DE102021109449A1

DE102021109449A1 - System mit rotierendem chromatischem entfernungssensor mit kalibrierungsobjekt und -verfahren

Info

Publication number: DE102021109449A1
Application number: DE102021109449.6A
Authority: DE
Inventors: Joseph Daniel Tobiason
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2020-04-28
Filing date: 2021-04-15
Publication date: 2021-10-28
Also published as: US20210333093A1; CN113566699A; US11187521B2; CN113566699B

Abstract

Eine Kalibrierungskonfiguration für eine optische Sonde mit chromatischem Entfernungssensor (CRS) einer Koordinatenmessmaschine (CMM) enthält ein Kalibrierungsobjekt. Das Kalibrierungsobjekt enthält mindestens eine erste nominell zylindrische Kalibrierungsfläche mit einer Mittelachse, die sich entlang einer Z-Richtung erstreckt, die ungefähr parallel zu einer Rotationsachse der optischen CRS-Sonde ausgerichtet sein soll. Die erste nominell zylindrische Kalibrierungsfläche ist in einem bekannten ersten Radius R1 von der Mittelachse angeordnet, der sich entlang der Z-Richtung erstreckt. Ein erster Satz von Winkelreferenzmerkmalen ist auf oder in der ersten nominell zylindrischen Kalibrierungsfläche gebildet. Die Winkelreferenzmerkmale sind so konfiguriert, dass sie durch den Radialabstandserfassungsstrahl erfasst werden, und befinden sich in bekannten Winkeln oder bekannten Winkelabständen um die Mittelachse voneinander auf oder in der ersten nominell zylindrischen Kalibrierungsfläche.

Description

STAND DER TECHNIK
Technisches Gebiet
Die Offenbarung betrifft im Allgemeinen Präzisionsmessinstrumente und insbesondere optische Sonden mit chromatischem Entfernungssensor, wie sie mit Koordinatenmessmaschinen (coordinate measurement machines, CMMs) zum Bestimmen von Messungen von Werkstücken verwendet werden können.
Beschreibung der verwandten Technik
Bei einem Typ einer Koordinatenmessmaschine wird die Oberfläche eines Werkstücks mit einer Sonde abgetastet. Nach dem Scannen wird ein dreidimensionales Profil des Werkstücks bereitgestellt. Bei einem Typ einer Abtastsonde wird das Werkstück direkt gemessen, indem ein mechanischer Kontakt der Sonde mit verschiedenen Punkten entlang der Werkstückoberfläche in Berührung gebracht wird. In einigen Fällen ist der mechanische Kontakt eine Kugel.
Bei anderen Koordinatenmessmaschinen wird eine optische Sonde verwendet, die das Werkstück misst, ohne physischen Kontakt mit der Oberfläche herzustellen. Bestimmte optische Sonden (z. B. Triangulationssonden) verwenden Licht zum Messen von Werkstückoberflächenpunkten, und einige optische Sonden umfassen Videokameras, mit denen 2D-Abschnitte der Werkstückoberfläche abgebildet werden (z. B. Stereovisionssysteme oder Streifenlichtsysteme). In einigen Systemen werden die Koordinaten der geometrischen Elemente des Werkstücks über eine Bildverarbeitungssoftware bestimmt.
Bestimmte „kombinierte“ Koordinatenmessmaschinen, die sowohl optische als auch mechanische Messsensoren verwenden, sind ebenfalls bekannt. Eine derartige Vorrichtung ist im US-Patent Nr. 4,908,951 beschrieben, auf das hiermit in seiner Gesamtheit Bezug genommen wird. Die beschriebene Vorrichtung weist zwei Spindeln auf- eine, die die mechanische Sonde trägt, und eine, die eine Videokamera mit einem Strahlengang hält, in den gleichzeitig eine Lasersonde reflektiert wird, um Messungen in der Z-Koordinate, d. h. entlang der optischen Achse der Videokamera, durchzuführen.
Das US-Patent Nr. 5,825,666 , auf das hiermit in seiner Gesamtheit Bezug genommen wird, beschreibt eine optische Koordinatenmessmaschine, bei der eine optische Berührungssonde der Vorrichtung an ihrem distalen Ende ein erstes Ziel auf dem Kontaktelement einer Standardsonde aufweist. Die Standardsonde ist an einer Videokamera montiert, um das Ziel auf der Kamera abzubilden. Die Bewegung und Position des Ziels in den X- und Y-Koordinaten wird durch das Computerbildverarbeitungssystem der Maschine angegeben. Ein zweites Ziel ist am proximalen Ende der Sonde montiert und gibt Bewegung und Position in der Z-Koordinate an. Das zweite Ziel kann einen Fotodetektor verdecken, kann jedoch durch einen Lichtstrahl parallel zur X-, Y-Ebene auf der Kamera fokussiert werden. Es können zwei zweite Ziele vorhanden sein, die durch orthogonale Strahlen parallel zur X-, Y-Ebene beleuchtet werden. Die Drehung um die Z-Achse kann dann durch den Computer berechnet werden, wenn Sternsonden verwendet werden. Automatisch wechselnde Gestelle sind auch zum Halten mehrerer Sonden, eines Sondenhalters, und von Linsen zum selektiven Montieren an der Kamera offenbart.
Optische Sonden und/oder Koordinatenmessmaschinen können auch rotierende Elemente enthalten, um beispielsweise einen optischen Stift einer optischen Sonde in Bezug auf eine Achse zu drehen. Zusätzlich können Optikelemente reflektierende Elemente enthalten, die in den Pfad eines Quellstrahls eingebracht sind und Messstrahlen in eine andere Richtung als den Quellstrahl richten.
Ein verwandtes Problem beinhaltet Fehler bei Messungen, die durch eine Koordinatenmessmaschine unter Verwendung eines rotierenden optischen Stifts durchgeführt werden, wie z. B. Radius, Azimutwinkel, Z-Abstandsfehler, die nichtlineare Komponenten aufweisen können. Herkömmlicherweise kann eine Kalibrierung unter Verwendung eines Interferometers durchgeführt werden, um derartige Fehler zu beheben. Das genaue Durchführen der Kalibrierung unter Verwendung eines Interferometers ist jedoch schwierig, insbesondere bei rotierenden Sonden. Darüber hinaus kann es schwierig sein, eine derartige Kalibrierung an einem Messort wie einer Produktionsanlage durchzuführen.
Eine Konfiguration und ein Verfahren zum Kalibrieren einer optischen Sonde für einen chromatischen Entfernungssensor, wie sie mit einer Koordinatenmessmaschine gekoppelt ist, die Verbesserungen in Bezug auf derartige Probleme bereitstellt, wären wünschenswert.
KURZDARSTELLUNG
Diese Kurzdarstellung wird bereitgestellt, um eine Auswahl von Konzepten in vereinfachter Form einzuführen, die nachstehend in der detaillierten Beschreibung weiter beschrieben werden. Diese Zusammenfassung soll weder Schlüsselmerkmale des beanspruchten Gegenstands identifizieren noch als Hilfe beim Bestimmen des Umfangs des beanspruchten Gegenstands dienen.
Es wird ein Verfahren zum Bereitstellen von Kalibrierungsdaten zum Korrigieren von Ausrichtungsfehlern für eine Konfiguration mit rotierendem chromatischem Entfernungssensor bereitgestellt. Die Konfiguration mit rotierendem chromatischem Entfernungssensor ist dazu konfiguriert, einen Radialabstandserfassungsstrahl entlang einer radialen Richtung relativ zu einer Rotationsachse zu richten und den Radialabstandserfassungsstrahl um die Rotationsachse zu drehen. Es wird ein Kalibrierungsobjekt bereitgestellt, das mindestens eine erste nominell zylindrische Kalibrierungsfläche mit einer Mittelachse aufweist, die sich entlang einer Z-Richtung erstreckt, die ungefähr parallel zur Rotationsachse ausgerichtet sein soll. Die erste nominell zylindrische Kalibrierungsfläche ist mit einem bekannten ersten Radius R1 von der Mittelachse angeordnet, die sich entlang der Z-Richtung erstreckt und einen ersten Satz von Winkelreferenzmerkmalen enthält, die auf oder in der ersten nominell zylindrischen Kalibrierungsfläche gebildet sind. Die Winkelreferenzmerkmale sind so konfiguriert, dass sie durch den Radialabstandserfassungsstrahl erfasst werden, und befinden sich in bekannten Winkeln oder bekannten Winkelabständen um die Mittelachse voneinander auf oder in der ersten nominell zylindrischen Kalibrierungsfläche. Das Kalibrierungsobjekt ist in einer Beziehung relativ zur Konfiguration mit rotierendem chromatischem Entfernungssensor angeordnet. Die Richtung der Rotationsachse und die Richtung der Mittelachse stehen in einer nominell festen Winkelbeziehung relativ zueinander und sind innerhalb von 5 Grad parallel zueinander.
Die Konfiguration mit rotierendem chromatischem Entfernungssensor wird betrieben, um einen ersten Satz von Radialabstandsdaten bereitzustellen, die erfasst werden, während der Radialabstandserfassungsstrahl um die Rotationsachse an einer ersten Z-Koordinate entlang der Z-Richtung relativ zum Kalibrierungsobjekt gedreht wird, wobei die Radialabstandsdaten auf einen erfassten Drehwinkel des Radialabstandserfassungsstrahls um die Rotationsachse referenziert sind. Der erste Satz von Radialabstandsdaten, die auf den erfassten Drehwinkel referenziert sind, wird verarbeitet, um die Kalibrierungsdaten zu bestimmen. Die Kalibrierungsdaten sind dazu konfiguriert, zum Charakterisieren oder Kompensieren von Radialabstandsmessfehlern in Abhängigkeit vom erfassten Drehwinkel des Radialabstandserfassungsstrahls um die Rotationsachse verwendbar zu sein.
In einigen Implementierungen wird ein System bereitgestellt, das eine Koordinatenmessmaschine (CMM), eine optische Sonde mit chromatischem Entfernungssensor (chromatic range sensor, CRS) und ein Kalibrierungsobjekt enthält. Die CMM enthält eine Lichterzeugungsschaltung, eine Wellenlängendetektionsschaltung und eine CMM-Steuerschaltung. Die optische CRS-Sonde ist dazu konfiguriert, mit der CMM gekoppelt zu werden, und enthält einen optischen Stift mit einem konfokalen optischen Pfad, der mindestens eine konfokale Apertur und einen chromatisch dispersiven Optikabschnitt enthält. Der optische Stift ist dazu konfiguriert, einen Radialabstandserfassungsstrahl entlang einer radialen Richtung relativ zu einer Rotationsachse zu richten, den Radialabstandserfassungsstrahl um die Rotationsachse zu drehen und verschiedene Wellenlängen in unterschiedlichen Abständen entlang einer Messachse nahe einer zu messenden Werkstückoberfläche zu fokussieren. Das Kalibrierungsobjekt dient zum Bereitstellen von Kalibrierungsdaten zum Korrigieren von Ausrichtungsfehlern der optischen CRS-Sonde.
