CN117396721A - 用于测量测量对象的方法及设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于使用可沿着线性轴(7)运动的测量系统(2)测量测量对象(1)的方法，特别是确定测量对象(1)的位置和/或距离，例如测量测量对象(1)的宽度和/或平坦度，其中所述测量系统(2)具有至少一个传感器(4)，并且其中布置有用于检测所述测量系统(2)的参考点(8)的位置的装置(9)，其中使用所述传感器(4)检测所述测量对象(1)的至少一个测量值，并且其中确定所述测量值的由于所述线性轴(7)倾斜了倾斜角β而引起的测量误差，并且其中校正所述测量值以除去所述测量误差。

Description

用于测量测量对象的方法及设备
技术领域
本发明涉及一种用于使用可沿着线性轴运动的测量系统测量测量对象的方法，特别是确定测量对象的位置和/或距离，例如测量测量对象的宽度和/或测量测量对象的平坦度，其中所述测量系统具有至少一个传感器，并且其中设置有用于检测所述测量系统的参考点的位置的装置。
本发明还涉及一种用于使用可沿着线性轴运动的测量系统测量测量对象的设备，特别是确定测量对象的位置和/或距离，例如测量测量对象的宽度和/或测量测量对象的平坦度，优选地使用根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中所述测量系统具有至少一个传感器，并且其中布置有用于检测所述测量系统的参考点的位置的装置。
背景技术
非接触式距离传感器在现有技术中是已知的，所述非接触式距离传感器安装在具有驱动线性轴的测量系统上并且在横越运动期间测量距测量对象的距离以及所述测量系统在线性轴上的位置。在此，同步检测传感器的测量值(例如距离或边缘位置)以及传感器位置或所述测量系统的布置在与传感器定义距离处的参考点的位置，所述参考点因此在线性轴上一起均匀运动。可以通过这种方式测量边缘位置和距测量对象的距离。可以使用诸如三角测量传感器、共焦传感器或光学测微计等光学传感器以非接触方式检测测量对象的边缘或距测量对象的距离。根据传感器类型和测量任务，可以使用不同的系统布局。在单侧测量的情况下，测量对象上方或下方有一个轴就足够了。如果在传感器中发送器和接收器彼此相对布置，则使用具有一个轴的C形框架或具有两个轴的O形框架结构。使用O形框架概念的情况下，应当注意使传感器的发送器和接收器(分别安装在相对的轴上)同步运动。使用C形框架概念的情况下，整个C形框架通常在一个线性轴上运动。
已知系统的问题在于存在不同的误差源，这些误差源会导致所确定的测量值有误。
发明内容
因此，本发明所基于的任务是设计和扩展开头所述类型的用于测量测量对象的方法和设备，使得能够以简单的方式进行精确测量。
根据本发明，通过权利要求1的特征来解决涉及方法的上述任务。由此说明了一种用于使用可沿着线性轴运动的测量系统测量测量对象的方法，特别是确定测量对象的位置和/或距离，例如测量测量对象的宽度和/或平坦度，其中所述测量系统具有至少一个传感器，并且其中设置有用于检测所述测量系统的参考点的位置的装置，其中使用所述传感器检测所述测量对象的至少一个测量值，并且其中确定所述测量值的由于所述线性轴倾斜了倾斜角β而引起的测量误差，并且其中校正所述测量值以除去所述测量误差。
通过权利要求9的特征来解决涉及设备的上述任务。由此说明了一种使用可沿着线性轴运动的测量系统以测量测量对象的设备，特别是确定测量对象的位置和/或距离，例如测量测量对象的宽度和/或平坦度，其中所述测量系统具有至少一个传感器，并且其中设置有用于检测所述测量系统的参考点的位置的装置，其中使用所述传感器检测所述测量对象的至少一个测量值，并且其中确定所述测量值的由于所述线性轴倾斜了倾斜角β而引起的测量误差，并且其中校正所述测量值以除去所述测量误差。
