CN108072322A - 带光学传感器的坐标测量装置以及对应的方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及带光学传感器的坐标测量装置以及对应的方法。坐标测量装置(10)包括用于待测量的齿轮工件(11)的可旋转驱动的容器(13、14)、测量组件(17)和多个轴(X1、Y1、Z1、A1)，其被设计为执行测量组件(17)相对于齿轮工件(11)的进给运动和测量运动，测量组件包括：光学开关传感器(20)，其以非接触方式操作，其被设计为聚焦触发传感器，以一种方式布置在测量组件上使得它能沿在齿轮工件(11)的方向的光轴发射光束(LS)，相对于齿轮工件(11)的扫描运动能通过使用轴(X1、Y1、Z1、A1)的一个或多个轴用聚焦触发传感器执行，和当齿轮工件(11)到达相对于聚焦触发传感器的标称距离(NA)时总能由聚焦触发传感器提供开关信号(s2)。

Description

带光学传感器的坐标测量装置以及对应的方法

技术领域

本发明涉及带光学传感器的坐标测量装置以及用于光学测量齿轮工件(gearworkpiece)的对应方法。

背景技术

在许多技术领域中，部件的准确测量是非常重要的。

例如，存在用于触觉检测表面的质量和轮廓的各种测量设备。通常，在机械扫描期间将探针尖端引导到要被测量的表面上。结果是在扫描路径上被记录的信号，其允许关于表面轮廓的陈述。

在生产过程期间，需要尽可能一致地执行这种测量，其中所提到的机械扫描是非常精确的，但不幸的是也相当慢。对于集成到生产过程中，机械测量因此在大多数情况下不适用。如今，机械扫描方法因此被用来例如测试来自作为示例的批量生产的各个部件，以便在出现偏差的情况下能够干预正在进行的生产过程。

乍看之下，光学测量可以是机械测量的替代方案。光学测量传感器的使用将是理想的。但是，已经认识到的是，由于各种原因，光学测量传感器不适于齿轮测量的要求。适用于齿轮测量的特殊要求或标准是：

·不利的扫描角度，

·例如，齿面的光滑表面，

·通过相邻的齿的遮蔽，以及

·对测量准确度的高要求(在0.1-0.3微米的范围内)。

虽然众所周知的干涉传感器非常精确并且具有非常高的分辨率，但是它们的测量范围小。这种传感器类型到表面的距离必须非常小，并且接受角度非常窄。此外，这种干涉传感器非常昂贵。

根据激光三角测量传感器的原理操作的传感器快并且具有宽的接受角度。但不幸的是，激光三角测量传感器对于齿轮测量来说不够准确，即，这种传感器只在有很大限制的情况下有用。

彩色传感器具有高分辨率，但如果希望满足上述条件，那么需要大的数值孔径。此外，原则上可以适用的彩色传感器具有宽的光锥。遮蔽(shading)可以导致接受角度的显著减小。如果彩色传感器的位置更陡峭(即，如果指定了更陡的扫描角度)，那么可以部分避免关于遮蔽的问题。但是，在陡峭的扫描角度下，传感器不会接收到有用的信号。

需要能够在齿轮工件的生产中执行快速测量，以便能够在生产期间或之后立即对每个单个齿轮工件进行理想的测试。

发明内容

本发明的目的是提供使得有可能对齿轮工件执行快速和精确测量的设备和对应方法。

该目的由如权利要求1所述的坐标测量装置和如权利要求12所述的方法实现。

根据本发明的坐标测量装置包括多个轴、用于待测量的齿轮工件的可旋转驱动的容器(receptacle)以及测量组件，其中坐标测量装置被设计为执行相对进给运动(feedmovement)并测量测量组件相对于齿轮工件的运动。根据本发明的坐标测量装置的特征在于测量组件包括以非接触方式操作的光学开关传感器，

o其被设计为聚焦触发传感器，其中聚焦触发传感器以这样一种方式布置在测量组件上，使得其能够沿着在齿轮工件的物体平面的方向上的光轴发射光束，

o其中相对于齿轮工件的物体平面的进给运动可以使用轴中的一个或多个轴用聚焦触发传感器来执行，以及

o其中，一旦聚焦触发传感器已经达到相对于物体平面的标称距离，就可以由聚焦触发传感器提供开关信号。

优选地，轴中的至少一个轴被设计为NC控制的轴。

本发明基于使用至少一个光学开关传感器，其允许高度精确且快速的间隔确定，因为当达到标称距离时，开关传感器输出开关信号。如果光学开关传感器如本发明的情况一样用于具有(可以部分或完全NC控制的)各个轴的高度精确机械定位的坐标测量装置，那么光学开关传感器可以确切地朝着线或点移动离要测量的表面的标称距离。在光学开关传感器输出开关信号的时刻，例如读出和/或(中间)存储坐标测量装置的瞬时坐标信息(实际数据)。根据瞬间坐标信息，可以考虑标称距离来精确地确定表面上焦点的位置。

优选的是本发明的实施例，其测量方法优选地仅包括少量的线性相对进给和/或测量运动，连同齿轮工件的一个或多个完整旋转。这种实施例使用光学开关测量的高速度。

特别优选的是本发明的实施例，其测量方法基于这样的事实：齿轮工件被旋转驱动，同时光学开关传感器执行测量。在这种情况下，需要特别注意的是以下事实：传感器不必在每种用于测量点的测量点情况下通过相对进给运动使其进入标称距离。改变传感器离要测量的表面的相对距离是由于这个表面的相对距离由于齿轮工件的旋转运动而改变而引起的。

迄今为止，每个齿面一个齿轮工件上的触觉节距测量(pitch measurement)已持续几秒钟，这会导致对于整个齿轮工件的测量时间高达几分钟。利用本发明的坐标测量装置(该坐标测量装置配备有光学开关传感器和硬件和/或软件形式的控制系统)，可以在几秒至远低于一分钟之内对同一个齿轮工件的所有齿面执行节距测量。

本发明依赖于使用聚焦触发传感器作为光学开关传感器。这些聚焦触发传感器具有高光强度并且由于其物理功能原理而使用非常小的光点。因此，这个光点非常明亮。即使在陡峭的扫描角度下，光的可用部分也被反射回传感器的(接收)光学器件中。这些是关于使用这种聚焦触发传感器进行齿轮测量的重要特征。

