CN101868691B - 用于校正坐标测量装置的测量值的方法以及坐标测量装置 - Google Patents

Abstract

使用一种方法来校正坐标测量装置的测量值，该坐标测量装置具有探头(6)、校准体、以及用于基于所述坐标测量装置的元件的预定变形参数来记录和校正由所述探头(6)记录的测量值(x_i，y_i，z_i)的设备(10，30)。所述方法包括以下步骤：a)确定在所述校准体的表面(26)上的预定点(28)处的机械顺从性；b)以数据记录(N)的形式在所述设备中存储所确定的顺从性；c)使用所述探头(6)逐点扫描所述校准体；以及d)通过使用所述数据记录(N)校正在步骤c)中确定的所述探头(6)的测量值，校准所述探头(6)。类似地，还可将该方法用于具有已知的顺从性的工件。还提出了适于执行这些方法的坐标测量装置。

Description

用于校正坐标测量装置的测量值的方法以及坐标测量装置

技术领域

本发明涉及用于校正坐标测量机的测量值的方法，该坐标测量机具有探头、校准体、以及用于基于所述坐标测量机的元件的预定变形参数来记录和校正由所述探头记录的测量值的设备。

本发明还涉及用于校正坐标测量机的测量值的方法，该坐标测量机具有探头以及用于基于预定变形参数来记录和校正由所述探头对工件记录的测量值的设备。

最后，本发明涉及坐标测量机，其具有探头以及用于基于预定变形参数来记录和校正由所述探头记录的测量值的设备。

背景技术

从DE 101 24 493 A1可知上述类型的方法。

在典型地用于分析工件表面的坐标测量机中，由于坐标测量机的元件在测量操作期间弯曲，因此会发生系统误差。这里主要提及探头(特别地，探针)的弯曲，但也要提及坐标测量机的构成部件的弯曲。在探头和探针的区域中的弯曲实质上是所施加的接触或测量力的结果。然而，当坐标测量机的移动元件被加速或减速时发生的力以及其质量也会起作用。

在测量中涉及的坐标测量机元件的弯曲自然会导致测量误差。因此，已经试图使用校正方法以各种各样的方式补偿这样的测量误差。

从DE 101 24 493 A1可知作为参数场(特别地，作为张量)来确定探测器的动态弯曲行为，以从该参数场计算校正值，同时考虑作用于探测器的加速，并且最终使用校正值来校正探测器的测量结果。

在坐标测量机中，还已知利用所谓的校准体来校准在空间中探头的探头针尖的自由端上设置的探针球的位置。通常，这些校准体被配置为球体，其被设置在坐标测量机的测量区域中且可以通过探针球以几乎任何希望角度接近。在本发明的范围内，校准体被视为坐标测量机的一个元件。

从DE 198 09 589 A1可知利用探头接近校准体(特别地，校准球)且沿着校准体的表面上的路径导引该探针球，其中校准体的表面不限于平面。从以该方式记录的测量值计算分配给探测器的校准数据。

在本发明的上下文中，现在已经发现，当通过常规探测力来校准探头时，校准体及其支撑物也以不再可忽略的程度变形。先前并未考虑这些变形。然而，它们还导致利用被推测为校准过的探头执行的所有进一步的测量的误差。

已知方法的另一缺点在于，由于将被分析的工件的柔性，也会发生误差。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供在开始提到的类型的方法和坐标测量机，以避免这些缺点。特别地，提供这样的方法和坐标测量机，其中在测量值中还考虑校准体及其支撑物的变形，以及作为替代物或附加地，工件的变形，并由此校正这些变形。

对于在介绍中提及的第一种方法，根据本发明通过以下步骤实现该目的：

a)确定在校准体的表面上的预定点处的机械柔性；

b)以数据记录的形式存储所确定的柔性；

c)通过探头逐点扫描所述校准体；以及

d)通过使用所述数据记录(N)校正在步骤c)中确定的所述探头的测量值，校准所述探头。

对于在介绍中提及的第二种方法，根据本发明通过以下步骤实现该目的：

a)确定在工件的表面上的预定点处的机械柔性；

b)以数据记录的形式存储所确定的柔性；

c)通过探头逐点扫描所述工件；以及

d)使用所述数据记录，校正在步骤c)中确定的所述探头的测量值。

对于在介绍中提及的坐标测量机，根据本发明通过适于执行根据上述类型的方法的设备而实现该目的。

由此完全实现本发明的目的。

利用关于所提到的第一种方法的发明，首次有可能补偿那些由于校准体的变形而导致发生的误差。利用所提到的第二种方法，使得对于工件的已知柔性有可能校正或校准，从而该柔性也不会导致测量误差。

