DE102017218086A1 - Antastelement und Koordinatenmessgerät zur Vermessung mindestens eines Messobjekts - Google Patents

Antastelement und Koordinatenmessgerät zur Vermessung mindestens eines Messobjekts Download PDF

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Aksel Göhnermeier
Ferdinand Bader
Dietrich Imkamp
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Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
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Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
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Abstract

Es wird ein Antastelement (100) zur Vermessung mindestens eines Messobjekts (114) vorgeschlagen, umfassend:- mindestens einen ersten optischen Sensor (110), welcher eingerichtet ist, mindestens ein erstes Sensorsignal abhängig von einer Feingestalt mindestens einer Oberfläche (112) des Messobjekts (114) zu erzeugen;- mindestens einen zweiten Sensor (128), welcher eingerichtet ist, mindestens ein zweites Sensorsignal abhängig von einer Grobgestalt des Messobjekts (114) und/oder von einem Abstand zu dem Messobjekt (114) zu erzeugen.Der erste optische Sensor (110) weist einen ersten Messbereich (162) und der zweite Sensor (128) weist einen zweiten Messbereich (164) auf. Der erste optische Sensor (110) ist zumindest teilweise in dem zweiten Sensor (128) integriert, derart, dass sich der erste Messbereich (162) und der zweite Messbereich (164) zumindest teilweise überlappen.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft ein Antastelement, ein Koordinatenmessgerät und ein Verfahren zur Vermessung mindestens eines Messobjekts. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere das Gebiet der Koordinatenmesstechnik.
  • Stand der Technik
  • Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Vorrichtungen und Verfahren zur Vermessung von Messobjekten bekannt. Beispielsweise werden Koordinatenmessgeräte mit taktilen Sensoren verwendet, welche eine Oberfläche des Messobjekts, beispielsweise mechanisch, antasten. Derartige taktile Sensoren weisen typischerweise ein Antastelement in Form einer Tastkugel auf, welche an einem Übertragungselement befestigt ist. Bei einem Antasten der Tastkugel mit dem Messobjekt werden entstehende Kräfte auf die Tastkugel in drei Achsen gemessen und daraus ein Richtungsvektor des Antastens, der so genannte Antastvektor, bestimmt und so das Messobjekt vermessen. Weiter bekannt sind Vorrichtungen, welche optische Sensoren aufweisen, insbesondere Koordinatenmessgeräte mit einem optischen Messkopf. Derartige Vorrichtungen sind eingerichtet, berührungslos das Messobjekt zu vermessen. Derartige Koordinatenmessgeräte sind zwar hochgenau bei einer Bestimmung einer Sensorposition, jedoch erfordert eine Positionierung der verwendeten Sensoren ein so genanntes „Feedback“-Signal der zu vermessenden Oberfläche.
  • Weiter bekannt, beispielsweise aus DE 10 244 552 B3 , DE 10 244 553 B3 und DE 698 28 568 T2 , sind Vorrichtungen und Verfahren zur Vermessung einer Rauheit der Oberfläche des Messobjekts. Weiter sind, beispielsweise aus DE 20 2007 017 664 A1 , Kufentastverfahren bekannt. Bekannte Rauheitssensoren weisen einen geringen Arbeitsbereich von typischerweise etwa 100 µm und - im Falle von optischen Sensoren - einen geringen Arbeitsabstand in ähnlicher Größenordnung auf. Weiter sind derartige Sensoren empfindlich gegenüber Kollisionen. Insbesondere kann eine Sensorspitze leicht beschädigt werden. In Koordinatenmessgeräten, welche eingerichtet sind, zusätzlich zu einer Bestimmung einer Form oder eines Abstandes des Messobjekts eine Rauheitsmessung der Oberfläche des Messobjekts durchführen, erfolgt eine Bestimmung der Form oder des Abstandes des Messobjekts und der Rauheit der Oberfläche des Messobjekts nacheinander durch Auswechseln der jeweiligen Taster. Dieses kann insbesondere zu einer langen Messdauer führen.
  • Aufgabe der Erfindung
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Antastelement und ein Koordinatenmessgerät zur Vermessung mindestens eines Messobjekts bereitzustellen, welche die Nachteile bekannter Vorrichtungen und Verfahren zumindest weitgehend vermeiden. Insbesondere soll eine Verkürzung der Messdauer ermöglicht werden und eine Beschädigung des Sensors bei Kollisionen verhindert werden.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Antastelement, ein Koordinatenmessgerät und ein Verfahren zur Vermessung mindestens eines Messobjekts mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen, welche einzeln oder in Kombination realisierbar sind, sind in den abhängigen Ansprüchen dargestellt.
  • Im Folgenden werden die Begriffe „haben“, „aufweisen“, „umfassen“ oder „einschließen“ oder beliebige grammatikalische Abweichungen davon in nicht-ausschließlicher Weise verwendet. Dementsprechend können sich diese Begriffe sowohl auf Situationen beziehen, in welchen, neben dem durch diese Begriffe eingeführten Merkmal, keine weiteren Merkmale vorhanden sind, oder auf Situationen, in welchen ein oder mehrere weitere Merkmale vorhanden sind. Beispielsweise kann sich der Ausdruck „A hat B“, „A weist B“ auf, „A umfasst B“ oder „A schließt B ein“ sowohl auf die Situation beziehen, in welcher, abgesehen von B, kein weiteres Element in A vorhanden ist (d.h. auf eine Situation, in welcher A ausschließlich aus B besteht), als auch auf die Situation, in welcher, zusätzlich zu B, ein oder mehrere weitere Elemente in A vorhanden sind, beispielsweise Element C, Elemente C und D oder sogar weitere Elemente.
  • Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe „mindestens ein“ und „ein oder mehrere“ sowie grammatikalische Abwandlungen dieser Begriffe oder ähnliche Begriffe, wenn diese in Zusammenhang mit einem oder mehreren Elementen oder Merkmalen verwendet werden und ausdrücken sollen, dass das Element oder Merkmal einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann, in der Regel lediglich einmalig verwendet werden, beispielsweise bei der erstmaligen Einführung des Merkmals oder Elementes. Bei einer nachfolgenden erneuten Erwähnung des Merkmals oder Elementes wird der entsprechende Begriff „mindestens ein“ oder „ein oder mehrere“ in der Regel nicht mehr verwendet, ohne Einschränkung der Möglichkeit, dass das Merkmal oder Element einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann.
  • Weiterhin werden im Folgenden die Begriffe „vorzugsweise“, „insbesondere“, „beispielsweise“ oder ähnliche Begriffe in Verbindung mit optionalen Merkmalen verwendet, ohne dass alternative Ausführungsformen hierdurch beschränkt werden. So sind Merkmale, welche durch diese Begriffe eingeleitet werden, optionale Merkmale, und es ist nicht beabsichtigt, durch diese Merkmale den Schutzumfang der Ansprüche und insbesondere der unabhängigen Ansprüche einzuschränken. So kann die Erfindung, wie der Fachmann erkennen wird, auch unter Verwendung anderer Ausgestaltungen durchgeführt werden. In ähnlicher Weise werden Merkmale, welche durch „in einer Ausführungsform der Erfindung“ oder durch „in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung“ eingeleitet werden, als optionale Merkmale verstanden, ohne dass hierdurch alternative Ausgestaltungen oder der Schutzumfang der unabhängigen Ansprüche eingeschränkt werden sollen. Weiterhin sollen durch diese einleitenden Ausdrücke sämtliche Möglichkeiten, die hierdurch eingeleiteten Merkmale mit anderen Merkmalen zu kombinieren, seien es optionale oder nicht-optionale Merkmale, unangetastet bleiben.
  • In einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Antastelement zur Vermessung mindestens eines Messobjekts vorgeschlagen. Das Antastelement umfasst:
    • - mindestens einen ersten optischen Sensor, welcher eingerichtet ist, mindestens ein erstes Sensorsignal abhängig von einer Feingestalt mindestens einer Oberfläche des Messobjekts zu erzeugen;
    • - mindestens einen zweiten Sensor, welcher eingerichtet ist, mindestens ein zweites Sensorsignal abhängig von einer Grobgestalt des Messobjekts und/oder von einem Abstand zu dem Messobjekt zu erzeugen; wobei der erste optische Sensor einen ersten Messbereich und der zweite Sensor einen zweiten Messbereich aufweist, wobei der erste optische Sensor zumindest teilweise in dem zweiten Sensor integriert ist, derart, dass sich der erste Messbereich und der zweite Messbereich zumindest teilweise überlappen.
  • Die Bezeichnungen „erster“ oder „zweiter“ sind als Bezeichnungen zu verstehen und geben insbesondere keine Auskunft, ob weitere Elemente vorgesehen sind.
  • Unter einem „Antastelement“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine grundsätzlich beliebig geformte Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist, ein Messobjekt unter mindestens einer Berührung und/oder berührungsfrei, beispielsweise optisch, anzutasten. Unter einem „Messobjekt“ kann dabei allgemein im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein beliebig geformtes zu vermessendes Objekt verstanden werden. Beispielsweise kann das Messobjekt ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus einem Prüfling, einem zu vermessenden Werkstück und einem zu vermessenden Bauteil. Das Messobjekt, insbesondere die Oberfläche des Messobjekts, kann starke Krümmungen, d.h. kleine Radien bis hin zu scharfen Kanten, aufweisen. Das Messobjekt kann einen Chip, insbesondere einen Mikrochip, mit Leiterbahnstrukturen umfassen. Auch andere Messobjekte sind jedoch denkbar.
  • Unter einem „ersten optischen Sensor“ kann grundsätzlich ein optischer Sensor verstanden werden, welcher eingerichtet ist, mindestens ein Sensorsignal abhängig von einer Feingestalt der Oberfläche des Messobjekts zu erzeugen. Unter einem „ersten optischen Sensorsignal“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein beliebiges Signal verstanden werden, welches von dem ersten optischen Sensor infolge eines In-Wechselwirkung-Tretens mit dem Messobjekt erzeugt wird und/oder welches in Reaktion auf das In-Wechselwirkung-Treten mit dem Messobjekt erzeugt wird. Das erste optische Sensorsignal kann beispielsweise ein elektronisches Signal sein. Das elektronische Signal kann von mindestens einer Steuer- und Auswerteeinheit eines, weiter unten beschriebenen, Koordinatenmessgeräts ausgewertet werden und so eine Information über die Feingestalt der Oberfläche des Messobjekts erzeugt werden. Unter „Feingestalt“ kann eine quantitative und/oder qualitative Messgröße verstanden werden, welche eine Beschaffenheit und/oder Eigenschaft der Oberfläche des Messobjekts, insbesondere eine Unebenheit, beispielsweise eine hochfrequente Unebenheit, einer Oberflächenhöhe, charakterisiert. Insbesondere kann die Feingestalt eine Welligkeit und/oder Rauheit der mindestens einen Oberfläche des Messobjekts sein. Unter „Grobgestalt“ kann insbesondere eine Form des Messobjekts verstanden werden.
  • Der erste optische Sensor kann einen berührungslos und interferometrisch messenden Sensor umfassen, insbesondere einen Rauheitssensor. Unter „berührungslos messen“ kann verstanden werden, dass der erste optische Sensor eingerichtet ist, die Feingestalt zu bestimmen ohne die Oberfläche des Messobjekts taktil anzutasten. Insbesondere kann der erste optische Sensor beabstandet zu der Oberfläche des Messobjekts angeordnet sein. Der erste optische Sensor kann mindestens ein Interferometer aufweisen, beispielsweise mindestens ein Michelson-Interferometer und/oder mindestens ein Weißlichtinterferometer und/oder mindestens ein OCT wie beispielsweise beschrieben in der DE102005061464 A1 . Das Interferometer kann als eine Auswerteeinheit für den ersten optischen Sensor ausgestaltet sein. Auch denkbar wäre die Verwendung eines chromatisch-konfokalen Sensors, der bezüglich lateraler (Spotgröße) wie auch axialer Auflösung (resultierend in einem kleinen Messbereich) derart ausgelegt sein kann, dass eine Erfassung der Feingestalt der Oberfläche möglich ist.
