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1. WO2016092053 - PROCÉDÉ ET DISPOSITIF DE MESURE DE CARACTÉRISTIQUES SUR DES PIÈCES

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[ DE ]

Verfahren und Vorrichtung zur Messung von Merkmalen an Werkstücken

Ein Gegenstand der Anmeldung ist eine Erfindung, die sich auf ein Verfahren zur Messung von geometrischen Merkmalen bzw. Strukturen an verschiedenen Abschnitten eines oder mehrerer Bereiche eines Werkstücks bezieht.

Auch ist ein Gegenstand der Anmeldung eine Erfindung, die eine Vorrichtung zur Bestimmung von geometrischen Merkmalen und/oder Strukturen betrifft.

Für die dimensioneile Messung komplexer Geometrien werden verschieden taktile, taktil-optische, optische oder computertomografische Sensoren verwendet. Bevorzugt werden diese in Koordinatenmessgeräten (KMGs) betrieben, teilweise auch mehrere Sensoren kombiniert in einem Gerät (Multisensor-KMG).

Insbesondere für die Messung von sogenannten Mikromerkmalen, also Merkmalen wie Löcher, Vertiefungen, Spalte usw. mit Abmessungen in zumindest einer Richtung, beispielsweise Lochdurchmesser oder Spaltbreite, von deutlich unterhalb einem Millimeter, werden Sensoren mit entsprechend kleinen Antastformelementen wie Kugeln, Scheiben, Spitzen usw. benötigt. Eine besondere Herausforderung besteht dann, wenn sehr

weit in das Werkstück eingetaucht werden muss, die zu messenden Abschnitte sich im jeweils untersuchten Bereich bzw. Merkmal also bis weit unterhalb der direkt zugängigen Oberfläche vorliegen.

Typische Vertreter solcher Mikromerkmale sind die Spritzlöcher an Einspritzdüsen, insbesondere Diesel-Einspritzdüsen für PKWs und LKWs oder an Benzin-Einspritzdüsen für PKWs. Die Herstellung der Spritzlöcher erfolgt zumeist mittels Electrical Discharging Machining (EDM), wie beispielsweise in der DE10360080A1 der Firma Bosch beschrieben, oder Laserbearbeitung wie Laserbohren. Anschließend erfolgt auch ein Härten, wie der EP2753821A1 der Firma Bosch zu entnehmen. Der Einlaufradius, also der Übergang zwischen Innenraum der Einspritzdüse (folgend auch als Kanal bezeichnet) und Spritzloch wird oft verrundet, beispielsweise mittels Schleifpaste, wodurch die Formabweichungen der Spritzlöcher verringert werden, oder hydro-erosives Verrunden, wie der WO2004004973A1 der Firma Siemens zu entnehmen ist.

Insbesondere die Spritzlöcher von Diesel-Einspritzdüsen sind nach innen hin konisch, also in ihrem Durchmesser zunehmend aufgebaut. Zur Beschreibung des Kegelwinkels wird der sogenannte Konizitätsfaktor (K-Faktor) verwendet, der meist in der Maßeinheit Anstieg des Durchmessers in 10 μιη Schritten je 1 mm Länge. K=l bedeutet demnach, dass der Radius nach innen hin je einem Millimeter Tiefe um 10 μιη ansteigt. Typische Einspritzdüsen besitzen einen K-Faktor im Bereich von 0 bis 7, zum Beispiel K=5. Abweichende Definitionen, die sich beispielsweise auf den Einlass- und den Auslass-Durchmesser des Spritzlochs beziehen, finden sich ebenso in der Literatur. Für Benzin-Einspritzdüsen kann ebenfalls ein K-Faktor angegeben werden, meist jedoch wird der Kegelwinkel bzw. halbe Kegelwinkel angegeben, da die Länge meist weniger als 1 mm beträgt und der K-Faktor unpraktisch ist. Benzin-Einspritzdüsen besitzen zumeist einen nach außen zunehmenden Durchmesser mit Kegelwinkeln von 3° bis 10°, typisch 5° und meist im Außenbereich eine Senkung zur Sprühstrahlaufweitung. Aufgrund der kurzen Länge der Spritzlöcher, also kurzen Kegelachse ist besonders hohe Messgenauigkeit bei der Bestimmung des Kegelwinkels von Nöten.

An den Einspritzlöchern müssen Messpunkte an vertikalen Zylinderflächen oder nahezu vertikalen oder sogar überhängenden, also konischen Flächen aufgenommen werden und daraus Durchmesser, Formabweichung bzw. Rauheit bestimmt werden. Aufgrund des

geringen Durchmessers der Spritzlöcher im Bereich von ca. 90 μιη (Diesel-Einspritzdüsen für PKWs) bzw. ca. 250 μιη (Diesel-Einspritzdüsen für LKWs) bzw. ca. 100 μιη bis 200 μιη (Benzin-Einspritzdüsen für PKWs) und den geringen Toleranzen im Bereich von ca. 5 μιη bis 20 μιη für den Durchmesser in verschiedenen Tiefen, wobei die maximalen Tiefen sich erstrecken bis ca. 0,7 mm oder auch bis 1,2 mm (Diesel-Einspritzdüsen für PKWs) bzw. bis ca. 1,4 mm oder auch bis 1,5 mm (Diesel-Einspritzdüsen für LKWs) bzw. bis ca. 0,2 mm oder auch bis ca. 0,4 mm (Benzin-Einspritzdüsen für PKWs), ist dies mit der erforderlichen Genauigkeit momentan nur durch mechanisches Antasten möglich, wobei nur besonders kleine Auslenkungen zur Vermeidung von Schaftantastungen zulässig sind. Dafür geeignete Sensoren weisen daher ein an einem Tasterschaft befindliches Antastformelement (zusammen auch Tasterverlängerung genannt) auf, das zum Aufnehmen von Messpunkten mit dem zu messenden Abschnitt des Werkstücks in Kontakt gebracht und ausgelenkt wird. Die Bestimmung der Auslenkung erfolgt entweder rein taktil, also durch Übertragung der Auslenkung über einen biegesteifen Tasterschaft zu einer oberhalb des Tasterschaftes liegenden Sensoreinheit (Auswertebaugruppe) oder optisch, insbesondere mittels eines Bildverarbeitungssensors, der das Antastformelement oder eine diesem zugeordnete am Tasterschaft befindlichen Zielmarke erfasst. Erstgenannte taktile Sensoren sind dem Fachmann hinlänglich bekannt. Die zweitgenannten taktil-optischen Sensoren sind unter anderem in folgenden Schriften der Anmelderin beschrieben.

Die EP0988505 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung, bei der von einer Tasterverlängerung über einen biegeelastischen Schaft ein Tastelement (erste Zielmarke) und gegebenenfalls eine weitere Zielmarke ausgehen, deren Koordinaten bei Auslenkung mittels eines optischen Sensors bestimmt werden.

Der EP 1 071 921 ist ein ähnlicher Sensor zu entnehmen, bei dem die Antastkraft über die Steifigkeit des biegeelastischen Schafts angepasst wird, indem ausschließlich die Biegelänge 1 variiert wird.

In der EP 1 082 581 wird für einen entsprechenden Sensor eine optomechanische Schnittstelle mit einer Justiervorrichtung beschrieben.

Die DE 198 24 107 beschreibt die Verwendung eines entsprechenden Sensors für ein Tastschnittverfahren.

In der DE 10 2004 022 314 wird ein entsprechender Sensor an einem Dreh- oder Schwenk-Gelenk betrieben.

Die PCT/EP01/10826 beschreibt unter anderem die Beschichtung des Tastelementes bzw. der Tasterverlängerung auf der dem Sensor abgewandten Seite, um eine leuchtende Marke im Inneren des Tastelementes durch Bündelung der an der Beschichtung reflektierten Strahlung, die in das Innere des Schaftes des Tastelementes bzw. der Tasterverlängerung eingebracht wird, zu erzeugen, deren Lage gemessen wird, und eine dem Antastelement zugeordnete Marke, die durch einen abgedunkelten Bereich des leuchtenden Schaftes des Tastelementes gebildet wird.

Die DE 10 2010 060 833 beschreibt einen taktil-optischen Sensor, bei dem neben der Bestimmung der Position eines Antastformelementes oder zumindest einer diesem zugeordneten Zielmarke in X- und/oder Y-Richtung des Koordinatenmessgeräts mit einem ersten Sensor wie Bildverarbeitungssensor auch eine Bestimmung in der Z-Richtung mit einem zweiten Sensor wie Abstandsensor erfolgt, wobei zur Befestigung des Antastformelementes und der Zielmarken in einer Halterung zumindest ein flexibles Verbindungselement verwendet wird, das vom Strahlengang des ersten Sensors in Strahlrichtung durchdrungen wird, wobei das zumindest eine flexible Verbindungselement transparent ist und/oder in Bezug auf den ersten Sensor stark defokussiert angeordnet wird. Als in Z-Richtung (vertikal verlaufende Richtung) die Auslenkung des Antastformelementes oder zumindest einer diesem zugeordneten Zielmarke erfassender Abstandsensor wird auch beispielsweise ein Interferometer, insbesondere ein absolut messendes Heterodyninterferometer vorgeschlagen.

Auf den Offenbarungsgehalt aller zuvor genannten Schriften der Anmelderin wird vollständig Bezug genommen.

Bei der Verwendung entsprechender taktiler oder taktil-optischer Sensoren besteht jedoch eine Einschränkung dahin gehend, dass eine Berührung des Werkstücks lediglich durch das Antastformelement zulässig ist, wenn genau gemessen werden soll. Insbesondere der

Tasterschaft, der zwangsläufig auch ins Werkstück eintaucht, darf dieses also bei Auslenkung des Antastformelementes nicht berühren (Schaftantastung). Dies ist besonders dann kritisch, wenn tief ins Werkstück eingetaucht werden muss, der Durchmesser der Öffnung klein und damit der Tasterschaft aufgrund seines geringen Durchmessers meist zwangsläufig biegeelastisch ist und nur kleine Auslenkungen zulässig sind, insbesondere wenn der Neigungswinkel der anzutastenden Flächen in Bezug auf die Mittelachse der Öffnung unterschiedlich sind.

Grundlegende Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die entsprechenden Sensoren für die dimensioneile Messung bzw. Rauheitsmessung an Mikromerkmalen so zu dimensionieren, insbesondere Abmessungen des Antastformelementes, des Tasterschaftes und gegebenenfalls der Zielmarke auszuwählen, und im Rahmen eines Messablaufen so einzusetzen, dass ohne Schaftantastung in einem oder mehreren verschiedenen Bereichen (z. B. Spritzlöcher) des Werkstücks (z. B. Einspritzdüse) Messpunkte in mehreren Abschnitten (Mantellinien oder Umfangslinien oder anders geartete Messlinien oder einzelne Messpunkte innerhalb des Spritzlochs) aufgenommen werden, wobei die unterschiedlichen Abschnitte insbesondere unterschiedliche Neigungswinkel in Bezug auf die Mittelachse der Öffnung und damit auf den Tasterschaft aufweisen können (Diesel-Einspritzdüsen), jedoch nicht müssen (Benzin-Einspritzdüsen).

Definitionsgemäß ist ein Bereich also ein Teil des Werkstücks, der sich entfernt von weiteren Bereichen befindet, wobei in die verschiedenen Bereiche nur separat eingetaucht werden kann und wobei ein Bereich mehrere Abschnitte enthalten kann. Ein Abschnitt dagegen ist ein Teil eines Bereiches, in dem Messpunkte aufgenommen werden sollen. Die Messpunkte aus einem oder mehreren Abschnitten eines Bereiches werden verknüpft, um die geometrischen Merkmalen bzw. Strukturen zu bestimmen. Bei den geometrischen Merkmalen bzw. Strukturen handelt es sich um Kreise, Zylinder, Kegel oder andere Geometrieelemente und den diesen zugeordneten Dimensionen wie Durchmesser, Länge, Winkel oder anderen Eigenschaften wie Formabweichung oder Rauheit.

Die Erfindung bezieht sich u.a. auf ein Verfahren zur Bestimmung von geometrischen Merkmalen und/oder Strukturen an einem Werkstück durch Bestimmung von Messpunkten an verschiedenen Abschnitten eines oder mehrerer Bereiche des Werkstücks in Form von zumindest einer Öffnung, einer Vertiefung oder eines Absatzes mittels zumindest eines ersten Sensors, wobei der erste Sensor zumindest eine Tasterverlängerung aufweist, die einen Tasterschaft umfasst, von dem ein Antastformelement und vorzugsweise eine dem Antastformelement zugeordnete Zielmarke ausgehen, wobei bei Berührung des Antastformelementes mit dem Werkstück die Auslenkung des Antastformelementes oder der Zielmarke erfasst wird, wobei zum Erreichen des jeweils zu messenden Abschnitts, das Antastformelement des ersten Sensors in einen Bereich, wie insbesondere der Öffnung oder Vertiefung, der dem ersten Sensor zugewandten Oberfläche des Werkstücks eintaucht oder entlang diesem verstellt wird.

Zumindest Aspekte der Aufgaben werden im Wesentlichen durch ein Verfahren gelöst, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass jeweils vor der Messung der Abschnitte des oder der Bereiche oder jeweils vor der Messung eines Abschnitts des oder der Bereiche eine mechanische Ausrichtung zwischen erstem Sensor und dem Werkstück in einem Umfang erfolgt, dass eine Berührung des Tasterschafts mit dem Werkstück während der Bestimmung der geometrischen Merkmale und/oder Strukturen unterbleibt.

Mechanisches Ausrichten bedeutet dabei, dass Sensor und Werkstück zueinander positioniert werden, in translatorischen (x-, y- und z-Richtung) wie auch rotatorischen (Drehen und Schwenken) Richtungen. Das mechanische Ausrichten dient hier der exakten Positionierung, damit der Tasterschaft in die enge Öffnung des Werkstücks kollisionsfrei eintauchen kann, um anschließend einen oder mehrere Abschnitte des Bereiches zu messen. Voraussetzung hierfür ist es, dass die genaue Lage des Bereiches im Raum bekannt ist. Das mechanische Ausrichten umfasst daher immer auch einen messtechnischen Schritt zur Bestimmung genannter Lage des Bereiches. Auf der Basis dieser Bestimmung erfolgt dann die exakte Positionierung. Ein der Bestimmung der Lage des Bereiches vorgelagerter Schritt kann auch eine sogenannte mechanische Grobausrichtung auf den jeweiligen Bereich umfassen. Dies bedeutet, dass zur messtechnischen Erfassung der Lage des Bereiches dieser zunächst durch Positionieren grob zum Sensor angeordnet werden muss. Diese Positionierung erfordert jedoch zumindest eine grobe Kenntnis der Lage des Bereiches. Diese Kenntnisse gehen aus den Solldaten wie Zeichnungsdaten, z. B. CAD-Daten und der Erfassung bzw. Messung leicht zugänglicher Merkmale an der Außenseite des Werkstücks hervor, nicht also aus der Messung des Bereiches selbst. Als Ergebnis der Grobausrichtung ist der jeweilige Bereich zum Sensor so angeordnet, dass die exakte Erfassung der Lage des Bereiches erfolgen kann. Bei leicht erreichbaren Offnungen, insbesondere mit nach außen zunehmendem Durchmesser ist die mechanische Grobausrichtung ohne die anschließende Erfassung der Lage des Bereiches ausreichend, um direkt mit der Messung der Abschnitte des jeweiligen Bereichs zu beginnen. Die mechanische Grobausrichtung stellt in diesem Fall also die erfindungsgemäße mechanische Ausrichtung dar. Bei schwerer erreichbaren Öffnungen, insbesondere mit nach innen zunehmendem Durchmesser erfolgt nach der Grobausrichtung die Erfassung der Lage der Öffnung und anschließend erfolgen der Positionierschritt zur mechanischen (Fein-) Ausrichtung und dann erst die eigentliche Messung der Abschnitte des Bereiches. Zur Messung des jeweiligen Abschnittes muss in das Werkstück, also die Werkstückoberfläche eingetaucht werden. Die dabei vorliegende Eintauchtiefe bezeichnet den senkrecht zur die Öffnung umgebenden Werkstückoberfläche vorliegenden Abstand zwischen Werkstückoberfläche und Berührungspunkt von gemessenem Werkstückabschnitt mit dem Antastformelement. Bei kugelförmigem Antastformelement und senkrechter Antastung ist dies angenähert der Abstand zwischen Oberfläche und Kugelmitte der Antastkugel.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sieht die Erfindung vor, dass der Durchmesser des Antastformelementes kleiner als der kleinste Durchmesser der Öffnung entlang seiner Tiefe ausgewählt wird und dass der Durchmesser des Antastformelementes zusätzlich abhängig von der durch die Abschnitte definierten maximalen Eintauchtiefe und abhängig davon, ob der Durchmesser der Öffnung in Richtung auf das Werkstückinnere zu, also nach innen hin, zunimmt oder abnimmt, ausgewählt wird, wobei

bei einer maximalen Eintauchtiefe von 0,6 mm bis 1,3 mm und nach innen hin zunehmendem Durchmesser der Öffnung für den Durchmesser des Antastformelementes 20 μιη bis 90 μιη, bevorzugt 70 μιη ausgewählt werden und

bei einer maximalen Eintauchtiefe von 1,3 mm bis 1,6 mm und nach innen hin zunehmendem Durchmesser der Öffnung für den Durchmesser des Antastformelementes 90 μιη bis 200 μιη, bevorzugt 150 μιη bis 200 μιη ausgewählt werden und

bei einer maximalen Eintauchtiefe von 0,2 mm bis 0,4 mm und nach innen hin abnehmendem Durchmesser der Öffnung für den Durchmesser des Antastformelementes 90 μιη bis 200 μιη, bevorzugt 90 μιη bis 150 μιη ausgewählt werden.

Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Bereiche zylindrische oder konische, insbesondere kegelförmige Öffnungen sind, die vorzugsweise im Inneren des Werkstücks in einen Kanal münden, insbesondere die Bereiche Spritzlöcher einer Benzin- oder Diesel-Einspritzdüse sind.

Die Spritzlöcher sind dabei insbesondere auf gleicher Höhe, also gleicher Position entlang der Mittelachse der Einspritzdüse über den Umfang gleichmäßig verteilt. Hierdurch kann von Bereich zu Bereich die Grobausrichtung durch eine reine Drehbewegung erfolgen. Die Anzahl der Spritzlöcher kann eine gerade oder ungerade Zahl sein. Typische Einspritzdüsen enthalten 5 (PKW) bis 14 (Schiffsdiesel) Spitzlöcher. Die Spritzlöcher weisen zumeist einen Winkel (Höhenwinkel) von ungleich 90° zur Mittelachse auf. Zur Grobausrichtung auf den Höhenwinkel ist das Schwenken des Werkstücks vorgesehen.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass Abschnitte an mehreren am Umfang des Werkstücks verteilten Bereichen gemessen werden, wobei Werkstück und zumindest der erste Sensor je Bereich, vorzugsweise je Abschnitt jedes Bereiches, vor der Messung mittels einer Dreh-Schwenk-Einrichtung zueinander mechanisch ausgerichtet werden.

Insbesondere bei nach innen im Durchmesser ansteigender Kegelgeometrie, beispielsweise der Spritzlöcher von Diesel-Einspritzdüsen kann nur auf nahezu eine einzige Kegelmantellinie, also auf den Kegelmantel projizierter Mittelachse des Kegels, ausgerichtet werden, ohne dass bei den vorliegenden engen Öffnungen Schaftantastung auftritt. Dies erfordert insbesondere ein mechanisches Ausrichten der rotatorischen Richtungen vor dem Eintauchen. Aber auch bei anderen engen, im Durchmesser nach außen zunehmenden oder zylindrischen Öffnungen ist dieses Vorgehensweise sinnvoll, da jedes Drehen oder Schwenken auch eine translatorische Verschiebung nach sich zieht, die im eingetauchten Zustand während des Rotierens kompensiert werden müsste, um Kollisionen zu vermeiden.

Erfindungsgemäß kann somit vorgesehen sein, dass Bereiche in Richtung auf das Werkstückinnere zu, also nach innen hin, größer werdenden Durchmesser aufweisen, vorzugsweise mit Konizitätsfaktor (K-Faktor) von größer als 1 bis maximal 7, beispielsweise 5, und vorzugsweise Bereiche Spritzlöcher einer Diesel-Einspritzdüse sind, und wobei mehrere Abschnitte an jedem Bereich gemessen werden, wobei sich jeder Abschnitte entlang einer Kegelmantellinie erstreckt, und wobei je Abschnitt eine mechanische Ausrichtung erfolgt.

Nach einer besonders bevorzugten Lösung sieht die Erfindung also vor, dass vor der Messung des jeweils nächsten Abschnitts einer Öffnung folgende Schritte chronologisch in der folgenden Reihenfolge ausgeführt werden:

Herauspositionieren des Antastformelementes aus der Öffnung mittels Linearachsen, vorzugsweise die drei Raumrichtungen abdeckende Messachsen eines Koordinatenmessgerätes

rotatorische mechanische Ausrichtung mittels Dreh-Schwenk-Einrichtung auf den nächsten Abschnitt

transversale mechanische Ausrichtung senkrecht zur Mittelachse der Öffnung, vorzugsweise in die Mittelachse

- transversale mechanische Ausrichtung auf den zu messenden Abschnitt durch

Eintauchen in die Öffnung durch Positionieren mittels Linearachsen, vorzugsweise zuerst in Richtung der Mittelachse und anschließend senkrecht zur Mittelachse in Richtung des zu messenden Abschnitts.

Bevorzugt ist auch, dass jeder zu messende Abschnitt sich über den überwiegenden Teil der Tiefe des jeweiligen Bereiches erstreckt, zumindest jedoch in einem Tiefenbereich 0 mm bis 0,1 mm unterhalb der Werkstückoberfläche beginnend und 0 mm bis 0,1 mm oberhalb der maximalen Tiefe endend, wobei

die maximale Tiefe des Bereichs 0,7 mm bis 1,2 mm beträgt, bei einem mittleren Durchmesser des Bereichs von 80 μιη bis 100 μιη, bevorzugt 90 μιη, bzw.

die maximale Tiefe des Bereichs 1,2 mm bis 1,5 mm beträgt, bei einem mittleren Durchmesser des Bereichs von 100 μιη bis 250 μιη.

Im Gegensatz zu Spritzlöchern von Diesel-Einspritzdüsen existieren auch Öffnungen mit nach innen zunehmendem, bzw. nach außen abnehmendem Durchmesser, wobei alle denkbaren Abschnitte mit einer mechanischen Ausrichtung ohne Schaftantastung erreichbar sind. Die Abschnitte können deshalb auch abweichend von Mantellinien entlang des Umfangs oder beliebig entlang des Kegelmantels oder Zylindermantels des Bereiches bzw. der Öffnung verlaufen. Das mechanische Ausrichten auf den nächsten Bereich umfasst zumeist auch lediglich ein Drehen.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sieht die Erfindung vor, dass Bereiche in Richtung auf das Werkstückinnere zu, also nach innen hin, kleiner werdenden

Durchmesser aufweisen, vorzugsweise mit Kegelwinkel von 3° bis 7°, bevorzugt 5°, und vorzugsweise Bereiche Spritzlöcher einer Benzin-Einspritzdüse sind, und wobei mehrere Abschnitte an jedem Bereich gemessen werden, wobei sich jeder Abschnitte entlang einer Kegelmantellinie oder entlang des Kegelumfangs oder beliebig entlang des Kegelmantels erstreckt, und wobei für alle Abschnitte eines Bereiches eine einmalige mechanische Ausrichtung erfolgt.

Besonders hervorzuheben ist der Gedanke, dass zwischen den Messungen der mehreren Abschnitte des jeweiligen Bereiches ein Herauspositionieren des Antastformelementes aus der Öffnung und eine rotatorische mechanische Ausrichtung unterbleiben und eine Positionierung in Richtung des nächsten zu messenden Abschnitts erfolgt.

Kennzeichnend kann daher auch sein, dass zu messende Abschnitte einen überwiegenden Teil der Tiefe des jeweiligen Bereiches überdecken, zumindest jedoch den Tiefenbereich 0 mm bis 0,1 mm unterhalb der Werkstückoberfläche oder unterhalb einer an der Werkstückoberfläche vorhandenen Senkung beginnend und 0 mm bis 0,1 mm oberhalb der maximalen Tiefe endend, wobei die maximale Tiefe des Bereichs 0,2 mm bis 0,4 mm beträgt, bei einem mittleren Durchmesser des Bereichs von 100 μιη bis 200 μιη.

Insbesondere an den Spritzlöchern von Einspritzdüsen ist der Verlauf des Durchmessers über die Tiefe, der Kegelwinkel (bzw. K-Faktor), die Rauheit innerhalb der Öffnung und Formabweichungen am Umfang oder entlang der Mantellinien zu bestimmen. Hierzu werden mehrere Messpunkte als Einzelpunkte oder durch Scannung innerhalb der Abschnitte aufgenommen.

Nach einer besonders bevorzugten Lösung sieht die Erfindung vor, dass je Abschnitt mehrere Messpunkte durch mehrfache Einzelpunktantastung oder Scanning aufgenommen werden und aus den Messpunkten der mehreren Abschnitte eines Bereiches zumindest eines der geometrischen Merkmalen bzw. Strukturen berechnet werden:

Durchmesser in einer oder mehreren Tiefen, berechnet aus mindestens 3, bevorzugt 4, Messpunkten am Umfang je Tiefe, bevorzugt entnommen aus mehreren Scannings entlang Mantellinien, oder berechnet aus Scanning entlang Umfang

- Formabweichung der Messpunkte am Umfang je Tiefe in Bezug auf den aus den Messpunkten je Tiefe berechneten Ausgleichskreis oder in Bezug auf den aus Messpunkten am Umfang in verschiedenen Tiefen berechneten Ausgleichskegel oder Ausgleichszylinder

K-Faktor oder Kegelwinkel des Ausgleichskegels berechnet aus Messpunkten, aufgenommen am Umfang in verschiedenen Tiefen

Formabweichung und/oder Rauheit aus Messpunkten am Umfang bei konstanter Tiefe, bevorzugt aus Scanning entlang Umfang

Formabweichung und/oder Rauheit entlang jeweils entlang einer Mantellinie verlaufender Abschnitte, vorzugsweise durch Scanning aufgenommen.

Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass zumindest der erste Sensor und das Werkstück relativ zueinander mittels Dreh-Schwenk-Einrichtung rotatorisch mechanisch ausgerichtet und mittels Linearachsen, vorzugsweise die drei Raumrichtungen abdeckende Messachsen eines Koordinatenmessgerätes, transversal mechanisch ausgerichtet werden, vorzugsweise Werkstück mittels Dreh-Schwenk-Einrichtung und zumindest einer Linearachse und Sensor mittels zumindest zweier Linearachsen positioniert wird, so dass die von der Oberfläche des jeweiligen Abschnitts wegführende Oberflächennormale einen Winkel α von maximal 90° mit der vom Werkstück wegführenden Richtung des Tasterschaftes einschließt.

Die Oberflächennormale eines Abschnitts bezeichnet die jeweils im Berührpunkt des Abschnitts mit dem Antastformelement vorliegende Normalenrichtung, also die Senkrechte zur Oberfläche im Berührpunkt. In den Ausführungsbeispielen der Figuren 3 und 4 ist die Oberflächennormale mit dem Bezugszeichen 11 gekennzeichnet.

Durch diese Einstellung des Winkels α wird grundlegend ermöglicht, dass eine Messung ohne Schaftantastung erfolgen kann. Werte kleiner als 90° berücksichtigen, dass auch bei Auslenkung des Antastformelementes, insbesondere bei biegeelastischen Tasterschäften und damit einhergehender Biegung bei Auslenkung, Schaftantastung vermieden wird.

Die Erfassung der Lage der Öffnung umfasst grundlegend die Bestimmung der Mittelachse der Öffnung, genauer gesagt die Richtung im Raum, und die Lage der Mitte des oberen Eintrittspunktes in die Öffnung, also des werkstückoberflächenseitigen Eintrittspunktes dieser Mittelachse in die jeweilige Öffnung, also die Öffnungsmitte. Für Mittelachse und Öffnungsmitte liegen zwar die Sollwerte zumeist aus der Zeichnung des Werkstücks vor, diese sind jedoch häufig am realen Werkstück nicht so ideal gefertigt, dass eine kollisionsfreie und genaue Messung, welche die exakte Kenntnis der Lage der Öffnung voraussetzt, möglich ist. Die Sollwerte für die Lage der zu messenden Abschnitte ergeben sich zumeist aus dem Messprogramm, mit dem die vorzugsweise der Zeichnung zu entnehmenden Toleranzen geprüft werden sollen. Aufgrund der meist rotationssymmetrischen Geometrien ist die genaue Lage der Abschnitte eher untergeordnet oder ergibt sich anhand der mechanischen Ausrichtung ausreichend genau, da die Lage der Abschnitte auf die Lage der Öffnungen also Bereiche bezogen ist. Allerdings ist die Neigung der Abschnitte zur Mittelachse zunächst nur aufgrund der Sollwerte für den Kegelwinkel bzw. K-Faktor aus der Zeichnung gegeben. Soll ein definierter Winkel zwischen Tasterschaft und der Oberfläche des zu messenden Abschnitts eingestellt werden, um Schaftantastung sicher zu vermeiden bzw. genau zu messen, muss dieser oder gegebenenfalls iterativ der gemessene Wert für Kegelwinkel bzw. K-Fakor für die mechanische Ausrichtung verwendet werden. Für die Messung von nach innen im Durchmesser zunehmende Bereiche wird der zu messende Abschnitt, also die entsprechende Kegelmantellinie jeweils einzeln ausgerichtet, wobei zuvor genannter Winkel α um mindestens 0,3°, bevorzugt mindestens 0,5° kleiner als 90° gewählt wird. Im Fall von nach außen im Durchmesser zunehmende Bereiche ergibt sich ein konstanter Winkel α für alle Abschnitte mit einer Ausrichtung des Tasterschaftes auf die Mittelachse, der nur in diesem Fall dem Gegenwinkel zum halben Kegelwinkel des Bereichs entspricht. Erst nach dem entsprechenden rotatorischen mechanischen Ausrichten, und gegebenenfalls senkrecht zur Mittelachse erfolgter translatorischer mechanischer Ausrichtung, erfolgt das Eintauchen in die Öffnung.

Nach einer bevorzugten Lösung sieht die Erfindung vor, dass vor der mechanischen Ausrichtung die Richtung der Mittelachse des jeweiligen Bereiches, also die Mittelachse, und der werkstückoberflächenseitige Eintrittspunkt dieser Mittelachse in die jeweilige Öffnung, also Öffnungsmitte, ermittelt wird und dass anhand der ermittelten Mittelache, der ermittelten Öffnungsmitte und dem Sollwert der Lage des Abschnittes innerhalb des jeweiligen Bereichs und dem Sollwert der Neigung, also der Richtung der Oberflächennormale, des jeweiligen Abschnitts zu der Mittelachse, insbesondere aus dem Sollwert des K-Faktors bzw. Sollwert des Kegelwinkels, die mechanische Ausrichtung erfolgt, wobei

für nach innen im Durchmesser zunehmende Bereiche die rotatorische mechanische Ausrichtung mittels Dreh-Schwenk-Einrichtung für entlang unterschiedlicher Kegelmantellinien verlaufende Abschnitte getrennt erfolgt, wobei α auf maximal 89,7° bevorzugt maximal 89,5° eingestellt wird bzw. für nach außen im Durchmesser zunehmende Bereiche die rotatorische mechanische Ausrichtung mittels Dreh-Schwenk-Einrichtung für alle Abschnitte des Bereiches einmalig erfolgt, indem der Tasterschaft parallel zur Mittelachse ausgerichtet wird, α also dem Gegenwinkel zum halben

Kegelwinkel des Bereichs entspricht

und erst anschließend der Teil der transversalen mechanischen Ausrichtung erfolgt, bei dem zumindest das Antastformelement in die Öffnung des Werkstücks eintaucht.

In einer bevorzugten Weiterbildung sieht die Erfindung dazu vor, dass die mechanische Ausrichtung iterativ wiederholt wird, indem die Mittelachse und die Öffnungsmitte erneut ermittelt und zur wiederholten mechanischen Ausrichtung verwendet werden und/oder indem der K-Faktor mit dem ersten Sensor ermittelt und anstatt seines Sollwertes zur wiederholten mechanischen Ausrichtung verwendet wird, wobei vorzugsweise die mechanische Ausrichtung so lange wiederholt wird, bis der Winkel zwischen der Mittelachse der vorherigen Ausrichtung und der gemessenen Mittelachse einen zuvor festgelegten Grenzwinkel, beispielsweise 0,2°, unterschreitet und/oder bis die Differenz zwischen Sollwert des K-Faktors und gemessenem K-Faktor einen zuvor festgelegten Grenzwert, beispielsweise 1, unterschreitet.

