DE3834117A1 - Koordinatenmessgeraet mit einem optischen tastkopf - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Koordinatenmeßgerät mit einem am Meßarm des Koordinatenmeßgerätes befestigten optischen Tast­ kopf.

Es ist bereits bekannt, an Koordinatenmeßgeräten anstelle des oder zusätzlich zu dem üblicherweise verwendeten mechanischen Tastkopf, mit dem das zu vermessende Werkstück berührt werden muß, sogenannte optische Tastköpfe zu verwenden, die eine be­ rührungslose Erfassung der zu vermessenden Geometrieelemente gestatten. Hierfür sind sowohl punktweise messende optische Tastköpfe eingesetzt, die in der Regel nach dem sogenannten Triangulationsprinzip arbeiten, als auch sogenannte "Video­ taster", von denen ein mehr oder minder komplettes Bild des zu vermessenden Geometrieelementes aufgenommen und anschließend mit den an sich bekannten Mitteln der Bildanalyse ausgewertet wird.

Bei Videotastsystemen des letztgenannten Typs bereitet die Beleuchtung des zu vermessenden Objektdetails besondere Probleme. Denn für eine kontrastreiche und reflexfreie Beleuchtung insbesondere von glatten bzw. metallischen Werkstückoberflächen muß der Winkel, unter dem die Beleuchtungseinrichtung strahlt, an die Brennweite des verwendeten Objektivs angepaßt werden. Dies ist oft nur mit großem Aufwand möglich. Außerdem entsteht bei den meisten der verwendeten Lichtquellen Verlustwärme, die zu einer unerwünschten Verformung des Maschinenkoordinatensystems führen kann.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, faseroptische Ringleuchten in Verbindung mit Videotastern an Koordinatenmeßgeräten einzusetzen, um das vorstehend angesprochene Problem zu umgehen. Beispielsweise ist in dem US-Patent 47 06 168 ein Koordinatenmeßgerät mit einem derartigen Videotaster beschrieben. Hier erfolgt jedoch die Versorgung der Ringleuchte über flexible Lichtleiter von einer ortsfest aufgestellten Lichtquelle aus. Zur Anpassung des Beleuchtungswinkels an die Brennweite des verwendeten Objektivs ist eine komplizierte Einstellmechanik nötig. Eine Einstellung des Videotasters in unterschiedliche Blickrichtungen ist nicht möglich.

Es ist auch schon vorgeschlagen worden, optische Tastköpfe wie z.B. Triangulationstaster oder Videotaster über ein sogenanntes Dreh-Schwenk-Gelenk am Meßarm eines Koordinatenmeßgerätes zu befestigen, um unterschiedliche Blickrichtungen realisieren zu können. Ein solches Tastsystem ist beispielsweise in der US-PS 46 88 184 beschrieben. Dies bekannte Tastsystem ist jedoch sehr teuer. Denn ein Dreh-Schwenk-Gelenk, das einen Videotaster mit seiner relativ hohen Masse hochgenau zu positionieren in der Lage ist, erfordert einen hohen konstruktiven und fertigungstechnischen Aufwand.

In der internationalen Patentanmeldung WO 87/01 798 ist eine Tasterwechseleinrichtung beschrieben, die den Austausch von mechanischen Tastköpfen gegen optische Tastköpfe ermöglichen soll. Dieser Schrift sind jedoch keine Angaben bezüglich der Ausgestaltung einer Beleuchtungseinrichtung für optische Taster entnehmbar.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Koordinatenmeßgerät mit einem am Meßarm befestigten optischen Tastkopf zu schaffen, welches einfach und schnell an unter­ schiedliche Meßaufgaben angepaßt werden kann, die beispiels­ weise unterschiedliche Arbeitsabstände, Durchmesser oder Blickrichtungen des Tastsystems erfordern, und bei dem die Beleuchtungseinrichtung der Meßaufgabe stets optimal angepaßt ist.

Ausgehend von einem Koordinatenmeßgerät mit einem optischen Tastkopf gemäß dem Oberbegriff wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen dadurch gelöst, daß der Tastkopf mit einer auswechselbaren Frontoptik versehen ist und die Frontoptik ein Objektiv und eine an das Objektiv angepaßte Beleuchtungsoptik enthält, daß die Licht­ leiter über die Wechselfläche geführt sind, mittels der die Frontoptik reproduzierbar am Tastkopf gehalten ist, und daß eine Einrichtung zur verlustarmen Kopplung der Lichtleiterenden an der Wechselfläche vorgesehen ist.

