BR112012000112B1 - Máquina de medição por coordenada (cmm) e método de compensar erros em uma cmm - Google Patents

Abstract

máquina de medição por coordenada (cmm) e método de compensar erros em uma cmm a presente invenção refere-se a uma máquina de medição por coordenada (1) para a determinação de pelo menos uma coordenada espacial de um ponto de medição (13) em um objeto (12) a ser medido. a máquina de medição por coordenada (1) compreende uma base estacionária (3), um cabeçote de sonda (6) para aproximar o ponto de medição (13) e uma estrutura de armação (15) para ligar o cabeçote de sonda (6) à base (3). desse modo, a estrutura de armação (15) compreende pelo menos um primeiro e um segundo componente de armação (14, 22, 24) e pelo menos um mecanismo de acionamento linear (2) que liga de maneira móvel o primeiro e o segundo componentes de armação (14, 22, 24), para a provisão da capacidade de movimento do cabeçote de sonda (6) com relação à base (3) em uma primeira direção (x, y, z). de acordo com a invenção, pelo menos um primeiro elemento mecânico de referência (72) que se estende ao longo de uma primeira parte da estrutura de armação (15) é preso de maneira fixa à estrutura de armação (15) de um modo substancialmente descarregado, e pelo menos um sensor de deslocamento (9,9a, 9b) é atribuído ao primeiro elemento de referência (72), em que o primeiro elemento de referência (72) e o sensor de deslocamento (9 ,9a, 9b) são projetados e dispostos de tal modo que uma distância do primeiro elemento de referência (72) até a estrutura de armação (15) na região da primeira parte é mensurável, sendo que a distância indica um deslocamento e/ou deformação da estrutura de armação (15) na região da primeira parte.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para MÁQUINA DE MEDIÇÃO POR COORDENADA (CMM) E MÉTODO DE COMPENSAR ERROS EM UMA CMM.

[001] A presente invenção refere-se geralmente a uma máquina de medição por coordenada (CMM) para a determinação de pelo menos uma coordenada de espaço de um ponto de medição e a um método de compensar erros em uma máquina de medição por coordenada (CMM).

[002] É de prática comum depois de os objetos terem sido produzidos inspecioná-los em um aparelho de posicionamento por coordenada, tal como uma máquina de medição por coordenada (CMM) dotada de um cabeçote de sonda móvel em um volume de funcionamento da máquina.

[003] Em uma máquina de medição tridimensional convencional, o cabeçote de sonda é sustentado para o movimento ao longo de três eixos geométricos mutuamente perpendiculares (nas direções X, Y e Z).

[004] Em uma simples forma da máquina, um transdutor adequado montado paralelo a cada eixo geométrico é capaz de determinar a posição do cabeçote de sonda com relação a uma base da máquina e, portanto, determinar as coordenadas de um ponto de medição em um objeto que é abordado pela sonda.

[005] Existem diversas fontes possíveis de erro, se tal técnica for empregada. A ausência de retidão no movimento e de ortogonalidade dos eixos geométricos é uma grande causa de tais erros. Uma causa adicional de erros é a rotação angular dos transportes ao redor dos eixos geométricos perpendiculares as suas direções de movimento. Tais erros, frequentemente referidos como erros de Abbé, dependem não apenas da rotação, mas também de um deslocamento lateral nos mecanismos de acionamento lineares.

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2/38 [006] As fontes adicionais de erros podem incluir influências externas como vibrações, variação de temperatura, variação de pressão, variação de umidade, envelhecimento de componentes das estruturas de armação de CMM, etc.

[007] Particularmente, os fatores de erro a seguir podem ocorrer:

• Erros de escala em eixos geométricos, • Erros de retidão na horizontal em eixos geométricos, • Erros de retidão na vertical nos eixos geométricos, • Erros de arfagem nos eixos geométricos, • Erros de guinada nos eixos geométricos, • Erros de rolamento nos eixos geométricos, e • Erros angulares entre os eixos geométricos.

[008] Também, as fraquezas na estrutura de armação da CMM que podem levar a uma flexão, por exemplo, de pernas ou da ponte da CMM - ocasionam erros.

[009] Muitas tentativas foram feitas para fornecer a correção para as várias fontes de erro referidas. Por exemplo, conhece-se introduzir um erro deliberado e conhecido nos transdutores por vários meios. No entanto, tais correções só se aplicam para uma dada localização no volume de medição.

[0010] Uma técnica alternativa é calibrar a máquina, medir os erros existentes em vários pontos e armazená-los para que eles possam ser aplicados quando a máquina for realmente usada. De maneira exemplificativa em conexão com tais métodos de calibração, para cada eixo geométrico (x, y, z) e cada mecanismo de acionamento linear, alguns erros geométricos dependentes do eixo geométrico são medidos - por exemplo, de arfagem, de guinada, de retidão (em dois eixos geométricos ortogonais) e de rolamento. Esta medição pode ser feita por algum tipo de incremento (por exemplo, a cada 20 mm), os dados reunidos são armazenados em uma mesa de calibração (na máquina

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3/38 ou no software) e são usados quando roda a máquina de um tal modo, que os dados na mesa corrigem os erros geométricos que dependem da posição. Além disso, existe, logicamente, a angularidade entre o eixo geométrico (x, y, z) e algum fator de escala para cada eixo geométrico. O método de calibração é normalmente realizado em uma máquina montada completa.

[0011] Conforme pode-se imaginar, tal processo de calibração é prolongado, especialmente para uma máquina grande. No entanto, qualquer estabelecimento da máquina durante o uso iria invalidar as calibrações. Uma outra desvantagem com os métodos de calibração é que eles apenas cuidam dos erros totalmente repetíveis. Também é necessário calibrar a sonda durante as mesmas condições que no estado de funcionamento da máquina. Isso significa que se a máquina funcionar com 100 mm/s, o procedimento de calibração também seria desempenhado com aquela velocidade, e se - por alguma razão uma mudança da velocidade de funcionamento for necessária, uma recalibração da máquina com esta nova velocidade seria exigida.

[0012] Um outro aspecto que tem que ser considerado é que as acelerações da sonda causam deflexões dinâmicas da máquina de medição por coordenada, as quais, sucessivamente, ocasionam erros de medição. Esses erros de medição podem ser reduzidos ao fazer medições em baixas acelerações. No entanto, a produtividade demanda um ganho aumentado, assim como uma velocidade de inspeção aumentada. Por isso, a sonda experimenta acelerações mais altas durante as medições e resultam nas deflexões estruturais dinâmicas maiores do sistema - em particular a estrutura de armação da CMM. Isso ocasiona o relatório inexato da posição geométrica de X, Y, Z da sonda.

[0013] Em particular, algumas máquinas de medição por coordenada exibem vibração por acionamento significativa em alta velocida

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4/38 de. Uma fonte de erro que causa a vibração é o sistema de acionamento mecânico da máquina. Os erros causados por essas vibrações (tipicamente acima de 5Hz) não são adequados para os métodos calculativos de compensação para erros dinâmicos descritos acima à medida que a vibração causa o comportamento não repetível em alta velocidade, que ocasiona erros de medição.

[0014] Ademais, uma variedade de sondas é empregada em uma máquina de medição por coordenada para as medições no sistema de coordenada em escala, que inclui escalas de referência dispostas ao longo dos eixos geométricos que configuram o espaço de medição tridimensional. Para fornecer a máquina de medição por coordenada com uma precisão de medição melhorada, a estrutura da armação dela é exigida para ter uma rigidez estática alta.

[0015] De maneira exemplificativa, o documento EP 1 559 990 revela um sistema de medição por coordenada e método de corrigir as coordenadas medidas em uma máquina de medição por coordenada. Desse modo, os erros geométricos são medidos enquanto tarefas com vários pesos são montadas na máquina de medição por coordenada. Os parâmetros de compensação são derivados dos resultados medidos por um peso de uma tarefa e armazenados. Um parâmetro de compensação que corresponde a um peso de uma tarefa a ser medida é apropriadamente lido para corrigir as coordenadas medidas da tarefa a ser medida.

[0016] Como um exemplo adiciona, o documento EP 1 687 589 revela um método de compensação de erro em uma máquina de medição por coordenada com um cabeçote de sonda articulada dotada de um dispositivo de detecção de superfície. O dispositivo de detecção de superfície é girado ao redor de pelo menos um eixo geométrico do cabeçote de sonda articulada durante a medição. O método compreende as etapas de: determinar a rigidez de todo ou de parte do aparelho,

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5/38 determinar um ou mais fatores que se relacionam com a carga aplicada pelo cabeçote de sonda articulada em qualquer instante em particular, e determinar o erro de medição no dispositivo de sensoriamento de superfície causado pela carga.

[0017] Também, o documento GB 2 042 719 revela um aparelho de medição dotado de três eixos geométricos mutuamente perpendiculares, em que os erros, devido às rotações ao redor dos vários eixos geométricos, são corrigidos.

