DE29710242U1 - Taster zur Messung geometrischer Strukturen - Google Patents
Taster zur Messung geometrischer StrukturenInfo
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Description
Die echt dreidimensionale Messung kleiner Strukturen im Bereich einiger zehn Mikrometer
bis zu einigen zehn Millimetern mit Unsicherheiten unter einem Mikrometer stellt heute noch ein ungelöstes Problem dar, ganz anders als die zweidimensional
Messung in diesem Größen- und Genauigkeitsbereich. Dies liegt hauptsächlich daran,
daß eine hochgenaue Messung stark geneigter oder vertikaler Strukturen, die Messung in Bohrungen oder die Messung von Strukturen mit Hinterschneidungen
heute nur mechanisch berührend, aber nicht optisch möglich ist. Kleine SD-Strukturen
werden im Zuge der Weiterentwicklung der Mikromechanik immer wichtiger. Beispiele
sind die Medizintechnik {z.B. minimalinvasive Chirurgie) und die Mikrosensorik.
Es ist also bis auf weiteres für dreidimensionale Strukturen nicht auf eine mechanisch
berührende Antastung mit klassischen Taststiften aus Tastkugel und Schaft zu verzichten. Kleine Tastkugeln (<
0,1 mm) bedingen aber einen im Durchmesser noch kleineren Schaft, der außerdem aus Sicherheitsgründen (Kollision) noch sehr lang
und elastisch sein muß. Dünne Schäfte führen zu instabilen Nullagen der Tastkugeln
und (wegen dieser Nachgiebigkeit im Schaft) zu einem kleinen Verhältnis von Auslenksignal
zu tatsächlicher Auslenkung sowie zu einem durch Schwingungen stark gestörten Auslenksignal. Man kommt zwangsläufig zu dem Schluß, daß eine Messung
der Tastkugelverlagerung gegenüber dem Gerätekoordinatensystem bei der Antastung, bzw. ein Erkennen des Antastzeitpunktes nicht mehr über die vom Schaft
übertragene Kraft oder die Verlagerung des der Tastkugel gegenüberliegenden Schaftendes möglich ist.
Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch die direkte Messung der Tastkugelposition
gelöst. Grundsätzlich kommen für diese direkte Messung viele unterschiedliche physikalische Prinzipien in Frage. Da die Messung der Tastkugelauslenkung in
einem großen Messbereich im Raum sehr genau erfolgen muß, z.B. um kontinuierliche
Scanvorgänge zu ermöglichen, und um einen großen Überhub bei Objektantastung aufzunehmen (z.B. aus Sicherheitsgründen, aber auch um den Aufwand für
eine genaue Positionierung zu verringern), wird erfindungsgemäß ein photogrammetrisches
Verfahren eingesetzt. Zwei Kamerasysteme mit zueinander geneigten Achsen (Fig. 1) sind hier die Standardlösung. Es können im wesentlichen die aus der
Industriephotogrammetrie bekannten Auswertetechniken eingesetzt werden.
Mit zwei zur Schaftrichtung geneigt "bückenden" Kameras (Fig. 1 Details 4 und 5)
sind alle Messaufgaben lösbar, bei denen das Tastelement (Fig. 1 Detail 1) nicht
hinter Hinterschneidungen "verschwindet". Die Verwendung einer redundanten Anzahl
von Kameras (z.B. drei) ermöglicht auch an Objekten mit steilen Konturen zu messen. Problematisch wird die Messung in kleinen Bohrungen. Hier hilft oft eine
Kamera, die so angeordnet ist, daß sie in Schaftrichtung (gerade Faser) auf die Tastkugel "blickt". Grundsätzlich ist bei zweidimensionalen Messungen (also z.B. bei
Messungen in Bohrungen) eine einzige Kamera ausreichend, die in Schaftrichtung auf die Tastkugel "blickt".
