Koordinatenmesstechnik als Schlüssel- technologie der - PTB

392 • Themenschwerpunkt PTB-Mitteilungen 117 (2007), Heft 4
Bild 5:
Erprobte Ausführungen
der Zielmarke für den
taktil-optischen 3D-Taster
(Durchmesser der Faser
im Bereich des Tasterschaftes:
250 µm)
Um eine geeignete Zielmarke am Tasterschaft zu
realisieren, wurden verschiedene Ausführungen
untersucht (Bild 5). Im Einzelnen waren dies:
• eine seitlich an den Tasterschaft geklebte
Kugel (wie schon in [2] vorgeschlagen),
• eine kugelförmige Verdickung im Taster-
schaft, der so genannte Zweikugeltaster,
• ein Übergang des Tasterschaftdurchmessers,
• eine Dünnstelle im Tasterschaft,
• ein kurzes Stück Kapillare, das über die Faser
gestülpt und verklebt wird.
Die besten Eigenschaften zeigte die seitlich angeklebte
Kugel. Sie lässt sich als einzige Marke
durch eine Best-Fit Einpassung eines Kreises
mit Hilfe der Bildverarbeitung lokalisieren. Alle
anderen Zielmarken erfordern die Verwendung
eines Korrelators, der das Bild der Zielmarke mit
einem zuvor aufgenommenen Referenzbild bei
nicht ausgelenktem Taster vergleicht. Darüber
hinaus lassen sich mit dieser Zielmarke am leichtesten
scharf abgebildete horizontale Kanten im
Bild erreichen, wodurch die Lokalisierung der
Zielmarke in z-Richtung ermöglicht wird.
3.2 3D-Messanordnungen mit Ringauswertung
Die Verwendung einer 2. Kamera in der zuvor
beschriebenen Anordnung bedingt einen erhöhten
apparativen Aufwand und eine gesteigerte
Bild 6:
Antastelement mit metallbeschichteter
Halbkugel.
Links: Realisierung,
Rechts: von der Kamera
aufgenommene Tasterbilder
im Eigenleuchtmodus
bei unterschiedlichen
Fokuszuständen
Kollisionsgefahr mit dem Werkstück. Es wurde
daher nach Anordnungen gesucht, die 3D-Informationen
ohne eine 2. Kamera liefern.
Die Grundidee der 3D-Messung mit Ringauswertung
besteht darin, aus der Größe des Tastelementes
oder einer Zielmarke im Bild der
1. Kamera auf die z-Position des Antastelementes
bzw. der Zielmarke zu schließen. Bei der bisherigen
Anordnung ändert sich diese Größe aber
bei einer z-Auslenkung des Tasters praktisch
nicht, weil die 1. Kamera eine telezentrische Optik
verwendet. Diese ist die Voraussetzung für
eine genaue Messung in x- und y-Richtung.
Wird dagegen ein Antastelement mit spiegelnd
beschichteter Unterseite verwendet, ist im
Eigenleuchtmodus ein leuchtender Ring sichtbar
(Bild 6). Zusätzlich wirkt die beschichtete Unterseite
des kugelförmigen Antastelement wie ein
Hohlspiegel, weshalb sich die Größe des Bildes
des Antastelementes in Abhängigkeit von
der z-Verformung des Tasters deutlich ändert
(Bild 7). Ein 3D-Taster ergibt sich somit, indem
die x- und y-Position aus der Position des Ringes
im Kamerabild sowie den Positionen der Achsen
des KMGs und die z-Position aus dem Ringdurchmesser
(Tasterauslenkung) sowie den
Positionen der Achsen des KMGs (Position der
Tasterhalterung) bestimmt wird. Die 3D-Anordnung
mit Ringauswertung benötigt somit außer
dem speziell beschichteten Taster keine zusätzliche
Hardware. Zudem ist die Bestimmung des
Ringdurchmessers in der Standard-Auswertesoftware
optischer KMGs enthalten.
Die Unterseite des nur ca. 100 µm großen
Antastelementes (Bild 6) wurde im wissenschaftlichen
Gerätebau der PTB verspiegelt. Dabei
kamen Beschichtungsverfahren zum Einsatz
(Sputtern), die aus der Mikrotechnik stammen.
Besondere Anforderungen ergaben sich aus der
Notwendigkeit einer gut reflektierenden und bei
mechanischen Antastungen haltbaren Schicht sowie
geringen Formabweichungen des Antastelementes
durch ein kantenfreies Schichtende. Das
Antastelement befand sich daher während des
Sputterns innerhalb einer speziellen Blende.