CN207456386U - 用于测量装置的光学传感器和测量系统 - Google Patents

Abstract

用于测量装置的光学传感器和测量系统。一种用于测量装置的光学传感器(1、1’)，具有：光学机械耦合单元，该光学机械耦合单元适于提供光学传感器(1、1’)到测量装置的自动耦合，并且适于提供测量辐射在测量装置与光学传感器(1、1’)之间的双向传输；和第一光学测量通道，借助于其能够提供测量辐射在测量装置与光学传感器(1、1’)的第一出射窗(21a)之间的双向传输；第二光学测量通道，借助于其能够提供测量辐射在测量装置与光学传感器(1、1’)的第二出射窗(21b)之间的双向传输；和开关(10、10’)，该开关用于进行对测量辐射的传输的提供的受控改变，改变至少能够在第一光学测量通道或第二光学测量通道之间提供。

Description

用于测量装置的光学传感器和测量系统

技术领域

本实用新型涉及用于测量机的模块化传感器装置，具体涉及具有可切换束路径的坐标测量机(CMM)和由这种传感器装置和测量机组成的系统。

背景技术

确定到测量点的距离形成用于各种测量任务且用于对应测量装置的基础。具体地，光学距离测量例如用于测量学(测地学)中或工业工件测试和/或测量中的测量装置。在这种情况下，例如，可以确定待监测工件上的点的坐标。这些方法的优点具体是作为例如可以由干涉仪距离测量提供的较长测量范围和较高测量准确度的结果的广阔应用领域。

需要存在于用于高准确度地测量对象表面且因此还测量对象自己的许多技术和/或工业应用领域中。这具体应用于所生产工件表面的测量和检查具有重大意义的制造工业，具体还用于质量控制目的。

坐标测量机用于通常以微米准确度使得能够精确测量对象表面几何结构的这些应用。待测量对象例如可以为发动机缸体、变速器以及工具。已知坐标测量机测量例如产生机械接触的表面，并且扫描表面。这一点的示例是如例如在DE4325337或 DE4325347中描述的门架型测量机。另一个系统基于铰接臂的使用，设置在多部分臂端部处的、铰接臂的测量传感器可以沿着表面移动。讨论中的类型的铰接臂例如在 US5402582或EP1474650中描述。US5822877描述了一种用于CMM上的多探针系统，该多探针系统由并排安装在支架结构上的若干独立探针构成。

另外，坐标测量机中光学测量传感器的使用已经变得日常。用于该目的的光学传感器基于例如用于干涉仪测量的、激光到对象表面上的照射(EP2037214)。还已知基于白光干涉法(DE102005061464)和彩色共焦法(FR2738343)的方法。测量传感器可以经由坐标测量机上的光电机械耦合元件灵活其自动地更换(EP02356401)。

用于坐标测量机的光学传感器和/或光学测量方法有许多优点：测量以非接触方式执行，并且光传感器可在对象表面上方以更小物理维数的“测量尖端”比触觉传感器更快速地引导，借此，启用测量的更高横向分辨率。

然而，所提及的光学测量方法在不利环境影响(例如，测量装置上的振动)的情况下都具有降低精度的距离测量的缺点。另外的限制可能出现在例如难以测量的表面上，这些表面关于所选辐射特性引起测量辐射的强散射或具有不利的粗糙度。此外，存在以下问题：在复杂工件几何结构的情况下必须执行光学传感器的频繁更换，以提供用于各表面部分的匹配传感器。例如，可枢转传感器适于扫描曲面。然而，传感器在每个情况下可能定向，使得测量辐射几乎正交地入射在对象表面上，以实现最佳的测量条件。

然而，因为测量辐射由此无法沿钻孔圆周的方向定向，而仅是沿钻孔深度的方向轴向定向，所以这种传感器将完全不适于测量钻孔。由此，对于这种测量必须更换测量传感器。该更换过程通常需要较大量的处理时间，由此，测量过程所消耗的总时间显著增加。

另一方面，使用连续的探针头允许垂直于表面，然而这改变系统的准确度。

在例如对象的一个部分要以比对象的另一个部分更大的准确度来捕获的情况下，类似的问题产生。不同的光学传感器通常也将用于该目的：低分辨率传感器进行快速扫描，并且第二高分辨率传感器以提高的精度测量。

更换测量传感器以适应例如对象几何结构的这种要求会降低测量处理的效率。

实用新型内容

因此，本实用新型的目的是提供一种用于光学对象测量的改进部件，借此，可以减少测量所需的测量时间。

本实用新型的另外目的是提供一种对应的系统，其中，可以减少用于测量具体对象的所需传感器更换的数量。

本实用新型涉及一种用于测量装置具体用于坐标测量机(CMM)的光学传感器 (光学探针)，该光学传感器用于借助于测量辐射的发射和从待测量对象上反射的测量辐射的捕获进行距离测量。传感器具有：(光学机械)耦合单元，该耦合单元被构造成光学传感器到测量装置的可自动或自动耦合，并且配置为在测量装置与光学传感器之间提供双向测量辐射传输。

光学探针优选地用于测量钻孔、叶片、叶盘(集成叶片的盘)、凸轮、齿轮、螺纹或其他轮廓。

另一方面，光学机械耦合单元提供传感器到例如CMM的机械连接(即，在这一点上以非常高的位置精度和再现性启用可重复多次的传感器的耦合和解耦合)。另一方面，这种类型的耦合单元还能够提供测量通道和/或参考通道的对应准确且可再现光学连接。此外，该耦合还可以提供传感器的电接触。

