CN105444707A - 用于补偿cmm接触式测头的三角形行为的方法 - Google Patents

Abstract

用于补偿CMM接触式测头的三角形行为的方法。利用包括接触式测头的CMM补偿与要测量物体处的测量点的测量有关的测量误差的方法，包括：在CMM的测量空间中的已知位置处设置已知形状和尺寸的三维参照体；在参照体处限定要测量的多个参照点；根据多个参照点沿限定的接触方向用接触式测头接触参照体并确定多个参照点的位置；以及基于参照体的形状和尺寸及参照点的位置导出接触式测头的三角形误差信息，该误差信息提供与接触式测头的相应接触方向有关的误差值。利用接触式测头对要测量物体处的期望测量点执行的测量通过以下步骤补偿：向限定测量方向分配对应接触方向，该测量方向根据利用接触式测头接近物体的方向限定；考虑与分配的接触方向有关的误差值。

Description

用于补偿CMM接触式测头的三角形行为的方法

技术领域

本发明总体上涉及用于利用坐标测量机(CMM)的接触式测头借助于有关该接触式测头的三角形(lobing)行为的信息来补偿测量的方法。

背景技术

通常的做法是，在制造完成后在诸如坐标测量机(CMM)的坐标定位设备上检查工件，以便检查预定物体参数的正确性，如物体的尺寸和形状。

在常规的3D坐标测量机中，测头座(probehead)被支承以沿三个相互垂直的轴(沿方向X、Y、Z)移动。由此，可以将测头座引导至坐标测量机的测量空间的空间中的任一任意点，并且可利用由测头座所携带的测量传感器(测头)来测量所述物体。

在该机器的简单形式中，与每一个轴平行安装的合适的变换器能够确定测头座和所设置的测头相对于该机器基部的位置，并因此确定该物体上的被该测头接近的测量点的坐标。为了提供测头座的可移动性，典型的坐标测量机可以包括设置测头座的框架结构以及用于使框架结构的框架组件彼此相对移动的驱动装置。

为了测量表面变化，已知基于使用触觉传感器和光学传感器的测量原理二者。

一般来说，为提供具有高测量精度的坐标测量机，坐标测量机的框架结构因此通常被设计成具有高静态刚性。为了实现刚性且坚硬的机器设计，框架结构或框架结构的至少一部分通常由诸如花岗岩的石头制成。除了像热稳定性和良好的阻尼特性的所有正面效果以外，花岗岩或其它刚性材料还使得机器和可移动框架部件十分沉重。另一方面，大的重量还需要用于恰当加速的大力量。

然而，减小重量是有关坐标测量机设计的主要话题，好像构建机器组件一样，包括更小重量(和更小刚性)更快定位的相应组件可以通过使更少的力影响坐标测量机来实现。另一方面，因减小刚性和机器组件的(更快)移动而造成的机器振动和扭转的影响随着这些部件的重量减小而增加。由此，所得出的测量值的不确定性和由这种变形和振动而出现的误差因此增加。因此，特别是考虑到重量缩减，而且对于常规机器来说，准确的误差处理是重要方面。

对于两种方法(重量和轻量)来说，需要相应CMM的初始校准过程，特别是用于确定相应系统的静态和可重复性误差。为了保持稳定和准确的测量需求，优选地，由于考虑到随着时间影响测量系统的外部影响，例如，环境参数(温度、湿度等)的改变或机械冲击，因而这种校准要按限定间隔执行。

CMM的校准可以提供对模型的改进，所述模型描述特定条件下CMM的静态和/或动态行为。由此，当前校准参数可以被用于实现所限定的模型，以便更精确地(并且适于当前条件地)描述CMM的行为。

通常，根据校准过程得出所谓的补偿图(compensationmap)，其中，该图提供对通过测量物体的测量点而获取的每一个测量值的补偿。这种图可以被设计为一种查找表，即，对于每一个坐标来说或者对于CMM的每一个轴的限定坐标步骤来说，提供对应补偿值，并且用补偿值替换原始测量值。另选地，确定指定的方程，并且将该方程应用至所测量的位置值以计算对应的修正值，由此提供一种补偿图。

对于误差处理来说，示例性地，EP1559990公开了一种坐标测量系统和修正在坐标测量机中测量的坐标、在将具有不同重量的部件安装在该坐标测量机上时测量几何误差的方法。补偿参数根据每零件重量的测量结果得出并存储。与要测量的零件的重量相对应的补偿参数被恰当地读出，以修正要测量零件的测得的坐标。

作为另一示例，EP1687589公开了一种在具有包括表面检测装置的万向测头座的坐标测量机中进行误差补偿的方法。该表面检测装置在测量期间围绕万向测头座的至少一个轴旋转。该方法包括以下步骤：确定该装置的整体或部分的刚性；确定与万向测头座在任何特定时刻施加的载荷相关的一个或更多个因素；以及确定由该载荷在表面感测装置处造成的测量误差。

而且，可以考虑该类型的测头和要被用于测量的每一个测头对自身(由于探针组装中的给定变化)的附加影响。下面，讨论用于进行触觉测量的接触式测头。

图1a示出了根据现有技术已知的典型接触触发式测头100。测头100包括具有测头尖端101的接触部件，该接触部件用于接触要测量的物体并确定该物体处的接触点的对应位置坐标。像图1a的接触触发式测头通常与坐标测量机(CMM)一起用于估计根据测头尖端与物体表面接触所指示的轴的位置。示出了切换传感器。探针被接合至三脚架结构，所述三脚架结构的三个圆柱形臂102由三对十字状圆柱支承。这是一种作用于弹簧的运动机构，由此将探针恢复至原始位置。