Die Bestimmung der Lage der Öffnung, also der Mittelachse und der Öffnungsmitte erfolgt entweder mit dem ersten Sensor oder einem anderen taktilen Sensor oder einem

Bildverarbeitungssensor. Die Bestimmung ist auch aus Kombinationen von Messungen mit den einzelnen Sensoren realisierbar.

Erfindungsgemäß kann daher vorgesehen sein, dass die Bestimmung der Mittelachse und der Öffnungsmitte mit Hilfe eines zweiten als Bildverarbeitungssensor ausgeprägten Sensors und/oder dem ersten Sensor und/oder einem weiteren taktilen Sensor erfolgt, wobei der Bereich vorab grob anhand von am Werkstück außen liegender Merkmale und der Soll-Daten des Werkstücks wie CAD-Daten zum verwendeten Sensor vorausgerichtet wird.

Die Messungen zur Bestimmung von Mittelache und Öffnungsmitte unterscheiden sich dahingehend von der eigentlichen Messung mit dem ersten Sensor, dass aufgrund der fehlenden exakten mechanischen Ausrichtung noch nicht komplett mit einem Sensor, insbesondere taktilen wie ersten Sensor, in die Öffnung in volle benötigte Tiefe eingetaucht werden kann. Die taktilen Messungen werden daher bevorzugt bis maximal zur Hälfte der maximalen Tiefe durchgeführt oder am inneren Ende der Öffnung liegende, also am Übergang in den Kanal liegende Messpunkte werden mit dem optischen Bildverarbeitungssensor erfasst. Die Messung mit dem Bildverarbeitungssensor im Einlassbereich, also unteren Ende des Bereiches wie Spritzloch erfordert eine gute Ausleuchtung mittels einer sogenannten Innenbeleuchtung, einer in den Kanal eingeführten diffusen Lichtquelle. Bei verrundeten Einlässen durch Schleifpaste erweist sich dies jedoch als schwierig und es wird bevorzugt die taktile Messung in der Hälfte der maximalen Tiefe eingesetzt.

In einem alternativen Verfahren unter Verwendung des Bildverarbeitungssensors wird die Summenhelligkeit des aus der Öffnung austretenden Lichtes durch Drehen und Schwenken und ggf. senkrecht zur Öffnung durchgeführten Nachfahrens maximiert. Bei maximaler Helligkeit ist die Mittelachse in Richtung der optischen Achse des Bildverarbeitungssensors, zu der auch der Tasterschaft ausgerichtet ist, ausgerichtet. Auch dieses Verfahren erfordert eine gute Ausleuchtung mittels der Innenbeleuchtung und zudem einen stabile Aufspannung des Werkstücks, damit störende Verkippungen beim Positionieren unterbleiben.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die senkrecht zur Richtung (z) der Mittelachse vorliegende Position (x, y) der Öffnungsmitte durch die Lage der Mittelachse definiert wird, wobei die Mittelachse bestimmt wird nach einem der folgenden drei Verfahren:

1. es werden zwei Kreise in unterschiedlichen Tiefen an der Öffnung gemessen und die Verbindungslinie der Kreismittelpunkte definiert die Mittelachse wobei o mit dem Bildverarbeitungssensor am Umfang am oberen, der Werkstückoberfläche zugewandten Ende des Bereiches und am Umfang am unteren, dem Kanal zugewandten Ende des Bereiches ein Kreis gemessen wird oder

o mit dem Bildverarbeitungssensor am Umfang am oberen, der Werkstückoberfläche zugewandten Ende des Bereiches ein Kreis gemessen und mit dem ersten Sensor oder dem weiteren taktilen Sensor ein Kreis in etwa der Hälfte der maximalen Tiefe der Öffnung, bevorzugt mit 3, besonders bevorzugt 4 am Umfang verteilten

Messpunkten, gemessen wird oder

o mit dem ersten Sensor oder dem weiteren taktilen Sensor ein Kreis am oberen, der Werkstückoberfläche zugewandten Ende des Bereiches oder maximal 0,2 mm unterhalb dieses Endes und ein Kreis in etwa der Hälfte der maximalen Tiefe der Öffnung, jeweils bevorzugt mit 3, besonders bevorzugt 4 am Umfang verteilten Messpunkten, gemessen wird;

2. mit dem ersten Sensor oder dem weiteren taktilen Sensor werden Messpunkte an mindestens 3, bevorzugt 4, am Umfang des Bereichs verteilten Mantellinien, vorzugsweise durch Scanning, aufgenommen, die sich vom oberen, der

Werkstückoberfläche zugewandten Ende des Bereiches oder maximal 0,2 mm unterhalb dieses Endes bis zur etwa Hälfte der maximalen Tiefe der Öffnung erstrecken, und aus den Messpunkten ein Kegel oder Zylinder durch Ausgleichsrechnung bestimmt, wobei die Kegel- bzw. Zylinderachse die Mittelachse definiert;

3. die Dreh- und/oder die Schwenkstellung der Dreh-Schwenk-Einheit wird solange variiert, bis die von dem Bildverarbeitungssensor erfasste Intensität einer im Kanal des Werkstücks angeordneten, vorzugsweise diffuse leuchtenden, Lichtquelle maximal wird, wobei der Bildverarbeitungssensor das obere, der Werkstückoberfläche zugewandte Ende des Bereiches stets vollständig erfasst, wobei Werkstück und Bildverarbeitungssensor gegebenenfalls relativ zueinander zumindest senkrecht zur optischen Achse des Bildverarbeitungssensors nachpositioniert werden, und anschließend die Mittelachse definiert wird durch den Mittelpunkt des aus dem oberen, der

Werkstückoberfläche zugewandte Ende des Bereiches ermittelten Kreises und der optischen Achse des Bildverarbeitungssensors in der eingestellten Dreh- Schwenk-Stellung .

Mit dem Bildverarbeitungssensor können aber auch am Eintritt der Öffnung Konturpunkte, also der Durchmesser und der Mittelpunkt der Öffnung senkrecht zur Mittelachse, ermittelt werden. Die Position der Öffnungsmitte in Richtung der Mittelachse ergibt sich aus einem oder mehreren Messpunkten auf der Werkstückoberfläche direkt neben der Öffnung, aufgenommen mittels Autofokusmessung, also optische Abstandsmessung, beispielsweise auch mit dem Bildverarbeitungssensor ausführbar, oder taktiler Messung.

Erfindungsgemäß kann somit vorgesehen sein, dass die in Richtung der Mittelachse vorliegende z-Position der Öffnungsmitte durch Bestimmung zumindest eines Messpunktes auf der die Öffnung direkt umgebenden Oberfläche des Werkstücks mit einem Abstandssensor, vorzugsweise Autofokussensor oder Foucaultschem Abstandsensor, bestimmt wird, vorzugsweise erst nach zuvor erfolgter rotatorischer Ausrichtung.

Des Weiteren ist bei der Messung mit dem Bildverarbeitungssensor zwischen einer sogenannten Messung„Am-Bild", bei der je Messpunkt getrennte Messfenster vorliegen, die zumeist deutlich kleiner sind, als die gesamte aufgenommene Sensorfläche, und der Messung„Im-Bild", bei der innerhalb eines zumeist nahezu die gesamte Sensorfläche ausfüllenden Messfensters mehrere Messpunkte, insbesondere alle Messpunkte zur Ermittlung eines Merkmals wie Kreis, erfasst werden, zu unterscheiden. Bevorzugt erfolgt die Messung am oberen Ende des Bereiches„Im-Bild" und am unteren„Am-Bild". Aus diesen Messungen kann schon in diesem Stadium der Ausrichtung die Formabweichung der Spritzlöcher überprüft und die Messung gegebenenfalls abgebrochen werden.

Nach einer besonders bevorzugten Lösung sieht die Erfindung also vor, dass mit dem Bildverarbeitungssensor am Umfang am oberen, der Werkstückoberfläche zugewandten Ende des Bereiches und/oder am Umfang am unteren, dem Kanal zugewandten Ende des Bereiches ein Kreis gemessen wird, wobei jeweils mehrere Messpunkte aufgenommen werden und zur Berechnung der Kreise jeweils ein Ausgleichskreis bestimmt wird, wobei die Messung am unteren Ende bei Durchlichtbeleuchtung, realisiert durch eine in den Kanal eingeführte, vorzugsweise diffuse, Lichtquelle, und mit vorzugsweise je Messpunkt getrenntem Messfenster (Am-Bild-Messung) und die Messung am oberen Ende bei Durchlichtbeleuchtung oder bei Auflichtbeleuchtung und mit vorzugsweise einem alle Messpunkte umfassenden Messfenster (Im-Bild- Messung) durchgeführt werden.

Bevorzugt ist auch, dass die Messung mit dem Bildverarbeitungssensor vor oder nach oder während der Messungen der Abschnitte eines Bereichs mit dem ersten Sensor erfolgt, und die jeweils mehreren Messpunkte auf ihre Formabweichung in Bezug auf den jeweils daraus berechneten Ausgleichskreis untersucht werden und vorzugsweise bei Überschreitung einer vorgegebenen maximalen Formabweichung der Messablauf zumindest für den jeweiligen Bereich abgebrochen wird.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sieht die Erfindung vor, dass die Auslenkung des Antastformelementes zumindest senkrecht zum Tasterschaft, und vorzugsweise in Richtung des Tasterschaftes, durch den Tasterschaft an eine oberhalb des Tasterschaftes angeordnete Sensoreinheit übertragen und von dieser erfasst wird, wobei der Tasterschaft vorzugsweise biegesteif ist.

In einer besonders bevorzugten Alternative werden jedoch zumindest abschnittsweise biegeelastische Tasterschäfte vorgeschlagen, wobei die senkrecht zum Tasterschaft vorliegende Auslenkung mittels Bildverarbeitung ermittelt wird. Dies ist meist ausreichend, da aufgrund der steilen zu messenden Abschnitte eine Auslenkung parallel zum Tasterschaft kaum vorliegt und selbst für genaue Messungen vernachlässigt werden kann.

Ein grundlegender Vorteil der taktilen Messung, auch mit optischer Erfassung des Antastformelementes, im Vergleich zur rein optischen Erfassung der mittels Bildverarbeitungssensor erfassbaren Abschnitte wie oberes und unteres Ende der Bereiche ist es, dass eventuell vorliegender Grat nicht abschattend, wie auf den optischen Strahlengang wirkt, sondern exakt mit gemessen wird. Durch die Abschattung ergeben sich zudem vor allem für das untere Ende systematische Abweichungen bei der rein optischen Messung. Diese sind für die Bestimmung der Lage der Mittelachse zulässig, nicht jedoch für die exakte Messung, beispielsweise des Durchmessers.

Besonders hervorzuheben ist der Gedanke, dass die Erfassung der Auslenkung des Antastformelementes oder der gegebenenfalls vorhandenen Zielmarke senkrecht zum Tasterschaft durch einen lateral messenden Bildverarbeitungssensor erfolgt und der Tasterschaft einen biegelastischen Abschnitt aufweist, und vorzugsweise in Richtung des Tasterschaftes mittels eines Abstandsensors, der die Auslenkung einer, gegebenenfalls weiteren, vom Tasterschaft ausgehenden Zielmarke erfasst.

Bei der optischen Erfassung des Antastformelementes in großer Tiefe kann es dennoch zu leichten systematischen Abweichungen durch Abschattungen oder Anliegen am Werkstück oder von der Eintauchtiefe abhängiger Helligkeit der Abbildung des Antastformelementes oder ähnliches kommen. Daher wird bevorzugt die Erfassung einer zusätzlich am Tasterschaft angebrachten Zielmarke wie nahezu kugelförmiger Verdickung vorgesehen, wobei sich diese selbst im eingetauchten Zustand des Antastformelementes frei von Abschattungen und mit konstanter Helligkeit oberhalb der Öffnung befindet. Beispielhaft beträgt der Durchmesser des Antastformelementes 20 μιη bis 100 μιη, insbesondere 70 μιη, der Durchmesser der Zielmarke 30 μιη bis 120 μιη, insbesondere 95 μιη, und der Abstand zwischen beiden 1,3 mm bis 1,5 mm, insbesondere 1,5 mm, um insbesondere Spritzlöcher von Diesel-Einspritzdüsen zu messen. Der Bereich zwischen Antastformelement und Marke ist im Vergleich zum Tasterschaft oberhalb der Zielmarke, vorzugsweise alleine aufgrund seiner deutlich geringeren Länge, nahezu biegesteif, damit die Auslenkung des Antastformelementes zu möglichst großem Teil auf die Zielmarke übertragen wird, um eine genaue Messung mit hoher Empfindlichkeit zu realisieren.

Kennzeichnend kann daher auch sein, dass die Zielmarke erfasst wird und der Abschnitt zwischen Antastformelement und Zielmarke im Vergleich zum Abschnitt oberhalb der Zielmarke biegesteif ist, wobei der Abstand zwischen Antastformelement und Zielmarke größer als die maximale Eintauchtiefe gewählt wird, und wobei vorzugsweise der Durchmesser der Zielmarke 10% bis 40% größer als der Durchmesser des

Antastformelementes gewählt wird, besonders bevorzugt Antastformelement einen Durchmesser von 60 μιη bis 80 μιη und/oder Zielmarke einen Durchmesser von 85 μιη bis 100 μιη und/oder Abstand eine Länge von 1,2 mm bis 1,6 mm aufweisen.

Nach einer besonders bevorzugten Lösung sieht die Erfindung vor, dass das Antastformelement und/oder die gegebenenfalls vorhandene Zielmarke in der optischen Achse der dem Bildverarbeitungssensor zugeordneten Optik angeordnet sind und die Tasterverlängerung auswechselbar oder ablegbar, bevorzugt an einer Wechselschnittstelle automatisch auswechselbar oder ablegbar ist, wobei vorzugsweise bei gegebenenfalls vorhandenem Abstandsensor ein gemeinsamer Strahlengang mit dem Bildverarbeitungssensor zumindest im Werkstückseitigen Teil der Optik vorliegt.

Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass der erste Sensor und der gegebenenfalls vorhandene Bildverarbeitungssensor und der gegebenenfalls vorhandene Abstandsensor in einem Koordinatenmessgerät integriert werden, vorzugsweise in einem Multisensorkoordinatenmessgerät zusammen mit weiteren Sensoren, vorzugsweise taktilen, optischen, taktil-optischen oder computertomografischen Sensoren, verwendet werden, vorzugsweise der Bildverarbeitungssensor und der Abstandsensor bei abgelegter Tasterverlängerung unabhängig vom ersten Sensor zur Messung des Werkstücks betrieben werden.

Gegenstand einer selbstständigen Erfindung ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur geometrischen Bestimmung von Merkmalen an einem Werkstück mit einem Bildverarbeitungssensor und einem optischen Abstandssensor, die zur direkten Messung der Werkstückoberfläche oder zur Bestimmung der Auslenkung eines biegeelastischen Taststifts eingesetzt werden.

Bei den bekannten Verfahren zur Messung mit Bildverarbeitungssensoren und chromatischen Abstandssensoren durch die gleiche Frontoptik, wie beispielsweise in der US8736849 beschrieben, ist es nicht vorgesehen, den Arbeits ab stand bzw. Abbildungsmaßstab des eingesetzten Bildverarbeitungssensor einzustellen, insbesondere unabhängig vom Strahlengang des chromatischen Abstandssensors einzustellen. Ein weiteres Problem besteht darin, dass bei Verwendung einer gemeinsamen Frontoptik mit chromatischem Längsfehler Abbildungsfehler im Bildverarbeitungs strahlengang vorliegen, die zur Verfälschung der Messergebnisse führen.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, Mittel zur Verfügung zu stellen, die eine fehlerarme Messung mit einem Bildverarbeitungs sensor trotz Verwendung einer gemeinsamen Frontoptik mit chromatischem Längsfehler eines chromatischen Sensors zu erzielen. Insbesondere soll dabei eine Kopplung zwischen dem chromatischen Sensor und einem Bildverarbeitungssensor mit wahlweise einstellbarem Arbeitsabstand und Abbildungsmaßstab realisiert werden.

Zur Lösung sieht die Erfindung vor, dass die beiden Strahlengänge des Bildverarbeitungssensors und des Abstandssensors über einen Teiler, insbesondere wellenlängenselektivem Teiler gekoppelt werden und als Frontoptik eine chromatische Längsfehler aufweisende Optik, insbesondere Asphäre, eingesetzt wird.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht auch darin, bei der Kopplung der beiden zuvor genannten Strahlengänge in Bezug auf die zur Verfügung stehende Lichtleistung möglichst verlustfrei zu arbeiten.

