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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Messung von Oberflächeneigenschaften
eines Objekts wie Werkstücks
mittels eines Koordinatenmessgerätes
umfassend ein als Tastschnittnadel auf der Oberfläche sich
abstützendes
und relativ zu dieser bewegbares Antastformelement, dem eine Marke
zugeordnet ist, sowie Position der Marke unmittelbar bestimmender
Abstandssensor.
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Die
Bestimmung der Oberflächenqualität dient
zur Beurteilung der Begrenzungsfläche eines Objekts wie Werkstücks. Dabei
können
Tastschnittgeräte
zur Anwendung gelangen, wobei mittels z. B. einer Saphir-, Diamant-
oder einfachen Stahlspitze als Tastnadel die Oberfläche abgetastet
wird. Die Auslenkung der Tastnadel kann z. B. induktiv oder aber
laserinterferometrisch aufgenommen werden.
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So
wird nach der DE.Z: Techniker 5/96, Seiten 13 bis 20, zur Bestimmung
der Oberflächengenauigkeit
eine Tastspitze auf einer Probenfläche geführt. Die Tastspitze geht von
einem Cantilever aus. Auf die Außenfläche des Cantilevers wird ein
Laserstrahl gerichtet, dessen Reflexion mittels eines PSD-Sensors
erfasst wird. Laser und PSD-Sensor bilden folglich einen optischen
Sensor.
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In
der
DE 198 24 107
A1 wird ein Verfahren zur Messgrößenbestimmung einer Oberfläche eines Prüflings mit
einem auf der Oberfläche
sich abstützenden
Tastelement beschrieben, wobei die Position des Tastelementes unmittelbar
oder eine Position zumindest einer dem Tastelement unmittelbar zugeordneten
Zielmarke mit einem Bildverarbeitungssensor erfasst und unter Berücksichtigung
der Relativbewebung zwischen dem Prüfling und dem Tastelement die
Oberflächenmessgröße ermittelt
wird.
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Verfahren
und Geräte
zur Ermittlung der Oberflächenqualität von Werkstücken sind
beschrieben in T. Pfeifer, Fertigungsmesstechnik, Verlag Oldenbourg,
2. Auflage, Seite 289 bis 298.
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Ein
Verfahren zur Bestimmung von Oberflächeneigenschaften eines Werkstückes ist
auch der
WO 98/30866
A1 zu entnehmen. Dabei werden mit völlig getrennten optischen und
mechanischen Messsystemen die Oberflächeneigenschaften gemessen.
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Um
opto-taktil Oberflächeneigenschaften
zu messen, wird nach der
WO
99/63301 A1 ein Koordinatenmessgerät vorgeschlagen, dass einen
entlang zu messender Werkstückoberfläche verfahrbaren Fasertaster
aufweist, dessen Position mittels einer Kamera gemessen wird. Kamera
und Taster bilden eine gemeinsam verstellbare Einheit, wobei der
Taster über
eine opto-meschanische Schnittstelle mit einer Justiereinrichtung
einer Wechselhalterung verbunden ist.
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Nach
der
WO 03/008905 A1 kann
ein opto-eleketronischer Abstandssensor unmittelbar die Oberflächeneigenschaften
eines Werkstücks
messen. Auch ist mit dem Abstandssensor die Position eines Antastformelementes
bestimmbar.
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Mit
den bekannten Verfahren bzw. den entsprechenden Anordnungen ist
es grundsätzlich
nur möglich,
Oberflächenkonturen
auf Werkstücken
zu messen, wenn Oberflächennormale
der Werkstückoberfläche im Messpunkt
in Richtung des optischen Messkopfes weist. Ferner ist zwingende
Voraussetzung, dass Rückseite
des als Tastschnittnadel zu bezeichnenden Antastformelements für eine Optik
frei zugänglich
ist.
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Aus
der
DE 100 25 461
A1 ist eine Messeinrichtung bekannt, bei der die Position
eines Antastformelementes nach dem Interferenzprinzip bestimmt wird.
Hierzu ist es erforderlich, dass von einem das Antastformelement
aufnehmenden Hebel ein Beugungsgitter ausgeht, das mit interferenzfähigem Licht beaufschlagt
wird, um Maxima zu erzeugen, die mittels Sensoren ausgelesen werden.
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Bei
einem Koordinatenmessgerät
nach der
US 5,825,666 gehen
eine Marke und ein Antastformelement von Abschnitten eines Hebels
aus, die sich in versetzt zueinander verlaufenden Ebenen verstrecken.