Grundsätzlich ist für die erfindungsgemäße Funktion des Tasters kein aktiv lichtabstrahlendes
Antastelement oder eine sonstige aktive Zielmarke erforderlich. Besonders hohe Genauigkeiten erreicht man aber bei der erfindungsgemäßen Verwendung
von lichtlabstrahlenden Tastkugeln bzw. sonstiger lichtabstrahlender Zielmarken am Schaft. Das Licht aus einer Lichtquelle (Fig. 1 Detail 3) wird dabei der
Tastkugel oder sonstigen Zielmarken am Schaft über eine Lichtleitfaser (Fig. 1 De-
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tail 2) zugeführt, die selbst den Taster-Schaft darstellen kann aber nicht muß. Auch
kann das Licht im Schft oder in den Zielmarken erzeugt werden, indem diese z:B. LEDs enthalten. Der Grund für diese Konstruktionsweisen ist, daß photogrammetrische
Systeme, insbesondere solche für mikroskopisch kleine Strukturen, eine hohe Lichtintensität benötigen. Wird dieses Licht wie bei dem erfindungsgemäßen Taster
aber nur dem Tastelement {Fig. 1 Detail 1) direkt gezielt zugeführt, reduziert sich die
notwendige Lichtleistung erheblich, und somit auch die Wärmebelastung des Objekts
(Fig. 1 Detail 6) während der Messung. Die erfindungsgemäße Konstruktion ergibt ein ideal kontrastreiches und ideal kreisförmiges Bild der Tastkugel aus allen
Blickrichtungen. Insbesondere gilt dies bei Verwendung einer volumenstreuenden Kugel. Störungen durch Abbildung von Strukturen des Objekts selbst werden vermieden,
da das Objekt selbst nur in unmittelbarer Nähe der Tastkugel hell beleuchtet wird. Dabei wird aber das durch Spiegelung am Objekt entstehende Bild der
Tastkugel praktisch immer weniger hell erscheinen als die Tastkugel selbst und läßt
sich leicht eliminieren. Diese vorteile haben von außen beleuchtete Zielmarken
nicht. Noch eine andere Alternative ist, die Zielmarken fluoreszierend auszuführen,
sodaß eingestrahltes und abgestrahltes Licht frequenzmäßig getrennt sind, und sich
somit ebenfalls die Zielmarken im Bild deutlicher von der Umgebung isolieren lassen.
Um auch in kleinen Bohrungen oder an sehr steilen Strukturen zu messen, wenn das
Antastelement wegen Abschattung selbst nicht oder nicht von mehreren Kameras erfaßt werden kann, lässt sich erfindungsgemäß die Position, die Orientierung und
die Krümmung der Lichtleitfaser in den sichtbaren Teilbereichen photogrammetrisch
erfassen. Daraus kann die Position der Tastkugel berechnet werden, z.B. über einen
Ansatz der Faserbiegung in Form einer Parabel mit linearem und quadratischem Term. Die Messung bei unterschiedlichen Überhüben (mehr oder weniger ins Objekt
hinein positioniert) und anschließende Mittelung der Tastkugelpositionen erhöht die
Messgenauigkeit. Die photogrammetrische Messung der Faser wird durch eine gleichförmige Lichtabstrahlung der Faser erleichtert, die verbessert werden kann
durch Verwendung von volumenstreuendem Fasermaterial, der Aufbringung einer diffus abstrahlenden Schicht auf der Faseroberfläche oder einer sonstigen geeigneten
Wahl der Faserzusammensetzung und Fasergeometrie (z.B. Fertigung aus Materia!
mit relativ geringem Brechungsindex).
Es ist auch erfindungsgemäß möglich, auf der Lichtleitfaser weitere beleuchtete Kugeln
oder sonstiger Zielmarken anzubringen, die Position dieser Zielmarken photogrammetrisch
zu erfassen, und die Position der Tastkugel entsprechend zu berechnen. Kugeln stellen dabei vergleichsweise ideale, eindeutige Zielmarken dar, die es
auf der Faser ansonsten nicht gibt. Eine gute Lichteinkopplung in die Kugeln erreicht
man durch Störung der Lichtleitereigenschaften des Schafts, z.B. indem man die durchbohrten volumenstreuenden Kugeln auf den Schaft aufsteckt und mit diesem
verklebt. Auch können die volumenstreuenden Kugein seitlich am Schaft angeklebt
sein, wobei auch eine Lichteinkopplung möglich ist, vorausgesetzt, der Schaft führt
bis zu seiner Oberfläche Licht (kein Mantel an der Klebestelle). Eine besonders hohe
Genauigkeit wird erreicht, wenn die Tastkugelposition als Funktion der Faserlage
und Faserkrümmung (Zonen der Faser in einigem Abstand von der Tastkugel) experimentell
erfaßt (kalibriert) wird. Auch hier ist wieder die Anmessung von entlang der Faser aufgebrachten Zielmarken anstelle der Anmessung der Faser selbst möglich.
Die Kalibrierung kann z.B. durch Antastung einer Kugel aus unterschiedlichen Richtungen und mit unterschiedlichen Kräften (mehr oder weniger ins Objekt
"hineinpositioniert") geschehen, oder sie erfolgt durch bekannte relative Positionierung
des Tastsystems gegenüber der geklemmten Tastkugel.