Durch diese Maßnahmen ist es möglich, die Frontoptiken von optischen Tastköpfen ebenso wie die Taststifte von mechanischen Tastköpfen ohne Nachkalibrierung einfach und schnell auto­ matisch auszuwechseln, wobei die Beleuchtung gleich mitge­ wechselt wird und dementsprechend immer dem benutzen Objektiv angepaßt ist. Trotz Verwendung von Lichtleitern zur Beleuchtung ist der Wechselvorgang automatisierbar, da die Lichtleiter mit über die Trennfläche zwischen der Frontoptik und dem ver­ bleibenden Teil des Tastkopfes geführt sind.

Die Beleuchtungseinrichtung des Tastkopfes kann deshalb von einer zweckmäßig thermisch isoliert am anderen Ende des Meßarmes befestigten Lichtquelle gespeist werden, ohne daß die Lichtleiterkabel im Meßbereich des Koodinatenmeßgerätes stören.

Es ist vorteilhaft, mehrere Frontoptiken vorzusehen, die Objektive mit unterschiedlichem Arbeitsabstand, unter­ schiedlichem Durchmesser oder unterschiedlicher Blickrichtung besitzen, um eine Vielzahl verschiedener Meßaufgaben angehen zu können. Unterschiedliche Blickrichtungen lassen sich zweckmäßig auch dadurch erzielen, daß für die Frontoptik eine kontinuier­ lich oder in festen Schritten drehbare Halterung vorgesehen ist.

Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn der Tastkopf über eine nachgiebige Knickstelle im Meßarm des Koordinatenmeßgerätes gelagert ist. Die Knickstelle dient als Kollisionsschutz und verhindert ein Zerstören des Tastkopfes infolge Kollision mit z.B. dem zu vermessenden Werkstück.

Die Beleuchtungsoptik des Tastkopfes kann außerdem mehrere um das Objektiv des Tastkopfes herum angeordnete Kollimatoren enthalten, die unter dem für eine Dunkelfeldbeleuchtung er­ forderlichen Winkel zur optischen Achse des Objektivs strahlen. Auf diese Weise lassen sich Stufen an Metalloberflächen sehr gut erkennen. Von besonderem Vorteil kann es hier sein, wenn jeder der Kollimatoren von einem eigenen Lichtleiter versorgt ist und die Lichtleiter einzeln schaltbar sind. Denn damit läßt sich für die Beleuchtung eine Vorzugsrichtung einstellen, unter der bestimmte Oberflächenstrukturen deutlicher sichtbar sind bzw. mit höherem Kontrast abgebildet werden.

Um Lichtverluste an der Trennstelle der Lichtleiter in der Nähe der Wechselfläche für die Frontoptik möglichst gering zu halten ist es zweckmäßig, wenn die Enden der Lichtleiter dort in Zentrierhülsen aufgenommen sind. Dem gleichen Zweck dient auch die Maßnahme, für die in der Frontoptik selbst enthaltenen Lichtleiter Lichtleitstäbe mit vollem Querschnitt zu verwenden. Auf diese Weise sind Zwickelverluste vermieden, die andernfalls entstehen, wenn zwei aus mehreren Einzelfasern bestehende Lichtleiter stirnseitig aufeinandergesetzt werden.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Bescheibung von Ausführungsbeispielen anhand der Fig. 1-9 der beigefügten Zeichnungen

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel für einen optischen Tastkopf im Schnitt am Meßarm eines Koordinatenmeßgerätes;

Fig. 2 ist ein Schnitt durch den Halter (2) in Fig. 1 in einer anderen Ebene;

Fig. 3 zeigt die Frontoptik (10) aus Fig. 1 im Schnitt entlang der Linie III-III in Fig. 1;

Fig. 4 zeigt den Tastkopf aus Fig. 1 mit einer Frontoptik mit abgewinkelter Blickrichtung;

Fig. 5a ist eine vergrößerte Schnittdarstellung eines der Lichtleiter im Tastkopf nach Fig. 1 im Bereich der Wechselfläche;

Fig. 5b und 5c sind Schnitte durch die Lichtleiter (9 a) bzw. (13 a) aus Fig. 5a;

Fig. 6 zeigt in Ansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen optischen Tastkopf gemäß der Erfindung am Meßarm eines Koordinatenmeßgerätes;

Fig. 7 ist die Ansicht einer alternativen Ausführungsform eines Teils der Frontoptik aus Fig. 6;

Fig. 8 ist die Aufsicht auf die Wechselfläche eines Tast­ kopfes gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 9 ist eine vereinfachte Prinzipskizze eines Koordinatenmeßgerätes mit dem in Fig. 1 dargestellten Tastkopf.