Hierzu sieht die Erfindung vor, dass der oder die wellenlängenselektiven Teiler das Spektrum des Lichts aufteilen, sodass beispielsweise der Bildverarbeitungs sensor nur einen schmalen Teil des Spektrums empfängt und der chromatische Sensor den verbleibenden Teil des Spektrums empfängt, also insbesondere das komplette aus Richtung des Messobjekts kommende Licht verarbeitet wird.

Zur Lösung sieht die Erfindung entsprechende wellenlängenselektive Teiler wie Dichroide oder Interferenzfilter vor, bei denen Spektralbereiche aufgeteilt werden, insbesondere durch Kaskadierung zweier Dichroide eine Kombination aus Bandpass und Bandsperre erzeugt wird, indem die beiden Dichroide unterschiedliche Trennungswellenlängen bzw. Grenzwellenlängen aufweisen.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, unterschiedliche Arbeitsabstände für den Bildverarbeitungssensor und den zweiten Sensor einzustellen,

wobei ein möglichst einfacher Aufbau für die Antriebe zur Bewegung der Linsen bzw. Linsengruppen erreicht werden soll.

Zur Lösung sieht die Erfindung hierzu insbesondere vor, dass eine oder mehrere Linsengruppen in den beiden Strahlengängen zumindest teilweise gemeinsam bewegt werden.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, in Bezug auf die Frontoptik unterschiedliche Arbeitsabstände für den Bildverarbeitungssensor und den Abstandssensor, insbesondere für den Foucault- Abstandssensor einzustellen. Dies ist beispielsweise notwendig, wenn die Auslenkung eines vor der Frontoptik angebrachten Antastformelementes optisch bestimmt werden soll, wobei Abstandssensor und Bildverarbeitungssensor das Antastformelement bzw. dem Antastformelement zugeordnete Marke oder Marken, die in unterschiedlichen Arbeitsabständen angeordnet sind, erfassen. Insbesondere sind entsprechende Sensoren, wie beispielsweise in der WO2011064339 beschrieben, derart ausgebildet, dass das mit dem Bildverarbeitungssensor zu erfassende Antastformelement oder eine oberhalb des Antastformelementes am Taststift insbesondere Tasterschaft angeordnete Marke in einem größeren Abstand zur Frontoptik angeordnet ist als eine an der Oberseite des Taststiftes angeordnete Marke, die näher zur Frontoptik angeordnet ist, welche mit dem Abstandssensor erfasst werden muss. Hierbei besteht insbesondere die Herausforderung, unterschiedlich lange Taststifte einzusetzen, wobei der Arbeitsabstand des Bildverarbeitungssensors änderbar sein muss, wobei insbesondere der Arbeitsabstand des Abstandssensors konstant bleiben soll.

Zur Lösung sieht die Erfindung vor, dass die Optiken in den beiden Strahlengängen des Bildverarbeitungssensors und des Abstandssensors derart einstellbar sind, dass verschiedene Arbeitsabstände realisierbar sind.

Die Erfindung sieht zur Lösung ein Vorrichtung zur geometrischen Bestimmung von Merkmalen, insbesondere Oberflächenmesspunkten an einem Werkstück vor, umfassend einen Bildverarbeitungssensor (erster Sensor) mit einem Bildverarbeitungsstrahlengang (erster Strahlengang), wobei der erste Strahlengang zumindest eine Frontlinse wie Frontobjektiv oder Frontoptik umfasst, welche dem zu messenden Werkstück zugewandt ist, und wobei auf der vom Werkstück abgewandten Seite der Frontoptik mindestens ein optischer Teiler wie Teilerschicht, insbesondere wellenlängenselektiver Teiler, angeordnet ist, durch den ein zweiter Strahlengang mit dem Bildverarbeitungs strahlengang gekoppelt und ein gemeinsamer Strahlengang gebildet wird, indem die Frontoptik aus Richtung des zu messenden Werkstücks durchlaufendes Licht zumindest teilweise aus dem gemeinsamen Strahlengang in den zweiten Strahlengang ausgekoppelt wird, wobei der zweite Strahlengang einem zweiten optischen Sensor (zweiter Sensor), insbesondere Abstandsensor, bevorzugt chromatischen Abstandsensor oder Abstandsensor nach dem Foucault-Prinzip, zugeordnet ist, wobei der Bildverarbeitungs sensor und der zweite Sensor zur direkten Messung der Werkstückoberfläche und/oder zur Bestimmung der Auslenkung einer oder jeweils einer einem biegeelastischen Taststift zugeordneten Marke ausgebildet sind, dass sich dadurch auszeichnet, dass die Frontoptik als Asphäre ausgebildet ist und/oder die Frontoptik chromatischen Längsfehler aufweist.

Asphären sind besonders geeignet, da definierte chromatische Längsfehler genau und einfach realisiert werden können.

Insbesondere zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass der Bildverarbeitungs sensor einen Bildsensor wie CCD oder CMOS-Kamera aufweist und im ersten Strahlengang zwischen dem Bildsensor und dem Teiler und/oder zwischen der Frontoptik und dem Teiler mindestens zwei separat verschiebbare Linsen oder Linsengruppen zur unabhängigen Einstellung von Arbeitsabstand und Abbildungsmaßstab angeordnet sind.

Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass die Asphäre eine ausgeprägte chromatische Aberration (chromatischer Längsfehler) aufweist und im zweiten Strahlengang ein wellenlängenempfindlicher Detektor wie Spektrometer angeordnet ist, und wobei zumindest ein Teiler derart wellenlängenselektiv ausgeführt ist, dass aus dem Spektrum des aus Richtung des Werkstücks auf den Teiler treffenden Lichtes lediglich ein begrenzter Wellenlängenbereich in Richtung des Bildsensor des Bildverarbeitungs Strahlengangs geleitet wird,

- indem ein Teiler so ausgeführt ist, dass dieser den begrenzten

Wellenlängenbereich oberhalb einer oberen Grenzwellenlänge reflektiert oder durchlässt, wobei die obere Grenzwellenlänge bevorzugt größer als etwa 600 Nanometer ist, wodurch im wesentlichen rotes Licht in Richtung des Bildsensor gelangt, wobei der Teiler bevorzugt ein Dichroid ist, oder

indem ein Teiler so ausgeführt ist, dass dieser einen begrenzten Wellenlängenbereich unterhalb einer unteren Grenzwellenlänge reflektiert oder durchlässt, wobei die untere Grenzwellenlänge bevorzugt kleiner als etwa 500 Nanometer ist, wodurch im wesentlichen blaues Licht in Richtung des Bildsensor gelangt, wobei der Teiler bevorzugt ein Dichroid ist, oder indem ein Teiler als Bandpass oder Bandsperre ausgeführt ist, so dass dieser den begrenzten Wellenlängenbereich oberhalb einer unteren Grenzwellenlänge und unterhalb einer oberen Grenzwellenlänge reflektiert oder durchlässt, wobei der Wellenlängenbereich vorzugsweise nahezu einfarbigen ist, bevorzugt eine spektrale Breite von maximal 100 Nanometer, besonders bevorzugt maximal 50 Nanometer aufweist, wobei der Teiler bevorzugt zumindest einen

Interferenzfilter umfasst.

Hierdurch wird realisiert, dass der Bildsensor des Bildverarbeitungssensors nur einen schmalen spektralen Bereich empfängt, wodurch chromatische Fehler, die durch die Frontoptik eingeführt werden, minimiert werden.

Insbesondere zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass der wellenlängenselektive Teiler den Teil des Spektrums des Lichtes, der nicht in Richtung des Bildsensors geleitet wird, in den zweiten Strahlengang leitet oder dass der wellenlängenselektive Teiler gesamtes Spektrum des Lichts in den zweiten Strahlengang leitet.

Hierdurch wird realisiert, dass ein möglichst großer Anteil des Lichts zur Auswertung zur Verfügung steht, wobei insbesondere der im zweiten Strahlengang vorhandene wellenlängenempfindliche Detektor das zur Auswertung des Abstandes mittels des chromatischen Abstandssensors benötigte breite Lichtspektrum empfängt.

Bevorzugterweise sieht die Erfindung vor, dass zwischen dem zumindest einen wellenlängenselektiven Teiler und der Frontoptik ein neutraler Teiler zur Kopplung des zweiten Strahlengangs angeordnet ist, wobei der zweite Strahlengang vorzugsweise breitbandige Lichtquelle umfasst, deren Licht in Richtung des Werkstücks einkoppelt wird, und besonders bevorzugt der wellenlängenselektive Teiler ein Dichroid oder Farbfilter ist.

Durch Verwendung des neutralen Teilers steht für den chromatischen Abstandssensor das komplette Wellenlängen spektrum zur Verfügung. Zur Minimierung der chromatischen Fehler im Bildverarbeitungsstrahlengang ist daher lediglich ein Dichroid oder Farbfilter notwendig.

Hervorzuheben ist des Weiteren, dass zur Beleuchtung des zumindest von der Frontoptik erfassten Bereichs des Werkstücks oder Taststifts zumindest eine breitbandige Lichtquelle und Mittel zum Einkoppeln in den ersten und/oder zweiten Strahlengang vorhanden sind, und vorzugsweise zumindest eine weitere Lichtquelle und Mittel zum Einkoppeln in den ersten und/oder zweiten Strahlengang vorhanden sind, wobei der spektrale Anteil der weiteren Lichtquelle sich weitestgehend mit dem begrenzten Wellenlängenbereich überdeckt, der vom wellenlängenselektiv Teiler in Richtung des Bildsensor geleitet wird.

Die Erfindung zeichnet sich auch dadurch aus, dass die Asphäre eine ausgeprägte chromatische Aberration (chromatischer Längsfehler) aufweist und im zweiten Strahlengang ein wellenlängenempfindlicher Detektor wie Spektrometer angeordnet ist, und wobei im gemeinsamen Strahlengang nacheinander zwei wellenlängenselektive Teiler, bevorzugt Dichroide angeordnet sind, die das Spektrum des aus Richtung des Werkstücks auf die Teiler treffenden Lichtes jeweils an einer Grenzwellenlänge trennen, also oberhalb dieser reflektieren und unterhalb dieser durchlassen oder umgekehrt, wobei die beiden Teiler unterschiedliche Grenzwellenlängen besitzen, bevorzugt Differenz der Grenzwellenlängen kleiner 100 Nanometer, besonders bevorzugt kleiner 50 Nanometer ist, und dass der spektrale Bereich zwischen den Grenzwellenlängen in Richtung des Bildsensor und der verbleibende spektrale Bereich in Richtung des wellenlängenempfindlichen Detektors geleitet wird.

Entsprechend dieses Vorschlags entsteht kein Verlust an Lichtleistung und die Vorrichtung kommt mit Standardbauteilen wie Dichroiden aus und ist damit besonders kostengünstig. Über die Wahl der beiden Grenzwellenlängen ist der auf den Bildsensor gelenkte Anteil einstellbar, sodass Fehler durch die chromatischen Aberrationen im Bildverarbeitungsstrahlengang bewusst einstellbar bzw. minimierbar sind.

Insbesondere zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass das Licht der beiden nicht in Richtung des Bildsensors geleiteten spektralen Bereiche

in unterschiedliche Lichtleitfasern eingekoppelt wird, wobei jede Lichtleitfaser zu einem separaten wellenlängenempfindlichen Detektor führt oder Lichtleitfasern gekoppelt und auf einen wellenlängenempfindlichen Detektor geführt werden, oder

- durch Einstellung der Neigung der Dichroide, wobei das jeweilige Licht am

Dichroid reflektiertes Licht ist, und/oder durch Umlenkspiegel und/oder Optik auf weitestgehend selben Bereich eines wellenlängenempfindlichen Detektors gelenkt oder in eine zu einem wellenlängenempfindlichen Detektor führende Lichtleitfaser eingekoppelt wird.

Nach einem besonders hervorzuhebenden Vorschlag ist vorgesehen, dass erster und zweiter Strahlengang und damit erster und zweiter Sensor zueinander verschiedene Arbeitsabstände in Bezug auf die Frontoptik aufweisen, wobei Arbeits ab stand des Bildverarbeitungssensors unabhängig von Arbeitsabstand des zweiten Sensors einstellbar ist.

Hierdurch ist es unter anderem möglich, den Arbeitsabstand des Bildverarbeitungssensors unabhängig vom Arbeitsabstand des Abstandssensors für unterschiedlich lange Taststifte einer biegeelastischen Tasterverlängerung bzw. eines biegeelastischen Taststiftes einzustellen.

Besonders hervorzuheben ist, dass zweiter Strahlengang zumindest eine Linse oder Linsengruppe enthält, durch die ein im Vergleich zum Strahlengang des Bildverarbeitungssensors abweichender, insbesondere kürzerer Arbeitsabstand realisiert wird.

Des Weiteren zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass zweiter Strahlengang zumindest zwei separat verschiebbare Linsen oder Linsengruppen zur unabhängigen Einstellung von Arbeits ab stand und Abbildungsmaßstab umfasst, wobei Linsen oder Linsengruppen des zweiten Strahlengangs unabhängig von Linsen oder Linsengruppen des ersten Strahlengangs bewegbar sind oder zumindest eine Linse oder Linsengruppe des ersten Strahlengangs mit zumindest einer Linse oder Linsengruppe des zweiten Strahlengangs gemeinsam bewegbar ist, besonders bevorzugt jeweils eine Linse oder

Linsengruppe des ersten mit einer Linse oder Linsengruppe des zweiten Strahlengangs gemeinsam bewegbar ist.

Insbesondere zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass der Teiler ein Dichroid ist, wobei der zweite Strahlengang einem Abstandsensor nach dem Foucault-Prinzip zugeordnet ist und eine schmalbandige Lichtquelle aufweist und der Teiler das Licht der schmalbandigen Lichtquelle zum Werkstück leitet und das gleiche schmalbandige, vom Werkstück reflektierte Licht zurück zu dem zweiten Strahlengang leitet, und wobei der Teiler Licht einer zweiten, dem Bildverarbeitungssensor zugeordneten Lichtquelle, deren Licht in den Strahlengang des Bildverarbeitungssensors eingespiegelt wird, auf das Werkstück leitet und zumindest Teil des Spektrums des vom Werkstück reflektierten Lichtes in Richtung des Bildsensors leitet.

Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass vor der Frontoptik ein biegeelastischer Taststift mit zumindest einem Antastformelement zur Berührung des Werkstücks angeordnet ist oder anordenbar ist, wobei der Taststift zumindest eine dem Taststift bzw. Antastformelement zugeordnete vorzugsweise am oberen Ende des Taststifts angebrachte, erste Marke aufweist, die durch den zweiten Strahlengang des optischen Abstandssensors erfasst wird, und wobei der Taststift vorzugsweise eine dem Taststift bzw. Antastformelement zugeordnete am Taststift oberhalb des Antastformelements angeordnete zweite Marke aufweist, wobei das Antastformelement oder die zweite Marke durch den Strahlengang des Bildverarbeitungssensors erfasst wird und wobei erster und zweiter Sensor zueinander verschiedene Arbeits ab stände in Bezug auf die Frontoptik aufweisen.

Zur Lösung sieht die Erfindung auch ein Verfahren zur geometrischen Bestimmung von Merkmalen, insbesondere Oberflächenmesspunkten an einem Werkstück unter Verwendung der zuvor genannten Vorrichtung vor, dass sich dadurch auszeichnet, dass wahlweise mit dem Bildverarbeitungssensor oder dem chromatischen Sensor Messpunkte direkt auf der Oberfläche des Werkstücks aufgenommen werden, wobei mittels zumindest einem wellenlängenselektiven Teiler Bildsensor des Bildverarbeitungssensor lediglich schmalbandiger Spektralbereich, bevorzugt maximal 100 Nanometer breiter, besonders bevorzugt maximal 50 Nanometer breiter Bereich, beispielsweise blauer Bereich zwischen etwa 450 und 500 Nanometern, des vom Werkstück reflektierten Lichtes zur Auswertung zugeführt wird, und mittels wellenlängenselektivem oder neutralem Teiler dem

chromatischen Sensor breitbandiger Spektralbereich oder mehrere Spektralbereiche des vom Werkstück reflektierten Lichtes zur Auswertung zugeführt werden.

Die Verwendung des blauen Bereichs für den Bildverarbeitungssensor hat den Vorteil, dass aufgrund der geringeren Wellenlänge im Vergleich zum beispielsweise roten Bereich eine höhere Strukturauflösung erzielt werden kann. Die Erfindung ist jedoch nicht auf den blauen Bereich begrenzt. Sämtliche andere Bereiche des sichtbaren bzw. für den Bildsensor empfangbaren Spektrums sind vorgesehen.