根据本发明，首先认识到集成传感器的位置由于测量系统在线性轴上或随着线性轴相对于其水平位置的倾斜(旋转)而失真。传感器系统在线性轴的不同位置上的这种不经意的位置变化——以及由此测量对象上测量点的不经意的移位——会导致测量误差，例如在测量宽度时(评估线性轴方向上的传感器值)或使用单侧距离测量测量平坦度时(评估垂直于线性轴的方向上的传感器值)。
按照本发明的另一方式，已经认识到，如果测量系统的参考点相对于测量对象的倾斜角和位置是已知的，则可以补偿由线性轴的倾斜引起的测量误差。由此产生的测量对象上测量点的位置变化可以通过校正单元(例如具有对应软件的计算机)来补偿。为了测量测量对象的宽度，仅考虑横越方向上的水平位置变化就足够了。倾斜在此可以意指整个线性轴的绝对倾斜，或者例如由线性轴的偏斜或弯曲引起的局部倾斜。为了简化本发明的进一步描述，下面总是示出线性轴的绝对倾斜。
具体地，可以想到的是，所述测量系统安装在至少一个从动线性轴上。替代地或附加地，所述测量系统可以具有框架，所述至少一个传感器布置在所述框架上。所述框架可以是具有一个轴的C形框架、具有两个轴的O形框架或任何其他框架，即对应于待完成的测量任务。在O形框架的情况下，传感器的发送器和接收器可以分别安装在彼此相对的线性轴上并且同步运动。在C形框架的情况下，整个C形框架可以在单个线性轴上运动。
此外，用于检测参考点位置的装置可以是线性轴的位置传感器。例如，可以通过增量磁带来绝对地确定参考点的位置。在此情况下可以使用任何其他传感器系统。
对于根据本发明的方法和根据本发明的设备来说，还可以想到其他测量任务，例如平坦度测量，优选地使用C形框架。这里，线性轴的倾斜也会影响传感器的测量值——但这次高度(垂直测量值)方面的位置变化很重要。在线性轴的C形框架尺寸和(一个或多个)倾斜角已知的情况下，也可以校正这种高度变化，例如通过具有对应软件的校正单元。还可以想到同时校正垂直测量误差和水平测量误差。
由于线性轴的倾斜而引起的测量不确定性主要取决于以下因素：
-线性轴的平坦度(＝倾斜度)
-线性轴到测量对象的高度差
-测量位置距线性轴的滑块的水平距离
术语“倾斜角”在此描述了线性轴沿着线性轴的延伸方向或逆着线性轴的延伸方向的倾斜，该倾斜因此导致测量系统的倾斜。
有利地，检测所述测量对象的水平测量值，所述水平测量值说明所述线性轴的延伸方向上的位置。替代地或附加地，可以检测所述测量对象的垂直测量值，所述垂直测量值说明在与所述线性轴的延伸方向垂直的方向上的位置。本公开中的术语“水平”和“垂直”因此不是描述相对于重力方向的绝对取向，而是描述相对于线性轴的延伸方向或运动方向的取向。因此，水平测量值的检测可以用于确定测量对象的宽度，而垂直测量值的检测可以用于确定测量对象的平坦度。
有利地，至少一个传感器可以是非接触式传感器，特别是光学传感器，优选三角测量传感器、共焦传感器或光学测微计。例如光学测微计可以根据遮光或光量测量的原理非接触地确定测量对象的大小和位置。
根据有利的设计，可以借助以下公式确定水平测量值的水平测量误差ph：
ph＝r·sin(β)
其中r是线性轴与测量对象之间的垂直距离。可以通过特别简单的方式实现对应的校正。
以特别有利的方式，可以借助以下公式来确定水平测量值的水平测量误差ph，ges：
p1＝r·sin(β)
p2＝a-a·cos(β)
ph，ges＝p1-p2
其中r是线性轴与测量对象之间的垂直距离，a是测量对象的边缘与参考点之间的水平距离。由此可以特别精确地确定测量误差并因此校正测量值，从而可以精确地测量测量对象。
根据另一有利设计，可以借助以下公式来确定垂直测量值的垂直测量误差pv：
pv＝r-r·cos(β)
其中r是线性轴与测量对象之间的垂直距离。可以通过特别简单的方式实现对应的校正。
以特别有利的方式，可以借助以下公式来确定垂直测量值的垂直测量误差pv，ges：
p3＝r-r·cos(β)
p4＝a·sin(β)
pv，ges＝p3+p4
其中r是线性轴与测量对象之间的垂直距离，a是测量对象的边缘与参考点之间的水平距离。借助上述公式计算出的垂直测量误差极其精确，由此显著提高了测量对象的测量精度。