聚焦触发传感器的另一个优点在于，当使用激光器作为发射器时，“光锥”是特别纤细的。特别细长的光锥相当于遮蔽的减少。因此，基于激光的聚焦触发传感器特别适于测量齿面。

聚焦触发传感器仅具有一个特征距离(标称距离)，其中它高度准确地进行测量。可能导致测量信号出现故障的传感器系统的线性度误差或透镜的光学误差被这个原理排除在外。但是，这个原理的缺点是聚焦触发传感器只适于通过改变传感器离表面的距离的间接测量，以便寻找用于测量点的标称距离测量点。这需要高度精确的测量线性轴。与直接测量光学传感器相比，这种间接测量在许多应用中都不具吸引力。

但是，根据本发明的用于齿轮测量的方法不使用通过传感器的移动来改变传感器离表面的距离，而是通过齿轮的连续旋转和传感器相对齿轮表面的巧妙布置。因此，根据本发明，使用齿轮的特定特点，即，在持续旋转期间使用齿面相对于传感器的光束的周期性重复接近。只要表面距离传感器达到标称距离，传感器就会被触发。

为了测量，因此本发明不使用平行于光学传感器轴的(线性)重新调整以达到焦点(标称距离)。

因此，本发明利用合适的整体一系列构思，其中齿轮的表面与传感器之间的相对距离周期性地改变。在到达标称距离并且记录瞬时位置值以用于进一步处理的每种情况下生成触发信号，以便确定在坐标系中的瞬时相对位置。在本发明的测量方法的实际实现中，该系统不是基于传感器的线性位移，而是基于齿轮工件的持续旋转运动。

本发明的方法特别适于节距测量，其中，当传感器相对于齿轮工件的旋转轴(至少有时)静止(rest)时执行齿轮工件的快速、持续的旋转运动。这允许测得的值的快速记录。

本发明的方法还适于例如测量齿面的侧面线(flank line)，其中，当传感器线性平行于齿轮工件的旋转轴移动时执行齿轮工件的快速、持续的旋转运动。这允许在短时间内确定所有齿的侧面线。

根据本发明的设备和本发明的方法使得能够进行快速的齿轮测量，因为不需要重新调整，并且使用持续、快速的旋转。而且，本发明非常精确和成本有效。

在从属权利要求中公开了根据本发明的坐标测量装置和方法的有利实施例。

本发明可以与齿轮上的1D、2D和3D表面测量结合使用。

附图说明

下面参考附图更详细地描述本发明的实施例。

图1示出了根据本发明的、提供有光学开关传感器的坐标测量装置的透视图；

图2示出了包括光学开关传感器的、根据本发明的坐标测量装置的一部分的放大透视图；

图3示出了示例性光学开关传感器的元件和光束路径的示意图；

图4示出了其光敏区被分成四段的光电二极管的示意性透视图；

图5示出了适于与图4的光电二极管一起使用的示例性评估设备的框图；

图6A-6C示意性地示出三种不同的照明情况以及四个个体二极管段的信号的对应逻辑评估；

图7示出了与光学开关传感器一起的正齿轮(spur gear)的一部分的示意性透视图；

图8A以示意性俯视图示出了正齿轮的截面以及处于起始位置的光学开关传感器的示例性光束路径；

图8B以示意性俯视图示出了当测量正齿轮的另一个齿的右侧面时图8A的正齿轮和开关传感器的截面；

图8C以示意性俯视图示出了当测量正齿轮的齿的左侧面时图8A的正齿轮和开关传感器的截面；

图9示出了在正齿轮的左手侧齿面处累积的齿对齿节距误差的示意性表示；

图10A示出了与另外的光学开关传感器一起的正齿轮的截面的示意性透视图，其中(纵向)侧面线的测量参考这个图来解释；

图10B示出了图10A的正齿轮的截面的示意性透视图，其中光学开关传感器与正齿轮的相对位置被示为在正齿轮旋转两圈之后在中间位置；

图10C示出了图10A的正齿轮的截面的示意性透视图，其中光学开关传感器与正齿轮的相对位置被示出在正齿轮进一步旋转之后在中间位置。

具体实施方式

在本描述的上下文中，使用也在相关出版物和专利中使用的术语。但是，应当注意的是，使用这些术语仅仅是为了提供更好的理解。专利权利要求的发明概念和保护范围不受术语的具体选择的限制。本发明可以容易地应用于其它概念性系统和/或主题领域。在其它学科领域中，这些术语加以必要的变通也将适用。

在图1中所示的本发明的有利实施例中，涉及一种总体上在这里被称为坐标测量装置10的自动CNC控制的齿轮测量中心10。坐标测量装置10原则上适于检查正齿轮齿以及切割和磨削轮、蜗杆和蜗轮、滚刀、伞齿轮以及旋转对称工件上的一般维度、形状和位置偏差，用于弯曲和凸轮轴测量或者还用于转子测量，这仅仅是举了几个可能的应用。

但是，在本发明的范围内，涉及齿轮工件11(诸如正齿轮、伞齿轮等)的快速和可靠测量。

在所示的示例中，坐标测量装置10包括可由NC控制器12驱动的(旋转)工作台13和夹带的定心单元(centring means)14。(旋转)工作台13和夹带的定心单元14布置成使得要被测量的部件11可以在(旋转)工作台13和定心单元14之间同轴地被夹紧，如图1中由正齿轮11所示。正齿轮11的齿在这里和图2中仅以说明性的方式示出。

在所示的示例中，正齿轮11具有向上和向下延伸的轴11.1。NC控制器12连接到坐标测量装置10的各个轴的驱动单元或马达。这些细节在图1中不可见，因为这些元件位于包层后面。

优选地，驱动器(未示出)以互锁的方式连接到(旋转)工作台13，工作台13通过由NC控制器12控制的旋转驱动围绕第一旋转轴A1旋转。定心单元14可以例如安放在高度可移位的臂14.1上，如由双箭头14.2所指示的。在臂14.1内，夹带的定心单元14以这样一种方式安装，即使得它可以围绕与旋转轴A1重合的垂直轴旋转，并且当齿轮工件11被夹紧时可以克服恢复力而向上移位。