Figurenliste
Die vorstehenden Aspekte und viele der damit verbundenen Vorteile dieser Erfindung werden leichter zu erkennen sein, wenn diese unter Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen besser verstanden werden, wobei:

1 ein Blockdiagramm eines beispielhaften Systems mit chromatischem Entfernungssensor (CRS) mit einem optischen Stift ist;
2 ein Blockdiagramm eines Koordinatenmesssystems mit einer Koordinatenmessmaschine, einer optischen CRS-Sonde mit einem optischen Stift, Steuerungen und einer Benutzerschnittstelle ist;
3A und 3B Diagramme sind, die die internen Komponenten eines ersten Ausführungsbeispiels der optischen CRS-Sonde von 2 veranschaulichen;
4A und 4B Diagramme sind, die die Komponenten des optischen Stifts mit der wiederholgenauen Schnellwechselhalterung und dem austauschbaren Optikelement von 3A und 3B veranschaulichen;
5 ein Blockdiagramm ist, das die Komponenten der Sondensteuerung von 2 veranschaulicht;
6 ein Diagramm ist, das die Komponenten eines Ausführungsbeispiels eines optischen Stifts veranschaulicht, der einen drehbaren Abschnitt zum Drehen eines austauschbaren Optikelements und einen Codierer zum Messen und Melden von Positionsinformationen enthält;
7A bis 7C Querschnittsdiagramme sind, die beispielhafte Kalibrierungskomponenten des optischen Stifts von 6 veranschaulichen;
8A bis 8C Konzeptionsdiagramme sind, die beispielhafte Fehlausrichtungen veranschaulichen, die zu Messfehlern führen können, wenn ein rotierender optischer Stift verwendet wird, um Messungen durchzuführen, und Parameter, die berücksichtigt werden können, um derartige Fehler zu kompensieren;
9A bis 9D ein Ausführungsbeispiel eines Kalibrierungsobjekts veranschaulichen, das die Form einer Ringlehre aufweist;
10 ein Ausführungsbeispiel eines Kalibrierungsobjekts veranschaulicht, das die Form einer abgestuften Ringlehre aufweist;
11A bis 11C Querschnitts- und Konzeptionsdiagramme sind, die ein anderes Ausführungsbeispiel eines Kalibrierungsobjekts veranschaulichen, das die Form einer abgestuften Ringlehre aufweist;
12A bis 12C Ausführungsbeispiele eines Kalibrierungsobjekts veranschaulichen, das die Form eines oder mehrerer Präzisionsglasrohre aufweist;
13A bis 13E Ausführungsbeispiele eines Kalibrierungsobjekts veranschaulichen, das die Form mehrerer ineinander gesteckter Präzisionsmetallrohre aufweist;
14 eine grafische Darstellung eines Beispielsatzes gemessener Radialdaten ist, die einem optischen Stift zugeordnet sind;
15 eine grafische Darstellung einer korrigierten Steigung und eines korrigierten Versatzes ist, die basierend auf dem Beispielsatz gemessener Radialabstandsdaten von 14 bestimmt wurden;
16 ein Konzeptionsdiagramm ist, das eine Ausführungsform des Erhaltens von Radialabstandsdaten bei mehreren Messabständen und mehreren Versätzen der Rotationsachse eines optischen Stifts in Bezug auf eine Mittelachse eines Kalibrierungsobjekts veranschaulicht; und
17 ein Flussdiagramm ist, das ein Ausführungsbeispiel einer Routine zum Kalibrieren einer Konfiguration mit rotierendem chromatischem Entfernungssensor einer CMM veranschaulicht.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
1 ist ein Blockdiagramm eines beispielhaften chromatischen Entfernungssensor-(CRS)-Systems 100 eines ersten Typs, das auf Funktionsprinzipien basiert, deren Einsatz in Verbindung mit einer Koordinatenmessmaschine wünschenswert ist. Das CRS-System 100 weist bestimmte Ähnlichkeiten mit Systemen auf, die in den US-Patenten Nr. 7,876,456 und 7,990,522 (den Patenten '456 bzw. '522) beschrieben sind, auf die hiermit in ihrer Gesamtheit Bezug genommen wird. Wie in 1 gezeigt, enthält das CRS-System 100 ein optisches Element 120 und einen Elektronikabschnitt 160. Es versteht sich, dass das in 1 gezeigte CRS-System 100 ein chromatisches Punktsensorsystem ist, das in einigen Fällen jeweils einen einzelnen Messpunkt messen kann. Das in 1 gezeigte optische Element 120 ist ein optischer Stift. In verschiedenen Ausführungsformen können jedoch alternative Typen von chromatischen Entfernungssystemen, wie beispielsweise ein chromatischer Liniensensor, verwendet werden.
Der optische Stift 120 enthält einen faseroptischen Verbinder 109, ein Gehäuse 131 (z. B. ein Montagerohr) und einen Optikabschnitt 150. Der faseroptische Verbinder 109 ist am Ende des Gehäuses 131 angebracht. In verschiedenen Implementierungen kann der faseroptische Verbinder 109 in einem Winkel relativ zum Gehäuse 131 orientiert sein. Der faseroptische Verbinder 109 nimmt eine optische Eingangs-/Ausgangs-Faser (nicht im Detail gezeigt) über ein faseroptisches Kabel 112, das sie umgibt, auf. Die optische Eingangs-/Ausgangs-Faser gibt Quelllicht durch eine Faserapertur 195 aus und empfängt reflektiertes Messsignallicht durch die Faserapertur 195.
Im Betrieb wird breitbandiges (z. B. weißes) Quelllicht, das vom Faserende durch die Faserapertur 195 emittiert wird, durch den Optikabschnitt 150 fokussiert, der eine oder mehrere Linsen enthält, die eine axiale chromatische Dispersion bereitstellen, derart, dass sich der Brennpunkt entlang der optischen Achse OA in Abhängigkeit von der Wellenlänge des Lichts in unterschiedlichen Abständen befindet, wie dies bei chromatischen konfokalen Sensorsystemen bekannt ist. Das Quelllicht bildet einen Messstrahl 196, der eine Wellenlänge enthält, die auf eine Werkstückoberfläche 190 in einer Position Z relativ zu dem optischen Stift 120 fokussiert ist. Bei Reflexion von der Werkstückoberfläche 190 wird reflektiertes Licht durch den Optikabschnitt 150 auf die Faserapertur 195 neu fokussiert. Das funktionale Quelllicht und das reflektierte Licht werden durch die Begrenzungslichtstrahlen LR1 und LR2 begrenzt. Aufgrund der axialen chromatischen Dispersion hat nur eine Wellenlänge eine vordere Fokusdimension FF, die dem Messabstand vom optischen Stift 120 zur Oberfläche 190 entspricht. Der optische Stift ist derart konfiguriert, dass die Wellenlänge, die am besten auf der Oberfläche 190 fokussiert ist, auch die Wellenlänge des reflektierten Lichts ist, das am besten auf der Faserapertur 195 fokussiert ist. Die Faserapertur 195 filtert das reflektierte Licht räumlich derart, dass vorwiegend die am besten fokussierte Wellenlänge durch die Faserapertur 195 und in den Kern des faseroptischen Kabels 112 gelangt. Wie nachstehend und in den enthaltenen Referenzen ausführlicher beschrieben, leitet das faseroptische Kabel 112 das reflektierte Signallicht zu einem Wellenlängendetektor 162, der zum Bestimmen der Wellenlänge mit der dominanten Intensität verwendet wird, die dem Messabstand zur Werkstückoberfläche 190 entspricht.
1 veranschaulicht auch schematisch ein optionales reflektierendes Element 155 in gestrichelter Kontur. Wie in der US-Patentveröffentlichung Nr. 20120050723 ausführlicher beschrieben, auf die hiermit in ihrer Gesamtheit Bezug genommen wird, kann ein reflektierendes Element in den Pfad des Quellenstrahls SB eingebracht werden. In einer derartigen Implementierung kann das reflektierende Element, anstatt dass die Messachse MA koaxial zur optischen Achse OA ist, den Messstrahl 196' entlang einer Messachse MA' in eine andere Richtung (z. B. orthogonal zur optischen Achse) richten, wie dies für einige Messanwendungen erforderlich ist. Eine derartige orthogonale Orientierung wird in den Ausführungsformen verwendet, die in anderen Figuren hierin veranschaulicht sind, wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird.
Der Elektronikabschnitt 160 enthält einen Faserkoppler 161, den Wellenlängendetektor 162, eine Lichtquelle 164, einen Signalprozessor 166 und einen Speicherabschnitt 168. In verschiedenen Ausführungsformen enthält der Wellenlängendetektor 162 ein Spektrometer oder eine Spektrografenanordnung, wobei ein dispersiver Optikabschnitt (z. B. ein Gitter) das reflektierte Licht durch das faseroptische Kabel 112 empfängt und das resultierende spektrale Intensitätsprofil an ein Detektorarray 163 überträgt. Der Wellenlängendetektor 162 kann auch eine verwandte Signalverarbeitung (z. B. in einigen Ausführungsformen durch den Signalprozessor 166 bereitgestellt) enthalten, die bestimmte detektorbezogene Fehlerkomponenten aus den Profildaten entfernt oder kompensiert. Somit können bestimmte Aspekte des Wellenlängendetektors 162 und des Signalprozessors 166 in einigen Ausführungsformen zusammengeführt und/oder nicht unterscheidbar sein.
Die Weißlichtquelle 164, die durch den Signalprozessor 166 gesteuert wird, ist über den optischen Koppler 161 (z. B. einen optischen 2×1-Koppler) mit dem Faserkabel 112 verbunden. Wie vorstehend beschrieben, wandert das Licht durch den optischen Stift 120, der eine chromatische Aberration in Längsrichtung erzeugt, sodass sich seine Brennweite mit der Wellenlänge des Lichts verändert. Die Wellenlänge des Lichts, das am effizientesten durch die Faser zurück übertragen wird, ist die Wellenlänge, die in der Position Z auf der Oberfläche 190 fokussiert ist. Die reflektierte wellenlängenabhängige Lichtintensität gelangt dann wieder durch den Faserkoppler 161, sodass ungefähr 50 % des Lichts auf den Wellenlängendetektor 162 gerichtet werden, der ein spektrales Intensitätsprofil empfangen kann, das über eine Anordnung von Pixeln entlang einer Messachse der Detektoranordnung 163 verteilt ist, und bewirkt, dass entsprechende Profildaten bereitgestellt werden, wie in den enthaltenen Referenzen ausführlicher beschrieben. Kurz gesagt, wird eine Abstandsangabekoordinate mit Subpixelauflösung der Profildaten (z. B. eine Spitzenpositionskoordinate) durch den Signalprozessor 166 berechnet, und die Abstandsangabekoordinate, die der Wellenlängenspitze entspricht, bestimmt den Messabstand zur Oberfläche über eine Abstandskalibrierungsnachschlagetabelle, die in dem Speicherabschnitt 168 gespeichert ist. Die Abstandsangabekoordinate kann durch verschiedene Verfahren bestimmt werden, beispielsweise durch Bestimmen des Schwerpunkts der Profildaten, die in einer Spitzenregion der Profildaten enthalten sind. Wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird, können in einem rotierenden System wie dem hier beschriebenen Kalibrierungsdaten (z. B. wie im Speicherabschnitt 168 oder auf andere Weise gespeichert) auch dazu verwendet werden, Messabstände anzugeben oder einzustellen, die mindestens teilweise auf einer Drehwinkelorientierung des optischen Stifts 120 basieren.
Der optische Stift 120 hat im Allgemeinen einen Messbereich R, der durch einen minimalen Entfernungsbereich ZMIN und einen maximalen Entfernungsbereich ZMAX begrenzt ist. Der Messbereich R in einigen Beispielfällen bekannter optischer Stifte kann ungefähr 1/10 des nominalen Abstands oder Arbeitsabstands vom Ende des Stifts betragen (z. B. im Bereich von einigen zehn Mikrometern bis einigen Millimetern). 1 veranschaulicht schematisch, dass, wenn das Reflektorelement 155 verwendet wird, der Messbereich R' entlang einer Messachse MA' gerichtet sein kann, die durch das Platzieren des Reflektorelements 155 (z. B. der x-Achse) bestimmt wird. In einem derartigen Fall kann der Messbereich R' durch den minimalen Entfernungsbereich XMIN und einen maximalen Entfernungsbereich XMAX begrenzt sein.
Es versteht sich, dass sich in einigen Implementierungen der Elektronikabschnitt 160 von dem optischen Stift 120 entfernt befinden kann. Es ist bekannt, einen optischen Stift analog zu dem in 1 gezeigten optischen Stift 120 unter Verwendung eines kundenspezifischen Trägers an eine CMM zu montieren und eine optische Faser analog zu dem faseroptischen Kabel 112 entlang eines provisorischen Pfades an der Außenseite der CMM-Komponenten zu einer entfernt angeordneten Elektronik analog zur Elektronik 160 zu verlegen.
Wie nachstehend in Bezug auf 2, 3A und 3B ausführlicher offenbart, kann eine Gruppe von Komponenten in einigen Ausführungsformen in einem Lichtquellen- und Wellenlängendetektorabschnitt 160A (z. B. einschließlich des Wellenlängendetektors 162 und der Lichtquelle 164) in einer optischen CRS-Sondenanordnung enthalten sein. Falls gewünscht, kann sich eine Gruppe von Komponenten in einer Messsignalverarbeitungs- und Steuerschaltung 160B (z. B. einschließlich des Signalprozessors 166 und des Speicherabschnitts 168) entfernt außerhalb der optischen CRS-Sondenanordnung befinden (z. B. um ein niedriges Sondengewicht und eine kompakte Sondengröße aufrechtzuerhalten).
