Durch
die räumlich
versetzte Anordnung der Triangulationssensoren, die für sich lediglich
eine Abstandmessung bzw. die Messung eines Höhenprofils in einem begrenzten
Raumrahmen ermöglichen, kann
eine Ausweitung des Messbereichs bis zu einer beliebigen Größe erfolgen.
In Verbindung mit der Relativbewegung zwischen dem Bauteil und den
Triangulationssensoren kann somit auf einfache weise eine dreidimensionale
Profilbestimmung des Bauteils erfolgen. Vorteilhaft sind die Triangulationssensoren relativ
zueinander so angeordnet bzw. die Anzahl der Triangulationssensoren
so bemessen, dass eine Vielzahl von unterschiedlichen Geometrien
des Bauteils erfasst werden kann. Vorteilhaft sind die Triangulationssensoren
in mehreren Messebenen angeordnet, in denen sie reihenförmig quer
zur Verschieberichtung angeordnet sind und jeweils die gleiche räumliche
Ausrichtung zu dem Bauteil aufweisen. Die Messebenen sind vorzugsweise
in Verschieberichtung des Bauteils versetzt zueinander angeordnet.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung sind die Triangulationssensoren
derart zueinander versetzt angeordnet, dass optische Achsen verschiedener
Ebenen von Triangulationssensoren einen spitzen Winkel zueinander
bilden. Auf diese Weise ist gewährleistet,
dass die vollständige
Geometrie des Bauteils in dreidimensionaler Hinsicht erfasst werden kann.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist die Auflageebene des Bauteils
mittels einer Präzisionsführungseinrichtung
verfahrbar ausgebildet, um die Relativbewegung zwischen Triangulationssensoren
und Bauteil zu erreichen.
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Zur
Lösung
der Aufgabe ist die erfindungsgemäße Auswerteeinheit in Verbindung
mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9 dadurch gekennzeichnet,
dass die Soll-Daten des Bauteils als elektronisch erzeugtes dreidimensionales
Referenzmodell vorliegen, die beim Vergleich unter Ausrichtung eines
Referenzpunktes und/oder einer Referenzkante in Überdeckung mit dem durch die
Ist-Daten repräsentierten
Ist-Modells verbracht werden.
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Der
besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Auswerteeinheit besteht
darin, dass ein dreidimensionaler Formabgleich zwischen einem vorgegebenen
Referenzmodell und einem detektierten Ist-Modell ermöglicht wird,
ohne dass eine Ausrichtung des zu detektierenden Bauteils erforderlich
ist. Es erfolgt eine automatische oder manuelle Auswertung der Bauteilgeometrie
mittels einer Recheneinheit, vorzugsweise eines Computers, in dem
die Soll-Daten des Referenzmodells gespeichert sind.
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Nach
einer Weiterbildung der Auswerteeinheit ist ein Prüfprogramm
vorgesehen, mittels dessen vorwählbare
geometrische Eigenschaften des Ist-Modells überprüfbar sind. Vorteilhaft kann
hierdurch vorzugsweise oder ausschließlich eine punktuelle geometrische
Prüfung
von Bauteilen erfolgen, wie beispielsweise die Überprüfung von Lochabständen, Lochdurchmesser,
Radien, Formtreue oder anderen geometrischen Eigenschaften.
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Nach
einer Weiterbildung der Auswerteeinheit werden die hierbei ermittelten
Auswertedaten in einem Speicher abgespeichert, so dass eine Nachverfolgbarkeit
des Bauteils hinsichtlich seiner geometrischen Eigenschaften und
des Herstellungsortes gegeben ist.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung nach einer
ersten Ausführungsform
zum Vermessen von Bauteilen,
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2 einen
vertikalen Schnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung nach einer zweiten Ausführungsform
im Bereich der Messebene,
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3 eine
Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung nach einer dritten
Ausführungsform
und
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4 eine
Seitenansicht der Vorrichtung gemäß 3 in Richtung
X.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zum Vermessen
von Bauteilen 2 wird in der Fertigung von Bauteilen 2 eingesetzt
und dient zur Überprüfung der Geometrie
des gefertigten Bauteils 2.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung 1 besteht im
Wesentlichen aus einer Lasertriangulationsmesseinrichtung 3,
einer Auswerteeinheit 4 und einer Auflageebene 5,
auf der das zu vermessende Bauteil 2 gelagert ist.