本发明的坐标测量装置10不一定必须配备有夹带的定心单元14或反向保持器。而且，(旋转)工作台13的结构和齿轮工件11到(旋转)工作台13的附连可以根据需要而不同。

图2中示出了本发明的另一个有利实施例的细节。

在根据本发明的坐标测量装置10中，旋转台13优选地与角度测量系统16(角度传感器)相关联，该角度测量系统16提供信号Sa1，该信号允许关于驱动器或(旋转)工作台13的驱动侧角度位置的准确陈述。角度测量系统16例如可以布置在工作台13的下方，因此在图1中不可见。在图2中，这种角度测量系统16示意性地用黑色指针16.1在右边缘以角度标尺表示，其提供信号sA1。

角度测量系统/角度传感器16可以提供信号sA1，其允许关于(旋转)工作台13以及因此部件11的瞬时驱动侧角度位置的陈述。在图2中，该信号的提供由具有标号sA1的虚线箭头指示。

根据本发明，坐标测量装置10可以包括多个NC控制的轴。在所示的示例性实施例中，这些是三个线性轴X1、Y1、Z1和已经提到的旋转轴A1。这些轴X1、Y1、Z1、A1被设计为执行测量组件17连同附连到其的光学开关传感器20相对于部件11的相对进给运动和相对测量运动。实际的相对测量运动由齿轮工件11围绕旋转轴A1的旋转驱动而生成。距离的变化(例如，通过Y1轴线性推进传感器)在实际测量过程中不会发生。

在所有的实施例中，光学开关传感器20是以非接触方式操作并被设计为聚焦触发传感器的传感器。图1和2示意性地指示聚焦触发传感器以这样一种方式布置在测量组件17上，即，使得它能够沿着在部件11的物体平面OE的方向上的光轴发射光束LS。由于光学开关传感器20部署在坐标测量装置10的测量组件17上的事实，如图1和2中所指示的，这个光学开关传感器20可以通过使用一个或多个NC控制的轴X1、Y1、Z1、A1来执行相对于齿轮11的物体平面OE的进给运动。

一旦光学开关传感器20已经到达合适的测量位置，齿轮工件11就围绕旋转轴A1旋转。通过周期性的距离变化(这是由于周期性布置在齿轮工件11上的齿产生的)，光学开关传感器20不时地(理想情况下是每个齿面一次)相对于齿面的表面移动到与标称距离NA对应的位置。在这个时候，开关传感器20触发相应的开关信号s2。

图1和2中所示的NC控制的轴X1、Y1、Z1、A1的布置应当被理解为示例。例如，NC控制的轴也可以不同地布置，并且NC控制的轴的数量也可以小于图1和2中所示的数量。

为了本发明的目的，聚焦触发传感器是光学开关传感器20，当传感器相对于物体平面OE到达标称距离NA时，光学开关传感器20总是提供开关信号s2。

在本发明的最简单的实施例中，通过使用NC控制的轴X1、Y1、Z1、A1中的一个或多个，光学开关传感器20沿着其在物体平面OE的方向上的光轴前进。一旦到达距离物体平面OE的标称距离NA，开关传感器20就发射由图2中的标号s2表示的开关信号。

在所有实施例中，对应的起始位置优选地完全位于齿轮工件11的齿隙之外，使得这个部件11可以在不与传感器20碰撞的情况下旋转。

由于在确切定义的坐标系(例如，在x、y、z坐标系)中开关传感器20相对于部件11的物体平面的相对进给运动，坐标测量装置10可以在开关信号s2出现时存储和/或评估开关传感器20相对于齿轮工件11的物体平面OE的实际位置。

然后基于这个起始位置开始实际的测量方法，该起始位置例如通过使传感器20相对于齿轮工件11的物体平面OE线性前进并且通过监测开关信号s2来逼近。在大多数情况下，测量方法包括齿轮工件11的旋转运动，并且，在一些情况下，传感器20可以相对于齿轮工件11移位(例如，平行于旋转轴A1，以测量(纵向)齿廓(flank profile))。

在所有实施例中，坐标测量装置10优选地包括至少一个指派给多个NC控制的轴X1、Y1、Z1中的一个的位移传感器19以及至少一个指派给可旋转驱动的容器13、14的角度传感器16。X1轴的位移传感器19.X1表示例如信号sx1。指派给Y1轴的位移传感器19.Y1的信号由sY1表示，并且Z1轴的位移传感器19.Z1的信号由sZ1表示。位移传感器在图8A至8C中指示。

一旦开关传感器20的开关信号s2被施加(即，当开关传感器20已经被触发时)，受影响的轴的所有实际值都可以被存储，例如，线性轴sX1、sY1、sZ1中的一个或多个的信号以及角度传感器16的角度指示可以例如写入到存储器中。

为此，坐标测量装置10在所有实施例中都可以包括存储器18，或者坐标测量装置10在所有实施例中都可以连接到存储器18，存储器18适于一旦自动聚焦传感器提供开关信号s2就存储至少一个位移传感器19和至少一个角度传感器16的实际数据。在图2中，用虚线箭头sA1、s2指示这些信号被传送到例如存储器18。

在所有实施例中，源自位移传感器19和角度传感器16的信号的传送都优选地由开关信号s2触发。

取决于开关信号s2的定义，开关信号s2可以被施加到例如门的使能输入端。如果开关信号s2从逻辑“0”变为逻辑“1”，那么使能输入端例如产生对存储器18的存储器访问的打开，以便将实际数据(例如，信号sA1、sX1、sY1、sZ1)传送到存储器18中。

由于开关传感器20的标称距离NA以及因此在标称距离的前端处触发点(或光束LS)的位置是已知的量，因此物体平面OE的对应的测量点的位置可以通过从位移/角度传感器的实际数据的计算来精确确定。本发明的各种实施例基于这个原理。