另外，传感器具有第一光学测量通道，借助于该第一光学测量通道，可以在测量装置与光学传感器的第一出射窗之间提供双向测量辐射传输。因此，由CMM提供的测量辐射可以被定向为沿着该第一测量通道穿过第一出射窗到达对象上，并且在该对象上反射的测量辐射在这种情况下可以反过来被引导也穿过出射窗(在这种情况下也形成束入射窗)沿着同一测量通道返回到CMM。CMM一部分上的检测器(例如干涉仪测量结构)使得能够在被反射辐射的基础上确定到对象的距离。

根据本实用新型，光学传感器具有第二光学测量通道，借助于该第二光学测量通道，可以在测量装置与光学传感器的第二出射窗之间提供双向测量辐射传输；和开关 (具体为光学开关)，该开关用于进行对测量辐射传输在至少第一光学测量通道或第二光学测量通道之间的受控改变。第一光学测量通道和第二光学测量通道以及开关被设置且设计为使得通过切换开关，在借助于第一测量通道进行的测量辐射传输与借助于第二测量通道进行的测量辐射之间改变，因此，测量辐射传输在每个情况下仅由第一测量通道或第二测量通道来提供。

因此，测量通道和开关使得能够根据为该目的提供的发射轴线以该方式切换测量辐射发射。以该方式，例如，较复杂的测量任务可以仅使用单个传感器结构来管理，而不是如之前要求的凭借更换CMM上所安装的测量传感器继续进行。由此，被供给有测量通道的出射窗可以被形成为具有对应的光学单元，使得例如，以该方式限定的发射轴线相对于彼此横向对齐，由此，通过切换主动测量通道来(强烈地)改变辐射发射和测量方向。以该方式，在不必更换光学传感器的情况下启用测量处理期间对显著改变的测量要求的适应。从此产生显著更短的处理和/或测量时间。

经由两个测量通道进行的测量可以基于在CMM一部分上的单个检测器执行。被反射的测量辐射借助于各测量通道返回到检测器，并且在该检测器处捕获。特定于通道的各测量参数可以为该目的(具体为对应于各主动测量通道)而被提供给检测器和/或CMM的控制或分析单元。

第一出射窗可以具有第一光学单元，该第一光学单元用于测量束成型，并且用于捕获被反射的测量辐射，并且第二出射窗可以具有第二光学单元，该第二光学单元用于测量束成型，并且用于捕获被反射的测量辐射。具体地，第一光学单元和第二光学单元关于其光学特性(具体为聚焦)而不同地构造。以该方式，例如，仅借助于切换被供给有测量辐射的测量通道，可以使用单个传感器结构提供不同的测量特性，由此，可以为该目的以各合适的方式来测量具有例如不同表面特性的对象。

光学单元例如关于(单轴)测量束聚焦或单轴测量束展宽(例如以形成激光线) 而不同。具体地，测量辐射可使用光学单元来形成，使得生成对于干涉仪距离测量(关于尺寸和/或形状)期望的束横截面。

根据本实用新型的一个实施方式，第一出射窗限定用于测量辐射的第一发射轴线，并且第二出射窗限定用于测量辐射的第二发射轴线，其中，第一发射轴线不同于第二发射轴线(具体为与第二发射轴线正交或平行)。由此，测量辐射可以通过切换开关来具体沿另一个方向发射到另一个测量点上。由此，可以顺序地快速且高效地测量具有不同特性(例如，反射行为、对象上的位置、粗糙度等)的测量点。

光学传感器可以被构造成使得发射轴线全部在同一平面中，并且在它们之间成限定角度。另选地，光轴在一个共用平面内平行。

根据本实用新型，至少第一光学测量通道可以具有光纤，并且测量辐射可借助于光纤来引导，具体地其中，至少第一光学测量通道大致完全由第一光纤或多个光纤形成。光纤然后具体从光学传感器的光学开关连续延伸直到所关联的出射窗，该出射窗具体具有束成型光学单元(例如，透镜、透镜阵列、光圈、光栅等)。

根据一个实施方式，至少一个光纤与包层过滤器嵌合，该包层过滤器优选地被置于开关的输出侧上。这种过滤器消除了光纤中的包层模式，并且降低光学信号的噪声。

具体地，第二光学测量通道具有另外的光纤，并且测量辐射可借助第另外的光纤来引导，具体地其中，第二光学测量通道大致完全由另外的或多个光纤形成。

光纤在这种情况下可以至少部分设置在传感器的内部。此外，光纤可以大体沿着传感器被引导为在传感器外侧上延伸，具体借助于夹持器(例如，夹具)紧固在传感器外壳或触针上。

根据本实用新型的一个实施方式，开关被构造成光纤耦合光学开关(具体为电子光学或声光开关或基于MEMS技术的开关)，具体被构造成闩锁开关或阻断开关。基于MEMS技术的开关例如可用作静电、电磁或感应开关(具有线圈)。

开关具体在耦合和解耦合光学辐射时具有非常低的信号损失。

开关可以具有单个输入，该单个输入用于耦合在测量辐射中；和两个或更多个输出，该两个或更多个输出用于解耦合并交替地为第一测量通道或第二测量通道和/或交替地为第一测量通道、第二测量通道或至少一个另外的测量通道提供测量辐射。还可想到的是具有两个输入和四个输出的开关，其中，或者各两个输出被分配给输入中的一个输入且从而可启动(可切换)，或者全部四个输出可单独启动。

光学传感器在一个实施方式包括至少一个触针，其中，第一出射窗和第二出射窗被设置为在触针上具有束成型光学单元(该束成型光学单元用于测量辐射的期望调理且可选地提供干涉仪参考信号的另外反射)，并且第一光学测量通道和第二光学测量通道至少部分地在触针内部被形成为光纤。触针(即，(椭圆形)扫描元件)具体用于延伸传感器，例如以启用测量点扫描的提高灵活性或以测量钻孔。