Eine weitere Lösung wird durch ein Verfahren zur geometrischen Bestimmung von Merkmalen, insbesondere Oberflächenmesspunkten an einem Werkstück unter Verwendung der zuvor genannten Vorrichtung bereitgestellt, dass sich dadurch auszeichnet, dass wahlweise mit dem Bildverarbeitungssensor oder dem Abstandsensor nach dem Foucault-Prinzip Messpunkte direkt auf der Oberfläche des Werkstücks aufgenommen werden, wobei Arbeitsabstand für Bildverarbeitungssensor und Foucault-Sensor durch separates Verstellen von jeweils zumindest zwei in den jeweiligen zugeordneten Strahlengängen vorhandenen Linsen oder Linsengruppen erfolgt, wobei

Linsen oder Linsengruppen des zweiten Strahlengangs unabhängig von Linsen oder Linsengruppen des ersten Strahlengangs bewegt werden oder

- zumindest eine Linse oder Linsengruppe des ersten Strahlengangs mit zumindest einer Linse oder Linsengruppe des zweiten Strahlengangs gemeinsam bewegt werden oder

jeweils eine Linse oder Linsengruppe des ersten mit einer Linse oder Linsengruppe des zweiten Strahlengangs gemeinsam bewegt wird.

Zur Lösung sieht die Erfindung zudem ein Verfahren zur geometrischen Bestimmung von Merkmalen, insbesondere Oberflächenmesspunkten an einem Werkstück unter Verwendung der zuvor genannten Vorrichtung vor, dass sich dadurch auszeichnet, dass Messpunkte bei Berührung des Antastformelementes mit dem Werkstück aufgenommen werden, wobei unterschiedliche lange Taststifte einsetzbar sind, und der Arbeitsabstand des Bildverarbeitungssensors auf die Länge des jeweils verwendeten Taststifts angepasst wird durch separates Verstellen von zumindest zwei im ersten Strahlengang vorhandener Linsen oder Linsengruppen, wobei vorzugsweise

Linsen oder Linsengruppen des ersten Strahlengangs unabhängig von Linsen oder Linsengruppen des zweiten Strahlengangs bewegt werden oder zumindest eine Linse oder Linsengruppe des ersten Strahlengangs mit zumindest einer Linse oder Linsengruppe des zweiten Strahlengangs gemeinsam bewegt werden oder

jeweils eine Linse oder Linsengruppe des ersten mit einer Linse oder Linsengruppe des zweiten Strahlengangs gemeinsam bewegt wird,

wobei bevorzugt für Bildverarbeitungssensor und Foucault-Sensor unterschiedliche Arbeits ab stände eingestellt werden, insbesondere für Foucault-Sensor geringerer Arbeits ab stand als für Bildverarbeitungssensor eingestellt wird.

Gegenstand einer selbstständigen Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Lage von Messpunkten an einer Werkstückoberfläche (Oberflächenpunkte) mit einem hochgenauen optischen Abstandsensor wie Interferometer.

Bei den bekannten interferometrischen bzw. ähnlich hochgenauen optischen Verfahren zur Abstandsmessung ist der Messbereich bzw. der Eindeutigkeitsbereich der Rohsignale des Sensors meist auf wenige Mikrometer oder darunter beschränkt. Dadurch sind diese Sensoren für die Koordinatenmesstechnik an komplexen Werkstücken ungeeignet.

Homodyninterferomter arbeiten mit einer Wellenlänge, meist ausgesandt von einem Laser. Der Eindeutigkeitsbereich beim Homodyninterferometer ist mit der Wellenlänge des oder der für die Demodulation der Phasenlage verwendeten Signale (Sinus- und/oder Cosinus-Signal) verknüpft, die die durchlaufenden Interferometer-Streifen beobachten. Meist werden zwei Signale aus zwei versetzten Empfängern (bei 90° Phasenversatz einmal Sinus- und einmal Cosinus-Signal) verwendet, u.a. um den Eindeutigkeitsbereich der ermittelten Phasenlage auf eine ganze Wellenlänge zu vergrößern. Verallgemeinert bezeichnen wir hier den Eindeutigkeitsbereich (der Phasenlage) als Interferenz-Ordnung des Interferometers bzw. die Interferenz- Ordnung der Interferenzstreifen. Die Bewegungsrate der Streifen (durchlaufende Streifenanzahl) in Bezug auf die Bewegung des Messreflektors bzw. der mit dem Messstrahl anvisierten Oberfläche hängt vom Aufbau des Interferometers ab. Beim sogenannten Lambda/2 - Interferometer ändert sich der Gangunterschied zwischen Mess- und Referenz strahl mit doppelter Rate wie die Änderung der Messreflektorposition. Der Eindeutigkeitsbereich beträgt daher Lambda/2, also beispielsweise nur etwa 200-350 nm für sichtbares Licht. Bei Lambda/4 - Interferometern steht nur noch die Hälfte davon zur Verfügung usw.. Der geringe Eindeutigkeitsbereich beschränkt den Einsatz entsprechender Interferometer auf kurze Messwege, nämlich genau eine Interferenz-Ordnung, oder erfordert es, dass das Messsignal während der Messung nicht unterbrochen wird, damit die Anzahl der durchlaufenen Streifen und damit Sinus-Wellen, also der durchlaufenen Interferenz-Ordnungen, mitgezählt werden kann. Zudem kann mit dieser Bauart keine Absolutmessung vorgenommen werden, sondern nur eine Relativmessung. Dies sind deutliche Einschränkungen für die Messung von Werkstücken, da das Messsignal beispielsweise an Sprüngen oder auch schon bei zu großer Oberflächenneigung unterbrochen wird. Nachteilig ist auch, dass die entsprechenden Auswertelektroniken nur eine begrenzte Bandbreite aufweisen und zu schnelle Bewegungen zum Signalabriss führen. Damit ist das schnelle Bewegen zwischen zwei Positionen auf dem Werkstück oder schnelles Scannen, wie dies häufig in der Koordinatenmesstechnik üblich ist, nicht möglich.

Heterodyninterferomter arbeiten mit zwei oder mehr Wellenlängen und erlauben in gewissen Bereichen eine Absolutmessung. Durch den Einsatz einer zweiten Wellenlänge entsteht eine synthetische Wellenlänge (Schwebung), die ausgewertet wird, wodurch sich der Eindeutigkeitsbereich etwas vergrößert, je nach Wahl der Wellenlängen auf wenige Mikrometer. Größere Messbereiche sind möglich, verringern jedoch die Genauigkeit derart, dass andere absolut messende Sensoren mit größeren Messbereichen, wie die hier als zweiter Abstandsensor genannten Abstandsensoren, eingesetzt werden können. Eine Verbesserung der Genauigkeit kann durch zusätzliche Auswertung der Phasenlage des Interferenzsignals aus einer Wellenlänge erzielt werden.

Auch bei kurzkohärenten Interferometern oder der optischen Kohärenztomografie ergibt sich ein leicht erhöhter Eindeutigkeitsbereich durch Verwendung von mehreren Wellenlängen. Aber auch hier nimmt die Genauigkeit mit dem Eindeutigkeitsbereich ab.

In der EP2104833 wird ein Verfahren zur Auflösung einer Messuneindeutigkeit beschrieben, bei dem eine Fokusdetektoranordnung verwendet wird, um den Messpunkt eines Teilkohärenz-Interferometers definiert auf einer Seite des Nullpunktes zu halten. Der Messbereich bleibt dabei aber trotzdem auf den Eindeutigkeitsbereich des Interferometers beschränkt.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Messung mit einem Interferometer oder anderem hochgenauen Sensor mit möglichst hoher Genauigkeit durchzuführen, wodurch sich eben gerade ein geringer Eindeutigkeitsbereich ergibt. Gleichzeitig soll aber gewährleistet sind, dass das Interferometersignal zwischen den Messungen an einzelnen Bereichen des Werkstücks, beispielsweise beim Überfahren von Kanten bzw. Sprüngen oder Stellen hoher Oberflächenneigung, oder zeitweise auch während der Messung, beispielsweise einem Scannen mit hoher Geschwindigkeit quer zur Messrichtung, unterbrochen werden darf, ohne dass der Bezug zum Koordinatensystem des Koordinatenmessgerätes verloren geht.

Zur Lösung sieht die Erfindung vor, zeitgleich die Oberfläche des Werkstücks mit einem (zweiten) Abstandsensor zu erfassen, der einen größeren Messbereich, und damit größeren Eindeutigkeitsbereich als das Interferometer aufweist, um nach einer Unterbrechung des Interferometersignals eine Zuordnung des Interferometersignals zur richtigen Position in Bezug auf das Koordinatensystem des Koordinatenmessgerätes zu realisieren. Der zweite Abstandsensor muss dabei nur genau genug sein, um die jeweilige Interferenz-Ordnung des Interferometers zu bestimmen, der genaue Messwert, also beispielsweise die Phasenlage des Rohsignals oder der Schwebung, wird dem Interferometersignal entnommen. Als Lösung ist also vorgesehen einen zweiten Abstandsensor einzusetzen, der eine geringere Genauigkeit aufweist, als das Interferometer, aber dessen Genauigkeit hoch genug ist, um zu entscheiden, in welcher Interferenz-Ordnung sich das Interferometer befindet. Die Genauigkeit des zweiten Abstandsensors sollte mindestens etwas größer als der halbe Eindeutigkeitsbereich des Interferometers sein, um zusammen mit dem Interferometersignal sicher zuordnen zu können, welche Interferenz-Ordnung vorliegt. Befindet sich das Interferometersignal genau in der Mitte des Eindeutigkeitsbereichs und beträgt die Genauigkeit des Abstandsensors genau eine halbe Intereferenz-Ordnung so ist geradeso nicht zu entscheiden, welche Interferenz-Ordnung vorliegt.

Die Erfindung sieht zur Lösung ein Verfahren zur Bestimmung der Lage von Messpunkten an einer Werkstückoberfläche (Oberflächenpunkte) mit einem ersten optischen Abstandsensor, der mehrere in Messrichtung aufeinanderfolgende Eindeutigkeitsbereiche aufweist, bevorzugt interferometrischem Sensor (Interferometer) mit Interferenz-Ordnungen als Eindeutigkeitsbereiche, und einem zweiten optischen Abstandsensor, der einen Messbereich mit zumindest einem Eindeutigkeitsbereich aufweist, wobei der erste und der zweite optische Abstandsensor bevorzugt in einem Koordinatenmessgerät eingesetzt sind, das Messachsen für die Relativbewegung zwischen Werkstück und Abstandsensoren aufweist, dass sich dadurch auszeichnet, dass der erste Abstandsensor eine höhere Genauigkeit, insbesondere höhere Auflösung, in Messrichtung und/oder senkrecht zur Messrichtung, als der zweite Abstandsensor aufweist und der zweite Abstandsensor einen größeren Messbereich und/oder Eindeutigkeitsbereich in Messrichtung als einer der Eindeutigkeitsbereiche des ersten Abstandsensors aufweist, und wobei in einem ersten Messmodus der erste und der zweite Abstandsensor gleichzeitig die Werkstückoberfläche erfassen, insbesondere auf sich gegenseitig überlappende Bereiche der Werkstückoberfläche ausgerichtet sind, und wobei in dem ersten Messmodus der zur Bestimmung der Lage des jeweiligen Messpunktes verwendete Abstandsmesswert ermittelt wird, indem dem jeweiligen Messwert des ersten Abstandsensors unter Verwendung des jeweils gleichzeitig aufgenommenen Messwertes des zweiten Abstandsensors ein Eindeutigkeitsbereich des ersten Abstandsensors zugewiesen wird und aus dem zugewiesenen Eindeutigkeitsbereich (Interferenz-Ordnung) und dem Messwert des ersten Sensors, und vorzugsweise der mittels der Messachsen bestimmten Relativposition zwischen dem Werkstück und den Abstandsensoren, die Lage des Messpunktes bestimmt wird.

Das zuvor beschriebene erfindungsgemäße Verfahren und entsprechende Vorrichtungen können ebenso verwendet werden, um die bekannte taktil-optische Messung mit höherer Genauigkeit auszuführen.

Entsprechende taktil-optische Verfahren und Vorrichtungen sind oben bereits genannt. In der EP0988505 wird dabei die laterale Messung (X- und/oder Y-Richtung) der Auslenkung bzw. Position eines Antastformelementes bzw. diesem zugeordneter Marke (erste Marke) mit einem Bildverarbeitungssensor beschrieben. Die Erweiterung um die Messung der senkrechten Auslenkung bzw. Lage (Z-Richtung) einer weiteren dem Antastformelement zugeordneten Marke (zweite Marke) mit einem optischen Abstandsensor beschreibt beispielsweise die DE 10 2010 060 833. Dieser optische Abstandsensor kann als Heterodyninterferometer ausgebildet sein. In der DE102014111086 wird auch die

Erfassung der Auslenkung der ersten Marke in senkrechter Richtung durch ein Interferometer beschrieben, wodurch sich der Vorteil ergibt, dass das Antastformelement (kann die erste Marke sein) direkt erfasst wird und Messabweichungen, die zwischen dem Antastformelement und der zweiten Marke auftreten können, beispielsweise bei Durchbiegung der Tastverlängerung, von der das Antastformelement und die zweite Marke ausgehen, bei Antastung des zu messenden Werkstücks mit dem Antastformelement. Auf die DE102014111086 (dient als Priorität für die DE102014117978A1) wird hier vollständig Bezug genommen.

Nachteilig bei den zuvor genannten Verfahren des Standes der Technik ist, dass genauso wie bei der Erfassung von Oberflächenpunkten, zuvor genannte Einschränkungen beim Einsatz von Interferometern vorliegen.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die taktil-optische Messung mit höherer Genauigkeit durchzuführen, insbesondere unter Einsatz eines Interferometers, wobei bevorzugt der Messbereich im Vergleich zum Stand der Technik, in dem mit dem Interferometer eigenständig gemessen wird, über einen Eindeutigkeitsbereich des Interferometers hinaus vergrößert werden soll.

Um die zuvor genannten Einschränkungen zu umgehen, wird der interferometrischen Messung wiederum ein Eindeutigkeitsbereich mittels eines zweiten optischen Abstandsensors zugewiesen. Da es sich als schwierig erweist, mit beiden optischen Abstandsensoren dieselbe Marke bzw. das Antastformelement eines taktil-optischen Sensors zu erfassen, sind getrennte Marken vorgesehen, die von einer Tasterverlängerung, beispielsweise einer Faser wie Lichtleitfaser, insbesondere einer flexiblen Tasterverlängerung, ausgehen und in Messrichtung, also der Senkrechten bzw. der Z-Richtung des vorzugsweise verwendeten Koordinatenmessgerätes, zueinander beabstandet sind. Hierdurch werden zunächst Messabweichungen zwischen den beiden optischen Abstandsensoren beim Vorliegen einer Durchbiegung der Tasterverlängerung auftreten. Bleiben diese jedoch klein genug, was durch entsprechende Dimensionierung in Bezug auf Länge, Durchmesser und Steifigkeit und durch entsprechende Auslenkung bei der Antastung des Werkstücks mit dem Antastformelement realisierbar ist, so wird mit dem zweiten Abstandsensor dennoch die richtige Interferenzordnung dem ersten Abstandsensor zugeordnet. Bevorzugt erfalg die Dimensionierung und Wahl der Auslenkung also derart, dass die Abweichungen zwischen den Abstandsmesswerten der beiden optischen Abstandsensoren kleiner als eine Interferenzordnung, insbesondere kleiner als eine halbe Interferenzordnung sind, oder kleiner, je nach Art des Interferometers.