以另一有利的方式，可以在限定的测量点处确定所述线性轴的倾斜角。一般情况下，一次性(或偶尔)确定倾斜角就足够了。然而，可以想到，由于各种因素(轴的拧紧点、轴的底部构造的变化，例如由于温度影响，......)，线性轴的倾斜走势随时间而变化。因此，有利的是重复地确定线性轴的倾斜角。为此可以使用设置在测量系统上的倾斜传感器。任意构造的倾斜传感器都是可以想到的，只要这些倾斜传感器能保证测量所需的分辨率和精度。
为了检测线性轴的倾斜角，存在多种选项：
-如果倾斜传感器能够在线性轴的运动期间检测倾斜变化，则可以同步检测线性轴的倾斜值与参考点的位置值和传感器的测量值。然后可以根据上述公式以有利的方式校正这些测量值。如果测量系统在线性轴上的非均匀运动(例如振动、加速度等)影响倾角传感器的测量精度，则不能在线性轴的运动期间检测倾斜角。
-如果倾斜传感器只能在静止时准确检测倾斜变化，则可以在静止时在限定的测量部位处检测线性轴的倾斜角，优选以固定的栅格(例如每15厘米)。基于这些测量部位，可以确定合适的函数来表示倾斜角的变化与测量系统的参考点在线性轴上的位置的函数关系。然后可以在测量运行期间使用该函数来根据参考点的位置确定倾斜角。优选地可以在规则的时间间隔重复地确定测量点。
需要说明的是，根据本发明的方法还具有根据设备的实施。根据本发明的设备可以具有涉及该方法描述的对应特征和优点。同样，利用根据方法的实施的根据本发明的设备的特征和优点可以是根据本发明的方法的一部分。
现在存在有利地设计和扩展本发明的原理的多种可能性。为此，一方面应当参考从属于权利要求1和9的权利要求，另一方面应当参考以下基于附图对本发明的优选实施例的解释。结合基于附图对本发明的优选实施例的解释，还解释了该原理的一般优选设计和扩展。
附图说明
在附图中，
图1示出了用于执行根据本发明的方法的根据本发明的设备的实施例的示意图，
图2a至图2c示出了线性轴的倾斜对水平测量值的影响的示意图，
图3示出了线性轴倾斜时水平测量误差的近似的示意图，
图4示出了线性轴倾斜时真实的水平测量误差的示意图，
图5示出了解释倾斜角的示意图，
图6示出了多天内测量的线性轴倾斜角变化，以及
图7示出了在线性轴倾斜时真实的垂直测量误差的示意图。
为了清楚起见，图中并非所有元件都始终设有附图标记，其中相同的元件在图中用相同的附图标记来标记。
具体实施方式
在图1中，借助宽度测量解释了由本发明补偿的测量误差。对于平坦度测量，图1必须示出用于距离测量的传感器系统。必须考虑垂直测量方向而不是水平测量方向。
图1示出了用于测量测量对象1的宽度的设备的实施例。该设备具有带有C形框架3和传感器4的测量系统2，在该实施例中，传感器4被构造为光学测微计。传感器4在水平测量方向，即沿着线性轴7的延伸方向探测测量对象1相对于C形框架3的相对边缘5、6。为了确定传感器4的位置，设置了参考点8，该参考点在线性轴7上的位置可以利用用于检测位置的合适装置9来确定。在该实施例中，可以使用增量磁带9来绝对地确定参考点8的位置，因此增量磁带9作为用于检测位置的装置9。装置9的其他设计是可以想到的，例如传感器，特别是光学传感器或绳索拉拔传感器。如果在测量运行期间同步检测两个位置值，则通过将两个值简单相加即可确定测量对象的绝对边缘位置。
传感器4的测量值之差，即测量对象1的两个边缘5、6的测量位置之差，对应于测量对象1的宽度，其中在宽度测量期间测量对象1不允许运动。
此外，图1中示出了校正单元10，其可以是例如具有对应软件的计算机。校正单元10用于校正由于线性轴7倾斜了倾斜角β而引起的测量误差。为了检测倾斜角β，测量系统2可以具有倾斜传感器11，当然并非必须如此。为了简化图示，在另外的图中未示出校正单元10和倾斜传感器11，但是仍然可以在这些图中设置校正单元10和倾斜传感器11。
图2a至图2c中示出了水平测量误差，其中线性轴7上示出了三种状况：
-理想取向(图2a)：测量对象1的边缘6在线性轴7上的实际位置与测量对象1的边缘6在线性轴7上的探测到的位置一致。