如果探针接触到物体并由此相对于其初始位置偏斜，则通过该柱状结构提供信号，并且指示该偏斜以及对物体的接触具有该偏斜。

图1b示出了如图1a所示测头的典型误差行为。由于测头的机械设计，因而触发力在所有方向上并不恒定，而且由于探针的弯曲是力的直接作用，因而所获得的准确度因此也显得不均匀。这种误差被典型地称作“三角形(lobing)误差”。这里，针对三个方向的探测误差接近或直至5μm。

这种测头的设计和它们的三角形误差的行为已经例如根据MarekDobosz和AdamWozniak的“CMMtouchtriggerprobestestingusingareferenceaxis”,PrecisionEngineering29(2005)281–289，或者根据A.Wozniak,M.Dobosz的“MetrologicalfeasibilitiesofCMMtouchtriggerprobes.PartI:3Dtheoreticalmodelofprobepretravel”,Measurement34(2003)273–286而获知。

现今，在大多数使用案例中，三角形误差被视为在所有方向上恒定，这是一种相当强的限制。使用几乎完美的参照球体作为要测量的参照体以供校准，并且围绕该参照球体的赤道、在参照球体的北极附近(而且，有时在其间的一些其它位置)测量几个点。接着，假定所收集的点处于完美的球体上，并且使用二次回归来计算所测量的参照球体的直径。当参照球体的直径如此提供时，可以在此基础上利用下面公式容易地计算探针直径：

D_stylus＝D_{measuredsphere}–D_{referencesphere}

然而，在接触触发式测头行为针对所有接触方向绝对均匀的情况下，该方程是完美的，但这不是真实世界的情况。作为上述方法的结果，计算值D_stylus被用于所有随后的测量，但随着测头的三角形行为随着接触物体的方向而改变，即，相对于测头接触物体的角，不存在可用的精确的方向相关补偿的测量值。换句话说，利用用于确定该球体的半径的回归并且利用这种近似值导致大部分错误补偿测量。

而且，三角形效应可以利用更准确的触发系统的测头类型(例如，基于压电部件)来减小。然而，这种测头比上面描述所涉及的常用简单测头类型昂贵得多。

要被视为要补偿的可能误差的另一方面涉及接触式测头与要测量的物体103的表面之间的接触点。事实上，探针尖端101与要测量表面之间的精确接触点是未知的。该软件仅假定在开始接触时，探针运动(速度矢量105)垂直于表面。在机动模式(利用电机驱动CMM)下，当使用工件的CAD模型时，这可以相当准确地实现，但在手动模式下或者该工件具有相对较大的几何误差或者其在CMM上的位置和取向未精确获知时，用于测量点的精确接触点不准确。

为了更好理解，图2示出了所述行为，其中，表示了“考虑的接触点110”和“真实接触点111”两者。速度矢量105示出在撞击表面之前的探针方向，而力矢量示出在开始接触时的工件反应。

可以看出，由于精确接触点未被修正，因而，当探针尖端101未完美地垂直接触表面时，产生了附加误差。

发明内容

由于上述问题，因而本发明的目的是提供一种用于更准确地补偿由接触式测头的上述三角形行为所导致的测量误差的方法。

本发明的构思是提出一种补偿这种典型的三角形误差以在相同成本下达到较高准确度的方法。

另一目的是提供一种用于在接触要测量的物体时确定接触式测头的真实接触点的改进方法，其优选地与补偿三角形效应相组合。

这些目的通过实现独立权利要求书的特征来实现。按另选或有利方式进一步开发本发明的特征在相关专利权利要求书中进行了描述。

本发明涉及一种用于利用包括接触式测头的坐标测量机来补偿与要测量的物体处的期望的测量点的测量有关的测量误差的方法。特别是在校准所提供的接触式测头的序列内，所述方法包括以下步骤：

·在所述坐标测量机的测量空间中的已知位置处设置已知形状和尺寸的三维参照体；

·在所参照体处限定要测量的多个参照点；

·根据所述多个参照点沿限定的接触方向利用所述接触式测头接触所述参照体，并由此确定所述多个参照点的位置；以及

·至少基于所述参照体的已知形状和尺寸(特别地，另外基于所述参照体的已知位置)以及所述参照点的确定的位置，导出所述接触式测头的三角形误差信息，所述三角形误差信息提供与所述接触式测头的相应接触方向有关的误差值。

根据本发明，利用所提供的接触式测头对要测量的所述物体处的所述期望的测量点执行的测量借助于以下步骤来补偿：向限定的测量方向分配对应的接触方向，所述测量方向按照所述接触式测头接近所述物体的方向来限定，并且考虑与所分配的接触方向有关的误差值。

具体来说，所述测量可以利用与所分配的接触方向有关的误差值来补偿。

在本发明背景下，接触式测头应理解为使能通过接触相应物体来测量该物体或工件处的期望点的任何种类的测头。这种接触式测头可以通过根据现有技术已知的接触触发式测头或扫描测头来实现。

用语“接触方向”和“测量方向”在本申请内被用于区分在可感测或必需的情况下的这些方向。“接触方向”主要涉及直接分配给接触式测头本身的方向，并且涉及导出三角形误差的方法，即，例如，在二维(X-Y平面)中提供三角形函数，而且接触方向涉及接触式测头关于该平面的移动。与此相反，“测量方向”还可能是还包括Z方向上的一部分的方向，而且通过使用与仅关于测量方向的X和Y部分对应的接触方向有关的三角形函数，根据该方向的测量的补偿也将是可能的。由此，用于补偿的接触方向不必需要完全对应于测量方向，其中，对出现的测量误差仍然较好的补偿可以是可能的。而且，测量方向可以分别与接触物体处的测量点的方向(如果期望接触点对应于真实接触点)或接触物体的方向相同。