存在适于用在本发明的坐标测量装置10中并且可以提供能够以足够的准确度快速且可靠地利用的信息的各种聚焦触发传感器，例如在测量齿轮工件11时。

本发明的聚焦触发传感器例如可以是传感器20，其功能基于四象限测量方法。

作为接收设备，例如在所有实施例中都可以使用电荷耦合设备(CCD)，其中这些CCD中的多个CCD相对于彼此以特定模式布置，以便能够识别开关传感器20的光学发送器是否已经到达离表面(物体平面OE)的标称距离NA。CCD代表电荷耦合部件。一旦CCD元件的模式通过反射光以预定的方式被照射，对应配备的聚焦触发传感器就可以输出开关信号s2。

在具体提到的四象限测量方法中，CCD或其它光敏部件优选地布置为在公共平面中彼此相邻的四个象限。该公共平面完全垂直于在物体平面OE处反射的光束LS的中心光束。如果所有四个象限都接收完全相同的光量，那么将输出开关信号s2。

这里描述的四象限测量方法也可以用光敏部件来实现，例如，光敏部件的光敏区域被细分为2个段，而不是前面提到的4个段。

根据本发明，在所有实施例中，无源操作的聚焦触发传感器优选地被用作开关传感器20。“无源”一词在这里描述：这个开关传感器20不具有用于适于辐射光学器件(例如，用于移动透镜或用于调节透镜组21，参见图3)的任何单元。这意味着无源操作的聚焦触发传感器不具有变焦或自动对焦光学器件。在本发明的意义上，无源操作的聚焦触发传感器具有固定的预定标称距离NA，该标称距离NA至多为了微调的目的可以被调节(例如，在维护期间)。“聚焦”一词在这里不是指开关传感器20的光学发送器的焦点或标称距离NA的自动调节，而是指是否到达标称距离NA的自动识别。这种自动识别是通过光敏接收传感器(诸如CCD、光电晶体管或光电二极管)的合适布置和/或(开关)布线来执行的。

图3以示意图的形式示出了本发明的示例性开关传感器20的主要结构和光束路径。这个图示只是用于解释的示例。

在图3中示出了从点状源22发出的光束LS。光束LS被引导通过分束器23。可以使用例如分束器立方体、棱镜或者半透明反射镜(mirror)作为分束器23。这之后是成像透镜，在这里通过示例并且示意性地由透镜组21示出。(激光)光源(其在这里例如用作源22)在附图中由矩形开关块示出。

从物体平面OE反射的光经由分束器23的部分反射层到达光学接收器30。光学接收器30可以例如包括一个或多个光阑和其它光学元件。在所有实施例中，光学接收器30包括图3中由矩形开关块示出的检测器31。

例如，在所有实施例中，光学接收器30可以包括位于检测器31前方的两个针孔光阑。每当物体平面OE与开关传感器20之间的距离例如增大或减小时，反射的光分量越来越多地被针孔光阑阻塞。另一方面，当由两个针孔光阑生成的光点的叠加正好一个位于另一个之上时，反射的光分量以最大强度到达检测器31的接收表面。

例如，通过评估来自检测器31的模拟输出信号，可以确定强度最大值。一旦已经到达标称距离NA，接收到的光强度就达到最大值，并且开关传感器20可以输出开关信号s2。

本发明的检测器31也可以被用作没有针孔光阑的四象限接收器。图4以纯粹示意的形式示出了现有技术的(硅)光电二极管32，其光敏表面被细分为四个相等的段a、b、c、d(所描述的方法也适用于例如仅两个同样大的段)。段a、b、c、d形成在公共平面中彼此靠近的四个象限。为了象限的电分离，提供例如V形沟槽33。图4的(硅)光电二极管32故意显示在敏感表面朝下的朝向上。在所示的朝向中，二极管32可以例如用在图3的检测器31中。

现在将参考图5通过示例的方式来描述被细分为四个象限a、b、c、d的这种(硅)光电二极管32的功能原理，其中在图5中仅示出若干种实现解决方案中的一种。

在图5中，从上方示出了图4的(硅)光电二极管32。在这种情况下，光敏表面平行于绘图平面。如示意性指示的，四个段a、b、c、d中的每一个可以例如连接到评估设备40的分离的评估电路。这些评估电路中的每一个在这里都包括作为示例被示为具有反馈的放大器级。这种电路是充分已知的并且因此仅以说明性的方式示出。放大器级高度放大每个段a、b、c、d的输出信号。输出信号由sa、sb、sc和sd指定。然后，这四个高度放大的信号被提供给比较器电路41。

比较器电路41在所示的示例中被设计为不同的成形器(former)。以下参考示例来解释原理。在图6A-6C中，仅示出了图4的(硅)光电二极管32以及评估设备40的内部逻辑操作。可以例如在这种评估设备40中运行的逻辑评估通过示例以等式的形式来描述。

如果所有四个段a、b、c和d被均匀照射，这是当反射光束垂直于光敏表面居中撞击时的情况，那么所有四个信号sa、sb、sc和sd是相同的。如图6A所示，通过四个等式sa-sb＝sab＝0、sa-sd＝sad＝0、sb-sc＝sbc＝0和sc-sd＝scd＝0，信号sa、sb和sc、sd中的每两个按对的差值在每种情况下产生零。于是，如果这两个差异形成的结果sab、sad、sbc和scd再次彼此相关(例如，通过进一步的差异形成)，那么它可以确定所有四个段a、b、c、d在被评估的时刻是否接收到完全相同的光强度。

在图6A中，信号sa、sb、sc、sd的逻辑连接基于执行IF-THEN-ELSE评估的伪编程语言示出。如果所有信号sa、sb、sc、sd等于零，那么开关信号s2被设置为逻辑“1”。这意味着在这种情况下输出开关信号s2。在所有其它情况下，开关信号s2保持在逻辑“0”。

在评估设备40的输出端处，可以提供例如提供输出信号s2的触发电路。输出信号s2可以例如从逻辑“0”提升到逻辑“1”。

只要所有段a、b、c、d都接收相同的光强度，图6A的原理就在四个段a、b、c、d没有被完全照射时也起作用。图6B中示出了对应的示例。同样在图6B的情况下，输出信号s2将例如从逻辑“0”提升到逻辑“1”。