在本发明的优选配置中，使用校准球作为所述校准体。

该配置具有这样的优点，即，可以采用已知的校准概念。

在步骤a)中，可替代地，可以通过对参考校准体的测量或者通过对校准体的模型的有限元法(FEM)，有利地确定柔性。

此外，优选在步骤d)中，与所测量的测量力一起，计算在某点处的所确定的柔性，并且，特别地，在步骤d)之后，使用探头分析工件的表面，然后从在分析所述工件时确定的测量值减去计算出的柔性。

这些测量具有这样的优点，即，可以以简单的方式执行校正。

此外，当在步骤b)中以矩阵的形式存储所述数据记录时，获得特别简单的校正。

最后，当所述校准体被设置在预期的空间测量范围的中心处时，获得良好的效果。

取决于测量力的坐标测量机部件变形在该空间范围内达到其平均值。因此，本发明的所述细化具有这样的优点，即，在校准过程中已经考虑了这些变形。例如，当校准探针柔性时，部件变形被包含在探针的变形参数中，且可以由此在测量中被部分补偿。另一方面，在不校正校准体的柔性的条件下，过去，已试图尽可能短地夹持校准体，因此将校准体夹持在测量区域的边缘处。

附图说明

在说明书和附图中可以发现其他优点。

应理解，上面提到的以及下面尚未解释的所有特征不仅用于分别组合指示，而且用于其他组合或者单独使用，而不脱离本发明的范围。

本发明的示例性实施例体现在附图中，且将在下面的描述中更详细地进行解释。

图1示出根据现有技术的坐标测量机的高度示意性透视图；

图2放大示出了用于解释根据本发明的方法的校准的侧视图；以及

图3示出在根据本发明的方法的范围内使用的具有测量点的校准球的视图。

具体实施方式

在图1中，1表示公知的门架(portal)设计型的坐标测量机整体。坐标测量机1具有测量台2，在该测量台上设置门架3，以便其可以沿着所谓的y轴在水平方向上位移。在门架3的桥上，套管载体(sleeve carrier)沿着所谓的x方向在水平方向上移动。套管5又沿着所谓的z轴在垂直方向上在套管载体4中移动。x轴、y轴和z轴形成笛卡尔坐标系。

在套管5的下端处为探头6，该探头6终止于探针7，在探针7的自由端处存在探针球8。

探头6和探针7分别在图1中垂直向下延伸。探头6通常可以具有旋转式活接头，以便该探头6或者探针7还可以相对于垂直方向倾斜和/或关于垂直方向旋转。以该方式，通过使门架3、套管载体4和套管5位移，并且通过使探针7倾斜和旋转，可以从几乎任何希望的方向接近工件9上的任何希望的点，该工件9以预定测量间隔被夹持在测量台2上方。

通过探头6确定的测量值，也就是说，在工件9上的测量点的空间坐标，被传送到控制-测量-和评估单元10，该单元10又可以受到使用具有测量和评估计算机的控制装置11的用户的控制。

在测量台2上，优选在测量区域的中心，存在校准装置16，即使其被可拆性地连接到坐标测量机1，该校准装置16在本发明的范围内也被认为是坐标测量机1的元件。

校准装置16包括具有精确限定的形状的校准体，特别地，校准球18。由于已知其在测量区域内部的位置，可以校准探头6。通过使探针球8移动靠在校准球18的表面上的限定点处，并且比较由此测量的该点的空间坐标与该点的已知实际空间坐标，实现这一点。在对工件9的随后的测量中考虑所产生的差异。

图2放大示出了校准球18的探测过程。从(放大表示的)位置可以看出，探针已弯向左侧，并且校准球也已从其起始位置18弯曲(用虚线表示)到位移后的位置18’。同时，校准球的支撑物也已从22弯曲到22’。通过探针球8的接触，校准球18的表面26也会变形。总体上，在本发明的范围内，将这些弯曲过程称为“柔性”。

可以看出，探头6，特别地，探针7的与测量力相关的弯曲的过程不能离开校准球18的支撑物22的变形以及校准球本身的变形。由此，如果采用根据现有技术的工序且忽略该变形，那么已确定的张量将不仅包含探针7的变形，而且还包含校准球18的变形，从而通常为刚性的所有实际工件将被不正确地测量。

根据本发明，现在，最初在第一步骤中确定如上定义的柔性。这可通过借助于校准球18及其支撑物22的实际例子而通过实验室实验实现。或者，还可以通过有限元法(FEM)借助于对应的模型计算出该柔性。

在多个点28处在校准球18的表面26上确定柔性。这些点优选均匀地分布在表面26上，例如，如图2所示。根据校准球18的尺寸且根据希望的精度，可以在宽范围内设定点28的数目。

