DE69836739T2

DE69836739T2 - Optische Koordinatenmessgeräte und optische Tastköpfe

Info

Publication number: DE69836739T2
Application number: DE69836739T
Authority: DE
Inventors: Daniel Westport Freifeld
Original assignee: VISICON INSPECTION TECHNOLOGIE; Visicon Inspection Technologies Inc Napa
Current assignee: VISICON INSPECTION TECHNOLOGIE; Visicon Inspection Technologies Inc Napa
Priority date: 1998-10-20
Filing date: 1998-10-20
Publication date: 2007-10-04
Anticipated expiration: 2018-10-21
Also published as: DE69836739D1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Position eines Punktes in einem Raum, umfassend:

(a) ein bewegliches Trägersystem, das eine Information abgibt, welche die Position des beweglichen Trägersystems angibt;
(b) einen Tastkopf, umfassend:
(i) ein Kontaktteil; und
(ii) ein optisches Muster (14–17) einschließlich erster und zweiter abbildbarer Merkmale;
(c) eine Tastkopfhaltestruktur, die auf dem beweglichen Trägersystem angebracht ist, wobei der Tastkopf auf der Tastkopfhaltestruktur angebracht ist, was es dem Tastkopf ermöglicht, sich mittels dem beweglichen Trägersystem zu bewegen, wobei die Tastkopfhaltestruktur den Tastkopf hält, während es dem Kontaktteil und dem optischen Muster ermöglicht wird, entlang einer durch die Tastkopfhaltestruktur bestimmten Strecke bis zur Anwendung von Kraft auf einem Kontaktpunkt auf dem Kontaktteil verlagert zu werden, wobei die Verlagerung des optischen Musters Veränderungen in den genannten Merkmalen verursacht;
(d) ein Bilderzeugungssystem zum Empfang eines Bildes und zur Abgabe eines Bildsignals;
(e) erste Abbildungsoptiken, welche die ersten und zweiten abbildbaren Merkmale auf dem Bilderzeugungssystem abbilden, so dass das Bilderzeugungssystem dazu gebracht wird, ein Signal zu erzeugen, das ein Bild von den ersten und zweiten abbildbaren Merkmalen enthält, wobei die als Antwort auf die Bewegung des Kontaktteiles verursachten Veränderungen bei den Merkmalen die Position des Kontaktpunktes angeben und
(f) einen Computer zum Empfang des Signals, das die Bilder der ersten und zweiten abbildbaren Merkmale enthält und dem Output des beweglichen Trägersystems und zum Berechnen der Position in dem dreidimensionalen Raum von dem Kontaktpunkt.

Eine solche Vorrichtung ist bis auf das bewegliche Trägersystem und die Tastkopfhaltestruktur aus der DE 29 710 242 U1 bekannt. Ein Beispiel für ein bewegliches Trägersystem und eine Tastkopfhaltestruktur ist aus der US-A-5 615 489 bekannt.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Tastkopf einen ersten und zweiten Arm umfasst, die von einer an der Tastkopfhaltestruktur gesicherten Aufhängung herausragen, und dass die abbildbaren Merkmale zum Erzeugen eines optischen Musters (14–17), ein erstes abbildbares Merkmal, das an dem anderen Ende des ersten Arms (100) angeordnet ist, und ein zweites Merkmal (114), das an dem anderen Ende des zweiten Armes (116) angeordnet ist, einschließt.
Die abbildbaren Merkmale sind von dem Kontaktteil des Messkopfs getrennt. Folglich ist das Abbilden eines Positionserfassungsteils selbst dann möglich, wenn sich der Tastkopf nicht im Sichtfeld der Kamera befindet.
Die am weitesten entwickelten Koordinatenmessmaschinen des Stands der Technik stellen für die relative Bewegung entlang der drei kartesischen Koordinaten zwischen einem zu messenden Werkstück und einer Videokamera ein Laserentfernungsmessgerät, ein Lasertriangulationsgerät oder den als Renishaw^TM Tastkopf bekannten Tastkopf, der von Renishaw Metrology Limited in Gloucestershire, Großbritannien hergestellt wird, bereit. Jedes dieser Systeme hat verschiedene Nachteile.
Zum Beispiel können wegen eines geringen Kontrastes oder unscharfer Bildzustände bestimmte dimensionale Untersuchungen durch eine videobasierte Bildanalyse nicht automatisch vollständig ausgeführt werden – zum Beispiel die Messung eines Durchmessers eines Lochs bei verschiedenen Tiefen. Auch können Merkmale eines Werkstücks nicht geeignet sein, um von einem Videokamerasystem gesehen zu werden, weil sie dem Blick verborgen sind.
Wenn auch Lasersysteme bei der Messung von Oberflächen direkt unter ihren Sensorköpfen ziemlich nutzvoll sind, sind sie nicht besonders geeignet, um die Dimensionen von Teilstücken mit mehrseitigen prismatischen Merkmalen aufzunehmen.
Bei der Messung der meisten Werkstücke sind zu Zeit Renishaw^TM Messköpfe das Verfahren der Wahl. Diese Tastköpfe zeichnet Kontakt mit dem Teilstück, üblicherweise mittels elektronischer Schalter, aus (in einigen Fällen wurden andere weiter durchdachte Verfahren vorgeschlagen). Die unvermeidbare Verzögerung zwischen dem Zeitpunkt, wann das Teilstück tatsächlich von dem Tastkopf berührt wird und die hierdurch betätigten Wandlern wirklich betätigt werden (Lobbingfehler), kann niemals beseitigt werden und begrenzt die Genauigkeit der Messung. Jedoch können videobasierte Maschinen bis auf einen Sub-Pixel messen – d. h. im Bereich eines Zehntels eines Mikrometers.
Bei einigen Messmaschinen des Stands der Technik sind sowohl Tastköpfe als auch Laser vorgesehen, wie etwa in dem OMS 400 und OMS 600, die von der Wegu-Messtechnik GmbH in Deutschland hergestellt werden. Das US-Patent Nr. 5,125,035 offenbart das Kombinieren eines Tastkopfs und einer Videokamera. Solche Maschinen bestehen im Wesentlichen aus nur zwei Untersuchungsgeräte, die Seite an Seite angebracht sind.
Wenn auch einige Systeme zur Zeit einen Tastkopf und eine Videokamera auf der gleichen Messplattform anbieten (gleiche Z-Hülse), ziehen die gegenwärtigen Annäherungen aufgrund der Notwendigkeit getrennter mechanischer Baueinheiten für beide signifikante zusätzliche Kosten nach sich. Einige andere Systeme erfordern eine Wechselstationsbaugruppe, um die Videokamera oder den Tastkopf zu halten, wenn sie nicht verwendet werden, und sorgen für ein automatisches Anbringen jeden Tastkopfs auf der Messbühne. Am meisten ist es üblich, dass die Ablenkung des Tastkopfs von mechanisch-elektrischen Wandlern, üblicherweise Schaltkontakte, gemessen wird.
Das US-Patent Nr. 4,453,082 offenbart einen Messkopf, bei dem eine Zielscheibe auf dem distalen Ende des Messkopfs auf ein Fotodetektorfeld projiziert wird und eine Bewegung in der XY-Ebene von einem Computer, der Signale vom dem Fotodetektorfeld empfängt, bestimmt wird.
Das US-Patent Nr. 4,453,082 offenbart darüber hinaus, dass eine Z-Bewegung des Messkopfs durch die Größenänderung des Zielscheibenabbilds auf dem Fotodetektorfeld bestimmt werden kann. Ich weiß jedoch nicht, ob so etwas jemals in einem praktisch anwendbaren Gerät verwendet wurde. Die Genauigkeit dieses Verfahrens ist problematisch. Darüber hinaus offenbart dieses Patent nicht oder legt nicht nahe, dass der Fotodetektor in einem videobasierten Untersuchungsgerät eine Videokamera sein kann.
DE 297 10 242 U1 und USPN 5,615,489 offenbaren Messkopfmesssysteme, bei denen der Messkopf abgebildet wird.
Ein optischer Tastkopf gemäß meiner Erfindung umfasst einen optisches-Bild-in-elektronisches-Signal-Wandler mit einer Brennebene; optische Mittel zum Fokussieren einer Objektebene auf die optische Brennebene; eine Tastkopftastnadel mit einer Kontaktspitze an einem Ende, wobei typischerweise ein Ball verwendet wird, der die Oberfläche eines zu untersuchenden Teilstücks berührt; und eine Zielscheibe auf der Kontaktspitze, die sich auf der optischen Achse des optischen Mittels in dessen Objektebene befindet, so dass die Zielscheibe auf dem optisches-Bild-in-elektronisches-Signal-Wandler abgebildet wird. Ein Bildverarbeitungssystem bestimmt die Bewegung der Kontaktspitze in der X und Y-Richtung.