In Fig. 1 stellt das mit (1) bezeichnete Teil das untere Ende der vertikalen Pinole eines Koordinatenmeßgerätes dar. Der rechteckige Querschnitt der Pinole (1) mündet dort in einen ringförmigen Bund (31) mit größerem Durchmesser, der innen in Winkelabständen von 120° drei Kugelpaare trägt, auf denen ein Zwischenstück (2) mit drei radial abstehenden Zylindern (4 a-c) aufliegt. In der Darstellung nach Fig. 1 sind nur die beiden Kugeln (3 a) und (3 b) der Kugelpaare zu sehen. Das durch die drei Zylinder (4 a-c) und die drei Kugelpaare gebildete Dreipunktlager dient als Kollisionsschutz.

Zentrisch im Zwischenstück (2) ist ein Tubusrohr (5) befestigt, auf das eine Videokamera (6) aufgesetzt ist. Diese Videokamera (6) ist der Sensor des aus den Gehäuseteilen (2) und (10) bestehenden optischen Tastkopfes, die Anschlußkabel der Kamera (6) sind durch das Innere der hohlen Pinole (1) geführt. Gleichfalls durch die Pinole geführt sind fünf Lichtleiter (9 a- e), von denen in der Darstellung nach Fig. 1 drei Stück nämlich die Lichtleiter (9 a-9 b und 9 e) zu sehen sind. Die Lichtleiter bestehen aus flexiblen Faserkabeln und werden wie in Fig. 9 dargestellt von einer am oberen Ende der Pinole (1) thermisch isoliert montierten Lichtquelle (41) versorgt.

Der Lichtleiter (9 e) endet wie aus der Darstellung nach Fig. 2 ersichtlich ist, im Zwischenstück (2) in einer Befestigungs­ hülse (29 e). Das aus ihm austretende Licht wird nach Umlenkung an einem Spiegel (22) über einen Kollektor (23) geführt und von einem Teilerspiegel (7) im Tubusrohr (5) in den Beobachtungs­ strahlengang eingespiegelt und dient zur Hellfeldbeleuchtung der zu vermessenden Objekte.

Die vier anderen Lichtleiter (11 a-11 d) enden in axial federnden Zentrierhülsen (11 a-d) an der Unterseite des Zwischenstücks (2). Die Unterseite des Zwischenstücks (2) stellt außerdem die Wechselfläche für die daran auswechselbar gehaltenen nachfolgend beschriebenen Frontoptiken dar.

Die in der Darstellung nach Fig. 1 an das Zwischenstück (2) angesetzte Frontoptik trägt an der Oberseite ihres Gehäuses (10) drei Kugelpaare (12 a-c), die eine eindeutig bestimmte Lagerung des Gehäuses (10) auf den in die Unterseite des Zwischenstücks (2) eingelassenen drei Zylindern (8 a, 8 b und 8 c) bewirken. Im Inneren des Gehäuses (10) ist in Verlängerung des Tubusrohres (5) im Zwischenstück (2) ein zweites Tubusrohr (15) gefaßt, das an seiner Unterseite das Objektiv (18) der Front­ optik trägt. Um dieses Objektiv (18) herum sind in Winkelab­ ständen von 90° vier Fassungen (20 a-d) für vier Kollimator­ linsen (17 a-d) eingelassen. Die Kollimatoren sind so ausge­ richtet, daß ihre Achsen die optische Achse des Objektivs (18) in der Objektebene (19) unter einem für Dunkelfeldbeleuchtung ausgewählten Winkel α schneiden.

Die Kollimatoren (17 a-d) beleuchten das zu vermessende Objekt mit dem Licht, das aus den Endflächen von vier Lichtleitern (13 a-13 d) austritt. Zur Strahlumlenkung sind auf die Licht­ leiterendflächen jeweils Prismen (16 a-16 d) aufgesetzt. Die Lichtleiter (13 a-d) sind halbstarre Plastikstäbe, deren andere Enden jeweils in Fassungen (12 a-d) an der Oberseite des Gehäuses (10) münden. Wie aus der vergrößerten Darstellung nach Fig. 5a hervorgeht sind diese Fassungen (14) innen leicht abgeschrägt, so daß die konischen Außenflächen der Zentrier­ hülsen (11), in die die flexiblen Lichtleiter (9 a-d) ver­ sorgungsseitig münden, dort bei jedem Wechselvorgang sicher aufgenommen werden. Eine Feder (32 a) sorgt in Verbindung mit zwei Anschlagringen (31 a) und (30 a) in der in Fig. 5 darge­ stellten Lichtleiterkupplung für ein sicheres Ankoppeln bei jedem Wechselvorgang.

