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Die
Erfindung betrifft einen optischen Tastkopf für 3D-Koordinatenmeßgeräte.
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Zum
Stand der Technik gehören
Koordinatenmeßgeräte, die
Werkstücke
in der Regel mechanisch antasten, das heißt, es werden berührende Taster
eingesetzt. Dies ist bei bestimmten Meßaufgaben unpraktikabel oder
gar nicht möglich,
insbesondere bei der Messung
- – weicher
Oberflächen
oder solcher Materialien, die sich auf dem Taster ablagern,
- – sehr
harter Oberflächen,
die den Taster beschädigen,
- – flexibler
Teile,
- – sehr
kleiner oder nur optisch wirksamer Strukturen, wie etwa Beschichtungen,
oder
- – wenn
sehr viele Merkmale auf engem Raum schnell gemessen werden müssen.
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In
vielen dieser Fälle
kann die Meßaufgabe besser
oder nur durch eine optische Antastung gelöst werden.
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Da
die genannten Meßaufgaben
nicht auf zweidimensionale Teile beschränkt sind, sondern auch bei
dreidimensionalen Werkstücken
vorkommen, werden für
3D-Koordinatenmeßgeräte zusätzliche
optische Sensoren angeboten. Dies sind einerseits Punkt- oder Liniensensoren,
die in einem Punkt oder in Punkten entlang einer Linie den Abstand
zur Werkstückoberfläche messen,
und andererseits Bildsensoren, bei denen eine CCD-Kamera (Charge-Coupled-Device)
ein Bild der Werkstückoberfläche aufnimmt
und über
ein Fadenkreuz oder eine automatische Bildverarbeitung die Bestimmung
von Koordinatenwerten oder sonstige Auswertungen möglich sind.
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Bedingung
für eine
optische Antastung ist stets, daß genügend Licht von der Objektoberfläche in den
optischen Sensor gelangt. Oberflächen,
die zur Beleuchtungsrichtung so geneigt sind, daß kein oder zu wenig Licht
in den optischen Sensor reflektiert wird, können daher ohne entsprechendes Schwenken
des Sensors nicht angetastet werden.
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Da
die meisten technischen Oberflächen vorwiegend
gerichtet reflektieren, darf daher die Neigung der Oberflächennormalen
zu der Achse des Sensors gemäß dem Stand
der Technik den halben Aperturwinkel nicht wesentlich überschreiten.
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Bei
der Mehrzahl der Meßaufgaben
an technischen Werkstücken
sind jedoch Merkmale zu messen, die eine seitliche Antastung erfordern,
wie beispielsweise Durchmesser von Bohrungen. Mechanische Taster,
bei denen an der Spitze eines Schafts eine Kugel angebracht ist,
deren Durchmesser größer als
der des Schafts ist, sind für
achsenparallele und seitliche Antastungen ausgelegt. Mit optischen Tastern
ist aus dem beschriebenen Grund die Antastung einer Oberfläche, deren
Normale beispielsweise senkrecht zur Achse des Sensors steht, nicht
möglich.
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Bekannte
Lösungen,
wie Drehtische oder Dreh-Schwenkeinrichtungen verteuern das System oder
verschlechtern die Meßgenauigkeit
erheblich. Darüber
hinaus ist auch mit solchen Einrichtungen keine Messung in Bohrungen
oder Nuten möglich,
da hierbei der gesamte Sensor in die Hohlstruktur eintauchen müßte.
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Zum
Stand der Technik (
DE
42 18 219 A1 ) gehört
ein optischer Tastkopf für
3D-Koordinatenmeßgeräte, der
wenigs tens eine Umlenkvorrichtung für einen Beleuchtungsstrahl
und für
einen Beobachtungsstrahl aufweist.
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Weiterhin
gehört
zum Stand der Technik (
EP 0
379 226 A2 ) eine Vorrichtung zur Messung des Abstandes
zu einem Werkstück,
die einen optischen Tastkopf aufweist, bei dem ein Beleuchtungsstrahl
einen Strahlteiler durchläuft,
der jedoch lediglich eine Antast- und Meßrichtung aufweist.
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Weiterhin
gehört
zum Stand der Technik (
DE 94
05 098 U1 ) eine Einrichtung zum Messen des Innendurchmessers
zylindrischer Hohlkörper
mit einer Mehrrichtungsantastung mit mehreren Beleuchtungsstrahlen
mit Umlenkung.
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Zum
Stand der Technik (
DE
41 09 483 A1 ) gehört
darüber
hinaus eine Vorrichtung zur Detektion von Kanten und Bohrungen mit
einem optischen Tastkopf.