  • Der erste optische Sensor kann mindestens eine erste Beleuchtungsvorrichtung aufweisen, welche eingerichtet ist, mindestens einen ersten Beleuchtungslichtstrahl zu erzeugen. Unter einer „Beleuchtungsvorrichtung“ kann eine Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist, einen Beleuchtungslichtstrahl zu erzeugen. Unter „Licht“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung elektromagnetische Strahlung in mindestens einem Spektralbereich ausgewählt aus dem sichtbaren Spektralbereich, dem ultravioletten Spektralbereich und dem Infraroten Spektralbereich verstanden werden. Der Begriff sichtbarer Spektralbereich umfasst grundsätzlich einen Bereich von 380 nm bis 780 nm. Der Begriff Infraroter (IR) Spektralbereich umfasst grundsätzlich einen Bereich von 780 nm bis 1000 µm, wobei der Bereich von 780 nm bis 1.4 µm als nahes Infrarot (NIR), und der Bereich von 15 µm bis 1000 µm als fernes Infrarot (FIR) bezeichnet wird. Der Begriff ultraviolett umfasst grundsätzlich einen Spektralbereich von 100 nm bis 380 nm. Bevorzugt wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung sichtbares Licht, also Licht aus dem sichtbaren Spektralbereich, oder NIR verwendet. Unter dem Begriff „Lichtstrahl“ kann grundsätzlich eine Lichtmenge verstanden werden, welche in eine bestimmte Richtung emittiert und/oder ausgesandt wird. Der Lichtstrahl kann ein Strahlenbündel sein. Die Beleuchtungsvorrichtung kann mindestens eine Lichtquelle aufweisen. Beispielsweise kann die Beleuchtungsvorrichtung eine Vielzahl von identischen oder verschieden ausgestalteten Lichtquellen aufweisen. Beispielsweise kann die Beleuchtungsvorrichtung mindestens eine LaserLichtquelle und/oder mindestens eine Light-Emitting-Diode (LED) aufweisen.
  • Der erste optische Sensor kann mindestens einen ersten Lichtleiter aufweisen. Unter einem „Lichtleiter“ kann ein Bauteil verstanden werden, welches eingerichtet ist, einen Lichtstrahl zu übertragen. Beispielsweise kann der Lichtleiter mindestens eine optische Faser umfassen, insbesondere mindestens eine Monomodefaser und/oder mindestens eine Multimodefaser. Die erste Beleuchtungsvorrichtung kann eingerichtet sein, den ersten Beleuchtungslichtstrahl in den ersten Lichtleiter einzukoppeln.
  • Der erste optische Sensor kann mindestens einen Sensorkopf aufweisen. Unter einem Sensorkopf kann eine Komponente des Sensors verstanden werden, welche eingerichtet ist, mit dem Messobjekt in Wechselwirkung zu treten. Der erste Lichtleiter kann eingerichtet sein, den Beleuchtungslichtstrahl in den Sensorkopf einzukoppeln. Der Sensorkopf kann eingerichtet sein, das Messobjekt zu beleuchten und einen von dem Messobjekt reflektierten und/oder zurückgestreuten Messlichtstrahl zu erfassen. Unter „den reflektierten und/oder zurückgestreuten Messlichtstrahl zu erfassen“ kann ein Empfangen und/oder Detektieren und/oder Aufnehmen verstanden werden. Der erste optische Sensor kann, insbesondere im Falle eines interferometrisch arbeitenden Sensors, mindestens eine Referenzfläche und einen dazu gehörigen Strahlteiler aufweisen, welcher eingerichtet ist, den Beleuchtungslichtstrahl teilweise auf die Referenzfläche zu lenken und teilweise zur Beleuchtung des Messobjekts durchzulassen. Der Sensorkopf kann eingerichtet sein, einen an der Referenzfläche reflektierten Referenzlichtstrahl zu erfassen und in den ersten Lichtleiter einzukoppeln. Der erste optische Sensor kann eingerichtet sein, den Referenzlichtstrahl und den Messlichtstrahl zu überlagern. Der Messlichtstrahl und der Referenzlichtstrahl können eine Phasendifferenz abhängig von einer Weglänge eines Lichtweges von der Referenzfläche zur Oberfläche des Messobjekts aufweisen. Der erste optische Sensor kann eingerichtet sein, die Phasendifferenz zwischen dem Messlichtstrahl und dem Referenzlichtstrahl zu bestimmen. Die Steuer- und Auswerteeinheit des, weiter unten beschriebenen, Koordinatenmessgeräts kann eingerichtet sein, aus der Phasendifferenz die Information über die Feingestalt, insbesondere die Rauheit, zu bestimmen.
  • Unter einem „zweiten Sensor“ kann ein Sensor verstanden werden, welcher eingerichtet ist, mindestens ein zweites Sensorsignal abhängig von einer Grobgestalt des Messobjekts und/oder von einem Abstand zu dem Messobjekt zu erzeugen. Der zweite Sensor ist eingerichtet, das zweite Sensorsignal zu erzeugen, beispielsweise ein elektronisches Signal. Unter einem zweiten Sensorsignal kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein beliebiges Signal verstanden werden, welches von dem zweiten Sensor infolge des In-Wechselwirkung-Tretens mit dem Messobjekt erzeugt wird und/oder welches in Reaktion auf das In-Wechselwirkung-Treten mit dem Messobjekt erzeugt wird. Das zweite Sensorsignal kann von der Steuer- und Auswerteeinheit ausgewertet werden.
  • Der erste optische Sensor weist einen ersten Messbereich und der zweite Sensor einen zweiten Messbereich auf. Unter einem „ersten Messbereich“, auch erster Arbeitsbereich genannt, kann ein Bereich, insbesondere ein Tiefenbereich verstanden werden, in welchem eine Erfassung und/oder Bestimmung der Information über die Feingestalt überhaupt möglich und/oder innerhalb vorgegebener und/oder vorbestimmbarer Messtoleranzen möglich ist. Der erste Messbereich kann von einem ersten Messbereichsanfang und einem ersten Messbereichsende begrenzt sein. Der erste Messbereichsanfang kann beispielsweise ein erster Abstand des ersten optischen Sensors zur Oberfläche des Messobjekts sein, ab welchem der erste optische Sensor anfängt, Daten innerhalb vorgegebener und/oder vorbestimmbarer Messtoleranzen zu liefern. Der erste Messbereichsanfang kann beispielsweise ein kürzest möglicher Abstand zwischen erstem optischen Sensor und Oberfläche des Messobjekts sein, an welchem eine Messung innerhalb vorgegebener und/oder vorbestimmbarer Messtoleranzen möglich ist. Das erste Messbereichsende kann ein zweiter Abstand des ersten optischen Sensors zur Oberfläche des Messobjekts sein, an welchem der erste optische Sensor noch Daten innerhalb vorgegebener und/oder vorbestimmbarer Messtoleranzen liefert, jedoch bei weiterer Vergrößerung des Abstandes eine Messung innerhalb vorgegebener und/oder vorbestimmbarer Messtoleranzen nicht mehr möglich ist. Unter einem „zweiten Messbereich“, auch zweiter Arbeitsbereich genannt, kann ein Bereich verstanden werden, insbesondere ein Abstand zwischen zweiten optischen Sensor und dem Messobjekt verstanden werden, in welchem eine Erfassung und/oder Bestimmung der Information über die Grobgestalt und/oder den Abstand innerhalb vorgegebener und/oder vorbestimmbarer Messtoleranzen möglich ist. Der zweite Messbereich kann punktförmig sein, beispielsweise kann bei einer unten beschriebenen Ausgestaltung als taktiler Sensor der Messbereich ein Berührpunkt zwischen taktilem Sensor und Messobjekt sein. Der zweite Messbereich kann von einem zweiten Messbereichsanfang und einem zweiten Messbereichsende begrenzt sein. Der zweite Messbereichsanfang kann beispielsweise ein erster Abstand des zweiten Sensors zur Oberfläche des Messobjekts sein, ab welchem der zweite Sensor anfängt, Daten innerhalb vorgegebener und/oder vorbestimmbarer Messtoleranzen zu liefern. Der zweite Messbereichsanfang kann beispielsweise ein kürzest möglicher Abstand zwischen dem zweiten Sensor und der Oberfläche des Messobjekts sein, an welchem eine Messung innerhalb vorgegebener und/oder vorbestimmbarer Messtoleranzen möglich ist. Das zweite Messbereichsende kann ein zweiter Abstand des zweiten optischen Sensors zur Oberfläche des Messobjekts sein, an welchem der zweite Sensor noch Daten innerhalb vorgegebener und/oder vorbestimmbarer Messtoleranzen liefert, jedoch bei weiterer Vergrößerung des Abstandes eine Datenerzeugung innerhalb vorgegebener und/oder vorbestimmbarer Messtoleranzen nicht mehr möglich ist. Beispielsweise bei einer unten beschriebenen Ausgestaltung als chromatisch konfokaler Sensor kann der zweite Messbereichsanfang ein erster Fokuspunkt einer ersten Wellenlänge sein und das Messbereichsende ein zweiter Fokuspunkt einer zweiten Wellenlänge sein.
  • Der erste optische Sensor ist zumindest teilweise in dem zweiten Sensor integriert, derart, dass sich der erste Messbereich und der zweite Messbereich zumindest teilweise überlappen. Unter „zumindest teilweise überlappen“ können Ausführungsformen verstanden werden, in welchen sich der erste und der zweite Messbereich vollständig oder nur teilweise überlappen. Beispielsweise, wie oben beschrieben, kann der zweite Messbereich bei einer Ausgestaltung als taktiler Sensor ein Berührpunkt zwischen taktilem Sensor und Messobjekt sein. Der Berührpunkt kann in dem ersten Messbereich des ersten optischen Sensors liegen. Beispielsweise, wie oben beschrieben, kann der zweite Messbereich ein Messbereich eines chromatisch konfokalen Sensors sein und der erste Messbereich kann in dem Messbereich des chromatisch konfokalen Sensors liegen. Eine Überlappung kann in Messrichtung vorgesehen sein, wobei senkrecht zur Messrichtung die Messbereiche, d.h. die Messorte auf der Oberfläche, einen Versatz aufweisen können.
  • In einer Ausführungsform kann der zweite Sensor mindestens einen taktilen Sensor mit mindestens einem taktilen Tastelement aufweisen. Unter einem „taktilen Tastelement“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung verstanden werden, welches eingerichtet ist, mit der Oberfläche des Messobjekts in Wechselwirkung zu treten beispielsweise mechanisch, und eine Information über einen Antastpunkt zu erzeugen. Insbesondere kann das taktile Tastelement an dem mindestens einen Antastpunkt das Messobjekt antasten. Unter „taktil antasten“ und „taktil abtasten“ kann ein In-Wechselwirkung-Treten des taktilen Tastelements mit dem Messobjekt verstanden werden, das in Ergänzung zu der gebräuchlichen Verwendung des Begriffs „taktil“ auch berührungsfrei erfolgen kann. Beispielsweise kann das taktile Tastelement die Oberfläche des Messobjekts berühren, beispielsweise durch Inkontaktbringen der Oberfläche des Messobjekts mit einer Oberfläche des taktilen Tastelements, und/oder das taktile Tastelement kann mit der Oberfläche des Messobjekts berührungsfrei in Wechselwirkung treten, beispielsweise kapazitiv. Bei dem In-Wechselwirkung-Treten können sich die Oberfläche des taktilen Tastelements und die Oberfläche des Messobjekts berühren. Auch können sich die Oberfläche des taktilen Tastelements und die Oberfläche des Messobjekts elektrisch kontaktieren. Alternativ kann das In-Wechselwirkung-Treten berührungsfrei sein, beispielsweise induktiv oder kapazitiv. Das taktile Tastelement kann als Taster ausgestaltet sein. Beispielsweise kann das taktile Tastelement ein mechanisch und/oder induktiv und/oder oder kapazitiv messendes taktiles Tastelement sein. Das taktile Tastelement kann eine Oberfläche aufweisen. Das taktile Tastelement kann eingerichtet sein, das Messobjekt taktil an dem mindestens einen Antastpunkt mit der Oberfläche des taktilen Tastelements anzutasten. Unter einem „Antastpunkt“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Punkt, ein Ort oder eine Fläche auf der Oberfläche des Messobjekts verstanden werden, welche den kleinsten Abstand zwischen Messobjekt und der Oberfläche des taktilen Tastelements aufweist. Insbesondere kann der Antastpunkt ein Berührungspunkt der Oberfläche des taktilen Tastelements mit der Oberfläche des Messobjekts sein. Ein Koordinatensystem des taktilen Tastelements kann beispielsweise ein kartesisches Koordinatensystem oder ein Kugelkoordinatensystem sein. Auch andere Koordinatensysteme sind denkbar. Ein Ursprung oder Nullpunkt des Koordinatensystems kann in einem Zentrum, beispielsweise bei einer Tastkugel als taktiles Tastelement einem Kugelmittelpunkt, sein. Beispielsweise kann der Antastpunkt ein Punkt im Koordinatensystem des taktilen Tastelements sein.