在该背景下，还要理解的是，根据所使用的测量方向和给定的三角形误差信息的种类(尺寸)，特定接触方向可以与特定测量方向相同。

利用三角形效应的分析模型的精确取向(即，三角形函数或三角形误差信息，具体来说，三维的)，基于三角形信息，所有测量都可以正确且个别地精确补偿。

概括地讲，本发明允许将入门级接触触发式测头的准确度改进为接近更高级且更昂贵版本级别的准确度。

即使对三角形效应的补偿总是对测量的准确度具有正面影响，当使用较长探针或星形探针时，所述效应甚至更强。

具体来说，所述方法利用以下更多指定步骤来执行：根据所述期望的测量点，沿所限定的测量方向使用所述接触式测头接触要测量的所述物体，其中，确定所述期望的测量点的位置坐标，并且将对应的接触方向分配给所述测量方向(即，关于与所述测量方向最佳对应的所述接触式测头的接触方向，例如，X方向和Y方向，与所述接触式测头的移动方向相同)，特别是其中，所述接触方向基本上对应于所述测量方向。另外，标识特定的误差值，所述特定的误差值与所分配的接触方向相关，并且基于所标识的误差值来补偿所述测量点的测量的位置坐标。

误差值的补偿可以通过应用基于所分配的误差值来提供处理和调节测量数据的算法来执行。

根据本发明的实施方式，所述参照点以参照所述参照体的二维或三维分布来设置。所述参照体处的要测量点的密度和空间分布例如可以根据给定的测量需求来选择。一般来说，为了导出三角形误差而限定并测量的参照点越多，则可导出的三角形函数就更精确，并且可对测量执行更准确的补偿。

在该背景下，具体来说，可以关于所述参照点的所述三维分布导出所述三角形误差信息，其中，所述三角形误差信息提供了所述接触式测头的三维误差分布，所述误差分布表示与相应的接触方向有关的相应误差值。可以基于所述三角形误差信息并且根据所述测量点的所述相应测量方向来补偿所述测量点的所述测量，其中，将接触方向分配给所述测量方向。

所述三维误差分布可通过所述三角形误差(三角形误差信息，参见图4)的计算出的模型来表示，该模型提供了与所述接触式测头的所述测头尖端的球形形状相关的任何球面方向的相应误差。因此，可使任何测量方向与对应球面方向关联并加以补偿。

因而，由于所述误差信息可用于三个坐标方向X、Y和Z，因而可以基于所述误差模型来补偿由CMM提供的任何测量方向。

在优选实施方式中，可以在赤道附近(三角形效应通常在那里较强)以较高的密度在完整球体或半球体上进行测量。与已知分析三角形函数的最佳拟合可以确保合适3D误差信息的最佳可能取向提取和生成。

三角形效应的精确模型化、标识以及定位允许在所有测量方向上对其补偿。使用数学三角形模型仅允许测量有限数量的点来取向和定标所述模型。还允许导出针对所有方向的补偿，而不必针对每一个使用的方向采取参照测量。这大大缩短了校准时间。

下面，参照本发明另一实施方式，针对所述三角形误差信息在误差值关于它们的相关接触方向的量级方面进行分析，并且导出至少一个低误差区和至少一个高误差区，所述至少一个低误差区具有相应接触方向的较低量级的至少一个误差值，而所述至少一个高误差区具有相应接触方向的较高量级的至少一个误差值。换句话说，根据哪个相关的三角形误差较低(例如，接近于零)和/或较高(例如，接近于误差量级的最大值)(如果利用对应测量方向进行测量)，在接触方向方面对所述三角形函数(2D或3D)进行分析。该信息可被用于测量的预先补偿。

根据一个实施方式，为了测量所述期望测量点，根据与包括所述较低量级的误差值的接触方向相对应的限定的测量方向，利用所述接触式测头来接触所述要测量的物体。通过如此来规划测量，与测量相关的误差非常低甚或没有由于三角形导致的误差，这导致了更精确的测量(预先补偿)。

当例如测量钻孔时，测量点的精确位置通常不指定，而且仅适于采用三角形效应较小的点，即，测量方向涉及小的误差。这样，所测量直径将更加准确。

由此，当测量钻孔时，对测量点的适合选择使得受到三角形效应的影响最小，这改进了得到的准确度。

而且，在根据导出的三角形误差信息设置测量点的背景下，零件程序可以生成和/或调节，所述零件程序限定了针对该物体(要测量的零件)的测量处理，使得所述期望的测量点按照如下方式限定，即，根据与所述至少一个低误差区的接触方向相对应的测量方向来测量所述期望测量点。

根据本发明的另一实施方式，利用所述接触式测头补偿或预先补偿测量通过以下步骤来执行：通过相对于由坐标测量机限定的坐标系统(物理地)对准触摸式测头，将对应接触方向分配给限定的测量方向，使得第一主机器轴(例如，X轴或Y轴)的方向对应于具有较低的(特别是最小的)误差值的接触方向。

根据更特定的实施方式，通过以下步骤将对应的接触方向分配给限定的测量方向：相对于由坐标测量机限定的坐标系统对准所述接触式测头，使得至少第一和第二主机器轴(X轴或Y轴)的方向对应于包括较低的(特别是最小的)平均误差值的接触方向。换句话说，在X方向和Y方向上得到的误差被最小化。

由于在CMM上的大部分测量是沿X和Y轴进行的，因此相应地物理对准所述测头以便确保在X方向和Y方向中的一个或两个方向上具有最小的三角形效应是有意义的。通过这样的对准，CMM的总体测量质量将显著提高。

一般来说，限定零件程序或测量规划，所述零件程序或测量规划限定了物体上的测量点(即，那些点的位置)和移动所述接触式测头以接近测量点的路径。因此，这种规划还限定了这种点被接触的测量方向。

具体来说，要测量的物体的(数字)模型设置有预先限定的测量点，其中，所述模型提供了有关所述物体的期望形状和期望尺寸的信息，并且根据所述模型的所述预先限定的测量点，沿限定的测量方向利用所述接触式测头接触所述物体。