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Bei
den zum Stand der Technik gehörenden Vorrichtungen
tritt vielfach der Nachteil auf, daß lediglich ein Beobachtungsstrahl
für die
Messung zur Verfügung
steht. Damit ist es zum Beispiel bei der Vermessung von Bohrungen
erforderlich, beispielsweise einen Spiegel zu schwenken oder zu
drehen, was wiederum einen Genauigkeitsverlust zur Folge hat.
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Das
der Erfindung zugrunde liegende technische Problem besteht darin,
einen optischen Tastkopf anzugeben, der seitliche Antastungen auch
an Flächen,
deren Normale nahezu senkrecht zur Sensorachse steht, ermöglicht,
und der darüber
hinaus ein genaues Antasten, beispielsweise von Bohrungen, Nuten
oder anderen Hohlstrukturen ermöglicht.
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Dieses
technische Problem wird durch einen Tastkopf mit den Merkmalen des
Anspruches 1 gelöst.
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Dadurch,
daß der
erfindungsgemäße optische
Tastkopf für
3D-Koordinatenmeßgeräte wenigstens
eine Aufspaltungsvorrichtung für
den Beleuchtungsstrahl aufweist, und dadurch, daß die Aufspaltungsvorrichtung
als eine den Beleuchtungsstrahl in wenigstens zwei Strahlengänge für verschiedene
Antast- und Meßrichtungen
aufspaltende Aufspaltungsvorrichtung ausgebildet ist, können insbesondere Hohlstrukturen,
wie Bohrungen, Nuten und dergleichen in einfacher Art und Weise
schnell und zuverlässig
vermessen werden. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Tastkopfes liegt darin,
daß durch
die Aufspaltung des Beleuchtungsstrahlenganges in mehrere Richtungen
mit dem Tastkopf in mehreren Richtungen gemessen oder angetastet
werden kann, ohne eine mechanische Veränderung, das heißt, beispielsweise
ohne Verdrehen eines Spiegels. Hierdurch wird die Messung wesentlich
genauer, da man beispielsweise die Ungenauigkeit einer Drehachse vermeidet.
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Dadurch,
daß dem
eigentlichen Sensor eine Aufspaltungsvorrichtung vorgeschaltet ist,
ist es möglich,
Oberflächen
optisch anzutasten, deren Normale gegen die Tastkopfachse geneigt
ist. Die Aufspaltungsvorrichtung kann erheblich kompakter ausgeführt werden
als der Sensor selbst, so daß auch
Innenmessungen in Bohrungen, Nuten oder anderen Hohlstrukturen möglich sind.
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Die
Aufspaltungsvorrichtung ist mit dem optischen Taster starr, gegebenenfalls
auswechselbar verbunden, spaltet den Beleuchtungsstrahl in mehrere
Strahlen auf und lenkt diese passend weiter. Hierbei spielt es keine
wesentliche Rolle, ob die Aufspaltungsvorrichtung zwischen Kamera
und dem wenigstens einen Objektiv oder vor dem wenigstens einen Objektiv
angeordnet ist.
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Als
optische Elemente enthält
die Aufspaltungsvorrichtung Spiegel und/oder Teiler, beispielsweise
auch Beugungselemente oder holographisch-optische Elemente, und/oder
faseroptische Elemente sowie gegebenenfalls optische Schaltelemente,
wie Shutter oder LCD-Folien (Liquid-Cristal-Devices). Mit den optischen
Schaltelementen können
einzelne Strahlengänge
ausgeblendet werden, um Störlicht
von nichtaktiven Zweigen des "Taster baums" zu vermeiden. Dies
ist jedoch oft nicht notwendig, da aus nicht fokussierten Strahlengängen meist
nur sehr wenig Licht in den Sensor zurückfällt.
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Sind
mehrere Strahlengänge
gleichzeitig "geöffnet", so muß klar sein,
welcher Strahl die Antastung ausführt, etwa dadurch, daß sich die
Objektoberfläche
nur bei einem der Strahlengänge
im Meßbereich
befindet.
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Der
optische Tastkopf kann als ein flächig abbildender Sensor ausgebildet
sein, bei dem im Bild manuell oder automatisch Auswertungen vorgenommen
werden können.
Der optische Tastkopf kann aber auch ein optischer Punkt- oder Liniensensor sein.
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Bei
dem optischen Tastkopf können
verschiedene Antast- oder
Meßrichtungen
gewählt
werden. Diese Antast- oder Meßrichtungen
werden durch Einwechseln der entsprechenden Aufspaltungsvorrichtung
analog dem Tasterwechsel bei mechanischen Tastern gewählt. Es
ist aber auch möglich,
die Antast- oder Meßrichtungen
mit Hilfe einer beweglichen Aufspaltungsvorrichtung oder eines ansteuerbaren
optischen Elements im Strahlengang zu wählen.