-向前倾斜(图2b)：测量对象1的边缘6的探测到的位置比测量对象1的边缘6的实际位置要靠后。
-向后倾斜(图2c)：测量对象1的边缘6的探测到的位置比测量对象1的边缘6的实际位置要靠前。
如果倾斜角β和测量对象1的几何位置已知，则可以按照根据本发明的方式确定位置偏差。
图3以简化方式示出了原理性错误。选择测量对象1的边缘6作为倾斜的旋转点12。预期水平测量误差ph绘制在线性轴7的方向上。该图示被简化为传感器4的边缘6的测量值和参考点8(例如线性轴7的滑块上的磁带的传感器)的检测在几何上上下叠置。如果情况并非如此，则得出略有不同的计算，该计算在图4中示出。图4中仅示出了水平的位置变化。
根据图3，由线性轴7的倾斜角β引起的测量系统2的对应倾斜可以分为两种运动：-旋转运动会导致垂直的高度变化(测量对象1与线性轴7之差)，对于宽度测量可以不考虑该高度变化。在测量平坦度时要考虑该高度变化，因为在这种情况下测量距离会因倾斜而失真。
-旋转运动导致由传感器4探测到的边缘6的测量值与线性轴7的参考点8之间发生水平距离变化。
如果已知线性轴7与测量对象1之间的倾斜角β和高度差r，则可以如下计算水平方向的位置变化，即水平测量误差ph，以及垂直方向的位置变化，即垂直测量误差pv：
ph＝r·sin(β)
pv＝r-r·cos(β)
如果在倾斜时附加地考虑测量对象1的边缘6与测量系统2上的参考点8之间的距离，则图4示意性地示出了该情况。
水平测量误差ph，ges可以通过两次运动来加以确定。如图3所示，高度差r导致大部分位置变化p1。测量对象1的边缘6与参考点8之间的距离a导致第二个水平位置变化p2。两个位置变化之差得出总水平测量误差pges：
p1＝r·sin(β)
p2＝a-a·cos(β)
ph，ges＝p1-p2
从p2的公式中可以看出，对于小倾斜角β，可以忽略该距离值。
图6示出了长度为2.2m的线性轴7的测量的倾斜变化。在多天内测量线性轴7的倾斜。通常，倾斜值以度[°]为单位来加以说明。由于线性轴7上倾斜变化的预期值相对较小，为了更好地了解预期误差，选择[μm/m]作为单位，即选择以每米参考距离多少[μm]的倾斜变化为单位来绘制。如果测量对象1的边缘5、6与线性轴之间的高度差为1m，则以[μm]示出预期的倾斜误差。图5说明了该关联。600μm/m的倾斜对应于大约0.057°的角度。
根据边缘5、6所在的位置，线性轴7的倾斜角β或多或少地影响宽度测量的结果。通过根据本发明的方法和根据本发明的设备，可以校正边缘5、6的位置的测量值，从而使预期的测量不确定性最小化。
图3中已经示出了由线性轴的倾斜角β引起的垂直测量误差pv。测量不确定性的最大部分是由测量对象1上的测量位置与线性轴上的参考点8之间的水平距离a引起的。该关联在图7中示出。再次选择测量对象1上的作为测量位置的边缘6作为虚拟旋转点12。
图3示出了垂直测量误差pv，该垂直测量误差可以如下确定：
pv＝r-r·cos(β)＝p3
另外，测量对象1的边缘6与参考点8之间的水平距离a引起进一步的垂直位置变化p4。该位置变化可以通过以下公式计算：
p4＝a·sin(β)
由轴倾斜引起的总垂直位置变化pv，ges可以通过将p3和p4这两个值相加来确定：
pv，ges＝p3+p4
因此，在线性轴7的倾斜角β已知和测量系统距测量位置的几何度量已知的情况下，可以计算并校正所产生的垂直测量误差pv，ges。
为避免重复，关于根据本发明的设备和根据本发明的方法的进一步有利的设计，参考说明书的发明内容部分和所附权利要求。
最后，应当明确指出，上述根据本发明的设备和根据本发明的方法的实施例仅用于阐释要求保护的原理，而不是将其限制于实施例。
附图标记列表
1 测量对象
2 测量系统
3 框架
4 传感器
5 边缘(测量对象)
6 边缘(测量对象)
7 线性轴
8 参考点
9 用于检测位置的装置
10 校正单元
11 倾斜传感器
12 旋转点
β 倾斜角
r 距离(线性轴-测量对象)