Ein Aspekt der Erfindung ist, dass der optisches-Bild-in-elektronisches-Signal-Wandler eine Videokamera eines videobasierten Untersuchungssystem ist.
Ein anderer Aspekt der Erfindung besteht darin, dass die Bewegung der Kontaktspitze in Z-Richtung durch Anbringen wenigstens einer anderen Zielscheibe an der Tastnadel und durch ein parfokales Abbilden (Mitabbilden) dieser Zielscheibe auf die Brennebene des optisch-elektronischen Signalwandlers gemessen wird. Die Bewegung der Abbilder der zusätzlichen Zielscheiben wird auch von dem Bildverarbeitungssystem analysiert, um die Bewegung der Tastkopfkontaktspitze in Z-Richtung zu bestimmen. Die Tiefenschärfe des optischen Systems ist groß, so dass die zusätzlichen Zielscheiben im Brennpunkt bleiben, wenn sie sich mit der Tastnadel entlang der Z-Achse bewegen.
Vorzugsweise stelle ich zwei Arme bereit, die in rechten Winkeln zueinander und in rechten Winkeln zu dem Haupttastkopfschaft herausragen. Eine Zielscheibe befindet sich in der Nähe des Endes jeden Arms. Licht wird parallel zu den Armen bereitgestellt, so dass diese Zielscheiben auf dem optisch-elektronischen Wandler parfokal abgebildet werden und ihre Abbilder sich proportional zu der Bewegung der Tastnadel entlang der Z-Achse bewegen. Die erste Zielscheibe auf der Kontaktspitze zeigt das Maß der Bewegung in der X- und in der Y-Richtung an. Eine der zweiten und dritten Zielscheiben stellt eine Messung des Maß der Bewegung in der X- und in der Z-Richtung bereit und die andere in der Y- und in der Z-Richtung, wenn die Anne parallel zu den X- und Y-Koordinaten sind. Ansonsten können diese Koordinaten von dem System berechnet werden. Die Rotation eines Sterntastkopfs kann somit gemessen werden. Die tatsächliche Position der Kontaktspitze in den drei Koordinatenrichtungen und das Maß der Rotation um die Z-Achse kann mit Hilfe von Vektoranalysis berechnet werden.
Vorzugsweise werden die Zielscheiben um Kosten zu minimieren alle auf der Brennebene eines videobasierten Untersuchungsgeräts parfokal abgebildet. Somit kann der optische Tastkopf meiner Erfindung als eine Erweiterung für eine existierende computerbasierte Videokoordinatenmessmaschine verwendet werden. Der Kontakttastkopf kann von der Videokamera mittels einer automatischen Wechselbaugruppe oder mittels einer erlaubten Drehung des Tastkopfs aus dem Sichtfeld der Videokamera entfernt werden. Vorzugsweise können eine oder mehrere der Zielscheiben derart gestaltet sein, dass die Art des Tastkopfs identifiziert wird und dessen Bewegung automatisch von dem Computer, der das Abbild analysiert, bestimmt werden kann.
Darüber hinaus habe ich einen einfachen optischen Kopf für Tastköpfe gemäß meiner Erfindung erfunden, der mit den Tastköpfen auf eine Baugruppe gebracht werden kann und von den Videokameras und dem Videountersuchungssystem aufgenommen werden kann. Er sorgt für ein magnetisches Aufnehmen einzelner Tastköpfe aus der Wechselbaugruppe. Auf Tastköpfen, die länger oder kürzer als die Standardlänge sind, stelle ich eine an dem Tastkopf angebrachte Linse bereit, die die optische Ebene der Videokamera ändert, um sie an die Position der gewählten Kontaktspitze zu bringen.
Gemäß meiner Erfindung können auch Hilfslinsen mit dem optischen Tastkopf zusammengebracht werden, um von der Videokamera magnetisch aufgenommen zu werden. Ich stelle in der Baugruppe unterhalb jeder Linse ein Fadenkreuz bereit, so dass die Videokamera das Fadenkreuz unmittelbar abbilden und das System mit der neuen, hinzugefügten Linse kalibrieren kann. Dies eliminiert die Notwendigkeit für eine hochpräzise magnetische Kontaktverbindung.
Die Videokamera meiner Erfindung kann in der üblichen Art und Weise verwendet werden, um eine Videountersuchung und eine Messungen durchzuführen und erlaubt es einem Bediener ebenfalls, den Betrieb der verschiedenen Tastköpfe in Echtzeit zu beobachten, wenn die Messungen durchgeführt werden.
Somit umfasst meine Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Videotastkopfes, so dass wenigstens zwei oder drei Zielscheiben auf der Brennebene eines optisch-elektronischen Bildwandlers parfokal abgebildet werden, um ein analysierbares Signal zu erzeugen, um die Bewegung der Kontaktspitze des Tastkopfs entlang der drei kartesischen Koordinaten und die Rotation um eine der kartesischen Koordinaten zu bestimmen. Meine Erfindung umfasst auch das parfokale Abbilden wenigstens zweier Zielscheiben an einem Tastkopf an einer Videokamera einer videobasierten Untersuchungs- oder Koordinatenmessmaschine.
Bei der Verwendung meiner Erfindung sind die Messungen, die von der Koordinatenmessmaschine mit videokamerabasierter Bildverarbeitung aufgenommen wurden, und die die von dem optischen Tastkopf aufgenommen wurden, in den gleichen Koordinaten (gleiches Bezugssystem).
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung einen optischen Tastkopf bereitzustellen.
Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, eine optische Tastkopferweiterung für eine videobasierte Koordinatenmessmaschine bereitzustellen, die die Videokamera der Maschine verwendet, um eine Bewegung oder eine Position der Kontaktspitze anzuzeigen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, die Frequenz der Kontaktspitzenpositionsbestimmung in Koordinatenmessmaschinen zu erhöhen.
Eine noch andere Aufgabe der Erfindung ist es, für die Verwendung von auswechselbaren Tastkopftastnadeln zu sorgen.
Eine noch weitere Aufgabe der Erfindung ist es, die Genauigkeit der Tastköpfe zu erhöhen.
Noch eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, Tastköpfe ohne Lobbingfehler bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, die Tastkräfte, die von Tastköpfen ausgeübt werden, zu reduzieren.
Eine noch weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen automatischen Wechsler für optische Tastköpfe bereitzustellen, so dass ein Neukalibrieren von neu angebrachten Tastköpfen nicht notwendig ist und eine hochpräzise Ausrichtung der Tastköpfe auf einem Z-Schaft nicht erforderlich ist.
Weitere Aufgaben der Erfindung bestehen darin, für das visuelle Anvisieren des abzutastenden Bereich zu sorgen; eine Schutzvorrichtung gegen Tastnadelbruch bereitzustellen; für die Verwendung von Sterntastköpfen zu sorgen; die Rotation der Sterntastköpfe optisch zu messen; diese als Auslösevorrichtungen zu verwenden; durch Analyse der Signale aus einem optisch-elektronischen Bildwandler für eine automatische Erkennung eines Merkmals eines einzelnen Tastkopfs zu sorgen; und die Kosten zu reduzieren und die Haltbarkeit des Tastkopf zu verbessern.
Andere Aufgaben der Erfindung sind teilweise offensichtlich und werden teilweise später genannt.
Demgemäß umfasst die Erfindung die einzelnen Schritte eines Verfahrens und die Beziehung einer oder mehrerer solcher Schritte zueinander und eine Vorrichtung, die Konstruktionsmerkmale, Elemente und Anordnungen von Teilen verkörpert, die angepasst sind, solche Schritte auszuführen, so wie beispielhaft in der folgenden Beschreibung dargelegt.
Der Umfang der Erfindung wird in den Ansprüche angegeben.
