Erweiterung des taktil-optischen Messtasters in die dritte Dimension

Als Besonderheit im Vergleich zu anderen taktilen Antastsystemen wird die durch Berührung entstehende Verschiebung des mit einer LED beleuchteten Antastelementes mit einer Kamera erfasst und durch eine Bildverarbeitung ausgewertet, so dass eine mechanische Übertragung der Messkräfte auf Sensoren nicht notwendig ist. Dadurch können sehr kleine Antastelemente bis zu 20 µm Durchmesser realisiert werden [1]. Bisher konnte die Verschiebung bei Werkstückkontakt nur in der Bildebene der Kamera ausgewertet werden.

Eine Auslenkung in Richtung der optischen Achse der Beobachtungskamera war dagegen nicht möglich und wurde sogar aufgrund der hohen mechanischen Steifigkeit des Tasters verhindert. Das System konnte bereits erfolgreich für viele Anwendungen in der Mikromesstechnik eingesetzt werden, wie z.B. bei der Messung von Einspritzdüsen, Gewinden oder Mikroverzahnungen; eine volle Kompatibilität zu konventionellen Tastsystemen war bisher aufgrund der fehlenden Empfindlichkeit in der dritten Dimension nicht gegeben.

Durch eine neue Anordnung, die statt der Beleuchtung des Tastelements mittels einer LED eine Laserdiode mit kohärentem Licht einsetzt, kann diese Begrenzung überwunden werden [2].

Das Funktionsprinzip ist im Folgenden kurz erklärt. Wenn eine Laserdiode anstelle einer inkohärenten LED zur Beleuchtung des Antastelementes verwendet wird, beobachtet man ein charakteristisches Specklemuster anstelle der zuvor beobachteten homogen ausgeleuchteten Kreisscheibe. Eine Verschiebung des Antastelementes in der X- bzw. Y-Richtung parallel zur Bildebene der Kamera führt zu einer Verschiebung des Musters, die wie bisher ausgewertet werden kann. Zusätzlich führt eine Auslenkung des Antastelementes in Richtung der optischen Achse (Z-Richtung) zu einer radialen Vergrößerung des Specklemusters entsprechend der numerischen Apertur des Objektives (siehe Abbildung 1). Aufgrund seines interferometrischen Ursprungs bleibt das Bild zudem auch beim Verlassen der Fokusebene kontrastreich.

Diese Eigenschaften des Specklemusters können verwendet werden, um eine vollständige Auswertung der Tastkugel-Auslenkung in drei Dimensionen durchzuführen, basierend auf einem einzigen Kamerabild: X und Y aus der Verschiebung des Musters, Z aus der Größe des Musters. Die notwendige Bildverarbeitung dafür wurde in der PTB realisiert und die Leistungsfähigkeit des neuen Verfahrens durch Messungen an einer kalibrierten Kugel nachgewiesen: Bei über 300 auf einer Kugel angeordneten Messpunkten ergaben sich maximale Messabweichungen unterhalb 0,6 µm.
[1] Ji, G., Schwenke, H., Trapet, E., Opto-Tactile Sensor for Measuring Small Structures on Coordinate Measuring Machines, Proc. of the 1998 Annual Meeting of ASPE, 25 Oct 98, St. Louis, USA .

[2] Wissmann, M., Schwenke, H., Neuschaefer-Rube, U.: Speckle correlation method for 3D-deflection measurement of the tactile optical microprobe. Proceedings of the ASPE annual meeting 2006, Monterey, USA, S. 79-82.

Ansprechpartner:
M. Wissmann, AG 5.32, E-Mail: mark.wissmann@ptb.de