现在将参考图6C描述当未到达标称距离NA时所获得的情形。在这种情况下，反射光的光斑例如在两个段a和b的区域中。在这种情况下，段c和d不接收任何光。在这种情况下，四个等式中的两个不等于零。因此，下面的等式将再次产生零：sab-scd＝0。由于不是所有的信号或项sa、sb、sc、sd都等于零，因此不满足条件sa＝sb＝sc＝sd＝0。这使得有可能推断出段a、b、c、d的不均匀照明。在这种情况下，开关信号s2保持在逻辑“0”。

在基于使用四象限测量方法的所有实施例中，优选地，规则集被用于评估以如下方式设计的四个段a、b、c、d的信号：所有重要的特殊情况和情形都能被可靠地检测到。

在所有实施例中，规则集可以以逻辑门电路的形式来实现。但是，也可以以软件的形式在所有实施例中实现，如图6A至6C的伪编程语言所示。在后一种情况下，四个段a、b、c、d的信号优选在被处理之前通过对应的软件实现的规则集被数字化。

为了能够根据图5和6A-6C中所示并在此描述的原理比较强度，存在用于建立比较器的各种各样的可能性。这里描述的内容将仅仅被理解为示例。

一般可以假设，根据四象限测量方法操作的聚焦触发传感器在接收器侧包括四个传感器区域a、b、c、d，这些传感器区域a、b、c、d彼此布置在公共的平面中，如四象限那样。这四个传感器区域a、b、c、d中的每一个都连接到评估设备40的相应测量输入端，例如如图5中所示，以便一旦所有四个传感器区域a、b、c、d都接收光束的相同反射光强度就提供开关信号s2。

根据本发明的另一个实施例，使用其功能基于Foucault原理的焦点触发传感器。这种焦点触发传感器具有用于例如在发送侧发射光束LS的成像光学系统21以及在接收侧上用于接收在物体平面OE处反射的光束的两个或多于两个差分二极管。根据Foucault原理，Foucault光学切割刃(cutting edge)例如被叠加，这使得有可能更快速和清楚地检测标称距离NA的到达，这取决于光束路径的一半还是另一半通过光学切割刃被遮蔽。这导致清晰可辨的对比度过渡。

在所有实施例中，代替使用Foucault光学切割刃，模式、标记或符号也可用于成像目的，类似于上面提到的切割刃。

Foucault原理也可以用在类似于图5所示的实施例中，其包括例如多个光电二极管或光电二极管上的段。如果标称距离NA尚未到达，那么例如如图6C中所示，光强度可以照在两个段a和b上。如果已经完全到达标称距离NA，那么如图6B中所示，所有四个段a、b、c、d被均匀地照射。如果没有到达标称距离NA，那么光强度可以照在例如两个段c和d上。

图7示出了正齿轮11的截面连同示例性光学开关传感器20的透视图。图7大致示出了合适的光学开关传感器20相对于标称距离NA(在所示的示例中为20mm)和小正齿轮11的典型维度，其中小正齿轮11在这里具有大约70mm的节距圆直径。

由于可以由邻近的彼此紧邻布置的齿1造成的遮蔽，光学开关传感器20的光束LS必须在几乎所有的应用中在要测量的表面上倾斜地(例如，到齿面2)偏斜。光束LS必须越深地进入用于测量的齿隙3，光束LS必须越陡峭。

在图7所示的示例中，当由齿面2的表面上的光束LS生成的光斑沿着齿面2在齿根4的方向上向下移动时，光学开关传感器20必须从所示位置向左逆时针转动。在图7中用短箭头P1示意性地指示光斑的向下行进。开关传感器20的对应旋转由弧形箭头P2指示。这些运动P1、P2优选地在用来到达起始位置的进给运动的范围内执行。

在图7所示的示例中，光束LS相对于齿表面倾斜。参考图8A至8C，现在描述特别优选的实施例，其基于传感器20在X和Y方向上的位移连同齿轮工件11的旋转驱动。

例如在图8A中，如果传感器20在X和Y轴上移动，使得焦点在节距圆TK上光束LS的前端处以标称距离NA偏移，并且由此也移动齿轮工件11，那么相对于齿表面可以指定任何期望的角度。

已经认识到的是，即使当光束LS倾斜撞击时，也可以在检测器31处接收可用的反射的光分量。这是因为齿轮工件11的表面(例如，在齿轮齿面2的情况下)具有确保足够好的反射行为的粗糙度。

但是，很明显，对于具有足够强度的光分量的反射存在某些限制。例如，如果光束LS沿着齿面2切向延伸，那么不再可以预期有可用的结果。

开关传感器20的优点在于，即使在陡峭的扫描角度上也能提供非常准确的信号。特别是当使用激光作为光源22时，可以使用高的光强度，使得即使以陡峭的角度，一些光也仍然被反射回到接收器31中。

本发明的特殊方法利用非常小的、非常亮的光斑，不管表面的倾斜度如何，它都总是具有相同的标称距离NA，使得总是生成准确的信号s2。仅当扫描角度大到使得传感器20不再工作时才不可能测量。但是，没有错误的距离信号生成，就像最初提到的几乎所有直接测量传感器一样。

根据本发明，当涉及测量金属齿轮11时，所有实施例中的光束LS的入射角都优选地在±5和±70度之间的角度范围内。特别有利的入射角是在±10和±50度之间的角度范围中(这些度数是基于垂直于表面的入射光束LS与0度的角度对应的假设)。

在所有实施例中，坐标测量装置10优选地包括由硬件和/或软件构造的一类控制系统。这种控制系统的目的是控制光学开关传感器20到齿轮工件11的递送中的相对运动，并在(一个或多个)实际测量期间执行(一个或多个)相对测量运动。

控制系统一方面预先确定所需的运动，另一方面控制系统接收来自位移传感器19.X1、19.Y1、19.Z1和/或角度测量系统的实际数据。此外，控制系统处理开关信号s2。

图1以示例的方式示出了作为控制器12的一部分的软件模块SM，其中控制器12优选地是所述控制系统的一部分或者核心。软件模块SM和/或控制系统被设计为根据实际数据确定齿轮11的物体平面OE的至少一个几何规格(例如，相对于旋转轴线A1的角度位置)。