Für ein besseres Verständnis der Art und der Aufgaben der Erfindung sollte zusammen mit den begleitenden Zeichnungen auf die folgende detaillierte Offenbarung Bezug genommen werden, wobei
1 eine bildhafte frontale Querschnittsansicht eines Teils einer optischen Koordinatenmessmaschine gemäß meiner Erfindung ist, die einen optischen Tastkopfaufbau gemäß meiner Erfindung zeigt, der an der Videokamera einer videobasierten Koordinatenmessmaschine angebracht ist;
2 eine bildhafte Draufsicht auf den optischen Tasterkopf meiner in 1 gezeigten Erfindung ist;
3 eine bildhafte seitliche Querschnittsansicht des optischen Tasterkopfs von 1 und 2 ist, der einen alternativen optischen Tastkopfaufbau gemäß meiner Erfindung hält;
4 eine bildhafte Draufsicht auf einen alternativen optischen Tastkopfaufbau gemäß meiner Erfindung ist, der einen alternativen optischen Tastkopfaufbau gemäß meiner Erfindung hält;
5 eine Draufsicht auf den in 1 gezeigten optischen Tastkopfaufbau ist;
6 eine bildhafte seitliche Querschnittsansicht eines alternativen optischen Tasterkopfaufbaus gemäß meiner Erfindung ist;
7 eine bildhafte seitliche Querschnittsansicht eines alternativen optischen Tasterkopfs gemäß meiner Erfindung ist, der einen alternativen optischen Tastkopfaufbau gemäß meiner Erfindung, ähnlich zu der in 4 gezeigt, hält;
8 eine bildhafte dreidimensionale Ansicht teilweise im Querschnitt einer Koordinatenmessmaschine gemäß meiner Erfindung ist, die die in 1 gezeigte Vorrichtung meiner Erfindung verwendet;
9 eine bildhafte Ansicht ist, die zeigt, wie die Position der versetzten Kontaktspitze des in 6 gezeigten optischen Tastkopfs unter Verwendung von Vektoranalyse berechnet werden kann;
10 bis 13 Ansichten des Videobildschirms einer optischen Koordinatenmessmaschine gemäß meiner Erfindung sind, die zeigen, wie verschiedene Tastköpfe durch Benutzung verschiedener Zielscheiben für die Kontaktspitze identifiziert werden können, und auch zeigen, wie die Zielscheiben auf den Koordinatenarmen eines optischen Tastkopfaufbaus gemäß meiner Erfindung mit der Kontaktspitzenzielscheibe des Tastkopfs auf der Brennebene des Videoabbild-zu-elektrisches-Signal-Wandlers parfokal abgebildet werden;
14 bis 20 Ansichten des Videobildschirms einer optischen Koordinatenmessmaschine gemäß meiner Erfindung sind, die einen Tastkopf gemäß meiner Erfindung benutzt, und die zeigen, wie sich die Abbilder der Zielscheiben auf der Brennebene der Videokamera meiner Erfindung nach einer Bewegung der Tastkopfspitze in jede der drei Koordinatenrichtungen X, Y und Z und in einer Rotation R um die Z-Achse ändern;
21 ein Blockdiagramm der Elektronik und ein Steuersystem einer optischen Koordinatenmessmaschine gemäß meiner Erfindung ist;
22 eine bildhafte, frontale Querschnittsansicht einer automatischen Wechslerbaugruppe für einen Tastkopf gemäß meiner Erfindung ist, die einen optischen Tasterkopf, verschiedene optische Tastkopfaufbauten gemäß meiner Erfindung und eine darin eingebaute Videokamera fokusierende Linse gemäß meiner Erfindung zeigt; und
23 eine bildhafte Draufsicht auf den in 22 gezeigte Tastkopfwechsleraufbau.
Die gleichen Bezugszeichen in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen beziehen sich auf die gleichen Bauteile.
In 1 ist ein optischer Tastkopfaufbau (allgemein mit 20 bezeichnet) gemäß meiner Erfindung an der Videokamera oder Messkopf 22 einer videobasierten Untersuchungsmaschine angebracht. Die Videokamera 22 umfasst einen optisches-Bild-zu-Videosignal-Wandler, wie etwa ein ladungsgekoppeltes Feld 24, eine damit verbundene Elektronik 26, Anschlüsse 28 und Kabel 30 und 32, die mit einer Bildverarbeitungselektronik 280 (siehe 21) verbunden sind. Die Kamera umfasst weiterhin Linsen 36, 38, 40 und 42 zum Fokussieren einer Objektebene auf die Brennebene der Kamera 22, das heißt auf das ladungsgekoppelte Feld 24. Die Linsen sind in einem Zylinder 44 angebracht. Ich stelle eine Irisblende 46 bereit, um die von den Linsen 36, 38, 40 und 42 erreichte Feldtiefe zu verändern.
Die Kamera 22 ist auch mit einem Ringlicht 48 zu Beleuchten eines Werkstückes versehen (nicht gezeigt). Die Kamera ist in der Z-Hülse 50 einer in 8 allgemein mit 52 bezeichneten Koordinatenmessmaschine angebracht.
Gemäß meiner Erfindung stelle ich ein Ringlager, allgemein mit 54 bezeichnet, bereit, das an dem Zylinder 44 angebracht ist. Eine ringförmige Baugruppe 56 ist an dem äußeren Ring 58 des Ringlagers 54 angebracht. Der innere Ring 60 ist an dem Zylinder 44 angebracht. Ich stelle einen Motor 62 zum Antrieb eines Ritzels 64 durch ein Rädergetriebe (allgemein mit 66 bezeichnet) bereit, um das Rädergetriebe 56 um den Zylinder 44 zu drehen. Auf dem äußeren Lagerring 58 sind vier vertiefte magnetische Haltemittel 68 angebracht, von denen in 1 nur zwei gezeigt sind (siehe auch 5).
Gemäß meiner Erfindung stelle ich einen optischen Tasterkopf, allgemein mit 70 bezeichnet, bereit, der mit zusammenwirkenden konisch geformten magnetischen Mittel 72 versehen ist, die in vertiefte magnetische Haltemittel 68 passen und darin magnetisch befestigt sind. Der Tasterkopf 70 ist auch mit vertieften magnetischen Mitteln 74 zum Aufnehmen eines Tastkopfaufbaus, allgemein mit 76 bezeichnet, versehen. Der Tastkopfaufbau 76 weist zusammenwirkende konisch geformte magnetische Mittel 78 auf, die sich magnetisch an die magnetischen Mittel 74 festklemmen. Die Tastkopfaufbau 76 ist mit einem steifen Schaft aus einem konventionellen Material, das im Stand der Technik verwendet wird, und mit einer konventionellen Kontaktspitze 82 an ihrem distalen Ende, an welche ich gemäß meiner Erfindung eine Zielscheibe 84 angebracht habe, versehen. Die Zielscheibe 84 befindet sich in der Brennebene der Kamera 22 und wird somit auf die Brennebene an dem ladungsgekoppelten Gerät 24 fokussiert. Somit verursacht eine Bewegung der Kontaktspitze 82 und der Zielscheibe 84 in der X, Y-Ebene, dass sich das Abbild der Zielscheibe 84 entsprechend in der X-Y-Ebene der Brennebene 24 der Kamera 22 bewegt.
In den 1 und 2 wird der Schaft 80 des Tastkopfaufbaus 76 von vier elastischen Haltern 86 gehalten. Diese sind konventionell erhältlich und ihre Steifheit (Federkonstante) ist von der durch den Tastkopf durchgeführten Art der Messung bestimmt.
Die Kontaktspitze 82 und die Zielscheibe 84 können von der Kamera 22 durch die Öffnung 88 gesehen werden. Eine Öffnung 90 in dem optischen Tasterkopf 70 erlaubt es, dass Licht aus der Ringlampe 48 von einer Linse 92 gesammelt wird. Das Licht geht durch den Öffnungsanschlag 94 zum Spiegel 96, an dem es umgelenkt wird, um eine konusartige Zielscheibe 98, die am Arm 100 angebracht ist, zu beleuchten. Dieses Licht wird von einem Spiegel 102 zu einem Spiegel 108 gelenkt und dann zu einem Spiegel 110, wo es von den Linsenelementen 36, 38, 40 und 42 der Kamera auf der Brennebene 24 parfokal abgebildet wird. Eine andere Öffnung 112 (2 und 3) ist in einem Tasterkopf 70 mit einem identischen optischen System zum Beleuchten einer konischen Zielscheibe 114 auf einem Arm 116 und somit zum Lenken seines Abbilds auf einen Spiegel 111 und zum parfokalen Abbilden auf der Brennebene 24 vorgesehen.
In 2 kann gesehen werden, dass sich die Öffnung 90 in dem langen Arm 118 und die Öffnung 112 in dem langen Arm 120 des Tasterkopfs 70 befinden.