Die Erfindung sieht zur Lösung also auch ein Verfahren zur Bestimmung der Lage von Messpunkten an einer Werkstückoberfläche (Oberflächenpunkte) vor, mit einem taktil-optischen Sensor, umfassend zumindest einen ersten optischen Abstandsensor, und vorzugsweise umfassend einen lateral messenden optischen Sensor wie Bildverarbeitungssensor, wobei der taktil-optische Sensor ein Antastformelement zur Antastung des Werkstücks umfasst, dass von einer Tasterverlängerung, vorzugsweise flexibler Tasterverlängerung, ausgeht, wobei das Antastformelement oder eine dem Antastformelement zugeordnete Marke, die von der Tasterverlängerung an der vom Werkstück abgewandten Seite des Antastformelementes ausgeht, eine erste Marke bilden, und wobei von der Tasterverlängerung eine zweite Marke wie Spiegel oder Teilerschicht wie Dichroid ausgeht, die an der vom Werkstück abgewandten Seite der ersten Marke angeordnet ist, wobei der taktil-optische Sensor vorzugsweise in einem Koordinatenmessgerät eingesetzt wird, das Messachsen für die Relativbewegung zwischen Werkstück und taktil-optischen Sensor aufweist, und wobei der erste optische Abstandssensor die erste Marke, bevorzugt das Antastformelement, erfasst und dessen Position in senkrechter Richtung, wie Z-Richtung des Koordinatenmessgeräts, bestimmt, und wobei vorzugsweise der lateral messende optische Sensor die erste Marke, bevorzugt das Antastformelement, erfasst und dessen Position in einer oder zwei lateralen Richtungen, insbesondere senkrecht zur Messrichtung des ersten oder zweiten optischen Abstandsensor verlaufenden Richtung oder Richtungen, wie X- und/oder Y-Richtung des Koordinatenmessgeräts, bestimmt und daraus, und vorzugsweise aus der mittels der Messachsen bestimmten Relativposition zwischen dem Werkstück und dem taktil-optischen Sensor, die Lage des Messpunktes in der oder den lateralen Richtungen bestimmt wird, dass sich dadurch auszeichnet, dass der taktil-optische Sensor einen zweiten optischen Abstandsensor umfasst, der die zweite Marke erfasst und dessen Position in senkrechter Richtung, wie Z-Richtung des Koordinatenmessgeräts, bestimmt, wobei der erste optische Abstandsensor mehrere in Messrichtung aufeinanderfolgende Eindeutigkeitsbereiche aufweist, bevorzugt interferometrischer Sensor (Interferometer) mit Interferenz-Ordnungen als Eindeutigkeitsbereiche wie insbesondere Homodyninterferometer ist, und wobei der zweite optische Abstandsensor einen

Messbereich mit zumindest einem Eindeutigkeitsbereich aufweist, und wobei der erste Abstandsensor eine höhere Genauigkeit, insbesondere höhere Auflösung, in Messrichtung und/oder senkrecht zur Messrichtung, als der zweite Abstandsensor aufweist und der zweite Abstandsensor einen größeren Messbereich und/oder Eindeutigkeitsbereich in Messrichtung als einer der Eindeutigkeitsbereiche des ersten Abstandsensors aufweist, und wobei in einem taktil-optischen Messmodus zur Bestimmung der Lage des jeweils durch das Antastformelement angetasteten Messpunktes der verwendete Abstandsmesswert für die Position der ersten Marke in senkrechter Richtung wie Z-Richtung ermittelt wird, indem dem jeweiligen Messwert des ersten Abstandsensors unter Verwendung des jeweils gleichzeitig aufgenommenen Messwertes des zweiten Abstandsensors ein Eindeutigkeitsbereich des ersten Abstandsensors zugewiesen wird und aus dem zugewiesenen Eindeutigkeitsbereich (Interferenz-Ordnung) und dem Messwert des ersten Sensors die Position der ersten Marke in senkrechter Richtung und daraus, und vorzugsweise mittels der Messachsen bestimmten Relativposition zwischen dem Werkstück und dem taktil-optischen Sensor, die Lage des Messpunktes in senkrechter Richtung bestimmt wird.

Die Ausrichtung auf sich gegenseitig überlappende Bereiche der Werkstückoberfläche, insbesondere auf den selber Bereich ist notwendig, damit an derselben Stelle gemessen wird. Die maximale Abweichung der Messfleckzentren bzw. -Schwerpunkte sollte dabei nicht größer sein, als der Radius des größeren Messflecks. Die Messflecken beider Sensoren, also der Bereich des Werkstück, von dem die zurückgeworfene Strahlung in die Auswertung des jeweiligen Sensors eingeht, können unterschiedlich groß sein. Der Messbereich ist der erfassbare Bereich in Messrichtung. Gleichzeitige Messung bedeutet, dass z.B. durch Einsatz eines Triggers oder Taktgebers die Datenaufnahme beider Sensoren zeitgleich erfolgt. Je nach Messgeschwindigkeit und Oberflächenbeschaffenheit ist jedoch auch ein leichter Zeitversatz zulässig, da mit dem zweiten Sensor nur die Interferenz-Ordnung erkannt werden muss.

Insbesondere zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass Genauigkeit des zweiten Abstandsensors besser als halber Eindeutigkeitsbereich des ersten Abstandsensors ist.

Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass in einem wahlweise einstellbaren zweiten Messmodus der erste und/oder der zweite Abstandsensor unabhängig vom jeweils anderen Abstandsensor die Lage von Oberflächenpunkten bestimmt, wobei gegebenenfalls vorhandene Tasterverlängerung entfernt wird, vorzugsweise automatisch in einer Parkstation abgelegt wird.

Insbesondere zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass als der erste Abstandsensor ein Interferometer, insbesondere Homodyninterferometer oder Heterodyninterferometer oder Weißlichtinterferometer oder kurzkohärentes Interferometer oder Sensor nach dem Prinzip der optischen Kohärenztomografie eingesetzt wird.

Bevorzugterweise sieht die Erfindung vor, dass als der zweite Abstandsensor ein Laserabstandsensor nach dem Foucault Prinzip oder chromatischer, insbesondere chromatisch konfokaler Sensor oder Autofokussensor oder Fokusvariationssensor oder konfokaler Sensor oder Weißlichtsensor oder Weißlichtinterferometer oder kurzkohärentes Interferometer oder Triangulationssensor oder Laserliniensensor oder Photogrammetriesensor oder Steifen- bzw. Musterprojektionssensor oder Stereokamera oder Stereoskopischer Sensor oder Lichtfeldkamera eingesetzt wird.

Hervorzuheben ist des Weiteren, dass erster und/oder zweiter Abstandsensor punktförmig misst, insbesondere runden oder ellipsenförmigen Messfleck auf der Werkstückoberfläche oder gegebenenfalls zweiter Abstandsensor auf der zweiten Marke, mit Fläche kleiner als einem Quadratmillimeter, bevorzugt kleiner als 0,5 mmA2, aufweisen.

Die Erfindung zeichnet sich auch dadurch aus, dass unter Verwendung zumindest eines weiteren gleichzeitig messenden Sensors, insbesondere weiteren optischen Abstandsensors, welcher größeren Messbereich und/oder Eindeutigkeitsbereich in Messrichtung als ein Eindeutigkeitsbereich des zweiten Abstandsensors aufweist, dem zweiten Abstandsensor ein Eindeutigkeitsbereich des zweiten Abstandsensors zugewiesen wird um den Messwertes des zweiten Abstandsensors zu bestimmen.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung der Lage von Messpunkten an einer Werkstückoberfläche (Oberflächenpunkte), umfassend einen ersten optischen Abstandsensor, der mehrere in Messrichtung aufeinanderfolgende Eindeutigkeitsbereiche aufweist, bevorzugt interferometrischen Sensor (Interferometer) mit Interferenz-Ordnungen als Eindeutigkeitsbereiche, und einen zweiten optischen Abstandsensor, der einen Messbereich mit zumindest einem Eindeutigkeitsbereich aufweist, wobei der erste und der zweite optischer Abstandsensor bevorzugt in einem Koordinatenmessgerät integriert sind, das Messachsen für die Relativbewegung zwischen Werkstück und Abstandsensoren aufweist, zeichnet sich dadurch aus, dass der erste Abstandsensor eine höhere Genauigkeit, insbesondere höhere Auflösung, in Messrichtung und/oder senkrecht zur Messrichtung, als der zweite Abstandsensor aufweist und der zweite Abstandsensor einen größeren Messbereich und/oder Eindeutigkeitsbereich in Messrichtung als einer der Eindeutigkeitsbereiche des ersten Abstandsensors aufweist, und wobei die Vorrichtung dazu ausgebildet ist, dass in einem ersten Messmodus der erste und der zweite Abstandsensor gleichzeitig die Werkstückoberfläche erfassen und der zur Bestimmung der Lage des jeweiligen Messpunktes verwendete Abstandsmesswert ermittelbar ist, indem dem jeweiligen Messwert des ersten Abstandsensors unter Verwendung des jeweils gleichzeitig aufgenommenen Messwertes des zweiten Abstandsensors ein Eindeutigkeitsbereich des ersten Abstandsensors zuweisbar ist und aus dem zugewiesenen Eindeutigkeitsbereich (Interferenz-Ordnung) und dem Messwert des ersten Sensors, und vorzugsweise der mittels der Messachsen bestimmten Relativposition zwischen Werkstück und Abstandsensoren, die Lage des Messpunktes bestimmbar ist.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung der Lage von Messpunkten an einer Werkstückoberfläche (Oberflächenpunkte), mit einem taktil-optischen Sensor, umfassend zumindest einen ersten optischen Abstandsensor, und vorzugsweise umfassend einen lateral messenden optischen Sensor wie Bildverarbeitungssensor, wobei der taktil-optische Sensor ein Antastformelement zur Antastung des Werkstücks umfasst, dass von einer Tasterverlängerung, vorzugsweise flexibler Tasterverlängerung, ausgeht, wobei das Antastformelement oder eine dem Antastformelement zugeordnete Marke, die von der Tasterverlängerung an der vom Werkstück abgewandten Seite des Antastformelementes ausgeht, eine erste Marke bilden, und wobei von der Tasterverlängerung eine zweite Marke wie Spiegel oder Teilerschicht wie Dichroid ausgeht, die an der vom Werkstück abgewandten Seite der ersten Marke angeordnet ist, wobei der taktil-optische Sensor vorzugsweise in einem Koordinatenmessgerät integriert ist, das Messachsen für die Relativbewegung zwischen Werkstück und taktil-optischen Sensor aufweist, und wobei der erste optische Abstandssensor ausgebildet ist, die erste Marke, bevorzugt das Antastformelement, zu erfassen und dessen Position in senkrechter Richtung, wie Z-

Richtung des Koordinatenmessgeräts, bestimmbar ist, und wobei vorzugsweise der lateral messende optische Sensor ausgebildet ist, die erste Marke, bevorzugt das Antastformelement, zu erfassen und dessen Position in einer oder zwei lateralen Richtungen, insbesondere senkrecht zur Messrichtung des ersten oder zweiten optischen Abstandsensor verlaufenden Richtung oder Richtungen, wie X- und/oder Y-Richtung des Koordinatenmessgeräts, bestimmbar ist und daraus, und vorzugsweise aus der mittels der Messachsen bestimmten Relativposition zwischen dem Werkstück und dem taktil-optischen Sensor, die Lage des Messpunktes in der oder den lateralen Richtungen bestimmbar ist, zeichnet sich dadurch aus, dass der taktil-optische Sensor einen zweiten optischen Abstandsensor umfasst, der ausgebildet ist, die zweite Marke zu erfassen und dessen Position in senkrechter Richtung, wie Z-Richtung des Koordinatenmessgeräts, bestimmbar ist, wobei der erste optische Abstandsensor mehrere in Messrichtung aufeinanderfolgende Eindeutigkeitsbereiche aufweist, bevorzugt interferometrischer Sensor (Interferometer) mit Interferenz-Ordnungen als Eindeutigkeitsbereiche wie insbesondere Homodyninterferometer ist, und wobei der zweite optische Abstandsensor einen Messbereich mit zumindest einem Eindeutigkeitsbereich aufweist, und wobei der erste Abstandsensor eine höhere Genauigkeit, insbesondere höhere Auflösung, in Messrichtung und/oder senkrecht zur Messrichtung, als der zweite Abstandsensor aufweist und der zweite Abstandsensor einen größeren Messbereich und/oder Eindeutigkeitsbereich in Messrichtung als einer der Eindeutigkeitsbereiche des ersten Abstandsensors aufweist, und wobei in einem taktil-optischen Messmodus zur Bestimmung der Lage des jeweils durch das Antastformelement angetasteten Messpunktes der verwendete Abstandsmesswert für die Position der ersten Marke in senkrechter Richtung wie Z-Richtung ermittelbar ist, indem dem jeweiligen Messwert des ersten Abstandsensors unter Verwendung des jeweils gleichzeitig aufgenommenen Messwertes des zweiten Abstandsensors ein Eindeutigkeitsbereich des ersten Abstandsensors zuweisbar ist und aus dem zugewiesenen Eindeutigkeitsbereich (Interferenz-Ordnung) und dem Messwert des ersten Sensors die Position der ersten Marke in senkrechter Richtung und daraus, und vorzugsweise mittels der Messachsen bestimmten Relativposition zwischen dem Werkstück und dem taktil-optischen Sensor, die Lage des Messpunktes in senkrechter Richtung bestimmbar ist.

Insbesondere zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass der erste und der zweite Abstandsensors auf gegenseitig überlappende Bereiche der Werkstückoberfläche

ausgerichtet sind, insbesondere Messflecken gleichen Schwerpunkt aufweisen, indem der erste und der zweite Abstandsensor zumindest teilweise einen gemeinsamen Strahlengang aufweisen, insbesondere gemeinsame Frontoptik aufweisen.

Bevorzugterweise sieht die Erfindung vor, dass der erste und der zweite Abstandsensor von einer gemeinsamen Einheit ausgehen, wobei mittels der Messachsen des Koordinatenmessgerätes die Einheit und das Werkstück bzw. eine Werkstückauflage relativ zueinander verstellbar sind.

Die Erfindung zeichnet sich auch dadurch aus, dass der erste und/oder der zweite Abstandsensor ausgebildet sind, in einem wahlweise einstellbaren zweiten Messmodus unabhängig vom jeweils anderen Abstandsensor die Lage von Oberflächenpunkten zu bestimmen, wobei gegebenenfalls vorhandene Tasterverlängerung entfernbar ist, vorzugsweise automatisch in einer Parkstation ablegbar ist.

Die den Ansprüchen zu entnehmenden Merkmale können gegebenenfalls beliebig kombiniert werden, und zwar unabhängig von den in den Ansprüchen berücksichtigten Rückbeziehungen .

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

Es zeigen:

eine Prinzipdarstellung eines Werkstücks, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gemessen wird, befestigt in einer Drehvorrichtung

Fig. 2 eine Prinzipdarstellung des Werkstücks und der zur mechanischen

Ausrichtung eingesetzten Dreh-Schwenk-Einrichtung, integriert in ein Koordinatenmessgerät,

Fig. 3 eine Prinzipdarstellung von zu messenden Abschnitten eines Bereiches eines ersten Werkstücks und Tasterschaft des zur Messung verwendeten ersten Sensors in geeigneter mechanischer Ausrichtung,

Fig. 4 eine Prinzipdarstellung von zu messenden Abschnitten eines Bereiches eines zweiten Werkstücks und Tasterschaft des zur Messung verwendeten ersten Sensors in geeigneter mechanischer Ausrichtung,

Fig. 5 Eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur

Kopplung zweier Strahlengänge mit einem Teiler,

Fig. 6 eine erste Detaildarstellung zum Teiler,

Fig. 7 eine zweite Detaildarstellung zu Teilern,

Fig. 8 eine weitere Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem biegeelastischen Taststift und

Fig. 9 eine weitere Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem ersten optisch, interferometrischen Abstandsensor und einem zweiten optischen Abstandsensor zur Erfassung von Marken an einer Tasterverlängerung.

Die Figur 1 zeigt beispielhaft eine vereinfachte Darstellung eines typischen Werkstücks 1 in Form einer Einspritzdüse für PKWs oder LKWs mit mehreren Mikrogeometrien, die als Öffnungen ausgebildet sind wie Bereiche 2, im Beispiel mehrere am Umfang um die Zentralachse 3d verteilte Spritzlöcher 2. Die Darstellung der Einspritzdüse erfolgt nicht vollständig, sondern durch gestrichelte Linien unterbrochen. Insbesondere der unterhalb der Bereiche 2 in Richtung der mechanischen Drehachse 3 befindliche Bereich ist deutlich komplizierter aufgebaut, hier aber nur angedeutet. Die Bereiche (Spritzlöcher) 2 gehen an ihrem unteren Ende 6a von einem im Inneren der Einspritzdüse befindlichen Kanal 5 aus und erstrecken sich bis zum an oder Nahe der Oberfläche 9 des Werkstücks befindlichen oberen Ende 6b. Um die mehreren Bereiche 2 einer Messung durch einen Sensor zugänglich zu machen, also mechanisch auszurichten, ist die Einspritzdüse 1 mittels einer Aufspannvorrichtung 4 am entlang des Pfeiles 3c um die Drehachse 3d in Bezug auf den feststehenden Teil 3b drehbaren Teil 3a einer mechanischen Drehachse 3 drehbar. Die Mittelachsen der Spritzlöcher 2 nehmen beispielhaft etwa den gleichen Winkel (Höhenwinkel) zur Zentralachse 3d ein. Es sind aber auch Einspritzdüsen mit Spritzlöchern mit unterschiedlichen oder sogar mehreren Höhenwinkeln verfügbar und zudem muss die mechanische Ausrichtung für jeden Bereich 2 getrennt sehr genau erfolgen, so dass zusätzlich auch ein Schwenken des Werkstücks 1 mittels einer mechanischen Schwenkachse 12, hier nicht, sondern erst in Figur 2 dargestellt, erfolgt. Mechanische Schwenkachse 12 und mechanische Drehachse 3 bilden zusammen oft eine Dreh-Schwenk- Einrichtung.