2 ist ein Diagramm eines Koordinatenmesssystems 200 und eines automatisch anschließbaren und austauschbaren optischen CRS-Sondensystems 215. Das heißt, das optische CRS-Sondensystem 215 kann automatisch gegen andere Typen von CMM-Sonden ausgetauscht werden. Ein optisches CRS-Sondensystem kann hier auch einfach als optische CRS-Sonde bezeichnet werden. In verschiedenen Zeichnungen können sich Referenznummern mit ähnlichen Suffixen (z. B. Referenznummer 1XX und 2XX mit dem Suffix XX), sofern in der Beschreibung oder im Kontext nichts anderes angegeben ist, auf im Allgemeinen analoge Elemente beziehen, derart, dass der Betrieb des Elements 2XX im Allgemeinen von einer Durchschnittsfachkraft mit begrenzter Beschreibung verstanden werden kann, basierend auf einer Analogie zu einer früheren Beschreibung des analogen Elements 1XX, und so weiter. Es versteht sich jedoch, dass trotz einer derartigen Analogie verschiedene Elemente unterschiedliche Implementierungen in unterschiedlichen Ausführungsformen aufweisen können, wie es für eine Durchschnittsfachkraft offensichtlich ist, und nicht darauf beschränkt sind, identisch zu sein.
Das Koordinatenmesssystem 200 enthält eine Koordinatenmessmaschinensteuerung 202, eine Computer- und Benutzerschnittstelle 206, eine Sondensignalverarbeitungs- und -Steuerschaltung 207 und eine Koordinatenmessmaschine 210. Die Steuerung 202 enthält eine Sondenkopfsteuerung 203, eine Positionsverriegelung 204 und eine Bewegungssteuerung 205. Die optische CRS-Sonde 215 enthält ein Wechsel-Autoaufnahmeelement 236 und ist mit der Koordinatenmessmaschine 210 über ein zusammenpassendes Aufnahmeelement in der Autoaufnahmeverbindung 230 der Sonde (auch als Wechsel-Autoaufnahmeverbindung bezeichnet) verbunden.
In verschiedenen Implementierungen kann die Koordinatenmessmaschine 210 mit allen anderen Komponenten über eine Datenübertragungsleitung 201 (z. B. einen Bus) kommunizieren, die durch einen Verbinder 208 (z. B. einen Verbinder vom Typ „Mikro-D“) mit einem Sondenkopfkabel 211 verbunden ist, das Signale zu und von der optischen CRS-Sonde 215 bereitstellt. Die Koordinatenmessmaschine 210 wird durch die Koordinatenmessmaschinensteuerung 202 gesteuert, während die optische CRS-Sonde 215 Daten mit der Sondensignalverarbeitungs- und -Steuerschaltung 207 austauscht und von dieser gesteuert wird (z. B. in einer Ausführungsform eine Sondensignalverarbeitungs- und - Steuerschaltung mit Messsignalverarbeitungs- und -Steuerelementen 260B, wie vorstehend unter Bezugnahme auf das Element 160B in 1 skizziert). Der Benutzer kann alle Komponenten über den Computer und die Benutzerschnittstelle 206 steuern.
Wie vorstehend ausgeführt und nachstehend in Bezug auf 3A und 3B ausführlicher beschrieben, enthält die optische CRS-Sonde 215 eine Sondenelektronik 275, die einen Lichtquellen- und Wellenlängendetektorabschnitt 260A enthält (z. B. in einer Ausführungsform eine Lichtquelle und einen Wellenlängendetektor, wie vorstehend unter Bezugnahme auf das Element 160A in 1 skizziert), und einen optischen Stift 220, der einen Messstrahl 296 auf eine Messoberfläche 290 richtet. In einer spezifischen beispielhaften Implementierung kann die Messfläche 290 eine Innenfläche einer Gewindebohrung umfassen. Es ist schwierig oder unmöglich, derartige Oberflächen mit bekannten CMM-Sonden (z. B. einer Berührungssonde) vollständig und zuverlässig zu messen. Eine optische CRS-Sonde wie die hier offenbarte kann derartige Oberflächen mit verbesserter Vollständigkeit, Genauigkeit und Vielseitigkeit abtasten und messen.
Wie nachstehend in Bezug auf 5 ausführlicher beschrieben wird, können in einer Ausführungsform Daten, die sich auf den optischen Stift und/oder das austauschbare Optikelement beziehen (z. B. Identifikationsdaten, Kalibrierungsdaten, Kompensationsdaten usw.), extern in der optischen CRS-Sonde 215 (z. B. in der Sonden-Signalverarbeitungs- und - Steuerschaltung 207) gespeichert werden. In alternativen Implementierungen können Abschnitte derartiger Daten in Abschnitten der optischen CRS-Sonde 215 gespeichert oder auf andere Weise codiert werden.
3A und 3B sind Diagramme, die schematisch bestimmte Komponenten der Koordinatenmessmaschine 210 und einer optischen CRS-Sonde 215' darstellen, die der optischen CRS-Sonde 215 von 2 ähnlich ist. 3A ist eine Vorderansicht, und 3B ist eine Ansicht aus einem anderen Winkel der Koordinatenmessmaschine 210 und der optischen CRS-Sonde 215'. Wie in 3A und 3B gezeigt, enthält die Koordinatenmessmaschine 210 einen Sondenkopf 213. Der Sondenkopf 213 empfängt und überträgt Sondensignale über das Sondenkopfkabel 211. Der Sondenkopf 213 ist an einer Koordinatenmessmaschinenhohlwelle 217 befestigt. Der Sondenkopf 213 ist mit der Sonde 215' an einer Autoaufnahmeverbindung 230 der Sonde verbunden.
Der Sondenkopf 213 dreht sich in einigen Ausführungsformen in einer horizontalen Ebene um 360 Grad und enthält eine Art U-Aufnahme. Die Autoaufnahmeverbindung 230 der Sonde ist eine elektromechanische Verbindung, die den Sondenkopf 213 starr und mechanisch an der optischen CRS-Sonde 215' derart befestigt, dass er von einer Sonde getrennt und an einer anderen angebracht werden kann. In einer Ausführungsform kann die Autoaufnahmeverbindung 230 der Sonde erste und zweite zusammenpassende Wechsel-Autoaufnahmeelemente 234 und 236 enthalten, wobei das erste Wechsel-Autoaufnahmeelement 234 an dem Sondenkopf 213 montiert ist, und das zweite zusammenpassende Wechsel-Autoaufnahmeelement (236) an der optischen CRS-Sonde 215' montiert ist. In einer Ausführungsform weist die Autoaufnahmeverbindung 230 der Sonde zusammenpassende elektrische Kontakte oder Verbindungen 235 auf, sodass die Kontakte beim Anbringen einer Sonde automatisch in Eingriff gehen und elektrische Verbindungen herstellen.
Die optische CRS-Sonde 215' empfängt ihre Leistungs- und Steuersignale über die Autoaufnahmeverbindung 230. Die Signale, die über die Autoaufnahmeverbindung 230 an die optische CRS-Sonde 215' durchgeleitet werden, werden über die Verbindungen 235 durchgeleitet. Wie in 3A und 3B gezeigt, enthält die optische CRS-Sonde 215' ein Wechsel-Autoaufnahmeelement 236 und eine Sondenanordnung 216, die an dem Wechsel-Autoaufnahmeelement 236 montiert ist, um eine automatische Verbindung mit der CMM über die Autoaufnahmeverbindung 230 der Sonde herzustellen. Die Sonde 215' kann auch eine Schutzabdeckung oder ein Gehäuse 269 (schematisch veranschaulicht) enthalten. Die Sondenanordnung 216 umfasst einen optischen Stift 220 und eine Sondenelektronik 275, die eine elektrisch betriebene Lichtquelle 264 und einen Wellenlängendetektor 262 umfassen können, die alle von verschiedenen Strukturelementen getragen werden. In der in 3A und 3B gezeigten Ausführungsform erstrecken sich die Strukturelemente von einer Basis 218, die an dem Wechsel-Autoaufnahmeelement 236 angebracht ist. Der optische Stift 220 kann (analog zu dem optischen Stift 120) einen faseroptischen Verbinder 209 und einen konfokalen optischen Pfad mit einer Apertur 295 und einem chromatisch dispersiven Optikabschnitt 250 enthalten, der einen Messstrahl 296 ausgibt. In einigen Ausführungsformen kann der optische Stift 220 eine wiederholgenaue Schnellwechselhalterung 285 enthalten, die das Ersetzen des chromatisch dispersiven Optikabschnitts 250 ermöglicht, wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird. Die elektrisch betriebene Lichtquelle 264 (z. B. eine Breitband-LED-Lichtquelle) kann in Verbindung mit bekannten Schaltungen (wie sie z. B. in kommerziellen chromatischen Entfernungsmesssystemen zu finden sind) arbeiten, die in einem Sondenleistungs- und Signalsteuerschaltungsabschnitt 276 enthalten sind, der in der Sondenelektronik 275 enthalten ist und der elektrische Energie empfängt, die durch das Wechsel-Autoaufnahmeelement übertragen wird. In einigen Ausführungsformen enthält die Sondenelektronik 275 einen Serialisierer 277S, der es ermöglicht, verschiedene Datensignale zu serialisieren und über die Autoaufnahmeverbindung 230 unter Verwendung relativ weniger Drähte an einen Deserialisierer zu übertragen (der beispielsweise in der Sondensignalverarbeitungs- und Steuerschaltung 207 enthalten ist), wie nachstehend ausführlicher beschrieben. In der in 3A gezeigten Ausführungsform ist der Serialisierer 277S in dem Sondenleistungs- und Signalsteuerschaltungsabschnitt 276 enthalten. In anderen Ausführungsformen kann der Serialisierer 277S jedoch in dem CRS-Wellenlängendetektor 262 enthalten sein, da ein Großteil der zu übertragenden serialisierten Daten Messspektralprofildaten sind, die vom CRS-Wellenlängendetektor 262 stammen. Allgemeiner kann sich der Serialisierer 277S an einer beliebigen gewünschten Stelle in der Sondenelektronik 275 befinden, die zufriedenstellende Rausch- und Übersprecheigenschaften bereitstellt.
Die Lichtquelle 264 generiert Licht, das von der optischen CRS-Sondenanordnung stammt, wobei das Licht ein Eingangsspektralprofil von Wellenlängen umfasst, die durch das faseroptische Kabel 212 zum optischen Stift 220 geleitet werden. Der CRS-Wellenlängendetektor 262 kann bekannte Schaltungen (wie sie z. B. in kommerziellen chromatischen Entfernungsmesssystemen zu finden sind) umfassen, die in Verbindung mit einer Spektrometeranordnung 262' und einer Detektoranordnung 263 arbeiten, die mehrere Pixel umfassen, die entlang einer Messachse des CRS-Wellenlängendetektors verteilt sind wobei die mehreren Pixel jeweilige Wellenlängen empfangen, die von der Zieloberfläche in den konfokalen Strahlengang reflektiert werden und Ausgangsspektralprofildaten bereitstellen.
Es versteht sich, dass es bei einer Konfiguration wie der vorstehend beschriebenen, die das zur Messung verwendete Licht vollständig innerhalb der optischen CRS-Sondenanordnung generiert und verarbeitet, möglich ist, dass die optische CRS-Sondenanordnung in sich geschlossen und automatisch austauschbar ist. In verschiedenen Ausführungsformen erfordert oder enthält ein derartiges optisches CRS-Sondensystem keine faseroptische Verbindung von der optischen CRS-Sondenanordnung zu einem Außenelement durch den Autoaufnahmeverbinder oder entlang eines anderen provisorischen Pfades parallel zum Autoaufnahmeverbinder. Anders ausgedrückt, verbindet sich in verschiedenen Ausführungsformen eine derartige optische CRS-Sondenanordnung nicht mit einer optischen Faser oder schließt diese ein, die sich außerhalb der optischen CRS-Sondenanordnung erstreckt.