Die Marke ist im Strahlengang einer von einer Diode emittierten
Strahlung angeordnet, um in Abhängigkeit
der gemessenen Strahlungsintensität Rückschlüsse auf die Position der Marke
zu ziehen.
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Der
DE 20 19 895 A ein
Tastkopf zur dynamischen Messung räumlicher Konturen zu entnehmen, wobei
kapazitiv oder induktiv gemessen wird.
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Eine
Messanordnung nach der
GB
1 449 259 A sieht einen Taster vor, der entlang einer Rampe
eines Hebelmechanismus verstellbar ist. Nach einem Ausführungsbeispiel
kann der Hebelmechanismus eine Lichtquelle aufweisen, die auf einen
optischen Sensor gerichtet ist. Hierdurch kann die Position des Tasters
bestimmt werden.
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Um
z. B. die Wandung eines Rohres zu messen, wird nach der
US 4,389,786 eine Messvorrichtung
vorgeschlagen, die ein Antastformelement umfasst, das von einem
Arm ausgeht, der seinerseits über
eine Kupplung mit einem weiteren Arm verbunden ist, von dem ein
Spulenkern ausgeht, der sich innerhalb einer Spule erstreckt, um
in Abhängigkeit
von der Stellung des Kerns Messsignale zu erzeugen.
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Aus
der
GB 571 775 A ist
eine Messanordnung zum Messen der Dimension eines Körpers wie einer
Kugel bekannt, bei der eine Messspitze von einem ersten Hebel und
ein mit Licht beaufschlagter Reflektor von einem zweiten Hebel ausgehen.
Der erste und der zweite Hebel sind über einen Arm verbunden.
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Die
DE 39 33 268 A1 sieht
eine Hebelanordnung vor, die mit einer Tastspitze verbunden ist,
um Form- und Lageänderungen
von Maschinenteilen zu messen. Entsprechend dem Prinzip der
GB 571 775 A wird
die Änderung
einer von einem Lichtwellenleiter abgegebenen Strahlung zur Messung
benutzt.
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Die
US 5,309,755 bezieht sich
auf eine vibrationsunempfindliche Taststiftanordnung eines Profilometers.
Um die Oberfläche
eines Werkstücks
zu messen, geht von einem Drehelement, das um ein Kreuzfedergelenk
drehbar ist, ein Arm aus, der an. seinem Ende einen abgewinkelten
Draht mit Diamantspitze aufweist, das ein Antastformelement bildet.
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Aus
der
US 4,972,597 ist
ein Taster bestimmt für
ein Koordinatenmessgerät
bekannt, der einen Hebel aufweist, der schwenkbar von einer Halterung aufgenommen
ist, die ihrerseits in axialer Richtung des Tastergehäuses verstellbar
ist.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung
der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass unabhängig von
der Ausrichtung des Antastformelementes auf das zu messende Objekt
bzw. dessen Oberflächenkontur
eine sichere Bestimmung dieser möglich
ist. Auch soll die Möglichkeit
geschaffen werden, Messungen in geschlossenen Hohlräumen wie
Rohren durchzuführen.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe dadurch gelöst,
dass die Marke und das Antastformelement von einem Hebel ausgehen,
der um eine Achse schwenkbar ist, dass der Hebel einen ersten Schenkel
und einen zweiten Schenkel aufweist, die auf gegenüberliegenden
Seiten zu der Achse verlaufen, und dass das Antastformelement von
einem Abschnitt des ersten Schenkels und die Marke von einem Abschnitt
des zweiten Schenkels ausgehen.
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Erfindungsgemäß wird mittels
des opto-elektronischen Abstandssensors die Auslenkung nicht direkt
hinter dem Antastformelement, also der Tastschnittnadel, sondern
an einem über
ein Gelenk mit dieser starr verbundenen Hebelkonstruktion gemessen,
die die Marke aufweist. Hierdurch kann sowohl der Arbeitsabstand
des Systems erweitert werden, – andere
Messebene als direkt messender Strahl bzw. Laserstrahl – als auch
in geschlossenen Hohlräumen wie
in horizontal liegenden Bohrungen oder Rohren gemessen werden. Es
besteht die Möglichkeit,
die Messrichtung umzukehren, d. h., ein Messen von nach unten weisenden
Flächen
ist möglich.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Marke und das
Antastformelement mit seinem das Objekt messenden Bereich auf gleicher Seite
des Verbindungselementes angeordnet sind, also sensorseitig. Alternativ
besteht die Möglichkeit, dass
das Antastformelement mit seinem messenden Bereich auf sensorabgewandter
Seite des Verbindungselementes wie Hebels angeordnet ist.
