CN103890535B - 用于测量三维物体的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于测量三维物体（10、10a、10a'、10h）的方法，包括：‑位置固定地将物体（10、10a、10a'、10h）固定在能围绕旋转轴线（R）旋转的支架（12）上，‑借助探测器（20）扫描所述物体（10、10a、10a'、10h）的至少一个面（22、22'、24、26、26a'、28、28a），其中，所述物体（10、10a、10a'、10h）围绕所述旋转轴线（R）旋转并且所述支架（12）和探测器（20）相对于彼此运动，以及‑检测所述探测器（20）的位置（b（X、Y）），其特征在于，所述支架（12）和探测器（20）线性地沿平移轴线（T）相对于彼此运动，所述平移轴线与所述支架（12）的旋转轴线（R）成锐角并且形成一个平面，所述探测器（20）能在该平面内运动。

Description

用于测量三维物体的方法
技术领域
本发明涉及一种用于测量三维物体的方法，包括：位置固定地将物体固定在可围绕旋转轴线旋转的支架上，借助探测器扫描所述物体的至少一个面，其中，所述物体围绕旋转轴线旋转并且所述支架和探测器相对于彼此运动，以及检测所述探测器的位置。
背景技术
EP 1 103 781 B1公开一种用于测量要测量的物体的V形槽的方法，该测量通过将物体固定在旋转台上并且在物体在旋转台上旋转期间使用扫描探针测量位置进行。利用该已知的方法可以测量物体上的外表面、尤其是外螺纹，其中这样使用用于扫描两侧面接触的控制装置，使得测量元件与两个侧面接触，以便模拟V形槽。
在制造典型地作为旋转部件制造的且可以分别具有螺纹的机器元件时，根据所选择的公差等级或制造公差需要测量被制造的机器元件的几何特征尺寸、尤其是螺纹特征尺寸。同样值得期望的是测量平面的平整度，这是因为端跳无法利用常规的、在多部件制造中使用的测试方法测量。以简单的方式实施的端跳测量在制造许多机器元件时也允许要实施的对相应制造公差的确定并且因此能够保证高的制造质量。有时端跳的测量构成竞争优势。
发明内容
本发明的任务是，提供一种可以简单的机构实施的、在制造许多物体、如机器元件时可使用的方法，该方法允许对相应物体的几何特征尺寸、尤其是平面走向的确定。
该任务通过一种用于测量三维物体的方法解决，该方法包括：位置固定地将所述物体固定在能围绕旋转轴线旋转的支架上，借助探测器扫描所述物体的至少一个面，其中，所述物体围绕所述旋转轴线旋转并且所述支架和探测器相对于彼此运动，以及检测所述探测器的位置，其中，所述支架和探测器线性地沿平移轴线相对于彼此运动，所述平移轴线与所述支架的旋转轴线成锐角并且形成一个平面，所述探测器能在该平面内运动；根据本发明，借助所述探测器扫描所述物体的横向于所述旋转轴线设置的平面，并且首先确定所述物体的参考轴的位置，随后计算平面轮廓以用于所述物体关于参考轴的端跳。按照本发明的方法的特征在于，支架和探测器线性地沿平移轴线相对于彼此运动，所述平移轴线与支架的旋转轴线成锐角并且形成一个平面，探测器可在该平面内运动。
通过按照本发明将旋转轴线和平移或运动轴线布置在一个平面中实现到该平面中的投影，换句话说，要测量的坐标从3到2减少一个维度。因此不必使用昂贵的、有时要求长的测量周期的、用于三维检测的工具。减少为两个要检测的维度允许使用简单的便宜的工具来在二维的、由旋转轴线和平移轴线形成的平面中以及以缩短的测量周期检测探测器的位置。
适宜地，探测器的位置的检测在一个坐标系中进行，并且平移轴线平行于该坐标系、典型地包括X轴、Y轴和Z轴的笛卡尔坐标系的一个坐标轴延伸。按照本发明，发生例如按照Z＝0到由X轴和Y轴形成的平面中的投影。在支架的旋转轴线和X轴之间的角度以及在旋转轴线上的点与坐标系的零点的径向距离r描述在柱坐标中的相应位置。基于角度和物体围绕旋转轴线的旋转速度ω以及支架和探测器的相对运动的速度可以确定或计算要测量的物体的完全的三维构造。
证实特别有利的是，在平移轴线和旋转轴线之间的角度为15°。例如要测量的物体、如调节螺母或螺纹环可以装配在倾斜15°的平台上。