这种触针可以被设置为使得它例如可关于传感器外壳枢转。触针另外可沿着其延伸具有开口，两个或更多个光纤被引导穿过该开口。光纤在这种情况下各形成一个光学测量通道。光纤可以被引导直到各出射窗，优选在触针的第一端处。

触针具体具有一些光学单元，这些光学单元被提供为对应于若干测量通道，以便束成型且因此以便测量辐射关于方向和束特性的期望发射。为要在意外错位、漂移或误差的情况下执行的各个光学单元提供再校准。

传感器可以另外具有用于测量点的接触测量的(触敏)可模块化去除(具体为可受控枢转)的触觉触针，例如，触摸触发探针。这启用测量点的光学以及触觉测量这两者。例如，测量点可以首先被光学地捕捉，随后触觉地测量，以便验证。

触觉探针还可以用于准确测量表面上的一个或若干参考点，该表面已经由一个或若干光束快速且以较低准确度扫描。然后可以从触觉和对应的光学测量的差来计算修正。然后可以将表面上取得的所有光学数据修正所计算的量。

必须理解，本实用新型还涉及使得多个触针(例如，星形触针)和/或多个触觉传感器附接到一个光学探针的实施方式，其中，至少两个光学通道被提供有各自的开关。

在具有适当轴线的传感器上具有两个或更多个束可以避免在测量之间重定向触针的需要。由此，可以提供时间和准确度这两者的增益。根据一个实施方式，光学传感器具有具体为无源存储器，其中，该存储器具有可检索传感器数据，该数据提供关于光学传感器(具体为用于第一测量通道和第二测量通道)的光学和/或机械特性的信息。因此，这种存储器使得能够读出各主动测量特性(该特性对应于开关的开关位置)，因此使得能够合适处理各传感器数据，以确定测量坐标。

存储器中所存储的数据例如可以由上面设置光学传感器的CMM来检索。

另选或另外地，传感器可以提供有源存储器。这种存储器可以被构造成记录例如传感器的操作时间(小时)和可以借助探针头或CMM控制器提供的其他数据。

本实用新型另外涉及一种系统，该系统包括：如上所述的光学传感器；和测量装置(具体为坐标测量机)，该测量装置具有：距离测量单元，该距离测量单元用于根据干涉原理测量对象上的测量点；辐射源(具体为激光二极管)，该辐射源用于发射测量辐射；检测器，该检测器用于至少检测在对象上反射的测量辐射；以及测量装置侧上的耦合单元，其中，光学传感器可以借助于其耦合单元耦合到测量装置侧上的耦合单元，以在测量装置与光学传感器之间提供双向测量辐射传输。另外，测量机具有控制和分析单元。

控制和分析单元功能地连接到光学传感器的开关，并且具有切换功能，在执行该切换功能时，切换光学传感器的开关，使得在第一测量通道与第二测量通道之间改变测量辐射传输，并且由此在每个情况下仅经由第一测量通道或仅经由第二测量通道来提供测量辐射传输。具体地，切换功能被设计为使得在执行该功能时，经由第一光学测量通道或经由第二光学测量通道进行的测量辐射传输的提供可在测量过程期间按照根据要测量的对象表面的当前法线方向进行控制(具体为自动受控)的方式而改变。

测量机的控制单元与开关之间的连接例如可以为用于开关的电源的(电接触)连接和/或用于控制的通信连接(即，使用开关启动切换过程)。通信连接可以被具体实施为有线或无线(借助于无线电、WLAN、蓝牙等)连接。电源连接具体可以借助于集成光学机械接口来提供。

根据本实用新型的一个特别实施方式，测量装置被构造成坐标测量机，该坐标测量机具有机座；测量头，该测量头具有具体可去除的光学测量传感器，其中，测量传感器具有开关和至少两个测量通道，具体地其中，测量头被设计为可枢转测量头。此外，坐标测量机具有至少一个驱动单元，该驱动单元用于提供结构部件(例如，门架、滑架、套筒轴)中的第一个结构部件在至少一个方向上相对于结构部件中的第二个结构部件或相对于机座的移动性；和至少一个测量单元(例如，编码器)，该至少一个测量单元用于确定第一结构部件相对于第二结构部件或相对于机座的相对位置。

关于测量辐射的对齐，根据一个特殊实施方式，在执行距离确定功能时，通过改变测量头或触针和/或对象的位置和/或对齐相对于待测量点自动改变测量方向。这具体可以通过枢转、旋转和/或位移测量头或触针和/或对象和/或通过受控调节测量由传感器包括的微调节器(具体为压电定位元件或扫描镜)来实现。在这种情况下，例如，测量方向的多个偏转例如可以借助于微调节器所生成的振动快速执行，由此可以进行具有不同测量方向的多个测量。

通过微调节器与光学开关的这种组合，可以提供一种测量并扫描对象表面的更灵活方法。一方面，可以提供若干测量通道之间的切换，另一方面，可以提供束方向的另外(快速)调节。

根据本实用新型，改变测量方向可通过切换测量通道来实现。

具体地，连同相对于待测量点改变测量方向，该测量方向可以被改变为使得相对于用于测量点区域的表面法线平行(具体为同轴)定向测量方向。该表面法线具体可以在距离确定功能范围内的测量过程的基础上从独立测量或测量整体念书。