In den 4 und 7 kann das oberste Ende des Tastkopfschaftes 80 mit einem einzelnen Zielscheibenkonus oder einer Messerschneide 122 versehen sein. Diese Anordnung kann verwendet werden, wenn keine Sterntastköpfe verwendet werden, die eine Rotationsanzeige für die Kontaktspitze 82 um die Achse des Schaftes 80 benötigen. Alternativ können andere optische Mittel zum Messen der Bewegung in Z-Richtung verwendet werden, etwa eine dreieckige Öffnung und eine Messerschneide (siehe 7), so dass die Messerschneide horizontal und die Öffnungsspitze der dreieckigen Öffnung (nicht gezeigt) vertikal ausgerichtet sind. Die Verdunkelung des die Öffnung beleuchtenden Lichtstrahls ist proportional zu der Bewegung des Schaftes 80 in Z-Richtung.
In 3 bringe ich, wenn ein langer Schaft 80' verwendet wird, eine geeignete Linse 124 an, welche die Objektebene der Videokamera an die Zielscheibe 84' an der Kontaktspitze 82' bringt.
In 5 kann man sehen, wie der Tastkopfaufbau 76 einen kreisförmigen Haltering 126 umfasst, an dem die konischen magnetischen Elemente 78 befestigt sind. Die elastischen Halter 86 sind wie die Arme 100 und 116 und ihre entsprechenden Zielscheiben 98 und 114 deutlich zu sehen.
In 6 habe ich einen Sterntastkopfaufbau, allgemein mit 128 bezeichnet, gezeigt, Es umfasst Elemente, die mit dem Tastkopfaufbau 76 der 1 identisch sind, mit Ausnahme des Hinzufügens eines horizontalen Arms 130, der von der Kontaktspitze 82 herausragt und eine Kontaktspitze 132 an ihrem distalen Ende aufweist.
In 7 kann, wie vorher beschrieben, gemäß meiner Erfindung, wenn es nicht notwendig ist, die Rotation eines Messkopfs zu bestimmen, ein einfacherer Aufbau verwendet werden. Ein Tastkopf, allgemein mit 140 bezeichnet, umfasst den üblichen steifen Schaft 142, eine Kontaktspitze 144, eine Kontaktspitzenzielscheibe 146 und elastische Haltemittel 150 sowie magnetische Befestigungsmittel, allgemein mit 152 bezeichnet, zum Anbringen des Tastkopfs 140 an einen allgemein mit 154 bezeichneten Tasterkopf. Der optische Tasterkopf 154 ist an der Videokamera 156 eines videobasierten Untersuchungssystem angebracht.
In diesem Fall wird nur die Zielscheibe 146 auf der Brennebene (nicht gezeigt) der Videokamera 156 abgebildet Eine Messerschneide 122 ist am obersten Ende des Schaftes 142 angebracht. Eine lichtemittierende Diode 160, eine Öffnung 162, eine Linse 164, ein Spiegel 166 und eine Linse 168 bündeln dieses Licht auf die Messerschneide 122. Eine Linse 170, ein Spiegel 172, eine Linse 174 fangen das Licht ein, das über die Messerschneide 158 kommt und führen es zu einer Fotodiode 176. Wenn die Messerschneide 122 sich nach oben bewegt, verdunkelt sie den gebündelten Strahl stärker und weniger Licht erreicht die Fotodiode 176. Wenn sie sich nach unten bewegt, tritt mehr Licht über das oberste Ende der Messerschneide 122 und fällt auf die Fotodiode 176. Somit gibt eine Änderung des Signals von der Diode 176 eine Auf- und Abwärtsbewegung der Messerschneide 122 und somit der Kontaktspitze 144 an. Was die Bewegung in Z-Richtung betrifft, übt die Öffnung aus 7 die Funktion des Öffnen und Schließen eines elektrischen Kontakts in einem konventionellen Renishaw^TM-Tastkopf aus, aber mit einer größeren Genauigkeit. Lager, allgemein mit 180 und 182 bezeichnet, ermöglichen, dass der gesamte optische Tasterkopf 154 nach oben aus der Seite heraus gekippt wird, so dass die Sicht der Kamera 156 nicht verdunkelt ist, wenn ein optischer Tastkopf 140 nicht verwendet wird.
Wenn bei der Messung in Z-Richtung eine größere Genauigkeit erwünscht ist, und wenn es insbesondere wünschenswert ist, das tatsächliche Maß der Bewegung (Abstand) entlang der Z-Achse zu messen, können ein dreieckiger Schlitz und die Messerschneide 158 verwendet werden, um eine präzise Verdunklungslinearität des dreieckigen Schlitzes (nicht gezeigt) auf der Diode 176 von dem Abbild der Messerschneide 122, wie zuvor beschreiben, bereitzustellen.
In 8 ist eine konventionelle Koordinatenmessmaschine, allgemein mit 52 bezeichnet, gezeigt, die eine schwere Bodenplatte 190, typischerweise aus Granit, vertikale Stützen 192, an denen Wege in X-Richtung 194 und 196 und X-Skalen (nicht gezeigt) angebracht sind, aufweist. Die Z-Hülse 50 bewegt sich auf den X-Wegen 194 und 196. Die Y-Bewegung ist durch Einbauwege 198 und 200 auf der Bodenplattes 190, auf der sich die in Y-Richtung bewegende Plattform 202 bewegt, bereitgestellt.
Eine konventionelle Videokamera 22 ist in der Z-Hülse eingebaut gezeigt und wird von konventionellen Mitteln (nicht gezeigt) innerhalb der Z-Hülse auf- und abbewegt. An diese ist die erfindungsgemäße Vorrichtung, allgemein mit 204 bezeichnet und im Detail in 1 gezeigt, angebracht. Somit kann ein konventionelles videobasiertes Untersuchungssystem einfach modifiziert werden, um meine Erfindung für Tastkopfmessungen zu verwenden.
9 zeigt den Sterntastkopf 128 von 3. Die Hauptpunkte P2 und P3 sind die Spitzen der Zielscheiben 98 und 114 und der Hauptpunkt P1 ist der Mittelpunkt der Zielscheibenkugel 82. Aus diesen drei Punkten wird eine Ebene gebildet. Bei P0 liegt Null. Dies ist die Ursprungs-0, 0, 0-Koordinate der Koordinatenmessmaschine. Der Normalvektor D erstreckt sich von der Ebene der P1, P2, P3 zum Punkt P4, dem Mittelpunkt der Kontaktspitze 132 des Sterntastkopfs 128. Da der gesamte Aufbau 128 starr ist, bleibt die dimensionale Beziehung zwischen P1, P2, P3 und P4 invariant. Um die absolute X, Y, Z-Position von P1, P2 und P3 zu bestimmen, müssen wir L1, L2 und L3 kennen. L1 ist der Abstand zwischen dem obersten Ende 81 des Schafts 80 und L2 und L3 sind die Längen der Arme 116 und 100, d. h. die senkrechten Abstände von der Achse des Schafts 80 zu den Punkten P2 und P3. Um diese zu erhalten, wenden wir Vektoralgebra an, um eine Serie von drei Gleichungen und drei Unbekannten aufzustellen, die durch Computerreiterationstechniken lösbar sind.
Mit den gegebenen X, Y und Z-Werten der drei Hauptpunkte der Tastnadel, d. h. P1, P2 und P3, können wir aufgrund der Steifheit der Tastnadel die X, Y und Z-Werte von P4 an der Spitze des Sterntastkopfs in Kontakt mit dem Teilstück kennen. Bei meinem optischen Tastkopf kennen wir die X und Y-Bewegung, die an P1 auftrat und die Y und Z-Bewegung von P2 sowie die X und Z-Bewegung von P3 wie sie von der videobasierten Koordinatenmessmaschine bestimmt wurden.
Für eine Tastnadel mit bekannten physikalischen Dimensionen mit zwei Armen gleicher Länge L2 und L3 und einem Haupttastkopfschaft 80 der Länge L1, alle unter rechten Winkeln zueinander, können die unbekannte Z-Achsenposition von P1 „c", die unbekannte Achsenposition von P2 „a" und die unbekannte Y-Position von P2 „b" aus einer Serie von drei Gleichungen und drei Unbekannten a, b und c, die wie folgt gemäß der Vektoralgebra aufgestellt werden können, extrapoliert werden:
Unter der Annahme, dass die Tastnadel sich in einer Position im dreidimensionalen Raum befindet, in der:
Für P1 X und Y, für P2 Y und Z und für P3 X und Z bekannt sind.