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Das
ansteuerbare optische Element enthält Strahlteiler, LCD-Folien,
Shutter, ansteuerbare polarisationsoptische Elemente, ansteuerbare
Filter oder eine Kombination daraus.
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Die
Aufspaltungsvorrichtung oder das ansteuerbare optische Element befinden
sich objektseitig, das heißt,
vor dem wenigstens einen Objektiv oder zwischen Kamera und dem wenigstens
einen Objektiv.
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Die
Optik kann weitere Umlenk-, Filter-, Polarisations- oder Strahlformungselemente
enthalten.
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Es
ist auch möglich,
Aufspaltungsvorrichtungen für
den Beleuchtungsstrahlengang und Umlenkvorrichtungen für den Beobachtungsstrahlengang räumlich getrennt
vorzusehen.
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Es
kann eine Schrägauflicht-Beleuchtung vorgesehen
sein, die gegebenenfalls der Antastrichtung anpaßbar ist.
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Um
die Positionen der einzelnen Antastpunkte zueinander oder relativ
zu einem Referenzpunkt am Taster genauer zu bestimmen, kann die
Kalibrierung an einem dafür
geeigneten Objekt vorgesehen sein. Darüber hinaus kann eine Kalibrierung
an dem für
mechanische Taster vorgesehenen Kalibriernormal vorgesehen sein,
insbesondere auch relativ zu einem mechanischen Taster, um Meßaufgaben
zu erfüllen,
bei denen optisch und mechanisch angetastet werden muß. Hierfür sind allgemein
Meßobjekte mit
sowohl optisch als auch mechanisch antastbaren Merkmalen geeignet.
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Die
Aufspaltungsvorrichtung kann gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform
auch als Aufspaltungs- und Umlenkvorrichtung ausgebildet sein.
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Weitere
Einzelheiten der Erfindung können den
Unteransprüchen
entnommen werden.
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Auf
der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung dargestellt, und zwar zeigen:
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1 einen
erfindungsgemäßen Tastkopf;
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2 ein
geändertes
Ausführungsbeispiel;
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3 einen
Tastkopf mit Tasterwechselmöglichkeit;
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4 ein
geändertes
Ausführungsbeispiel.
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1 zeigt
einen erfindungsgemäßen Tastkopf
(1) mit einer Beleuchtungseinrichtung (2). Der von
der Beleuchtungseinrichtung ausgesendete Lichtstrahl wird an einem
Teilerprisma (3) umgelenkt auf eine Aufspaltungs- und Umlenkvorrichtung
(4). Die Aufspaltungs- und Umlenkvorrichtung (4)
weist LCD-Folien (5, 6, 7) auf, mit denen
die Sichtrichtung je nach elektrischer Beschaltung (nicht dargestellt) geöffnet wird.
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Von
der Aufspaltungs- und Umlenkvorrichtung kann der von dem Teilerprisma
(3) kommende Lichtstrahl auf Objekte (8, 9, 10)
aufgespalten und umgelenkt werden. Die Objekte (8, 9, 10)
können
beispielsweise die Oberfläche
einer Bohrung eines Werkstückes
darstellen. Vor den Objekten (8, 9, 10) sind
telezentrische Optiken (11, 12, 13) angeordnet. Zwischen
der Optik (13) und dem Objekt (10) ist zusätzlich ein
weiterer Umlenkspiegel (14) vorgesehen. Je nachdem, welcher
Strahlengang "geöffnet" ist, wird der Lichtstrahl
von dem Objekt (8, 9 oder 10) auf die
Umlenkvorrichtung (4) durch die Optiken (11, 12 oder 13)
reflektiert. Von der Umlenkvorrichtung (4) fällt der
Lichtstrahl durch das Teilerprisma in eine CCD-Kamera (16).
Der Störlichtanteil
läßt sich
durch bekannte polarisationsoptische Maßnahmen (nicht dargestellt)
verringern. Die weitere Verarbeitung und Auswertung ist ebenfalls
nicht dargestellt.
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Die
Aufspaltungs- und Umlenkvorrichtung (4) ist mit dem optischen
Taster starr verbunden. Sie kann aber auswechselbar gestaltet sein.
Die Aufspaltungs- und Umlenkvorrichtung (4) spaltet den
Beleuchtungsstrahl (17) in mehrere Strahlen (17a, 17b, 17c)
auf und lenkt diese passend weiter.