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Die
Auflageebene 5 für
das Bauteil 2 ist als ein Auflagetisch ausgebildet, der
ortsfest schwingungsgedämpft
gelagert ist. Die Dimension des Auflagetisches 5 beträgt beispielsweise
1,5 m × 0,6
m.
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Die
Lasertriangulationsmesseinrichtung 3 ist in einer horizontalen
Verschieberichtung 6 relativ verschiebbar zu dem Auflagetisch 5 angeordnet.
Hierzu kann der Lasertriangulationsmesseinrichtung 3 ein nicht
dargestellter Antrieb zugeordnet sein.
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Nach
einer ersten Ausführungsform
der Erfindung gemäß 1 weist
die Lasertriangulationsmesseinrichtung 3 durch drei in
einem gleichen Abstand zueinander angeordneten drei Triangulationssensoren 9 auf,
die quer zu der Verschieberichtung 6 an einer horizontalen
Traverse 10 eines verschiebbaren Trägers 11 befestigt
sind. Die Triangulationssensoren 9 sind an einer Unterseite
der Traverse 10 befestigt und spannen mit ihrem jeweiligen
Laserbündel 12 eine
vertikale Messebene 13 auf, die senkrecht zur horizontalen
Verschieberichtung 6 und senkrecht zum Auflagetisch 5 verläuft.
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Die
Höhe der
Traverse 10 wird durch die Länge von sich in vertikaler
Richtung erstreckenden Schenkeln 14 des Trägers 11 bestimmt,
die sich jeweils zwischen den Enden der Traverse 10 und
dem Auflagetisch 5 erstrecken. Die Höhe der Schenkel 14 kann
beispielsweise 0,2 m betragen. Der Träger 11 bildet somit
eine bewegbare Brücke
bzw. in Kombination mit den Triangulationssensoren 9 einen
bewegbaren optischen Vorhang, durch den das Bauteil 2 relativ
in horizontaler Verschieberichtung 6 bewegt wird. Das Bauteil 2 kann
eine beliebige Lage auf dem Auflagetisch 5 innehaben. Durch
die Anordnung der Triangulationssensoren 9 wird in der
vertikalen Messebene 13 sowohl das Höhenprofil in Richtung h als auch
das Querprofil in Richtung q ermittelt. Hierdurch erfolgt eine vollständige Konturenvermessung
des Bauteils 2 in zweidimensionaler Hinsicht, wobei durch
das stetige oder in kurzen Zeitabständen erfolgende Verschieben
des Trägers 11 unter
vollständiger
Erfassung des Bauteils 2 durch die Triangulationssensoren 9 eine
vollständige
dreidimensionale Profilvermessung des Bauteils 2 ermöglicht wird.
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In
der Auswerteeinheit 4 erfolgt ein Vergleich der durch die
Lasertriangulationsmesseinrichtung 3 gelieferten Ist-Daten des vermessenen
Bauteils 2 mit den in der Auswerteeinheit gespeicherten
Soll-Daten des Bauteils 2. Die Soll-Daten des Bauteils 2 repräsentieren
ein Referenzmodell des Bauteils 2, das beispielsweise mittels
CAD-Techologie dreidimensional in elektronischer Form vorliegt.
Dem Referenzmodell können
Referenzgeometrien (Löcher,
Zylinder, Kanten, Konturformen) zugeordnet werden, anhand derer
die aufgenommenen Ist-Daten nach dem Referenzmodell ausgerichtet
werden. Eine zweite Methode zur Ausrichtung der Modelle aufeinander
ist die Verwendung einer Best-Fit-Berechnung. Auf diese Weise kann die
Messung des Bauteils 2 bedienungsfreundlich unter beliebiger
Lage des Bauteils 2 auf der Auflageebene 5 erfolgen.