Die Trennung der Elemente Tastkugel und Zielmarken verringert noch mehr die
Wahrscheinlichkeit einer Störung der photogrammetrischen Messung der Tastkugelposition
durch Reflexe der Zielmarken auf der Objektoberfläche.
Es können erfindungsgemäß mehrere Taststifte nacheinander im Einsatz sein, z.B.
durch eine einfache Wechseleinrichtung (z.B. Revolver mit mehreren Taststiften) können verschiedene Taststifte ins Blickfeld eingeschwenkt werden. Es können erfindungsgemäß
auch mehrere Taststifte gleichzeitig im Einsatz sein. Die Identifikation des aktiven Taststifts ist einfach durch Abschalten der Beleuchtung der nicht aktiven
Taststifte möglich oder über eine sonstige Codierung, wie z.B. anhand der Zielmarkengröße, der Lichtfarbe, der Zielmarkenposition im Tasterkoordinatensystem,
der Modulation des Lichts, oder anhand aufgebrachter Muster. Taststifteinmessungen
wie sie in der klassischen Koordinatenmesstechnik üblich sind, sind bei den erfindungsgemäßen Tastern nicht immer unbedingt erforderlich, da Tastkugellage
und Tastkugeldurchmesser photogrammetrisch mit einer oft ausreichenden Genauigkeit
erfaßt werden können.
Die Messung mit kleinen Tastern bringt oft eine hohe Anzahl zerstörter Taststifte mit
sich. Bei dem erfindungsgemäßen System sind die Taststifte billig und einfach auswechselbar.
Das teure Photogrammetriesystem und die Bewegungsachsen werden im aligemeinen nicht von Kollisionen beschädigt oder verändert, da der Abstand von
der Tastkugel erfindungsgemäß sehr groß ist. Z.B. kann die Schaftlänge größer als
der Verfahrbereich des Systems sein, eine Kollision ist so nicht möglich. Eine große
Tastkugelauslenkung relativ zur Taststiftiänge ist ohne Schwierigkeiten möglich.
Dadurch ergibt sich eine hohe Eigensicherheit des Systems, und eine gute Scanfähigkeit.
Auch sind hohe Antastgeschwindigkeiten ohne Beschädigung der Objektoberfläche möglich.
Die Photogrammetriesysteme erlauben eine mathematische Ausrichtung des Objekts
vor dem eigentlichen Messbeginn aufgrund der Bildinformation über das Objekt. Damit ist eine punktgenaue Antastung des Objektes bei der eigentlichen taktilen
Messung möglich.
Es gibt bei diesem System zwei Arten von elastischen Einflüssen, die zu Messabweichungen
führen können:
1. die Nachgiebigkeit des Objekts selbst (in größeren Bereichen); Einflüsse durch
diese können durch Messung mit mindestens zwei Antastkräften auf Null extrapoliert
werden,
2. die lokale Nachgiebigkeit durch die Hertz'sche Pressung zwischen Kugel und
Objektoberfläche; diese Effekte können bei Bedarf (also bei hochgenauen Messungen
oder bei nachgiebigen Objekten) durch eine Messung mit mindestens zwei unterschiedlichen Antastkräften und Extrapolation auf die fiktive Antastkraft
"Null" ausgeschaltet werden.
Die Extrapolation auf Kraft "Null" im zweiten Fall ist möglich, da die Deformation
nach Hertz gleich einer Konstanten multipliziert mit der (Antastkraft)273 ist:
D = K-F2/3
D : Deformation an der Kontaktstelle zwischen Objekt und Tastkugel
F : Kraft (bzw. eine Größe, die proportional zur Antastkraft ist)
K: Konstante
D1 = K . F1 2'3
D2 = K. F2 273
D1 - D2 = K ■ (F1 273 - F/3)
D2 = K. F2 273
D1 - D2 = K ■ (F1 273 - F/3)
Hieraus folgt der Wert von K bei aus der Messung bekannter Differenz (D1 - D2)
sowie bei bekannten F1 und F2. Es können nun die Abplattungen D1 und D2 gegenüber
der Antastung mit Kraft "Null" berechnet werden. Die kraftproportionalen Werte sind z:B. die Verfahrwege, gerechnet ab der ersten Objektberührung. Alternativ lassen
sich diese auch mit Kraftsensoren messen. Ein Kraftsensor kann z.B. die Faser selbst sein, wenn ihre Krümmung photogrammetrisch gemessen wird oder anhand
von Änderungen des intern zur Lichtquelle reflektierten/rückgestreuten Lichts bzw.
des abgestrahlten Lichts. Es ist sinnvoll, die Messung mit mehreren Antastkräften für
alle hochgenauen Messaufgaben durchzuführen, da die effektiven Radien im Berührpunkt
zwischen Objekt und Tastelement durch lokale Welligkeiten und Rauheiten stark variieren können.