In verschiedenen Ausführungsformen ist die optische CRS-Sondenanordnung derart konfiguriert, dass der optische Stift an einem distalen Ende der optischen CRS-Sondenanordnung montiert ist. In der in 3A und 3B gezeigten Ausführungsform enthält die optische CRS-Sondenanordnung 215' den Basisabschnitt 218, einen Wellenlängendetektor-Montageabschnitt 219A, der mit dem Basisabschnitt 218 gekoppelt ist, und einen optischen Stift-Montageabschnitt 219B, der mit dem Basisabschnitt gekoppelt ist und den optischen Stift trägt, ohne den Wellenlängendetektor zu tragen, wodurch Wärme und massenbedingte Ablenkung und Vibration weg vom optischen Stift isoliert werden kann. In einigen Ausführungsformen können einer oder beide der Montageabschnitte 219A und 219B ein hohles Strukturrohr (z. B. ein Kohlefaserrohr) umfassen, das sich vom Basisabschnitt weg und zum distalen Ende der optischen CRS-Sondenanordnung hin erstreckt.
In einer Ausführungsform befindet sich der Massenschwerpunkt des optischen Stifts 220 in der Nähe einer Achse, die durch den Massenschwerpunkt CMPA des übrigen Teils der optischen CRS-Sonde 215' und die Mittelachse CAJ der Autoaufnahmeverbindung 230 der Sonde definiert ist. Eine derartige Konfiguration kann einen ruhigeren Betrieb des Sondenkopfes 213 bereitstellen, wie er zum Bewegen der optischen CRS-Sonde 215' verwendet wird (z. B. unter Vermeidung von unnötigem zusätzlichem Drehmoment, Vibrationen, Ablenkungen usw.). In einer Implementierung kann der optische Stift 220 auch relativ zu der Autoaufnahmeverbindung 230 der Sonde montiert sein, derart, dass die Mittelachse CAOP (z. B. eine Referenzachse für Messungen) des optischen Stifts 220 koaxial zur Mittelachse CAJ der Wechsel-Autoaufnahme 230 ist. In einer derartigen Konfiguration kann der optische Stift 220 auch um seine Achse gedreht werden, wenn die CMM die Autoaufnahmeverbindung 230 der Sonde um ihre Achse dreht, ohne dass die Messreferenzachse in einer X-Y-Ebene eine seitliche Bewegung ausführt. Eine derartige Konfiguration kann bestimmte Vorteile bereitstellen (z. B. mechanisch stabiler sein, die Berechnung des Ortes der mit dem optischen Stift 220 durchgeführten Messungen relativ zur Positionierung durch die CMM vereinfachen usw.).
4A und 4B sind Diagramme, die Komponenten des optischen Stifts 220 von 3A und 3B für eine Ausführungsform veranschaulichen, die eine beispielhafte wiederholgenaue Schnellwechselhalterung 285 enthält. In der in 4A und 4B gezeigten Ausführungsform enthält der optische Stift 220 ein Basiselement 282 und ein austauschbares Optikelement 280. Das austauschbare Optikelement 280 enthält eine Frontplatte 286, ein Rohr 231 und einen chromatisch dispersiven optischen Abschnitt 250. Das Basiselement 282 enthält ein Basisgehäuse 282A, das eine Oberfläche enthält, die als erste Passhälfte 285A der wiederholgenauen Schnellwechselhalterung 285 dient, und die Frontplatte 286 weist eine entsprechende Oberfläche auf, die als zweite Passhälfte 285B der wiederholgenauen Schnellwechselhalterung 285 dient. In einer Ausführungsform wird die zweite Passhälfte 285B der wiederholgenauen Schnellwechselhalterung 285 durch eine Haltekraftanordnung, die Permanentmagnete 285C umfasst, die in einer oder beiden der ersten und zweiten Passhälften 285A oder 285B montiert sind, gegen die erste Passhälfte 285A gedrückt. Allgemeiner kann die Haltekraftanordnung bekannte Mittel wie federbelastete mechanische Arretierungen oder dergleichen umfassen. Mit einer derartigen Konfiguration kann die zweite Passhälfte 285B programmgesteuert automatisch mit der ersten Passhälfte 285A verbunden und von dieser getrennt werden (wie z. B. durch den Computer und die Benutzerschnittstelle 206 gesteuert). Beispielsweise kann der optische Stift in einer Ausführungsform einen Bund 232 oder dergleichen enthalten, der programmgesteuert derart geführt werden kann, dass er zwischen die Arme einer Passgabel eingeführt wird, die auf einem Sondengestell innerhalb des Bewegungsvolumens einer CMM enthalten ist. Die CMM kann dann die optische CRS-Sonde 215' derart bewegen, dass die Arme der Gabel auf dem Bund 232 aufliegen und die Passhälften der wiederholgenauen Schnellwechselhalterung 285 auseinander drücken, wobei das austauschbare Optikelement 280 im Sondengestell hängen bleibt. Das austauschbare Optikelement 280 kann durch Ausführen dieser Vorgänge in umgekehrter Reihenfolge wieder an dem Basiselement 282 montiert werden. Darüber hinaus wird das austauschbare Optikelement 280 bei einer derartigen Konfiguration im Fall einer seitlichen Kollision mit einem Werkstück von dem Basiselement 282 getrennt, anstatt beschädigt zu werden.
In einer Ausführungsform kann die wiederholgenaue Schnellwechselhalterung 285 drei Sphären oder Kugeln 285D umfassen, die in der ersten Passhälfte 285A in einem ersten dreieckigen Muster (z. B. einem gleichseitigen Dreieck) fixiert sind, und drei radial orientierte V-Nuten 285E, die in der zweiten Passhälfte 285B in einem zusammenpassenden Muster fixiert sind. Eine derartige Ausführungsform der wiederholgenauen Schnellwechselhalterung 285 ermöglicht das Montieren des austauschbaren Optikelements 280, wobei der seitlich orientierte Messstrahl 296 in eine von drei verschiedenen Orientierungen weist, die um 120 Grad voneinander entfernt sind. Es versteht sich jedoch, dass eine derartige Ausführungsform nur beispielhaft und nicht einschränkend ist. Verschiedene andere wiederholgenaue Schnellwechselhalterungskonfigurationen können verwendet werden, vorausgesetzt, dass eine angemessene Montage-Wiederholbarkeit bereitgestellt wird, wie im Stand der Technik allgemein bekannt ist.
Das austauschbare Optikelement 280 enthält den chromatisch dispersiven optischen Abschnitt 250 (z. B. analog zu dem vorstehend in Bezug auf 1 beschriebenen chromatisch dispersiven optischen Abschnitt 150). In einer Ausführungsform enthält das Basiselement 282 das Ende einer optischen Faser 212, die mit der LED-Lichtquelle 264 und mit der Spektrometeranordnung 262' über einen Faserverbinder 261 verbunden ist. Das Ende der optischen Faser kann sich nahe einer konfokalen Apertur 295 befinden, die relativ zu der ersten Passhälfte 285A der wiederholgenauen Schnellwechselhalterung 285 fixiert ist, die im Allgemeinen die konfokale Apertur 295 umgeben kann. In einigen Ausführungsformen stellt das Ende der optischen Faser die konfokale Apertur bereit. In einigen Ausführungsformen wird die konfokale Apertur 295 durch eine dünne Apertur bereitgestellt, die nahe dem Ende der optischen Faser oder an diese anliegend (z. B. an einem Halter oder Verbinder, der die optische Faser hält) an Ort und Stelle verklebt ist. In der in 4A gezeigten Ausführungsform enthält das Basiselement 282 eine Endpositionierungsanordnung 283 für die optische Faser, die ein optisches Faserhalteelement 283A (z. B. in dieser Ausführungsform einen faseroptischen Verbinder, der mit dem Verbinder 209 zusammenpasst) umfasst, und eine Endpositionierungsanordnung 283B für die optische Faser, die in dem Basiselement 282 nahe der ersten Passhälfte 285A der wiederholgenauen Schnellwechselhalterung 285 fixiert (z. B. verklebt) sind.
In dieser Ausführungsform kann die Endpositionierungsanordnung 283 für die optische Faser ein optisches Faserhalteelement umfassen, das die optische Faser (z. B. durch den Verbinder 209) hält und das Ende der optischen Faser und die konfokale Apertur 295 relativ zu der ersten Passhälfte 285A der wiederholgenauen Schnellwechselhalterung 285 fixiert. In anderen Ausführungsformen kann die konfokale Apertur jedoch separat an dem Basiselement 282 befestigt sein, und das Ende der optischen Faser kann in der Nähe dieser konfokalen Apertur durch ein geeignetes Positionierungselement für das Ende der optischen Faser fixiert sein, falls dies gewünscht wird, wie nachstehend ausführlicher beschrieben.
Das austauschbare Optikelement 280 empfängt Messlicht von der konfokalen Apertur 295 und gibt Messlicht an diese zurück, und stellt eine axiale chromatische Dispersion des Messlichts über einen jeweiligen Messbereich entlang einer Messachse bereit. In einer Ausführungsform kann der chromatisch dispersive optische Abschnitt 250 auch ein reflektierendes Element 294 enthalten, das den Messstrahl seitlich zur Achse des optischen Stifts 220 (z. B. seitlich relativ zur Achse des Rohrs 231) richtet.
5 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform der Computer- und Benutzerschnittstelle 206 und der Sondensignalverarbeitungs- und Steuerschaltung 207 von 2. Wie in 5 gezeigt, kann die Sondensignalverarbeitungs- und Steuerschaltung 207 einen Deserialisierer 277D, eine Positionsverriegelung 515, eine optische CRS-Sonde ID 520 und einen optischen Stift ID 525 enthalten. Die Komponenten der Sondensignalverarbeitungs- und Steuerschaltung 207 sind durch die Datenübertragungsleitung 201 miteinander und mit der Computer- und Benutzerschnittstelle 206 verbunden.
Der Deserialisierer 277D kann in Verbindung mit dem in 3A gezeigten Serialisierer 277S arbeiten, um zu ermöglichen, dass verschiedene Datensignale unter Verwendung relativ weniger Drähte über die Autoaufnahmeverbindung 230 serialisiert und übertragen werden. Der Serialisierer 277S und ein Deserialisierer 277D stehen mit der Verwendung bestimmter Niederspannungs-Differenzsignale (LVDS) in Zusammenhang, die in einigen Ausführungsformen verwendet werden können. Kurz gesagt, wird zwischen einem Serialisierer und einem Deserialisierer ein Synchronisationssignal bereitgestellt, um sicherzustellen, dass sie synchronisiert sind. Auf den entsprechenden Signalleitungen werden Taktsignale bereitgestellt, bis der Deserialisierer das Ende erreicht; zu diesem Zeitpunkt wird das Synchronisationssignal umgeschaltet, wonach die relevanten Datensignale (im Gegensatz zu den vorherigen Taktsignalen) auf den Signalleitungen bereitgestellt werden.
Die Positionsverriegelung 515 bezieht sich auf ein XYZ-Verriegelungssignal. Kurz gesagt, wird ein XYZ-Verriegelungssignal bereitgestellt, um die Messpositionierung der optischen CRS-Sonde mit der Messpositionierung der Koordinatenmessmaschinensteuerung 202 zu synchronisieren. In einer Ausführungsform kommuniziert die Positionsverriegelung 515 mit der Positionsverriegelung 204 in der Koordinatenmessmaschinensteuerung 202, um sicherzustellen, dass die Koordinaten der Koordinatenmessmaschine 210 ordnungsgemäß synchronisiert sind. Mit anderen Worten werden die Positionsverriegelung 515 und die Positionsverriegelung 204 kombiniert, um die Genauigkeit der insgesamt abgeleiteten Messungen sicherzustellen, derart, dass die CMM-Maschinenkoordinaten (die die Position der optischen CRS-Sonde während einer bestimmten Messung widerspiegeln) ordnungsgemäß mit den Messungen der optischen CRS-Sonde (die relativ zur Position der optischen CRS-Sonde sind) kombiniert werden.
Die optische CRS-Sonde ID 520 wird zum Bestimmen der Identifikation der optischen CRS-Sonde 215' verwendet (z. B. durch Lesen und Verarbeiten eines Identifikationssignals, das von einem Identifizierungselement abgeleitet ist, das in der optischen CRS-Sonde 215' enthalten ist), und das Optikelement ID 525 wird zum Bestimmen der Identifikation des austauschbaren Optikelements 280 (z. B. durch Lesen und Verarbeiten eines Identifikationssignals, das von einem Identifikationselement abgeleitet ist, das in dem austauschbaren Optikelement 280 enthalten ist) verwendet. Die ordnungsgemäße Identifizierung der optischen CRS-Sonde 215' und des austauschbaren Optikelements 280 ermöglicht die Verwendung geeigneter Konfigurations- und Kalibrierungsdaten, um genaue Vorgänge und resultierende Messungen von der optischen CRS-Sonde 215' und dem austauschbaren Optikelement 280 sicherzustellen.