[0018] Uma outra abordagem para a correção de erro das medições das peças de trabalho com uma máquina de medição por coordenada (CMM) é revelada em GB 2 425 840. Desse modo, as medições da posição são tomadas com uma sonda de sensoriamento de peça de trabalho, na qual são fornecidos os meios de medir a aceleração. As medições são corrigidas tanto para os erros de alta frequência (não repetíveis), tais como aqueles devido à vibração, quanto para os erros de baixa frequência (repetíveis), tais como aqueles devido às forças centrífugas na sonda. O método de correção compreende medir a peça de trabalho, determinar os erros de medição repetíveis a partir de uma função de erro, mapa de erro ou mesa de busca de erro predeterminadas, medir a aceleração e calcular os erros de medição não repetíveis, combinar o primeiro e o segundo erros de medição para determinar os erros totais e corrigir as medições da peça de trabalho usando-se os erros totais. O mapa de erro predeterminado é calculado usando-se um artefato de dimensões conhecidas.

[0019] Sabe-se também usar os acelerômetros encaixados na sonda (ou coluna Z) da máquina e na mesa de base (para uma medição diferencial). Os deslocamentos e erros da posição da sonda são medidos com dupla integração, e a partir disso, será possível ajustar a leitura com a diferença entre o sinal duplo integrado e as escalas.

[0020] No entanto, quando se usa os acelerômetros, eles irão,

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6/38 normalmente, se tornar ruidosos quando a frequência estiver relativamente baixa. Isso pode fornecer um sinal ruim para a relação de ruído. Ademais, só pode ser possível medir as diferenças durante a aceleração, o que significa que - em geral - pode ser necessário calcular a aceleração da posição em escala e compará-la com a aceleração medida, e integrar dobrado a diferença. No entanto, esta pode não ser a informação suficiente para calcular com precisão a posição exata da sonda. Usando-se tal método também não permite medir as alterações estáticas (isto é, a fricção em combinação com as alterações dinâmicas não será considerada).

[0021] É, portanto, um objeto da presente invenção fornecer uma máquina de medição por coordenada CMM e método aperfeiçoados, em que os erros causados pelos efeitos dinâmicos (por exemplo, quando ocorrem em varredura em alta velocidade), erros causados pelas estruturas fracas ou alterações estáticas (por exemplo, alterações introduzidas pela fricção ou carga na estrutura de armação da CMM) e/ou erros causados pelas influências externas (por exemplo, variações de temperatura, vibração, pressão) podem ser compensados de uma maneira aperfeiçoada.

[0022] Em particular, os erros de deslocamento em cada mecanismo de acionamento linear (nas direções X, Y, Z) da CMM e/ou deflexões e deformações (por exemplo, flexão) na estrutura de armação da CMM causados, por exemplo, pela carga, os movimentos e/ou as acelerações da sonda deveriam ser reconhecidos e compensados precisamente.

[0023] Este objeto é alcançado ao perceber as características da invenção. As características que desenvolvem ainda mais a invenção, de uma maneira alternativa ou vantajosa, são descritas nas concretizações.

[0024] A presente invenção refere-se a uma máquina de medição

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7/38 por coordenada (CMM) para a determinação de pelo menos uma coordenada espacial de um ponto de medição em um objeto a ser medido. A CMM compreende pelo menos uma base (particularmente, uma base estacionária, por exemplo, uma mesa de medição para suportar o objeto a ser medido), um cabeçote de sonda para aproximar o ponto de medição e uma estrutura de armação para ligar o cabeçote de sonda à base.

[0025] A estrutura de armação compreende pelo menos um primeiro e um segundo componente de armação e pelo menos um mecanismo de acionamento linear que liga de maneira móvel o primeiro e o segundo componentes de armação de tal modo que o cabeçote de sonda é móvel com relação à base em pelo menos uma primeira direção (x, y, z).

[0026] De acordo com a invenção, pelo menos um primeiro elemento mecânico de referência é fornecido estendendo-se ao longo de uma primeira parte da estrutura de armação, em que o primeiro elemento de referência é preso de maneira fixa à estrutura de armação de um modo substancialmente descarregado.

[0027] Ademais, pelo menos um sensor de deslocamento é atribuído ao primeiro elemento de referência, sendo que o primeiro elemento de referência e o sensor de deslocamento são projetados e dispostos de tal modo que uma distância do primeiro elemento de referência até a estrutura de armação na região da primeira parte é mensurável, sendo que a distância indica um deslocamento e/ou deformação da estrutura de armação na região da primeira parte.

[0028] Particularmente, uma primeira extremidade do primeiro elemento de referência pode ser presa de maneira fixa à estrutura de armação em uma primeira extremidade da primeira parte da estrutura de armação, o primeiro elemento de referência pode se estender ao longo da primeira parte da estrutura de armação para que uma segun

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8/38 da extremidade do primeiro elemento de referência seja distanciada por uma pequena distância de uma posição definida em uma segunda extremidade da primeira parte da estrutura de armação, e o sensor de deslocamento, então, pode ser construído e disposto de tal modo que uma distância da segunda extremidade do primeiro elemento de referência até a posição definida seja mensurável, em que a distância medida pelo sensor de deslocamento indica o deslocamento e/ou deformação da estrutura de armação na região da primeira parte.

[0029] De acordo com uma primeira modalidade da invenção onde o primeiro elemento de referência se estende sobre o mecanismo de acionamento linear (por exemplo, vide as descrições que se referem à figura 6 abaixo), uma primeira extremidade do primeiro elemento de referência pode ser presa de maneira fixa ao primeiro componente de armação, o primeiro elemento de referência pode se estender sobre o mecanismo de acionamento linear - particularmente na direção do mecanismo de acionamento linear - para que uma segunda extremidade do primeiro elemento de referência seja distanciada por uma pequena distância do segundo componente de armação (que é móvel com relação ao primeiro componente de armação), e o sensor de deslocamento, então, pode ser construído e disposto de tal modo que uma distância da segunda extremidade do primeiro elemento de referência até o segundo componente de armação seja mensurável, em que a distância medida pelo sensor de deslocamento indica um deslocamento no mecanismo de acionamento linear. Particularmente, a distância medida pelo sensor de deslocamento indica um deslocamento de um membro móvel do mecanismo de acionamento linear de uma posição de sustentação comum.

[0030] Nesse lugar, também dois ou mais sensores de deslocamento podem ser projetados e dispostos de tal modo que duas ou mais distâncias do primeiro elemento de referência até o segundo

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9/38 componente de armação são mensuráveis, em que as distâncias indicam os deslocamentos de translação e/ou rotação do membro móvel do mecanismo de acionamento linear a partir de uma posição de sustentação comum.

[0031] De acordo com uma modalidade adicional da invenção (por exemplo, vide as descrições que se referem à figura 5 abaixo), o primeiro elemento de referência pode se estender sobre o mecanismo de acionamento linear e pelo menos uma parte do primeiro componente de armação e dois ou mais sensores de deslocamento podem ser dispostos de tal modo que as distâncias do primeiro elemento de referência até o primeiro e o segundo componentes de armação são mensuráveis. Então, as distâncias medidas pelos sensores de deslocamento podem indicar um deslocamento de um membro móvel do mecanismo de acionamento linear a partir de uma posição de sustentação comum e uma deformação do primeiro componente de armação.

[0032] De acordo com uma modalidade adicional da invenção (por exemplo, vide as descrições que se referem à figura 7 abaixo), o elemento de referência pode se estender apenas sobre uma parte de um dos componentes de armação como a primeira parte e a distância medida pelo sensor de deslocamento indica a deflexão, em particular, uma curvatura, do dito um dos componentes de armação na região da primeira parte.

[0033] De acordo com uma modalidade adicional da invenção (por exemplo, vide as descrições que se referem à figura 2 abaixo), o primeiro elemento de referência pode se estender sobre o mecanismo de acionamento linear de modo que o elemento de referência se estenda ao longo de um guia do mecanismo de acionamento linear paralelo à primeira direção e o sensor de deslocamento é projetado e disposto de tal modo que uma distância de um membro móvel do mecanismo de acionamento linear até o primeiro elemento de referência é mensuráPetição 870190048224, de 23/05/2019, pág. 12/51

10/38 vel, em que a distância indica um deslocamento de translação do membro móvel a partir de uma posição de sustentação comum em uma direção perpendicular à primeira direção.

[0034] Nesse lugar, mais uma vez, também dois ou mais sensores de deslocamento podem ser projetados e dispostos de tal modo que duas ou mais distâncias do membro móvel até o primeiro elemento de referência são mensuráveis, em que as distâncias indicam os deslocamentos de translação e/ou rotação do membro móvel a partir de uma posição de sustentação comum.

[0035] De acordo com os aspectos metodológicos da invenção, pelo menos uma distância da estrutura de armação com relação a um elemento de referência mecânico externo é medida, em que o elemento de referência mecânico é preso de maneira fixa à estrutura de armação de um modo substancialmente descarregado e se estende ao longo de uma parte da estrutura de armação, particularmente sobre o mecanismo de acionamento linear. Ademais, os erros na máquina de medição por coordenada da invenção como as fraquezas nos mancais dos mecanismos de acionamento lineares e/ou as fraquezas e deformações no material da estrutura de armação são compensados ao usar a pelo menos uma distância realmente medida.

[0036] De acordo com a invenção, não haverá necessidade (pelo menos não necessariamente) de realizar um procedimento de calibração separado e prolongado dos erros geométricos dependentes do eixo geométrico em uma máquina montada antecipadamente - conforme conhecida a partir do estado da técnica.