在按照本发明的方法的一种变型中，借助探测器扫描物体的横向于旋转轴线设置的平面。在螺母的旋转和探测器的移动运动同时进行的情况下，借助作为轮廓测量装置的部件的探测器扫描调节螺母和其平面的螺纹。平面指的是圆柱形的端面，该端面设置成或应该设置成横向于、理想地垂直于调节螺母的旋转轴线。从螺纹的几何结构的计算首先确定理想地与旋转轴线重合的参考轴的位置；随后计算平面轮廓以用于关于参考轴的端跳。由此尤其是获得如下希望的信息，即，是否所述平面平坦地构成并且垂直于螺纹的旋转轴线或参考轴延伸地设置。
在另一种变型中，借助探测器扫描物体的尤其是平行于旋转轴线延伸的内表面或外表面。在这里可以扫描在内表面或外表面上设置的螺纹。按照本发明的方法除了确定相应螺纹的形状或相应面的结构以外还能够报告所述面关于旋转轴线的旋转对称或确定对应的参考轴或旋转轴线。据此按照本发明的方法优选用于如下物体，所述物体具有相对于旋转轴线旋转对称的形状、尤其是圆柱形，这是因为在这里按照本发明可以在制造与此相应的物体时实施质量控制。
要测量的物体典型地是机器元件、如调节螺母或螺纹环并且优选作为旋转部件制造。在支架的确定的旋转运动和在支架和探测器之间的确定的平移运动期间检测探测器的位置，由该位置可以确定物体的几何特征尺寸、如对应的面的轮廓形状、参考轴、总端跳、同轴度和总径跳。使用者特别关心的是螺纹的轮廓形状公差、端面或平面相对于参考轴或旋转轴线的角度、平面的平整度、平面相对于参考轴的垂直度、相对于参考轴的总端跳。
本发明此外涉及一种用于实施上述方法的装置。按照本发明的装置的特征在于相对少的结构耗费。支架典型地是夹紧装置的部件，借助该夹紧装置可以根据希望的角度调节倾斜以及可以选择每分钟0-60转的恒定转速。端跳和径跳精度为少于0.1μm；直径典型地为150-200mm。另一个组成部件典型地是轮廓测量装置，该轮廓测量装置具有≤0.1mm每秒的恒定进给速度并且具有盘探测器，该盘探测器以0.1μm的分辨率输出例如在笛卡尔坐标系中的XY坐标。作为所述装置的第三组成部件的分析单元可以在输入进给、转速、云点和螺纹数据之后部分地以及总体地输出参考轴、支承侧面、支承和固定侧面以及特征尺寸。
总之可以确定，按照本发明提供一种用于直接地确定参考轴和尤其是螺纹的制造公差和关于螺纹的端跳的方法。利用按照本发明的方法不仅可以检测按照DIN EN ISO12180-2的圆柱形的几何结构而且可以检测按照DIN EN ISO 12781-2的平面几何结构。利用实施到该装置中的分析逻辑，基于检测的几何结构确定形状和位置偏差以及对应的参考。按照本发明的方法可以利用由于简单的构造而高精确且同时价格便宜的装置或机器实施。复杂的几何结构的检测可以在没有附加的改装耗费的情况下与简单的几何结构的测量组合，从而可以在相对少的耗费下实现高精确性。
附图说明
本发明的其他的优点和特征由接着的说明和附图得出。上述和进一步列举的特征可以按照本发明分别单独地或以任意的组合实现。在附图中示出的特征是纯示意性并且不应按比例理解。附图中：
图1示出用于实施按照本发明的方法的装置的侧视图；
图2示出按照本发明的布置结构在坐标系中的形象说明；
图3a示出要测量的三维物体；
图3b示出图3a的物体的剖面，包括贴靠在其上的探测器以便按照本发明进行测量；
图4示出探测器的借助在图3b中示出的布置结构测量的位置或轨道曲线；
图5示出按照本发明的方法的流程图，包括确定要测量的三维物体的几何特征尺寸；
图6a和6b分别示出用于形象说明按照本发明的方法的分析步骤的测量数据曲线；
图7a-7h分别示出具有要按照本发明测量的内部几何结构的三维物体的剖面；
图8a-8h分别示出具有要按照本发明测量的外部几何结构的三维物体的剖面；
图9a-9d分别示出要按照本发明测量的三维物体的另一种应用示例的剖面；
图10a-10c分别示出作为要测量的物体的螺纹调节螺母的视图。
具体实施方式