6 ist ein Diagramm, das die Komponenten eines Ausführungsbeispiels eines optischen Stifts 220A veranschaulicht, der einen nicht rotierenden oder festen Abschnitt 605, ein Drehelement 610 zum Drehen eines austauschbaren Optikelements 280A und der Richtung des Messstrahls 296 und einen Codierer 630 zum Messen und Melden von Positionsinformationen enthält, wie beispielsweise eines Azimutdrehwinkels des optischen Stifts und Positionsinformationen in Bezug auf die Z-Achse, wie Positionsinformationen, die sich auf eine Position eines Kalibrierungsobjekts beziehen, wie in Bezug auf 7A bis 13E ausführlicher erörtert. Wie in 6 gezeigt, ist das Basiselement 282A so konfiguriert, dass es Komponenten des nicht rotierenden Abschnitts 605, des Drehelements 610 und des Codierers 630 enthält.
Einige beispielhafte „begrenzende“ konfokale Lichtstrahlen (oder Lichtstrahlensegmente) sind in 6 veranschaulicht. Insbesondere sind die Lichtstrahlen R1 und R2 zwischen einer Übertragungslinse 251 und der Apertur 295 gezeigt, und die Lichtstrahlen R3 und R4 sind zwischen der Übertragungslinse 251 und dem chromatisch dispersiven optischen Abschnitt 250 gezeigt. Die Übertragungslinse 251 kann in einigen Ausführungsformen eine kollimierende oder nahezu kollimierende Linse sein, und die Lichtstrahlen R3 und R4 sind als ungefähr parallel oder ungefähr kollimiert gezeigt, was in bestimmten Implementierungen Vorteile bieten kann. Die Lichtstrahlen R5 und R6 sind innerhalb des chromatisch dispersiven optischen Abschnitts 250 gezeigt und treten als Lichtstrahlen R7 und R8 im Messstrahl 296 aus. Es versteht sich, dass die Betriebsposition 297 der konfokalen Apertur in dieser speziellen Ausführungsform in der Nähe oder in der besten Fokusposition des Linsensystems des optischen Stifts 220 und insbesondere der Fokusposition der Übertragungslinse 251 liegt. Die Übertragungslinse 251 kann sich in einem verlängerten Abschnitt 282AX des Basiselements 282A befinden.
Wie in 6 gezeigt, enthält das Drehelement 610 einen rotierenden Abschnitt 612, der in dieser speziellen Ausführungsform eine Oberfläche zum Bereitstellen einer ersten Passhälfte der wiederholgenauen Schnellwechselhalterung 285 enthält. Die erste Passhälfte ist mit der zweiten Passhälfte der Schnellwechselhalterung 285 gekoppelt, die sich auf der Frontplatte 286 in einer ähnlichen Konfiguration wie vorstehend in Bezug auf 4A und 4B beschrieben, befindet. Das Drehelement 610 enthält auch Lager 614, die es dem Drehabschnitt 612 ermöglichen, sich zu drehen, sowie einen Motor 616 und Zahnräder 618, um die Drehung anzutreiben. Alternative Konfigurationen können auch für die Motor- und Rotationsbetätigung verwendet werden (z. B. eine motorisierte Hülsenkonfiguration usw.). Die Drehung kann kleinere Fehler/Effekte erzeugen, wenn sich die Übertragungslinse 251 in dem Basiselement 282A befindet, aufgrund der Tatsache, dass die optische Übertragung des breiten kollimierten Strahls, der durch die die Drehaufnahme gelangenden parallelen Lichtstrahlen R3 und R4 angegeben wird, weniger empfindlich für eine geänderte Ausrichtung ist.
Der Codierer 630 erfasst Positionsinformationen, die Positionen der Komponenten des optischen Stifts 220A angeben (z. B. Drehpositionsinformationen und Positionsinformationen in Bezug auf die Z-Achse), und meldet die Positionsinformationen beispielsweise über ein oder mehrere Kabel (siehe Sondenkopfkabel 211 von 2).
In einer Ausführungsform kann das austauschbare Optikelement 280A ein ID-Element 233 enthalten (das beispielsweise an der Frontplatte 286 montiert ist). Ein entsprechendes Leseelement 233R kann sich in dem Basiselement 282A des optischen Stifts befinden. Das ID-Element 233 kann mit bestimmten Identifikationsinformationen für das austauschbare Optikelement 280 codiert sein. Das ID-Element 233 kann in einer Ausführungsform eine Hochfrequenzidentifikationsvorrichtung (ein RFID-Element) umfassen, die ein passives RFID-Element sein kann. Das Leseelement 233R (z. B. ein RFID-Leseelement) befindet sich in ausreichender Nähe, um die Daten vom ID-Element 233 lesen zu können. In einigen Ausführungsformen kann, wenn sich das Leseelement 233R nicht neben dem ID-Element 233 befindet, eine Bohrung in dem Basiselement 282A bereitgestellt sein, sodass das Material des Basiselements den Signalaustausch zwischen dem ID-Element 233 und dem Leseelement 233R (z. B. Funksignale, optische Signale, ein optisches Bild usw.) nicht behindert. In einigen Ausführungsformen kann das ID-Element 233 eine Identifizierungsmarke (z. B. einen einfachen Strichcode) oder Farbe(n) umfassen und das Leseelement 233R kann einen Fotodetektor umfassen, der ein Signal bereitstellt, das der/den Identifizierungsmarke oder - farbe(n) entspricht. In einigen Ausführungsformen kann das ID-Element 233 einen passiven Resonanzkreis mit einer Identifizierungsfrequenz umfassen und das Leseelement 233R kann einen Erreger/Detektor umfassen, der ein Signal als Antwort auf die Identifizierungsfrequenz bereitstellt. Das Leseelement 233R meldet Identifikationsinformationen basierend auf dem Antwortsignal, beispielsweise über ein oder mehrere Kabel (siehe Sondenkopfkabel 211 von 2).
Zur Vereinfachung der Veranschaulichung sind das Drehelement 610 und der Codierer 630 in Form von Funktionsblöcken gezeigt. Es versteht sich, dass die Anordnungen des Drehelements 610 und des Codierelements 630 nur beispielhaft und nicht einschränkend sind. Verschiedene Konfigurationen können verändert werden, um ähnliche Komponenten zum Drehen und Ausfahren der austauschbaren Optikelemente und zum Melden von Positionsinformationen mit geringfügigen Anpassungen einzuschließen, die aufgrund dieser Offenbarung offensichtlich werden.
In einigen Ausführungsformen kann der optische Stift für Kalibrierungs- und Genauigkeitszwecke durch Kalibrierungsdaten oder -informationen charakterisiert sein, die Radialabstandsdaten enthalten oder darauf basieren, die beispielsweise mehreren Drehpositionen des austauschbaren Optikelements, verschiedenen Brennweiten und Messabständen, die dem optischen Stift 220A, dem austauschbaren Optikelement 280 und dem chromatisch dispersiven optischen Abschnitt 250, der Schnellwechselhalterung 285 usw. zugeordnet sind, entsprechen. Derartige Kalibrierungsdaten oder -informationen können verschiedene Fehlausrichtungen kompensieren, die abhängig von der Drehposition, der Position in Bezug auf die Z-Achse, und Messabständen des chromatischen Entfernungssensors (CRS), und andere Fehler (z. B. Codiererfehler, z-Tischfehler usw.) sein können, wie nachstehend ausführlicher erläutert.
7A bis 7C sind Diagramme, die beispielhafte Kalibrierungskomponenten 740 des optischen Stifts 220A von 6 veranschaulichen, die verwendet werden können, um einen Radialabstand und andere Daten zu erhalten, die zum Kalibrieren des optischen Stifts 220A verwendet werden. 7A ist ein Konzeptionsdiagramm, um einen Überblick über die Struktur eines optischen Stifts einschließlich Kalibrierungskomponenten bereitzustellen, während 7B und 7C detailliertere Veranschaulichungen von Ausführungsbeispielen bereitstellen. Wie in 7A veranschaulicht, weist ein optischer Stift 220A einen nicht rotierenden oder festen Abschnitt 605 und einen rotierenden Abschnitt 610 auf. Die Kalibrierungskomponenten 740 enthalten eine Kalibrierungsmessgeräteverlängerung 744, die beweglich an dem nicht rotierenden Abschnitt 605 des optischen Stifts 220A angebracht ist, und ein Kalibrierungsmessgerät oder -objekt 746. Das Kalibrierungsmessgerät 746, wie veranschaulicht, wird durch die Kalibrierungsmessgeräteverlängerung 744 relativ zu dem rotierenden Abschnitt 610 des optischen Stifts 220A in Position gehalten. Wenn sich das rotierende Element 610 um die Mittelachse des optischen Stifts 220A (die Referenzachse für die Aufnahme von Messungen) dreht, werden Messungen des Kalibrierungsobjekts durchgeführt (z. B. unter Verwendung eines Messstrahls 296, wie in 7C veranschaulicht), um radiale Abstandsmessungen zum Kalibrieren des optischen Stifts 220A zu erhalten.
Die Kalibrierungsmessgeräteverlängerung 744 kann verschiedene Haltekraftanordnungen verwenden, um ein Kalibrierungsobjekt 746 relativ zu der Konfiguration mit rotierendem chromatischem Entfernungssensor des optischen Stifts 220A in Position zu halten. Beispielsweise können Mechanismen verwendet werden, die den vorstehend erörterten in Bezug auf die wiederholgenaue Schnellwechselhalterung 285 ähnlich sind. Mit einer derartigen Konfiguration kann das Kalibrierungsobjekt 746 automatisch programmgesteuert (wie z. B. durch den Computer und der Benutzerschnittstelle 206 gesteuert) mit der Kalibrierungsmessgeräteverlängerung 744 verbunden, positioniert und von dieser getrennt werden.
Wie in 7B und 7C gezeigt, enthalten die Kalibrierungskomponenten 740 auch einen Verlängerungsstellantrieb 742, der Lager, Motoren und Zahnräder enthalten kann (während diese zur besseren Veranschaulichung nicht gezeigt sind, sind die Lager 614, der Motor 616 und die Zahnräder 618 analoge Komponenten des Drehelements 610 von 6), um die Positionierung der Kalibrierungsmessgeräteverlängerung 744 zwischen einer Ablageposition (wie in 7B gezeigt) und einer ausgefahrenen Kalibrierungsposition (wie in 7A und 7C gezeigt) zu erleichtern. 7B veranschaulicht ein Konfigurationsbeispiel, bei dem sich die Kalibrierungsmessgeräteverlängerung 744 in der Ablageposition befindet und derzeit nicht mit einem Kalibrierungsobjekt 746' gekoppelt ist. Während Kalibrierungsvorgängen unter Verwendung eines Kalibrierungsmessgeräts oder Objekts 746' kann die Kalibrierungsmessgeräteverlängerung 744 in die ausgefahrene Kalibrierungsposition bewegt werden. Andernfalls kann die Kalibrierungsmessgeräteverlängerung 744 in der Ablageposition abgelegt werden, um andere Messungen, die unter Verwendung des optischen Stifts 220A durchgeführt wurden, nicht zu stören (z. B. Messungen der Innenflächen einer Gewindebohrung, wie vorstehend unter Bezugnahme auf 2 erörtert). Wie vorstehend erwähnt, kann in einer Implementierung, wenn die Kalibrierungsmessgeräteverlängerung 744 in die ausgefahrene Kalibrierungsposition bewegt wird, diese mit einem Kalibrierungsobjekt 746' gekoppelt werden, wie in 7C veranschaulicht.
