DE20008721U1

DE20008721U1 - Optische Koordinatenmessvorrichtung

Info

Publication number: DE20008721U1
Application number: DE20008721U
Authority: DE
Original assignee: Werth Messtechnik GmbH
Current assignee: Werth Messtechnik GmbH
Priority date: 2000-05-16
Filing date: 2000-05-16
Publication date: 2000-08-17
Anticipated expiration: 2010-05-17

Description

tat

ii ··«

*&bgr;

Werth Messtechnik GmbH
Siemensstraße 19

35394 Gießen

Beschreibung Optische Koordinatenmessvorrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Koordinatenmessvorrichtung zum berührungslosen Vermessen von Werkstücken umfassend ein optisches System mit optischem Sensor wie CCD-Kamera sowie Beleuchtungseinrichtung, eine Steuerung zum relativen Verstellen des optischen Systems in X-, Y- und Z-Richtung zu dem Werkstück sowie eine optische Umlenkeinrichtung, die in optischer Achse des optischen Systems zum Vermessen des Werkstücks quer zur optischen Achse angeordnet ist.

Eine entsprechende optische Koordinatenmessvorrichtung bzw. optische Koordinatenmessmaschine ist der DE 195 14 692 C2 zu entnehmen. Um Werkstücke dreidimensional vermessen zu können, und zwar auch Bereiche quer zur Achse des optischen Systems, werden seitlich zum Werkstück Spiegel angeordnet, die fest von einem das Werkstück aufnehmenden Messtisch ausgehen. Hierdurch bedingt muss eine individuelle Ausrichtung der Spiegel in Abhängigkeit von der Größe des Werkstückes erfolgen. Bei sehr großen Werkstücken kann eine diesbezügliche Anordnung nicht gewählt werden, da ein Befestigen der Spiegel nicht möglich ist. Ferner sind entsprechend der auszumessenden Seiten des Werkstückes entsprechend viele Spiegel angeordnet werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optische Koordinatenmessvorrichtung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass mit konstruktiv einfachen

16. Mai 2000-40250B/zi

1 «ii. iV ·«-·* SC

Maßnahmen Werkstücke auch quer zur optischen Achse vermessbar sind, wobei Einschränkungen in Bezug auf Werkstückgrößen nicht erfolgen. Auch soll problemlos eine gewünschte Einstellung der optischen Umlenkeinrichtung möglich sein.

Zur Lösung des Problems wird erfindungsgemäß im Wesentlichen vorgeschlagen, dass die optische Umlenkeinrichtung integraler Bestandteil des optischen Systems ist.

Abweichend vom vorbekannten Stand der Technik wird die Umlenkeinrichtung wie Spiegel in das optische System integriert, so dass eine separate Anordnung der Umlenkeinrichtung auf einem Messtisch nicht erforderlich ist. Auch bedarf es nicht mehrere Umlenkeinrichtungen für verschiedene Seiten des Werkstückes selbst. Vielmehr wird beim Verfahren des optische Systems die eine diesem zugeordnete optische Umlenkeinrichtung stets benutzt. Folglich bildet das optische System mit der optischen Umlenkeinrichtung eine Einheit, die relativ zu dem Werkstück verstellbar ist.

Insbesondere ist vorgesehen, dass die optische Umlenkeinrichtung wie Spiegel in einem Gehäuse angeordnet ist, das austauschbar mit dem optischen System bzw. einem diesen aufnehmenden Gehäuse bzw. Abschnitt eines solchen verbunden ist. Dabei kann die optische Umlenkeinrichtung insbesondere über eine Wechselschnittstelle, vorzugsweise eine Magnetschnittstelle mit dem optischen Systems bzw. dessen Gehäuse verbunden sein.

Das die optische Umlenkeinrichtung aufnehmende Gehäuse weist insbesondere eine Quaderform auf, wobei Strahleintritts- und -austrittsöffnung über transparente Schutzelemente wie Schutzgläser abgedeckt sind, so dass die optische Umlenkeinrichtung weder verschmutzt werden noch ein unkontrolliertes Verstellen dieser erfolgen kann.