P0 der X = 0, Y = 0, Z = 0 Ursprung des Koordinatensystems ist,
können drei Vektoren aufgestellt werden: P1P2 = B – A = (ai, Y2j, Z2k) – (X1i, Y1j, ck) P1P3 = C – A = (X3i, bj, Z3k) – (X1i, Y1j, ck) P3P2 = B – C = (ai, Y2j, Z2k) – (X3i, bj, Z3k)
Die Länge dieser Vektoren ist gegeben durch: |P1P2| = √(a – X1)² + (Y2 – Y1)² + (Z2 – c)² |P1P3| = √(X3 – X1)² + (b – Y1)² + (Z3 – c)² |P3P2| = √(a – X3)² + (Y2 – b)² + (Z2 – Z3)²
Aufgrund der Rechtewinkelanordnung der Tastnadel und unter dem gegebenen vereinfachten Fall, in dem L2 = L3 ist:
Ist die Länge der Vektoren P1P2 und P1P3 gegeben durch √L1² + L2²
Ist die Länge des Vektors P2P3 gegeben durch √2·L2²
Nach dem Entfernen der Wurzeln erhalten wir drei Gleichungen und die drei Unbekannten, die für jeden Fall über Computeriterationstechniken gelöst werden können. L12 + L22 = (a – X1)2 + (Y2 – Y1)2 + (Z2 – c)2 L12 + L22 = (X3 – X1)2 + (b – Y1)2 + (Z3 – c)2 2·L22 = (a – X3)2 + (Y2 – b)2 + (Z2 – Z3)2
In 10 ist, wobei das Abbild der Zielscheibe 84 (1) am distalen Ende des Tastkopf allgemein mit 250 bezeichnet ist, ein Videoüberwachungsbildschirm 252 gezeigt. Ebenso sind die Abbilder 254 und 256 der Zielscheiben 98 und 114 (2) gezeigt. Die Umrisse der Spiegel 110 (1) und 111 (3) sind durch gepunktete Linien angezeigt.
Die in den 10 bis 13 gezeigten verschiedenen Zielscheiben 250, 258, 262 identifizieren verschiedene Tastköpfe. Die Zielscheiben werden von dem mit der Videokamera 26 verbundenen Computer erkannt.
In den 14 bis 19 sind verschiedene Positionen der Abbilder 250, 254 und 256 der Zielscheiben 84, 98 und 114 der 10 gezeigt.
Die 14 zeigt die Zielscheiben 250, 254, 256 in der nominalen 0, 0, 0-Position, wenn der Tastkopf zum ersten Mal an der Videokamera 26 angebaut ist. Man bemerke, dass die Zielscheiben nicht perfekt zentriert sein müssen und dass sie rotiert werden können. Der Computer erkennt dies und berücksichtigt dies bei weiteren Berechnungen, so dass alle Positionen in dem Bezugssystem der Videomaschine berechnet werden. Man bemerke auch, dass das Koordinatensystem (Bezugssystem) des Tastkopfs nicht mit dem Koordinatensystem (Bezugssystem) der Maschine identisch sein muss. Es muss nur mathematisch in das Koordinatensystem der Maschine transformierbar sein.
15 zeigt eine Bewegung überwiegend nur in die +X-Richtung.
16 zeigt eine Bewegung überwiegend nur in die +Y-Richtung.
17 zeigt eine Bewegung überwiegend nur in die +Z-Richtung.
18 zeigt eine Rotation gegen den Uhrzeigersinn nur um die Z-Achse.
19 zeigt eine Rotation gegen den Uhrzeigersinn um die Z-Achse und eine Bewegung überwiegend nur in die +X-Richtung.
20 zeigt eine Rotation gegen den Uhrzeigersinn um die Z-Achse und eine Bewegung überwiegend nur in die +Y-Richtung.
Man bemerke, dass ein Zielscheibenabbild 254 eine Bewegung in den X und Z-Koordinaten durch Verlängern oder Verkürzen und eine Rotation durch Auf- und Abbewegen anzeigt und dass das Zielscheibenabbild 256 eine Bewegung in den Y und Z-Koordinaten durch Verlängern oder Verkürzen und Rotation durch Links- und Rechtsbewegung anzeigt.
Die Elektronik und das Computersystem 270 sind allgemein in 21 angegeben. Es umfasst eine konventionelle videobasierte Koordinatenmessmaschine 272, welche eine konventionelle Videokamera, Ausleseskalen 274 und Antriebsmotoren 276 umfasst, eine Systemsteuereinheit 278, welche eine konventionelle Bildverarbeitungselektronik (programmierter Computer) 280, eine Systemschnittstelle 282 und eine Motorsteuereinheit 284 umfasst, einen Computermonitor 286, eine Tastatur, Ausrichtungsgeräte 288 und einen Videomonitor 290.
Die einzige Änderung ist, den Computer 280 geeignet zu programmieren, um die Zielscheibenabbilder 250, 254 und 256 so zu verarbeiten, dass die Koordinaten des Tastkopfkontaktteils (z. B. 82 in 1) abgeleitet werden können und die Zielscheibencodes interpretiert werden können.
Da der Computer fähig ist, alle Koordinaten mit der Bildwiederholfrequenz der Videokamera zu berechnen, können mit einer konventionellen Kamera 30 mal pro Sekunde Messungen an Punkten entlang der Oberfläche eines Teilstücks durchgeführt werden. Mit Hochgeschwindigkeitskameras können noch höhere Raten, z. B. 1000-mal pro Sekunde erreicht werden. Die einzige Begrenzung ist die Rate, mit der man das Tastkopfkontaktelement dazu bringt, in das Teilstück zu greifen. Diese Geschwindigkeit kann durch Vibrieren des Kontaktelements hin und weg von der Oberfläche erhöhen werden, wenn die Koordinatenmessmaschine das Kontaktelement entlang der Oberfläche bewegt.
Somit kann der i, j, k-Vektor an einer bestimmen Stelle auf einer Teilstückoberfläche von einer Kamera mit einer 30 Bildwiederholungsfrequenz in einer Zehntelsekunde bestimmt werden, da drei (3) Kontakte mit dem Teilstück eine Tangentialebene bilden.
Die 22 und 23 zeigen eine automatische Baugruppe 216 gemäß meiner Erfindung. Verlängerte Keile 218 auf dem optischen Tasterkopf 70 passen in Kanäle oder Halterungen 220, die an der Baugruppe 216 angebracht sind. Ebenso stelle ich Keile 222 an den Tastkopfaufbauten 76, 128, 224 und 226 und dem Linsenaufbau 228 bereit; diese passen in kanalähnliche Halterungen 225, die an der Baugruppe 216 angebracht sind. Die Baugruppe 216 kann, wie gezeigt, rechtwinklig sein oder sich entlang der Peripherie eines runden Tisches befinden. Die Baugruppe, ob kreisförmig oder rechtwinklig, wird mittels konventioneller Mittel in den Messraum der Koordinatenmessmaschine hinein und hinaus bewegt, um den Messraum nicht zu verkleinern.
Im Betrieb wird die Baugruppe 216 in den Messraum beweget und die Hülse 50 wird über den optischen Tasterkopf 70 bewegt. Die magnetischen Mittel 68 und 72 werden verschlossen und dies hebt den Tasterkopfaufbau leicht an. Die Hülse bewegt dann die Keile 218 in die Seite hinein oder aus der Seite heraus, wie in 10 gezeigt, bis die Baugruppe 216 frei ist. Die Hülse 76 kann unmittelbar benutzt werden oder, wenn gewünscht, kann sie in eine leere Baugruppe (nicht gezeigt) gesetzt werden und eine andere Hülse 128, 224, 226, die Linse 228 oder jedes andere Zusatzgerät (z. B. ein Lasermessgerät) kann aufgenommen werden.
Wie zuvor beschreiben, kann der Linsenaufbau 228 mittels eines Fadenkreuzes 230, das in der Baugruppe 216 angebracht ist, kalibriert werden.
Somit kann man sehen, dass die Z-Achsen-Bewegung meines optischen Tastkopfes optisch und konventionell mit erhöhter Messgenauigkeit bestimmt werden kann und dass sie vorzugsweise durch parfokales Abbilden einer X und Y-Zielscheibe und dann einer Z-Zielscheibe auf der Brennebene eines mit einem Computer verbundenen ladungsgekoppelten Felds, vorzugsweise auf eine Videokamera in einer existierenden videobasierten Koordinatenmessmaschine, erhalten wird. Die Rotation kann durch das Einführen zweier Zielscheiben unter rechten Winkeln an dem Z-Achsentastkopfschaft und parfokalem Abbilden dieser Zielscheiben und der Zielscheibe an der Tastnadelspitze auf den gleichen optisch-elektronischen Bildwandler gemessen werden.