a 距离(测量点-参考点)

Claims (10)

1.一种用于使用可沿着线性轴(7)运动的测量系统(2)测量测量对象(1)的方法，特别是确定测量对象(1)的位置和/或距离，例如测量测量对象(1)的宽度和/或平坦度，其中所述测量系统(2)具有至少一个传感器(4)，并且其中布置有用于检测所述测量系统(2)的参考点(8)的位置的装置(9)，其中使用所述传感器(4)检测所述测量对象(1)的至少一个测量值，并且其中确定所述测量值的由于所述线性轴(7)倾斜了倾斜角β而引起的测量误差，并且其中校正所述测量值以除去所述测量误差。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，检测所述测量对象(1)的水平测量值，所述水平测量值说明所述线性轴(7)的延伸方向上的位置，和/或检测所述测量对象(1)的垂直测量值，所述垂直测量值说明在与所述线性轴(7)的延伸方向垂直的方向上的位置。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，借助以下公式确定所述水平测量值的水平测量误差ph：
ph＝r·sin(β)
其中r是所述线性轴(7)与所述测量对象(1)之间的垂直距离。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，借助以下公式来确定所述水平测量值的水平测量误差ph,ges：
p1＝r·sin(β)
p2＝a-a·cos(β)
ph,ges＝p1-p2
其中r是所述线性轴(7)与所述测量对象(1)之间的垂直距离，a是所述测量对象(1)的边缘(5、6)与所述参考点(8)之间的水平距离。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的方法，其特征在于，借助以下公式来确定所述垂直测量值的垂直测量误差pv：
pv＝r-r·cos(β)
其中r是所述线性轴(7)与所述测量对象(1)之间的垂直距离。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的方法，其特征在于，借助以下公式来确定所述垂直测量值的垂直测量误差pv，ges：
p3＝r-r·cos(β)
p4＝a·sin(β)
pv,ges＝p3+p4
其中r是所述线性轴(7)与所述测量对象(1)之间的垂直距离，a是所述测量对象(1)的边缘(5、6)与所述参考点(8)之间的水平距离。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，通过所述测量系统(2)的倾斜传感器(11)确定所述线性轴(7)的倾斜角β。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，在限定的测量点处确定所述线性轴(7)的倾斜角β。
9.一种用于使用可沿着线性轴(7)运动的测量系统(2)测量测量对象(1)的设备，特别是确定测量对象(1)的位置和/或距离，例如测量测量对象(1)的宽度和/或平坦度，优选使用根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中所述测量系统(2)具有至少一个传感器(4)，并且其中布置有用于检测所述测量系统(2)的参考点(8)的位置的装置(9)，其中能够使用所述传感器(4)测量所述测量对象(1)的至少一个测量值，并且其中确定所述测量值的由于所述线性轴(7)倾斜了倾斜角β而引起的测量误差，并且其中由校正单元(10)校正所述测量值以除去所述测量误差。
10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，在所述测量系统(2)上设置有用于确定所述线性轴(7)的倾斜角β的倾斜传感器(11)。
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