[0037] Por isso, devido ao fato de os erros geométricos dependentes do eixo geométrico poderem ser sentidos em paralelo e concorrente às medições reais, as desvantagens de compensar os erros ao desempenhar um método de calibração de acordo com o estado da técnica (isto é, processo de calibração com tempo extenso; as diferentes

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11/38 condições invalidam as calibrações; apenas os erros completamente repetíveis podem ser considerados; etc.) podem ser removidos ou pelo menos reduzidos de maneira significativa de acordo com a invenção. [0038] De acordo com os aspectos adicionais da CMM da invenção, não apenas um elemento de referência mecânico (isto é, o primeiro elemento de referência) pode ser fornecido, como também um segundo ou mais elementos de referência podem ser dispostos na estrutura de armação, cada um para fornecer o percurso de referência substancialmente descarregado ao longo de uma parte da estrutura de armação, em que pelo menos um sensor de deslocamento, em particular, dois a cinco sensores de deslocamento, pode ser atribuído para cada um dos elementos de referência. De acordo com um escopo mais geral, os elementos de referência e os sensores de deslocamento são, então, projetados e dispostos de tal modo que os deslocamentos e/ou a deformação da estrutura de armação são mensuráveis com relação aos percursos de referência descarregados.

[0039] Nesse lugar, o segundo ou mais elementos de referência também podem ser projetados como armações mecânicas de referência adicionais análogos ao primeiro elemento mecânico de referência conforme descrito acima. Alternativamente, no entanto, um ou mais do segundo ou mais elementos de referência também podem ser projetados como um feixe óptico de referência, em particular, um feixe de laser colimado ou focado, que se estende ao longo da respectiva parte da estrutura de armação.

[0040] Com relação a ambas as alternativas, como um aspecto mais geral, o segundo ou mais elementos de referência podem ser dispostos na estrutura de armação para fornecer um percurso de referência substancialmente descarregado ao longo de uma parte da estrutura de armação.

[0041] Ademais, pelo menos um sensor de deslocamento é atribu

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12/38 ído aos elementos de referência, em que os elementos de referência e o sensor de deslocamento são projetados e dispostos de tal modo que os deslocamentos e/ou as deformações da estrutura de armação na região das respectivas partes são mensuráveis com relação aos percursos de referência.

[0042] Particularmente, os elementos de referência e os sensores de deslocamento são projetados e dispostos de tal modo que uma distância entre os percursos de referência e as localizações definidas na estrutura de armação é mensurável pelos sensores de deslocamento, em que as distâncias indicam os deslocamentos e/ou as deformações da estrutura de armação na região das respectivas partes.

[0043] Em geral, o elemento de referência pode se estender sobre o mecanismo de acionamento linear e pelo menos uma parte de um dos componentes de armação. Nesse lugar, o elemento de referência é preso de maneira fixa ao primeiro componente de armação e o sensor de deslocamento é disposto de tal modo que uma distância do elemento de referência até uma localização definida no componente de armação é mensurável. Por exemplo, o elemento de referência mecânico pode ser instalado de tal modo que ele se alonga ao longo do mecanismo de acionamento linear paralelo à direção de movimento linear do membro móvel, em que o elemento de referência é montado de um modo desacoplado das forças da estrutura de armação da CMM. Um ou mais sensores de deslocamento podem, então, ser dispostos de modo a detectar uma distância entre uma localização definida do membro móvel e o elemento de referência mecânico. Esta distância pode indicar um deslocamento de translação do membro móvel de uma posição de sustentação comum (no caso de mais do que uma distância medida, também os deslocamentos de rotação podem ser indicados).

[0044] Como se sabe per se do estado da técnica, o mecanismo

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13/38 de acionamento linear pode compreender um guia linear na primeira direção, sendo que um membro móvel é suportado para o movimento ao longo do guia por meio de mancais, e um instrumento de medição linear para a determinação de uma primeira posição de acionamento do membro móvel na primeira direção (x, y, z). Ademais, a máquina de medição por coordenada pode compreender uma unidade de cálculo para a determinação da coordenada de espaço do ponto a ser medido (e que é aproximado pela sonda) como uma função da pelo menos primeira posição de acionamento. De acordo com a invenção, também a deformação e/ou o deslocamento detectados são considerados para a determinação da coordenada de espaço. Por exemplo, o deslocamento ou a deformação sentida pode ser considerado, diretamente, quando se calcula a posição espacial do cabeçote de sonda com relação a uma posição de referência e/ou ser usada a fim de compensar os erros em escala em conexão com a determinação das posições de trajetória pelos instrumentos de medição lineares.

[0045] Alternativamente à modalidade em que o elemento de referência se estende sobre uma parte da CMM que compreende um mecanismo de acionamento, o elemento de referência também pode ser projetado e disposto de tal modo que ele se estenda apenas ao longo de uma parte não móvel da estrutura de armação (por exemplo, ao longo pelo menos de uma parte das pernas ou da ponte). O elemento de referência pode ser instalado, por exemplo, paralelo e - em particular, minimamente - distanciado de uma superfície da estrutura de armação. Particularmente, o elemento de referência pode ser fixado à estrutura de armação apenas em uma de suas extremidades e o sensor de deslocamento pode ser disposto a fim de detectar uma distância entre a outra extremidade do elemento de referência e uma localização definida de faceamento na estrutura de armação. Ou seja, apenas uma primeira extremidade do elemento de referência é anexada

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14/38 de maneira fixa à estrutura de armação e o sensor de deslocamento é disposto de tal modo que o deslocamento e/ou a deformação é indicada ao medir uma posição de uma localização definida na estrutura de armação com relação à segunda extremidade de faceamento do elemento de referência.

[0046] Conforme mencionado acima, de acordo com a invenção, um dos elementos de referência é projetado como o elemento de referência mecânico. Mais particular, o elemento de referência pode ser designado como um elemento de referência mecânico alongado - por exemplo, uma armação de referência ou haste de referência - que se estende ao longo de uma primeira parte da estrutura de armação. A armação ou haste de referência é presa de maneira fixa à estrutura de armação de um modo substancialmente descarregado. Particularmente, a armação de referência pode ser presa apenas em uma de suas extremidades à estrutura de armação. O sensor de deslocamento pode ser construído como sensor de distância óptico, capacitivo ou indutivo e pode ser disposto ou na armação de referência ou na localização definida na estrutura de armação. A distância percebida indica uma deformação de uma parte conhecida da estrutura de armação ou um deslocamento no mecanismo de acionamento linear (por exemplo, um deslocamento do membro móvel a partir de sua posição de sustentação comum).

[0047] O elemento de referência mecânico pode ser projetado a partir de material que é altamente resistente contra a deformação causada pela temperatura, pressão, umidade, envelhecimento ou fatores semelhantes. De maneira exemplificativa, o elemento de referência mecânico (por exemplo, a haste de referência) pode consistir ou compreender invar ou material de fibra de carbono.

[0048] Alternativamente a um projeto mecânico do elemento de referência, um elemento de referência adicional também pode ser pro

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15/38 jetado como um feixe óptico de referência, em particular, um feixe de laser colimado ou focado, que se estende ao longo de uma parte conhecida da estrutura de armação. O feixe de referência pode ser emitido por uma fonte de laser montada diretamente na estrutura de armação em uma localização conhecida e em uma direção definida e conhecida. Particularmente, o feixe de laser direto em paralelo a uma superfície da estrutura de armação da CMM. Nesse lugar, o sensor de deslocamento pode ser construído como um elemento detector fotossensível que é construído para medir uma distância até o feixe de referência e/ou uma posição invasiva do feixe de referência. Particularmente, o sensor de deslocamento pode compreender, adicionalmente, um separador de feixe para acoplar pelo menos uma parte do feixe de referência e direcioná-lo para o elemento detector fotossensível. O elemento detector fotossensível pode ser projetado como um arranjo CCD, arranjo CMOS, sensor PSD ou detector de quadrante.

[0049] Nesse lugar, um percurso de referência é gerado ou representado de maneira funcional pelo elemento de referência. No caso de o elemento de referência ser projetado como elemento de referência mecânico, o percurso de referência pode, por exemplo, ser representado pela superfície dele, em que o formato do elemento pode ser medido com alta precisão e calibrado antes de instalá-lo na CMM. No caso de o elemento de referência ser projetado como feixe óptico de referência, o percurso pode ser representado pelos eixos geométricos ópticos do feixe.

[0050] Ademais, de acordo com a invenção, também dois ou mais sensores de deslocamento, particularmente, três a cinco, podem ser atribuídos a cada elemento de referência, em que o elemento de referência e os sensores de deslocamento que são projetados e dispostos de tal modo que duas ou mais distâncias entre o primeiro elemento de referência (isto é, percurso de referência) e as localizações definidas

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16/38 na estrutura de armação são mensuráveis pelos sensores de deslocamento. As distâncias percebidas, então, podem indicar os deslocamentos e/ou as deformações da estrutura de armação na região da primeira parte com mais do que um grau de liberdade.

[0051] De acordo com a técnica genérica das CMMs, preferivelmente, a estrutura de armação compreende quatro componentes de armação e três mecanismos de acionamento lineares ligados de maneira móvel aos quatro componentes de armação, para a provisão da capacidade de movimento do cabeçote de sonda com relação à base em uma primeira, em uma segunda e em uma terceira direções X, Y, Z. Como se sabe per se, cada mecanismo de acionamento linear pode compreender um guia linear na primeira, na secunda, respectivamente, na terceira direção X, Y, Z, sendo que um membro móvel é suportado para o movimento ao longo do guia por meio de mancais e um instrumento de medição linear para a determinação da primeira, de uma segunda ou uma terceira posição de acionamento, respectivamente, do membro móvel na primeira, na segunda ou na terceira direção X, Y, Z, respectivamente. A unidade de cálculo da CMM pode ser projetada para a determinação da coordenada de espaço como uma função pelo menos da primeira, da segunda e da terceira posição de acionamento, assim como - de acordo com a invenção - a deformação e/ou o deslocamento indicado pelos sensores de deslocamento.

