DE3605533A1 - Messvorrichtung zum vermessen von messobjekten - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßvorrichtung zum Vermessen von Meßobjekten gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Unter der Vermessung von Meßobjekten wird sowohl die Bestimmung von geometrischen Merkmalen, wie Länge, Durch­ messer etc. als auch die Bestimmung einer das Meßobjekt begrenzenden Fläche, z. B. der Oberfläche verstanden. Bei beiden Meßaufgaben ist die Relativposition mehrerer Punkte des Meßobjektes zueinander bzw. die Absolutposition der Punkte im Raum zu bestimmen. Eine Bestimmung der Lage eines Punktes läßt sich grundsätzlich auf die Messung einer Strecke zurückführen. Diese Strecke beginnt an einem Bezugspunkt und endet an dem zu vermessenden Punkt. Die Länge der Strecke wird mit einem Meßfühler gemessen. Dies kann ein einfacher mechanischer Taststift mit integriertem Wegmeßelement sein, ein berührungsloser induktiver Wegge­ ber oder auch eine berührungslose optische Meßanordnung. Die Ausführung und Art des Meßfühlers spielt bei den hier betrachteten Meßaufgaben keine Rolle; seine Genauigkeit wird als gegeben vorausgesetzt.

Soll die Lage mehrerer Punkte erfaßt werden, so gibt es prinzipiell zwei Möglichkeiten:

• 1. Es werden mehrere Bezugspunkte definiert, von denen die Meßstrecken ausgehen, deren Länge sich jeweils bis zu dem Meßobjekt ändert. Die Bezugspunkte liegen dabei auf einer definierten Bezugskurve, die genau bekannt sein muß. Üblicherweise ist dieses eine Gerade; eine Ausführungsform für eine derartige Meßvorrichtung ist etwa in der DE-OS 30 37 579 beschrieben, bei der ein Meßfühler längs einer Führungsschiene mit Hilfe einer Vorschubeinrichtung verschoben wird.
• 2. Es wird von einem einzigen Bezugspunkt ausgegangen. Die Meßstrecke dreht sich hierbei um den Bezugspunkt, so daß zur Bestimmung der Koordinaten des Meßpunktes sowohl die Entfernung zwischen dem Bezugspunkt und dem Punkt auf dem Meßobjekt und der Winkel der Meßstrecke gegenüber einer Ruhelage gemessen werden.

In der Praxis wird die erste Möglichkeit bevorzugt, da sie einfacher zu realisieren ist. Die einzelnen Meßstrecken können entweder mit verschiedenen Meßfühlern vermessen werden oder mit einem einzigen Meßfühler, der entlang der Führung bewegt wird. Hierzu ist der Meßfühler z. B. auf einem Schlitten angeordnet, der mit Hilfe eines Spindel­ triebes längs der Führung verschoben wird. Ebenso kann der Meßfühler fest auf einer Meßstange befestigt sein, die in einem Lager geführt und in diesem verschiebbar ist. In beiden Fällen bilden die Mittellinien der Führungsschienen die Bezugsgeraden für den jeweiligen Meßfühler. Die ideale Bezugsgerade kann in der Praxis durch die Konstruktion der Führungsschiene aufgrund von Fertigungstoleranzen nie genau nachgebildet werden. Auch eine hoch präzis gefertig­ te Führungsschiene weicht von der idealen Bezugsgeraden ab, wenn auch nur im μm-Bereich.

Des weiteren kann sich die Führungsschiene aufgrund von wirkenden Kräften durchbiegen, die z. B. bei der mechani­ schen Abtastung des Meßobjektes durch die Andruckkraft erzeugt werden. Außerdem deformiert sich die Führungs­ schiene durch das Eigengewicht des Meßfühlers.

Schließlich kann das Spiel der Führungs- und Vorschubein­ richtung, z. B. das Spiel des Schlittens auf der Führungs­ schiene bzw. das Spiel der Führungsstange im Lager nie vollständig eliminiert werden.