以下现在描述本发明的各种测量方法。

确定齿轮11上的节距误差(pitch error)：参考图8A至8C，现在描述用于测量节距误差的本发明的第一示例性测量方法的方法步骤。在这些图中，示出了发射光束LS的光学开关传感器20。

为了使光束LS尽可能陡峭地到达要被测量的表面，开关传感器20的光轴相对于部件11的旋转轴A1侧向偏移。这种陈述适用于本发明的所有优选测量方法。

在这里，当开关传感器20的光轴位于绘图平面中时，旋转轴A1垂直于附图的平面。

在图8A中，正齿轮11的节距圆TK以虚线圆圈示出。在正齿轮11的情况下，节距圆TK是通过正齿轮11的部分圆柱体的无限薄的截面。关于在正齿轮11的外圆周上布置的齿，图8A中仅示出了六个齿。这些齿在这里由标号1.1至1.6表示。图8A中所示的快照示出了处于起始位置的传感器20。在这里光束LS恰好在与节距圆TK的交点S1处遇到齿1.2的右手侧齿面。

为了到达这个起始位置，开关传感器20与齿1.2的右手侧齿面之间的相对距离可以在预备方法步骤中通过平行于Y1轴的相对运动(称为进给运动)减小，而齿轮工件11例如不被旋转驱动。由于坐标测量装置10知道目标几何形状并且由于传感器20的标称距离NA也是已知的变量，因此可以快速且直接地逼近起始位置。为了到达起始位置，传感器20不需要是光学活性的。一旦达到起始位置，这个位置就可以被冻结。

在图8A中，用光学非活性传感器20预先确定起始位置由不发射开关信号s2的传感器20指示(因此，开关信号由虚线指示)。在图示的示例中，通过仅移动Y1轴来执行传感器20到起始位置的传送。

在实际测量的第一方法步骤中，正齿轮11现在围绕其旋转轴A1逆时针旋转，其中角度传感器16在旋转期间被永久地监视/评估，该角度传感器16被指派给坐标测量装置10的旋转驱动的工作台13。对应的旋转运动用ω1标记。在这第一方法步骤的上下文中，监视旋转运动，直到开关传感器20输出开关信号s2。开关信号s2可以例如存储在存储器18中或由软件模块进行评估。由于开关传感器20在空间中是静止的，或者因为它执行平行于z轴或x轴的扫描运动，所以在实际测量期间不需要读出位移传感器19.Y1，这将在后面通过示例进行描述。

一旦开关传感器20输出开关信号s2，下一个齿1.3的右侧面的表面(物体平面OE)就已经到达离开关传感器20的标称距离NA。由于标称距离NA是已知的，因此现在可以从实际的角度位置再次精确地计算交点S2的实际位置。图8B示出了到达实际角度位置的时刻。

(持续地)进一步旋转齿轮工件11，并且光束LS或传感器20检测下一个齿1.5的右手侧齿面的实际角度位置，等等。

对于每个齿面，检测相应的实际角度位置，例如，其中角度测量系统16被读出。

只要齿轮工件11旋转和/或直到传感器20关闭，就重复这些方法步骤。

优选地，执行齿轮工件11的至少一个完整的旋转，直到例如对于齿轮11的齿1的所有右侧面都已经确定了与节距圆TK的交点的实际角度位置。

由于齿数z(例如，z＝25)对于齿轮11是已知的，因此(目标)节距角度τ可以如下计算：τ＝360°/z。

如果正齿轮11是理想的正齿轮，那么所有的z齿1都沿着360度全圆以精确相等的角距离τ分布，并且所有齿都具有相同的齿宽。但是，由于生产引起的偏差，在齿轮11的情况下实际上产生节距误差。节距误差可以通过上面提到的步骤快速且可靠地确定。

由于准确地知道节距角τ，因此可以确定是否准确地到达图8B中的标称距离NA，例如，当齿轮11已经进一步旋转了确切地一个节距角τ时。如果在达到确切的节距角τ之前输出开关信号s2，那么齿1.3的右侧面在节距圆TK上具有小于目标角距离的实际角距离。如果仅在已经到达确切的节距角τ之后才输出开关信号s2，那么齿1.3的右侧面在节距圆TK上具有大于目标角距离的实际角距离。

现在将参考图8C通过示例来描述左手侧齿面的测量。为了能够测量齿轮11的左手侧齿面，开关传感器20通过平行于X1轴的位移运动而被带入相对于齿轮11的新起始位置，如图8C中所示，这是根据本发明优选地在所有实施例中发生的。新的起始位置可以例如通过线性轴X1的线性运动并且有可能通过线性轴Y1的小的进给或间隙运动来到达。在图8C中以虚线示出了开关传感器20在测量右侧面时假设的原始位置。测量左侧面的实际测量过程与测量右侧面的相同。

可以根据本发明对部件11的所有右手侧和/或所有左手侧齿面确定节距误差的光学确定，其中相应地应用上面提到的方法。

到目前为止描述的测量优选地全部在节距圆平面中，该平面与图8A至8C中的绘图平面重合。在所示的情况下，光束LS在每种情况下都在节距圆平面中。

但是，利用设备20和本发明的方法，例如也可以在部分圆柱体的若干平面中测量节距误差。在这种情况下，需要平行于z轴的附加运动(例如，通过使用Z1线性轴)。

之前的示例主要涉及正齿轮工件11，因为正齿轮上的测量可以更简单地解释。但是，本发明也可以用于测量伞齿轮工件11、蜗轮、齿轮切削工具和其它齿轮工件11。

图9以示例的方式示出了正齿轮11的齿的左手侧齿面处累积的齿到齿节距误差的示意图。在左侧，20μm的标尺由垂直双箭头表示。本发明的设备的测量准确度必须在0.1-0.3微米的范围内，以便例如允许关于所提到的节距误差的有用陈述。

图9中所示的示例是具有齿数z＝12的正齿轮。在图9中，齿从1.1到1.12进行编号。第12且最后一个齿是参考齿。累积的节距偏差由多段线L1指示。几乎所有的齿1.1至1.11都在左手侧齿面上有节距误差。