[0052] Resumido, ao medir as distâncias entre as localizações definidas na estrutura de armação e os elementos/percursos de referência, os deslocamentos e/ou deflexões da estrutura de armação, assim como os deslocamentos dos membros de trajetória (transportes) podem ser percebidos e determinados. Como vantagem com relação ao estado da técnica, o método pode ser usado para compensar as alterações estáticas (alterações introduzidas pela fricção, etc.) assim como os efeitos dinâmicos (acelerações do cabeçote de sonda).

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17/38 [0053] Fornece-se também um método de compensar erros em uma máquina de medição por coordenada conforme descrito acima, sendo que a CMM determina pelo menos uma coordenada espacial de um ponto de medição em um objeto a ser medido. De acordo com o método, pelo menos um deslocamento da estrutura de armação na região de uma primeira parte é medido com relação a um elemento de referência externo e substancialmente descarregado, o qual se estende ao longo da primeira parte da estrutura de armação e é disposto nela. Os erros, particularmente fraquezas em um mancal do mecanismo de acionamento linear e/ou deformações no material da estrutura de armação (ocasionados pela carga da sonda e/ou variações em temperatura, pressão, umidade) são compensados ao usar pelo menos o deslocamento e/ou a deformação real determinada.

[0054] Por isso, não haverá necessidade (pelo menos não necessariamente) de realizar um procedimento de calibração separado e prolongado dos erros geométricos dependentes do eixo geométrico em uma máquina montada antecipadamente - conforme conhecida a partir do estado da técnica.

[0055] No caso de um elemento de referência adicional ser projetado como uma referência óptica (feixe de laser colimado ou semelhante), pode-se assumir que o feixe seja reto e os erros geométricos dependentes do eixo geométrico possam ser medidos diretamente usando-se os sensores de deslocamento (que medem os desvios com relação ao feixe preferivelmente em direções diferentes). No caso de o elemento de referência ser projetado como referência mecânica (por exemplo, feixe físico) o feixe de referência pode, separadamente, ser medido e calibrado antes de instalá-lo na CMM. Ao fazê-lo, os mesmos resultados podem ser alcançados quanto com o feixe de luz, isto é, que o formato e o curso do elemento de referência mecânico é conhecido com alta precisão. Isso significa, em geral, que a exatidão ge

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18/38 ométrica é localizada no elemento de referência e não na estrutura da máquina.

[0056] Por isso, devido ao fato de os erros geométricos dependentes do eixo geométrico poderem ser percebidos em paralelo e concorrente às medições reais, as desvantagens de compensar os erros ao desempenhar um método de calibração de acordo com o estado da técnica (isto é, processo de calibração com tempo extenso; diferentes condições invalidam as calibrações; apenas os erros completamente repetíveis podem ser considerados; etc.) podem ser removidas ou pelo menos reduzidas de maneira significativa de acordo com a invenção.

[0057] A invenção será explicada em mais detalhes abaixo com referência aos exemplos de possíveis modalidades mostradas esquematicamente nos desenhos, nos quais:

A figura 1 mostra uma máquina de medição por coordenada do tipo ponte com um feixe de laser que serve como um elemento de referência;

A figura 2 mostra as hastes de referência como elementos de referência que são montados na estrutura de armação apenas em suas extremidades;

A figura 3 mostra um feixe de laser de referência como elemento de referência para o transporte x;

A figura 4 mostra um mecanismo de acionamento de X linear, em que um feixe de laser de referência colimado como elemento de referência se estende ao longo da ponte e os dois sensores de deslocamento são dispostos no transporte X;

A figura 5 mostra sensores de deslocamento ópticos, cada um para medir uma distância a partir do feixe de laser de referência;

A figura 6 mostra uma vista lateral de uma CMM do tipo ponte - de acordo com uma primeira modalidade da invenção - com

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19/38 um elemento de referência mecânico, em que os sensores de deslocamento são atribuídos ao elemento de referência;

A figura 7 mostra uma vista lateral de uma CMM do tipo ponte - de acordo com uma segunda modalidade da invenção - com um elemento de referência mecânico, em que os sensores de deslocamento são atribuídos ao elemento de referência;

A figura 8 mostra uma vista lateral de uma CMM do tipo ponte - de acordo com uma terceira modalidade da invenção - com um elemento de referência mecânico, em que os sensores de deslocamento são atribuídos ao elemento de referência;

A figura 9 mostra a vista frontal de uma CMM do tipo de pórtico - de acordo com a invenção - com um elemento de referência mecânico e um elemento de referência óptico;

A figura 10 mostra uma vista lateral do CMM do tipo de pórtico da figura 9;

A figura 11 mostra uma vista frontal de uma CMM do tipo ponte com um elemento de referência óptico para indicar uma flexão da ponte;

A figura 12 mostra uma vista frontal de uma CMM do tipo ponte com um elemento de referência óptico para indicar uma flexão da ponte; e

A figura 13 mostra uma vista frontal de uma CMM do tipo ponte com um elemento de referência óptico para indicar uma flexão da ponte.

Na figura 1, retrata-se uma modalidade exemplificativa da máquina de medição por coordenada 1 dotada de uma estrutura de armação 15 para ligar o cabeçote de sonda 6 à base 3 (em que a estrutura de armação 15 compreende diversos componentes de armação 14, 22, 24 que são moveis um com relação ao outro).

[0058] Em detalhe, a máquina de medição por coordenada 1 com

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20/38 preende a base 3, na qual um portal 14 (como um dos componentes de armação) - que é suportado por mancais - é disposto para que ele possa ser movido na direção longitudinal (direção Y). O portal 14 tem duas pernas do portal 16,18, que são conectadas por uma ponte 20 (como componente de armação adicional) em suas extremidades superiores.

[0059] Um transporte X 22, que pode ser acionado ao longo da ponte, isto é, em uma direção de espaço que conecta as duas pernas do portal 16,18 (direção X), é colocado na ponte 20. Um êmbolo ou coluna Z 24 pode ser mudado para uma terceira direção de espaço (direção Z). Portanto, a coluna Z 24 é sustentada para o movimento na direção Z por mancais que são integrais com o transporte X 22. As três direções de espaço X, Y e Z são preferivelmente ortogonais entre si, apesar de não ser necessariamente para a presente invenção.

[0060] Normalmente, os componentes da estrutura de armação da CMM (isto é, o transporte X, o feixe X (ponte)) podem ser feitos de alumínio, granito, cerâmica ou aço/ferro e têm uma espessura de parede e rigidez adaptadas para a carga.

[0061] Os dois tipos mais comuns de mancais entre os membros móveis e os guias são os mancais a ar ou mancais mecânicos (por exemplo, trilhos positivos de circulação linear). Os mancais a ar dão a vantagem de que não há fricção no movimento (que pode introduzir diferentes tipos de erros como erros de ângulo ou de histerese). A desvantagem de mancais a ar é que a rigidez é normalmente menor do que nos mancais mecânicos, para que, particularmente, os erros dinâmicos possam ocorrer. Nos tipos mecânicos, a rigidez no sistema de sustentação é normalmente maior, mas há fricção e as forças de fricção podem introduzir os erros. No entanto, a invenção pode ser aplicada para ambos os tipos de mancais.

[0062] Em suma, a máquina de medição por coordenada 1 é cons

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21/38 truída para a determinação de três coordenadas de espaços de um ponto de medição 13 em um objeto 12 a ser medido e, portanto, compreende três mecanismos de acionamento lineares para a provisão de capacidade de movimento do cabeçote de sonda 6 com relação à base 3 na primeira, segunda e terceira direções (direções X, Y e Z).

[0063] Cada mecanismo de acionamento linear tem um guia linear, um na primeira, um na segunda e um na terceira direções (direções X,

Y e Z), respectivamente. Em uma modalidade simples, o guia linear do mecanismo de acionamento na direção Y é formado por duas superfícies de construção de margem da base 3, o guia linear do mecanismo de acionamento na direção X é formado por duas ou três superfícies da ponte 20 e o guia linear do mecanismo de acionamento na direção Z é formado por um furo cúbico no membro do transporte X.

[0064] Ademais, cada mecanismo de acionamento linear compreende um membro móvel que é suportado para o movimento ao longo do guia por meio de mancais. Em particular, o membro móvel do mecanismo de acionamento na direção X é incorporado como transporte

Y 28 que possui superfícies mutuamente de faceamento com relação às duas superfícies de guia mencionadas acima da base 3. O membro móvel do mecanismo de acionamento na direção X é incorporado como transporte X 22 que possui superfícies mutuamente de faceamento com relação as duas ou três superfícies de guia mencionadas acima da ponte 20. E, o membro móvel do mecanismo de acionamento na direção Z é formado pela coluna Z 24 que possui superfícies mutuamente de faceamento com relação às superfícies internas do furo cúbico no transporte X 22.