Ein Auswerteprogramm der Auswerteeinheit 4 ermöglicht die
automatische Ausrichtung des Ist-Modells auf das Referenzmodell
unter Überdeckung
des markanten Referenzpunktes des Referenzmodells mit einem korrespondierenden
markanten Punkt des Ist-Modells.
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Die
Auswerteeinheit umfasst ein Prüfprogramm,
mittels dessen die Übereinstimmung
von vorwählbaren
geometrischen Eigenschaften des Ist-Modells mit dem Referenzmodell überprüft wird.
Beispielsweise können
hierdurch besonders fertigungsrelevante (toleranzbehaftete) Eigenschaften
des Bauteils 2 überprüft werden.
Diese geometrische Überprüfung kann
beispielsweise den Lochabstand und/oder den Lochdurchmesser und/oder
bestimmte Radien und/oder die Formtreue des Bauteils 2 umfassen.
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In
der Auswerteeinheit 4 werden die Abweichungen des Ist-Modells von dem Referenzmodell errechnet
und in üblicher
Form einer Bedienperson durch einen Monitor bzw. Ausgabe mittels
eines Druckers visualisiert. Diese Visualisierung umfasst insbesondere
das Überschreiten
einer vorgegebenen Fehlerschwelle, die zum geänderten Einstellen der entsprechenden
Fertigungsanlage führen
kann.
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Ferner
umfasst die Auswerteeinheit 4 einen Speicher, in dem die
hierin ermittelten Auswertedaten gespeichert werden. Hierdurch ist
eine Nachverfolgbarkeit der Bauteile 2 hinsichtlich Produktionsstandort
und Produktionszeit gewährleistet.
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Nach
einer zweiten Ausführungsform
der Vorrichtung 1 gemäß 2 ist
ein Bauteil 20 auf einem bewegbaren Auflagetisch 18 gelagert.
Der das Bauteil 2 tragende Auflagetisch 18 wird
mittels eines Antriebs in horizontaler Verschieberichtung 6 bewegt,
wobei der Auflagetisch 18 mittels einer Präzisionsführungseinrichtung 17 geführt ist.
Beispielsweise kann der Auflagetisch 18 auch als Förderband ausgebildet
sein.
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Die
in 2 skizzierte Triangulationsmesseinrichtung 3 umfasst
mindestens drei Triangulationssensoren 21, die sowohl in
der Höhe
h als auch in ihrer Ausrichtung zu dem Bauteil 20 versetzt
zueinander angeordnet sind. Ein mittlerer Triangulationssensor 21' ist im Bereich
einer Quermittelebene 22 des Auflagetisches 18 oberhalb
desselben angeordnet. Eine optische Achse 23 des mittleren
Triangulationssensors 21' verläuft senkrecht
zum Auflagetisch 18 und in der vertikalen Messebene 13.
Optische Achsen 24 von zu beiden Seiten des mittleren Triangulationssensors 21' angeordneten äußeren Triangulationssensoren 21'' erstre cken sich jeweils in einem spitzen
Winkel zu der optischen Achse 23 des mittleren Triangulationssensors 21'.
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Der
mittlere Triangulationssensor 21' ist in der Höhe versetzt zu den äußeren Triangulationssensoren 21'' angeordnet.
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Durch
die in dem. spitzen Winkel α ausgerichteten äußeren Triangulationssensoren 21'' ist gewährleistet, dass neben der Höhenprofilbestimmung auch
eine Querprofilbestimmung des Bauteils 20 gewährleistet
ist.
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Es
versteht sich, dass die Triangulationssensoren 9, 21, 21', 21'' auch in horizontaler Verschieberichtung 6 versetzt
zueinander angeordnet sind. In diesem Fall weist die vertikale Messebene 13 eine gewisse „Dicke" auf.