因而，正齿轮的右手侧齿面上的累积齿到齿节距误差也可以例如用本发明的设备和方法来确定。

测量齿轮11上的齿厚度：例如，如果要确定节距圆TK上的齿的齿厚度，那么可以测量所有齿的右和左侧面，以便随后从角距离计算齿厚度。

测量齿轮11的齿隙的节距误差：例如，如果要在节距圆TK上确定正齿轮或伞齿轮11的齿隙3的节距误差，那么可以或者从之前测得的齿到齿节距误差来计算这个节距误差，或者可以通过在相应齿轮工件11持续旋转的同时用光束LS扫描左和右手侧齿面使用光学开关传感器20用对应的方法直接测量。

但是，本发明还使得有可能用光学开关传感器20执行其它测量。在下文中，提到并简要描述其它示例，其中由于在坐标测量装置10中使用光学开关传感器20产生的可能性几乎是无限的。

确定齿轮11上的侧面线偏差：为了测量齿轮部件11上的齿面的侧面线，作为测量运动而执行相对运动，其包括垂直运动分量(平行于z轴)。除了这种垂直的相对运动之外，在测量期间还执行齿轮工件11围绕旋转轴A1的旋转运动。

参考图10A至10C，通过示例来描述用于确定侧面线偏差的方法。在这些图中，再次只示出齿轮工件11的两个齿1.1和1.2。在传感器20已经到达相对于齿轮工件11的起始位置之后，齿轮工件11被旋转并且传感器20的输出被监视或评估。

图10A确切地示出了传感器20与齿1.1的右侧面之间的相对距离达到标称距离NA的时间。此时正好输出开关信号s2。由于齿轮工件11相对于传感器20旋转，而传感器20在齿轮工件11的方向上持久地发送光束LS，因此产生如图10A中所指示的、沿着齿轮工件11的圆周延伸的光轨33。

由于相应在前的齿遮挡光束LS，因此光轨33在每种情况下在齿根4的上方结束。对于每个右手侧齿面，传感器20或设备10分别确定在每种情况下输出开关信号s2的齿轮工件11的角位置。如果这是理想的齿轮工件11，那么以这种方式确定的测量点各自恰好相距一个节距角τ。在齿1.1和1.2的每个右手侧面上，每个测量点由位于光轨33上的小黑点表示。

为了现在能够使用本发明的方法测量侧面纵向轮廓，传感器20相对于齿轮工件11平行于z轴(持续地或逐步地)移位。这可以例如通过激活Z1线性轴来实现。Z1线性轴允许传感器20沿着齿面以恒定的y间距运动。如图10A中所示，如果传感器20涉及直齿正齿轮11，那么传感器20的这种运动平行于旋转轴A1发生。

如果传感器20相对于齿轮工件11平行于z轴持续地移位，那么产生螺旋状的圆周光轨33，如图10A至10C中所示。但是，如果这种线性运动只是逐步地发生，那么就会产生几个单独的光轨圆。

图10A示出了齿轮工件11围绕旋转轴A1第一次完整旋转之后的情况。如果传感器20相对于齿轮工件11的相对运动与角速度ω1相比而言缓慢地发生，那么螺旋状的圆周光轨33的各条路径靠近在一起。图10B示出了齿轮工件11第二次旋转之后的情况。同样，测量点由小黑点表示。

图10C示出了齿轮工件11旋转几圈之后的情况。光轨33的每条路径在每个齿面上具有测量点。通过测量点沿着侧面(纵向)线的布置，可以看出这些测量点位于稍微不同的位置。所有右手侧面的侧面(纵向)线的路线(course)可以根据各个测量点连同传感器20的角度信息和z位置来确定。

为了确定所有左手侧面的侧面(纵向)线，传感器20应当移动到不同的起始位置。该方法其它方面保持不变。

下面参考简单的示例更详细地解释设备10的功能。

例如，我们假设齿轮工件11以每秒一转的速度旋转。在传感器20执行平行于z轴的慢速持续运动(扫描运动)的同时，总共完成齿轮工件11的60整圈旋转，使得齿轮工件11的整个齿宽在60整转期间被穿过。这意味着具有60点的点密度的所有齿的齿面(左和右)以及节距(左和右)可以在两分钟内被测量。所描述的测量还具有甚至与齿数无关的优点。

齿轮11上的齿廓的测量：在相同的基础上，还可以通过齿轮部件11的持续快速旋转来确定所有齿的轮廓，同时传感器20平行于x方向移位(扫描运动)。

这里也是简单的数值示例：例如，我们假定齿轮工件11以每秒一转的速度旋转。当传感器20平行于x轴执行缓慢的持续扫描运动时，齿轮工件11总共完成60整转的旋转，使得整个轮廓长度(轮廓深度)被穿过。这意味着将在两分钟内测量具有60点的点密度的所有齿的轮廓(左和右)以及间距(也是左和右)。这个测量也与齿数无关。

特别优选本发明的实施例，其测量方法优选地仅包括用于到达起始位置的少量线性相对进给运动，以及，在实际测量期间，仅一个测量运动(扫描运动)与齿轮工件11的一个或多个整转配对。这样的实施例使得光学开关传感器20的高速结合由齿轮工件11的旋转引起的周期性距离变化得到最佳利用。

这意味着光学开关传感器20或者在测量期间在齿轮工件11旋转的同时保持在空间中静止，或者光学开关传感器20在齿轮工件11旋转的同时在测量期间进行(线性)扫描运动。

在之前描述的示例中，使用具有四个NC控制的轴X1、Y1、Z1、A1的坐标测量装置10。很显然，这些轴也可以不同地配置。例如，X1轴和/或Y1轴可以被枢轴替换。在所有实施例中，轴的总数也可以小于所提到的四个轴X1、Y1、Z1、A1。在所有实施例中，坐标测量装置10也可以具有多于四个轴。

在传感器20直接前进到起始位置的实施例中，传感器20也可以被手动地(通过移位和/或枢转)带入起始位置。在这种情况下，对应的NC控制的轴(例如，Y1轴)可以省略。

由A1指示的旋转轴不一定必须被设计为NC控制的轴。重要的是，旋转轴A1在所有实施例中都具有高度准确地操作的角度测量系统。旋转轴A1的驱动可以在没有精确的NC控制的情况下被机动化，或者甚至可以手动地发生。