关于坐标测量机的设计，本实用新型不限于如所提及的门架构造。相反，使用光学传感器启用对象表面测量的任意已知类型的坐标测量机适于本实用新型。

附图说明

下文中将在附图中示意性例示的具体示例性实施方式的基础上仅用示例的方式更详细地描述根据本实用新型的装置，在附图中，还将讨论本实用新型的另外优点。在附图中：

图1示出了具有光学开关和两个测量束路径的、根据本实用新型的光学传感器；

图2示出了具有光学开关和四个测量束路径的、根据本实用新型的光学传感器；

图3示出了根据本实用新型的光学传感器的触针的实施方式；

图4示出了根据本实用新型的、附有具有光学开关的光学探针的坐标测量机的示例性实施方式；以及

图5示出了用于测量薄对象的、根据本实用新型的光学传感器。

具体实施方式

图1示出了具有光学开关10的、根据本实用新型的光学传感器1的第一实施方式。光学开关10在这里具有一个光学输入11和三个光学输出12。根据本实用新型，开关可以另选地具有两个或多于三个光学输出(未示出)。

光纤5耦合到光学输入11，该光学输入的第二端(这里未示出)可以耦合到坐标测量机的对应接口。借助于光纤5，坐标测量机所提供的测量辐射可在测量机与传感器1之间双向传输。由此，在测量机的一部分上发射的辐射可以发送到传感器1，以便测量，并且在工件上反射的测量辐射可以被引导回测量机和/或对应的检测器。

传感器1除了具有光学耦合元件(具体为光纤5)之外，还具有电耦合元件(具体为插头或其他连接器；未示出)和机械耦合元件6。电耦合元件向光学传感器以及用于CMM与传感器之间的控制信号的接口提供电力。机械耦合元件6使得光学传感器1能够模块化附接到CMM。机械耦合元件、电耦合元件以及光学耦合元件(具体为光纤5和/或其光学连接部)被构造成在不损害关于机械耦合的光学测量特性或准确度的情况下提供多个更换周期。

因此，三个光学输出12各转而由各自光纤13a-c连接到光学传感器1的三个光学连接部14a-c。

此外，用于耦合另外不同部件(例如，触针、枢转单元等)且用于由此提供的整个传感器模块性和灵活性的机械接口15被提供在光学传感器1的主外壳的下端处。

之前识别的部件(即，具有输入和输出的光学开关10、光纤、机械耦合元件6、光学连接部14a-c以及机械接口15)形成所谓的传感器接口。因此，这形成坐标测量机与传感器1的可能扩展之间的“适配器元件”。

在这里所示的实施方式中，另外的光学适配器部16附接到传感器接口，这使得能够另外设置具体可移动(可枢转)的触觉测量传感器17。由此，光学以及触觉测量这两者可以借助于传感器1来执行。

另外，设置延伸部18，在该延伸部的下端处，设置枢轴接头19，以便枢转转而设置在该枢轴接头上的光学扫描元件20(触针)。光学触针20具有两个束出射窗 21a-b，借助该出射窗，测量辐射可沿着第一发射轴线22a平行发射到触针20的延伸或沿着第二发射轴线22b正交地发射到触针20的延伸。

当然，在整体描述的场景中必须理解，两个发射轴线22a和22b可以成除了90°之外的角度(具体在0°至90°之间)。

具体地，触针被具体实施为所谓的四触针，该四触针在其远端处包括星形结构，该星形结构具有四个光学发射方向且由此提供四个光学尖端。测量光的发射可以被切换为由这些发射方向中的一个限定方向发射。此外，可以提供具有五个发射窗的触针。

枢轴接头或旋转接头19另选地可以被具体实施为可手动调节或由马达(例如使用步进马达)可调节控制。

具有光学单元(未示出)的两个出射窗21a和21b借助于两个光纤23a和23b来供给(即，测量束传输借助光纤23a-b且借助连接部14a-b提供给光学开关10和从光学开关10提供)。以该方式，由此提供第一测量通道和第二测量通道(测量束路径)。光纤23a和23b在这里部分在触针20的内部引导和/或具体在底座24的帮助下(例如，在紧固在延伸部18的夹具的帮助下)沿着传感器1的几何结构在外部引导。

光学开关10被设计为使得切换可用输出之间的有效束路径(即，经由光纤13a-c中的一个光纤的开放连续路径)可以另选地且以受控方式来提供。

换言之，测量辐射借助于第一光纤5到达传感器且在开关10中引导。开关被设置为例如使得辐射耦合到光纤13a，并且通过它穿过对应的连接部14a来引导到光纤 23a中，并且最终经由光学单元沿着第一发射轴线22a发射穿过第一出射窗21a。在测量期间，由此发射的测量辐射至少部分在待测量对象上反射，并且它连同第二反射 (本地振荡器)一起沿相反方向沿所谓的“共用路径”结构中的相同路径被引导出光学单元，穿过传感器1，返回到CMM并且到达分析单元，该分析单元检测并分析干涉仪信号。换言之，测量辐射的一部分可以从光学单元反射回，而不是被发射，并且也沿相反方向引导回到CMM和分析单元。

以该方式，借助于出射窗处的光学单元，不仅可以以期望方式形成测量辐射，而且可以生成另外的参考反射。然后由该参考反射提供干涉仪的参考臂。通过叠加参考信号与从对象反射的测量信号，生成可关于距离确定分析的组合干涉信号。测量信号和参考信号可以共同在光纤中引导。

如果测量过程具有例如首先要测量对象表面且随后测量钻孔(例如，其内部直径)以提供适于该目的的测量参数的要求，则可以借助于开关10改变束路径，使得测量辐射不再耦合到光纤13a，而是耦合到光纤13b。测量辐射然后经由中继光纤23b到达第二出射窗21b，并且沿着第二发射轴线22b发射。由此，触针20可以被引入到钻孔中，并且可以在正交发射的测量辐射的基础上执行钻孔上的内表面测量。

具有附图标记16-20和24的部件形成传感器1的模块化可变部分，(即，例如，适配器部16、触觉传感器17、延伸器部18以及接头19是可以仅可选地提供的部件，并且这些部件可以省略或者可以在另选实施方式中提供)。