图1在侧视图中示出用于测量三维物体10的装置，该物体位置固定地设置在、换句话说固定在夹紧装置14的纺锤状的支架12上。与包括紧固在支架12上的物体10的夹紧装置14对置地，在图1在右边表示的是轮廓测量装置16，该轮廓测量装置包括沿X方向可移动地引导的滑块18以及设置在该滑块上的附加地沿垂直于X方向延伸的Y方向可移动地设置的探测器20。探测器20在由X轴和Y轴形成的运动平面B中可移动地设置并且贴靠在要测量的三维物体10上。
从图1可良好看出，用于物体10的支架12的旋转轴线R设置在由X轴和Y轴形成的运动平面B中并且与X轴成锐角为了测量，支架12连同在其上紧固的物体10围绕旋转轴线R旋转并且同时探测器20沿平行于X轴延伸的平移轴线T运动。借助轮廓测量装置16，探测器20在运动平面B中的位置与时间相关地被检测并且由测量的轨道曲线b(X、Y)利用在图1中未示出的分析单元在考虑支架12的旋转运动和探测器20的平移运动的情况下确定被测量的物体10的希望的几何特征尺寸、如轮廓形状。
图2阐明旋转轴线R和平移轴线T在由笛卡尔坐标系X、Y、Z的X轴和Y轴形成的运动平面B中的按照本发明的布置结构对应于到对应Z＝0的平面上的投影。通过要测量的在图2未示出的物体10围绕旋转轴线R以角速度ω的旋转，在所述物体上要测量的面22、22'引导通过运动平面B并且在那里被测量。物体的旋转运动以圆周线表示。图2直观地示出：通过以速度v沿平移轴线T的平移运动和围绕转动或旋转轴线R的旋转运动，在测量技术上检测完整的三维信息，其中所述平移轴线和所述转动或旋转轴线处于运动平面B中。
在图3a中透视示出的三维物体10作为具有旋转轴线R的旋转对称的旋转部件设计并且具有圆形的平面24。物体10连同将该物体位置固定地保持的支架12的旋转运动r以箭头表明。在图3b中在物体10的剖面图中示出外表面26和具有内螺纹的内表面28以及基本上垂直于旋转轴线R延伸的平面24。在贴靠在物体10上的探测器20沿平移轴线T的预定的平移运动t中，探测器20在运动平面B中执行以箭头b形象说明的扫描运动并且探测器20在坐标系X、Y中的位置或轨道曲线b(X、Y)被记录。
记录的轨道曲线b(X、Y)在图4中示出。在轨道曲线b(X、Y)的上升的第一区段b1中，可看出在内表面28上被扫描的内螺纹的扫描轮廓。在第二区段b2中，轨道曲线b(X、Y)下降并且对应平面24的平面结构而不具有周期性的、而是具有直的变化曲线。第一区段b1和第二区段b2与坐标轴X、Y分别成角度α、β。在被测量的物体10的一种希望的设计中，旋转轴线R与旋转对称的物体10的转动轴或参考轴重合，从而第一角度α与倾斜角一致。在平面24相对于在内表面28上设置的内螺纹的旋转轴线R的希望的垂直定向中，第二角度β同样等于倾斜角在示出的示例中倾斜角
从在图5中示出的流程图在测量步骤M0和M1之后可得出分析步骤A0至A7，借助所述分析步骤可以确定被测量的物体10的几何特征尺寸E1至E5。在图6a和6b中形象说明用于产生第三尺寸的分析步骤A4。在图6a中在俯视图中示出由探测器20在平面24上驶过的螺旋形曲线。根据在图6b中示出的侧视图，通过探测器20沿X方向的平移运动t产生波形的轨道走向。利用平移运动t的速度v与旋转运动r的旋转速度ω的关系，测量的Y坐标可以转移到两个轴向并且因此从在运动轴线B＝(X、Y、Z＝0)中检测的2D信息逆算出整个物体10的3D信息。
在图7a至7g中分别示出围绕旋转轴线R旋转对称的物体10a，该物体包括平的外表面26a和特定设计的内表面28a(只在图7a中标出)。相应的内表面28a可以局部平地、凹地、凸地、圆锥形地、变细地、阶梯形地、设有螺纹地、跟随弓形走向地构成。在图7h中示出的物体10h中，外表面28h旋转对称并且内表面26h以相对于旋转轴线R的不同距离构成。在图7a-7h中示出的特别的内部几何结构的相应配合件在图8a-8h示出，换句话说在图7a中示出的物体10a与在图8a中示出的包括外表面26a'的物体10a'在组合视图中形成实心圆柱体，对应地还有图7b与8b等。
在图9a-9d中示出具有旋转对称的物体的不同设计的外部和内部几何结构的其他应用示例。