Die Auflösung in meiner Erfindung ist die kleinste Bewegung, die die Kontaktspitze machen kann, bevor die Bildverarbeitungsplatine erfassen kann, das sie sich bewegt hat. Zum Beispiel kann, wenn wir ein Sichtfeld von 0,050'' (1,27 mm), 500 Pixel über den Sensor hinweg und eine 5:1 Unterpixel-Analysefähigkeit haben, dann eine Auflösung von 0,000020'' (0,0005 mm) erreicht werden. Eine 5:1 oder ein möglicherweise besseres Unterpixelverhältnis ist hier leicht erreichbar, da die Zielscheibenmarkierungen das Bildverarbeitungssystem mit dem idealen Kontrast und Formen für die bestmögliche Randerfassung versorgen können.
Aufgrund einer Reduzierung des Sichtfelds durch Änderung von Linsen oder Verwendung einer Zoom-Linse, einer Erhöhung der Anzahl der Pixel über den Sensor hinweg oder einer Erhöhung der Unterpixelanalysefähigkeit kann diese Auflösung weiter verbessert werden. Wenn zum Beispiel, das Sichtfeld auf 0,010'' (0,25 mm) reduziert wird und eine 1000 Pixel-Kamera mit einer Unterpixelanalysefähigkeit von 10:1 verwendet wird, dann kann eine Systemauflösung von 0,000001'' (0,000025 mm) erreicht werden. Diese Auflösung ist ausreichend, um Oberflächenrauheitsmessungen und ein Kalibrieren von Hochpräzisionsmessgeräten und -werkzeugen durchzuführen. Somit können dimensionale Messungen, Form, und Oberflächenrauheitsmerkmale an einer Maschine, die meinen Tastkopf verwendet, bestimmt werden. Um diese Vielseitigkeit zu erreichen, würde das Messsystem typischerweise mit meinem Tastnadelwechsler ausgestattet sein und für den optischen Tastkopf würde eine Tastnadel mit Größe, Form und Sichtfeld bestimmender Optik gewählt werden, die am besten für die vorliegende Aufgabe geeignet ist.
Die Messung mit dem optischen Tastkopf kann in einem Hochgeschwindigkeitsabtastmodus durchgeführt werden, da eine neue Positionsbestimmung der Tastkopftastnadel mit der Videobildwiderholfrequenz durchgeführt wird. Wenn die Tastkopftastnadel in Kontakt mit der Oberfläche des zu untersuchenden Teilstücks in Kontakt gebracht ist und entlang der Oberfläche des Teilstücks gezogen wird, können die Punkte unter der Annahme, dass das Bildverarbeitungssystem mithalten kann, mit der Videobildwiederholfrequenz erhalten werden. Eine erforderliche Messung ist oft die Form (Rundheit, Konzentrizität, etc.) einer Hülse oder eines Zylinders oder einer anderen Oberfläche. Mein extrem genauer optischer Tastkopf ist für die Ausführung solcher Messungen hilfreich, besonders wenn das Messsystem mit einem drehbaren Tisch ausgestattet ist. Zur Zeit kommerziell erhältliche Abtasttöpfe sind ziemlich teuer. Meine Erfindung sorgt für eine bessere Leistung bei deutlich reduzierten Kosten. Mein optischer Tastkopf kann auch für die Umkehrfertigung verwendet werden und stellt eine hochgenaue Digitalisierung des umkehrgefertigten Teilstücks bereit.
Für eine extrem genaue Messung einer Oberflächengüte und dergleichen ist ein Lasermesssystem in die Optik der Videokoordinatenmessmaschine eingebaut. Dies kann in einer Einheit mit der Videokamera oder ein einbaubarer Adapter wie der Tastkopfadapter 70 der 1. sein.
Der so beschriebene Tastkopf kann auch einfacher als Art Auslösegerät aber unter Verlust der Vielseitigkeit und Genauigkeit verwendet werden. Die Tastkopftastnadel wird mit einem ziemlich steifen Gummi oder einer mechanischen Halterung angebracht, die ein sehr gutes Gedächtnis hat, was heißt, dass sie nach der Bewegung exakt zur gleichen Ruheposition wie zuvor zurückkehrt. Das optische System erfasst über eine Veränderung in dem von der Bildverarbeitungselektronik erfassten Abbild das ihr erstes dargebotenes Stückchen an Bewegung. Zum Zeitpunkt der ersten Bewegung wird die Bildverarbeitungselektronik die X, Y und Z-Werte erhalten und wenn vorhanden die Drehskalenposition (R). Jede Achse der Messmaschine hat eine Ausleseskala, um die Position anzuzeigen. Der Tastkopf würde in diesem Fall mit einer Referenzkugel, die an dem Messtisch angebracht ist, kalibriert werden.
Bei einer vereinfachten Version des optischen Tastkopfs, kann der Z-Achsensensor einfach eine Klinge sein, die einen Teil des gebündelten Lichts, das zwischen dem obersten Ende des Haupttastkopfschaftes und der Klinge hindurchkommt, verdunkelt. Ein Fotodetektor erfasst eine Bewegung in der Z-Achse durch Veränderung der Lichtpegel an dem Fotodetektor.
Diese zuvor beschreibe Annäherung ist komplett frei von einem Lobbingfehler, da die Auslöser Auslöseverfahren nicht dazu verwendet werden, um die Tastkopfposition zu bestimmen. Ein Lobbingfehler resultiert aus einer Veränderung des Vorlaufs des Art Auslösetastkopfs, der sich abhängig von der Orientierung des Teilstücks bezüglich des Tastkopfs verändert. Je länger die Tastnadel ist, desto größer ist die Fehlerkomponente. Die hier dargestellte Konstruktion hat diese Problem nicht, da die Messung mit dem Tastkopf in direktem Kontakt mit dem zu untersuchenden Teilstück durchgeführt wird, ohne einen Auslöser, um einen Vorlauf zu erfordern.
Man bemerke, dass extrem geringe Tastkräfte verwendet werden können, da das Abbildungssystem erfasst, wann der Kontakt mit dem Teilstück hergestellt ist, nachdem die Kontaktspitze nur soweit, wie die Auflösung des Systems ist, bewegt wurde. In der Praxis verursacht selbst eine Abweichung von 0,0001'' (0,025 mm) extrem geringe Tastkräfte.
Man bemerke, dass, wenn die Tastnadel von dem Tastkopf entfernt und dann ersetzt wird, eine Neukalibrierung nicht notwendig ist, da das System die absolute Position der Zielscheibe an der Kontaktspitze im Sichtfeld erfasst. Das bedeutet, dass eine große Breite an Tastnadeln auswechselbar verwendet werden kann. Eine Positionserfassung der Tastnadel ist nicht kritisch, innerhalb von .003'' (.075 mm) hervorragend geeignet, weil wiederum die absolute Position der Tastnadel innerhalb des Sichtfeldes der Videokamera bestimmt wird. Die Tastkopfspitzen sind magnetisch an dem Tastkopfaufbau angebracht und können einfach manuell ausgetauscht werden.
Man bemerke auch, dass ein Bediener dieses Systems auch fähig ist, das abzutastende Teilstück mit einer hohe Auflösung (typischerweise 100× bis 500×) durch die Videokamera zu sehen. Dies ist besonders sinnvoll, wenn komplizierte und kleine Merkmale mit besonders kleinen Kontaktspitzen abgetastet werden. Wenn eine Zoomlinse verwendet wird, kann eine große Ansicht des Teilstücks gesehen werden, wenn die Tastnadel in die Nähe des Merkmals des zu untersuchenden Teilstücks positioniert wird. Wenn die Messung durchgeführt werden muss, kann das Linsensystem auf eine höhere Auflösung gezoomt werden, wobei eine höhere Genauigkeit erreicht wird.