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Als
optische Elemente enthält
die Aufspaltungs- und Umlenkvorrichtung (4) Spiegel oder
Teiler. Bei einem optischen Taster (1), bei dem der Beobachtungsstrahlengang
(18, 19, 20) koaxial zum Beleuchtungsstrahlengang
(17a, 17b, 17c) verläuft, werden die von den einzelnen
Strahlen erzeugten Lichtflecke auf den Objektoberflächen der
Objekte (8, 9, 10) über dieselben Elemente beobachtet.
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Die 1 zeigt
einen optischen Taster mit zwei um 90° umgelenkten Strahlen (17a, 17c)
und einem durchgehenden Strahl (17b).
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Bei
einem optischen Taster, bei dem Beleuchtungs- und Beobachtungsstrahlengang
räumlich
getrennt sind (nicht dargestellt), sind entweder räumlich getrennte
Aufspaltungs- und
Umlenkelemente zu verwenden, oder diese müssen so groß sein, daß beide Strahlengänge in gleicher
Weise aufgespalten oder umgelenkt werden.
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Bei
einem "schaltenden" optischen Taster, der
ein Signal gibt, wenn die Objektoberfläche sich in einem bestimmten
Abstand zum Taster befindet, sollte die Bedienung ähnlich wie
bei einem taktilen Taster mit "Tasterbaum" erfolgen, das heißt, es sollte
klar erkennbar sein, welcher Strahl die Antastung ausführt.
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Dieses
ist in 2 dargestellt. 2 zeigt den
optischen Taster (21) mit der Aufspaltungs- und Umlenkvorrichtung
(22), welche den Beleuchtungsstrahlengang (23)
in die Beleuchtungsstrahlengänge (25a, 25b, 25c)
aufspaltet und die Beobachtungsstrahlengänge (25a, 25b, 25c)
in den Beobachtungsstrahlengang (23) zusammenführt.
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Wenn
bei dem in der 2 dargestellten Sensor (21)
die Antastung im Fokus erfolgt, ist dieses gemäß 2 der Strahl
(25a). Bei einem messenden optischen Taster, der innerhalb
eines Meßbereichs den
Abstand zur Objektoberfläche
(24) mißt,
darf sich die Objektoberfläche
(24) entweder nur bei einem der Strahlen im Meßbereich
befinden, oder die Antastung muß durch
andere Merkmale, etwa durch Polarisation, eindeutig einem Strahl
zuzuordnen sein.
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In 3 ist
ein Ausführungsbeispiel
mit einem optischen Taststiftwechsel dargestellt.
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An
einer Pinole (26) eines Koordinatenmeßgerätes (27) ist ein optischer
Tastkopf (28) angeordnet. Die Pinole (26) und
der Tastkopf (28) werden durch einen Kollisionsschutz (29)
geschützt.
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Der
optische Tastkopf (28) enthält eine Lichtquelle (30),
einen ersten Teiler (31), einen Sensor (32), der
beispielsweise eine CCD-Kamera sein kann, ein Objektiv (33),
gegebenenfalls weitere optische Elemente (nicht dargestellt) und
eine Tasterwechsel-Schnittstelle (34). Die konstruktive
Ausführung
der Tasterwechsel-Schnittstelle (34), die eine lösbare aber
reproduzierbare und starre Verbindung gewährleisten soll, ist von mechanischen
Tastköpfen für Koordinatenmeßgeräte bekannt.
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Auf
die Tasterwechsel-Schnittstelle (34) wird eine optische
Taststiftaufnahme (35) aufgesetzt, die anstelle eines mechanischen
Taststifts einen zweiten Teiler (36) trägt, der über eine Halterung, beispielsweise
ein Rohr, mit der Taststiftaufnahme (35) verbunden ist.
Die konstruktiven Merkmale der Taststiftaufnahme (35) und
der Halterung sind ebenfalls im wesentlichen von mechanischen Tastern
bekannt, wobei hier ein ungestörter
Strahlengang zu ermöglichen
ist. Vorteilhaft kann die mechanische Halterung als pyramiden- oder
kegelförmiger
Glasstab (37) ausgebildet sein, der einen Teil des Lichtwegs
enthält und
dadurch den Arbeitsabstand vom Sensor (32) zum Antastpunkt
vergrößert. Im
dargestellten Beispiel sind zwei Antastrichtungen (38, 39)
realisiert.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Tastkopf
(28) können
Innenmessungen an Bohrungen (49) vorgenommen werden, in
die der Tastkopf (28) nicht eintauchen kann. Soll eine
an dem betreffenden optischen Taststift nicht realisierte Antastrichtung
gewählt
werden, so wird manuell oder automatisch ein entsprechender zweiter,
gegenüber
dem ersten optischen Taststift kalibrierter optischer Taststift
eingewechselt.