In einigen Ausführungsformen sind der optische Stift 220A und das Kalibrierungsobjekt 746' derart konfiguriert, dass das Kalibrierungsobjekt 746' auf dem optischen Stift zurückgehalten werden kann. Beispielsweise kann das Kalibrierungsobjekt 746' während eines Einfahrzeitraums in einer eingefahrenen Position auf der Kalibrierungsmessgeräteverlängerung zurückgehalten werden, derart, dass die Kalibrierungsmessgeräteverlängerung 744 und das Kalibrierungsobjekt 746' den Radialabstandserfassungsstrahl (d. h. den Messstrahl 296) während normaler Messvorgänge während des Einfahrzeitraums nicht behindern oder stören. In einem Kalibrierungszeitraum kann das Kalibrierungsobjekt 746' bewegt und auf der Kalibrierungsmessgeräteverlängerung in einer Kalibrierungsposition zurückgehalten werden.
In einigen Ausführungsformen kann die Kalibrierungsmessgeräteverlängerung 744 durch den Verlängerungsstellantrieb 742 in einer von mehreren ausgefahrenen Kalibrierungspositionen positioniert werden, um das Sammeln des radialen Kalibrierungsabstands bei verschiedenen CRS-Messabständen oder Brennweiten zu erleichtern. Unter derartigen Umständen kann der Codierer Positionsinformationen der Z-Achse in Bezug auf die Position des Kalibrierungsobjekts in Bezug auf den optischen Stift 220A melden. In ähnlicher Weise wie vorstehend in Bezug auf das austauschbare Optikelement 280A erörtert, kann das Kalibrierungsobjekt 746' ein ID-Element enthalten, und die Kalibrierungsmessgeräteverlängerung 744 kann ein entsprechendes Leseelement enthalten.
Alternative Konfigurationen können auch für den Verlängerungsstellantrieb 742 verwendet werden (z. B. eine motorisierte Hülsenkonfiguration usw.). In einigen Ausführungsformen ordnet die Kalibrierungsmessgeräteverlängerung 744 ein Kalibrierungsmessgerät oder -objekt 746' in einer Zwangsbeziehung relativ zur Konfiguration mit rotierendem chromatischem Entfernungssensor des optischen Stifts 220A an, wie nachstehend ausführlicher erörtert wird.
Wie in 7C veranschaulicht, umfasst ein Kalibrierungsmessgerät oder -objekt 746' eine Ringlehre mit einer Innenfläche 748 und einer Außenfläche 750. Andere Kalibrierungsobjekte können verwendet werden, und verschiedene Materialien (z. B. Metalle, Glas usw.) können in einem Kalibrierungsobjekt verwendet werden. In einer Ausführungsform können die Innenfläche 748 und/oder die Außenfläche 750 gedruckte Markierungen oder gemusterte Oberflächen (siehe z. B. 9A bis 9D) oder verschiedene Kombinationen davon enthalten, die, wenn sie durch den Messstrahl 296 abgetastet werden, Kalibrierungsdaten bereitstellen, die dazu verwendet werden können, Kalibrierungsinformationen in Bezug auf den optischen Stift 220A zu generieren.
8A bis 8C sind Konzeptionsdiagramme, die in übertriebener Weise beispielhafte Fehlausrichtungen veranschaulichen, die zu Messfehlern führen können, wenn ein optischer Stift verwendet wird, um Messungen durchzuführen, und Parameter, die berücksichtigt werden können, um derartige Fehler zu kompensieren. Wie in 8A gezeigt, weist im Idealfall ein optischer Stift (siehe optischer Stift 220A von 6) eine Referenzmittelachse 820 auf. Bei der Vornahme von Messungen einer Oberfläche eines idealen Zylinders 830 ist die Referenzmittelachse 820 mit einer idealen Mitte C des idealen Zylinders 830 ausgerichtet, und ein Einfallswinkel des Messstrahls (siehe Messstrahl 296 von 7C) ist eine ideale Konstante in Bezug auf die Normale der Oberfläche des idealen Zylinders 830. Ideale Messungen würden Abstände von der idealen Mitte C zu idealen Punkten entlang einer idealen Spur 870 des idealen Zylinders 830 angeben. Beispielhafte ideale Punkte entlang einer idealen Spur 870 sind in 8A und 8B veranschaulicht, einschließlich eines idealen Punktes Pideal 850 unter einem Drehwinkel ω = 0.
Fehlausrichtungen des optischen Stifts oder anderer Komponenten können jedoch zu Messfehlern führen (die z. B. durch verschiedene Faktoren verursacht werden können, wie beispielsweise Fehlausrichtungen der Schnellwechselhalterung 285 usw.). Beispielsweise kann die optische Achse eines optischen Stifts einen xy-Versatz 810 von einer Referenzmittelachse 820 aufweisen, und die Rotationsachse 860 des optischen Stifts entlang der Länge L des optischen Stifts kann in Bezug auf die Referenzmittelachse 820 des optischen Stifts 220A falsch ausgerichtet sein. Zusätzlich kann das reflektierende Element 294 (siehe 2 und 7B) von der optischen Achse des optischen Stifts falsch ausgerichtet sein. Infolgedessen können Messungen, die in Bezug auf Messpunkte vorgenommen wurden, von der Position S aus durchgeführt werden, die um eine nicht ideale Mitte S' kreist, wie dies in 8B ausführlicher veranschaulicht ist. Diese führen zusammen mit anderen möglichen Fehlausrichtungen, wie in 8B ausführlicher veranschaulicht, dazu, dass sich die Messpunkte auf einer nicht idealen Spur oder einer Spur mit Fehlern 890 befinden. Beispielhafte Messpunkte mit zugehörigen Ausrichtungsfehlern sind in 8A und 8B gezeigt, einschließlich eines Messpunkts 840 unter einem Drehwinkel ω = 0. Um bestimmte Aspekte besser zu veranschaulichen, enthalten die Beispiele in den bereitgestellten Veranschaulichungen bestimmte übertriebene Geometrien (z. B. wurde die Z-Achse komprimiert, um mögliche Fehlausrichtungen und Fehler besser zu veranschaulichen, usw.).
8B veranschaulicht zusätzliche Details beispielhafter Fehlausrichtungen, die harmonische Fehler verursachen können. Hier entspricht eine Referenzmittelachse m (d. h. eine Montageachse) der Referenzmittelachse 820 von 8A. Eine Rotationsachse r entspricht der Rotationsachse 860 von 8A. Eine optische Achse o ist kollinear mit der optischen Achse des Stifts entlang der optischen Länge L des Stifts veranschaulicht. Die Achsenbezeichnungen m, r und o werden in Indizes für verschiedene Fehlausrichtungsparameter verwendet, von denen einige in 8B veranschaulicht sind. Der Montageachsenfehlausrichtungswinkel 0" gibt den Fehlausrichtungswinkel der Montageachse m relativ zur Rotationsachse r an, der innerhalb einer Ebene auftritt, die die Rotationsachse enthält und an einem Azimut-Orientierungswinkel für die Montageachsenfehlausrichtung orientiert ist ϕ_m (in der Veranschaulichung nicht gezeigt). Der Fehlausrichtungswinkel der Rotationsachse θ_r gibt den Fehlausrichtungswinkel der optischen Achse o relativ zur Rotationsachse r an, der innerhalb einer Ebene auftritt, die die Rotationsachse enthält und unter einem Azimut-Orientierungswinkel für die Fehlausrichtung orientiert ist Φ_r (in der Veranschaulichung nicht dargestellt). Der endgültige Messstrahl, der den Stift verlässt, kann auch Richtungsfehler aufweisen, die durch den Winkelfehler δθ₀, der Ausgangsnormalen-Elevation (nominell vertikale Richtung) und den Achsenfehler δϕ₀ des Ausgangsnormalen-Azimuts (nominell horizontale Richtung) bezeichnet werden (nicht gezeigt).
8C veranschaulicht unter Verwendung der gleichen übertriebenen Geometrien, die in 8B gezeigt sind, ein Beispiel für Fehler der ersten Harmonischen, die durch verschiedene Fehlausrichtungen des optischen Stifts eingeführt werden können. In diesem Beispiel hat der optische Stift, wie tabellarisch dargestellt, einen X-Achsenversatz δx von 50 µm, einen Y-Achsenversatz δγ von -40 µm, die die x- und y-Komponenten des xy-Versatzes 810 in 8A bilden. Die anderen tabellarischen Parameter sind in der Beschreibung der vorstehenden 8B definiert und haben die beispielhaften (übertriebenen) Werte für einen Montageachsenfehlausrichtungswinkel 0" von 6°, für einen Azimut-Orientierungswinkel für die Montageachsen-Fehlausrichtung (ϕ_m von 240 µm, einen Taktfehler der Montageachse von δφ_m (nicht gezeigt) von 5°, eine ideale Länge L des optischen Stifts von 2000 µm (verkürzt, um Fehler in 8B zu übertreiben), einen Rotationsachsenfehlausrichtungswinkel θ_rvon 8°, einen Fehlausrichtungsorientierungswinkel ϕ_r der Rotationsachse von 40°, einen Ausgangsnormalen-Azimutachsenfehler δϕ₀ von 10°, einen Ausgangsnormalen-Elevationswinkelfehlerδθ_o, von 5° und einen idealen Kalibrierungsmessabstand von 1000 µm. Bis zu einem gewissen Grad sind die azimutbezogenen Fehler (Symbol (ϕ) mit Azimutversatzfehlern und der Phase der harmonischen Fehler sowie den Achsenfehlausrichtungen und Elevationswinkelfehlern (Symbol θ) mit Radius- und Z-Versatz- und harmonischen Amplitudenfehlern gekoppelt. Wie veranschaulicht, ist der Radiusfehler in erster Linie eine erste Harmonische, die wie veranschaulicht um einen Radiusversatzfehler von ungefähr -180 schwingt. Der Z-Fehler ist in erster Linie ein Fehler der ersten Harmonischen, der um einen konstanten Z-Fehler-Versatz schwingt, der, wie veranschaulicht, eine Versatz-Konstante von ungefähr 180 µm ist. Der Azimutfehler ist in erster Linie eine erste Harmonische, die wie veranschaulicht um eine Azimutversatzkonstante von ungefähr -50 µm schwingt. Alle drei Kurven können auch einen geringen Oberwellengehalt höherer Ordnung aufweisen. Es versteht sich, dass in diesem Beispiel verschiedene Aspekte übertrieben wurden, um die möglichen Fehlausrichtungen und daraus resultierenden Fehler besser zu veranschaulichen. In bestimmten Implementierungen können tatsächliche Fehlausrichtungen in der Größenordnung von 0,1 bis 1 Grad liegen, und tatsächliche Fehler (außer vom xy-Versatz) können in der Größenordnung von einstelligen Mikrometern oder weniger liegen.
Wie an anderer Stelle hierin ausführlicher erörtert, werden Radialabstandsmessungen eines Kalibrierungsobjekts bei einem gegebenen Drehwinkel ω durchgeführt und optional kann Z dazu verwendet werden, Kalibrierungsdaten zu generieren. Die Kalibrierungsdaten können wiederum dazu verwendet werden, Messdaten (z. B. Radialabstandsdaten) einzustellen, die erhalten werden, wenn ein optischer Stift einer Koordinatenmessmaschine zum Messen eines Werkstücks verwendet wird. Kalibrierungsdaten können zusätzlich zu Radialabstandsdaten, die unter Verwendung eines Kalibrierungsobjekts generiert wurden, als Teil von oder zur Generierung von Kalibrierungsinformationen verwendet werden. Beispielsweise können in einigen Ausführungsformen Messungen verwendet werden, die unter Verwendung eines Interferometers durchgeführt werden, um Abstände des chromatischen Entfernungssensors zu bestimmen, die einem optischen Stift (z. B. Messabstände bei verschiedenen Lichtwellenfrequenzen), oder dem Kalibrierungsobjekt zugeordnet sind. In einem anderen Beispiel können in einigen Ausführungsformen Z-Achseninformationen verwendet werden, die sich auf eine Position eines Kalibrierungsobjekts in Bezug auf einen optischen Stift beziehen.
9A bis 9D veranschaulichen eine erste Ausführungsform eines Kalibrierungsobjekts 946 in Form einer zylindrischen Ringlehre. 9A ist ein perspektivisches Diagramm und 9B ist ein Querschnittsdiagramm einer zylindrischen Ringlehre 946. Die zylindrische Ringlehre 946 weist eine Innenfläche 904 auf, die bekannte Merkmale mit bekannten Positionsbeziehungen zueinander aufweist, wie beispielsweise ein gedrucktes oder strukturiertes Muster 906. Die Innenfläche 904 ist eine nominell zylindrische Kalibrierungsfläche mit einer Mittelachse 905, die sich entlang einer Z-Richtung erstreckt, die ungefähr parallel zur Rotationsachse eines optischen CRS-Stifts ausgerichtet sein soll, wenn Kalibrierungsmessungen durchgeführt werden (siehe z. B. Referenzmittelachse 820 und Rotationsachse 860 von 8A). Die erste nominell zylindrische Kalibrierungsfläche 904, wie veranschaulicht, ist bei einem bekannten ersten Radius Rc von der Mittelachse 905 angeordnet, die sich entlang der Z-Achse erstreckt.