  • Das taktile Tastelement kann mindestens einen Tasterschaft und einen Tastkopf aufweisen. Der Tastkopf kann mindestens eine Tastkugel aufweisen. Die Tastkugel kann aus einem zumindest teilweise transparenten Material sein. Beispielsweise kann die Tastkugel eine Rubin-Kugel aufweisen. Auch andere Formen sind jedoch denkbar. Der Tasterschaft kann eingerichtet sein, den Tastkopf an dem Koordinatenmessgerät zu befestigen. Der zweite Sensor kann einen Adapter zur Verbindung des zweiten Sensors mit einer weiteren Vorrichtung, beispielsweise dem Koordinatenmessgerät, aufweisen. Unter einem „Tasterschaft“ kann ein grundsätzlich beliebig ausgestaltetes Befestigungselement verstanden werden, an welchem der Tastkopf angeordnet ist. Der Tasterschaft kann ein zylindrischer Schaft sein. Der Tasterschaft kann als ein Rohr ausgestaltet sein, insbesondere kann der Schaft hohl sein. Der Tasterschaft kann eine Länge kleiner als 50 mm aufweisen. Eine Schaftlänge kann im Bereich von 20 bis 240 mm liegen. Für spezielle Messaufgaben kann dieser Bereich auch unter- beziehungsweise überschritten werden. Der Tasterschaft kann sich im Wesentlichen senkrecht zu einer Auflage, auf welcher das Messobjekt angeordnet ist, erstrecken, wobei Abweichungen von einer senkrechten Ausrichtung im Rahmen von Bauteiltoleranzen möglich sind. Der Tastkopf kann drehbar sein, insbesondere können der Tasterschaft und/oder der Tastkopf um eine Drehachse drehbar gelagert sein.
  • Der erste optische Sensor kann zumindest teilweise in dem taktilen Tastelement integriert sein. Unter „zumindest teilweise integriert“ kann verstanden werden, dass mindestens eine Komponente des ersten optischen Sensors in dem taktilen Tastelement, insbesondere in dem zweiten Sensor, angeordnet ist. Beispielsweise kann die Tastkugel mindestens eine Bohrung aufweisen, in welcher der erste optische Sensor zumindest teilweise angeordnet ist. Beispielsweise kann der erste Lichtleiter in die Bohrung der Tastkugel eingeführt sein. Beispielsweise kann der mindestens eine erste Lichtleiter zumindest teilweise in dem Tasterschaft angeordnet sein und/oder der Sensorkopf zumindest teilweise in der Tastkugel angeordnet sein. Die Bohrung kann mindestens eine Bohrung aufweisen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: mindestens einer Durchbohrung parallel zu einer Erstreckungsrichtung des Tasterschafts; mindestens einer Durchbohrung senkrecht zur Erstreckungsrichtung des Tasterschafts; mindestens einer Sacklochbohrung parallel zur Erstreckungsrichtung des Tasterschafts; mindestens einer Sacklochbohrung senkrecht zur Erstreckungsrichtung des Tasterschafts. Die Bohrung kann parallel zur Erstreckungsrichtung des Tasterschafts oder senkrecht zur Erstreckungsrichtung des Tasterschafts angeordnet sein. Die Bohrung kann außeraxial zu einer Achse durch einen Mittelpunkt des Tastkopfes angeordnet sein. Unter außeraxial kann verstanden werden, dass eine Achse durch die Bohrung in Richtung einer Erstreckungsrichtung der Bohrung parallel zu einer Achse durch den Mittelpunkt des Tastkopfes verschoben ist. Insbesondere kann eine Position der Bohrung in der Tastkugel von dem Antastpunkt verschieden sein. So können Messabweichungen durch das Bohrloch am Antastpunkt verhindert werden. Eine Messposition des ersten optischen Sensors und eine Messposition des zweiten Sensors können möglichst nah zueinander angeordnet sein, um Abweichungen bei einer Auswertung der Sensorsignale zu reduzieren und Zugänglichkeiten nicht einzuschränken.
  • Bei einer Ausgestaltung als Durchbohrung kann der erste optische Sensor eingerichtet sein, das Messobjekt direkt zu beleuchten. Bei einer Ausgestaltung als Sacklochbohrung kann der erste optische Sensor eingerichtet sein, das Messobjekt durch ein verbleibendes Material der Tastkugel hindurch zu vermessen. Insbesondere kann eine Oberfläche der Tastkugel als Referenzfläche des ersten optischen Sensors eingerichtet sein. Beispielsweise kann, bei einer Ausgestaltung als Sacklochbohrung, die Bohrung mit einer Flüssigkeit gefüllt sein, beispielsweise einem Immersionsmedium. Die Flüssigkeit kann einen Brechungsindex aufweisen, welcher einem Brechungsindex der Tastkugel entspricht. Unter einem „Brechungsindex der Tastkugel entsprechen“ kann verstanden werden, dass die Flüssigkeit einem mit der Tastkugel identischen Brechungsindex aufweist, wobei Abweichungen der Brechungsindizes von kleiner oder gleich 0.3, bevorzugt kleiner oder gleich 0.1 möglich sind. Eine Integration in die Tastkugel erlaubt einen Schutz des ersten optischen Sensors vor mechanischen Kollisionen. Weiter liefert der zweite Sensor, gleichzeitig zur Erfassung der Feingestalt mittels des ersten optischen Sensors, mindestens ein für die Steuer- und Auswerteeinheit des Koordinatenmessgeräts notwendiges Regelsignal für eine Positionierung am Messobjekt, um den ersten optischen Sensor im richtigen Arbeitsabstand zu halten. Unter einem Arbeitsabstand kann ein vorbestimmter und/oder einstellbarer Abstand des ersten optischen Sensors zu dem Messobjekt verstanden werden, in welchem eine Vermessung erfolgen soll. Der Arbeitsabstand kann in dem ersten Messbereich liegen.
  • In einer Ausführungsform kann der zweite Sensor mindestens einen chromatisch konfokalen Sensor aufweisen. Ein Messprinzip chromatisch konfokaler Sensoren beschreibt beispielsweise US 5,785,651 A . Unter einem konfokal chromatischen Sensor kann grundsätzlich ein optischer Sensor verstanden werden, welcher mindestens einen konfokal chromatischen Strahlengang aufweist. Unter dem Begriff „Strahlengang“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Verlauf von Lichtstrahlen durch optische Elemente verstanden werden. Unter einem „konfokalen chromatisch Strahlengang“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Strahlengang verstanden werden, in welchem für mindestens eine Wellenlänge eines Beleuchtungslichtstrahls ein Beleuchtungsstrahlengang und ein Detektionsstrahlengang konfokal sind. Insbesondere kann für mindestens eine Wellenlänge des Beleuchtungslichtstrahls die Bedingung erfüllt sein, dass sich ein erster Fokus auf einem Bestimmungsort auf der Oberfläche des Messobjekts befindet und sich gleichzeitig ein zweiter Fokus an einem Punkt in der Mitte eines Blendenelements befindet, welches in einer Ausbreitungsrichtung eines von dem Messobjekt remittierten Lichtstrahls vor einem Sensorelement angeordnet ist. Insbesondere kann der konfokal chromatische Sensor ein berührungsloser Abstandssensor sein oder kann in einem berührungslosen Abstandssensor verwendet werden. Der konfokal chromatische Sensor kann eingerichtet sein, eine ausgedehnte, insbesondere nicht punktförmige, Oberfläche des Messobjekts zu vermessen. Insbesondere kann der konfokal chromatische Sensor ein chromatischer Flächen- oder Liniensensor und/oder ein chromatischer Rasterpunktsensor sein.
  • Der zweite Sensor kann mindestens eine zweite Beleuchtungsvorrichtung aufweisen, welche eingerichtet ist, mindestens einen zweiten Beleuchtungslichtstrahl zu erzeugen. Die zweite Beleuchtungsvorrichtung kann identisch oder verschieden zu der ersten Beleuchtungsvorrichtung ausgestaltet sein. Die zweite Beleuchtungsvorrichtung kann in der ersten Beleuchtungsvorrichtung integriert sein. Die zweite Beleuchtungsvorrichtung kann mit der ersten Beleuchtungsvorrichtung identisch sein. Der zweite Sensor kann mindestens einen zweiten Lichtleiter aufweisen. Der zweite Lichtleiter kann mindestens eine Monomodefaser und/oder mindestens eine Multimodefaser aufweisen. Die zweite Beleuchtungsvorrichtung kann eingerichtet sein, den zweiten Beleuchtungslichtstrahl in den zweiten Lichtleiter einzukoppeln. Der zweite Sensor kann mindestens ein optisches Element aufweisen, welches eingerichtet ist, den zweiten Beleuchtungslichtstrahl abhängig von einer Wellenlänge des zweiten Beleuchtungslichtstrahls in unterschiedlichen Abständen innerhalb des zweiten Messbereichs zum optischen Element zu fokussieren. Der erste Lichtleiter und der zweite Lichtleiter können parallel zu einander angeordnet sein. Beispielsweise können der erste und der zweite Lichtleiter parallel und/oder nebeneinander angeordnet sein. Ein Faserende des ersten Lichtleiters kann parallel zu einem Faserende des zweiten Lichtleiters angeordnet sein. Das optische Element kann eingerichtet sein, den ersten Beleuchtungslichtstrahl in mindestens einem Fokuspunkt zu fokussieren, wobei der Fokuspunkt innerhalb des zweiten Messbereichs angeordnet ist. Der erste optische Sensor kann derart in den chromatisch konfokalen Sensor integriert sein, dass das Faserende des ersten Lichtleiters parallel zum Faserende des zweiten Lichtleiters vor einer Sensoroptik angeordnet ist und durch die Sensoroptik ebenfalls auf die Oberfläche des Messobjekts abgebildet wird. Das Antastelement und/oder das Koordinatenmessgerät kann eingerichtet sein, eine Fokuslage des ersten optischen Sensors auf den Arbeitsbereich des chromatisch konfokalen Sensors abzustimmen und/oder anzupassen, beispielsweise durch axiales Verschieben der Faserenden gegeneinander. Das Antastelement, insbesondere die Sensoroptik, kann mindestens einen Strahlteiler aufweisen, welcher eingerichtet ist, den ersten Beleuchtungslichtstrahl in einen Messstrahlengang und einen Referenzstrahlengang aufzuspalten. Der Strahlteiler kann entsprechend selektiv auf Arbeitswellenlängen des ersten optischen Sensors und/oder des zweiten Sensors abgestimmt sein. Beispielsweise kann der Strahlteiler eine Reflektivität von 50% für eine Arbeitswellenlänge, beispielsweise 1.5 µm, des ersten optischen Sensors aufweisen und für eine Arbeitswellenlänge des zweiten Sensors, beispielsweise eine Wellenlänge von 400 nm bis zu 800 nm, eine Transmission von etwa 100% aufweisen. Die Steuer- und Auswerteeinheit kann mindestens ein Spektrometer aufweisen. Der zweite Sensor kann eingerichtet sein, einen zweiten von dem Messobjekt reflektierten Lichtstrahl auf den zweiten Lichtleiter abzubilden. Der zweite Lichtleiter kann eingerichtet sein, den zweiten reflektierten Lichtstrahl zu dem Spektrometer zu leiten. Das Spektrometer kann eingerichtet sein, den zweiten reflektierten Lichtstrahl bezüglich der Wellenlänge auszuwerten und die Information über die Grobgestalt des Messobjekts und/oder über den Abstand zu dem Messobjekt zu erzeugen.