为了应用上述三角形补偿，必须获知接触所述物体的真实接触点和对应测量方向。只要按照限定好的位置和取向将所述物体设置在所述CMM处，真实接触点就和按照零件程序限定的测量点相同。另外，即，如果所述物体的位置和/或取向不同于期望值，则真实接触点也可以不同于规划的测量点。

因此，在补偿三角形误差的背景下，提供了一种根据本发明的用于确定真实接触点的方法。所述物体根据所述物体表面处的至少两个不同测量点来测量，其中，所述表面的期望尺寸被预先获知。而且，根据相应测量方向(例如，根据零件程序)确定所述接触点的预期位置坐标，并且基于所述表面的预先获知的尺寸并基于所确定的所述预期位置坐标导出最佳拟合函数，所述最佳拟合函数表示所述物体的所述表面。另外，基于所述最佳拟合函数和所述接触式测头的测头尖端的预先获知的形状和尺寸，计算所述至少两个不同测量点的真实接触点。

如下利用图7示出并且描述的，因所述物体的被驱动的测量方向和位置而必须考虑精确接触点。因而，当测量所述物体处的平面时，只要获知了所述特征(物体)的精确位置，就必须再次计算所述接触点。毫无疑问，这同样应用于所有类型的物体，尤其是球体、圆柱体和锥体。

对真实接触点的精确确定减小了测量误差，尤其是在所述特征不在预期的地方时。在某些应用中，所述特征的精确位置不是十分关键，而是其形状是最大关注。在那些情况下，如果所述测量结果受到不准确的特征定位的负面影响，则十分不利。这例如是这样的情况，即，在航空工业中，在查看用于螺栓的钻孔时：它们的直径和圆度需要非常准确以确保质量机械连接，但它们的定位不太关键。

具体来说，所述参照球体上的测量非常关键，因为它们的结果将影响所有其它随后的测量，这是因为每次都使用探针的半径。在该背景下，真实接触点的确定允许参照球(体)直径和位置的新的计算，这再次请求精确参照点的新的计算。这可以变为汇聚仍然非常快的迭代处理，因为所有测量在第一阶段已经非常准确。这里，范围在25毫米内的测量的微米级误差是典型的，意指1比大于10000的关系。

根据本发明的优选实施方式，将计算出的真实接触点限定为测量点，并且基于与所述真实接触点有关的所述测量方向和所述三角形误差信息，向所限定的测量点的相应测量应用补偿。

理论上，图1a所示的机械设计仅具有唯一的位置，该位置是稳定的，可以具有六个接触点，封锁全部六个自由度。在触发后，这种机构被精确地假定成返回至其唯一的静止位置。然而，事实上，由于对亚微米级准确度的需要，并且由于表面刚性不是无限的并且由于润滑也不是完美的，最终静止位置通常还取决于前一测量的方向(所谓记忆效应)。为进一步改进测量结果，在每一个位置(即，针对同一测量点)都应当取两个点，具有相同速度矢量，但应当仅使用第二测量点。还可以校准和补偿记忆效应，针对来自所有其它可能取向的每一个取向对其进行测量。

最后，当测量时间不关键时，所有测量都应当是双重的，并且仅应考虑第二点来完全抵消记忆效应。

据此，具体来说，利用所述接触式测头根据所述期望测量点在限定的测量方向上接触要测量的物体两次，或者根据所述参照点中的一个参照点在所述接触方向上接触所述参照体两次，具体来说，按顺序接触两次，并且对应地确定所述(同一)期望测量点或者所述参照点中的所述一个参照点的第一位置坐标和至少第二位置坐标。而且，通过比较所述第一位置坐标和所述至少第二位置坐标，确定限定的测量方向或者接触方向的记忆效应。基于所述记忆效应，补偿所述期望测量点的测量。具体来说，所述至少第二位置坐标被提供为得到的测量数据和/或供进一步处理。所述测量点或参照点的所述第一位置坐标可以放弃。

根据本发明的另一些实施方式，所述参照体被具体实施为半球体、球体或多面体，和/或所述接触式测头包括用于接触要测量的物体的球形测头尖端，并且参照体和要测量的物体被所述测头尖端接触。

因为同一种物理不完整性，所以还使得有意义的是，利用具有多面体人造制品(主体)的平坦表面而不是用传统的参照球体来确定分析三角形模型取向是有道理的。这也合乎逻辑，因为大部分要测量表面是平坦的，而参照球体上的参照表面全部是弯曲的。探针与所述表面之间的摩擦以及所得到的精确探针行为受到表面类型影响。

在此针对接触触发式测头给出的所有解释完全可以应用至所有其它种类的测头，例如，扫描测头。在该情况下，由于机械构造很不相同，因而导出三角形误差的分析模型需要相应地调节。

在某些情况下，所述CMM的探测误差贡献可以根据参照球体被测量的位置而改变。例如，在桥型机中，Z轴的弯曲在靠近花岗岩进行测量(最大Z轴弯曲)时与在靠近测量空间的顶部上的X轴梁(最小Z轴弯曲)收集时完全不同。在这种情况下，可以将几个分析模型用于该测量空间中的不同位置，而且在模型之间的用于位于模型之间的测量的内插甚至可以是有利的，例如有利于导出提供接触式测头和相应的CMM的全局三角形行为的模型。

在所提及的方法中，由于所有其它的力显著较高，因而重力未扮演重要角色，但是，当例如考虑扫描测头(一种类型的接触式测头)时，必须考虑重力。例如，当扫描测头被用在测头座上时，扫描测头的影响同样根据测头取向而改变。还显见的是，因为机械设计很不相同，所述扫描测头的机械模型与接触触发式测头不相同，但上述所有的点也适用。