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Das
Bauteil 2, 20 kann beispielsweise als Blechbauteil
ausgebildet sein. Die Messgenauigkeit der Lasertriangulationsmesseinrichtung 3 bzw.
die Auflösung
derselben kann kleiner als 0,2 mm betragen. Der Messvorgang kann
innerhalb von einer Minute vollzogen werden, wobei bei Auftreten
von Hinterschneidungen des Bauteils 2 die Messzeit in Folge eines
weiteren Messvorgangs verlängert
werden kann.
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Das
Referenzmodell bzw. die Prüfprogramme
können
zentral in einem Datenserver abgespeichert sein, der mit der dezentralen
Auswerteeinheit 4 verbunden ist.
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Nach
einem in den 3 und 4 dargestellten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung sind mehrere, jeweils eine Mehrzahl von reihenförmig angeordneten
Triangulationssensoren 9 aufweisende Messebenen 13 in
horizontaler Verschieberichtung 6 hintereinander angeordnet.
Die Triangulationssensoren 9 einer Messebene 13 weisen
dabei jeweils die gleiche räumliche
Ausrichtung/Winkelanstellung in Bezug auf das Bauteil 2 bzw.
einer Vertikalebene 30, 31 auf. Beispielsweise
können
die Triangulationssensoren 9 in einer ersten Messebene 13' jeweils einen ersten
spitzen Winkel zu einer Vertikalebene 30 bilden, wobei
sich die Vertikalebene 30 parallel zu der Verschieberichtung 6 erstreckt.
Dieser spitze Winkel erstreckt sich dabei in einer vertikalen Ebene,
wobei die optischen Achsen der Sensoren quer zur Verschieberichtung 6 nach
rechts ausgerichtet sind. Hierdurch ergibt sich ein Erfassungsbereich
bzw. Scannbereich 32',
der insbesondere ein in Verschieberichtung 6 verlaufendes
Querprofil 33' eines
zu vermessenden Bauteils 33 erfasst.
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Die
Triangulationssensoren 9 einer zweiten, in Verschieberichtung 6 nachgelagerten
Messebene 13'' weisen ebenfalls
wie die vorgenannten Sensoren eine Ausrichtung um einen spitzen
Winkel zu der Vertikalebene 30 auf, die parallel zur Verschieberichtung 6 verläuft. Im
Unterschied zur Messebene 13' sind die
optischen Achsen der Triangulationssensoren 9 der zweiten
Messebene 13'' bezogen auf
die Verschieberichtung 6 links der Vertikalebene 30 orientiert,
so dass sich ein Erfassungsbereich/Scannbereich 32'' ergibt, der insbesondere ein in
Verschieberichtung 6 verlaufendes Querprofil 33'' auf der rechten Seite erfasst.
Vorzugsweise sind die Triangulationssensoren 9 der zweiten
Messebene 13'' an der Vertikalebene 30 zu
den Triangulationssensoren 9 der ersten Messebene 13' gespiegelt
angeordnet.
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In
einer dritten und vierten Messebene 13''' und 13IV sind Triangulationssensoren 9, 9' in einem spitzen
Winkel β zu
einer Vertikalebene 31 angeordnet, die senkrecht zur Verschieberichtung 6 verläuft. In
der dritten Messebene 13''' sind die optischen Achsen der
Triangulationssensoren 9' entgegengesetzt zu
der Verschieberichtung 6 entsprechend einem vorgegebenen
Winkel β,
beispielsweise 30°,
ausgerichtet bzw. angestellt, so dass sich ein entgegen der Verschieberichtung 6 orientierter
Erfassungsbereich/Scannbereich 32''' einstellt.
Hierdurch wird insbesondere ein in Verschieberichtung 6 vorderes Querprofil 33''' des
Bauteils 33 neben einem obenseitigen Höhenprofil 33IV erfasst.
Hierdurch können nicht
nur senkrechte Flanken des Bauteils 33 in Richtung der
Verschieberichtung 6 erfasst werden, sondern auch steile
Flanken, die sich quer zur Verschieberichtung 6 erstrecken.