  • In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Koordinatenmessgerät zur Vermessung mindestens eines Messobjekts vorgeschlagen. Unter einem Koordinatenmessgerät kann eine Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist, mindestens eine Koordinate des Messobjekts zu vermessen. Das Koordinatenmessgerät kann ein Portalmessgerät oder ein Brückenmessgerät sein. Das Koordinatenmessgerät kann eine Auflage, insbesondere einen Messtisch, aufweisen, auf welcher das Messobjekt angeordnet werden kann. Das Koordinatenmessgerät kann mindestens ein Portal aufweisen, welches mindestens eine erste vertikale Säule, mindestens eine zweite vertikale Säule und eine die erste vertikale Säule und die zweite vertikale Säule verbindende Traverse aufweist. Mindestens eine vertikale Säule ausgewählt aus der ersten und zweiten vertikalen Säule kann auf einem Grundkörper, beispielsweise dem Messtisch, mittels einer Führung in einer horizontalen Richtung beweglich gelagert sein. Die horizontale Richtung kann eine Richtung entlang einer y-Achse sein. Das Koordinatenmessgerät kann ein Koordinatensystem, beispielsweise ein kartesisches Koordinatensystem oder ein Kugelkoordinatensystem, aufweisen. Auch andere Koordinatensysteme sind denkbar. Ein Ursprung oder Nullpunkt des Koordinatensystems kann beispielsweise durch einen Sensor des Koordinatenmessgeräts gegeben sein. Beispielsweise kann sich eine Führung horizontal entlang der y-Achse erstrecken und eingerichtet sein, das Portal und/oder die mindestens eine Säule des Portals linear, entlang der y-Achse zu bewegen. Eine x-Achse kann senkrecht zur y-Achse, in einer Ebene der Auflagefläche des Grundkörpers verlaufen. Senkrecht zu der Ebene der Auflagefläche, in eine vertikale Richtung, kann sich eine z-Achse erstrecken. Die vertikalen Säulen können sich entlang der z-Achse erstrecken. Die Traverse kann sich entlang der x-Achse erstrecken.
  • Das Koordinatenmessgerät kann mindestens einen Messschlitten aufweisen, welcher entlang der Traverse beweglich gelagert ist. Unter einem Messschlitten kann allgemein ein Schlitten verstanden werden, welcher eingerichtet ist, direkt oder mittels weiterer Bauteile mindestens einen Sensor aufzunehmen. In dem Messschlitten kann eine in eine vertikale Richtung, beispielsweise entlang der z-Achse, bewegliche Pinole gelagert ist. An einem unteren Ende, insbesondere einem in Richtung Auflagefläche zeigenden Ende, der Pinole kann ein Sensor, mit welchem die Oberfläche des Messobjekts abgetastet werden kann, angeordnet sein.
  • Das Koordinatenmessgerät weist mindestens ein Antastelement auf, das Antastelement umfassend:
    • - mindestens einen ersten optischen Sensor, welcher eingerichtet ist, mindestens ein erstes Sensorsignal abhängig von einer Feingestalt mindestens einer Oberfläche des Messobjekts zu erzeugen;
    • - mindestens einen zweiten Sensor, welcher eingerichtet ist, mindestens ein zweites Sensorsignal abhängig von einer Grobgestalt des Messobjekts und/oder von einem Abstand zu dem Messobjekt zu erzeugen;
    • - mindestens eine Steuer- und Auswerteeinheit, welche eingerichtet ist, den ersten optischen Sensor und den zweiten Sensor zu steuern und mindestens eine Information über die Feingestalt der mindestens einen Oberfläche des Messobjekts aus dem ersten optischen Sensorsignal und mindestens eine Information über die Grobgestalt des Messobjekts und/oder über den Abstand zu dem Messobjekt aus dem zweiten Sensorsignal zu erzeugen.
  • Der erste optische Sensor weist einen ersten Messbereich und der zweite Sensor weist einen zweiten Messbereich auf. Der erste optische Sensor ist zumindest teilweise in dem zweiten Sensor integriert, derart, dass sich der erste Messbereich und der zweite Messbereich zumindest teilweise überlappen.
  • Das Koordinatenmessgerät kann insbesondere eingerichtet sein, die Information über die Feingestalt und die Information über die Grobgestalt des Messobjekts und/oder über den Abstand zu dem Messobjekt gleichzeitig zu erfassen. Unter „gleichzeitig erfassen“ kann verstanden werden, dass eine Erfassung der Information über die Feingestalt und die Information über die Grobgestalt des Messobjekts und/oder über den Abstand zu dem Messobjekt innerhalb einer einzigen Positionierung des Tasters erfolgen kann, dass insbesondere kein Tastertausch oder nachgeschaltete Messung, beispielsweise eine nachgeschaltete Formprüfung nach einer Rauheitsmessung, erfolgen muss. Das erste optische Sensorsignal und das zweite Sensorsignal können zu gleichen Zeitpunkten aufgenommen werden, oder zu unterschiedlichen Zeitpunkten, beispielsweise nacheinander.
  • Die Steuer- und Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, mindestens eine Information über die Feingestalt der mindestens einen Oberfläche des Messobjekts aus dem ersten optischen Sensorsignal zu erzeugen. Unter „Erzeugen einer Information aus dem ersten optischen Sensorsignal“ kann ein Bestimmen der Information aus dem ersten optischen Sensorsignal und/oder Auswerten des ersten optischen Sensorsignals verstanden werden. Unter einer Steuer- und Auswerteeinheit kann eine Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist, den ersten optischen Sensor und/oder den zweiten Sensor und/oder weitere Komponenten des Koordinatenmessgeräts anzusteuern und von dem ersten optischen Sensor und/oder von dem zweiten Sensor erzeugte Signale auszuwerten. Unter „Information über die Feingestalt der mindestens einen Oberfläche des Messobjekts“ kann grundsätzlich eine beliebige Information über die Feingestalt verstanden werden, beispielsweise eine Oberflächenhöhe an mindestens einem Messpunkt und/oder eine mittlere Rauheit und/oder eine quadratische Rauheit und/oder eine gemittelte Rauheit und/oder ein lateral hochaufgelöstes Oberflächenprofil, d.h. höher aufgelöst als es durch den zweiten Sensor oder im Rahmen der Formerfassung geschieht. Außerdem kann die Steuer- und Auswerteeinheit so ausgelegt sein, dass die Steuerung und insbesondere Regelung der Maschine und deren Verfahrachsen auf dem Messsignal des zweiten, die Form erfassenden Sensors geschieht. Beispielsweise können zu diesem Zweck eine oder mehrere elektronische Verbindungen zwischen dem ersten optischen Sensor und der Steuer- und Auswerteeinheit vorgesehen sein. Die Steuer- und Auswerteeinheit kann beispielsweise mindestens eine Datenverarbeitungsvorrichtung umfassen, beispielsweise mindestens einen Computer oder Mikrocontroller.
  • Die Datenverarbeitungsvorrichtung kann einen oder mehrere flüchtige und/oder nicht flüchtige Datenspeicher aufweisen, wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung beispielsweise programmtechnisch eingerichtet sein kann, um den Sensor anzusteuern. Die Steuer- und Auswerteeinheit kann weiterhin mindestens eine Schnittstelle umfassen, beispielsweise eine elektronische Schnittstelle und/oder eine Mensch-Maschine-Schnittstelle wie beispielsweise eine Eingabe-/Ausgabe-Vorrichtung wie ein Display und/oder eine Tastatur und/oder ein Bedienpult.
  • Die Steuer- und Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, die Information über die Grobgestalt des Messobjekts und/oder über den Abstand zu dem Messobjekt aus mindestens einer Information über den Antastpunkt zu erzeugen. Unter Information über die Grobgestalt des Messobjekts kann grundsätzlich eine beliebige Information über die Grobgestalt, insbesondere der Form, des Messobjekts verstanden werden, beispielsweise über eine Form einer Kante und/oder äußeren Kontur und/oder Fläche. Unter Information über den Abstand zu dem Messobjekt kann grundsätzlich eine beliebige Information über den Abstand zu dem Messobjekt verstanden werden, beispielsweise eine Höhenkoordinate. Unter einer Information über den Antastpunkt kann beispielsweise eine Koordinate eines Berührungspunkts auf der Oberfläche des taktilen Tastelements und/oder auf der Oberfläche des Messobjekts und/oder eine Position des Messobjekts und/oder Koordinaten des Messobjekts im Koordinatensystem des zweiten Sensors sein verstanden werden.
  • Hinsichtlich weiterer Ausführungsformen und Definitionen des Koordinatenmessgeräts kann auf obige Beschreibung des Antastelements verwiesen werden.
  • In einem weiteren Aspekt wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Vermessung mindestens eines Messobjekts vorgeschlagen. In dem Verfahren wird ein erfindungsgemäßes Koordinatenmessgerät verwendet. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
    • - Erzeugen mindestens eines ersten optischen Sensorsignals abhängig von einer Feingestalt mindestens einer Oberfläche des Messobjekts mit mindestens einem ersten optischen Sensor;
    • - Erzeugen mindestens eines zweiten Sensorsignals abhängig von einer Grobgestalt des Messobjekts und/oder von einem Abstand zu dem Messobjekt mit mindestens einem zweiten Sensor, wobei der erste optische Sensor einen ersten Messbereich und der zweite Sensor einen zweiten Messbereich aufweist, wobei der erste optische Sensor zumindest teilweise in dem zweiten Sensor integriert ist, derart, dass sich der erste Messbereich und der zweite Messbereich zumindest teilweise überlappen;
    • - Erzeugen mindestens einer Information über die Feingestalt der mindestens einen Oberfläche des Messobjekts aus dem ersten optischen Sensorsignal und mindestens einer Information über die Grobgestalt des Messobjekts und/oder über den Abstand zu dem Messobjekt aus dem zweiten Sensorsignal mit mindestens einer Steuer- und Auswerteeinheit.
  • Hinsichtlich Ausführungsformen und Definitionen kann auf obige Beschreibung des Antastelements und des Koordinatenmessgeräts verwiesen werden. Die Verfahrensschritte können in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden, wobei einer oder mehrere der Schritte zumindest teilweise auch gleichzeitig durchgeführt werden können und wobei einer oder mehrere der Schritte mehrfach wiederholt werden können. Darüber hinaus können weitere Schritte unabhängig davon, ob sie in der vorliegenden Anmeldung erwähnt werden oder nicht, zusätzlich ausgeführt werden.
  • In einem weiteren Aspekt wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Regelung einer Bewegung eines Koordinatenmessgerätes vorgeschlagen. In dem Verfahren wird ein erfindungsgemäßes Koordinatenmessgerät verwendet. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
    • - Erzeugen mindestens eines ersten optischen Sensorsignals abhängig von einer Feingestalt mindestens einer Oberfläche eines Messobjekts mit mindestens einem ersten optischen Sensor;
    • - Erzeugen mindestens eines zweiten Sensorsignals abhängig von einer Grobgestaltdes Messobjekts und/oder von einem Abstand zu dem Messobjekt mit mindestens einem zweiten Sensor, wobei der erste optische Sensor einen ersten Messbereich und der zweite Sensor einen zweiten Messbereich aufweist, wobei der erste optische Sensor zumindest teilweise in dem zweiten Sensor integriert ist, derart, dass sich der erste Messbereich und der zweite Messbereich zumindest teilweise überlappen;
    • - Regeln einer Bewegung des Koordinatenmessgerätes und/oder eines Antastelementes des Koordinatenmessgeräts entlang der Oberfläche des Messobjektes basierend auf dem zweiten Sensorsignal.