关于重力补偿的另一逻辑步骤是使用动态模型，动态模型显见地加速度相关的。这里，可以另外补偿弯曲、扭转或所有其它种类的变形。

由此，根据本发明另一实施方式，使用根据所述参照体在所述测量空间中的位置和/或根据所述接触式测头的设计和/或根据所述坐标测量机的动态行为(特别取决于CMM的设计)的特定模型，导出所述三角形误差信息，所述模型提供因机器参数和/或测头参数所造成的特殊误差贡献和补偿。这样，例如，CMM关于所述参照体的特殊位置的弯曲行为可以被考虑用于导出所述三角形误差。而且，因所述接触式测头的给定尺寸、取向和/或质量而造成的重力影响和因移动所述接触式测头或任何CMM组件而出现的动态力可以加以考虑并补偿。

本发明还涉及一种坐标测量机，该坐标测量机包括：基部；具有接触式测头的测头座；机器结构，该机器结构具有用于将所述测头座链接至所述基部的结构性组件，特别是门机(portalmachine)结构)；至少一个驱动机构，其用于提供所述测头座相对于所述基部的移动性；以及控制单元，其适于控制所述接触式测头的移动。根据本发明，设置了包括补偿功能的处理单元，所述补偿功能被实现成使得利用所述接触式测头对要测量的物体处的期望的测量点执行的测量在执行所述补偿功能时并且基于借助于以下步骤提供的三角形误差信息来加以补偿：向限定的测量方向分配所述三角形误差信息的对应接触方向，所述测量方向按照利用所述接触式测头接近所述物体的测量点的方向来限定；以及根据所述三角形误差信息考虑与所分配的接触方向有关的误差值。

具体来说，所述补偿功能被实现为使得如上所述方法可利用所述CMM来执行。

本发明涉及具有接触式测头并且使用该测头对点进行测量的所有类型的坐标测量机，即，涉及被设计为并行运动学机械的CMM和具有直线或串行运动学的CMM。示例性地，所述CMM可以被设计为桥型、L桥型、水平臂型、悬臂型或台架型机械，或者可以被设计为关节臂。

每一种坐标测量机都限定特定的测量空间，所述测量空间对应于可以在其内测量物体的空间。换句话说，所述测量空间对应于在其内部可到达以利用所述CMM的测量传感器(例如，接触式测头)来测量的每一个点的区域或地带。

本发明还涉及一种具有计算机可执行指令的计算机程序产品，该计算机可执行指令被实现用于执行和处理以下步骤：根据上述方法(或本方法的实施方式)，具体来说，当在所提及的坐标测量机的处理单元上运行时，接收所述三角形误差信息，并且补偿要利用所述接触式测头对要测量的物体处的期望测量点执行的测量的测量数据。

附图说明

下面，参照附图中示意性地示出的可行示例，完全通过示例的方式，对根据本发明的方法和系统进行更详细描述或说明。具体地，

图1a和图1b示出了根据现有技术的接触触发式测头和与该测头有关的三角形误差分布(如上所述)；

图2示出了根据现有技术的由于考虑的接触点与真实接触点之间的不一致而出现的误差(如上所述)；

图3示出了利用接触式测头对参照球的赤道处的多个纵向角测量的结果；

图4示出了根据本发明的通过在不同纬度对参照球体或半球体进行测量而导出的三角形函数；

图5示出了基于沿参照球体的赤道的测量而导出的接触触发式测头的三角形函数；

图6示出了与CMM的坐标系相对地对接触式测头的三角形误差重新定向；

图7示出了根据本发明的用于通过接触形状已知的工件的表面来标识接触式测头的真实接触点的方法；以及

图8示出了根据本发明的龙门式坐标测量机(CMM)的示例性实施方式。

具体实施方式

图3示出了利用接触式测头对参照球的赤道处的多个纵向角测量的结果。这些角表示相应的接触方向，接触式测头根据这些角来接近并最终接触到参照球体。该结果示出了该参照球体的与相应接触方向有关的测量直径(d_sphere)。

从图3可以看出，所述测量包括有关接触式测头的三角形行为的典型形状，即，由于测头中的三个感测单元，在测量曲线中存在三个局部最小值，在此近似地位于0°、120°以及240°。在那些最小值之间，球体的测得直径与最小值的差异最大达5μm或6μm。

测量值还表示接触式测头的三角形误差e_d，其对应于测量值的差。

根据现有技术，球体的直径通过对沿参照球体的赤道测量的尺寸值求平均来限定。该球体被假定为理想球体。基于这样限定的球体直径，计算测头尖端的直径，和/或导出用于测量横向方向的总触发点。换句话说，不存在有关根据特定接触方向的相应触发误差的区别。

本发明的构思涉及更精确地考虑用于测量物体处的期望测量点而出现的三角形误差。这种更准确的测量误差补偿利用测得的三角形函数(图3)来实现，并且与现有技术相比，不在整个球周长上应用任何求平均，而是另外利用与接触期望测量点的实际方向有关的信息。

通常，为了测量和验证工件的尺寸和形状，存在由测量程序(零件程序)针对相应工件提供的良好限定的多个测量点，所述测量点例如被分配到工件的关键部分(例如，钻孔)。这还意指预先获知标称尺寸并且通过坐标测量来验证。该测量程序还限定了测量传感器(例如，接触触发式测头或扫描测头)移动的路径。由此，该测头相对于物体表面的期望移动方向(用于测量期望测量点)已知，下面将该移动方向称作测量方向。这些先决条件特别是在利用机动CMM并且运行基本上(完全)自动化的测量程序时给出。而且，在主要手动执行期望测量点的测量的情况下(即，CMM不是机动的，而是例如被具体实施为关节臂CMM)，该测量方向被假定成基本上垂直于物体的表面。