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Von
von dem Sensor erfasster Bereich der Marke aufgespannte Ebene kann
in Weiterbildung der Erfindung einen oder in etwa einen rechten
Winkel zur zum Berührungsbereich
des Antastformelements aufgespannten Ebene einschließen, also
optische Achse des Sensors und Normale des Antastformelementes rechtwinklig
oder in etwa rechtwinklig zueinander verlaufen.
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Insbesondere
gehen die Marke und das Antastformelement von jeweils einem Schenkel
des Verbindungselements aus, wobei die Schenkel einen gewünschten
Winkel einschließen
können.
Des Weiteren kann der antastformelementseitige Schenkel mehrere
in Bezug auf das zu messende Objekt voneinander abweichende Antastrichtungen
aufweisende Antastformelemente aufweisen.
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Des
Weiteren sieht die Erfindung vor, dass zumindest einer, vorzugsweise
jeder Schenkel aus einen Winkel, insbesondere einen stumpfen Winkel einschließenden Abschnitten
besteht. Dabei sollte die Marke bzw. das Antastformelement vom jeweiligen äußeren Abschnitt
der Schenkel ausgehen, wobei die äußeren Abschnitte ggf. parallel
zueinander verlaufen können.
Dabei können
die äußeren Schenkel
in voneinander abweichenden Ebenen verlaufen.
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Ferner
kann die Anordnung ein Wechselsystem zum Auswechseln von Verbindungselementen wie
Hebeln und/oder deren Lager aufweisen.
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Bei
dem optischen Sensor handelt es sich erwähntermaßen um einen optoelektronischen
Abstandssensor. Zur optischen Achse des Abstandssensors kann Antastrichtung
des Antastformelementes aufgrund der erfindungsgemäßen Lehre
einen gewünschten
Winkel beschreiben, so z. B. von oder in etwa von 90°.
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Des
Weiteren kann der oder ein weiterer optischer Sensor mit einer Bildverarbeitung
verbunden sein, um eine Verdrehung des bzw. der Antastformelemente über die
Bildverarbeitung mittels Lageerfassung von mehreren an dem Verbindungselement
angeordneten Marken zu bestimmen und zu verrechnen. Auch kann ein
Kippen des Antastformelementes über
die Bildverarbeitung als Lageerfassung von mehreren an dem Verbindungselement
angeordneten vorzugsweise satellitenförmig ausgebildeten Marken bestimmt
und verrechnet werden.
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Weitere
Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht
nur aus den Ansprüchen,
den diesen zu entnehmenden Merkmalen – für sich und/oder in Kombination –, sondern
auch aus den nachfolgenden Beschreibungen von der Zeichnung zu entnehmenden
bevorzugten Ausführungsbeispielen.
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Es
zeigen:
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1 eine
Prinzipdarstellung eines Koordinatenmessgerätes,
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2 eine
Prinzipdarstellung einer ersten Ausführungsform einer Messeinrichtung
und
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3 eine
zweite Ausführungsform
einer Messeinrichtung.
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Der 1 ist
rein prizipiell ein Koordinatenmessgerät 10 mit z. B. aus
Granit bestehendem Grundrahmen 12 mit Messtisch 14 zu
entnehmen, auf dem ein Werkstück 15 anordbar
ist, um dessen Oberflächeneigenschaften
wie Rauigkeit zu messen.
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Entlang
dem Grundrahmen ist ein Portal 16 in Y-Richtung verstellbar.
Hierzu sind Säulen
oder Ständer 18, 20 gleitend
auf dem Grundrahmen 12 abgestützt. Von den Säulen 18, 20 geht
eine Traverse 22 aus, entlang der, also gemäß der Figur
in X-Richtung ein Schlitten 24 verstellbar ist, der seinerseits eine
Pinole oder Säule 26 aufnimmt,
die in Z-Richtung verstellbar ist. Von der Pinole oder Säule 26 bzw.
einer Wechselschnittstelle 28 geht ein ein Antastformelement 30 aufweisender
Taster 32 aus, das zur Bestimmung der Oberflächeneigenschaften
entlang des Werkstückes 15 gleitet,
um aus der Position des Antastformelementes 30 bzw. dessen
Tastspitze die Oberflächeneigenschaften
messen zu können. Um
die Bewegung des Antastformelementes 30 zu messen, ist
diesem eine Marke 34 zugeordnet, die über einen optischen Sensor,
der in der Pinole oder Säule 26 vorhanden
ist, erfasst wird. Die Bezeichnung Marke ist dabei Synonym für ein Mittel
auf dem Taster 32, das mit dem Sensor erfasst wird.