此外，测量辐射可以另选地例如使用自由束光学器件而不是使用光纤在触针内部引导。

光学传感器1另外具有存储器25。该存储器25包含具有关于传感器1(具体为扫描元件20)的光学特性和机械特性的信息的数据和为两个测量通道提供的测量参数。以该方式，用于距离测量的各目前相关的参数可以被发送到测量机(CMM)，并且这些参数可以被考虑在内和/或在用于例如测量点坐标的导出的测量机处进一步处理。

存储器25中所存储的信息可以包括例如扫描元件20的长度、预设角度设置(例如，触针的铰接和/或测量辐射相对于触针的发射角度)、光纤的具体特性和/或测量通道的测量光学单元的焦距，以由此在一方面确保干涉仪信号的最佳适应分析，并且以在另一方面使得控制能够被优化为坐标测量机的测量路径。存储器25的读出还可以经由耦合元件6来执行，该耦合元件具有用于该目的的对应电触点。

图2示出了根据本实用新型的光学传感器1’的另外实施方式。该实施方式与图1中的元件对应的元件被提供有相同的附图标记。

与上述实施方式相反，开关10’具有四个光学输出，该四个光学输出可以各被主动地独立切换。光纤13a-d将各输出连接到被分配的连接部14a-d。

传感器1’另外具有两个可枢转光学扫描元件20、20’。各扫描元件20、20’具有两个束出射窗，各束出射窗具有发射轴线。出射窗的供给借助于光纤23a-d来提供。因此，它们可以借助于开关10’独立供给有测量辐射。

虽然传感器1’的扫描元件20和20’各被示出有两个出射窗，但理解，其他实施方式可以包括具有单个出射束或具有多于两个出射束的扫描元件。同样地，可以设想具有多于两个光学扫描元件的另外实施方式。图2的实施方式例如可以用于测量诸如翼片、叶片或叶盘的薄对象的两侧。具有适当光束的触针可以被选择为确保束在待测量表面上几乎垂直的入射。然后可以通过在两个束之间切换在CMM臂的单个移动中测量对象的两侧(也如图5中描述的)。此外，通过确定适当校准加工品上的两个束的几何结构，可以独立于CMM臂的定位准确度实现更高的测量准确度。

传感器1’另外具有被分配给扫描元件20的存储元件25’(例如，EEPROM或 RFID)。第二这种存储元件(未示出)可以对应地被分配给第二扫描元件20’。

存储器25’包含关于使用探头20提供的测量参数的数据。例如，从而可以存储(具体为用于各束发射方向的)可使用出射光学单元实现的瞄准、聚焦或可允许的测量范围。束发射的方向还可以关于扫描元件20的延伸轴线来指示。这些数据在测量探头 20的测量通道的各自启动时提供，和/或由坐标测量机检索且对于距离测量而处理。

传感器1’的耦合被具体实施为组合的光学和机械耦合单元，其中，光纤5被设置在耦合内部，并且被设计为接头光学和机械耦合。耦合具体可以自动执行，这使得能够自动更换坐标测量机上的测量传感器。

根据另外的实施方式(如图3所示)，根据本实用新型的传感器的扫描元件30 被具体实施为使得测量辐射可沿两个相反的方向31a和31b发射。这种实施方式例如具体适于测量钻孔或其他较窄的内部直径。

钻孔内表面的测量可以通过使用具有正交于触针的纵轴的两个束的、如所示的触针来简化。本实用新型不限于具有相对发射束的实施方式。束不需要指向相反的方向，但可以在垂直于触针轴线的平面内成任意角度。在触针插入到钻孔中的情况下，可以通过在束之间切换进行两个测量。然后将触针移动至另一个位置，并且进行两个另外的测量。可以重复这些步骤，直到在CMM臂的最小数量的移动的情况下获得期望数量的测量点。处理还可以通过使用在正交于触针轴线的平面中具有三个或更多个光束的触针来加速。

要在每个情况下提供测量辐射的方向再次可以由传感器的光学开关(这里未示出)来切换。两个光纤33a和33b限定两个测量通道，其中，各测量通道提供沿两个发射方向31a和31b中的一个发射方向的发射(即，提供到向对应的被分配束出射窗的束传输)。

在一个实施方式中，发射方向31a和31b(以及进一步另外的发射轴线)在一个特定平面中，并且在它们之间成限定角度。另选地，方向31a和31b如所示的平行或相反。

明显的是，这种实施方式可以另选地被具体实施为沿着扫描元件30的延伸(即，第三发射方向)具有另外的发射轴线，并且然后连接到三个测量通道的开关被构造成使得测量辐射可以独立应用于三个通道中的每个通道。

如上面已经提及的，被示出在扫描元件上的旋转接头仅是可选的，因此在其他实施方式中可以省略。

在图4中，描绘了根据本实用新型的桥式(门式)坐标测量机40(CMM)的示例性实施方式，坐标测量机40包括基座41和用于将探针头48连结到基座41的框架结构，该框架结构包括相对于彼此可移动的若干框架部件42、43、44、45、46、47。第一框架部件42是具有两个腿43、44的支架42，该两个腿由在它们上端处的桥接部分45连接。受驱动机构(未示出)驱动，框架部件42能够沿着基座41的纵侧移动。该方向对应于第一方向X。框架部件42的移动具体由附接到基座41的齿轮齿条来执行，该齿轮齿条与框架部件42上的小齿轮啮合。

滑架47可移动地设置在框架部件42的桥接部分上。滑架47(被视为另外的框架部件)的移动也可以由齿条和小齿轮来实现。建立另外框架部件的竖立杆46(套筒、Z柱塞)可移动地并入滑架47中。在竖立杆46的底部处，提供探针头48。