基于上述可用信息，通过利用与相关测量方向有关的信息并且将该测量方向分配给用三角形函数(如图3所示)表示的三角形误差e_d来补偿对期望测量点的测量。由于利用被用于测量该测量点的CMM来确定三角形，因而如图3所示的三角形误差的角分布已经参照该CMM的坐标系，并因此可将相应的接触角分配给接触式测头在该坐标系中的相应移动方向(例如，根据由X轴和Y轴限定的平面)。三角形函数的每一个角都与测量方向相关，在此，例如，在CMM的坐标系的X-Y平面中。

这意指针对每一个测量方向，提供特定的接触误差e_d(由三角形函数给出)，并且根据该方向的测量可以基于所确定的误差值e_d来补偿。要清楚地理解的是，针对未被精确测量以导出三角形函数的的方向的误差可以从最接近该相应方向的误差值来计算(例如，通过对与具有稍小一点角度的方向有关的误差值和与稍大一点角度有关的另一个值的求平均值或者通过将曲线拟合至所测量误差值)。

下面，参照图4，示出了根据本发明的通过在不同纬度对参照球体或半球体进行测量而导出的三角形函数。具体来说，根据多个参照点关于所述球体的三维分布，在所述球体处测量这些点。

所生成的误差模型的暗和亮表示因相应接触方向而造成的低误差区和高误差区。用箭头标记的较暗区域示出误差值相对较高的区域，其中，其它较暗区域表示相对较低的误差。被表示为较亮的区域是介于高误差区与低误差区之间的误差值。

从图4可以看出，球体的“极点”处的三角形误差相当低，并且具体来说，不需要补偿。这种误差通常涉及接触式测头在Z方向上的测量。由此，在极点本身处，误差非常均匀，并且不需要任何补偿或重新定向，而在赤道处，需要精确补偿，例如，通过相对于CMM重新定向接触式测头，可以清楚地理解，如其到达那里例如大约5μm。

图5示出了基于沿参照球体的赤道的测量而导出的针对接触触发式测头的三角形函数。因此，对参照球体的接触通过接触式测头在X-Y平面中的移动来实现。当前的三角形函数10表示分布在测头尖端的360°圆周上的大约+5μm至-5μm范围内的误差值。

而且，例示了三角形函数10相对于CMM的坐标系和主轴X和Y的取向。可以看出，与接触式测头的90°取向有关的误差值对应于CMM的X轴正方向。因此，关于接触式测头的0°角的误差对应于CMM的Y轴。探测函数10表示因X-Y平面中的三角形而导致的接触误差，其意味着三角形函数10提供了测头在CMM的这种X-Y平面(独立形式，沿Z方向的移动)中的移动的误差信息。

如还可以从图5看出，与X轴或Y轴有关的三角形误差值差异相当大，并且具有相当高的量级，特别是关于X轴。

基于有关三角形函数10的知识，根据本发明，对工件的测量可以被规划为使得与较低(优选为最小)的误差值有关的方向接近限定的测量点。这种测量方向用箭头11示出。根据该方向(大约63°)的三角形误差几乎等于0。与此形成对比，测量箭头12的方向(大约81°)上的点需要对测量的坐标进行补偿，这是因与该测量方向有关的高误差。

具体来说，用于测量工件的测量程序上基于三角形函数10设定的，以便提供不需要或仅稍微需要补偿的测量。这种测量程序可以基于工件的已知标称结构和三角形函数10而完全自动导出。结果，限定了测量点，使得根据接触式测头的与小误差相关的角取向来执行使用接触式测头的接近和接触。

基于三角形函数10来补偿测量的另选或附加方法是重新对准接触式测头的取向，使得与主CMM轴(X、Y)有关的误差值在平均值或总和方面具有最小或非常低的量级。这种实施方式对测量的补偿做出贡献，因为通常根据主机器轴来接近限定的测量点的主要部分(根据现有测量程序)。

图6示出了接触式测头的这种重新定向并因此示出了与该测头有关的三角形。接触触发式测头按沿X轴和Y轴的误差部分较低的方式围绕CMM的Z轴旋转。结果，X轴现在对应于围绕测头尖端大约262°的内取向。

图7示出了用于通过接触形状已知的工件22的表面来标识接触式测头1的真实接触点21'、21"的方法。

如已经结合图2所述，接触工件22的表面的预期的点20'、20"不必对应于真实接触点21'、21"。这是因为工件22的实际位置相对于所限定的位置的可能偏移，或者因为不对应于期望的取向的相对工件取向。在工件22沿精确限定的取向精确地定位在其期望测量位置的情况下，由于物体的表面的方向(course)和接触式测头在CMM的坐标系中的移动方向(即，测头尖端接触到表面的测量方向)完全已知，因而物体22处的限定测量点的接触点将是已知的。这些期望的特征通常由用于测量工件22的期望测量点的零件程序(测量程序)来限定。

为了使能更精确地测量工件22，必须确定相应测量点的真实接触点21'、21"。根据本发明，这种确定可以如图7所示提供。

接触式测头1沿所限定的速度矢量24'接近物体22。一旦测头尖端接触物体22的表面并且这种接触被CMM和/或接触式测头本身记录，就导出测量点的位置。可以看出，测头尖端的接触并不是沿相对于表面的垂直方向实现的。结果，一旦测头1在真实接触点21'接触到该表面，就触发测量。

由于测头1被沿速度矢量24'引导并且预期要测量的点位于该方向，将没有任何补偿地导出沿该矢量的测量点的坐标。由此，测量点的X坐标将对应于真实接触点21'的X位置，其不表示工件22的表面上的精确X坐标。根据预期(但不是真实的)接触点20'的坐标被导出。

为确定真实接触点21'，通过在另一速度矢量24"的方向上接触该表面来测量工件22处的第二测量点。此外，当测头尖端在真实接触点21"而非预期的接触点接触到该表面时，测量被触发。所得的坐标表示预期的接触点20"。