  • Hinsichtlich Ausführungsformen und Definitionen kann auf obige Beschreibung des Antastelements und des Koordinatenmessgeräts verwiesen werden. Die Verfahrensschritte können in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden, wobei einer oder mehrere der Schritte zumindest teilweise auch gleichzeitig durchgeführt werden können und wobei einer oder mehrere der Schritte mehrfach wiederholt werden können. Darüber hinaus können weitere Schritte unabhängig davon, ob sie in der vorliegenden Anmeldung erwähnt werden oder nicht, zusätzlich ausgeführt werden.
  • Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen und das erfindungsgemäße Verfahren sind gegenüber bekannten Verfahren und Vorrichtungen vorteilhaft. Ein Tastertausch zwischen einer Rauheitsmessung und Form oder Abstandsmessung kann entfallen. Eine Messdauer kann so reduziert werden. Weiter erlaubt der zweite Sensor eine schnelle Positionierung des ersten optischen Sensors. Auch Kollisionsschutz kann durch Integration des ersten optischen Sensors in den zweiten Sensor ermöglicht werden. Des weiteren gestaltet sich die Regelung des Koordinatenmessgerätes einfacher, wenn sie auf den Daten des zweiten Sensors erfolgt, da dieser zum einen einen größeren Messbereich umfasst bzw. generell dafür geeignet ist, Daten für die Regelung eines Koordinatenmessgerätes zu bereitzustellen.
  • Zusammenfassend sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung folgende Ausführungsformen besonders bevorzugt:
    • Ausführungsform 1: Antastelement zur Vermessung mindestens eines Messobjekts umfassend:
      • - mindestens einen ersten optischen Sensor, welcher eingerichtet ist, mindestens ein erstes Sensorsignal abhängig von einer Feingestalt mindestens einer Oberfläche des Messobjekts zu erzeugen;
      • - mindestens einen zweiten Sensor, welcher eingerichtet ist, mindestens ein zweites Sensorsignal abhängig von einer Grobgestalt des Messobjekts und/oder von einem Abstand zu dem Messobjekt zu erzeugen;
      wobei der erste optische Sensor einen ersten Messbereich und der zweite Sensor einen zweiten Messbereich aufweist, wobei der erste optische Sensor zumindest teilweise in dem zweiten Sensor integriert ist, derart, dass sich der erste Messbereich und der zweite Messbereich zumindest teilweise überlappen.
    • Ausführungsform 2: Antastelement nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei der erste optische Sensor einen berührungslos und interferometrisch messenden Sensor umfasst, wobei der erste optische Sensor mindestens ein Interferometer aufweist.
    • Ausführungsform 3: Antastelement nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei der erste optische Sensor mindestens eine erste Beleuchtungsvorrichtung aufweist, welche eingerichtet ist, mindestens einen ersten Beleuchtungslichtstrahl zu erzeugen, wobei der erste optische Sensor mindestens einen ersten Lichtleiter aufweist, wobei die erste Beleuchtungsvorrichtung eingerichtet ist, den ersten Beleuchtungslichtstrahl in den ersten Lichtleiter einzukoppeln.
    • Ausführungsform 4: Antastelement nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei der erste optische Sensor mindestens einen Sensorkopf aufweist, wobei der erste Lichtleiter eingerichtet ist, den Beleuchtungslichtstrahl in den Sensorkopf einzukoppeln, wobei der Sensorkopf eingerichtet ist, das Messobjekt zu beleuchten und einen von dem Messobjekt reflektierten und/oder zurückgestreuten Messlichtstrahl zu erfassen.
    • Ausführungsform 5: Antastelement nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei der erste optische Sensor mindestens eine Referenzfläche aufweist, welche eingerichtet ist, den ersten Beleuchtungslichtstrahl teilweise zu reflektieren, wobei der Sensorkopf eingerichtet ist, einen an der Referenzfläche reflektierten Referenzlichtstrahl zu erfassen und in den ersten Lichtleiter einzukoppeln, wobei der erste optische Sensor eingerichtet ist, eine Phasendifferenz zwischen dem Messlichtstrahl und dem Referenzlichtstrahl zu bestimmen.
    • Ausführungsform 6: Antastelement nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei der zweite Sensor mindestens einen taktilen Sensor mit mindestens einem taktilen Tastelement aufweist, wobei das taktile Tastelement eine Sensoroberfläche aufweist, wobei das taktile Tastelement eingerichtet ist, das Messobjekt taktil an mindestens einem Antastpunkt auf einer Oberfläche des Messobjekts anzutasten.
    • Ausführungsform 7: Antastelement nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei der erste optische Sensor zumindest teilweise in dem taktilen Tastelement integriert ist, wobei das taktile Tastelement mindestens einen Tasterschaft und einen Tastkopf aufweist, wobei der Tastkopf mindestens eine Tastkugel aufweist, wobei der mindestens eine erste Lichtleiter zumindest teilweise in dem Tasterschaft angeordnet ist und/oder der Sensorkopf zumindest teilweise in der Tastkugel angeordnet ist.
    • Ausführungsform 8: Antastelement nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei die Tastkugel mindestens eine Bohrung aufweist, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: mindestens einer Durchbohrung parallel zu einer Erstreckungsrichtung des Tasterschafts; mindestens einer Durchbohrung senkrecht zur Erstreckungsrichtung des Tasterschafts; mindestens einer Sacklochbohrung parallel zur Erstreckungsrichtung des Tasterschafts; mindestens einer Sacklochbohrung senkrecht zur Erstreckungsrichtung des Tasterschafts.
    • Ausführungsform 9: Antastelement nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei die Bohrung eine Sacklochbohrung ist, wobei die Sacklochbohrung mit einer Flüssigkeit gefüllt ist, wobei die Flüssigkeit einen Brechungsindex aufweist, welcher einem Brechungsindex der Tastkugel entspricht.
    • Ausführungsform 10: Antastelement nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei der zweite Sensor mindestens einen chromatisch konfokalen Sensor aufweist.
    • Ausführungsform 11: Antastelement nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei der zweite Sensor mindestens eine zweite Beleuchtungsvorrichtung aufweist, welche eingerichtet ist, mindestens einen zweiten Beleuchtungslichtstrahl zu erzeugen, wobei der zweite Sensor mindestens einen zweiten Lichtleiter aufweist, wobei die zweite Beleuchtungsvorrichtung eingerichtet ist, den zweiten Beleuchtungslichtstrahl in den zweiten Lichtleiter einzukoppeln, wobei der zweite Sensor mindestens ein optisches Element aufweist, welches eingerichtet ist, den zweiten Beleuchtungslichtstrahl abhängig von einer Wellenlänge des zweiten Beleuchtungslichtstrahls in unterschiedlichen Abständen innerhalb des zweiten Messbereichs zum optischen Element zu fokussieren, wobei der erste Lichtleiter und der zweite Lichtleiter parallel zu einander angeordnet sind, wobei ein Faserende des ersten Lichtleiters parallel zu einem Faserende des zweiten Lichtleiters angeordnet ist, wobei das optische Element eingerichtet ist, den ersten Beleuchtungslichtstrahl in mindestens einem Fokuspunkt zu fokussieren, wobei der Fokuspunkt innerhalb des zweiten Messbereichs angeordnet ist.
    • Ausführungsform 12: Antastelement nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei der zweite Sensor mindestens ein Spektrometer aufweist.
    • Ausführungsform 13: Koordinatenmessgerät zur Vermessung mindestens eines Messobjekts, wobei das Koordinatenmessgerät mindestens ein Antastelement aufweist, das Antastelement umfassend:
      • - mindestens einen ersten optischen Sensor, welcher eingerichtet ist, mindestens ein erstes Sensorsignal abhängig von einer Feingestalt mindestens einer Oberfläche des Messobjekts zu erzeugen;
      • - mindestens einen zweiten Sensor, welcher eingerichtet ist, mindestens ein zweites Sensorsignal abhängig von einer Grobgestalt des Messobjekts und/oder von einem Abstand zu dem Messobjekt zu erzeugen;
      • - mindestens eine Steuer- und Auswerteeinheit, welche eingerichtet ist, den ersten optischen Sensor und den zweiten Sensor zu steuern und mindestens eine Information über die Feingestalt der mindestens einen Oberfläche des Messobjekts aus dem ersten optischen Sensorsignal und mindestens eine Information über die Grobgestalt des Messobjekts und/oder über den Abstand zu dem Messobjekt aus dem zweiten Sensorsignal zu erzeugen;
      wobei der erste optische Sensor einen ersten Messbereich und der zweite Sensor einen zweiten Messbereich aufweist, wobei der erste optische Sensor zumindest teilweise in dem zweiten Sensor integriert ist, derart, dass sich der erste Messbereich und der zweite Messbereich zumindest teilweise überlappen.
    • Ausführungsform 14: Koordinatenmessgerät nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei das Koordinatenmessgerät eingerichtet ist, die Information über die Feingestalt und die Information über die Grobgestalt des Messobjekts und/oder über den Abstand zu dem Messobjekt gleichzeitig zu erfassen.
    • Ausführungsform 15: Verfahren zur Vermessung mindestens eines Messobjekts mit einem Koordinatenmessgerät nach einer der vorhergehenden, ein Koordinatenmessgerät betreffenden Ausführungsformen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
      • - Erzeugen mindestens eines ersten optischen Sensorsignals abhängig von einer Feingestalt mindestens einer Oberfläche des Messobjekts mit mindestens einem ersten optischen Sensor;
      • - Erzeugen mindestens eines zweiten Sensorsignals abhängig von einer Grobgestalt des Messobjekts und/oder von einem Abstand zu dem Messobjekt mit mindestens einem zweiten Sensor, wobei der erste optische Sensor einen ersten Messbereich und der zweite Sensor einen zweiten Messbereich aufweist, wobei der erste optische Sensor zumindest teilweise in dem zweiten Sensor integriert ist, derart, dass sich der erste Messbereich und der zweite Messbereich zumindest teilweise überlappen;
      • - Erzeugen mindestens einer Information über die Feingestalt der mindestens einen Oberfläche des Messobjekts aus dem ersten optischen Sensorsignal und mindestens einer Information über die Grobgestalt des Messobjekts und/oder über den Abstand zu dem Messobjekt aus dem zweiten Sensorsignal mit mindestens einer Steuer- und Auswerteeinheit.
    • Ausführungsform 16: Verfahren zur Regelung einer Bewegung eines Koordinatenmessgerätes, wobei ein Koordinatenmessgerät nach einem der vorhergehenden, ein Koordinatenmessgerät betreffenden Ausführungsformen verwendet wird, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
      • - Erzeugen mindestens eines ersten optischen Sensorsignals abhängig von einer Feingestalt mindestens einer Oberfläche eines Messobjekts mit mindestens einem ersten optischen Sensor;
      • - Erzeugen mindestens eines zweiten Sensorsignals abhängig von einer Grobgestalt des Messobjekts und/oder von einem Abstand zu dem Messobjekt mit mindestens einem zweiten Sensor, wobei der erste optische Sensor einen ersten Messbereich und der zweite Sensor einen zweiten Messbereich aufweist, wobei der erste optische Sensor zumindest teilweise in dem zweiten Sensor integriert ist, derart, dass sich der erste Messbereich und der zweite Messbereich zumindest teilweise überlappen;
      • - Regeln einer Bewegung des Koordinatenmessgerätes und/oder eines Antastelementes des Koordinatenmessgeräts entlang der Oberfläche des Messobjektes basierend auf dem zweiten Sensorsignal.