Beispielmuster sind konzeptionell in 9C und 9D veranschaulicht, die Beispielmuster in Form eines ausgerollten Andrucks oder eines Bohrungsplans eines Musters zeigen, das auf die Innenfläche 904 aufgebracht oder in dieser ausgebildet werden soll. Das gedruckte oder strukturierte Muster 906 kann einen ersten Satz von Winkelreferenzmerkmalen (z. B. Referenzlinien usw.) enthalten, die auf oder in der ersten nominell zylindrischen Kalibrierungsfläche ausgebildet sind, wobei die Winkelreferenzmerkmale so konfiguriert sind, dass sie durch den Radialabstandserfassungsstrahl erfasst werden und sich in bekannten Winkeln oder bekannten Winkelabständen um die Mittelachse voneinander auf oder in der ersten nominell zylindrischen Kalibrierungsfläche befinden. Die Merkmale der Muster können durch einen optischen Stift detektiert werden, wie beispielsweise den optischen Stift 220A von 7A bis 7C. Beispielsweise können Schwarz und Weiß, Graustufen oder verschiedene Farben in gedruckten Mustern, verschiedene Tiefen oder Formen von strukturierten Mustern und verschiedene Kombinationen davon in verschiedenen Ausführungsformen verwendet werden.
Wie in 9C veranschaulicht, weist das Muster 906 einen Azimutindikator oder vertikale Referenzlinien 908 auf, die in bekannten Intervallen voneinander beabstandet sind, die regelmäßig oder unregelmäßig sein können, und einen Z-Achsenindikator oder angewinkelte Referenzlinien 910, die in bekannten Intervallen voneinander beabstandet sind, die regelmäßig oder unregelmäßig sein können. Die vertikalen Linien 908 stellen Informationen zur Azimutpositionskalibrierung bereit, und die angewinkelten Linien 910 stellen Informationen zur Positionskalibrierung der Z-Achse in Bezug auf den Azimutindikator oder die vertikalen Referenzlinien 908 bereit. Die Linien 908, 910 können gleichmäßige Dicken oder unterschiedliche Dicken aufweisen. Beispielsweise ist eine der veranschaulichten vertikalen Linien 908 eine Referenzlinie mit einer anderen Dicke als die anderen vertikalen Linien, um eine bestimmte Azimutposition auf dem Kalibrierungsmessgerät 946 anzugeben. Es können mehrere Referenzlinien verwendet werden, um mehrere spezifische Positionen auf dem Kalibrierungsmessgerät anzugeben (z. B. einen Mittelpunkt). Wenn das Muster ein strukturiertes Muster ist, kann das Muster 906 von 9C einen Bohrungsplan darstellen, der Positionen von Vertiefungen oder Vorsprüngen angibt, die in der Innenfläche 904 des Kalibrierungsobjekts gebildet sind. Bei bestimmten Implementierungen kann die Innenfläche 904 ansonsten glatt sein.
Zur leichteren Veranschaulichung sind die vertikalen Linien 908 des Musters 906 von 9C als weiße Balken und die diagonalen Linien 910 als schwarze Balken gezeigt. In der Praxis kann für gedruckte Musterausführungsformen dieselbe Farbe für beide Arten von Balken (z. B. Schwarz) verwendet werden, es können verschiedene Farben für beide Arten von Balken (um z. B. eine dem Balken zugeordnete Winkelposition anzugeben) usw., und verschiedene Kombinationen davon verwendet werden. Wie vorstehend angemerkt, können für strukturierte Muster Vertiefungen verwendet werden, die unterschiedliche Breiten und Tiefen aufweisen können, um die Messung von Kalibrierungsinformationen zu erleichtern.
9C veranschaulicht auch eine beispielhafte Kalibrierungsmessspur 920. Positionsinformationen, die sich auf die vom optischen Stift 220A aufgenommene Messspur 920 beziehen (z. B. Positionsinformationen, die durch den Codierer 630 von 6 bereitgestellt werden, wenn die auf die Spur 920 bezogenen Messungen vorgenommen werden), können zusammen mit Messergebnissen verwendet werden, die der Spur 920 zugeordnet sind (z. B. Radialabstandsmessdaten, Z-Positionsmessdaten) als Kalibrierungsdaten oder -informationen oder zum Generieren von Kalibrierungsdaten oder -informationen, beispielsweise basierend auf Differenzen zwischen den Messergebnissen und den idealen Ergebnissen an den jeweiligen Messpositionen.
Das Muster 906' von 9D ist dem Muster 906 von 9C ähnlich, außer dass das Muster 906' die Winkellinien 910 des Musters 906 von 9C nicht enthält und somit die Spur 920' die Kalibrierungsinformationen misst, die sich auf das Kalibrierungsobjekt nur unter Verwendung der vertikalen Linien 908 beziehen. Falls gewünscht, können Kalibrierungsinformationen der Z-Achse durch andere Mittel erhalten werden, z. B. Detektieren des Randes der Ober- oder Unterseite des Kalibrierungsobjekts 946, wenn das Kalibrierungsobjekt in seine Position bewegt wird usw. Andere Muster können auch oder alternativ in einigen Ausführungsformen verwendet werden (z. B. angewinkelte Gitter, horizontale plus angewinkelte Linien usw.).
10 ist eine Querschnittsansicht einer zweiten Ausführungsform eines Kalibrierungsobjekts 1046 mit einer Mittelachse 1005. Das Kalibrierungsobjekt 1046 ist eine Ringlehre mit abgestuftem Durchmesser mit einer ersten Innenfläche 1048 mit einem ersten Durchmesser und einer zweiten Innenfläche 1048' mit einem zweiten Durchmesser, der kleiner als der erste Durchmesser ist. Die erste Innenfläche 1048 und/oder die zweite Innenfläche 1048' können eine gemusterte Oberfläche (z. B. mit gedrucktem oder strukturiertem Muster, siehe 9C und 9D) zur Verwendung bei der Vornahme von Kalibrierungsmessungen sein. Die Verwendung einer Ringlehre 1046 mit abgestuftem Durchmesser erleichtert die Vornahme von Kalibrierungsmessungen bei mehreren Messabständen sowie die Vornahme von Kalibrierungsmessungen im Zusammenhang mit der Z-Achse. Die Kalibrierungsmessgeräteverlängerung 744 (siehe 7A bis 7C) kann das Kalibrierungsmessgerät 1046 an einer ersten ausgefahrenen Position in Bezug auf den Messstrahl 296 positionieren, um das Vornehmen von Kalibrierungsablesungen der ersten Innenfläche 1048 zu erleichtern, und kann das Kalibrierungsmessgerät 1046 an einer zweiten ausgefahrenen Position in Bezug auf den Messstrahl 296 positionieren, um die Vornahme von Kalibrierungsablesungen der zweiten Innenfläche 1048' zu erleichtern. Die Detektion von Übergängen zwischen der ersten Innenfläche 1048 und der zweiten Innenfläche 1048' kann in einigen Ausführungsformen dazu verwendet werden, Z-Achsen-Kalibrierungsinformationen zu erhalten.
11A ist eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform eines Kalibrierungsobjekts 1146 in Form einer Ringlehre, während 11B und 11C konzeptionelle Veranschaulichungen bestimmter Aspekte eines Kalibrierungsobjekts 1146' in Form einer Ringlehre ähnlich der von 11A sind. Das Kalibrierungsobjekt 1146 von 11A weist mehrere innere kreisförmige Oberflächen 1148i bis 1148n mit abgestuften Durchmessern 1149i bis 1149n auf, und das ähnliche Kalibrierungsobjekt 1146' von 11B und 11C weist mehrere innere kreisförmige Oberflächen 1148i' bis 1148n' mit abgestuften Durchmessern 1149i' bis 1149n' auf. Eine oder mehrere der inneren kreisförmigen Oberflächen 1148i bis 1148n oder 1148i' bis 1148n' können gemusterte Oberflächen (z. B. mit gedruckten oder strukturierten Mustern, siehe 9C, 9D, 13D und 13E), zur Verwendung bei der Vornahme der Kalibrierungsmessungen sein. In der Version von 11A gibt es sieben abgestufte Innenflächen, während in der Version von 11B und 11C zehn abgestufte Innenflächen vorhanden sind. 11B weist die Form eines ausgerollten oder Bohrungsplans der zehn abgestuften Innenflächen der Ringlehre 1146' auf. 11C zeigt eine 3D-Grafik von repräsentativen Messdaten, die in einem Spiralscan in Z-Richtung unter Verwendung eines rotierenden optischen Stifts auf den abgestuften Innendurchmessern 1149i' bis 1149n' der kreisförmigen Innenflächen 1148i' bis 1148n' der Ringlehre 1146' erhoben wurden. Die Verwendung von mehrstufigen Oberflächen in den Kalibrierungsobjekten 1146 und 1146' erleichtert das Erhalten von Messungen (z. B. Radialabstandsmessungen) über einen Bereich von Abständen, die verwendet werden können, um Kalibrierungsinformationen für einen Bereich von CRS-Abständen eines optischen Stifts zu generieren, sowie das Erhalten von Z-Achsen-Kalibrierungsdaten.
Die Außenfläche 1150 der Ringlehre 1146, wie in 11A veranschaulicht, weist eine flache Stirnfläche 1152 mit einer Aussparung 1154 auf. Die flache Stirnfläche 1152 und die Aussparung 1154 können die Anordnung der Ringlehre 1146 durch eine Kalibrierungsmessgeräteverlängerung in einer Zwangsbeziehung relativ zu einer Konfiguration mit rotierendem chromatischem Entfernungssensor eines optischen Stifts erleichtern (siehe Kalibrierungsmessgeräteverlängerung 744 des optischen Stifts 220A von 7A bis 7C). Insbesondere kann die flache Stirnfläche 1152 als Referenzfläche für den Azimutdrehwinkel ω des optischen Stifts dienen, wie er in einer Messplattform montiert ist (zum Einstellen von ω = 0)), und die orthogonalen Flächen der Aussparung 1154 können als Referenz für die Ausrichtung auf eine Richtung der Z-Achse dienen. Beispielsweise können die flache Stirnfläche 1152 und die Aussparung 1154 so bemessen und geformt sein, dass sie eine entsprechende Lasche oder einen Vorsprung (nicht gezeigt) einer Kalibrierungsmessgeräteverlängerung aufnehmen, um die Ringlehre 1146 in einer Zwangsbeziehung in Bezug auf einen Konfiguration mit rotierendem chromatischem Entfernungssensor zu halten. Es können andere Positionierungsschemata verwendet werden (z. B. flache Stirnflächen auf gegenüberliegenden Seiten der Ringlehre, Aussparungen mit unterschiedlichen Formen, Laschen am Kalibrierungsobjekt und entsprechende Aussparungen an der Verlängerung des Kalibrierungsmessgeräts usw. und verschiedene Kombinationen davon).
12A ist eine perspektivische Ansicht und 12B ist eine Querschnittsansicht einer anderen Ausführungsform eines Kalibrierungsobjekts 1246 in Form eines Präzisionsglasrohrs. In Bezug auf 12B weist das Präzisionsglasrohr 1246 eine nominell zylindrische Innenfläche 1204 und eine nominell zylindrische Außenfläche 1250 auf. Die Innenfläche 1204 und/oder die Außenfläche 1250 können gemusterte Oberflächen (z. B. mit gedruckten oder strukturierten Mustern, siehe 9C, 9D, 13D und 13E), zur Verwendung bei der Durchführung von Kalibrierungsmessungen sein. Die Muster einer nominell zylindrischen Oberfläche können nicht gemusterte Abschnitte (z. B. Lücken oder Fenster zwischen Referenzlinien) enthalten, um die Vornahme von Messungen in Bezug auf ein Muster auf einer anderen nominell zylindrischen Oberfläche zu erleichtern. Beispielsweise kann ein Muster auf einer nominell zylindrischen Innenfläche 1204 Lücken oder Fenster aufweisen (siehe Fenster 1374 von 13D), durch die Merkmale eines Musters auf einer nominell zylindrischen Oberfläche 1250 betrachtet, gemessen oder auf andere Weise detektiert werden können.