利用至少两个考虑的接触点20'、20"，可以计算线斜率(作为具有线性延伸的表面的示例)，并且在此基础上，可以容易地精确提取出两个真实接触点21'、21"。真实接触点21'、21"的提取基于所考虑的接触点20'、20"的线斜率绝对正确的事实来执行，而(尽管如此)其位置错误的并且不表示工件22的真实表面。然而，利用所计算的线斜率，仅存在具有给定斜率的一条对应的线(即，平行于所计算的线)，其可以因测头尖端的已知圆形或球形和直径而在真实接触点21'、21"处接触测头尖端。仅这些可行的接触点对应于真实接触点。

当然，可存在用于为了这种确定针对工件进行测量的另一些点。而且，并不必须计算线斜率，拟合函数的其它形状(其对应于相应工件的已知形状)也是可能的。

计算了真实接触点21'、21"后并且由于用于那些接触点的有关测量方向同样可以调节，因而根据本发明的三角形补偿可以应用至更新后的接触点。

在图8中，描绘了根据本发明的门式坐标测量机5(CMM)的示例性实施方式。坐标测量机5包括：基部31；以及用于将具有接触式测头35的测头座链接至基部31的框架结构，该框架结构包括可彼此相对移动的多个框架组件32、33、34。第一框架组件32是具有两个门柱的门，两个门柱通过位于两个门柱的上端的桥接部分而连接。通过驱动机构(未示出)驱动，框架组件32能够沿基部31的纵向侧移动。该方向对应于第一方向X。框架组件32的移动例如可以通过附接至基部31的齿条来执行，所述齿条与框架组件32上的小齿轮啮合。

托架34在框架组件32的桥接部分上可移动地设置。托滑架34的移动(其要被视为另一框架组件)也可以通过齿条和小齿轮实现。构建另一框架组件的垂直杆33(套筒，Z-ram)被可移动地并入托架34中。在垂直杆33的底部设置了接触式测头35。

接触式测头35可在X、Y及Z方向上移动至坐标测量机1的测量空间中的任何期望点。测量空间由基部31和框架组件32、33限定，并且具体来说根据托架34的可移动范围来限定。尽管对于本发明来说不是必需的，但三个空间方向X、Y及Z优选地彼此正交。应注意到，未示出用于驱动框架组件(并由此未示出用于驱动测头座15)的驱动机构和控制器。

要测量的物体22被定位在基部31上的测量空间的空间中。

设置探针35的测头座可以另选地被具体实施为万向测头座。

总之，坐标测量机5被构建成用于确定要测量的物体22上的测量点的三个空间坐标，并因此包括用于提供沿第一、第二以及第三方向(X、Y及Z方向)相对于基部31移动接触式测头35的三个线性驱动机构，并且具体来说，提供附加旋转自由度的机械组件(例如，万向测头)。

在所示实施方式中，基部31包括具有用于支承要测量的物体22的花岗岩表面板的台子，旨在所述台子上确定测量点的空间坐标。

未示出的是控制和处理单元，该控制和处理单元被设计成致动坐标测量机5的电机驱动，使得接触式测头35行进至测量点。该控制和处理单元包括处理器和存储器。具体来说，该控制和处理单元被设计用于将物体22上的测量点的三个空间坐标确定为三个驱动机构的至少第一、第二及第三驱动位置的函数。

对于手动操作来说，控制单元可以连接至用户控制台。控制单元还可以完全自动接近并测量要测量的物体22的测量点。

因为一般类型的坐标测量机的设计和不同线性引导和不同线性测量仪器的设计对于技术人员是完全已知的，所以必须理解，可以做出不同特征的许多修改和组合。所有这些修改都落入本发明的范围内。

由此，本发明总体上可以与所有类型的坐标测量机一起使用，即，与被设计为并行运动机器的CMM并且与具有线性或串行运动的CMM一起使用。示例性地，所述CMM可以被设计为桥型、L桥型、水平臂型、悬臂型或台架型机械，或者可以被设计为关节臂。

而且，根据本发明，该处理单元包括根据本发明(即，如上所述)的用于补偿因接触式测头35的三角形行为而造成的误差的功能。

尽管上面部分参照一些具体实施方式例示了本发明，但必须明白，可以制成这些实施方式的不同特征的许多修改例和组合，并且这些不同特征可以彼此组合，或者与根据现有技术已知的测量原理和/或坐标测量机组合。

Claims (15)

1.一种使用包括接触式测头(1、35)的坐标测量机(5)来补偿与要测量的物体(22)处的期望的测量点的测量有关的测量误差的方法，该方法包括以下步骤：

·在所述坐标测量机(5)的测量空间中的已知位置处设置已知形状和尺寸的三维参照体；

·在所述参照体处限定要测量的多个参照点；

·根据所述多个参照点在限定的接触方向(11、12)上使用所述接触式测头(1、35)接触所述参照体，并由此确定所述多个参照点的位置；以及

·基于所述参照体的已知形状和尺寸以及所述参照点的确定的位置，导出所述接触式测头(1、35)的三角形误差信息(10)，所述三角形误差信息提供与所述接触式测头的相应接触方向(11、12)有关的误差值，

其特征在于，

通过以下步骤来补偿利用所述接触式测头(1、35)对要测量的所述物体处的所述期望的测量点执行的测量：

·向限定的测量方向(24'、24")分配对应的接触方向(11、12)，所述测量方向(24'、24")按照使用所述接触式测头(1、35)接近所述物体(22)的方向来限定；以及