标号列表：

Claims (15)

1.一种坐标测量装置(10)，具有多个轴(X1、Y1、Z1、A1)、用于待测量的齿轮工件(11)的可旋转驱动的容器(13、14)以及测量组件(17)，其中坐标测量装置(10)被设计为执行测量组件(17)相对于齿轮工件(11)的进给运动和测量运动，其特征在于测量组件(17)包括：

-光学非接触式操作的开关传感器(20)，

о该开关传感器(20)被设计为聚焦触发传感器，其中所述聚焦触发传感器以如下方式布置在测量组件(17)上：该方式使得聚焦触发传感器能够沿着在齿轮工件(11)的物体平面(OE)的方向上的光轴发射光束(LS)

о其中相对于齿轮工件(11)的物体平面(OE)的扫描运动能够通过使用轴(X1、Y1、Z1、A1)中的一个或多个轴用聚焦触发传感器来执行，以及

о其中当物体平面(OE)已经到达相对于聚焦触发传感器的标称距离(NA)时，总是能够由聚焦触发传感器提供开关信号(s2)。

2.如权利要求1所述的坐标测量装置(10)，其特征在于，聚焦触发传感器相对于齿轮工件(11)的物体平面(OE)倾斜地定位，其中光束(LS)到物体平面(OE)的角度优选地在±5至±70度的角度范围内。

3.如权利要求1或2所述的坐标测量装置(10)，其特征在于，聚焦触发传感器涉及其功能基于2段或4象限测量方法的传感器。

4.如权利要求3所述的坐标测量装置(10)，其特征在于，聚焦触发传感器基于象限测量方法并且在接收侧包括光敏部件，所述光敏部件优选地是光电二极管(32)，所述聚焦触发传感器具有四个传感器区域(a、b、c、d)，这些区域如四个象限一样布置在公共平面中，其中四个传感器区域(a、b、c、d)中的每一个连接到评估设备(40)的相应测量输入端，以便一旦所有四个传感器区域(a、b、c、d)都接收到光束(LS)的相同反射光强度就提供开关信号(s2)。

5.如权利要求1、2、3或4所述的坐标测量装置(10)，其特征在于，聚焦触发传感器涉及其功能基于Foucault原理的传感器，并且所述传感器在发射侧具有用于发射光束(LS)的成像光学系统(21)，并且在接收侧具有用于接收在物体平面处反射的光束(LS)的多个差分二极管(31、32)。

6.如权利要求1或2所述的坐标测量装置(10)，其特征在于，聚焦触发传感器涉及激光点传感器，所述激光点传感器包括用于发射光束(LS)的激光器，所述激光器优选地是激光二极管。

7.如权利要求1至6中任一项所述的坐标测量装置(10)，其特征在于，所述坐标测量装置(10)另外包括：

-至少一个被指派给多个轴(X1、Y1、Z1、A1)之一的位移传感器(19、19.X1、19.Y1、19.Z1)，

-至少一个与可旋转驱动的容器(13、14)相关联的角度传感器(16)。

8.如权利要求7所述的坐标测量装置(10)，其特征在于，所述坐标测量装置(10)还包括：

-存储器(18)，所述存储器被设计为一旦聚焦触发传感器提供开关信号(s2)就将所述至少一个位移传感器(19、19.X1、19.Y1、19.Z1)和所述至少一个角度传感器(16)的实际数据存储成开关传感器(20)相对于齿轮(11)的物体平面(OE)的实际位置。

9.如权利要求7所述的坐标测量装置(10)，其特征在于，所述坐标测量装置(10)另外包括：

-软件模块(SM)，所述软件模块(SM)被设计为一旦聚焦触发传感器提供开关信号(s2)就将所述至少一个位移传感器(19、19.X1、19.Y1、19.Z1)和所述至少一个角度传感器(16)的实际数据处理成开关传感器(20)相对于齿轮(11)的物体平面(OE)的实际位置。

10.如权利要求1、2或3所述的坐标测量装置(10)，其特征在于，齿轮(11)的物体平面(OE)的至少一个几何指示由优选地是控制系统的一部分的软件模块(SM)根据实际数据来确定。

11.如权利要求1、2、3或4所述的坐标测量装置(10)，其特征在于，以自动方式进行的测量操作能够通过软件模块(SM)在坐标测量装置(10)中执行，其中软件模块(SM)优选地是调节系统的一部分，基于此能够执行：

-齿轮工件(11)的节距测量，和/或

-齿轮工件(11)的至少一个侧面线的测量，和/或

-齿轮工件(11)的齿廓的测量。

12.一种在坐标测量装置(10)中对齿轮工件(11)进行非接触光学测量的方法，包括以下步骤：

-将齿轮(11)引入到坐标测量装置(10)中，

-通过使用坐标测量装置(10)的至少一个轴(X1、Y1、Z1、A1)执行第一相对进给运动，以便将光学开关传感器(20)移动到相对于待测量的齿轮工件(11)的物体平面(OE)的起始位置，其中所述光学开关传感器(20)被设计为聚焦触发传感器并且以非接触方式操作，

-通过使用开关传感器(20)对齿轮工件(11)执行光学测量，包括以下子步骤：

о绕坐标测量装置(10)的旋转轴(A1)旋转地驱动齿轮工件(11)，

о当物体平面(s2)相对于开关传感器(20)到达标称距离(NA)时，通过开关传感器(20)提供开关信号(s2)，

о检测坐标测量装置(10)的实际数据，

о根据实际数据确定齿轮工件(11)的几何数据。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，开关传感器(20)除了齿轮工件(11)的旋转驱动之外还执行扫描运动。

14.如权利要求12或13所述的方法，其特征在于，执行所述方法是为了执行：

-齿轮工件(11)的节距测量，和/或

-齿轮工件(11)的至少一个侧面线的测量，和/或齿轮工件(11)的齿廓的测量。

15.如权利要求12至14中任一项所述的方法，其特征在于，聚焦触发传感器相对于齿轮工件(11)的物体平面(OE)倾斜地定位，其中光束(LS)到物体平面(OE)的角度优选地在±5至±70度的角度范围内。