Insbesondere ist das die optische Umlenkeinrichtung aufnehmende Gehäuse mit einem Gehäuseabschnitt des optischen Systems verbunden, indem ein Strahlenteiler angeordnet ist, der einerseits vom Messstrahl durchsetzbar ist und über den andererseits Strahlung zum Beleuchten des Werkstückes eingespiegelt wird. Somit wird eine kompakte Messanordnung mit integrierter optischer Umlenkeinrichtung zur Verfügung gestellt, um Werkstücke im HeIl-

16. Mai 2000-40250B/2I

3
feldauflichtverfahren vermessen zu können.

In besonderes hervorzuhebender Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das optische System eine dem optischen Sensor vorgeschaltete Zoomoptik zum Verstellen des Arbeitsabstandes umfasst. Insbesondere enthält die Zoomoptik zumindest zwei axial jeweils separat motorisch verschiebbare Linsengruppen für Abbildungsmaßstab und Abstand zum Werkstück.

Die optische Umlenkeinrichtung beschreibt zur optischen Achse des optischen Systems einen Winkel &agr; mit &Ggr; < &agr; < 89°, insbesondere &agr; = 45°. Dabei kann der Spiegel der optischen Umlenkeinrichtung selbst auf einer Fläche eines Prismenkörpers wie Aluminiumklotz befestigt sein, der austauschbar in dem Gehäuse angeordnet ist. Zur individuellen und schnellen Verstellbarkeit der optischen Umlenkeinrichtung selbst kann diese mittels einer CNC-Steuerung verbunden sein.

Ferner kann die optische Umlenkeinrichtung um die optische Achse oder parallel zu dieser gedreht werden, wobei eine Drehung um einen Vollkreis möglich ist.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen - für sich und/oder in Kombination -, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispiels.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines Ausschnittes eines optischen Systems bestimmt

für eine optische Koordinatenmessmaschine,

Fig. 2 einen Schnitt durch eine Magnetkupplung,

Fig. 3 eine Unteransicht eines der Fig. 1 zu entnehmenden Gehäuses mit optischer

Umlenkeinrichtung und

16. Mai 2000-40250B/ZI

Fig. 4 eine Prinzipdarstellung des optischen Systems mit integrierter optischer

Umlenkeinrichtung.

In Fig. 1 ist im Ausschnitt ein Gehäuseabschnitt 10 eines optischen Systems einer Koordinatenmessmaschine dargestellt, um Werkstücke 66 sowohl in Richtung optischer Achse 12 des optischen Systems als auch schräg zu dieser vermessen zu können.

Die Koordinatenmessmaschine oder -vorrichtung ist dabei insbesondere CNC-gesteuert, wobei das optische System relativ zu dem Werkstück in X-, Y- und Z-Richtung verstellbar ist. Insoweit wird jedoch auf hinlängliche Techniken verwiesen, auf die nicht näher einzugehen

Das optische System selbst kann als optischen Sensor eine CCD-Kamera umfassen mit elektronischem Bildverarbeitungssystem, ohne dass es eines näheren Eingehens bedarf.

Der in Fig. 1 dargestellte Gehäuseabschnitt 10 des optischen Systems ist über eine Wechselschnittstelle - im Ausführungsbeispiel eine ringförmigen Magnetkupplung 14 - mit einem quaderförmigen Gehäuse 16 verbunden, in dem eine optische Umlenkeinrichtung 18 angeordnet ist. Die optische Umlenkeinrichtung 18 besteht aus einem Prismenblock wie Aluminiumklotz 20, auf dessen schräg zur optischen Achse 12 verlaufenden Fläche 22 ein Spiegel 24 befestigt wie geklebt ist, der im Ausführungsbeispiel zur optischen Achse 12 unter einem Winkel &agr; mit &agr; = 45° geneigt verläuft, so dass ein entlang der optischen Achse 12 verlaufender Strahl um 90° umgelenkt wird. Es besteht jedoch ohne Weiteres die Möglichkeit, den Neigungswinkel &agr; anders einzustellen. Bevorzugterweise kann dabei die optische Umlenkeinrichtung 18 CNC-gesteuert verstellt werden.