[0065] Além do mais, cada mecanismo de acionamento linear compreende um instrumento de medição linear para a determinação de uma primeira, uma segunda ou uma terceira posição de acionamento, respectivamente, de cada membro móvel na primeira, na se

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22/38 gunda ou na terceira direção (direções X, Y e Z), respectivamente. [0066] Um cabeçote de sonda 6, na qual um ponteiro é disposto de maneira exemplificativa, é presa à extremidade livre inferior da coluna Z 24. O ponteiro é usado de uma maneira conhecida per se para tocar o objeto 12 a ser medido. No entanto, a presente invenção não é restrita a uma máquina de medição por coordenada tátil e pode, igualmente, ser usada por máquinas de medição por coordenada nas quais um ponto de medição é abordado de uma maneira sem contato, isto é, por exemplo, uma máquina de medição por coordenada com um cabeçote de varredura óptica. De maneira mais geral, o cabeçote de sonda 6 pode ser projetado para dispor uma sonda de contato, por exemplo, uma sonda de varredura ou de engatilhamento por toque, ou uma sonda sem contato, particularmente, uma sonda óptica, de capacitância ou indutância.

[0067] Ademais, a invenção não é restrita a uma máquina de medição por coordenada no projeto de ponte e portal, conforme mostrado no presente. Pode ser igualmente usado para as máquinas de medição por coordenada no projeto de pórtico, conforme retratados nas figuras 8 e 9, nas quais apenas a ponte 20 com dois suportes, que funcionam como pés muito curtos, pode percorrer ao longo de dois trilhos fixos altamente posicionados. Além do mais, a invenção pode, geralmente, ser usada para todos os tipos de máquinas de medição por coordenada, isto é, para uma CMM que é projetada como máquina cinemática paralela, assim como para uma CMM que possui cinemática linear ou em série. De maneira exemplificativa, a CMM pode ser projetada do tipo ponte, do tipo ponte em L, do tipo braço horizontal, do tipo cantilever ou do tipo pórtico.

[0068] Nesta modalidade exemplificativa da figura 1, as pernas do portal 16,18, cada uma, têm um transporte móvel Y 28 que permite o movimento do portal 14 - que inclui a ponte 20 - na direção Y.

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23/38 [0069] Uma escala de medição 30Y que é parte do instrumento de medição Y é esquematicamente representada no lado comprido da base 3, em que a escala 30Y se estende paralela à direção Y. A escala pode ser uma escala de medição de vidro, por exemplo, que possui a codificação incremental ou absoluta, com a qual uma posição de acionamento na direção Y do transporte Y 28 pode ser determinada. Deve-se compreender que o instrumento de medição pode, ademais, conter sensores adequados para ler a escala de medição 30Y, apesar de que, por questão de simplicidade, estes não são representados no presente. No entanto, deve ser apontado que a invenção não é restrita ao uso das escalas de medição de vidro, e, portanto, também pode ser usada com outros instrumentos de medição para registrar as posições de acionamento/trajetória dos membros móveis dos mecanismos de acionamento.

[0070] Uma outra escala de medição 30X é disposta paralela à direção X na ponte 20. Por fim, uma outra escala de medição 30Z também é disposta paralela à direção Z no êmbolo Z 24. Por meio das escalas de medição 30X, 30Z como parte dos instrumentos de medição lineares, é possível registrar as presentes posições de acionamento do transporte X 22 na direção X e da coluna Z 24 na direção Z metrologicamente de uma maneira que é conhecida per se.

[0071] Na modalidade mostrada, a base 3 compreende uma mesa com uma chapa com superfície de granito para suportar um objeto 12 a ser medido, em que as coordenadas de espaços do ponto de medição 13 são destinadas a serem determinadas.

[0072] Também mostrada é uma unidade de controle e de cálculo 11, que é projetada para acionar os acionamentos motores da máquina de medição por coordenada 1 de modo que o cabeçote de sonda 6 percorra até o ponto de medição 13. Quanto à operação manual, a unidade de controle 11 pode ser conectada a um consolo do usuário

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32. É possível que a unidade de controle 11 se aproxime completa e automaticamente e meça os pontos de medição 13 do objeto 12 a ser medido.

[0073] A unidade de controle e de cálculo 11 contém um processador 34 e uma pluralidade de memórias 36, 38. Em particular, a unidade de controle e de cálculo 11 é projetada para determinar as três coordenadas de espaço do ponto de medição 13 no objeto 12 como uma função pelo menos da primeira, da segunda e da terceira posições de acionamento dos três mecanismos de acionamento.

[0074] De acordo com a invenção, conforme mostrado em mais detalhes nas figuras a seguir, um elemento de referência 71 pode ser instalado de tal modo que ele se alonga ao longo do mecanismo de acionamento linear paralelo à direção de movimento linear Y do membro móvel, em que o elemento de referência 71 é descarregado e, portanto, desacoplado das forças que são carregadas pela estrutura de armação da CMM. Na figura 1, de maneira exemplificativa, o elemento de referência 71 é projetado como feixe de laser de referência colimado emitido por uma fonte de laser 75. No entanto, de acordo com a invenção, um elemento de referência mecânico - conforme mostrado na figura 2 - pode ser usado de uma maneira semelhante à do feixe de laser de referência mostrado na figura 1 - que também serve para fornecer um percurso de referência onde o membro móvel pode ser referido e, por exemplo, uma não linearidade no movimento do membro móvel pode ser detectada e considerada. Um ou mais sensores de deslocamento 9a, 9b podem ser dispostos no transporte do membro móvel de modo que eles sejam capazes de detectar uma distância entre as localizações definidas do membro móvel e o elemento de referência 71. Essas distâncias indicam um deslocamento de translação e de rotação do membro móvel a partir de uma posição de sustentação comum (por exemplo, um deslocamento de translação na direção X

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25/38 e/ou Z ou um erro de arfagem).

[0075] O deslocamento ou os deslocamentos percebidos desse modo, por consequência, podem ser adicionalmente usados, por exemplo, a fim de:

• compensar diretamente os erros de escala em conexão com a determinação das posições de trajetória pelos instrumentos de medição lineares e/ou • compensar os erros de retidão horizontais percebidos, os erros de retidão verticais, erros de arfagem, erros de guinada e/ou erros de rolamento do transporte (membro móvel) em conexão com o cálculo da posição do cabeçote de sonda pela unidade de controle e de cálculo 11 (isto é, quando se deriva a coordenada de espaço do ponto de medição no objeto a ser medido).

[0076] Devido ao fato de o projeto das máquinas de medição por coordenada do tipo genérico, assim como o projeto dos diferentes guias lineares e diferentes instrumentos de medição lineares serem bem conhecidos para as pessoas versadas, deve-se compreender que as inúmeras modificações e combinações de diferentes características podem ser feitas. Todas essas modificações estão dentro do escopo da invenção.

[0077] A figura 2 mostra, de acordo com a invenção, duas hastes de referência como elementos de referência mecânicos 72a, 72b que são montados na estrutura de armação apenas em uma de suas extremidades. Desse modo, por questão de simplicidade, apenas a ponte 20 (feixe X) com o transporte X 22 e o feixe Z 24 são retratados como componentes da CMM. O transporte X 22 é sustentado para o movimento linear de X com relação à ponte 20 - que, a própria, serve como um guia linear de X - por meio de mancais. O guia Z pode ser formado por um furo cúbico no membro do transporte X 22, através do qual o feixe Z 24 pode ser movido ao longo do eixo geométrico Z.

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26/38 [0078] Os elementos de referência mecânicos 72a, 72b são preferivelmente feitos de um material com alta estabilidade dimensional e alto calibre sólido, para que não seja suscetível às influências externas como temperatura, pressão, umidade, envelhecimento, etc.

[0079] Em particular, os elementos de referência mecânicos 72a, 72b podem ser presos de maneira fixa à estrutura de armação apenas em uma de suas extremidades de tal modo que eles se estendem paralelos ao longo de uma parte da estrutura de armação. Isso pode permitir que o elemento de referência seja montado desacoplado a força da estrutura de armação da CMM, de modo que o percurso de referência gerado pelo elemento de referência seja completo ou pelo menos substancialmente descarregado.

[0080] Um sensor de deslocamento 9a é atribuído à primeira haste de referência 72a (que se estende ao longo da ponte) para medir uma distância de uma posição definida do transporte 22 até o percurso de referência gerado pela primeira haste de referência 72 a. O sensor de deslocamento 9a pode ser anexado ao transporte 22, de modo que a distância até o percurso de referência possa ser medida.

[0081] Por exemplo, a distância percebida indica um deslocamento de translação do transporte 22 de uma posição de sustentação comum (por exemplo, um deslocamento de translação na direção Z do transporte 22 com relação à superfície de guia do feixe X 20).

[0082] Também, um outro sensor de deslocamento 9b é atribuído à segunda haste de referência 72b, em que a segunda haste de referência 72b é anexada de maneira fixa - em uma de suas extremidades - ao feixe Z 24. A segunda haste de referência 72b se estende paralela e a uma distância definida do feixe Z 72b, de modo que as medições de deslocamento com relação às fraquezas no mecanismo de acionamento Z sejam independentes de uma condição de carga do feixe Z 24. O sensor de deslocamento 9b, portanto, pode ser montado no

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27/38 transporte X 22 e voltado em direção à segunda referência 72b a fim de medir uma distância do transporte X 22 (que funciona como guia para o movimento Z do feixe Z 24) até a segunda haste de referência 72b. Esta distância refere-se a uma distância de sustentação real no mecanismo de acionamento de Z e, portanto, indica um deslocamento de translação de uma condição de sustentação comum na direção X. [0083] A figura 3 mostra um feixe de laser de referência colimado ou focado 71 como elemento de referência para o transporte X 22. Desse modo, por questão de simplicidade, apenas a ponte 20 (feixe X) com o transporte X 22 e o feixe Z 24 (que é móvel com relação ao transporte X 22 na direção Z) são retratados como componentes da CMM.