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Hinsichtlich
des Abstandssensors 32 ist anzumerken, dass es sich hierbei
insbesondere um einen solchen handelt, der nach dem Video-Autofocus-Verfahren,
dem Laser-Autofocus-Verfahren
und dem Foucoult'schen
Schneidenprinzip arbeitet.
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Erfindungsgemäß gehen
das Antastformelement 30 und die diesem zugeordneten Marke 34 von einem
Hebel 36 aus, der um ein Lager 38 schwenkbar ist.
Dies ergibt sich insbesondere aus den 2 und 3.
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In 2 ist
ein Hebel 40 dargestellt, der einen Mittelabschnitt 42 und äußere Abschnitte 44, 46 aufweist.
Der Hebel 40 ist in seinem Mittelabschnitt 42 von
einem Lager 46 schwenkbar aufgenommen. Das Lager 46 unterteilt
folglich den Hebel 42 in einen ersten Schenkel 48 und
einen zweiten Schenkel 50. Der erste Schenkel 48 weist
im Endbereich seines äußeren Abschnitts 46 ein
Antastformelement 52 mit zwei Tastspitzen 54 und 56 auf.
Im Endbereich des äußeren Abschnitts 44 des
Schenkels 50 ist eine Marke 58 angeordnet, deren
Position über
einen Abstandssensor 60 gemessen wird. Des Weiteren kann eine
optische Bildverarbeitung 62 vorgesehen sein, um mittels
Lageerfassung von mehreren an dem Abschnitt 44 angebrachten
nicht näher
dargestellten Marken eine Verdrehung des Antastformelementes 52,
d. h. dessen Tastspitzen 54, 56 zu bestimmen und
zu verrechnen. Auch kann ein Verkippen des Antastformelementes 52 über die
Bildverarbeitung 62 mittels Lageerfassung von mehreren
an dem Hebel 40 angebrachten satellitenförmig ausgebildeten
Marken bestimmt und verrechnet werden.
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Wie
der 2 zu entnehmen ist, gehen das Antastformelement 52,
d. h. die Tastspitzen 54, 56 und die von dem Sensor
wie dem Abstandssensor 60 in ihrer Position bestimmte Marke 58 von
den im Ausführungsbeispiel
parallel zueinander, jedoch in versetzten Ebenen verlaufenden äußeren Abschnitte 44, 46 des
Hebels 40 aus. Dies ist jedoch keine zwingende Bedingung.
Unabhängig
hiervon kann jedoch mittels der Tastspitze 54 eine sensorabgewandte
Fläche,
also Unterseite eines Objekts gemessen werden. Mit der Tastspitze 56 wird
in üblicher
Weise eine sensorzugewandte Fläche
gemessen.
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In 3 geht
ein Antastformelement 60 mit Tastspitzen 62, 64 von
einem ersten Schenkel 66 eines Hebels 68 aus,
der um ein Lager 70 schwenkbar ist. Von einem zweiten vorzugsweise
senkrecht zu dem ersten Schenkel 66 verlaufenden Schenkel 72 geht
eine Marke 74 aus, die vom Strahlengang 76 eines
optischen Sensors 78 wie Laserabstandssensor erfasst ist,
um also die Position der Marke 74 in Z-Richtung eines Koordinatenmessgerätes zu bestimmen.
Durch die Anordnung des Antastformelementes 60 und der
Marke 74 an den senkrecht zueinander verlaufenden Schenkeln 66, 72 des
Hebels 68 besteht die Möglichkeit,
eine Umlenkung der Messrichtung um 90° vorzunehmen. Somit können senkrecht
verlaufende Flächen,
die sich parallel bzw. entlang dem Strahlengang 76 des
Sensors 78 erstrecken, gemessen werden.
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Es
wird somit die Möglichkeit
eines eine vertikal verlaufende optische Achse aufweisenden Laserabstandssensors
des Koordinatenmessgerätes
auf die Messung von extrem geneigten oder sogar in entgegengesetzte
Richtung zeigenden Flächen
ausgedehnt, wie die Erläuterung
zu den 2 und 3 verdeutlichen.
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Ist
zusätzlich
ein Bildverarbeitungssensor 80 – wie der in 2 mit 62 bezeichnete – vorhanden, bei
dem es sich um eine CCD-Kamera handeln kann, kann durch Auswertung
der Lage der Markierung 58, 74 für den optischen
Sensor 60, 78 direkt die Verschiebung in X- und Y-Richtung des
Koordiantenmessgerätes
in Folge von Verdrehung oder Verkippung ermittelt und verrechnet
werden.