  • Figurenliste
  • Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen, insbesondere in Verbindung mit den Unteransprüchen. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. Die Ausführungsbeispiele sind in den Figuren schematisch dargestellt. Gleiche Bezugsziffern in den einzelnen Figuren bezeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche bzw. hinsichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente.
  • Im Einzelnen zeigen:
    • 1A bis 1D schematische Darstellungen von Ausführungsbeispielen eines erfindungsgemäßen ersten optischen Sensors und zweiten Sensors;
    • 2 schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels des ersten optischen Sensors und des zweiten Sensors und einer Steuer- und Auswerteeinheit;
    • 3 eine schematische Darstellung eines ersten Messbereichs; und
    • 4 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Koordinatenmessgeräts schematische Darstellung eines ersten Messbereichs.
  • Ausführungsbeispiele
  • 1A bis 1D zeigen eine schematische Darstellung von Ausführungsbeispielen eines erfindungsgemäßen ersten optischen Sensors 110 eines Antastelements 100 eines, beispielsweise eines in 4 gezeigten, Koordinatenmessgeräts 111. Der erste optische Sensor 110 ist eingerichtet, mindestens ein erstes Sensorsignal abhängig von einer Feingestalt mindestens einer Oberfläche 112 eines Messobjekts 114 zu erzeugen. Beispielsweise kann das Messobjekt 114 ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus einem Prüfling, einem zu vermessenden Werkstück und einem zu vermessenden Bauteil. Das Messobjekt 114, insbesondere die Oberfläche 112 des Messobjekts 114, kann starke Krümmungen, d.h. kleine Radien bis hin zu scharfen Kanten, aufweisen. Das Messobjekt 114 kann einen Chip, insbesondere einen Mikrochip, mit Leiterbahnstrukturen umfassen. Auch andere Messobjekte 114 sind jedoch denkbar.
  • Der erste optische Sensor 110 kann das erste optische Sensorsignal infolge eines In-Wechselwirkung-Tretens mit dem Messobjekt 114 erzeugen und/oder in Reaktion auf das In-Wechselwirkung-Treten mit dem Messobjekt 114 erzeugen. Das erste optische Sensorsignal kann beispielsweise ein elektronisches Signal sein. Der erste optische Sensor 110 kann einen berührungslos und interferometrisch messenden Sensor 116 umfassen. Der erste optische Sensor 110 kann mindestens ein Interferometer 118 aufweisen, beispielsweise mindestens ein Michelson-Interferometer und/oder mindestens ein Weißlichtinterferometer und/oder ein OCT). Der erste optische Sensor 110 kann mittels einer Auswerteeinheit ausgewertet werden, welche das Interferometer 118 und/oder weitere Einheiten, wie beispielweise ein Spektrometer, aufweist. Auch denkbar ist eine Verwendung eines chromatisch-konfokalen Sensors.
  • Der erste optische Sensor 110 kann mindestens eine, hier nicht dargestellte, erste Beleuchtungsvorrichtung aufweisen, welche eingerichtet ist, mindestens einen ersten Beleuchtungslichtstrahl zu erzeugen. Der erste optische Sensor 110 kann mindestens einen ersten Lichtleiter 120 aufweisen. Beispielsweise kann der Lichtleiter 120 mindestens eine optische Faser umfassen, insbesondere mindestens eine Monomodefaser und/oder mindestens eine Multimodefaser. Die optische Faser kann auch Kopplungsstellen zum Anschluss bzw. zum, beispielsweise automatisierten, Wechsel des Sensors am Koordinatenmessgerät (KMG) beinhalten. Die erste Beleuchtungsvorrichtung kann eingerichtet sein, den ersten Beleuchtungslichtstrahl in den ersten Lichtleiter 120 einzukoppeln.
  • Der erste optische Sensor 110 kann mindestens einen Sensorkopf 122 aufweisen. Der erste Lichtleiter 120 kann eingerichtet sein, den Beleuchtungslichtstrahl in den Sensorkopf 122 einzukoppeln. Der Sensorkopf 122 kann eingerichtet sein, das Messobjekt 114 zu beleuchten und einen von dem Messobjekt 114 reflektierten oder gestreuten Messlichtstrahl zu erfassen. Der erste optische Sensor 110 kann mindestens eine Referenzfläche 124 und einen Strahlteiler aufweisen, welcher eingerichtet ist, den Beleuchtungslichtstrahl teilweise auf z.B. die Referenzfläche zu reflektieren und teilweise zur Beleuchtung des Messobjekts 114 durchzulassen. Der Sensorkopf kann auch so ausgebildet sein, dass Strahlteiler und Referenzfläche auf einer Fläche zusammenfallen. Der Sensorkopf 122 kann eingerichtet sein, einen an der Referenzfläche 124 reflektierten Referenzlichtstrahl zu erfassen und in den ersten Lichtleiter 120 einzukoppeln. Der erste optische Sensor 110 kann eingerichtet sein, den Referenzlichtstrahl und den Messlichtstrahl zu überlagern. Der Messlichtstrahl und der Referenzlichtstrahl können eine Phasendifferenz abhängig von einer Weglänge eines Lichtweges von der Referenzfläche 124 zur Oberfläche 112 des Messobjekts 114 aufweisen. Der erste optische Sensor 110 kann eingerichtet sein, die Phasendifferenz zwischen dem Messlichtstrahl und dem Referenzlichtstrahl zu bestimmen.
  • Das Koordinatenmessgerät 111 umfasst eine Steuer- und Auswerteeinheit 126, beispielsweise in 2 gezeigt, welche eingerichtet ist, den ersten optischen Sensor zu steuern und mindestens eine Information über die Feingestalt der mindestens einen Oberfläche 112 des Messobjekts 114 aus dem ersten optischen Sensorsignal zu erzeugen. Die Steuer- und Auswerteeinheit 126 kann eingerichtet sein, aus der Phasendifferenz die Information über die Feingestalt zu bestimmen. Beispielsweise können eine oder mehrere elektronische Verbindungen zwischen dem ersten optischen Sensor 110 und der Steuer- und Auswerteeinheit 126 vorgesehen sein. Die Steuer- und Auswerteeinheit 126 kann beispielsweise mindestens eine Datenverarbeitungsvorrichtung umfassen, beispielsweise mindestens einen Computer oder Mikrocontroller. Die Datenverarbeitungsvorrichtung kann einen oder mehrere flüchtige und/oder nicht flüchtige Datenspeicher aufweisen, wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung beispielsweise programmtechnisch eingerichtet sein kann, um den Sensor anzusteuern. Die Steuer- und Auswerteeinheit 126 kann weiterhin mindestens eine Schnittstelle umfassen, beispielsweise eine elektronische Schnittstelle und/oder eine Mensch-Maschine-Schnittstelle wie beispielsweise eine Eingabe-/Ausgabe-Vorrichtung wie ein Display und/oder eine Tastatur und/oder ein Bedienpult.
  • Das Antastelement 100 umfasst mindestens einen zweiten Sensor 128, welcher eingerichtet ist, mindestens ein zweites Sensorsignal abhängig von einer Grobgestalt des Messobjekts 114 und/oder von einem Abstand zu dem Messobjekt 114 zu erzeugen. Die Steuer- und Auswerteeinheit 126 ist eingerichtet, den zweiten Sensor 128 zu steuern und mindestens eine Information über die Grobgestalt des Messobjekts 114 und/oder über den Abstand zu dem Messobjekt 114 aus dem zweiten Sensorsignal zu erzeugen.
  • In den in den 1A bis 1D gezeigten Ausführungsformen kann der zweite Sensor 128 mindestens einen taktilen Sensor 130 mit mindestens einem taktilen Tastelement 132 aufweisen. Insbesondere kann das taktile Tastelement 132 an mindestens einem Antastpunkt das Messobjekt 114 antasten. Beispielsweise kann das taktile Tastelement 132 die Oberfläche 112 des Messobjekts 114 berühren, beispielsweise durch Inkontaktbringen der Oberfläche 112 des Messobjekts 114 mit einer Oberfläche des taktilen Tastelements 132, und/oder das taktile Tastelement 132 kann mit der Oberfläche 112 des Messobjekts 114 berührungsfrei in Wechselwirkung treten, beispielsweise kapazitiv. Bei dem In-Wechselwirkung-Treten können sich die Oberfläche des taktilen Tastelements 132 und die Oberfläche 112 des Messobjekts 114 berühren. Insbesondere können sich die Oberfläche des taktilen Tastelements 132 und die Oberfläche 112 des Messobjekts 114 elektrisch kontaktieren. Alternativ kann das In-Wechselwirkung-Treten berührungsfrei sein, beispielsweise induktiv oder kapazitiv. Die Steuer- und Auswerteeinheit 126 kann eingerichtet sein, die Information über die Grobgestalt des Messobjekts 114 und/oder über den Abstand zu dem Messobjekt 114 aus mindestens einer Information über den Antastpunkt zu erzeugen.
  • Das taktile Tastelement 132 kann mindestens einen Tasterschaft 134 und einen Tastkopf 136 aufweisen. Der Tastkopf 136 kann mindestens eine Tastkugel aufweisen. Die Tastkugel kann aus einem zumindest teilweise transparenten Material sein. Beispielsweise kann die Tastkugel eine Rubin-Kugel aufweisen. Auch andere Formen sind jedoch denkbar. Der Tasterschaft 134 kann eingerichtet sein, den Tastkopf 136 an dem Koordinatenmessgerät 111 zu befestigen. Der zweite Sensor 128 kann einen Adapter zur Verbindung des zweiten Sensors 128 mit einer weiteren Vorrichtung, beispielsweise dem Koordinatenmessgerät 111, aufweisen. Der Tasterschaft 134 kann als ein Rohr ausgestaltet sein, insbesondere kann der Schaft hohl sein. Der Tasterschaft 134 kann eine Länge kleiner als 50 mm aufweisen. Eine Schaftlänge kann im Bereich von 20 bis 240 mm liegen. Für spezielle Messaufgaben kann dieser Bereich auch unter- beziehungsweise überschritten werden. Der Tasterschaft 134 kann sich im Wesentlichen senkrecht zu einer Auflage, auf welcher das Messobjekt 114 angeordnet ist, erstrecken, wobei Abweichungen von einer senkrechten Ausrichtung im Rahmen von Bauteiltoleranzen möglich sind. Der Tastkopf 136 kann drehbar sein, insbesondere kann der Tasterschaft 134 und/oder der Tastkopf 136 um eine Drehachse drehbar gelagert sein.