Liegen Hertz'sche und lineare Nachgiebigkeit in der gleichen Größenordnung, muß
mit mindestens drei Kräften angetastet werden, und es muß sowohl die lineare als
auch die Hertz'sche Nachgiebigkeitskonstante bestimmt werden, um auf die fiktive
Kraft "Null" extrapolieren zu können.
Es ist zu erwarten, daß die Abweichungen von der idealen Kugelform bei kleinen
Kugeln mit Durchmessern unter 0,1 mm nicht vernachlässigbar sein werden. Deshalb
ist eine richtungsabhängige Korrektur der Antastpunkt-Koordinaten meist unumgänglich.
Zur Erfassung der Korrekturwerte kommen zwei Verfahren in Frage:
1. Die Messung der Abweichungen des Tastelements von der Kugelform, durchgeführt
unabhängig vom Tastsystem mit gesonderten Meßgeräten
2. Die Messung der Abweichungen des Tastelements von der Kugelform, durchgeführt
durch Messung einer Referenzkugel mit dem Tastsystem selbst.
Grundsätzlich ist es auch möglich, eine andere Geometrieform für die Antastelemente
zu wählen als die einer Kugel, z.B. Zylinder (die Faser selbst stellt einen sochen
dar) oder sogar das verrundete Ende der Faser selbst.
Da das Antastelement (z.B. eine Kugel) je nach Betrachtungsrichtung mehr oder
weniger stark vollständig abgebildet wird und auch Schmutz sehr störend wirkt, ist
es sinnvoll, die Lage des Antastelements mit sogenannten robusten Ausgleichsalgorithmen
zu bestimmen. Zu diesen Algorithmen gehören z.B. die Minimierung der Summe der Abweichungsbeträge (sogenannte L1-Norm).
Grundsätzlich ist der Taster erfindungsgemäß auch so ausführbar, daß die Beleuchtung
der Zielmarken bzw. des Schafts nicht von innen durch den Schaft erfolgt, sondern
durch geeignete Beleuchtungseinrichtungen von außen.
Hier bietet sich auch eine Variante an, bei der die Zielmarken Retroreflektoren
(Tripelreflektoren, Katzenaugen, spiegelnde Kugeln) sind und aus der Kamera-Blickrichtung
extern beleuchtet werden.
Diese Ausführungsart ist aber wegen des geringeren Abbildungskontrasts und des
erforderlichen höheren Aufwands für die Beleuchtung weniger vorteilhaft, wenn diffus
reflektierende Zielmarken eingesetzt werden. Deshalb ist auch die erfindungsgemäße
Ausführungsvariante mit Retroreflektoren als Zielmarken günstig. Hierzu
• *
zähit auch eine Ausführungsvariante, bei der die Zielmarken (z.B. auch die Tastkugel
selbst) als Reflektoren dienen; die Zielmarken können Z.B.Katzenaugen, polierte Kugeln oder außen spiegelnde Kugeln sein, die jeweils aus der Kamera-Blickrichtung
extern beleuchtet werden.
Der erfindungsgemäße Taster ist grundsätzlich nicht auf bestimmte Baugrößen der
Messobjekte und des Tasters selbst beschränkt, wobei jedoch seine wesentlichen Vorteile konventionellen Tastern gegenüber bei der Messung kleiner Objekte liegen.
Er kann sowohl zur Messung ein-, zwei- als auch dreidimensionaler Strukturen eingesetzt
werden.