Das Messsystem, auf das der Tastkopf angebracht ist, kann programmiert werden, um die Antriebsmotoren anzuhalten, wenn ein Bediener das zu untersuchende Teilstück berührt. Das Messsystem erfasst einen Kontakt, wenn sich die Zielscheibe an der Kontaktspitze von ihrer Nominalposition wegbewegt. Dies verhindert, dass die Tastnadel beschädigt wird. Wenn das System grobe Bewegungen durchführt und sich die Kontaktspitzenzielscheibe aufgrund von Trägheitsschwingung des Tastkopfschaftes oder Vibrationen bewegen kann, wird eine größere Verschiebung der Zielscheibe erforderlich sein, um die Sicherheitsanforderung an den Motor für einen Stopp auszulösen.
Sterntastköpfe unterscheiden sich von den einfachen Tastköpfen darin, dass sich ein Bündel von jeder Anzahl von Tastkopfausdehnungen sich von dem Haupttastkopfschaft unter verschiedenen Winkeln und Längen erstrecken kann. Bei Sterntastköpfen kennen wir auch die Rotation um die Hauptschaftachse des Tastkopfaufbaus und können dadurch die Position der Kontaktspitze am distalen Ende der Tastkopfausdehnungen bestimmen.
Um dies zu vervollständigen sind an dem obersten Ende des Hauptschafts des Tastkopfs zwei Arme vorgesehen. Wie zuvor beschrieben, stehen diese Arme typischerweise unter rechten Winkeln zueinander und auch unter rechten Winkeln zu dem Hauptschaft des Tastkopfes. An dem distalen Ende jeden Arms befindet sich eine kleiner Zielscheibenstift, der sich von dem Arm abstreckt. Jeder dieser zwei Konen wird wie zuvor von einer Serie von Spiegel getrennt auf die Kamera abgebildet. Die X, Z-Komponenten der Spitze eines Konus und die Y, Z-Komponenten der Spitze des anderen Konus werden durch die Videokamera und das Analysesystem (programmierter Computer) bestimmt.
Die X, Y-Koordinaten der Zielscheibe an dem unteren Ende des Haupttastkopfschaftes werden wie zuvor von dem Videobildanalysesystem wahrgenommen. Die Spitzen der zwei Konen an den Armen und der Mittelpunkt der typischerweise kugelförmig geformten Kontaktspitze bilden eine Ebene. Da die zwei Zielscheibenstifte und die Zielscheibenkontaktspitze starr gehalten werden, so das der Abstand zwischen allen drei Punkten invariant bleibt, können für alle drei Punkte eine exakte X, Y und Z-Koordinate bestimmt werden.
Jede Tastkopfausdehnung endet in einer Kontaktspitze. Der Mittelpunkt dieser Kontaktspitze ist in einer starr fixierten Beziehung mit den drei bekannten Hauptpunkten. Wenn der Tastkopf in Kontakt mit dem zu untersuchenden Teilstück ist, werden die X, Y und Z-Koordinaten für die zwei Zielscheibenstifte und die Zielschiebenkugel von dem Bildsystem bestimmt. Die Position des Mittelpunkts des Kontaktballes ist dann aus den Koordinaten des Zielscheibenstifts und der Zielscheibenkugel bekannt.
Ein motorisiertes drehbares Lager ist zwischen der Videokamera und dem gesamten Tastkopfaufbau platziert, wobei die Tastkopfanordnung die Spiegel umfasst, die die Position der zwei Konen zurück hoch auf die Videokamera reflektieren. Wenn die Kontaktspitze(n) des Sterntastkopfes das Teilstück nicht berühren und der Tastkopfaufbau langsam gedreht wird, dann ist die Drehverschiebung zwischen der Position der drei Hauptpunkte und ihrer neuen Koordinaten bekannt. Bei einem idealen fehlerfreien Lager und der Zielscheibenkugel direkt auf der optischen Mittelpunktlinie wäre diese Translation eine reine Winkeldrehung. Aufgrund von Erschöpfung in dem Lager und der Tatsache, dass der Hauptschaft des Tastkopfes nicht perfekt um die optische Achse zentriert ist, ist dies in der Praxis eine echte dreidimensionale Vektortranslation.
Eine Softwarenachschlagetafel beinhaltet Fehlerkorrekturdaten für das Lager basierend auf seiner Winkeldrehung. Wenn ein neuer Tastkopf angebracht wird, wird der Spiegelaufbau in eine Grundposition gedreht. In dieser Grundposition kann eine absolute Bestimmung an dem Sterntastkopf und der X, Y und Z-Koordinaten der drei Hauptpunkte, der zwei konischen Spitzen und des Mittelpunkts der Zielscheibenkugel durchgeführt werden. Wenn der Sterntastkopf gedreht wird, werden die neuen X, Y und Z-Koordinaten für die drei Hauptpunkte basierend auf der Veränderung der Position der Konen und Zielscheibe in dem Sichtfeld bestimmt.
Ein alternatives und vereinfachtes Verfahren zur Bestimmung der Kontaktposition der distalen Kontaktspitzen ist, den Sterntastkopf ziemlich starr mit einem elastischen Element, das ein ausgezeichnetes „Gedächtnis" hat, anzubringen, was bedeutet, dass der Tastkopf annähernd exakt in seine Nominalposition zurückkehrt und im Wesentlichen immun gegen Rotationsbewegungen ist. Dann wird sich langsam an die Kontaktposition des zu untersuchenden Teilstücks genähert und die Position des Sterntastkopfs nur nach einer minimal kleinen Abweichung von der Nominalposition aufgenommen. Der Tastkopf kann unter Verwendung einer Referenzkugel kalibriert werden.
Die automatische Wechslerbaugruppe kann jede Anzahl von Tastkopfspitzen aufnehmen, die automatisch gegen die sich gegenwärtig auf dem Tastkopfaufbau befindliche Tastkopfspitze ausgetauscht werden können. Um eine Tastkopfspitze aufzunehmen, wird der Tasterkopf über die Tastkopfspitze positioniert und auf diese abgesenkt. Nachdem die Tastkopfspitze magnetisch in den Tastkopfaufbau eingeschnappt ist, kann die Tastkopfspitze aus der Baugruppe herausgeholt werden.
Mit dem Drehlager in seiner Grundposition kann jedes Mal, wenn ein Tastkopf aufgenommen wird, die Tastkopfspitzenposition absolut unabhängig von der exakten Position der Magnetschnappposition bestimmt werden, solang wie wir die Tastkopfspitze so greifen, dass die Spitze vernünftig gut (±0.0075 cm) in dem optischen Sichtfeld zentriert ist. Ein Neupositionierfehler von einem Aufnehmen zum anderen Aufnehmen im Bereich von ±0.003'' (±0,007 cm) ist eine ziemlich breite Toleranz und leicht zu erreichen. Bei gegenwärtigen Tastkopftechnologien begrenzt die Neupositionierfehlerkomponente von einem Aufnehmen zum anderen Aufnehmen direkt die Genauigkeit des Systems außer, wenn jedes Mal eine Tastkopfkalibrierung durchgeführt wird, wenn der Tastkopf getauscht wird.
Auf jeder einzelnen Tastkopftastnadel werden unterschiedliche Zielscheibenmarkierungen verwendet. Das videobasierte Messsystem, an dem der Tastkopf angebracht ist, erfasst, welche Tastnadel eingebaut ist aufgrund des besonderen Markierungsschemas, das mit jeder einzelnen Tastnadel verbunden ist. Die Identität eines Sterntastkopfes ist dem System aufgrund des Markierungsschemas, das von dem System interpretiert werden kann, bekannt. Zum Beispiel zeigen, wenn die Zielscheibe ein Kreis ist, die Anzahl und Position der Unterbrechungen in diesem Kreis die Anzahl der Sterntastkopfverlängerungen und ihre Positionen an. Die Breite jeder Unterbrechung gibt die Länge der Verlängerung des Tastkopfes an. Die Parallelität der radialen Ränder des Kreises, die dessen Spalt oder Aussparung ausbilden, gibt den Winkel an, um den sich der Tastkopf von dem Hauptschaft des Tastkopfes wegerstreckt. Es können auch andere Markierungscodes verwendet werden.
Da die Stabilität, die intrinsische Reproduzierbarkeit und die Genauigkeit meines Tastkopfsystems nicht durch ein mechanisches Ausrichten der Tastnadel an dem Tastkopfaufbau bestimmt ist, kann die automatisch Wechslerbaugruppe günstig gestaltet sein. Die automatische Wechslerbaugruppe kann in einer linearen Form mit einer Anzahl von Tastnadeln, die in einer Reihe angeordnet sind, gebaut sein. Die Baugruppe kann auf einer motorisierten Drehscheibe angebracht werden, wobei die gewünschte Tastnadelspitze an die Stelle gedreht wird. Der Drehansatz benötigt weniger Raum in dem Messbühnenraum.