·考虑与所分配的接触方向(11、12)有关的所述误差值。

2.根据权利要求1所述的方法，

其特征在于，

·根据所述期望的测量点，在限定的测量方向(24'、24")上使用所述接触式测头(1、35)接触要测量的所述物体(22)，其中，确定所述期望的测量点的位置坐标，

·向所述测量方向(24'、24")分配对应的接触方向(11、12)，特别是其中，所述接触方向(11、12)至少基本上对应于所述测量方向(24'、24")，

·标识与所分配的接触方向(11、12)有关的特定误差值，并且

·基于所标识的误差值来补偿所述测量点的测量的位置坐标。

3.根据权利要求1或2所述的方法，

其特征在于，

所述参照点设置有参照所述参照体的两维分布或三维分布。

4.根据权利要求3所述的方法，

其特征在于，

·导出关于所述参照点的所述三维分布的所述三角形误差信息(10)，其中，所述三角形误差信息提供所述接触式测头的三维误差分布，所述误差分布表示与相应接触方向(11、12)有关的相应误差值，

·基于所述三角形误差信息并根据所述测量点的相应测量方向(24'、24")来补偿所述测量点的所述测量，其中，接触方向被分配给所述测量方向。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，

其特征在于，

·在所述误差值关于它们的相关接触方向的量级的方面对所述三角形误差信息(10)进行分析，并且

·导出相应接触方向(11)的具有相对较低量级的至少一个误差值的至少一个低误差区和相应接触方向(12)的具有相对较高量级的至少一个误差值的至少一个高误差区。

6.根据权利要求5所述的方法，

其特征在于，

为了测量所述期望的测量点，根据与包括相对较低量级的所述误差值的接触方向(11)对应的限定的测量方向(24'、24")，使用所述接触式测头(1、35)接触要测量的所述物体(22)。

7.根据权利要求5或6所述的方法，

其特征在于，

生成零件程序和/或调节所述零件程序，所述零件程序限定所述物体(22)的测量处理，使得按照以下方式限定所述测量点：根据与所述至少一个低误差区的接触方向(11)相对应的测量方向(24'、24")来测量所述测量点。

8.根据权利要求5至7中任一项所述的方法，

其特征在于，

通过相对于由所述坐标测量机(5)限定的坐标系对准所述接触式测头(1、35)，将对应接触方向(11、12)分配给限定的测量方向(24'、24")，使得

·第一主机器轴(X、Y、Z)的方向对应于具有较低的、特别是最小的误差值的接触方向(11)，或者

·至少第一和第二主机器轴(X、Y、Z)的方向对应于包括较低的、特别是最小的平均误差值的接触方向。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，

其特征在于，

·根据所述表面处的至少两个不同的测量点接触所述物体(22)，其中，所述表面的期望尺寸是预先获知的，

·根据相应测量方向(24'、24")来确定所述接触点的预期位置坐标(20'、20")，

·基于所述表面的预先获知的尺寸并基于确定的预期位置坐标(20'、20")来导出最佳拟合函数，所述最佳拟合函数表示所述物体(22)的所述表面，并且

·基于所述最佳拟合函数和所述接触式测头的测头尖端的预先获知的形状和尺寸，计算所述至少两个不同测量点的真实接触点(21'、21")。

10.根据权利要求9所述的方法，

其特征在于，

·将计算出的所述真实接触点(21'、21")限定为测量点，并且

·基于与所述真实接触点有关的所述测量方向和所述三角形误差信息，向限定的测量点的相应测量进行补偿。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，

其特征在于，

·利用所述接触式测头(1、35)根据所述期望的测量点在所述限定测量方向(24'、24")接触要测量的所述物体(22)两次，或者根据所述参照点中的一个参照点在所述接触方向上接触所述参照体两次，特别是按顺序接触两次，

·对应地确定所述期望的测量点或者所述参照点中的所述一个参照点的第一位置坐标和至少第二位置坐标，

·通过比较所述第一位置坐标和所述至少第二位置坐标，导出限定的测量方向(24'、24")或者接触方向(11、12)的记忆效应，并且

·基于所述记忆效应，补偿所述期望的测量点的所述测量，

特别是其中，所述至少第二位置坐标被设置为所得的测量数据和/或供进一步处理。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，

其特征在于，

·所述参照体被具体实施为半球体、球体或多面体，和/或

·所述接触式测头包括用于接触要测量的所述物体的球形测头尖端，并且

·使用所述测头尖端来接触所述参照体和要测量的所述物体。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，

其特征在于，

根据所述参照体在所述测量空间中的所述位置和/或所述接触式测头(1、35)的设计和/或所述坐标测量机(5)的动态行为，利用特定模型来导出所述三角形误差信息(10)，所述模型提供由于机器和/或测头参数导致的特定误差贡献和补偿。

14.一种坐标测量机(5)，该坐标测量机包括：

·基部(31)；

·测头座，其具有接触式测头(35)；

·机器结构，其具有用于将所述测头座链接至所述基部的结构性组件(32-34)，所述机器结构特别是门机结构；

·至少一个驱动机构，其用于提供所述测头座(35)相对于所述基部(31)的移动性；以及

·控制单元，其适于控制所述接触式测头(35)的移动，

其特征在于，

包括补偿功能的处理单元，所述补偿功能被实现为使得使用所述接触式测头(35)对要测量的物体(22)处的期望的测量点执行的测量在执行所述补偿功能时并且基于借助于以下步骤提供的三角形误差信息来补偿：

·向限定的测量方向(24'、24")分配所述三角形误差信息的对应接触方向(11、12)，所述测量方向(24'、24")按照使用所述接触式测头(1、35)接近所述测量点的方向来限定；以及

·根据所述三角形误差信息，考虑与所分配的接触方向(11、12)有关的误差值，

特别是其中，所述补偿功能被实现为使得能够执行权利要求1至13中任一项所述的方法。

15.一种具有计算机可执行指令的计算机程序产品，所述计算机可执行指令被实现为执行根据权利要求1至13中任一项所述的方法，特别是在根据权利要求14所述的坐标测量机(5)的测量单元上运行时执行和处理以下步骤：

·接收所述三角形误差信息；以及

·补偿利用所述接触式测头(1、35)对要测量的所述物体处的所述期望的测量点执行的测量的测量数据。