Der Kern des halbstarren Lichtleitstabes (13 a) im Gehäuse (10) besteht aus Vollmaterial, wie dies im Schnitt nach Fig. 5c ersichtlich ist. Hierdurch wird erreicht, daß die aus dem versorgungsseitig aus Einzelfasern bestehenden flexiblen Licht­ leiter (9) (siehe Fig. 5b) austretende Strahlung verlustfrei in den Lichtleiter (13 a) eintritt. Zwickelverluste entstehen daher nicht.

Die Haltekraft, von der das Gehäuse (10) der wechselbaren Frontoptik in das Dreipunktlager (12/8) an der Unterseite des Zwischenstücks (2) gezogen wird, wird von drei Elektromagneten im Zwischenstück (2) aufgebracht. In der Darstellung nach Fig. 2 ist einer der Magneten, der Magnet (23 a) zu sehen.

Die Blickrichtung der in Fig. 1 dargestellten Frontoptik an dem in Fig. 9 dargestellten Koordinatenmeßgerät ist senkrecht nach unten auf die Oberfläche des Meßtisches zu gerichtet. Um Meßaufgaben bewältigen zu können, bei denen die Oberfläche des Werkstücks andere Blickrichtungen erfordert, sind mehrere Frontoptiken vorgesehen, bei denen das Objektiv unter ver­ schiedenen Winkeln bezogen auf die Ausrichtung des Dreipunkt­ lagers (8 a) an der Unterseite des Zwischenstücks (2) senkrecht zur optischen Achse der Videokamera (6) abgewinkelt ist. Eine solche Frontoptik ist in Fig. 4 dargestellt. Hier dient ein Umlenkspiegel (121) im Strahlengang zwischen dem Objektiv (118) und der Videokamera (6) zur Umlenkung des Beobachtungsstrahlen­ ganges. Die übrigen Bauelemente sind genauso oder ähnlich aus­ geführt wie in der Frontoptik in Fig. 1. Durch Ausnutzen der 90°-Symmetrie, mit der die Endflächen der Lichtleiter an der Trennstelle aufeinanderliegen, kann ein und dieselbe Frontoptik (110) in vier verschiedenen Richtungen nämlich in die Richtungen X, -X, Y und -Y arbeiten, wenn zusätzliche Zylinder für das Dreipunktlager an der Unterseite des Zwischenstücks (2) in 30°-Abständen vorgesehen sind.

Verwendet man statt der halbstarren Lichtleiterstäbe (113 a-d) im Gehäuse (110) der Frontoptik flexible Lichtleiter und nimmt die entstehenden Zwickelverluste in Kauf, lassen sich unter­ schiedliche Blickrichtungen dadurch realisieren, daß beispiels­ weise an der durch die Strichlinie (125) bezeichneten Stelle ein Drehlager eingesetzt wird, um das der untere Teil der Frontoptik (110) in einem begrenzten Winkelbereich drehbar ist.

Ein kontinuierliches Drehen ohne Begrenzung des Drehwinkels ist dann möglich, wenn die Wechselstelle wie in Fig. 8 skizziert ausgebildet ist. Hier besteht die Oberseite des Gehäuses der Frontoptik aus zwei gegeneinander verdrehbaren Teilen. Der äußere Ring (310) trägt das mit (312 a-c) bezeichnete Dreipunkt­ lager. Am inneren Ring (311) ist die Frontoptik insgesamt befestigt. Das Drehlager ist durch die Doppellinie (314) ange­ deutet.

Im inneren Ring (311) sind die aufgespleisten Enden eines faseroptischen Lichtleiters (313) kreisförmig angeordnet und stehen mit ihren Stirnflächen den entsprechenden Enden eines oder mehrerer Vesorgungslichtleiter gegenüber, die ebenfalls kreisförmig angeordnet sind. Auf diese Weise entsteht ein optischer Schleifring, der die Übertragung des Lichts von den Versorgungslichtleitern in die Frontoptik in jeder Winkel­ stellung sicherstellt. Auch hier können einzelne Segmente des aus den Lichtleiterstirnflächen gebildeten Kreises versorgungs­ seitig und/oder auf der Seite der Frontoptik getrennt schaltbar bzw. getrennt verlegt sein, um Vorzugsrichtungen der Be­ leuchtung einstellen zu können.