[0084] A fonte de laser 75 é instalada em um lado do feixe X 20 (ponte da CMM), de modo que o feixe de laser 71 se comporte na direção X e paralelo à ponte 20. O feixe de referência representa o percurso de referência. De maneira exemplificativa, a fonte de laser 75 pode ser projetada como um diodo de laser com óptica de colimação. [0085] Um sensor de deslocamento 9 é atribuído ao feixe de laser de referência 71. O sensor de deslocamento 9 é anexado ao transporte X 22 de tal modo que ele é voltado em direção à fonte de laser 75. O sensor de deslocamento 9 é atribuído como um elemento detector fotossensível que é construído para medir uma posição invasiva do feixe de laser de referência 71. Por exemplo, o elemento detector fotossensível pode ser projetado como arranjo de matriz CCD, arranjo de matriz CMOS, sensor PSD (dispositivo sensível à posição) ou detector de quadrante.

[0086] A posição invasiva percebida do feixe de laser 71 indica os deslocamentos de translação do transporte X 22 nas direções ortogonais à direção X (particularmente, deslocamentos de translação nas direções Y e Z). No caso de um feixe colimado como referência, a lar

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28/38 gura da seção do feixe pode ser definida e, para determinar com precisão uma posição invasiva do feixe, um centro ou um ponto intermediário do ponto de feixe projetado pode ser determinado como a posição invasiva exata. De acordo com uma modalidade especial, também o formato do ponto de feixe projetado no sensor pode ser determinado, analisado e usado para derivar um erro de arfagem e/ou de guinada do transporte X. Por exemplo, uma projeção elipsoidal do feixe de referência, em que o eixo geométrico quase maior é alinhado na direção Z, indica um erro de arfagem e uma projeção elipsoidal do feixe de referência, em que o eixo geométrico quase maior é alinhado na direção Y, indica um erro de guinada do transporte X.

[0087] Os deslocamentos de translação e/ou de rotação determinados e indicados, por consequência, podem ser usados pela unidade de cálculo da CMM para determinar as coordenadas espaciais de um ponto de medição aproximado pelo cabeçote de sonda.

[0088] Na figura 4, representa-se uma vista frontal em plano fechado do mecanismo de acionamento de X linear da CMM. De maneira semelhante à figura 3, um feixe de laser de referência colimado ou focado 71 é usado como o elemento de referência.

[0089] O feixe de laser 71 se comporta na direção X e paralelo à ponte 20 (feixe X). O feixe de referência 71 representa o percurso de referência.

[0090] Os dois sensores de deslocamento 9a, 9b que são colocados no topo do transporte X 22 (retratados com linhas quebradas) medem os deslocamentos do transporte X 22 com relação ao elemento de referência 71. Conforme mostrado em mais detalhes na figura 5, os sensores de deslocamento 9a, 9b podem compreender um separador de feixe 91a, 91b para desacoplar uma parte do feixe de referência 71 e direcioná-la a um elemento detector fotossensível 92a, 92b. Nesse lugar, o detector fotossensível 92a, 92b é construído para determinar

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29/38 uma posição invasiva do feixe acoplado e refletido. Por exemplo, o detector fotossensível 92a, 92b pode ser projetado como arranjo de matriz CCD, arranjo de matriz CMOS, sensor PSD ou detector de quadrante. Mais uma vez, o ponto invasivo da parte refletida do feixe de referência no detector é usado para determinar os deslocamentos de translação do transporte 22 no plano Y-Z. Ao considerar os pontos invasivos dos feixes refletidos detectados por ambos os sensores de deslocamento 9a, 9b, os deslocamentos de rotação também do transporte 22 (isto é, erro de guinada e de arfagem) podem ser determinados (particularmente, por uma avaliação diferencial das emissões de ambos os sensores).

[0091] Alternativamente à modalidade dos sensores explicada acima (a qual compreende um separador de feixe para acoplar uma parte do feixe de referência e direcioná-lo a um elemento detector fotossensível), um elemento detector fotossensível transparente para determinar uma posição invasiva do feixe de referência também pode ser usado.

[0092] A figura 6 mostra uma vista lateral de uma CMM do tipo ponte 1 com um elemento de referência mecânico 72, em que os sensores de deslocamento 9 são atribuídos ao elemento de referência 72 a fim de medir as distâncias até a superfície da mesa 61.

[0093] A estrutura de armação da CMM é submetida às forças de condução e portativa. No entanto, de acordo com a invenção, o elemento de referência 72 é preso à estrutura de armação de tal modo que substancialmente nenhuma força de condução ou portativa afeta o elemento de referência 72 (respectivamente, o percurso de referência gerado pelo elemento de referência).

[0094] Por exemplo, o elemento de referência mecânico 72 é montado apenas na extremidade superior em um lado do feixe X 20 (ponte) da CMM. O elemento de referência 72 se estende ao longo da per

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30/38 na 18 e sobre uma parte da borda da mesa 6 de tal modo que ele é distanciado (uma pequena distância) da borda da mesa 6.

[0095] Os sensores de referência 9 podem ser projetados como sensores de distância ópticos ou capacitivos e montados no elemento de referência 72 de tal modo que as distâncias do elemento de referência 72 (isto é, das posições dos sensores) até a superfície superior e lateral 61 da mesa 6 podem ser medidas.

[0096] Essas distâncias indicam os deslocamentos de translação e/ou de rotação no mecanismo de acionamento Y linear (por exemplo, os deslocamentos de translação nas direções X e Z e os deslocamentos de rotação como um erro de arfagem, de rolamento e de guinada).

[0097] Por exemplo, três sensores de distância podem ser montados no elemento de referência a fim de medir as distâncias até a superfície superior da mesa (para indicar um deslocamento de translação na direção Z e um erro de arfagem) e dois sensores de distância podem ser montados no elemento de referência a fim de medir as duas distâncias até a superfície lateral da mesa (para indicar um deslocamento de translação na direção X e um erro de guinada). Um erro de rolamento pode ser derivado de uma combinação das emissões dos sensores.

[0098] À medida que o elemento de referência 72 é montado diretamente no lado do feixe X 20 (ponte), a posição do feixe X 20 (ponte) pode ser diretamente referida com relação à mesa 6 da CMM, de modo que as medições sejam independentes das condições da carga reais das pernas da CMM 18 (ou de modo que as condições reais da carga das pernas da CMM 18 possam ser determinadas e consideradas para derivar a posição de medição do cabeçote de sonda).

[0099] Os deslocamentos percebidos, por isso, podem ser usados a fim de corrigir o cálculo para a posição da sonda com relação à base.

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31/38 [00100] A figura 7 mostra uma vista lateral de uma CMM do tipo ponte - de acordo com uma outra modalidade da invenção - com um elemento de referência mecânico 72. O elemento de referência 72 é incorporado como a haste de referência e usado a fim de sensoriar as fraquezas e deformações na estrutura de armação (isto é, a perna 18) da CMM. Tais fraquezas e deformações na perna 18 da estrutura de armação da CMM podem, por exemplo, ser causadas pela carga, vibração, efeitos dinâmicos, variações de temperatura, variações de pressão, envelhecimento, variações de umidade, etc.

[00101] Na modalidade mostrada, a haste de referência - como o elemento de referência 72 - é presa de maneira fixa ao pé 28 (transporte Y) da estrutura de armação da CMM e se estende ao longo da perna 18 até um lado da ponte 20. Dois sensores de deslocamento 9a, 9b são montados na ponte 20, voltados em direção à extremidade solta da haste de referência 72 (isto é, a extremidade livre que não é presa de maneira fixa à estrutura de armação).

[00102] Os sensores de deslocamento 9a, 9b medem um deslocamento (isto é, uma deformação como, por exemplo, uma flexão) da estrutura de armação naquela parte (isto é, a perna 18), que é atravessada pela haste de referência 72. Portanto, as posições dos sensores de deslocamento 9a, 9b - que são montados na ponte - são referidas com relação à extremidade superior da haste de referência 72 descarregada.

[00103] De maneira exemplificativa, uma deformação da perna 18 irá causar uma alteração nas distâncias dos sensores de deslocamento 9a, 9b até as localizações definidas na extremidade superior da haste de referência 72. Estas distâncias podem ser medidas pelos sensores de deslocamento 9a, 9b (que são incorporados, por exemplo, como sensores de distância ópticos ou capacitivos) e usados a fim de compensar de maneira calculativa a deformação percebida da perna

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32/38 da CMM 18 quando se determina a posição de medição.