Claims (14)
1. Taster zur Messung geometrischer Strukturen, erfindungsgemäß bestehend aus
einem Photogrammetriesystem und aus einem Taststift mit biegeelastischem Schaft und einem mit dem Schaft verbundenen Antastelement, welches bei der Messung in
Berührung mit dem Messobjekt gebracht wird, gekennzeichnet dadurch, daß Zielmarken
(wie z.B. Kugeln) am Schaft angebracht sind, wobei die Position der Zielmarken relativ zum Tasterbezugssystem vom Photogrammetriesystem erfasst wird,
und die Position des Antastelements im Tasterbezugssystem aus den Zieimarkenpositionen
errechnet wird, gekennzeichnet dadurch, daß die Zielmarken selbst Licht abstrahlen
2. Taster zur Messung geometrischer Strukturen entsprechend Anspruch 1, gekennzeichnet
dadurch, daß der Schaft eine Lichtleitfaser enthält, durch die das Licht zur Beleuchtung der Zielmarken zugeführt wird
3. Taster zur Messung geometrischer Strukturen entsprechend Anspruch 1, gekennzeichnet
dadurch, daß das Antastelement eine Kugel ist (Tastkugel)
4. Taster zur Messung geometrischer Strukturen entsprechend Anspruch 1, gekennzeichnet
dadurch, daß das Antastelement selbst eine Zielmarke ist
5. Taster zur Messung geometrischer Strukturen entsprechend Anspruch 1, gekennzeichnet
dadurch, daß der Schaft selbst als räumlich ausgedehnte Zielmarke dient, dessen Position relativ zum Tasterkörper in frei gewählten Querschnitten gemessen
wird
6. Taster zur Messung geometrischer Strukturen entsprechend Anspruch 1, gekennzeichnet
dadurch, daß auf dem Schaft Zielmarken angebracht sind, und daß die Positionen der Zielmarken entlang des Schafts photogrammetrisch erfaßt werden
und daraus die Position des Antastelements berechnet wird, gekennzeichnet dadurch,
daß der Zusammenhang zwischen der Position des Antastelements und der Lage der Zielmarken entlang des Schafts empirisch durch Kalibrierung ermittelt wird
7. Taster zur Messung geometrischer Strukturen entsprechend Anspruch 1, gekennzeichnet
dadurch, daß auf dem Schaft Zielmarken wie z.B. Kugeln angebracht sind, und daß die Positionen der Zielmarken entlang des Schafts photogrammetrisch
erfaßt werden und daraus die Position des Antastelements berechnet wird, gekennzeichnet
dadurch, daß der Zusammenhang zwischen der Position des Antastelements und der Lage der Zielmarken entlang des Schafts durch rechnerische Extrapolation
der Kurvenform des durch die Zielmarken markierten und an diesen Zielmarken in seinen Koordinaten bekannten Schafts ermittelt wird
8. Taster zur Messung geometrischer Strukturen entsprechend Anspruch 1, gekennzeichnet
dadurch, daß Lage und Form des Schafts direkt ohne zusätzliche Zieimarken photogrammetrisch erfaßt werden, und daß daraus die Position des Antastelements
berechnet wird, gekennzeichnet dadurch, daß der Zusammenhang zwischen der Position des Antastelements und der photogrammetrisch gemessenen
Lage und Krümmung des Schafts empirisch durch Kalibrierung ermittelt wird
9. Taster zur Messung geometrischer Strukturen entsprechend Anspruch 1, gekennzeichnet
dadurch, daß Lage und Form des Schafts direkt ohne zusätzliche Zieimarken photogrammetrisch erfaßt werden, und daß daraus die Position des Antastelements
berechnet wird, gekennzeichnet dadurch, daß der Zusammenhang zwischen der Position des Antastelements und der Lage und Krümmung des Schafts
durch rechnerische Extrapolation der Kurvenform des Schafts ermittelt wird
10. Taster zur Messung geometrischer Strukturen entsprechend Anspruch 1, gekennzeichnet
dadurch, daß der Schaft gekrümmt ist, um für alle Antastrichtungen eine hohe Nachgiebigkeit zu erreichen
11. Taster zur Messung geometrischer Strukturen entsprechend Anspruch 1, gekennzeichnet
dadurch, daß mehrere Taststifte gleichzeitig im Einsatz sind, wobei das gleiche Photogrammetriesystem für alle Taststifte verwendet wird
12. Taster zur Messung geometrischer Strukturen entsprechend Anspruch 1, gekennzeichnet
dadurch, daß durch eine Tasterwechseleinrichtung verschiedene Taststifte nacheinander eingeschwenkt werden können, wobei das gleiche Photogrammetriesystem
für alle Taststifte verwendet wird
13. Taster zur Messung geometrischer Strukturen entsprechend Anspruch 1, gekennzeichnet
dadurch, daß das zylindrische Schaftende selbst als Antastelement dient
14. Taster zur Messung geometrischer Strukturen entsprechend Anspruch 1, gekennzeichnet
dadurch, daß das Schaftende sphärisch verrundet ist und selbst als
Antastelement dient.
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