Wie oben erwähnt, wird auf die Ungenauigkeit des Meßfüh­ lers selbst nicht eingegangen, da dieser als gegeben betrachtet wird. Es sei nur bemerkt, daß sich die anderen Einflüsse um so stärker bemerkbar machen, je genauer der Meßfühler selbst ist und je höher die Ansprüche an die Genauigkeit der Messung sind. Das Meßergebnis, d. h. die Länge der Meßstrecke vom Bezugspunkt bis zum Meßpunkt ergibt sich als Summe des Ausgangswertes des Meßfühlers, des Gesamtspieles der Anordnung, der Ungenauigkeit der tatsächlichen Bezugskurve in bezug auf die ideale Kurve in Folge von Fertigungstoleranzen, der Deformation der realen Bezugskurve z. B. durch Eigengewicht des Meßfühlers und der konstanten Länge des Meßfühlers selbst.

Eine ähnliche Betrachtung gilt auch für den oben erwähnten Fall, daß der Meßfühler um einen Bezugspunkt geschwenkt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßvorrich­ tung der in Rede stehenden Art anzugeben, bei der die zur Meßungenauigkeit beitragenden Fehlerquellen so weit wie möglich eliminiert werden.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst. Mit der überraschend einfachen Lösung wird an dem Meßfühler mit hoher Genauigkeit auf optischem Wege eine Bezugsmarke zur Verfügung gestellt, so daß die Erzeugung dieser Bezugsmarke unabhängig von den oben erwähnten Ungenauigkeiten ist. In allen möglichen Stellun­ gen des Meßfühlers oder - falls mehrere vorhanden sind - der Meßfühler, liegt die Bezugsmarke auf der idealen Bezugsgeraden, die durch den Lichtstrahl des Lichtsenders, z. B. eines Lasers gegeben ist. Das Ergebnis der Messung kann als Summe des Ausgangswertes des Meßfühlers sowie der Relativverschiebung zwischen Meßfühler und Lichtstrahl dargestellt werden. In das Ergebnis gehen demnach nicht die obigen Einflüsse ein.

Die Relativposition des Meßfühlers in Meßrichtung zum Lichtstrahl wird bevorzugt durch einen optoelektronischen Detektor bestimmt. Dessen Ausgangssignal ist vom Auftreff­ ort des Lichtstrahles auf der Empfängeroberfläche abhän­ gig. Als Detektoren können positionsempfindliche Detekto­ ren, ladungsgekoppelte Speicherzeilen bzw. Speicherflächen oder Differenzfotodioden verwendet werden. Alle diese Empfänger detektieren den Mittelpunkt bzw. den Schwerpunkt des Lichtstrahls.

Die absolute Lage des Lichtstrahles im Raum und damit die Bestimmung der idealen Bezugsgeraden kann durch eine Kalibrationsmessung festgestellt werden. Die ist wesent­ lich genauer zu definieren als die Lage etwa einer mechanischen Führungsschiene. Da sich ferner der Licht­ strahl absolut gerade ausbreitet, kann auch der Winkel des Lichtstrahles gegenüber einer Referenzgeraden hoch genau bestimmt werden.

Falls als Meßfühler ein mechanischer Taststift eingesetzt wird und unter der Voraussetzung, daß der Meßbereich des optoelektronischen Detektors größer ist als der zu bestimmende Meßweg, kann auf einen Wegaufnehmer im Taststift selbst verzichtet werden. Das Ausgangssignal der Messung ist dann zusammengesetzt aus dem Ausgangswert des optoelektronischen Detektors und der konstanten Länge des Taststiftes. Somit ist zur Vermessung von Meßobjekten nur ein optoelektronisches Sensorelement notwendig. Dadurch und durch den Wegfall von hoch präzisen mechanischen Bauelementen ergibt sich eine Vereinfachung der Meßvor­ richtung bei gleichzeitiger Steigerung der Meßgenauigkeit.

Der Vorteil einer Meßvorrichtung gemäß der Erfindung gegenüber herkömmlichen Meßvorrichtungen macht sich um so stärker bemerkbar, je größer das Meßobjekt ist und je höher die Genauigkeitsanforderungen an die Messung sind.

Weitere Ausgestaltungen gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Die Erfindung ist in Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung stellen dar:

Fig. 1 einen schematischen Aufbau einer Meßvorrichtung mit einem längs einer Führungsschiene linear verschiebbaren Meßfühler;

Fig. 2 einen schematischen Aufbau einer anderen Ausfüh­ rungsform einer Meßvorrichtung zur Außenvermes­ sung eines Meßobjektes;

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Meßvor­ richtung gemäß der Erfindung zur Innenvermessung eines Hohlkörpers;

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Meßfühlers für eine Meßvorrichtung gemäß der Erfindung.

In Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau einer Meßvorrich­ tung 1 zur Vermessung der Innenkontur 2 eines Meßobjektes 3 gezeigt. Die Innenkontur 2 wird mit einem Taststift 4 als Meßfühler vermessen, dessen Tastspitze 5 an der Innenkontur 2 des Meßobjektes anliegt. Der Taststift ist auf einem Schlitten 6 montiert, der längs einer Führungs­ schiene 7 in Richtung des gezeigten Doppelpfeiles mit Hilfe einer Vorschubeinrichtung, z. B. eines Spindeltrie­ bes verschiebbar ist. Der Taststift selbst ist senkrecht zu der Führungsschiene ebenfalls in Richtung des weiteren Doppelpfeiles verschiebbar, so daß die Tastspitze 5 in allen Stellungen des Taststiftes an der Innenkontur 2 des Meßobjektes anliegt. An der Meßvorrichtung ist ein stationärer Laser 8 vorgesehen, der einen scharf gebündel­ ten Lichtstrahl 9 in Richtung auf einen optoelektronischen Detektor 10 abstrahlt, welcher an dem Taststift angebracht ist. Dieser Lichtstrahl 9 dient als Bezugsgerade und markiert auf dem optoelektronischen Detektor eine Refe­ renzmarke, von der ausgehend die Meßstrecke bis zu der Innenkontur des Meßobjektes bestimmt wird.

Der optoelektronische Detektor ist z. B. eine Zeilen- oder Matrixanordnung sehr kleiner ladungsgekoppelter Speicher.

In der Fig. 2 ist eine Meßvorrichtung 1 a zur Außenvermes­ sung eines Meßobjektes 3 a dargestellt. Die Meßvorrichtung weist ein im Querschnitt etwa C-förmiges Gehäuse auf, an dessen Front eine Einspanneinrichtung 12 a vorgesehen ist, in der das Meßobjekt 3 a mit Hilfe von Klemmbacken oder dergleichen eingespannt wird. Parallel zu dem Meßobjekt 3 a ist eine Führungsschiene 7 a vorgesehen, längs der ein Taststift 4 a mit Hilfe einer ansonsten nicht gezeigten Vorschubeinrichtung verschiebbar ist, wobei die Tastspitze 5 a des Taststiftes 4 a auf der Außenkontur 2 a des Meßobjektes aufliegt.

Am Boden des Gehäuses 11 a ist gegenüber der Einspannein­ richtung 12 a ein Laser 8 a montiert, dessen Lichtstrahl 9 a auf einen Strahlteiler 13 a fällt, von diesem auf Umlenk­ spiegel 14 a geleitet wird und schließlich dort erneut etwa parallel zur Längsrichtung des Meßobjektes umgelenkt wird. In Fig. 2 ist schematisch angedeutet, daß hier eine Vielzahl von Umlenkspiegeln 14 a verwendet werden kann, so daß das Meßobjekt z. B. insgesamt quasi von einem Lichtmantel umgeben ist, der aus einer Vielzahl von einzelnen Lichtstrahlen 9 a zusammengesetzt ist. Die Führungsschiene 7 a mit der Vorschubeinrichtung kann somit über die gesamte Oberfläche des Meßobjektes 3 a bewegt werden, wobei immer einer der als Bezugsgeraden dienenden Lichtstrahlen 9 a auf den optoelektronischen Detektor 10 a am Taststift 4 a fällt und dort die erwähnte Referenzmarke zur Verfügung stellt. Die von dem Taststift ausgegebene Meßstrecke entspricht dann der Entfernung zwischen Refe­ renzmarke und Tastspitze.

Wesentlich ist, daß die Führungs- und Vorschubeinrichtung für den Taststift mechanisch vollkommen unabhängig von der Einrichtung zur Markierung eines Bezugspunktes ist, d. h. nicht in Zusammenhang steht mit dem Laser, den Strahltei­ lern und den Umlenkspiegeln. Einziges bewegtes Teil ist der Taststift.