[00104] Ao usar os elementos de referência de acordo com a invenção, uma alta precisão nas medições pode ser garantida, apesar de que os componentes que conduzem carga da CMM podem ter, de maneira comparativa, estabilidade dimensional baixa e baixo calibre sólido. Mesmo nos casos que os próprios elementos de referência perdem sua estabilidade dimensional exigida para as medições exatas (isto é, causado pelos efeitos de envelhecimento, etc.), eles podem ser trocados mais facilmente e sob menos esforço em comparação a uma troca de partes envelhecidas da estrutura de armação (isto é, a perna). Por isso, o tempo de vida de uma CMM pode ser prolongado de acordo com a invenção, mesmo em casos de efeitos de envelhecimento, os elementos de referência podem ser renovados e trocados comparativamente com facilidade e, assim, as medições exatas podem ser continuamente garantidas - pelas partes referidas da estrutura de armação fraca com relação aos elementos de referência e compensar as fraquezas de acordo com a invenção.

[00105] A figura 8 mostra uma modalidade de acordo com a invenção, em que as características das figuras 6 e 7 são combinadas.

[00106] Semelhante e à figura 6, uma vista lateral de uma CMM do tipo ponte 1 com um elemento de referência mecânico 72 é retratada. O elemento de referência mecânico 72 é montado apenas em sua extremidade superior em um lado do feixe X 20 (ponte) da CMM. O elemento de referência 72 se estende ao longo da perna 18 e sobre uma parte da borda da mesa 6 de tal modo que ele é distanciado (uma pequena distância) da borda da mesa 6 e do pé 28. De maneira exemplificativa, quatro sensores de deslocamento 9a são instalados na extremidade solta e inferior do elemento de referência 72 a fim de medir as distâncias até a superfície da mesa 61 e, adicionalmente, semelhante à modalidade da figura 7, três sensores de deslocamento 9b são insta

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33/38 lados na extremidade solta e inferior do elemento de referência 72 a fim de medir as distâncias até as localizações definidas do pé 28. Essas distâncias até o pé 28 indicam as deformações do componente da perna 18.

[00107] Os sensores de referência 9a, 9b podem ser projetados como sensores de distância ópticos ou capacitivos e montados no elemento de referência 72 de tal modo que as distâncias do elemento de referência 72 (isto é, das posições dos sensores) até a superfície superior e lateral 61 da mesa 6 - assim como as superfícies do pé 28 podem ser medidas.

[00108] Os deslocamentos e deformações indicados e determinados, por isso, podem ser usados a fim de corrigir o cálculo para a posição da sonda com relação à base.

[00109] Aplicar tal configuração - de acordo com a modalidade inventiva da figura 8 - permite a compensação melhorada das fraquezas nos mancais/juntas da CMM, assim como a compensação das fraquezas na estrutura de armação que carrega carga da CMM (isto é, flexão na perna).

[00110] A figura 9 e a figura 10 mostram uma vista frontal e respectivamente lateral de uma CMM do tipo de pórtico 1 - de acordo com a invenção - com um primeiro elemento de referência mecânico 72 e um segundo elemento de referência óptico 71.

[00111] Conforme mostrado, uma CMM do tipo de pórtico não possui pernas/pés moveis entre o eixo geométrico Y/W e X 20 (ou pelo menos eles são muito curtos). O feixe X 20 é diretamente (isto é, sem ou com apenas pés muito curtos) suportado para o movimento por meio de mancais na direção Y ao longo dos feixes Y e W 50,52 que são carregados pelos quatro pilares 54, 56, 58. Os pilares são rigidamente montados em uma mesa de medição, conforme conhecidos per se para uma pessoa versada. Ademais, existem instrumentos de me

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34/38 dição lineares nos mecanismos de acionamento X, Y/W e Z (por questão de simplicidade, apenas mostrados nos mecanismos de acionamento X e Y/W).

[00112] O primeiro elemento de referência 72 é fixado a um lado do feixe X 20 e se estende até a borda da mesa. De maneira semelhante à figura 6, os sensores de deslocamento 9b montados no elemento de referência 72 medem as distâncias até as localizações definidas da superfície superior e lateral da mesa. Essas distâncias indicam os deslocamentos do feixe X 20 causados, por exemplo, pelas fraquezas nos mancais Y, que suportam o movimento da ponte 20 (feixe X) com relação aos feixes Y e W 50, 52.

[00113] Ademais, análogo à figura 4, um feixe de laser de referência colimado ou focado é usado como o segundo elemento de referência 71. Portanto, uma fonte de laser 75 é montada em uma extremidade do feixe X 20 para projetar o feixe de laser de referência. O feixe de laser se comporta na direção X e paralelo à ponte 20 (feixe X). O feixe de referência representa o percurso de referência.

[00114] Dois sensores de deslocamento 9a são colocados no topo do transporte X 22, sendo que os sensores de deslocamento medem os deslocamentos do transporte X 22 com relação ao feixe de referência 71.

[00115] Esses deslocamentos do transporte X 22 podem, por exemplo, ser causados pelas fraquezas nos mancais X, que suportam o movimento do transporte X 22 com relação ao feixe X 20.

[00116] A figura 11 mostra uma vista frontal de uma CMM do tipo ponte com um elemento de referência óptico para indicar uma flexão da ponte.

[00117] O elemento de referência óptico é incorporado como um feixe de laser de referência colimado ou focado 71. A fonte de laser 75 é instalada em um lado do feixe X 20 (ponte da CMM), de modo que o

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35/38 feixe de laser 71 se comporte na direção X e paralelo à ponte 20. O feixe de referência 71 representa o percurso de referência.

[00118] Um sensor de deslocamento 9 é atribuído ao feixe de laser de referência 71. Desse modo, o sensor de deslocamento 9 é montado no outro lado do feixe X 20 (ponte da CMM) de tal modo que ele é voltado em direção à fonte de laser 75. O sensor de deslocamento 9 é atribuído como um elemento detector fotossensível que é construído para medir uma posição invasiva do feixe de laser de referência. Por exemplo, o elemento detector fotossensível pode ser projetado côo arranjo de matriz CCD, arranjo de matriz CMOS, sensor PSD (dispositivo sensível à posição) ou detector de quadrante.

[00119] A posição invasiva percebida do feixe de laser 71 indica uma deformação do feixe X 20. No caso de um feixe colimado como referência, a largura da seção do feixe pode ser definida e, para determinar com precisão uma posição invasiva do feixe, um centro ou um ponto intermediário do ponto de feixe projetado pode ser determinado como a posição invasiva exata. De acordo com uma modalidade especial, também o formato do ponto de feixe projetado no sensor pode ser determinado, analisado e usado para derivar uma deformação do feixe X 20.

[00120] A posição invasiva do feixe de referência 71 (isto é, a posição relativa do sensor com relação ao feixe de referência) indica a condição dimensional correspondente (com respeito a uma deflexão ou flexão) do feixe X 20.

[00121] A deformação ou deflexão indicada e derivada do feixe X 20, por consequência, pode ser usada pela unidade de cálculo da CMM para determinar as coordenadas espaciais de um ponto de medição aproximado pelo cabeçote de sonda.

[00122] A figura 12 mostra - de maneira semelhante à figura 11 uma vista frontal de uma CMM do tipo ponte 1 com uma outra modali

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36/38 dade alternativa de um elemento de referência óptico 71 para indicar uma deformação, particularmente, uma flexão, da ponte 20.

[00123] De acordo com a modalidade da figura 12, a fonte de laser 75 para o feixe de laser de referência 72 e o sensor 9 são montados na mesma extremidade do feixe X 20 e na outra extremidade, é instalado um primeiro refletor 76 para retro refletir o feixe de referência 71. As deformações (particularmente, a flexão) do feixe X 20 podem ser realizadas de uma maneira análoga, conforme descrita em conexão com a figura 11. No entanto, a instalação da fonte de laser 75 e do sensor 9 em uma e na mesma extremidade do feixe X 20 pode fornecer vantagens relacionados ao controle e fornecimento de energia da fonte de laser 75 e do sensor 9 (conexão com o sistema de controle).

[00124] A figura 13 mostra uma outra modalidade de uma CMM do tipo ponte 1 com um elemento de referência óptico 71 para indicar uma flexão da ponte 20, de maneira semelhante à modalidade conforme retratada na figura 11.

[00125] Adicionalmente à fonte de laser 75 em uma extremidade do feixe X 20 e um primeiro sensor óptico 9a na outra extremidade do feixe X 20 (de maneira análoga a figura 11), um segundo sensor óptico 9b é instalado para medir um deslocamento de uma posição do feixe X 20 que é adequada aproximadamente no meio do feixe. De maneira exemplificativa, o segundo sensor pode ser instalado em um retentor mecânico de sensor 76 que, o próprio, é fixado à superfície inferior do feixe X 20 (a fim de não desabilitar o movimento do transporte X 22). O sensor 9b indica uma deformação do feixe X 20 com relação ao feixe de referência 71.

[00126] Por exemplo, os segundos sensores de deslocamento 9b podem compreender um separador de feixe para desacoplar apenas uma parte do feixe de referência 71 e direcioná-la a um elemento detector fotossensível. Nesse lugar, o detector fotossensível pode ser

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37/38 construído para determinar uma posição invasiva do feixe acoplado e refletido, como, por exemplo, já mostrado em conexão com a figura 5. [00127] O ponto invasivo da parte refletida do feixe de referência no detector é usado para determinar um deslocamento de uma posição no meio do feixe X 20 (onde o retentor de sensor 76 é montado no feixe X 20) com relação ao feixe de referência 71. Portanto, uma deformação do feixe X 20 (isto é, uma flexão) pode ser derivada do ponto invasivo e usada para compensar o erro de deformação quando se calcula as coordenadas espaciais de um ponto de medição aproximado pelo cabeçote de sonda.