Mit dem Pfeil 1 ' gekennzeichnet ist zudem eine vergrößerte Darstellung des oberen Bereiches der Einspritzdüse 1. Die Oberflächennormale der Oberfläche 9 des Werkstücks ist mit dem Bezugszeichen n gekennzeichnet und bezeichnet die Senkrechte zur Oberfläche 9 in der direkten Umgebung der jeweiligen Öffnung 2. Die Oberflächennormale n unterscheidet sich von der in den Figuren 3 und 4 gezeigten Oberflächennormale 11 eines Abschnitts 7.

Figur 2 zeigt ein beispielhaftes Koordinatenmessgerät 13 mit mehreren Sensoren 8, 21, 24, 23, 27, der Dreh-Schwenkeinrichtung, bestehend aus mechanischer Drehachse 3 und mechanischer Schwenkachse 12, und das an der Dreh-Schwenk-Einrichtung mittels der Aufspannvorrichtung 4 befestigte Werkstück 1. Die Dreh-Schwenk-Einrichtung ist am Messtisch 14 befestigt, der seinerseits in Y-Richtung mittels Messachsen verschiebbar von einer Basis 15 ausgeht. Von der Basis 15 gehen zudem die beiden Stützen 16 aus, an denen die Brücke 17 befestigt ist. Der Läufer 18 ist entlang der X-Richtung zur Brücke 17 mittels Messachsen verschiebbar. Vom Läufer 18 gehen die beiden Pinolen 19 und 20 aus, die zum Läufer 18 mittels Messachsen in Z-Richtung verschiebbar sind.

An der ersten Pinole 19 befindet sich zum einen ein Bildverarbeitungssensor 21, hier als weiterer Sensor bezeichnet, und ein aus Tasterverlängerung 8 und Bildverarbeitungssensor 21 gebildeter taktil-optischer Sensor, der hier als erster Sensor bezeichnet wird. Die Tasterverlängerung umfasst einen Tasterschaft 8d, 8b, von dem das Antastformelement 8a und die Zielmarke 8c ausgehen. Der direkt oberhalb der Zielmarke 8c befindliche Bereich 8d des Tasterschaftes ist abschnittsweise biegeelastisch als zum Beispiel Glasfaser

ausgeführt. Die senkrecht zur Tasterschaftachse durch Berührung der zu messenden Abschnitte des Werkstücks 1 ausgelöste Auslenkung des Antastformelementes 8a wird durch den durch seine kurze Länge weitgehend biegesteifen Bereich 8b des Tasterschaftes an die Zielmarke 8c übertragen und durch Erfassung der Zielmarke 8c mit dem Bildverarbeitungssensor 21 gemessen.

An der zweiten Pinole 20 befindet sich ebenso ein Bildverarbeitungssensor 23, eine modifizierte Tasterverlängerung 24, die am oberen, vom Antastformelement 8a abgewandten Ende eine zweite Zielmarke 25 umfasst, und ein optischer Abstandsensor 27, die zusammen auch einen weiteren taktil-optischen Sensor, und zwar einen dreidimensional die Auslenkung des Antastformelementes 8a erfassenden taktil-optischen Sensor bilden. Die Zielmarke 25 ist ein zumindest teilweise als reflektierende Fläche ausgebildeter Reflektor 25, der den Messstrahl des weiteren Abstandsensor 27 zurück in den Sensor 27 reflektiert. Dieser erfasst dadurch indirekt die Auslenkung des Antastformelementes 8a in Richtung der Schaftachse des Tasterschaftes 8d, 8b. Die Auslenkung senkrecht dazu wird wiederum durch Erfassen der Zielmarke 8c durch den Bildverarbeitungssensor 23 realisiert. Abstandsensor 27 und Bildverarbeitungssensor 23 verwendet dabei zumindest teilweise die gleiche Abbildungsoptik 28 bzw. 22, sofern, hier nicht dargestellt, auch an der ersten Pinole 19 ein Abstandsensor angebracht ist.

Der Einsatz von zwei Pinolen und den beiden Sensorgruppen 8,21 und 23, 24, 27 ist nur beispielhaft. Sämtliche Sensoren 8, 21, 24, 23, 27 können auch an einer Pinole befestigt sein. Die Kombination der Sensoren 8, 21 und 27 ist ebenso möglich. Zudem können die Tasterverlängerungen 8 und 24 jeweils in Wechselmagazinen, hier nicht dargestellt, manuell oder bevorzugt automatisch abgelegt werden. Dann können die Sensoren 22, 23 und 27 auch unabhängig voneinander die Oberfläche des Objektes 1 erfassen. Mit dem Bildverarbeitungssensor 22, 23 ist teilweise auch eine Erfassung von in Öffnungen liegenden Strukturen möglich, wie dies zu Figur 3 noch erläutert werden wird.

Der gezeigte beispielhafte Aufbau des Koordinatenmessgerätes 13 entspricht der Bauart „feste Brücke", der aufgrund hoher erzielbarer Genauigkeiten für die Messung von Mikromerkmalen bevorzugt ist, ohne dass dies eine Einschränkung der Erfindung darstellt. Weitere Bauarten wie beispielsweise „bewegliche Brücke", „Tischgeräte", „Ausleger" oder„Ständer" sind ebenso denkbar.

Damit der jeweilige Bereich 2 von einem der Sensoren erfasst werden kann, wird neben dem translatorischen Positionieren mit den zuvor genannten Messachsen das Werkstück durch die Dreh-Schwenk-Einrichtung rotatorisch gedreht, mittels bereits erläuterter mechanischer Drehachse 3, und geschwenkt. Das Schwenken erfolgt mittels der mechanischen Schwenkachse 12, die ein Schwenken des schwenkbaren Teils 12a in Richtung des Pfeiles 12c um die Schwenkachse 12d in Bezug auf den feststehenden Teil 12b erlaubt. Translatorische und rotatorische Bewegungen werden für die Grobausrichtung und auch die mechanische (Fein-)Ausrichtung verwendet. Das Drehen ist unter anderem notwendig, um von einem Bereich 2 zum nächsten zu gelangen, durch Schwenken erfolgt das Anpassen an den Höhenwinkel.

Die Figuren 3a und 3b zeigen die Messung zweier Abschnitte 7 am Bereich 2, wobei jeweils zuvor eine getrennte mechanische Ausrichtung erfolgte. Die rotatorische mechanische Ausrichtung erfolgte dabei, bevor das Antastformelement 8a und der Tasterschaft mit seinem Bereich 8b in die Öffnung 2 eintauchte. Dies war notwendig, um die beiden Bereiche 7 sicher ohne Schaftantastung durchzuführen, weil der Durchmesser des Bereiches 2 in Richtung auf den innen liegenden Kanal 5 in seinem Durchmesser zunimmt. Am unteren Ende 6a des Bereiches 2 liegt also ein größerer Durchmesser vor als am oberen Ende 6b, wie dies beispielsweise bei Spritzlöchern von Diesel-Einspritzdüsen der Fall ist. Der Übergang des Bereiches 2 in den Kanal 5 weist eine Verrundung 6e auf. Die maximale Tiefe des Bereiches 2 ist mit 6f gekennzeichnet, die Mittelachse mit 6c und der Eintrittspunkt in die Öffnung 2, bezeichnet als Öffnungsmitte mit 6d.

Der Bereich 2 ist beispielhaft kegelförmig ausgebildet. Eine zylindrische Ausbildung ist ebenso denkbar. Der zu messende Bereich 7 ist eine Mantellinie bzw. Kegelmantellinie und erstreckt sich in Richtung der auf den Kegelmantel projizierten Mittelachse 6c. Zum kollisionsfreien Eintauchen des Antastformelementes 8a in die Öffnung 2 und Messen von Messpunkten als Einzelpunkte oder scannend entlang des Abschnitts 7 erfolgt das rotatorische mechanische Ausrichten zuvor so, dass der Tasterschaft 8b von der den Abschnitt 7 enthaltenden Wand des Bereiches 2 bei Berührung mit dem Antastformelement 8a weg verläuft, also ein Winkel α zwischen der Oberflächennormale 11 des Abschnitts 7 und der Schaftachse 10 von kleiner als 90° vorliegt. Bevorzugt beträgt α etwa 89,7° bis 89,5°, damit auch bei Auslenkung des Antastformelementes 8a keine

Schaftantastung erfolgt. Zu kleine Winkel bergen die Gefahr, dass Schaftantastung bzw. Kollision mit der gegenüberliegenden Wand des Bereiches 2 erfolgt. Winkel von genau 90° sind denkbar, jedoch nur bei geringen Auslenkungen.

Es ist zu beachten, dass die Größen Verhältnisse des Durchmessers von Antastformelement 8a und Durchmesser und Tiefe 6f des Bereiches 2 beispielhaft sind. Im Fall von Spritzlöchern sind die Tiefe 6f und der Durchmesser des Antastformelementes im Vergleich zum Durchmesser des Bereichs größer.

Beispielhaft beträgt die Tiefe 6f 0,7 mm bis 1,2 mm, insbesondere 1 mm, der Durchmesser in den Bereichen 6a und 6b bzw. der mittlere Durchmesser zwischen 6a und 6b 80 μιη bis 90 μιη, insbesondere 90 μιη, und der Durchmesser des Antastformelementes 8a 20 μιη bis 80 μιη, insbesondere 70 μιη. Der Durchmesser der bevorzugt vorhandenen Zielmarke 8c beträgt beispielhaft 80 μιη bis 120 μιη, insbesondere 95 μιη, und der Abstand zwischen Zielmarke 8c und Antastformelement 8a 1,3 mm bis 1,5 mm, insbesondere 1,5 mm.

Vor dem eigentlichen mechanischen Ausrichten, also dem translatorischen und rotatorischen Positionieren muss die Lage des jeweiligen Bereiches, charakterisiert durch Lage der Mittelachse 6c und Position der Öffnungsmitte 6d, bestimmt werden. Hierzu sind mehrere Verfahren vorgesehen. Nach einer Grobausrichtung anhand der Solldaten wird bei einem der erfinderischen Verfahren an der Oberseite 6b der Mittelpunkt des Bereiches 2 durch Kreismessung mittels des Bildverarbeitungssensors 21 bestimmt. Alternativ erfolgt die Bestimmung mit dem taktil-optischen ersten Sensor, also indem das Antastformelement 8 a nur leicht unterhalb der Oberseite 6b in die Öffnung eintaucht. Zusätzlich wird ein zweiter Mittelpunkt bestimmt, in Höhe des unteren Endes 6a oder in etwa halber Tiefe der maximalen Tiefe 6f mit dem taktil-optischen ersten Sensor. Die Verbindungslinie der beiden Mittelpunkte ergibt die Mittelachse 6c. Die Messungen mit dem Bildverarbeitungssensor 21 erfolgen bei einer, nicht dargestellten, Durchlichtbeleuchtung, realisiert durch eine diffus leuchtende Lichtquelle, die in den Kanal 5 eingeführt wird. Alternativ werden mit dem taktil-optischen ersten Sensor Mantellinien bis in die halbe maximale Tiefe verlaufend gescannt und ein Ausgleichzylinder oder Ausgleichkegel berechnet, dessen Achse die Mittelachse 6c bildet. Die Öffnungsmitte 6d wird durch Bestimmung von einem Messpunkt auf der Oberfläche 9 des Werkstücks nahe der Öffnung 2 mit dem Bildverarbeitungssensor im Autofokus-

Modus oder dem weiteren Abstandsensor 27 bestimmt, wobei die Tasterverlängerung 8 bzw. 24 vorzugsweise abgelegt wurde oder durch Vergrößerung des Arbeitsabstandes des Bildverarbeitungssensors 21 bzw. Abstandsensors 27 unscharf wird.

Anschließend erfolgt die mechanische (Fein-)Ausrichtung unter Berücksichtigung der Oberflächennormale 11 des jeweiligen Abschnittes 7, so dass sich der Winkel α ergibt, wobei sich die Lage des Abschnittes 7 aus den Solldaten wie CAD-Daten ergibt. Die translatorische Positionierung in die Öffnung 2 hinein erfolgt erst nach der rotatorischen mechanischen Ausrichtung.

In den Figuren 4a und 4b ist, ähnlich wie in Figur 3 die Messung zweier Abschnitte 7 am Bereich 2 eines zweiten Werkstücks gezeigt, wobei nun aber keine getrennte rotatorische mechanische Ausrichtung je Abschnitt erfolgt, da der Durchmesser des Bereiches 2 nach innen hin abnimmt, alle Bereiche 7 also unter Einhaltung des gleichen Winkels α in einer Dreh-Schwenk-Stellung der Dreh-Schwenk-Einheit ohne Schaftantastung erreichbar sind. Der Tasterschaft 10 ist dabei parallel zur Mittelachse 6c ausgerichtet. Beim zweiten Werkstück handelt es sich beispielsweise um eine Benzin-Einspritzdüse und die Bereiche 2 sind deren Spritzlöcher. Durch die gleichbleibende rotatorische Ausrichtung sind nun neben den Mantellinien auch weitere Abschnitte 7a messbar. Diese können entlang des Umfangs des Kegels oder aber beliebig innerhalb des Bereiches 2 wie Kegelmantel verlaufen.

Anhand der Figur 5 wird die Kopplung des ersten Strahlengangs 601 des Bildverarbeitungssensors und des zweiten Strahlengangs 602 eines Abstandssensors mittels des Teilers 603 dargestellt. Nach dem Vereinigen durchlaufen die beiden Strahlengänge 601 und 602 einen gemeinsamen Strahlengang in Richtung des Werkstücks 605, welcher beispielhaft hier lediglich zusätzlich aus der Frontoptik 604 besteht, wobei der Teiler 603 ebenso zum gemeinsamen Strahlengang zu zählen ist. Der erste Strahlengang 601 weist zudem die beiden verschiebbaren Linsengruppen 606 und 607 auf, sowie einen weiteren Strahlteiler 608 zur Einkopplung des Lichts der Lichtquelle 609, sowie den Bildsensor 610, wie CCD- oder CMOS-Kamera 610. Der zweite Strahlengang 602 weist zumindest die verschiebbaren Linsengruppen 611 und 612 auf. Bevorzugt ist im zweiten Strahlengang 602 ebenso eine über den Strahlteiler 614 einkoppelbare Lichtquelle 615 vorhanden. Zudem zählt der Empfänger 613 zum Strahlengang 602, welcher im Fall

eines chromatischen Sensors als Spektrometer und im Fall eines Foucault-Sensors als Differenziode ausgebildet ist. Im Fall des foucaultschen Sensors ist zudem im Strahlengang 602 die Schneide 616 vorgesehen.

Für den Fall, dass der zweite Strahlengang 602 mit dem chromatischen Sensor ausgestattet ist, kann beispielsweise der Strahlengang zwischen den Linsengruppen 612 und dem Strahlteiler 614 zumindest teilweise als optische Faser ausgeführt sein. Ebenso kann der Bereich zwischen dem Teiler 603 und der Linsengruppe 611 zumindest teilweise als optische Faser ausgeführt sein.

Fig. 6 zeigt eine erste Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Bezug auf den Teiler 603. Dieser ist derart ausgebildet, dass aus Richtung des Werkstücks 605 stammendes Licht 617, welches breitbandiges Licht Io ist, aufgeteilt wird in einen Teilstrahl 618 mit der spektralen Verteilung I2 in Richtung des zweiten Strahlengangs 602 und in den Teilstrahl 619 mit der Intensität I1; welcher in den ersten Strahlengang 601 in Richtung des Bildsensors 610 gelenkt wird. Hierdurch steht dem chromatischen Abstandssensor ein großer spektraler Bereich zur Auswertung des Abstandes zur Verfügung und der Bildverarbeitungssensor erhält nur einen schmalen spektralen Bereich, der kaum chromatische Fehler aufweist. Der Teiler 603 ist dazu mit einer oder mehreren spezieller wellenlängenselektiven Schichten versehen.

