CN1256567C - 表面特性测量方法及坐标测量装置 - Google Patents

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Abstract

为了借助于一个坐标测量装置(10)以极其精确的方式、与一个工件的材料特性无关地测量所述工件的表面特性，建议一个可沿坐标轴线(X、Y、Z)移动的扫描成型元件(30)以及可以获得所述元件在工件表面上的运动的距离传感器(32)，其中光学传感器(32)是一个光电子距离传感器，而且扫描成型元件(30)相对于距离传感器按照如下方式可调节地进行布置，即所述距离传感器任选地直接测量表面、或测量所述扫描成型元件的位置。

Description

表面特性测量方法及坐标测量装置
本发明涉及一种用于测量一个工件表面特性的方法，所述方法借助于一个坐标测量装置进行，所述坐标测量装置包含有一个支撑在所述表面上且可相对于该表面移动的扫描成型元件、以及一个用于直接测量表面特性的光电子的距离传感器。此外，本发明涉及一种用于测量工件表面特性的坐标测量装置，所述坐标测量装置包含有一个沿该坐标测量装置的坐标轴线可移动的扫描成型元件、以及一个光电子的距离传感器。
表面质量的确定有助于对一个工件的边界进行评定。在这种情况下可以使用轮廓仪，其中例如借助于蓝宝石、金刚石或普通钢制尖端作为扫描探针而对所述表面进行扫描。例如可感应地或激光干涉测量地接收该扫描探针的偏转。
从而根据德国Z：Techniker(96年第5期，第13至20页)，为了测定表面粗糙度而将一个扫描尖端在样品表面的上方进行引导。所述扫描尖端从一个悬臂出发。一个激光束对准悬臂的外表面，借助于一个PSD传感器获得悬臂的反射波。从而激光和PSD传感器一起形成一个光学传感器。
在DE 198 24 107 A1中公开了一种方法，所述方法使用一个支撑在一个样品表面上的扫描成型元件来确定该表面的测量值，其中，使用一个图象处理传感器来直接获得扫描成型元件的位置、或者获得至少一个直接配属于该扫描成型元件的照准标记的位置，并在考虑到测试样品和扫描成型元件之间的相对运动的情况下获得该表面的测量数值。
在德国Z.T.Pfeiffer的“制造测量技术”(Fertigungsmess-technik)—Oldenburg出版社、第二版，第289至298页—中也描述了获得工件表面质量的方法和装置。
在WO98/30866中提出了一种如开始部分所述类型的方法和一种坐标测量装置。在这里使用绝对分开的光学和机械测量系统来测量一个工件的表面特性。
为了光学-触觉地测量表面特性，根据WO99/63301提出了一种坐标测量装置，所述坐标测量装置其具有一个可沿待测量的工件表面运行的光纤扫描器，所述扫描器的位置可由照相机测定。照相机和扫描器组成一个可共同调节的单元，其中在光学-机械交界处上所述扫描器与一个更换支架的校准机构相连接。
本发明的任务是，如此改进开始所述类型的方法和坐标测量装置，使得可以极其精确地测量所述表面特性，其中即使在较软表面或具有较大粗糙度的部位上也可以进行测量，而不会产生损伤的危险或出现所不希望的较大测量误差。
根据本发明，通过一种前述类型的方法使所述任务基本上如此解决：光电子的距离传感器有选择地直接测量工件表面特性，或者为了确定工件表面特性而使用距离传感器来测定扫描成型元件的位置、或测定配属于该扫描成型元件的标记的位置。
根据本发明提供一种方法，使用该方法即使在例如对于一个支撑在所述表面上的扫描成型元件来说该表面过软、或由于表面粗糙的原因该扫描成型元件不能获得足够的测量点密度的情况下，也可以足够精确地对表面特性进行测量。在这种情况下，扫描成型元件摆出所述距离传感器的光路，并使用该距离传感器直接对表面进行测量。
所述扫描成型元件可以是一个已知结构的扫描探针。但是还可以采用以光学-触觉方式进行工作的光纤扫描器(Fasertaster)，可使用一个图象处理传感器、例如CCD照相机以亚像素精度来测量该光纤扫描器的位置。在这种情况下，该距离传感器起到光学-触觉传感器光源的作用。与此相反，在使用一种常用的扫描探针时，该距离传感器自身可以用作测量传感器。
这样一种根据视频自动聚焦方法、激光自动聚焦方法或伯纳德切割原理(Foucault’sches Schneiden-Prinzip)进行工作的传感器可以用作所述距离传感器。在这种情况下，所述距离传感器可与该图象处理传感器组合在一起。
所述扫描成型元件可以通过一个交替交界处(Wechselschnitt-stelle)而位于该距离传感器的光路中，或者从所述光路中移开，也可以位于光学距离传感器的前面、或者放到一个停放位置中。在这种情况下，使用这样一个交界处来作为交替交界处：它应用于坐标测量装置的现有的扫描系统中。
一种前述类型的坐标测量装置的特征在于，所述扫描成型元件相对于该光电子距离传感器如此可调节地进行布置：该光电子的距离传感器可选择地直接测量所述工件的表面，或者测量该扫描成型元件的位置、或测量一个固定地配属于该测量扫描成型元件的标记的位置。