探针头48可沿方向X、Y以及Z移动至坐标测量机40的测量体积中的任意期望点。测量体积由基座41和其他框架部件(具体由滑架46的移动范围)来限定。三个空间方向X、Y以及Z优选地彼此正交，但对于本实用新型这不是必须的。应注意，未示出用于驱动框架部件且由此用于驱动探针头48的驱动机构和控制器。

待测量对象50被定位在基座41上的测量体积的空间中。

上面设置根据本实用新型具有触针的光学探针49的探针头48被紧固在杆46的下自由端上。触针以本身已知的方式用于测量待测量对象50。然而，本实用新型不限于具有这种探针的坐标测量机，而是可以同样地可与具有另选光学传感器(例如，不具有触针)的坐标测量机一起应用。更普遍地，探针头48可以被设计为设置接触探针(例如，扫描或触摸触发探针)或非接触探针(具体为光学电容或电感探针或铰接探针)。

可移动构件与引导之间的最常见类型的轴承中的两个是空气轴承或球轴承(例如，线性循环加轨道)。空气轴承给出在移动中没有摩擦的优点(这可能引入不同种类的误差，像角误差或滞后)。空气轴承的缺点在于劲度低于球轴承中，使得特别动态的误差可能发生。在球轴承类型中，轴承系统中的劲度通常更高，但存在摩擦，并且摩擦力可能引入误差。然而，本实用新型可以应用于这两种类型的轴承。

总之，坐标测量机40被建立为确定待测量对象50上测量点的三空间坐标，因此包括三个线性驱动机构，这三个线性驱动机构用于提供探针头48和光学探针49在第一方向、第二方向以及第三方向(X、Y以及Z方向)上相对于基座41的移动性，具体为提供另外的旋转自由度的机器部件(例如，铰接探针和/或触针)。

各线性驱动机构分别具有线性引导，一个在第一方向上，一个在第二方向上，并且一个在第三方向上(X、Y以及Z方向)。在简单实施方式中，X方向驱动机构的线性引导由基座41的两个边缘建立表面形成，Y方向驱动机构的线性引导由桥的两个或三个表面形成，并且Z方向驱动机构的线性引导由Y滑架构件中的立方体孔形成。

此外，各线性驱动机构包括由轴承支撑为沿着引导移动的可移动构件。具体地， X方向驱动机构的可移动构件被具体实施为X滑架，该X滑架具有关于上面提及的、基座41的两个引导表面互相面向的表面。Y方向驱动机构的可移动构件被具体实施为Y滑架47，该Y滑架具有关于上面提及的、桥的两个或三个引导表面互相面向的表面。并且，Z方向驱动机构的可移动构件由Z柱46(套筒)形成，该Z柱具有相对于Y滑架中的立方体孔的内表面互相面向的表面。

而且，各线性驱动机构包括线性测量仪器，线性测量仪器用于分别确定各可移动构件分别在第一方向、第二方向或第三方向(X、Y以及Z方向)上的第一驱动位置、第二驱动位置或第三驱动位置。

在图4的该示例性实施方式中，门腿各具有允许第一框架部件42沿X方向移动的可移动X滑架。

量尺可以为X测量仪器的一部分，并且被示意性表示在基座41的长侧上，其中，量尺与X方向平行地延伸。量尺可以为例如具有增量或绝对编码的玻璃量尺，凭借该量尺，可以确定在X滑架的X方向上的驱动位置。要理解，测量仪器此外可以包含用于读取量表的合适传感器，但为了简单起见，这里不表示这些传感器。然而，应指出，本实用新型不限于玻璃量尺的使用，因此还可以与用于记录驱动机构的可移动构件的驱动/行进位置的其他测量仪器一起使用。

另一个量尺与Y方向平行地设置在第一框架部件42的桥接部上。最后，另一个量表也与Z方向平行地设置在Z柱塞46上。借助于作为线性测量仪器一部分的量尺，在计量学上可以以本身已知的方式记录第二框架构件在Y方向的目前驱动位置和套筒在Z方向上的位置。

在所示的实施方式中，基座41包括具有用于支撑待测量对象50的花岗岩面板的台，在该台上，预期确定测量点的空间坐标。待测量对象还可以被置于转台(未示出)，转台转而被置于基座41上，以促进特定几何结构(具体为圆柱对称的几何结构)的测量。

未示出控制和处理单元，该控制和处理单元被设计为致动坐标测量机40的马达驱动器，使得探针头48行进到测量点。控制和处理单元包括处理器和存储器。具体地，控制和处理单元被设计为将对象50上的测量点的三空间坐标确定为三个驱动机构的至少第一驱动位置、第二驱动位置以及第三驱动位置的函数。

对于手动操作，控制单元可以连接到用户控制台。还可以使控制单元完全自动地接近并测量待测量对象50的测量点。

因为泛型坐标测量机的设计以及不同线性引导和不同线性测量仪器的设计为技术人员公知，所以必须理解，可以进行不同特征的大量修改和组合。所有这些修改位于本实用新型的范围内。

由此，本实用新型通常可以与所有类型的坐标测量机一起使用(即，与被设计为并行动力学机器的CMM一起使用而且与具有线性、旋转或串联动力学的CMM一起使用)。示例性地，CMM可以被设计为桥型、L桥型、水平臂型、悬臂型或门架型机器，或者可以被设计为铰接臂。CMM可以被集成到机床中或集成到生产线中。此外，在具有本实用新型的环境中的CMM还可以被理解为用于精确定位和/或精确组装工件或工具和/或用于应用材料(例如，喷射或打印油漆或其他材料)的系统。这种系统被设计为提供由各系统的结构限定的工作体积内的移动和位置测量，并且限定坐标系，在该坐标系内，提供系统部件高精度的定位。具体地，这种系统提供工件或工具相对于另外工件的高准确度搬运和放置。比如，可以基于根据本实用新型的动态模型的执行来操作并控制提供精确定位和/或测量能力的机器人。