Ferner kann die optische Umlenkeinrichtung 18 um die optische Achse 12 um einen Winkel &ggr; gedreht werden, wobei insbesondere 0° < &ggr; < 360° beträgt.

Das quaderförmige Gehäuse 18 weist eine Strahleintrittsöffnung 26 und eine Strahlaustrittsöffnung 28 auf, die jeweils mit einem transpartenten Schutzelement wie Schutzglas 30, 32

16. Mai 2000-40250B/ZI

verschlossen sind. Hierdurch ist sichergestellt, dass einerseits die optische Umlenkeinrichtung 18 in ihrer optischen Fläche, also dem Spiegel 24 nicht verschmutzt werden kann und andererseits ein unkontrolliertes Verstellen dieses selbst nicht möglich ist.

Das Gehäuse 16 ist des Weiteren durch einen Bodendeckel 34 verschließbar, um auf einfache Weise die optische Umlenkeinrichtung 18 einzusetzen bzw. auszutauschen.

Wie die Unteransicht gemäß Fig. 3 verdeutlicht, weist das Gehäuse 18 im Schnitt eine Quadratform auf.

In dem Gehäuseabschnitt 10 ist ein Strahlteiler 36 angeordnet, der einerseits von dem Messstrahl durchsetzt wird, der über ein nicht dargestelltes mit dem Gehäuseabschnitt über einen Anschluss 38 verbindbares eine Zoomoptik umfassendes Objektiv zu dem optischen Sensor wie CCD-Kamera mit Matrixsensor gelangt. Dabei umfasst die Zoomoptik zumindest zwei separat und entlang der optischen Achse 12 verstellbare Linsengruppen, um einerseits den Abbildungsmaßstab und andererseits den Abstand zum Gegenstand 66 einstellen zu können.

Über den Strahlenteiler 36 selbst wird das zum Beleuchten des Werkstücks 66 erforderliche Licht in die optische Achse 12 umgelenkt. Das Licht wird dabei zum Beispiel über einen mit Gehäuseabschnitt verbindbaren Lichtleiter eingespiegelt. Hierzu weist der Gehäuseabschnitt 10 einen seitlich abragenden Abschnitt 40 zur Aufnahme des Lichtleiters auf. Insoweit wird jedoch ebenfalls auf hinlängliche Techniken verwiesen. Ferner ist der Gehäuseabschnitt 10 lichtaustrittsseitig ebenfalls über ein transparentes Schutzelement wie Schutzglas 42 abgeschlossen.

Wie die Schnittdarstellung der Magnetkupplung 14 verdeutlicht, weist diese konzentrisch zu ihrem Mittelpunkt 44 angeordnete Magneten 46, 48, 50 auf, um somit das Gehäuse 16 mit dem Gehäuseabschnitt 10 sicher zu verbinden. Ferner verlaufen kugelförmige Erhebungen 52, 54, 56 entlang eines Kreises 58, die in entsprechenden Aufnahmen 60 der zugewandten Fläche des Gehäuseabschnitts 10 einrasten, wodurch eine eindeutige Positionierung sichergestellt ist. Durch diese Maßnahme besteht auch die Möglichkeit, das Gehäuse 18 um die

16. Mai 2000-40250B/ZI

• »

optische Achse 12 in diskreten Schritten zu verstellen. Unabhängig hiervon kann erwähntermaßen die optische Umlenkeinrichtung 18 stufenlos einen gewünschten Neigungswinkel &agr; zur optischen Achse 12 einnehmen, wobei insbesondere eine CNC-Steuerung zum Einsatz gelangen kann.