在这种情况下，该扫描成型元件可以是一种扫描探针或者是一个光学-触觉传感器，其中，在后一种情况下，距离传感器与图象处理传感器可组合在一起。该距离传感器特别是一种根据伯纳德切割原理进行工作的传感器，或者是一种激光距离传感器。
本发明的其它细节、优点和特征不仅可以从权利要求中、从那些可被推论出的特征(自身推断或组合推断)中得出，还可以从下面对于由附图可看到的优选实施例的说明中得出。附图示出：
图1 一个坐标测量装置的原理图；
图2 根据图1中的坐标测量装置的第一种工作方式；
图3 根据图1中的坐标测量装置的第二种工作方式；
图4 根据图1中的坐标测量装置的第三种工作方式；以及
图5 待测物体的俯视图。
在原理上从图1中可以清楚地看到，坐标测量装置10具有带有测量台14的、由花岗岩制成的一个底座12，在所述测量台上可布置一个在图中未示出的工件，用于测量所述工件的表面特性、如粗糙度。
一个门架16在Y方向上可沿所述底座进行调节。为此，立柱或支柱18、20滑动地支撑在底座12上。从立柱或支柱18、20延伸出一个横梁22，一个滑块24沿该横梁、也就是如图沿X方向可进行调节，其中滑块24包括沿Z方向可调节的空心轴或立柱26。从空心轴或立柱26或者一个交替交界处28延伸出一个扫描成型元件30，该元件为了确定表面特性而沿着所述工件滑动，以便可以从扫描元件或者其扫描尖端的位置出发测定所述表面特性。为测量扫描成型元件的运动，一个距离传感器32对准所述测量成型元件，所述扫描成型元件30根据例如工件表面的粗糙度相应地进行偏移，因此到所述距离传感器32的距离发生改变，由此其结果是，可以通过所述距离传感器来测量表面特性。
扫描成型元件30可以是一个扫描探针，所述扫描探针可以例如由金属、蓝宝石或金刚石制成。就此可参见大量的已知技术。然而扫描成型元件30也可以是例如在WO 98/57121中所述的光学-触觉光纤扫描器，其公开内容在此清楚地参照。
应注意的是，距离传感器32在此尤其是这样一种根据视频自动聚焦方法、激光自动聚焦方法和伯纳德切割原理进行工作的传感器。
如果使用光学-触觉扫描器，那么所述坐标测量装置具有一个用于图象编辑和传输以及图象处理的图象处理传感器、例如CCD照相机，以便只要位置变化不发生在沿图象处理传感器的光轴线的方向上的情况下，就直接由CCD视野上的图象的推移而获得扫描器的位置变化，并因此获得所述表面的特性。在该过程中可使用例如实际上参考DE 198 24 107A1的一种装置，其公开内容同样强调地进行参照。
若不能使用扫描成型元件30进行测量，那么可能因为表面过软，并因此由于扫描成型元件30的滑动会在所述表面上产生变形或损坏；可能因为表面几何形状或粗糙而不能使用扫描成型元件30进行测量，那么使扫描成型元件30摆出所述距离传感器32的光路，以便直接进行测量。
借助于图2和图3从原理上对此进行了清楚地说明。图2和图3中显示出具有表面区段36、38的工件34，不同表面区段的性质相互间在一定程度上有所差异，即图中左区段36的粗糙度较大，从而不可能使用扫描成型元件30进行扫描。在这种情况下，将扫描成型元件30从所述距离传感器32的光路40中摆出，同时使用所述距离传感器32直接进行测量。与此相反，表面区域38的粗糙度较小，从而可以使用扫描成型元件30进行测量。在这种情况下，将扫描成型元件30摆入所述距离传感器32的光路40中，以通过所述距离传感器32确定扫描成型元件的位置。
如果使用一个光学-触觉扫描器，那么所述距离传感器32可与所述图象处理传感器组合在一起。与此无关，当使用一个光学-触觉传感器时，所述距离传感器32不执行测量传感器的功能，而是执行照明功能。
借助于图4和图5对本发明理论的一个改进方案进行说明。为了测量工件的一个部位42，除了图1-3中作为扫描成型元件30标示出的触觉测量传感器44外，还使用一个由一个图象处理传感器46和一个激光距离传感器48形式的距离传感器所组成的光学传感器系统。因此，对图1和图3的实施例进行比较，图象处理传感器46在此作为对激光距离传感器48的一个补充。一个共同的光学系统50配置于激光距离传感器48以及图象处理传感器46，其中光路52通过一个分光镜54(Teilerspiegel)引导给激光距离传感器48或图象处理传感器46。
图象处理传感器46以及激光距离传感器48处于对工件的部位42直接进行测量的位置。在这种情况下，在光学扫描方法中存在的缺点是：表面特性使所述结果失真。通过使附加的触觉测量传感器44或其用于表面测量的扫描探针56向内摆动，从而可以使用同一设备结构以光学和机械方法中的一种可选择的方式进行测量。
在所述实施例中，待测部位42在其较大表面58以及一个狭槽60中具有相同的表面特性。由此，可以首先使用触觉测量传感器44对所述部位58进行测量。可使用激光距离传感器48在同一位置处进行对比测量，以便使在当前材料上的所述光学方法附设于所述机械方法，并因此进行校准。换句话说，通过机械扫描测量为非接触式光学测量进行校准。此后可使用光学传感器、特别是激光距离传感器48对于由所述触觉工作传感器44难于接触或根本不接触的狭槽部位60进行测量。
部位42的表面特性由激光距离传感器48进行测量，与此相反，特别是由图象处理传感器46对于工件或部位42进行测定。