In Fig. 3 ist eine weitere Meßanordnung 1 b zur Innenver­ messung eines Meßobjektes 3 b z. B. eines Rohres darge­ stellt. An der Frontseite eines wiederum etwa im Quer­ schnitt C-förmigen Gehäuses 11 b ist eine Einspanneinrich­ tung 12 b vorgesehen, in der das Rohr 3 b gehalten ist. Am Boden des Gehäuses 11 b ist starr ein Laser 8 b befestigt, der etwa in der Mittelachse des Rohres 3 b einen scharf gebündelten Lichtstrahl 9 b abstrahlt, der als Bezugsgerade dient. In dem Gehäuse ist koaxial zu der Mittelachse des Rohres 3 b eine hohle Führungsschiene 7 b vorgesehen, die von einer Vortriebs- und Dreheinrichtung 15 b ausgeht. Mit der hohlen Führungsschiene 7 b ist wiederum ein Taststift 4 b verbunden, der in die hohle Führungsschiene 7 b hineinragt und einen optoelektronischen Detektor 10 b trägt. Auf diesen optoelektronischen Detektor 10 b fällt der Lichtstrahl 9 b des Lasers und markiert dort eine Bezugsmarke. Die Meßstrecke wird wiederum gegeben durch den Abstand zwischen dieser Bezugsmarke und der an der Innenkontur 2 d des Rohres 3 b anliegenden Tastspitze 5 b des Taststiftes 4 b.

Bleibt der Meßkreis möglichst klein und verteilt man die am Gehäuse 11 b angreifenden Kräfte symmetrisch, so daß sie sich möglichst aufheben, kann die Verbiegung des Gehäuses vernachlässigt werden. Somit findet keine Relativbewegung zwischen dem Lichtstrahl 9 b als Bezugsgerade und dem Meßobjekt 3 b statt. Das Ausgangssignal des Taststiftes ist auch bei dieser Meßvorrichtung nur von dem Abstand zwischen dem Meßobjekt und der durch den Lichtstrahl gegebenen Referenzmarke abhängig, nicht jedoch vom Spiel, der Deformation und der Ungenauigkeit der mechanischen Vortriebs- und Dreheinrichtung.

In Fig. 4 ist ein Meßfühler 4 c mit einem Schlitten 6 c dargestellt, der etwa auf einer hier nicht gezeigten Führungsschiene gleitet. Ferner ist noch der als Bezugsge­ rade dienende Lichtstahl 9 c eines Lasers angedeutet. Ebenso wie die Mittelachse 16 c des Schlittens 6 c bzw. allgemein des Meßfühlers 4 c. Parallel zur Achse 16 c des Meßfühlers sind zwei optoelektronische Detektoren 10 c angeordnet. Bei der Verwendung zweier solcher Detektoren kann die Lage des Meßfühlers im Raum relativ zur Bezugsgeraden 9 c ermittelt werden. Dies ist dann sinnvoll, wenn die Meßvorrichtung insgesamt größere Abmessungen aufweist und wenn sich der Meßfühler mit seinem Schlitten gegenüber der Bezugsgeraden 9 c z. B. auf einer Führungs­ schiene verkanten kann. Die Ausgangssignale der beiden optoelektronischen Detektoren 10 c bestimmen die Lage des Meßfühlers 4 c mit seiner Tastspitze 5 c unter der Voraus­ setzung, daß die Position in der Vorschubrichtung und der Drehwinkel des Meßfühlers um die Bezugsgerade 9 c bekannt sind. Die Lage der Mittelachse 16 c in einer Ebene ist durch die Festlegung von zwei Punkten dann exakt defi­ niert. Diese zwei Punkte entsprechen den Referenzmarken auf den Detektoren 10 c.

Bei größeren Schwankungen der Achse 16 c des Meßfühlers um die Bezugsgerade können flächenhafte optoelektronische Detektoren eingesetzt werden. Die Lage der Sensorachse im Raum läßt sich durch die Angabe von zwei Punkten auf den Detektorenflächen exakt berechnen, so daß Abweichungen im Meßergebnis aufgrund der Schwankung leicht korrigiert werden können.

Sämtliche beschriebenen Meßvorrichtungen sind in der Funktion unabhängig von der Art des jeweiligen Meßfühlers, so daß entsprechend der geforderten Meßgenauigkeit unter­ schiedliche Meßfühler eingesetzt werden können.