而且，根据本实用新型，控制和处理单元包括用于用光学探针49控制测量的功能。探针49包括光学开关，该光学开关被提供为根据所示测量(发射)轴线中的一个轴线引导测量光(即，可以通过使用内部开关将发射方向随着各测量条件的变化来改变)。

具有复杂表面几何结构的工件51的测量也可以由用图5示出的实施方式来简化并加速。在叶片、叶盘、齿轮或压缩机螺杆的情况下，例如，曲面难以用方位必须被调节为追踪表面几何结构的单个触觉或光学探针测量。这种(示意性示出的)对象 51的光学测量可以通过如所示的使用两个束被定向为大致垂直于对象51的侧面的触针60、60’来显著简化。例如，如果侧面成60°角，那么以30°角离开触针60、60’的两个相对束可以用于在沿着对象51的表面(例如，与表面层平行)移动触针60、60’的同时用一个束扫描一个侧面，然后用另一个束扫描相对侧面。具有沿着触针60、 60’的轴出射的第三束的实施方式可以用于测量在侧面之间的平坦部以及分离侧面的脊。

明显的是，这些所例示的附图仅示意性例示了可能的示例性实施方式。根据本实用新型的各种方法还可以与彼此组合，并且与现有技术中用于到对象的距离测量的装置且与具有讨论中的类型的测量装置(具体为坐标测量机)组合。

Claims (34)

1.一种用于测量装置的光学传感器(1、1’)，其特征在于，该光学传感器用于借助于测量辐射的发射和在待测量对象上反射的测量辐射的捕获进行距离测量，所述光学传感器(1、1’)具有：

·光学机械耦合单元，该光学机械耦合单元适于提供所述光学传感器(1、1’)到所述测量装置的自动耦合，并且适于提供测量辐射在所述测量装置与所述光学传感器(1、1’)之间的双向传输；和

·第一光学测量通道，借助于该第一光学测量通道，能够提供测量辐射在所述测量装置与所述光学传感器(1、1’)的第一出射窗(21a)之间的所述双向传输，

其中，所述光学传感器(1、1’)还包括：

·第二光学测量通道，借助于该第二光学测量通道，能够提供测量辐射在所述测量装置与所述光学传感器(1、1’)的第二出射窗(21b)之间的双向传输；和

·开关(10、10’)，该开关用于进行对测量辐射的所述传输的提供的受控改变，所述改变至少能够在所述第一光学测量通道或所述第二光学测量通道之间提供，

其中，所述第一光学测量通道和所述第二光学测量通道以及所述开关(10、10’)被设置且构造成使得：

·通过切换所述开关(10、10’)，在测量辐射穿过所述第一光学测量通道的所述传输和测量辐射通过所述第二光学测量通道的所述传输之间发生改变，以及

·测量辐射的所述传输在每个情况下仅经由所述第一光学测量通道或仅经由所述第二光学测量通道来提供。

2.根据权利要求1所述的光学传感器(1、1’)，其特征在于，所述光学传感器(1、1’)用于坐标测量机。

3.根据权利要求1所述的光学传感器(1、1’)，其特征在于，

·所述第一出射窗(21a)具有第一光学单元，该第一光学单元用于测量束成型并且用于检测所述反射的测量辐射，以及

·所述第二出射窗(21b)具有第二光学单元，该第二光学单元用于测量束成型并且用于检测所述反射的测量辐射。

4.根据权利要求3所述的光学传感器(1、1’)，其特征在于，所述第一光学单元和所述第二光学单元关于其光学特性不同。

5.根据权利要求4所述的光学传感器(1、1’)，其特征在于，所述光学特性为聚焦。

6.根据权利要求1所述的光学传感器(1、1’)，其特征在于，

·所述第一出射窗(21a)限定用于所述测量辐射的第一发射轴线(22a)，以及

·所述第二出射窗(21b)限定用于所述测量辐射的第二发射轴线(22b)，

其中，所述第一发射轴线(22a)不同于所述第二发射轴线(22b)。

7.根据权利要求6所述的光学传感器(1、1’)，其特征在于，

所述第一发射轴线(22a)和所述第二发射轴线(22b)成限定角度或被设置为彼此正交。

8.根据权利要求1所述的光学传感器(1、1’)，其特征在于，

至少所述第一光学测量通道具有第一光纤(13a-d、23a-d、33a、33b)，并且所述测量辐射能够借助于所述第一光纤(13a-d、23a-d、33a、33b)来引导。

9.根据权利要求8所述的光学传感器(1、1’)，其特征在于，至少所述第一光学测量通道大致完全由所述第一光纤或多个光纤(13a-d、23a-d、33a、33b)形成。

10.根据权利要求8所述的光学传感器(1、1’)，其特征在于，所述光学传感器(1、1’)包括位于至少一个光纤上的包层过滤器。

11.根据权利要求1所述的光学传感器(1、1’)，其特征在于，

所述第二光学测量通道具有第二光纤(13a-d、23a-d、33a、33b)，并且所述测量辐射能够借助于所述第二光纤(13a-d、23a-d、33a、33b)来引导。

12.根据权利要求1所述的光学传感器(1、1’)，其特征在于，

所述开关(10、10’)被构造成光学开关或光纤耦合光学开关。

13.根据权利要求12所述的光学传感器(1、1’)，其特征在于，

所述开关(10、10’)被构造成电子光学或声光开关或基于MEMS技术的开关。

14.根据权利要求13所述的光学传感器(1、1’)，其特征在于，所述开关(10、10’)被构造成闩锁开关或阻断开关。

15.根据权利要求1所述的光学传感器(1、1’)，其特征在于，

所述开关(10、10’)具有单个输入(11)，该单个输入用于耦合在所述测量辐射中；和两个或更多个输出(12)，该两个或更多个输出用于解耦合并交替地为所述第一光学测量通道或第二光学测量通道和/或交替地为所述第一光学测量通道、所述第二光学测量通道或至少一个另外的光学测量通道提供所述测量辐射。