Die automatische Wechslerbaugruppe kann auch auf Gleitern angebracht sein, die sie wie benötigt in den Messraum bringen und aus dem Messraum herausholen. Dies erlaubt all die Schrittbewegungen des Systems, welche für Teilstückmessungen verwendet wird, ohne dass eine davon durch die automatische Wechslerbaugruppe weggenommen wird.
Wenn ein optisches Element wie etwa eine Hilfsvergrößerungslinse auf die automatische Wechslerbaugruppe gesetzt wird, wird ein Fadenkreuz mit Kalibrierungsinformationen ungefähr im Arbeitsabstand der Linse auf der automatischen Wechslerbaugruppe fixiert. Wenn der optische Videotastkopf kommt, um die Linse aufzunehmen, kann er unmittelbar das Fadenkreuz abbilden und das System mit den neu hinzugekommenen Linsen kalibrieren. Dies beseitigt die Notwendigkeit von extrem genauen magnetischen Kontakten. Wenn die Hilfslinse etwa 0,002'''' (0,005 cm) versetzt ist, kann die unmittelbare Kalibrierung des Systems über das Fadenkreuz diesen Fluchtungsfehler ausgleichen.
Durch das Packen der Optik des optischen Tastkopfes innerhalb der Z-Hülse der Koordinatenmessmaschine wird Raum im Messraum der Koordinatenmessmaschine gespart. Ältere Konstruktionen von optischen Systemen zum Erweitern einer Koordinatenmessmaschine erforderten, dass die Optik außerhalb an die Z-Hülse gepackt wurde, da der Art Auslösetastkopf den Hauptraum unterhalb der Z-Hülse besetzen würde. Einige dieser Konstruktionen haben die Optik als getrennt Module gezeigt, die für einen Auslösetastkopf unter Verwendung einer automatischen Wechslerbaugruppe ausgetauscht werden können. Dies begrenzt auch den Messraum und begrenzt auch die Länge des optischen Wegs, der in der optischen Tastkopfkonstruktion verwendet wird. Die vorliegende Konstruktion erlaubt optische Wege verlängerter Länge, wobei alles in der Z-Hülse eingepasst ist.
Dies zeigt somit, dass die oben angegebenen Aufgaben, die aus der vorhergehenden Beschreibung deutlich wurden, effektiv erreicht wurden und da einige Änderungen bei der Ausführung obiger Verfahren und dargelegter Konstruktionen ausgeführt werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, ist es beabsichtigt, dass die in der obigen Beschreibung oder in den begleitenden Zeichnungen enthaltenen Dinge nur als beispielhaft und nicht in einem beschränkenden Sinn zu verstehen sind.
Nachdem ich meine Erfindung beschrieben habe, ist das, was ich als neu beanspruche und wofür ich ein Patent begehre:

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung der Position eines Punktes in einem Raum, umfassend: (a) ein bewegliches Trägersystem (190–208), das eine Information abgibt, welche die Position des beweglichen Trägersystems angibt; (b) einen Tastkopf (76), umfassend: (i) ein Kontaktteil (82); und (ii) ein optisches Muster (14–19) einschließlich erster und zweiter abbildbarer Merkmale (98, 114); (c) eine Tastkopfhaltestruktur (86), die auf dem beweglichen Trägersystem (190–208) angebracht ist, wobei der Tastkopf (76) auf der Tastkopfhaltestruktur angebracht ist, was es dem Tastkopf ermöglicht, sich mittels dem beweglichen Trägersystem zu bewegen, wobei die Tastkopfhaltestruktur den Tastkopf hält, während es dem Kontaktteil und dem optischen Muster ermöglicht wird, entlang einer durch die Tastkopfhaltestruktur bestimmten Strecke bis zur Anwendung von Kraft auf einem Kontaktpunkt auf dem Kontaktteil verlagert zu werden, wobei die Verlagerung des optischen Musters Veränderungen in den genannten Merkmalen verursacht; (d) ein Bilderzeugungssystem (24, 26) zum Empfang eines Bildes und zur Abgabe eines Bildsignals; (e) erste Abbildungsoptiken, welche die ersten und zweiten abbildbaren Merkmale (98, 114) auf dem Bilderzeugungssystem (24, 26) abbilden, so dass das Bilderzeugungssystem dazu gebracht wird, ein Signal zu erzeugen, das ein Bild von den ersten und zweiten abbildbaren Merkmalen (98, 114) enthält, wobei die als Antwort auf die Bewegung des Kontaktteiles (82) verursachten Veränderungen bei den Merkmalen die Position des Kontaktpunktes angeben und (f) einen Computer (280) zum Empfang des Signals, das die Bilder der ersten und zweiten abbildbaren Merkmale (98, 114) enthält und dem Output des beweglichen Trägersystems (190–208) und zum Berechnen der Position in dem dreidimensionlen Raum von dem Kontaktpunkt, dadurch gekennzeichnet, dass der Tastkopf (76) einen ersten und zweiten Arm (100, 116) umfasst, die von einer an der Tastkopfhaltestruktur (86) gesicherten Aufhängung herausragen, wobei das optische Muster das erste abbildbare Merkmal (98), das an einem Ende des ersten Arms (100) angeordnet ist und das zweite abbildbare Merkmal (114), das an einem Ende des zweiten Armes (116) angeordnet ist, einschließt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Tastkopfhaltestruktur (86) flexibel ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Bewegungssignalquelle zur Kontrolle der Bewegung des beweglichen Trägersystems (190–200) bereitgestellt wird, um dieses zu einer Vielzahl von mindestens drei Punkten zu bewegen und wobei der Computer (280) die Orientierung einer Tangentialebene zu dem Objekt zwischen den Punkten bestimmt, wodurch die Form eines Objektes als ein Satz von Punkten mit spezifischen Orten in drei Dimensionen bestimmt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei das Bilderzeugungssystem (24, 26) eine Videokamera ist, welche bei einer Bildrate von 30 Bildern pro Sekunde betrieben wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Struktur bereitgestellt wird, die mit dem Tastkopf verbunden ist und ein drittes abbildbares Mittel einschließt, das zur Bestimmung der Position durch das Bilderzeugungssystem abgebildet und durch den Computer (280) analysiert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Baugruppe zur Aufnahme einer Vielzahl von Einrichtungen bereitgestellt wird, die zur Anbringung auf der Tastkopfhaltestruktur ausgebildet sind, wobei die Baugruppe eine Struktur zur Aufnahme einer Tastkopfhaltestruktur oder einer anderen Einrichtung umfasst und die Baugruppe weiter eine Rückhalteanordnung umfasst, die derart ausgestaltet ist, dass eine Einrichtung bis zur Anwendung von Kraft durch die Tastkopfhaltestruktur in eine Richtung aufgenommen und gehalten werden kann, was zu einer Abkoppelung der Einrichtung von der Tastkopfhaltestruktur führt, wobei die Tastkopfhaltestruktur sich bewegen kann, um eine Einrichtung in der Baugruppe aufzunehmen, von der Baugruppe weggezogen werden kann, wodurch die Einrichtung an der Stelle auf der Baugruppe gelassen wird und sich zur Aufnahme einer weiteren Einrichtung bewegen kann, was es der Tastkopfhaltestruktur ermöglicht, die genannte weitere Einrichtung von der Baugruppe zu entfernen.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Baugruppe eine Hilfslinse zur Veränderung der Gesamtvergrößerung des Bilderzeugungssystems besitzt, wobei die Linse ein Präzisionsfadenkreuz umfasst, was auf der Baugruppe unterhalb der Hilfslinse angeordnet ist, so dass durch Betrachtung des Fadenkreuzes, nachdem die Hilfslinse durch das Tastkopfhaltesystem in Stellung gebracht wurde, sich das System zur Vergrößerung und Zentrierung der Linse selbst neu kalibrieren kann.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Tastkopf einen flexiblen angeordneten Arm umfast, der an einer Aufhängung an einem Ende des Armes gesichert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der Tastkopf (76) das andere Ende des flexiblen Armes umfasst, der die abbildbaren Merkmale (98, 114) aufnimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Aufbau an die Tastkopfhaltestruktur magnetisch gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Tastkopfhaltestruktur (86) flexibel und der Tastkopf (76) steif ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Bilderzeugungssystem getrennte Fokussierungselemente für jede der ersten und zweiten abbildbaren Merkmale umfasst.