  • Der erste optische Sensor 110 kann zumindest teilweise in dem taktilen Tastelement 132 integriert sein. Beispielsweise kann die Tastkugel mindestens eine Bohrung 138 aufweisen, in welcher der erste optische Sensor 110 zumindest teilweise angeordnet ist. Beispielsweise kann der erste Lichtleiter 120 in die Bohrung 138 der Tastkugel eingeführt sein. Beispielsweise kann der mindestens eine erste Lichtleiter 120 zumindest teilweise in dem Tasterschaft 134 angeordnet sein und/oder der mindestens eine Sensorkopf 122 zumindest teilweise in der Tastkugel angeordnet sein. In den 1A und 1B ist die Bohrung 138 als eine Durchbohrung senkrecht zu einer Erstreckungsrichtung des Tasterschafts 134 ausgestaltet, in welcher der Sensorkopf 122 angeordnet ist. Der Sensorkopf 122 kann eingerichtet sein, das Messobjekt 114 direkt zu beleuchten und einen reflektierten Lichtstrahl zu erfassen. In dem in 1A gezeigten Ausführungsbeispiel kann die Durchbohrung axial zu einer Achse 140 durch einen Kugelmittelpunkt angeordnet sein. Bevorzugt kann die Durchbohrung, wie in 1B dargestellt, außeraxial angeordnet sein. In den 1C und 1D ist die Bohrung als eine Sacklochbohrung parallel zur Erstreckungsrichtung des Tasterschafts 134 ausgestaltet. Der erste optische Sensor 110 kann eingerichtet sein, das Messobjekt 114 durch ein verbleibendes Material der Tastkugel hindurch zu vermessen. Insbesondere kann eine Oberfläche der Tastkugel als Referenzfläche 124 des ersten optischen Sensors 110 eingerichtet sein. In dem in 1C gezeigten Ausführungsbeispiel, kann die Sacklochbohrung axial zu einer Achse 140 durch einen Kugelmittelpunkt angeordnet sein. Die Sacklochbohrung kann mit einer Flüssigkeit 142 gefüllt sein, beispielsweise einem Immersionsmedium, wie in 1D gezeigt. Die Flüssigkeit 142 kann einen Brechungsindex aufweisen, welcher einem Brechungsindex der Tastkugel entspricht. Eine Integration in die Tastkugel erlaubt einen Schutz des ersten optischen Sensors 110 vor mechanischen Kollisionen. Weiter liefert der zweite Sensor 128, gleichzeitig zur Erfassung der Feingestalt mittels des ersten optischen Sensors 110, mindestens ein für die Steuer- und Auswerteeinheit 126 des Koordinatenmessgeräts 111 notwendiges Regelsignal für eine Positionierung am Messobjekt 114, um den ersten optischen Sensor 110 im richtigen Arbeitsabstand zu halten.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform, in welcher der zweite Sensor 128 mindestens einen chromatisch konfokalen Sensor 144 aufweisen kann. Der zweite Sensor 128 kann mindestens eine zweite, hier nicht dargestellte, Beleuchtungsvorrichtung aufweisen, welche eingerichtet ist, mindestens einen zweiten Beleuchtungslichtstrahl zu erzeugen. Die zweite Beleuchtungsvorrichtung kann identisch oder verschieden zu der ersten Beleuchtungsvorrichtung ausgestaltet sein. Die zweite Beleuchtungsvorrichtung kann in der ersten Beleuchtungsvorrichtung integriert sein. Die zweite Beleuchtungsvorrichtung kann mit der ersten Beleuchtungsvorrichtung identisch sein. Der zweite Sensor 128 kann mindestens einen zweiten Lichtleiter 146 aufweisen. Der zweite Lichtleiter 146 kann mindestens eine Monomodefaser und/oder mindestens eine Multimodefaser aufweisen. Die zweite Beleuchtungsvorrichtung kann eingerichtet sein, den zweiten Beleuchtungslichtstrahl in den zweiten Lichtleiter 146 einzukoppeln. Der zweite Sensor 128 kann mindestens ein optisches Element 148 aufweisen, welches eingerichtet ist, den zweiten Beleuchtungslichtstrahl abhängig von einer Wellenlänge des zweiten Beleuchtungslichtstrahls in unterschiedlichen Abständen innerhalb des zweiten Messbereichs zum optischen Element 148 zu fokussieren. Der erste Lichtleiter 120 und der zweite Lichtleiter 146 können parallel zu einander angeordnet sein. Beispielsweise können der erste Lichtleiter 120 und der zweite Lichtleiter 146 parallel und/oder nebeneinander angeordnet sein. Ein Faserende des ersten Lichtleiters 120 kann parallel zu einem Faserende des zweiten Lichtleiters 146 angeordnet sein. Das optische Element 148 kann eingerichtet sein, den ersten Beleuchtungslichtstrahl in mindestens einem Fokuspunkt 150 zu fokussieren, wobei der Fokuspunkt 150 innerhalb des zweiten Messbereichs, also innerhalb bezüglich des Abstandes zum Element 148, insbesondere also bezüglich der Messrichtung, angeordnet ist. Der erste Messbereich und der zweite Messbereich können lateral versetzt sein. Das optische Element 148 kann eingerichtet sein, den zweiten Beleuchtungslichtstrahl an einem Fokuspunkt 152 zu fokussieren. Der erste optische Sensor 110 kann derart in den chromatisch konfokalen Sensor 144 integriert sein, dass das Faserende des ersten Lichtleiters 120 parallel zum Faserende des zweiten Lichtleiters 146 vor einer Sensoroptik 154 angeordnet ist und durch die Sensoroptik 154 ebenfalls auf die Oberfläche 112 des Messobjekts 114 abgebildet wird. Das Koordinatenmessgerät 111 und/oder das Antastelement 100 kann eingerichtet sein, eine Fokuslage des ersten optischen Sensors 110 auf den Arbeitsbereich des chromatisch konfokalen Sensors 144 abzustimmen und/oder anzupassen, beispielsweise bereits bei einem Zusammenbau des Gerätes, beispielsweise durch axiales Verschieben der Faserenden gegeneinander. Bezugsziffer 155 zeigt einen einstellbaren bzw. eingestellten Abstand zwischen den Faserenden. Die Sensoroptik 154 kann mindestens einen Strahlteiler 156 aufweisen, welcher eingerichtet ist, den ersten Beleuchtungslichtstrahl in einen Messstrahlengang und einen Referenzstrahlengang 158 aufzuspalten. Der Referenzstrahlengang 158 kann mindestens ein weiteres optisches Element 159 aufweisen, beispielsweise mindestens eine Linse und/oder mindestens ein Linsensystem und/oder mindestens eine Blende. Der Strahlteiler 156 kann selektiv auf Arbeitswellenlängen des ersten optischen Sensors 110 und/oder des zweiten Sensors 128 abgestimmt sein. Beispielsweise kann der Strahlteiler 156 eine Reflektivität von 50% für eine Arbeitswellenlänge, beispielsweise 1.5 µm, des ersten optischen Sensors 110 aufweisen und für eine Arbeitswellenlänge des zweiten Sensors 128, beispielsweise eine Wellenlänge von 400 nm bis zu 800 nm, eine Transmission von etwa 100% aufweisen. Die Steuer- und Auswerteeinheit 126 kann mindestens ein Spektrometer 160 aufweisen, beispielsweise zur Auswertung des zweiten Sensors 128. Der zweite Sensor 128 kann eingerichtet sein, einen zweiten von dem Messobjekt 114 reflektierten Lichtstrahl auf den zweiten Lichtleiter 146 abzubilden. Der zweite Lichtleiter 146 kann eingerichtet sein, den zweiten reflektierten Lichtstrahl zu dem Spektrometer 160 zu leiten. Das Spektrometer 160 kann eingerichtet sein, den zweiten reflektierten Lichtstrahl bezüglich der Wellenlänge auszuwerten und die Information über die Grobgestalt des Messobjekts 114 und/oder über den Abstand zu dem Messobjekt 114 zu erzeugen. Das Licht des ersten Sensors 110 kann durch den ersten Lichtleiter zur Auswerteeinheit 118 geleitet werden. Die Auswerteeinheit 118 kann entweder die Phasendifferenz des überlagerten Referenz- und Messstrahles auswerten oder aber, im Falle eines chromatisch konfokalen Sensors, ebenfalls als Spektrometer ausgebildet sein und die Wellenlänge des zurückgeleiteten Lichtes auswerten.
  • Der erste optische Sensor 110 weist einen ersten Messbereich 162 und der zweite Sensor 128 einen zweiten Messbereich 164 auf. Der erste Messbereich 162 kann von einem ersten Messbereichsanfang 166 und einem ersten Messbereichsende 168 begrenzt sein. Der erste Messbereichsanfang 166 kann beispielsweise ein erster Abstand des ersten optischen Sensors 110 zur Oberfläche 112 des Messobjekts 114 sein, ab welchem der erste optische Sensor 110 anfängt, Daten innerhalb vorgegebener und/oder vorbestimmbarer Messtoleranzen zu liefern. Der erste Messbereichsanfang 166 kann beispielsweise ein kürzest möglicher Abstand zwischen erstem optischen Sensor 110 und Oberfläche 112 des Messobjekts 114 sein, an welchem eine Messung innerhalb vorgegebener und/oder vorbestimmbarer Messtoleranzen möglich ist. Das erste Messbereichsende 168 kann ein zweiter Abstand des ersten optischen Sensors 110 zur Oberfläche 112 des Messobjekts 114 sein, an welchem der erste optische Sensor 110 noch Daten innerhalb vorgegebener und/oder vorbestimmbarer Messtoleranzen liefert, jedoch bei weiterer Vergrößerung des Abstandes eine Messung innerhalb vorgegebener und/oder vorbestimmbarer Messtoleranzen nicht mehr möglich ist. Der zweite Messbereich 164 kann punktförmig sein, beispielsweise kann bei einer Ausgestaltung des zweiten Sensors 128 als taktiler Sensor 130 der zweite Messbereich 164 ein Berührpunkt 170 zwischen taktilem Sensor 130 und Messobjekt 114 sein.
  • Der erste optische Sensor 110 ist zumindest teilweise in dem zweiten Sensor 128 integriert, derart, dass sich der erste Messbereich 162 und der zweite Messbereich 164 zumindest teilweise überlappen. Beispielsweise kann der zweite Messbereich 164 bei einer Ausgestaltung als taktiler Sensor 130 der Berührpunkt 170 zwischen taktilem Sensor 130 und Messobjekt 114 sein. Der Berührpunkt 170 kann in dem ersten Messbereich 162 des ersten optischen Sensors 110 liegen.
  • 4 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel des Koordinatenmessgeräts 111 zur Vermessung des mindestens eines Messobjekts 114. Das Koordinatenmessgerät 111 kann ein Portalmessgerät oder ein Brückenmessgerät sein. Das Koordinatenmessgerät 111 kann eine Auflage 172, insbesondere einen Messtisch, aufweisen, auf welcher das Messobjekt 114 angeordnet werden kann. Das Koordinatenmessgerät 111 kann mindestens ein Portal oder eine Brücke, hier gekennzeichnet mit Bezugszeichen 174, aufweisen, welches mindestens eine erste vertikale Säule, mindestens eine zweite vertikale Säule und eine die erste vertikale Säule und die zweite vertikale Säule verbindende Traverse aufweist. Mindestens eine vertikale Säule ausgewählt aus der ersten und zweiten vertikalen Säule kann auf einem Grundkörper, beispielsweise dem Messtisch, mittels einer Führung in einer horizontalen Richtung beweglich gelagert sein. Die horizontale Richtung kann eine Richtung entlang einer y-Achse 176 sein. Das Koordinatenmessgerät 111 kann ein Koordinatensystem, beispielsweise ein kartesisches Koordinatensystem oder ein Kugelkoordinatensystem, aufweisen. Auch andere Koordinatensysteme sind denkbar. Ein Ursprung oder Nullpunkt des Koordinatensystems kann beispielsweise durch einen Sensor des Koordinatenmessgeräts 111 gegeben sein. Beispielsweise kann sich eine Führung horizontal entlang der y-Achse erstrecken und eingerichtet sein, das Portal 174 und/oder die mindestens eine Säule des Portals linear, entlang der y-Achse zu bewegen. Eine x-Achse 178 kann senkrecht zur y-Achse 176, in einer Ebene der Auflagefläche des Grundkörpers verlaufen. Senkrecht zu der Ebene der Auflagefläche, in eine vertikale Richtung, kann sich eine z-Achse 180 erstrecken. Die vertikalen Säulen können sich entlang der z-Achse erstrecken. Die Traverse kann sich entlang der x-Achse erstrecken.
  • Das Koordinatenmessgerät 111 kann mindestens einen Messschlitten aufweisen, welcher entlang der Traverse beweglich gelagert ist. In dem Messschlitten kann eine in eine vertikale Richtung, beispielsweise entlang der z-Achse 180, bewegliche Pinole gelagert sein. An einem unteren Ende, insbesondere einem in Richtung Auflagefläche zeigenden Ende, der Pinole kann der Sensor 110 angeordnet sein.