Der Fig. 4 ist eine Prinzipdarstellung des optischen Systems mit integrierter optischer Umlenkeinrichtung zu entnehmen. Dabei ist ein eine CCD-Kamera 62 sowie ein Objektiv 64 umfassendes optisches System mit der als Winkelvorsatz zu bezeichnenden optischen Umlenkeinrichtung 18 vorzugsweise über eine Magnetschnittstelle verbindbar. Optisches System 62, 64 und optische Umlenkeinrichtung 18 bilden eine Einheit, mit der unter anderem Seitenflächen des Werktstückes 66 vermessen werden können.

16. Mai 2000-40250B/ZI

Claims

1. Optische Koordinatenmessvorrichtung zum berührungslosen Vermessen von Werkstücken umfassend ein optisches System mit optischem Sensor wie CCD-Kamera sowie Beleuchtungseinrichtung, eine Steuerung zum relativen Verstellen des optischen Systems in X-, Y- und Z-Richtung zu dem Werkstück sowie eine optische Umlenkeinrichtung, die in optischer Achse des optischen Systems zum Vermessen des Werkstücks quer zur optischen Achse angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Umlenkeinrichtung (18) integraler Bestandteil des optischen Systems ist.

2. Koordinatenmessvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Umlenkeinrichtung (18) wie Spiegel (24) in einem Gehäuse (16) angeordnet ist, das mit dem optischen System bzw. einem Gehäuseabschnitt (10) dieses verbunden ist.

3. Koordinatenmessvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das die optische Umlenkeinrichtung (18) aufnehmende Gehäuse (16) über eine Wechselschnittstelle, insbesondere eine Magnetschnittstelle (14) mit dem optischen System bzw. dessen Gehäuse bzw. einem Abschnitt dieses verbunden ist.

4. Koordinatenmessgerät nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Umlenkeinrichtung (18) um eine Achse, insbesondere um die optische Achse (12), um einen Winkel γ drehbar angeordnet ist, wobei vorzugsweise 0° ≤ γ ≤ 360° ist.

5. Koordinatenmessgerät nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das die optische Umlenkeinrichtung (18) aufnehmende Gehäuse (16) eine Strahleintrittsöffnung (26) und eine Strahlaustrittsöffnung (28) aufweist, die jeweils über ein transparentes Schutzelement wie Schutzglas (30, 32) abgedeckt sind.

6. Koordinatenmessgerät nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das die optische Umlenkeinrichtung (18) aufnehmende Gehäuse (16) mit einem Gehäuseabschnitt (10) des optischen Systems verbunden ist, in dem ein Strahlteiler (36) angeordnet ist, der einerseits vom Messstrahl durchsetzbar ist und über den andererseits Strahlung zum Beleuchten des Werkstücks einspiegelbar ist.

7. Koordinatenmessgerät nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem optischen Sensor (62) wie CCD-Kamera des optischen Systems vorgeschaltetes Objektiv (64) eine Zoomoptik zum Verstellen des Arbeitsabstandes zum Werkstück (66) umfasst.

8. Koordinatenmessgerät nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zoomoptik zumindest zwei axial jeweils separat motorische verschiebbare Linsengruppe für Abbildungsmaßstab und -abstand zum Werkstück enthält.

9. Koordinatenmessgerät nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Umlenkeinrichtung (18) wie Spiegel (24) zur optischen Achse (12) des optischen Systems um einen Winkel α mit 1° ≤ α ≤ 89°, insbesondere α = 45° geneigt ist.

10. Koordinatenmessgerät nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegel (24) auf einer Fläche eines Prismenkörpers (20) wie Aluminiumklotz befestigt wie geklebt ist.

11. Koordinatenmessgerät nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Umlenkeinrichtung (18) austauschbar in dem Gehäuse (16) angeordnet ist.

12. Koordinatenmessgerät nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Umlenkeinrichtung (18) mittels einer CNC-Steuerung verstellbar ausgebildet ist.