16.根据权利要求1所述的光学传感器(1、1’)，其特征在于，

所述光学传感器(1、1’)包括至少一个触针(20、20’、30)，其中，所述第一出射窗(21a)和所述第二出射窗(21b)被设置为在所述触针(20、20’、30)上具有束成型光学单元，并且所述第一光学测量通道和所述第二光学测量通道至少部分在所述触针(20、20’、30)内部被形成为光纤(23a-d、33a、33b)。

17.根据权利要求16所述的光学传感器(1、1’)，其特征在于，

所述触针包括三个出射窗、四个出射窗或五个出射窗，其中，各出射窗限定用于发射所述测量辐射的发射轴线。

18.根据权利要求17所述的光学传感器(1、1’)，其特征在于，

所述发射轴线中的至少两个发射轴线被设置为平行或同轴，并且被设置为与所述发射轴线中的至少另外的发射轴线正交。

19.根据权利要求17所述的光学传感器(1、1’)，其特征在于，

所述触针被实现为星形触针，其中，各发射轴线关于所述发射轴线中的至少另外两个发射轴线正交设置。

20.根据权利要求17所述的光学传感器(1、1’)，其特征在于，所述发射轴线在一个平面中，并且所述发射轴线之间成限定角度或被设置为平行。

21.根据权利要求1所述的光学传感器(1、1’)，其特征在于，

所述光学传感器(1、1’)包括至少第一触针和第二触针(20、20’、30)，其中，所述第一出射窗(21a)被设置为在所述第一触针(20、20’、30)上具有束成型光学单元，并且所述第二出射窗(21b)被设置为在所述第二触针(20、20’、30)上具有束成型光学单元。

22.根据权利要求21所述的光学传感器(1、1’)，其特征在于，

所述第一光学测量通道至少部分在所述第一触针(20、20’、30)内部形成为光纤(23a-d、33a、33b)，并且所述第二光学测量通道至少部分在所述第二触针(20、20’、30)内部形成为光纤(23a-d、33a、33b)。

23.根据权利要求1所述的光学传感器(1、1’)，其特征在于，

所述光学传感器(1、1’)包括用于测量点的接触测量的能够模块化去除的触觉测量元件(17)。

24.根据权利要求23所述的光学传感器(1、1’)，其特征在于，所述触觉测量元件(17)为能够受控枢转的触觉测量元件(17)。

25.根据权利要求23所述的光学传感器(1、1’)，其特征在于，

所述触觉测量元件被实现为触觉触摸触发探针或被实现为触觉扫描探针。

26.根据权利要求23所述的光学传感器(1、1’)，其特征在于，

所述触觉测量元件包括：

·至少两个触觉探针，该至少两个触觉探针中的每个触觉探针具有触针，和/或

·星形触觉触针，该星形触觉触针限定至少四个触觉测量方向。

27.根据权利要求1所述的光学传感器(1、1’)，其特征在于，

所述光学传感器(1、1’)具有上面能够存储已限定的传感器设置的有源或无源存储器(25、25’)，并且所述存储器(25、25’)具有能够检索的传感器数据，该传感器数据提供关于所述光学传感器(1、1’)的光学和/或机械特性的信息。

28.根据权利要求1所述的光学传感器(1、1’)，其特征在于，

所述光学传感器包括探针头，该探针头提供所述光学传感器围绕至少一个旋转轴线的旋转。

29.根据权利要求16所述的光学传感器(1、1’)，其特征在于，

所述光学传感器包括探针头，该探针头提供

·所述光学传感器和/或

·所述触针

围绕至少一个旋转轴线的旋转。

30.根据权利要求23所述的光学传感器(1、1’)，其特征在于，

所述光学传感器包括探针头，该探针头提供

·所述光学传感器和/或

·所述触觉测量元件

围绕至少一个旋转轴线的旋转。

31.一种测量系统，其特征在于，该测量系统包括：

·根据权利要求1所述的光学传感器(1、1’)；和

·测量装置，该测量装置具有：

距离测量单元，该距离测量单元根据干涉测量原理进行测量，用于测量对象上的测量点；

辐射源，该辐射源用于发射测量辐射；

检测器，该检测器用于至少检测在所述对象上反射的测量辐射；

所述测量装置侧上的耦合单元，其中，所述光学传感器(1、1’)能够借助于其耦合单元耦合到所述测量装置侧上的所述耦合单元，以提供测量装置与光学传感器之间的双向测量辐射传输；

控制单元，

其中，

所述控制单元功能地连接到所述光学传感器(1、1’)的所述开关(10、10’)，并且具有切换功能，在执行该切换功能时，切换所述光学传感器(1、1’)的所述开关(10、10’)，使得

·在所述第一光学测量通道与所述第二光学测量通道之间改变测量辐射的所述传输，并且

·由此在每个情况下仅经由所述第一光学测量通道或仅经由所述第二光学测量通道来提供测量辐射的所述传输。

32.根据权利要求31所述的测量系统，其特征在于，所述辐射源为激光二极管。

33.根据权利要求31所述的测量系统，其特征在于，

所述切换功能被配置为使得在执行该功能时，经由所述第一光学测量通道或经由所述第二光学测量通道进行的测量辐射的所述传输的所述提供能够在测量过程期间按照根据要测量的所述对象表面的当前法线方向进行控制的方式而改变。

34.根据权利要求31所述的测量系统，其特征在于，

所述测量装置被实现为坐标测量机。