现在，在第二步骤中，将以该方式确定的柔性存储作为数据记录。这优选以矩阵的形式实现。

例如，如果在实验室实验中或者通过FEM计算已确定柔性在x和y方向上为0.001mm/N且在z方向上为0.0002mm/N，则获得以下矩阵表示的柔性：

$N=\left(\begin{array}{ccc}0.001& 0.0& 0.0\\ 0.0& 0.001& 0.0\\ 0.0& 0.0& 0.0002\end{array}\right)$

为了确定在表面26上的每个点28的校正值k′(x′i，y′i，z′i，)，将该矩阵N乘以力矢量F，并且从由探头6测量的测量值k(xi，yi，zi)减去该结果：

             k′＝k-N·f

以该方式校正的测量值允许确定探头6的刚度。

这在图2中用校正站30表示。将矩阵N供给到校正站30的第一输入32。在第二输入34处施加探头6的测量值x_i，y_i和z_i。可以从校正站30的输出36取得校正后的测量值x_i′，y_i′和z_i′。

根据在探头系统中使用的传感器，可以从各种值确定力矢量：对于具有主动测量力发生器的探头，可以从这些发生器的参数，例如，在使用测量力线圈作为力发生器的情况下，从对测量力线圈施加的电压，确定力矢量。在校正站30的输入34处施加的测量值可以直接代表在该情况下的力值。

对于没有这样的致动器的探头，通常存在具有用于这些目的的充分已知的柔性的弹簧元件。于是，可以从传感器位移和该已知的柔性计算出测量力。对校正站30的输入34施加的测量值在该情况下可以代表传感器位移。在该情况下，校正站30包括从位移对力矢量的计算。

可替代地，还可以用用于力矢量的另外的输入来补充校正站30。

另外可替代地，为了确定柔性，还可以采用有限弹性元件(未示出)，所述有限弹性元件被分别施加在校准球18的下端上和承载校准球18的轴(shaft)38上。于是，这些元件具有平移或旋转自由度。然后可以从测量力和从各自的点28的位置计算出有关这些有限弹性元件的力矩。然后可以通过用于有效力矩导致的倾斜和有效力导致的柔性值位移的柔性值描述每个节点。

利用同样是本发明的主题的对应的方法，如果已知工件9的柔性，则可以校正在实际测量期间工件9的变形。

这可通过最初确定在工件9的表面上的预定点处的机械柔性来实现。然后以数据记录的形式存储所确定的柔性。当分析工件9时，通过探头6逐点扫描工件9，并且使用数据记录N来校正已确定的探头6的测量值。

Claims (10)

1.一种用于校正坐标测量机(1)的测量值的方法，所述坐标测量机(1)具有探头(6)、校准体、以及用于基于所述坐标测量机的元件的预定变形参数来记录和校正由所述探头(6)记录的测量值(x_i，y_i，z_i)的设备(10，11，30)，其特征在于包括以下步骤：

a)确定在所述校准体的表面(26)上的预定点(28)处的机械柔性；

b)以数据记录(N)的形式在所述设备中存储所确定的柔性；

c)通过所述探头(6)逐点扫描所述校准体；以及

d)通过使用所述数据记录(N)校正在步骤c)中确定的所述探头(6)的测量值，校准所述探头(6)。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于，使用校准球(18)作为所述校准体。

3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，在步骤a)中，通过对标准校准体的测量来确定所述柔性。

4.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，在步骤a)中，通过对参考校准体模型的有限元法来确定所述柔性。

5.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，在步骤d)中，与所测量的测量力一起，计算在所述预定点(28)处的所确定的柔性。

6.根据权利要求4的方法，其特征在于，在步骤d)之后，使用所述探头(6)分析工件(9)的表面，然后从在分析所述工件(9)时确定的测量值减去计算出的柔性。

7.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，在步骤b)中，以矩阵的形式存储所述数据记录。

8.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，所述校准体被设置在限定的空间测量范围的中心处。

9.一种用于校正坐标测量机的测量值的方法，所述坐标测量机具有探头(6)、以及用于基于预定变形参数来记录和校正由所述探头(6)对工件(9)记录的测量值(x_i，y_i，z_i)的设备(10，11，30)，其特征在于包括以下步骤：

a)确定在所述工件(9)的表面上的预定点处的机械柔性；

b)以数据记录(N)的形式在所述设备中存储所确定的柔性；

c)通过所述探头(6)逐点扫描所述工件(9)；以及

d)使用所述数据记录(N)，校正在步骤c)中确定的所述探头(6)的测量值。

10.一种坐标测量机，其包括探头(6)以及用于基于预定变形参数来记录和校正由所述探头(6)记录的测量值(x_i，y_i，z_i)的设备(10，11，30)，其特征在于，所述设备(10，11，30)适于执行根据权利要求1至9中任一项的方法。

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