Claims (15)

1.用于测量一个工件(34)的表面特性的方法，所述方法借助于一个坐标测量装置(10)进行，该坐标测量装置包含一个支撑在表面(36、38、58、60)上且相对于该表面可移动的扫描成型元件(30)、以及一个用于直接测量表面特性的光电子的距离传感器(32、48)，其特征在于，为了确定该工件的表面特性，所述光电子的距离传感器(32、48)有选择地直接测量工件(34)的表面特性，或者使用该距离传感器来测量扫描成型元件(30)的位置或者至少一个直接配属于该扫描成型元件的标记的位置。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，具有一个扫描探针(56)的扫描成型元件用作所述扫描成型元件。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，一个以光学-触觉方式进行工作的光纤扫描器用作所述扫描成型元件(30)。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用一个根据视频自动聚焦方法、激光自动聚焦方法或伯纳德切割原理进行工作的距离传感器(32、48)。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将一个图象处理传感器(46)与所述距离传感器(32、48)组合在一起。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，扫描成型元件通过一个交替交界处而位于所述距离传感器(32、48)的光路中，或从所述光路中移开。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，将用于一个在所述坐标测量装置(10)中现存的扫描系统的这样一种交界处用作所述交替交界处。
8.用于测量工件(34)的表面特性的坐标测量装置(10)，它包含有一个沿该坐标测量装置的坐标轴线(X、Y、Z)可移动的扫描成型元件(30)、以及一个光电子的距离传感器(32、48)，其特征在于，扫描成型元件(30)相对于光电子的距离传感器(32、48)可调节地进行如此布置，以便所述光电子的距离传感器有选择地对工件的表面(36、38、58、60)进行直接测量，或对扫描成型元件的位置、或者一个固定地配属于所述扫描成型元件的标记的位置进行测量。
9.根据权利要求8所述的坐标测量装置，其特征在于，扫描成型元件具有一个扫描探针(56)。
10.根据权利要求8所述的坐标测量装置，其特征在于，扫描成型元件(30)是一个以光学-触觉方式进行工作的光纤扫描器。
11.根据权利要求8所述的坐标测量装置，其特征在于，光电子的距离传感器(32、48)是一个根据激光自动聚焦方法、视频自动聚焦方法或伯纳德切割原理进行工作的传感器。
12.根据权利要求8所述的坐标测量装置，其特征在于，坐标测量装置(10)具有一个图象处理传感器(46)。
13.根据权利要求8所述的坐标测量装置，其特征在于，通过一个交替交界处可调节所述扫描成型元件(30、44)。
14.根据权利要求13所述的坐标测量装置，其特征在于，交替交界处是一个用于坐标测量装置(10)中的现存的扫描系统的交替交界处。
15.根据权利要求12所述的坐标测量装置，其特征在于，所述图象处理传感器与距离传感器(32、48)组合在一起。
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