  • Bezugszeichenliste
    • 100
    Antastelement
    110
    erster optischer Sensor
    111
    Koordinatenmessgerät
    112
    Oberfläche
    114
    Messobjekt
    116
    Sensor
    118
    Interferometer
    120
    erster Lichtleiter
    122
    Sensorkopf
    124
    Referenzfläche
    126
    Steuer- und Auswerteeinheit
    128
    zweiter Sensor
    130
    taktiler Sensor
    132
    taktiles Tastelement
    134
    Tasterschaft
    136
    Tastkopf
    138
    Bohrung
    140
    Achse
    142
    Flüssigkeit
    144
    chromatisch konfokaler Sensor
    146
    zweiter Lichtleiter
    148
    optisches Element
    150
    Fokuspunkt des ersten optischen Sensors
    152
    Fokuspunkt des zweiten Sensors
    154
    Sensoroptik
    155
    Abstand
    156
    Strahlteiler
    158
    Referenzstrahlengang
    159
    weiteres optisches Element
    160
    Spektrometer
    162
    erster Messbereich
    164
    zweiter Messbereich
    166
    erster Messbereichsanfang
    168
    erstes Messbereichsende
    170
    Berührpunkt
    172
    Auflage
    174
    Portal/Brücke
    176
    y-Achse
    178
    x-Achse
    180
    z-Achse
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 10244552 B3 [0003]
    • DE 10244553 B3 [0003]
    • DE 69828568 T2 [0003]
    • DE 202007017664 A1 [0003]
    • DE 102005061464 A1 [0013]
    • US 5785651 A [0024]

Claims (15)

  1. Antastelement (100) zur Vermessung mindestens eines Messobjekts (114) umfassend: - mindestens einen ersten optischen Sensor (110), welcher eingerichtet ist, mindestens ein erstes Sensorsignal abhängig von einer Feingestalt mindestens einer Oberfläche (112) des Messobjekts (114) zu erzeugen; - mindestens einen zweiten Sensor (128), welcher eingerichtet ist, mindestens ein zweites Sensorsignal abhängig von einer Grobgestalt des Messobjekts (114) und/oder von einem Abstand zu dem Messobjekt (114) zu erzeugen; wobei der erste optische Sensor (110) einen ersten Messbereich (162) und der zweite Sensor (128) einen zweiten Messbereich (164) aufweist, wobei der erste optische Sensor (110) zumindest teilweise in dem zweiten Sensor (128) integriert ist, derart, dass sich der erste Messbereich (162) und der zweite Messbereich (164) zumindest teilweise überlappen.
  2. Antastelement (100) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der erste optische Sensor (110) einen berührungslos und interferometrisch messenden Sensor umfasst, wobei der erste optische Sensor (110) mindestens ein Interferometer (118) aufweist.
  3. Antastelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste optische Sensor (110) mindestens eine erste Beleuchtungsvorrichtung aufweist, welche eingerichtet ist, mindestens einen ersten Beleuchtungslichtstrahl zu erzeugen, wobei der erste optische Sensor (110) mindestens einen ersten Lichtleiter (120) aufweist, wobei die erste Beleuchtungsvorrichtung eingerichtet ist, den ersten Beleuchtungslichtstrahl in den ersten Lichtleiter (120) einzukoppeln.
  4. Antastelement (100) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der erste optische Sensor (110) mindestens einen Sensorkopf (122) aufweist, wobei der erste Lichtleiter (120) eingerichtet ist, den Beleuchtungslichtstrahl in den Sensorkopf (122) einzukoppeln, wobei der Sensorkopf (122) eingerichtet ist, das Messobjekt (114) zu beleuchten und einen von dem Messobjekt (114) reflektierten und/oder zurückgestreuten Messlichtstrahl zu erfassen.
  5. Antastelement (100) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der erste optische Sensor (110) mindestens eine Referenzfläche (124) aufweist, welche eingerichtet ist, den ersten Beleuchtungslichtstrahl mindestens teilweise zu reflektieren, wobei der Sensorkopf (122) eingerichtet ist, einen an der Referenzfläche (124) reflektierten Referenzlichtstrahl zu erfassen und in den ersten Lichtleiter (120) einzukoppeln, wobei der erste optische Sensor (110) eingerichtet ist, eine Phasendifferenz zwischen dem Messlichtstrahl und dem Referenzlichtstrahl zu bestimmen.
  6. Antastelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Sensor (128) mindestens einen taktilen Sensor (130) mit mindestens einem taktilen Tastelement (132) aufweist, wobei das taktile Tastelement (132) eine Sensoroberfläche aufweist, wobei das taktile Tastelement (132) eingerichtet ist, das Messobjekt (114) taktil an mindestens einem Antastpunkt anzutasten.
  7. Antastelement (100) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der erste optische Sensor (110) zumindest teilweise in dem taktilen Tastelement (132) integriert ist, wobei das taktile Tastelement (132) mindestens einen Tasterschaft (134) und einen Tastkopf (136) aufweist, wobei der Tastkopf (136) mindestens eine Tastkugel aufweist, wobei der mindestens eine erste Lichtleiter (120) zumindest teilweise in dem Tasterschaft (134) angeordnet ist und/oder der mindestens eine Sensorkopf (122) zumindest teilweise in der Tastkugel angeordnet ist.
  8. Antastelement (100) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Tastkugel mindestens eine Bohrung (138) aufweist, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: mindestens einer Durchbohrung parallel zu einer Erstreckungsrichtung des Tasterschafts; mindestens einer Durchbohrung senkrecht zur Erstreckungsrichtung des Tasterschafts; mindestens einer Sacklochbohrung parallel zur Erstreckungsrichtung des Tasterschafts; mindestens einer Sacklochbohrung senkrecht zur Erstreckungsrichtung des Tasterschafts.
  9. Antastelement (100) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Bohrung (138) eine Sacklochbohrung ist, wobei die Sacklochbohrung mit einer Flüssigkeit gefüllt ist, wobei die Flüssigkeit einen Brechungsindex aufweist, welcher einem Brechungsindex der Tastkugel entspricht.
  10. Antastelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Sensor (128) mindestens einen chromatisch konfokalen Sensor (144) aufweist, wobei der zweite Sensor (128) mindestens eine zweite Beleuchtungsvorrichtung aufweist, welche eingerichtet ist, mindestens einen zweiten Beleuchtungslichtstrahl zu erzeugen, wobei der zweite Sensor (128) mindestens einen zweiten Lichtleiter (146) aufweist, wobei die zweite Beleuchtungsvorrichtung eingerichtet ist, den zweiten Beleuchtungslichtstrahl in den zweiten Lichtleiter (146) einzukoppeln, wobei der zweite Sensor (128) mindestens ein optisches Element (148) aufweist, welches eingerichtet ist, den zweiten Beleuchtungslichtstrahl abhängig von einer Wellenlänge des zweiten Beleuchtungslichtstrahls in unterschiedlichen Abständen innerhalb des zweiten Messbereichs (164) zum optischen Element zu fokussieren, wobei der erste Lichtleiter (120) und der zweite Lichtleiter (146) parallel zu einander angeordnet sind, wobei ein Faserende des ersten Lichtleiters (120) parallel zu einem Faserende des zweiten Lichtleiters (146) angeordnet ist, wobei das optische Element (148) eingerichtet ist, den ersten Beleuchtungslichtstrahl in mindestens einem Fokuspunkt zu fokussieren, wobei der Fokuspunkt innerhalb des zweiten Messbereichs (164) angeordnet ist.
  11. Antastelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Sensor (128) mindestens ein Spektrometer (160) aufweist.
  12. Koordinatenmessgerät (111) zur Vermessung mindestens eines Messobjekts (114), wobei das Koordinatenmessgerät (111) mindestens ein Antastelement (100) aufweist, das Antastelement umfassend: - mindestens einen ersten optischen Sensor (110), welcher eingerichtet ist, mindestens ein erstes Sensorsignal abhängig von einer Feingestalt mindestens einer Oberfläche (112) des Messobjekts (114) zu erzeugen; - mindestens einen zweiten Sensor (128), welcher eingerichtet ist, mindestens ein zweites Sensorsignal abhängig von einer Grobgestalt des Messobjekts (114) und/oder von einem Abstand zu dem Messobjekt (114) zu erzeugen; - mindestens eine Steuer- und Auswerteeinheit (126), welche eingerichtet ist, den ersten optischen Sensor (110) und den zweiten Sensor (128) zu steuern und mindestens eine Information über die Feingestalt der mindestens einen Oberfläche (112) des Messobjekts (114) aus dem ersten optischen Sensorsignal und mindestens eine Information über die Grobgestalt des Messobjekts (114) und/oder über den Abstand zu dem Messobjekt (114) aus dem zweiten Sensorsignal zu erzeugen; wobei der erste optische Sensor (110) einen ersten Messbereich (162) und der zweite Sensor (128) einen zweiten Messbereich (164) aufweist, wobei der erste optische Sensor (110) zumindest teilweise in dem zweiten Sensor (128) integriert ist, derart, dass sich der erste Messbereich (162) und der zweite Messbereich (164) zumindest teilweise überlappen.
  13. Koordinatenmessgerät (111) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Koordinatenmessgerät (111) eingerichtet ist, die Information über die Feingestalt und die Information über die Grobgestalt des Messobjekts (114) und/oder über den Abstand zu dem Messobjekt (114) gleichzeitig zu erfassen.
  14. Verfahren zur Vermessung mindestens eines Messobjekts (114) mit einem Koordinatenmessgerät (111) nach einem der vorhergehenden, ein Koordinatenmessgerät betreffenden Ansprüche, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: - Erzeugen mindestens eines ersten optischen Sensorsignals abhängig von einer Feingestalt mindestens einer Oberfläche des Messobjekts (114) mit mindestens einem ersten optischen Sensor (110); - Erzeugen mindestens eines zweiten Sensorsignals abhängig von einer Grobgestalt des Messobjekts (114) und/oder von einem Abstand zu dem Messobjekt (114) mit mindestens einem zweiten Sensor (128), wobei der erste optische Sensor (110) einen ersten Messbereich (162) und der zweite Sensor (128) einen zweiten Messbereich (164) aufweist, wobei der erste optische Sensor (110) zumindest teilweise in dem zweiten Sensor (128) integriert ist, derart, dass sich der erste Messbereich (162) und der zweite Messbereich (164) zumindest teilweise überlappen; - Erzeugen mindestens einer Information über die Feingestalt der mindestens einen Oberfläche (112) des Messobjekts (112) aus dem ersten optischen Sensorsignal und mindestens einer Information über die Grobgestalt des Messobjekts (114) und/oder über den Abstand zu dem Messobjekt (114) aus dem zweiten Sensorsignal mit mindestens einer Steuer- und Auswerteeinheit (126).
  15. Verfahren zur Regelung einer Bewegung eines Koordinatenmessgerätes (111), wobei ein Koordinatenmessgerät (111) nach einem der vorhergehenden, ein Koordinatenmessgerät betreffenden Ansprüche verwendet wird, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: - Erzeugen mindestens eines ersten optischen Sensorsignals abhängig von einer Feingestalt mindestens einer Oberfläche eines Messobjekts (114) mit mindestens einem ersten optischen Sensor (110); - Erzeugen mindestens eines zweiten Sensorsignals abhängig von einer Grobgestalt des Messobjekts (114) und/oder von einem Abstand zu dem Messobjekt (114) mit mindestens einem zweiten Sensor (128), wobei der erste optische Sensor (110) einen ersten Messbereich (162) und der zweite Sensor (128) einen zweiten Messbereich (164) aufweist, wobei der erste optische Sensor (110) zumindest teilweise in dem zweiten Sensor (128) integriert ist, derart, dass sich der erste Messbereich (162) und der zweite Messbereich (164) zumindest teilweise überlappen; - Regeln einer Bewegung des Koordinatenmessgerätes (111) und/oder eines Antastelementes (100) des Koordinatenmessgeräts (111) entlang der Oberfläche (112) des Messobjektes (114) basierend auf dem zweiten Sensorsignal.
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