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Durch
die Sensoren 9 der vierten Messebene 13IV ,
die bezüglich
der Vertikalebene 31 gespiegelt zu den Triangulationssensoren 9' der dritten Messebene 13''' angeordnet
sind, lässt
sich ein Erfassungsbereich 32IV bilden,
der insbesondere ein hinteres Querprofil 33V des
Bauteils 33 erfasst.
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Durch
die entsprechend in den Messebenen 13', 13'', 13''', 13IV orientierten Triangulationssensoren 9, 9' lässt sich
eine vollständige
Geometrie des Bauteils 33 erfassen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung
weist eine relativ geringe Breite auf, ohne über die Längsseiten der Auflageebene 5 hinauszureichen.
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Alternativ
kann zusätzlich
zu den Messebenen 13', 13'', 13''', 13IV auch eine weitere nicht dargestellte
Messebene vorgesehen sein, deren optische Achsen in vertikaler Richtung
nach unten weisen. Hierdurch können
relativ tiefe „Täler" des Bauteils 33 erfasst
werden, die durch die schräg
angestellten Triangulationssensoren 9 der Messebene 13', 13'', 13''', 13IV infolge von Abschattung nicht erfasst
werden können.
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Bei
den genannten Ausführungsbeispielen weisen
die jeweils einer Messebene 13', 13'', 13''', 13IV zugeordneten Triangulationssensoren 9 einen Lageversatz
quer zur Verschieberichtung 6 auf. Die Triangulationssensoren 9 unterschiedlicher
Messebenen 13', 13'', 13''', 13IV weisen einen Lageversatz längs der
Verschieberichtung 6 auf.
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Alternativ
können
die Triangulationssensoren 9 einer Messebene 13', 13'', 13''', 13IV auch unterschiedlich ausgerichtet
sein bezüglich
der Vertikalebene 30 und/oder der Vertikalebene 31.
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In
einer Ausführung
der Erfindung arbeiten die Triangulationssensoren einer Messebene
in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen,
wobei eine Erfassung bzw. Berechnung des Bauteils in mehreren, jeweils
den Triangulationssensoren zugeordneten Einzelkoordinatensystemen
erfolgt. Die Anzahl der Triangulationssensoren ist abhängig von
der Größe und Geometrie
des Bauteils. Beispielsweise kann ein erster Triangulationssensor
der ersten Messebene in einem Wellenlängenbereich von 620 nm, ein zweiter
Sensor derselben Messebene in dem Wellenlängenbereich 640 nm und ein
dritter Sensor derselben Messebene in einem Bereich 660 nm arbeiten. Die
jeweils durch die Sensoren erfassten Bilddaten (Ist-Daten) werden
in einem gemeinsamen Gesamtkoordinatensystem der Auswerteeinheit
zusammengeführt
und dann mit den Soll-Daten eines CAD-Modells oder eines vorher
mittels der Triangulationssensoren erfassten Referenzmodells des
Bauteils verglichen. Hierdurch wird vorteilhaft eine unerwünschte gegenseitige
Störung
des Messergebnisses in einer Messebene infolge der Überschneidung
der von den einzelnen Sensoren erfassten Bereiche des Bauteils vermieden.
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Durch
Vorsatz entsprechender Farbfilter der Triangulationssensoren kann
dieser Effekt gefördert werden.
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Alternativ
können
die Triangulationssensoren auf Basis von strukturiertem Licht oder
auf fotogrammetischer Basis eingesetzt werden. Alternativ können die
Triangulationssensoren auch 3D-Kameras aufweisen, mittels derer
Blitzlichtlaufzeiten ausgewertet werden.
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Nach
einer alternativen Ausführungsform
der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass das Bauteil mehrmals
durch die Messvorrichtung bzw. die Messebenen hindurch geleitet
wird. In der Auswerteeinheit werden dann die erfassten Daten zu
einem Gesamtmodell kombiniert.
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Die
Triangulationssensoren sind vorzugsweise kalibriert angeordnet und
weisen eine feste Relativposition zueinander auf.