图10a-10c形象地说明借助按照本发明的方法可以测量在图10a中以侧视图、在图10b中以俯视图并且在图10c中以剖面图示出的螺纹调节螺母。该螺纹调节螺母相对于旋转轴线R旋转对称地构成并且在其内表面28上具有内螺纹以及沿着其沿旋转轴线R的尺寸具有第二阶梯的中断部，由此在使用示出的螺纹调节螺母时实现无间隙。

Claims (13)

1.一种用于测量三维物体(10、10a、10a'、10h)的方法，包括：
-位置固定地将所述物体(10、10a、10a'、10h)固定在能围绕旋转轴线(R)旋转的支架(12)上，
-借助探测器(20)扫描所述物体(10、10a、10a'、10h)的至少一个面(22、22'、24、26、26a'、28、28a)，其中，所述物体(10、10a、10a'、10h)围绕所述旋转轴线(R)旋转并且所述支架(12)和探测器(20)相对于彼此运动，以及
-检测所述探测器(20)的位置(b(X、Y))，
-其中，所述支架(12)和探测器(20)线性地沿平移轴线(T)相对于彼此运动，所述平移轴线与所述支架(12)的旋转轴线(R)成锐角并且形成一个平面，所述探测器(20)能在该平面内运动，
-其特征在于，借助所述探测器(20)扫描所述物体(10)的横向于所述旋转轴线(R)设置的平面(24)，并且
-首先确定所述物体(10)的参考轴的位置，并且随后计算平面轮廓以用于所述物体(10)关于参考轴的端跳。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述探测器(20)的位置(b(X、Y))的检测在一个坐标系(X、Y)中进行，并且所述平移轴线(T)平行于该坐标系(X、Y)的一个坐标轴(X)延伸。
3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述平移轴线(T)和旋转轴线(R)之间的角度等于15°。
4.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，借助所述探测器(20)扫描所述物体(10、10a、10a'、10h)的内表面(28、28a、28h)或外表面(26、26a'、26h)。
5.按照权利要求4所述的方法，其特征在于，所述内表面(28、28a、28h)或外表面(26、26a'、26h)平行于所述旋转轴线(R)延伸。
6.按照权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述内表面(28、28a、28h)或外表面(26、26a'、26h)上扫描螺纹。
7.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述物体(10、10a、10a'、10h)具有相对于所述旋转轴线(R)旋转对称的形状。
8.按照权利要求7所述的方法，其特征在于，所述物体(10、10a、10a'、10h)具有圆柱形。
9.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述物体(10、10a、10a'、10h)作为机器元件制造。
10.按照权利要求9所述的方法，其特征在于，所述物体(10、10a、10a'、10h)作为调节螺母或螺纹环制造。
11.按照权利要求9所述的方法，其特征在于，所述物体(10、10a、10a'、10h)作为旋转部件制造。
12.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述支架(12)的确定的旋转运动(r)和在所述支架(12)和探测器(20)之间的确定的平移运动(t)期间检测所述探测器(20)的位置(b(X、Y))，由该位置确定所述物体(10、10a、10a'、10h)的几何特征尺寸(E1-E5)。
13.按照权利要求12所述的方法，其特征在于，所述几何特征尺寸(E1-E5)包括轮廓形状、参考轴、总端跳、同轴度和/或总径跳。
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