[00128] Alternativamente à modalidade do sensor 9b descrita acima (isto é, compreende um separador de feixe para acoplar uma parte do feixe de referência e direcioná-la a um elemento detector fotossensível), também um elemento detector fotossensível transparente para determinar uma posição invasiva do feixe de referência pode ser usado como o segundo sensor de deslocamento.

[00129] Conforme descrito acima em conexão com a CMM do tipo ponte, também em conexão com outros tipos de CMMs - por exemplo, tipo ponte em L, tipo braço horizontal, tipo cantilever, tipo pórtico, etc. os movimentos dinâmicos e erros geométricos na estrutura de armação (fraquezas no material da armação) e/ou deslocamentos de erro entre os membros móveis e os guias dos acionamentos X, Y/W e Z podem, dessa maneira, ser percebidos e compensados usando-se um elemento de referência mecânico (que é montado na estrutura de armação de um modo substancialmente descarregado) e sensores de deslocamento.

[00130] Por isso, muito embora a invenção seja ilustrada acima, parcialmente com referência às mesmas modalidades preferidas, deve-se compreender que inúmeras modificações e combinações de diferentes características das modalidades podem ser feitas. Todas esPetição 870190048224, de 23/05/2019, pág. 40/51

38/38 sas modificações estão dentro do escopo das concretizações.

[00131] Algumas das modalidades descritas, de acordo com a invenção, são mostradas de maneira exemplificativa apenas para um mecanismo de acionamento linear ou apenas para uma parte da CMM. No entanto, logicamente, as abordagens inventivas também ou alternativamente podem ser aplicadas para cada um dos outros mecanismos de acionamento e outras partes da CMM. Ademais, o conceito inventivo pode ser aplicado para uma CMM que é projetada como máquina cinemática paralela, assim como para uma CMM que possui cinemática linear ou em série, conforme mostrado nas figuras.

Claims (8)

1. Máquina de medição por coordenada (1) para a determinação de pelo menos uma coordenada espacial de um ponto de medição (13) em um objeto (12) a ser medido, que compreende • uma base (3), • um cabeçote de sonda (6) para aproximar o ponto de medição (13), • uma estrutura de armação (15) para ligar o cabeçote de sonda (6) à base (3), sendo que a estrutura de armação (15) compreende ° pelo menos um primeiro e um segundo componente de armação (14, 22, 24) e ° pelo menos um mecanismo de acionamento linear ligando de maneira móvel o primeiro e o segundo componentes de armação (14, 22, 24), para a provisão de capacidade de movimento do cabeçote de sonda (6) com relação à base (3) em uma primeira direção (x, y, z), caracterizada pelo fato de que • pelo menos um primeiro elemento mecânico de referência (72) que se estende sobre o mecanismo de acionamento linear e pelo menos uma parte do primeiro componente de armação (14, 22, 24), sendo que o primeiro elemento de referência (72) é preso de maneira fixa ao primeiro componente de armação (14, 22, 24) de um modo substancialmente descarregado, e • dois ou mais sensores de deslocamento (9, 9a, 9b) atribuídos ao primeiro elemento de referência (72), sendo que o primeiro elemento de referência (72) e os dois ou mais sensores de deslocamento (9, 9a, 9b) são projetados e dispostos de tal modo que distâncias do primeiro elemento de referência (72) até o primeiro e o segundo componentes de armação (14, 22, 24) são mensuráveis, sendo que distâncias medidas pelos sensores de

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2/6 deslocamento indicam um deslocamento de um membro móvel do mecanismo de acionamento linear a partir de uma posição de sustentação comum e uma deformação do primeiro componente de armação (14, 22, 24).

2. Máquina de medição por coordenada (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que • o mecanismo de acionamento linear compreende ° um guia linear na primeira direção, ° um membro móvel que é suportado para o movimento ao longo do guia por meio de mancais, e ° um instrumento de medição linear para a determinação de uma primeira posição de acionamento do membro móvel na primeira direção (X, Y, Z), e sendo que • a máquina de medição por coordenada (1) compreende uma unidade de cálculo (11) para a determinação da coordenada de espaço como uma função de pelo menos ° a primeira posição de acionamento e ° a deformação e/ou o deslocamento.

3. Máquina de medição por coordenada (1), de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que a estrutura de armação (15) compreende • quatro componentes de armação (6, 14, 22, 24) e • três mecanismos de acionamento lineares que ligam, de maneira móvel, os quatro componentes de armação (6, 14, 22, 24), para a provisão de capacidade de movimento do cabeçote da sonda (6) com relação à base (3) em uma primeira, em uma segunda e em uma terceira direção (X, Y, Z), sendo que cada mecanismo de acionamento linear possui ° um guia linear na primeira, na segunda, respectivamente,

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3/6 na terceira direção (X, Y, Z), ° um membro móvel que é suportado para o movimento ao longo do guia por meio de mancais, ° um instrumento de medição linear para a determinação da primeira, de uma segunda ou de uma terceira posição de acionamento, respectivamente, do membro móvel na primeira, na segunda ou na terceira direção (X, Y, Z) respectivamente, e sendo que • a máquina de medição por coordenada (1) compreende uma unidade de cálculo (11) para a determinação da coordenada de espaço como uma função de pelo menos ° a primeira, a segunda e a terceira posições de acionamento e ° a deformação e/ou o deslocamento indicado pelo sensor de deslocamento (9, 9a, 9b).

4. Máquina de medição por coordenada (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizada pelo fato de que • um segundo ou mais elementos de referência (71, 72) que são dispostos na estrutura de armação (15), cada um para fornecer um percurso de referência substancialmente descarregado ao longo de uma parte da estrutura de armação (15), • sendo que pelo menos um sensor de deslocamento (9, 9a, 9b), em particular dois a cinco sensores de deslocamento, são atribuídos para cada um dos elementos de referência (71, 72), sendo os elementos de referência (71, 72) e os sensores de deslocamento (9, 9a, 9b) projetados e dispostos de tal modo que os deslocamentos e/ou as deformações da estrutura de armação (15) são mensuráveis com relação aos respectivos percursos de referência.

5. Máquina de medição por coordenada (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizada pelo fato de que o segundo ou mais elementos de referência (71, 72) são

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4/6 projetados como • uma armação mecânica de referência adicional (72) que se estende ao longo da respectiva parte da estrutura de armação (15), sendo que a armação de referência (72) é presa de maneira fixa à estrutura de armação (15) de um modo substancialmente descarregado, em particular, sendo que a armação de referência (72) é presa apenas em uma de suas extremidades à estrutura de armação (15), e/ou • um feixe de referência óptico, em particular, um feixe de laser colimado ou focado, que se estende ao longo da respectiva parte da estrutura de armação (15).

6. Máquina de medição por coordenada (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizada pelo fato de que • os sensores de deslocamento (9, 9a, 9b) são dispostos no primeiro elemento de referência (72) e/ou na estrutura de armação (15), e/ou sendo que • os sensores de deslocamento (9, 9a, 9b) são construídos como sensores de distância ópticos, capacitivos ou indutivos.

7. Máquina de medição por coordenada (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizada pelo fato de que • a máquina de medição por coordenada (1) é projetada como máquina de cinética paralela ou como máquina que possui cinética linear ou em série, particularmente, sendo que a máquina de medição por coordenada (1) é projetada conforme um dos seguintes estilos:

° tipo ponte, ° tipo ponte em L, ° tipo braço horizontal, ° tipo cantilever, ° tipo pórtico e/ou

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5/6 • uma sonda de contato, particularmente, uma sonda de varredura ou de engatilhamento por toque, ou uma sonda sem contato, particularmente, uma sonda óptica, de capacitância ou de indutância, é disposta no cabeçote da sonda (6), e/ou • a base (3) compreende uma mesa (6) com uma chapa de superfície de granito para suportar o objeto (12) a ser medido.

8. Método para compensar erros em uma máquina de medição por coordenada (1), como definida em qualquer uma das reivindicações 1 a 7, sendo a máquina de medição por coordenada (1) determina pelo menos uma coordenada espacial de um ponto de medição (13) em um objeto (12) a ser medido, a máquina de medição por coordenada (1) compreende • uma base (3), • um cabeçote de sonda (6) para aproximar o ponto de medição (13) e • uma estrutura de armação (15) para ligar o cabeçote da sonda (6) à base (3), sendo que a estrutura de armação (15) compreende pelo menos um mecanismo de acionamento linear para a provisão da capacidade de movimento do cabeçote da sonda (6) com relação à base (3) em uma primeira direção (X, Y, Z), caracterizada pelo fato de que • medir distâncias de um primeiro e um segundo componentes de armação com relação a um elemento de referência mecânico externo (71, 72), que é preso de maneira fixa ao primeiro componente de armação de um modo substancialmente descarregado e que se estende sobre o mecanismo de acionamento linear e pelo menos uma parte do primeiro componente de armação (14, 22, 24), as distâncias indicam um deslocamento de um membro móvel do mecanismo de acionamento linear a partir de uma posição de sustentação comum e

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6/6 uma deformação do primeiro componente de armação, e

• compensar os erros, particularmente, fraquezas em um mancal do mecanismo de acionamento linear e/ou as fraquezas e deformações no material da estrutura de armação (15), ao usar as distâncias realmente medidas.