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Gemäß 4 ist
eine Tasterwechsel-Schnittstelle (40) zwischen dem Koordinatenmeßgerät (27)
und einem Tastkopf (41) angeordnet, daß heißt, es ist eine Tastkopf-Schnittstelle
ausgebildet.
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Der
optische Tastkopf (41) enthält die gleichen Elemente wie
im Ausführungsbeispiel
nach 3, nämlich
einen Sensor (42), ein Objektiv (43), eine Lichtquelle
(44), einen Glasstab (45), einen ersten Teiler
(46) und einen zwei ten Teiler (47). Die Tasterwechsel-Schnittstelle
(40) ist gemäß 4 jedoch an
einer Pinole (48) angeordnet. Auf die Tasterwechsel-Schnittstelle
(40) können
verschiedene Tastköpfe (41)
aufgesetzt werden, unter anderem mechanische und optische Tastköpfe. Verbindungsleitungen
sind gemäß 4 nicht
dargestellt. Über
eine Halterung, etwa ein Rohr oder den Glasstab (45), ist
mit dem Tastkopf (41) starr der zweite Teiler (47)
verbunden, der bei Innenmessungen in Hohlstrukturen eintauchen kann.
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Ein
Meßlauf
mit dem erfindungsgemäßen Tastkopf
(41) gemäß 4 kann
dann folgendermaßen
ablaufen:
- 1. Es wird eine Kalibrierung aller
bei dem Meßlauf benutzten
Taster vorgenommen, gegebenenfalls an einem Kalibriernormal, das
optische und mechanische Antastungen zuläßt.
- 2. Es werden die mit anderen Tastköpfen, auch mechanischen, anzutastenden
Antastpunkte aufgenommen.
- 3. Es wird der erfindungsgemäße Tastkopf
(41) auf die Tasterwechsel-Schnittstelle (40)
eingewechselt.
- 4. Der Tastkopf (41) wird so bewegt, daß entweder
die anzutastende Werkstückoberfläche sich für einen
der Strahlengänge
im Meßbereich
befindet (bei einem messenden Antastverfahren), oder daß der Schaltpunkt
eines der Strahlengänge
auf die anzutastende Werkstückoberfläche bewegt wird
(bei einem schaltenden Antastverfahren). Der betreffende Strahlengang
wird entweder vom Bediener, durch die Bewegungsrichtung oder durch
andere, gegebenenfalls optische Maßnahmen identifiziert. Die
Antastpunkte werden aus Tastkopf- und Maschinendaten errechnet.
- 5. Mit dem erfindungsgemäßen Tastkopf
werden weitere Messungen vorgenommen, oder es wird eine weitere
Aufspaltungsvorrichtung, in der weitere Antastrichtungen realisiert
sind, eingewechselt.
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- 1
- optischer
Taster
- 2
- Beleuchtungseinrichtung
- 3
- Teilerprisma
- 4
- Aufspaltungs-
und/oder
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- Umlenkvorrichtung
- 5,
6, 7
- LCD-Folien
- 8,
9, 10
- Objekte
- 11,
12, 13
- telezentrische
Optik
- 14
- Spiegel
- 16
- CCD-Kamera
- 17
- Beleuchtungsstrahlengang
- 17a,
17b, 17c
- Beleuchtungsstrahlengänge
- 18,
19, 20
- Beobachtungsstrahlengänge
- 21
- optischer
Taster
- 22
- Aufspaltungs-
und/oder
-
- Umlenkvorrichtung
- 23
- Beleuchtungs-
und Beobachtungs
-
- strahlengang
- 24
- Objektoberfläche
- 25a,
25b, 25c
- Beleuchtungs-
und Beobachtungs
-
- strahlengänge
- 26
- Pinole
- 27
- Koordinatenmeßgerät
- 28
- optischer
Tastkopf
- 29
- Kollisionsschutz
- 30
- Lichtquelle
- 31
- erster
Teiler
- 32
- Sensor
- 33
- Objektiv
- 34
- Tasterwechsel-Schnittstelle
- 35
- optische
Taststiftaufnahme
- 36
- zweiter
Teiler
- 37
- Glasstab
- 38,
39
- Antastrichtungen
- 40
- Tastkopf-Schnittstelle
- 41
- optischer
Tastkopf
- 42
- Sensor
- 43
- Objektiv
- 44
- Lichtquelle
- 45
- Glasstab
- 46
- erster
Teiler
- 47
- zweiter
Teiler
- 48
- Pinole
- 49
- Bohrung