Eine alternative Ausführung des Teilers 603 ist in der Figur 7 dargestellt. Hierbei handelt es sich um einen kaskadierten Teiler mit zwei Teilerschichten, insbesondere Dichroiden 620 und 621. Der erste Dichroid 620 weist die Grenzwellenlänge λοι und der zweite Dichroid 621 weist die höhere Grenzwellenlänge λο2 auf. Hierdurch reflektiert der erste Dichroid 620 den Wellenlängenbereich unterhalb λ0ι in Richtung 618 des zweiten Strahlengangs und lässt spektrale Anteile oberhalb λ0ι in Richtung 622 zu dem zweiten Dichroid 621 durch. Am Dichroid 621 werden die verbleibenden spektralen Anteile I3 des Strahls 622 erneut aufgeteilt, und zwar in den Bereich oberhalb λ02 entsprechend der Intensität I2 in Richtung des Pfeiles 618 in den zweiten Strahlengang und den Anteil L zwischen den beiden Grenzwellenlängen λοι und λο2 in Richtung des Pfeiles 623 in den ersten Strahlengang in Richtung des Bildsensors 610. Der spektrale Bereich 618 wird beispielsweise von einer Faser 624 aufgenommen und der spektrale Bereich 618' von einer zweiten optischen Faser 625, wobei diese in Richtung des Spektrometers 613 im zweiten Strahlengang des chromatischen Sensors geleitet und vorzugsweise mittels eines Faserkopplers vereinigt werden.

In Fig. 8 ist in Erweiterung zur der Darstellung der Figur 5 werkstückseitig vor der Frontoptik 604 ein biegeelastischer Taststift 626, beispielsweise an einer nicht dargestellten Wechselschnittstelle mit dem optischen Strahlengang 601 automatisch auswechselbar verbunden, angeordnet. Von dem Taststift 626 geht das Antastformelement 627 aus, dass zur berührenden Messung mit dem Werkstück vorgesehen ist. Die Auslenkung senkrecht zur Achse des Taststiftes 626, also senkrecht zur optischen Achse des Strahlengangs 601 wird mittels des ersten Strahlengangs, also des Bildverarbeitungssensors 610 erfasst, dargestellt durch beispielhafte Strahlen 601a des ersten Strahlengangs. Anstatt der direkten Erfassung des Antastformelements 627 kann an dem Taststift in Richtung auf die Frontoptik 604 zu, also oberhalb des Antastformelementes 627 auch eine hier als zweite Marke bezeichnete, jedoch nicht dargestellte Marke, durch den Bildverarbeitungssensor erfasst werden. Des Weiteren geht von dem Taststift 626 die erste Marke 628 aus, welche beispielsweise als Beschichtung des als Faser ausgeführten Taststiftes 626 oder beispielsweise auch als aufgeklebter Spiegel bzw. Teilspiegel ausgeführt ist, wobei ein Teilspiegel ein Teil des Lichtes passieren lässt, um eine Beleuchtung des Antastformelementes 627 oder der zweiten Marke zu ermöglichenund ein Teil des Lichtes reflektiert, um dieses für eine Messung zur Verfügung zu stellen. Erfindung s gemäß ist vorgesehen, dass die zweite Marke 628 dazu dient, dass die Messstrahlung 629 des zweiten Strahlengangs, insbesondere eines Abstandssensors zumindest teilweise reflektiert wird, um die Auslenkung des Antastformelements 627 in Richtung der Taststiftachse zu messen. Der Strahlengang des zweiten Sensors 602 wird dabei durch den Teiler 603 in Richtung 629 auf die am oberen Ende des Taststift angebrachte erste Marke 628 umgelenkt und durch die Frontoptik 604 auf die Marke 628 fokussiert. Gestrichelt dargestellt ist ein wahlweise anstatt des Taststift 626 einbringbarer Taststift 626', welcher das Antastformelement 627' aufweist und beispielhaft die zweite Marke an derselben Stelle 628 aufweist. Damit das Antastformelement 627' bzw. einem diesen zugeordnete zweite Marke durch den Bildverarbeitungs strahlengang 601 auf den Detektor 610 abgebildet werden kann, ist es notwendig, den Arbeitsabstand zumindest durch Bewegen der Linsengruppen 606 und 607 oder einer der beiden Linsengruppen 606 und 607 so anzupassen, dass die beispielhaft mit dem Bezugszeichen 601a' dargestellten Strahlen das Antastformelement 627' erfassen. In der dargestellten beispielhaften

Darstellung muss der Arbeits ab stand des zweiten Strahlengangs, also des Abstandssensors 602 gleich bleiben, um die Marke 628 zu erfassen. Erfindungsgemäß ist jedoch auch vorgesehen, dass die Position der Marke 628, für die zweite Taststiftkonfiguration, also Marke 628' an einer in Richtung der Taststiftachse versetzten Position angeordnet ist, und somit auch der Arbeitsabstand des zweiten Sensors 602 durch Bewegen der Linsen gruppen 611 und/oder 612 einstellbar sein muss. Ist dies jedoch nicht vorgesehen, so kann die Verstellbarkeit der Linsengruppen 611 und 612 ggf. entfallen bzw. sind entsprechende Linsengruppen nicht vorzusehen. Ersatzweise kann jedoch eine weiter Linse oder Linsengruppe anstelle der Linsengruppen 611 und 612 zur Einstellung eines festen Arbeitsabstandes auf die Marke 628 vorgesehen sein.

Die Figur 9 zeigt eine weitere Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, insbesondere einen taktil-optischen Sensor, mit einem ersten optisch, interferometrischen Abstandsensor 705 und einem zweiten optischen Abstandsensor 750 zur Erfassung von Marken 701, 726, die von einer Tasterverlängerung 704 ausgehen.

Die Messungen an dem Werkstück 710 werden dabei durch Antastung mit einem Antastformelement 701 durchgeführt, welches bei Berührung mit dem Werkstück 710 ausgelenkt wird und von einer Tasterverlängerung, insbesondere biegeelastischen Tasterverlängerung 704 ausgeht. Die Auslenkung bzw. Position des Antastformelementes 701 oder alternativ einer darüber angeordneten, nicht dargestellten Marke, wie beispielsweise kugelförmige Verdickung der Tasterverlängerung 704 (beide als erste Marke bezeichnet) wird in den beiden lateralen Richtungen (X- und Y-Richtung, rechtwinklig zur optischen Achse 702 des Bildverarbeitungssensors 703) mit dem Bildverarbeitungssensor 703, aufweisend die Kamera 712, erfasst, wie dies hinreichend im Stand der Technik beschrieben ist. In der vertikalen Richtung (Z-Richtung) erfolgen gleichzeitig mit zwei optischen Abstandsensoren 705 und 750 Messungen, die erfindungsgemäß kombiniert werden, um dem Messergebnis des ersten Abstandsensors 705 einen Eindeutigkeitsbereich zuzuordnen.

Der erste optische Abstandsensor 705 ist als Interferometer ausgeprägt und erfasst die erste Marke 701 (Antastformelement oder darüber befindliche erste Marke), hier das Antastformelement 701. Der zweite optische Abstandsensor 750 ist als Foucault-Sensor ausgeprägt und erfasst die am oberen Ende der Tastverlängerung 704 angeordnete zweite

Marke 726, die beispielsweise als Spiegel, insbesondere teildurchlässiger Spiegel, oder Dichroit ausgebildet ist, um neben der Reflexion des Messstrahls des zweiten Abstandsensors, der nach dem Einspiegeln mittels optischen Teiler wie Teilerspiegel 755 in den Strahlengang 756, 708 des Bildverarbeitungssensors 703 entlang dessen optischer Achse 702 verläuft, zumindest teildurchlässig für Licht in die vorzugsweise als Lichtleitfaser ausgebildete Tasterverlängerung 704 zur Beleuchtung (Selbstleuchten) des Antastformelementes 701 oder der ersten Marke für die Erfassung mit dem Bildverarbeitungssensor 703 zu sein. Der zweite optische Abstandsensor 750 weist eine Lichtquelle 751 zur Generierung eines Messstrahls, den optischen Teiler 752, die Schneide 753 und die Differenzdiodenanordnung 754 zur Auswertung des an der zweiten Marke 726 reflektierten und in den zweiten optischen Abstandsensor 750 mittels des optischen Teilers 755 zurück umgelenkten Messstrahls auf. Es sind aber auch andere optische Abstandsensoren als der zweite optische Abstandsensor vorgesehen.

Auch zum taktil-optischen Sensor gehört bevorzugt eine Abbildungsoptik 707, die zumeist aus mehreren Linsen besteht und auch als Zoomoptik, gegebenenfalls mit unabhängig von der Zoomstufe einstellbarem Arbeits ab stand, ausgebildet sein kann, um zumindest einen Strahlengang 756, 708 entlang der optischen Achse 702 zu bilden, der auf das Antastformelement 701 oder eine diesem zugeordnete erste Marke fokussiert ist. Die optische Achse 702, die Abbildungsoptik 707 und der Strahlengang 708, 756 sind zunächst dem lateral messenden optischen Sensor 703 zugeordnet, werden aber folgend zumindest teilweise auch für den ersten, interferometrischen Abstandsensor 705 und den zweiten optischen Abstandsensor 750 verwendet.

Wie bereits ausführlich dem Stand der Technik zu entnehmen, kann der Schattenwurf des Antastformelements 701 oder der ersten Marke bei Durchlichtbeleuchtung oder das selbst leuchtende Antastformelement 701 oder die selbst leuchtende erste Marke durch den Bildverarbeitungssensor 703 erfasst werden. Bevorzugt wird im Rahmen dieser Anmeldung die zweite Variante, auch als Eigenleuchten bezeichnet, verwendet. Dieses Eigenleuchten wird erzeugt, indem Licht an der vom Werkstück 710 abgewandten Seite 726 der Tasterverlängerung 704, also tasterverlängerungsseitig auf der in Bezug auf das Antastelement fernliegenden oder abgewandten Seite, in diese eingekoppelt und innerhalb dieser bis zum Antastformelement 701 oder, sofern vorhanden, der ersten Marke, weitergeleitet wird. Die Tastverlängerung 704 ist dazu als zumindest teilweise Licht leitend (Lichtleitfaser) ausgebildet, beispielsweise als Glas- oder Kunststofffaser. Antastformelement 701 bzw. erste Marke sind durch nach dem Stand der Technik bekannte Beschichtung so ausgebildet, dass sie das zugeführte Licht größtenteils abgeben, welches von der Abbildungsoptik 707 erfasst und in Richtung der Auswerteeinheiten wie Kamera 712 und Empfänger 713 der Sensoren 703 und 705 abgebildet wird. Die Strahlengänge beider Sensoren verlaufen dazu bis zu einem optischen Teiler 711 gemeinsam und werden von diesem einerseits in Richtung der Auswerteeinheit 712 des lateral messenden Sensors (Bildverarbeitungssensors) 703 und andererseits in Richtung der Auswerteeinheit 713 des ersten optischen, interferometrischen, Abstandsensors 705 geleitet. Der optische Teiler 711 ist beispielsweise als Teilerspiegel wie halbdurchlässige Folie (Pellicle) oder als Teilerwürfel ausgeprägt. Die Auswerteeinheiten 712, 713 sind beispielsweise Kameras mit vorzugsweise flächiger Empfängerfläche, wie CCD- oder CMOS-Kameras und haben gegebenenfalls zusätzliche Abbildungslinsen vorgeschaltet. Das zum Eigenleuchten in die Tasterverlängerung eingekoppelte Licht kann durch den Messstrahl 719 des ersten, interferometrischen Abstandsensors 705 und/oder den Messstrahl des zweiten optischen Abstandsensors 750 und/oder durch eine nicht dargestellte, separate Lichtquelle, deren Licht durch einen weiteren, ebenfalls nicht dargestellten, optischen Teiler in den Strahlengang 756 eingespiegelt wird, gebildet werden.

Zum vertikal messenden interferometrischen, ersten optischen Abstandsensor 705 gehören neben der Abbildungsoptik 707 und der Auswerteeinheiten 713, unter anderem auch die Lichtquellen 714 und 715, die Lichtwellenleiter 717a, 717b und 717c und eine Einkoppelanordnung 716. Letztere besteht zumeist aus einem Faserende mit vorgesetzter Strahlformoptik und koppelt die Strahlung 718 der Lichtquellen 714 und 715 aus dem Lichtwellenleiter 717c so aus, dass eine Einkopplung in die Tasterverlängerung 704 ermöglicht wird. Das Licht der beiden Lichtquellen 714 und 715 wird durch einen Y-Koppler, der die Lichtwellenleiter 717a und 717b mit dem Lichtwellenleiter 717c verbindet, vereint. Die Lichtquellen 714 und 715, die Lichtwellenleiter 717a, 717b und 717c und die Einkoppelanordnung 716 können alternativ auch direkt in der Einheit 706 angeordnet werden. In einer alternativen Ausführung zur Ausführung als Heterodyninterferometer mit zwei Lichtquellen 714 und 715 unterschiedlichen Spektrums insbesondere unterschiedlicher schmalbandiger Wellenlängen, ist auch die Ausführung als Homodyninterferometer vorgesehen, wobei nur eine Lichtquelle 714 schmalbandiges Licht abgibt, das mittels Lichtwellenleiter 717a und der Einkoppelanordnung 716 eingekoppelt wird.

Die vorzugsweise austauschbare bzw. wechselbare Einheit 706 beinhaltet unter anderem die Tasterverlängerung 704, Mittel 737 zur Befestigung der Tasterverlängerung 704, Mittel 722 zur Teilung der Strahlung 718 in die Messstrahlung 719 und die Referenz Strahlung 720, Mittel 722 zur Umlenkung der Messstrahlung 719 in Richtung der vom Werkstück 710 abgewandten Seite 726 der Tasterverlängerung 704 und Mittel 727, 728, 729 wie Reflektoren zur Bildung eines Referenzstrahlengangs 721a, 721b, 721c, wobei der Referenzstrahlengang dabei teilweise geneigt verläuft, insbesondere rechtwinklig, zur optischen Achse (Abschnitte 721a, 721c) und teilweise parallel zur optischen Achse (Abschnitt 721b) verläuft, also mehrfach gefaltet (umgelenkt) ist. Die Reflektoren 727, 728 und 729 befinden sich dabei außerhalb des Strahlengangs 708, insbesondere also seitlich neben dem optischen Strahlengang 708.

Die Einheit 706 enthält zudem nicht dargestellte Mittel wie beispielsweise Permanentmagnete, um an einer Wechselschnittstelle 735 lösbar befestigt zu werden. Die Einkopplung der Strahlung 718 erfolgt bevorzugt seitlich zur Einheit 706 an einer als beispielsweise Öffnung ausgebildeten Schnittstelle 736, kann aber ebenso auch innerhalb der Wechselschnittstelle 735 erfolgen. Gegebenenfalls ist dann eine zusätzliche Umlenkung der Strahlung 718 erforderlich. Sofern die Lichtquellen 714 und 715, die Lichtwellenleiter 717a, 717b und 717c und die Einkoppelanordnung 716 direkt in der Einheit 706 angeordnet sind, werden über die Wechselschnittstelle 735 die benötigten elektrischen Zuführungen zu den Lichtquellen 714 und 715 geführt.

Die aus dem Antastformelement austretende Messstrahlung 719 wird von der Abbildungsoptik 707 erfasst und mittels des optischen Teilers 711 zur Auswerteeinheit 713 umgelenkt. Hierbei erfolgt die Überlagerung (Interferenz) mit dem nach Reflexion an den Umlenkspiegeln 727, 728, 729, erneut 728, erneut 727 und dem Teiler 722 in der gleichen Richtung verlaufendem Referenzstrahlengang 720.

Soll im Gegensatz zum in Bezug auf Figur 9 bis hierher beschriebenen taktil-optischen Messmodus, in den zuvor erwähnten ersten oder zweitem Messmodus Messpunkte (Oberflächenpunkte) auf der Oberfläche des Werkstücks 710 direkt mit den beiden

optischen Abstandsensoren 705, 750 gemeinsam (erster Messmodus) oder separat (zweiter Messmodus) erfasst und gemessen werden, so wird erfindungsgemäß die Tasterverlängerung 704 entfernt, vorzugsweise automatisch in einer Parkstation abgelegt, indem die gesamte Einheit 706 entfernt und vorzugsweise automatisch in einer Parkstation abgelegt wird. Bei der hier dargestellten Strahlrichtung der Strahlung 718 muss anstelle der Einheit 706 zumindest für die Messung mit dem ersten optischen Abstandsensor 705 eine nicht dargestellte Einheit 706a angeordnet werden, die den optischen Teiler 722 und die Umlenkeinrichtungen 727, 728 und 729 enthält. Erfindungsgemäß sind für den ersten optischen Abstandsensor jedoch auch solche vorgesehen, bei denen der Referenzstrahlengang außerhalb der Einheit 706 geführt ist, wodurch lediglich der optische Teiler 722 in der Einheit 706a vorgesehen ist, oder solche, bei denen zusätzlich die Strahlrichtung der Strahlung 718 bereits außerhalb der Einheit 706 in Richtung der optischen Achse 702 verläuft, wodurch eine Einheit 706a nicht benötigt wird.