In Fig. 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, welches sich insbesondere zur videotechnischen Vermessung Im Innern von Bohrungen oder anderen engen Werk­ stücköffnungen eignet. Hierzu ist an das Zwischenstück (2) aus Fig. 1 statt der dort gezeigten Frontoptik (10) eine Front­ optik (215) in Form eines Endoskopes bzw. Technoskopes ange­ setzt. Das Technoskop (215) ist zentrisch an einer Halteplatte (210) befestigt, die an ihrer Oberseite wie die Frontoptik (10) aus Fig. 1 ein Dreipunktlager bestehend aus drei Kugelpaaren trägt. In dem Tubusrohr in der Platte (210), welches das Endos­ kop (215) mit dem inneren Tubusrohr im Zwischenstück (2) ver­ bindet, ist eine Hilfsoptik (216) untergebracht, die für eine Abbildung des vom Objektiv (218) am distalen Ende des Endoskops entworfenen Bildes auf die photoempfindliche Fläche der Fernsehkamera (6) sorgt. Der Lichtleiteranschluß (223) des Endoskops (215) ist auf eine Hülse (214) auf der Oberseite der Platte (210) gelegt. Diese Hülse (214) wirkt in gleicher Weise wie die Hülse (14 a) in Fig. 1 mit der Zentrierhülse (11 a) im Zwischenstück (2) zusammen und koppelt den Lichtleiter (223) verlustarm an den Versorgungslichtleiter (3 a) an. Damit auch Bohrungen mit unterschiedlichen Achsrichtungen ausgemessen werden können, sind jeweils an entsprechenden anderen Platten (210) weitere Endoskope vorgesehen, die anstelle des geraden Schafts (217) einen abgewinkelten Schaft besitzen. Ein solcher Schaft (227) ist in der Fig. 7 beispielhaft dargestellt. Für eine bestimmte Meßaufgabe werden dann die benötigte Anzahl von Halteplatten (210) mit mehreren entsprechend den zu unter­ suchenden Bohrungen abgewinkelten Endoskopen bereitgehalten und können in ähnlicher Weise wie mechanische Taststifte auch auto­ matisch an den am Meßarm des Koordinatenmeßgerätes ver­ bleibenden Teil des Tastkopfes eingewechselt werden. Da die Objektive von Endoskopen bzw. Technoskopen oft am distalen Ende auswechselbar sind, ist hier noch zusätzlich ein Austausch gegen Objektive mit anderer Brennweite bzw. anderer Blickrichtung möglich.

Claims (10)

1. Koordinatenmeßgerät mit einem am Meßarm des Koordinaten­ meßgerätes befestigten optischen Tastkopf, der eine durch Lichtleiter versorgte Beleuchtungseinrichtung besitzt, da­ durch gekennzeichnet, daß der Tastkopf mit einer aus­ wechselbaren Frontoptik (10) versehen ist und die Front­ optik ein Objektiv (18) und eine an das Objektiv angepaßte Beleuchtungsoptik (17) enthält, daß die Lichtleiter (9 a-d, 13 a-d) über die Wechselfläche geführt sind, mittels der die Frontoptik reproduzierbar am Tastkopf gehalten ist, und daß eine Einrichtung (11/14) zur verlustarmen Kopplung der Lichtleiterenden an der Wechselfläche vorgesehen ist.

2. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (41), von der die Lichtleiter (9 a-d) gespeist werden, an dem vom Tastkopf abgewandten Ende des Meßarmes (1) thermisch isoliert befestigt ist.

3. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mehrere gegeneinander auswechselbare Frontoptiken (10; 110; 215; 225) vorgesehen sind, die Ob­ jektive (18; 118; 218; 228) mit unterschiedlichem Arbeitsab­ stand, unterschiedlichem Durchmesser oder unterschiedlicher Blickrichtung besitzen.

4. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß für die Frontoptik (10) eine kontinuier­ lich oder in festen Schritten drehbare Halterung vorgesehen ist.

5. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Tastkopf über eine nachgiebige Knickstelle im Meßarm (1) des Koordinatenmeßgerätes ge­ lagert ist.

6. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungsoptik mehrere um das Objektiv (18) der Frontoptik (10) herum angeordnete Kollimatoren (17 a-d) enthält, die unter dem für eine Dunkelfeldbeleuchtung erforderlichen Winkel zur optischen Achse des Objektivs strahlen.

7. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kollimator (17 a-d) von einem eigenen Lichtleiter (9 a-d) versorgt ist und die Lichtleiter einzeln schaltbar sind.

8. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der Lichtleiter (9 a-d) an der Wechselfläche in Zentrierhülsen (11 a-d) aufgenommen sind.

9. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die in der wechselbaren Frontoptik (10) enthaltenen Lichtleiter (13 a-d) Lichtleitstäbe sind.

10. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Stirnseiten (313) der Lichtleiter an der Wechselfläche ringförmig angeordnet sich direkt gegen­ überstehen.