Claims (13)

1. Meßvorrichtung zum Vermessen von Meßobjekten, insbeson­ dere deren Oberflächen, mit einem Meßfühler zum Abtasten der Oberflächenkontur, der auf einer Füh­ rungs- und Vorschubeinrichtung montiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lichtsender (8) vorgesehen ist, der in Richtung auf den Meßfühler (4) strahlt und an diesem eine Bezugsmarke zur Verfügung stellt.

2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtsender (8) parallel zur Vorschubrichtung des Meßfühlers (4) strahlt.

3. Meßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Lichtsender (8) einen als Bezugsge­ rade dienenden Lichtstrahl (9) abgibt.

4. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Lichtsender (8 a) ein Strahlteiler (13 a) und eine Umlenkspiegelanordnung (14 a) zur Erzeugung einer das Meßobjekt (3 a) zumindest teilweise umgebenden Lichtfläche (9 a) zugeordnet ist.

5. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtsender ein Laser (8) ist.

6. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am Meßfühler (4) eine optoelektronische Detektoranordnung (10) vorgesehen ist.

7. Meßvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoranordnung (10) aus einer Vielzahl von Einzeldetektoren in Zeilen- oder Matrixanordnung be­ steht.

8. Meßvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die optoelektronische Detektoranordnung (10) aus ladungsgekoppelten Speichern, positions­ empfindlichen Detektoren oder Differenzfotodionen auf­ gebaut ist.

9. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtung ein Gehäuse (11 a, 11 b) aufweist, das mit einer Einspannein­ richtung (12 a, 12 b) für das zu vermessende Meßobjekt (3 a, 3 b) versehen ist, daß in dem Gehäuse ein Lichtsender (8 a, 8 b) starr montiert ist, der in Richtung auf eine optoelektronische Detektoranordnung (10 a, 10 b) an dem Meßfühler (4 a, 4 b) strahlt, und daß der Meßfühler (4 a, 4 b) auf einer Führungs- und Vor­ schubeinrichtung (7 a, 7 b, 15 b) montiert ist, die im wesentlichen mechanisch von dem Lichtsender (8 a, 8 b) entkoppelt ist.

10. Meßvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermessung der Innenkontur (2 b) von rohrförmi­ gen Meßobjekten (3 b) der Lichtsender (8 b) der Einspann­ einrichtung (12 b) gegenüberliegend am Boden des Gehäu­ ses (11 b) etwa in der Verlängerung der Mittelachse des eingespannten Meßobjektes (3 b) angeordnet ist, daß der Meßfühler (4 d) auf einer hohlen Führungsschiene (7 b) angeordnet ist, wobei der optoelektronische Detektor (110 b) im Inneren der hohlen Führungsschiene (7 b) liegt, und daß die Führungsschiene (7 b) mit einer Vortriebs- und Dreheinrichtung (15 b) innerhalb des Gehäuses (11 b) verbunden ist.

11. Meßvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich­ net, daß die Vortriebs- und Dreheinrichtung (15 b) symmetrisch um den als Bezugsgerade dienenden Licht­ strahl (9 b) des Lichtsenders aufgebaut ist.

12. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtsender (9 a) in dem Gehäuse (11 a) der Einspanneinrichtung (12 a) gegenüber­ liegend fest montiert ist, daß ein Strahlteiler (13 a) und symmetrisch um diesen Stahlteiler (13 a) gelegen eine Vielzahl von Umlenkspiegeln (14 a) vorgesehen sind, die das Licht des Lichtsenders (8 a) in eine Vielzahl von jeweils als Bezugsgeraden dienenden Lichtstrahlen (9 a) aufteilt, die parallel zur Längsrichtung des zu vermessenden eingespannten Meßobjektes (3 a) verlaufen, und daß eine Führungs- und Vorschubeinrichtung (7 a) außerhalb des Gehäuses (11 a) zur Aufnahme des Meßfüh­ lers (4 a) vorgesehen ist.

13. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Meßfühler (4 c) mehrere, insbesondere zwei optoelektronische Detektor­ anordnungen (10 c) in Richtung des von dem Lichtsender abgegebenen Lichtstrahles (9 c) verbunden sind.