Die Innenfläche 1204 und die Außenfläche 1250 sind nominell zylindrische Kalibrierungsflächen mit einer Mittelachse 1205, die sich entlang einer Z-Richtung erstreckt, die ungefähr parallel zur Rotationsachse eines optischen CRS-Stifts ausgerichtet sein soll (siehe z. B. Referenzmittelachse 820 und Rotationsachse 860 von 8A), wenn Kalibrierungsmessungen durchgeführt werden. Die erste nominell zylindrische Kalibrierungsfläche 1204, wie veranschaulicht, ist bei einem bekannten ersten Radius Ri von der Mittelachse 1205 angeordnet, die sich entlang der Z-Achse erstreckt. Die zweite nominell zylindrische Kalibrierungsfläche 1250, wie veranschaulicht, ist in einem bekannten zweiten Radius Ro von der Mittelachse 1205 angeordnet, die sich entlang der Z-Achse erstreckt.
In einigen Ausführungsformen kann die Innenfläche 1204 ein Muster aufweisen, das zum Messen eines Typs von Kalibrierungsinformationen verwendet wird (z. B. ein Muster, das das Messen von Winkelpositionsinformationen erleichtert), und die Außenfläche 1250 kann ein Muster aufweisen, das das Messen eines anderen Typs von Kalibrierungsinformationen erleichtert (z. B. ein Muster, das das Messen von Positionsinformationen in Bezug auf die Z-Achse erleichtert). In einigen Ausführungsformen kann die Außenfläche 1250 eine gemusterte Oberfläche sein, während die Innenfläche 1204 eine transparente oder halbtransparente Oberfläche ohne Muster sein kann. In derartigen Ausführungsformen können Abstands-(Radius-)Messungen erhalten werden, indem die Innenfläche 1204 und die Außenfläche 1250 (z. B. mit Umwandlung von optischer Dicke in physische Dicke unter Verwendung eines bekannten oder gemessenen Brechungsindex des Materials nach Bedarf) detektiert werden, und Winkel- und Positionsmessungen der Z-Achse können erhalten werden, indem Merkmale des Musters der Außenfläche 1250 detektiert werden.
12C veranschaulicht eine Ausführungsform eines Kalibrierungsobjekts 1246', das zwei ineinander gesteckte Präzisionsglasrohre, ein Innenrohr 1258 und ein Außenrohr 1260, umfasst. Das Innenrohr 1258 weist eine innere nominell zylindrische Kalibrierungsfläche 1262 und eine äußere nominell zylindrische Kalibrierungsfläche 1264 auf. Das Außenrohr 1260 weist eine innere nominell zylindrische Kalibrierungsfläche 1266 und eine äußere nominell zylindrische Kalibrierungsfläche 1268 auf. Die Kalibrierungsflächen 1262, 1264, 1266, 1268 weisen eine Mittelachse 1205 auf, die sich entlang einer Z-Richtung erstreckt, die ungefähr parallel zur Rotationsachse eines optischen CRS-Stifts ausgerichtet sein soll, wenn Kalibrierungsmessungen durchgeführt werden (siehe z. B. Referenzmittelachse 820 und Rotationsachse 860 von 8A). Die nominell zylindrische Kalibrierungsfläche 1262, wie veranschaulicht, ist in einem bekannten R_1i von der Mittelachse 1205 angeordnet, die sich entlang der Z-Achse erstreckt. Die nominell zylindrischen Kalibrierungsflächen 1264 und 1266, wie veranschaulicht, sind jeweils ungefähr in einem bekannten Radius R_2i von der Mittelachse 1205 angeordnet, die sich entlang der Z-Achse erstreckt (zur leichteren Veranschaulichung wird die Differenz zwischen dem Radius der nominell zylindrischen Kalibrierungsflächen 1264 und 1266 als vernachlässigbar angenommen). Die nominell zylindrische Kalibrierungsfläche 1268, wie veranschaulicht, ist in einem bekannten Radius R_2O von der Mittelachse 1205 angeordnet, die sich entlang der Z-Achse erstreckt.
Eine oder mehrere der nominell zylindrischen Innenflächen 1262 des Innenrohrs 1258, der nominell zylindrischen Außenfläche 1264 des Innenrohrs 1258, der nominell zylindrischen Innenfläche 1266 des Außenrohrs 1260 und der nominell zylindrischen Außenfläche 1268 des Außenrohrs 1260 können gemusterte Oberflächen sein (z. B. mit gedruckten oder strukturierten Mustern, siehe 9C, 9D, 13D und 13E), um bei der Vornahme von Kalibrierungsmessungen verwendet zu werden.
Die Muster einer nominell zylindrischen Oberfläche können nicht gemusterte Abschnitte (z. B. Lücken zwischen Referenzlinien oder Fenstern) enthalten, um die Vornahme von Messungen in Bezug auf ein Muster auf einer anderen nominell zylindrischen Oberfläche zu erleichtern. Beispielsweise kann ein Muster auf der nominell zylindrischen Innenfläche 1262 des Innenrohrs 1258 Lücken oder Fenster aufweisen, durch die Merkmale eines Musters auf der nominell zylindrischen Innenfläche 1266 des Außenrohrs 1260 auf eine Art und Weise ähnlich der vorstehend unter Bezugnahme auf 12B erörterten betrachtet, gemessen oder auf andere Weise detektiert werden können.
In einigen Ausführungsformen kann die Außenfläche 1268 des Außenrohrs 1260 eine gemusterte Oberfläche sein, während andere Oberflächen des Innenrohrs 1258 und des Außenrohrs 1260 transparente oder halbtransparente Oberflächen ohne Muster sein können. Abstands-(Radius-)Messungen können erhalten werden, indem eine oder mehrere der Innenflächen 1262 des Innenrohrs 1258, der Außenfläche 1264 des Innenrohrs 1258, der Innenfläche 1266 des Außenrohrs 1260 und der Außenfläche 1268 des Außenrohrs 1260 detektiert werden, und die mit der Azimut- und Z-Achse verbundenen Positionsmessungen können erhalten werden, indem Merkmale des Musters der Außenfläche 1268 des Außenrohrs 1260 detektiert werden. In einigen Ausführungsformen können verschiedene Kombinationen von gemusterten und nicht gemusterten Oberflächen und/oder Arten von Mustern verwendet werden. In einigen Ausführungsformen können zusätzliche ineinander gesteckte Rohre verwendet werden. Eine Bodenkappe oder eine andere Haltestruktur kann dazu verwendet werden, die ineinander gesteckten Rohre 1258, 1260 in Bezug zueinander in Position zu halten. Eine Ausführungsform eines der ineinander gesteckten Glasrohre erleichtert das Erhalten von Kalibrierungsinformationen über einen Bereich von CRS-Messabständen eines optischen Stifts sowie das Erhalten von Z-Achsen-Kalibrierungsdaten, ohne das Kalibrierungsobjekt für Abstandsmessungen mit mehreren Messgeräten neu zu positionieren. Physische Abstände können aus optischen Abständen oder Dicken nach Bedarf auf ähnliche Weise wie vorstehend unter Bezugnahme auf 12B erörtert erhalten werden.
13A bis 13E veranschaulichen Ausführungsformen eines Kalibrierungsobjekts 1346 in Form mehrerer ineinander gesteckter Präzisionsmetallrohre 1358, 1360 und 1370. In 13A bis 13E ist die Größe der ineinander gesteckten Metallrohre 1358, 1360 und 1370 übertrieben, und der Zwischenraum zwischen den Rohren kann zur Vereinfachung der Veranschaulichung als vernachlässigbar oder übertrieben angenommen werden. Einige Ausführungsformen können mehr als die drei ineinander gesteckten Metallrohre verwenden, wie veranschaulicht (z. B. 7 oder mehr Rohre usw.).
13A ist eine Querschnittsansicht des Kalibrierungsobjekts 1346. Das Präzisionsmetallrohr 1358 hat eine Innenfläche 1362, das Präzisionsmetallrohr 1360 hat eine Innenfläche 1366 und das Präzisionsmetallrohr 1370 hat eine Innenfläche 1372. Die Innenflächen 1362, 1366 und 1372 sind nominell zylindrische Kalibrierungsflächen mit einer Mittelachse 1305, die sich entlang einer Z-Richtung erstreckt, die ungefähr parallel zur Rotationsachse eines optischen CRS-Stifts ausgerichtet sein soll (siehe z. B. Referenzmittelachse 820 und Rotationsachse 860 von 8A), wenn Kalibrierungsmessungen durchgeführt werden. Die nominell zylindrischen Kalibrierungsflächen 1362, 1366 und 1372 sind bei bekannten Radien (wie veranschaulicht, jeweils R₁, R₂ und R₃) von der Mittelachse 1305 angeordnet, die sich entlang der Z-Achse erstreckt.
13B ist eine Seitenquerschnittsansicht, die eine Ausführungsform veranschaulicht, bei der die ineinander gesteckten Metallrohre 1358, 1360 und 1370 unterschiedliche Längen L1, L2, L3 entlang der Z-Achse 1305 aufweisen. Ein Abschnitt einer oder mehrerer der Innenflächen 1362 des Metallrohrs 1358, der Innenfläche 1366 des Metallrohrs 1360 und der Innenfläche 1372 des Rohrs 1370 kann eine gemusterte Oberfläche sein (z. B. mit gedruckten oder strukturierten Mustern, siehe 9C und 9D), die bei der Vornahme von Kalibrierungsmessungen auf ähnliche Weise zur Verwendung kommen, wie vorstehend in Bezug auf die Ringlehre 1046 mit abgestuftem Durchmesser von 10 und die Ringlehren 1146 und 1146' mit abgestuftem Durchmesser von 11A bis 11C beschrieben.
Die Kalibrierungsmessgeräteverlängerung 744 (siehe 7A bis 7C) kann das Kalibrierungsmessgerät 1346 in einer ersten ausgefahrenen Position in Bezug auf den Messstrahl 296 positionieren, um das Aufnehmen von Kalibrierungsmesswerten von der Innenfläche 1362 zu erleichtern, kann das Kalibrierungsmessgerät 1346 in einer zweiten ausgefahrenen Position in Bezug auf den Messstrahl 296 positionieren, um das Aufnehmen von Kalibrierungsmesswerten von der Innenfläche 1366 zu erleichtern, und kann das Kalibrierungsmessgerät 1346 in einer dritten ausgefahrenen Position in Bezug auf den Messstrahl 296 positionieren, um das Aufnehmen von Kalibrierungsmesswerten der Innenfläche 1372 zu erleichtern. Die Detektion von Übergängen zwischen den Innenflächen 1362, 1366, 1372 kann dazu verwendet werden, Z-Achsen-Kalibrierungsinformationen zu erhalten, zusätzlich zu oder anstelle von Z-Achsen-Kalibrierungsinformationen, basierend auf Mustern auf einer oder mehreren der Innenflächen 1362, 1366, 1372. In verschiedenen Implementierungen können andere Konfigurationen ebenfalls oder alternativ verwendet werden (z. B. kann ein Muster auf einer Innenfläche eines Außenrohrs enthalten sein, gesehen durch eine Öffnung oder ein Fenster in einem Innenrohr usw., wie nachstehend in Bezug auf 13D und 13E ausführlicher beschrieben wird).
13C bis 13E veranschaulichen eine Ausführungsform des Kalibrierungsmessgeräts 1346, bei dem die ineinander gesteckten Metallrohre 1358, 1360 und 1370 im Allgemeinen entlang der Z-Achse 1305 die gleiche Länge L1 aufweisen können. Die Längen können leicht verjüngt sein (nicht gezeigt), um das Bereitstellen einer guten Konzentrizität und Ausrichtung zu erleichtern. Wie nachstehend in Bezug auf 13D bis 13E ausführlicher erörtert wird, die konzeptionell beispielhafte Muster veranschaulichen, können die Innenrohre (wie veranschaulicht das Metallrohr 1358 und das Metallrohr 1360) Muster in Form von Fenstern oder Ausschnitten aufweisen, die sich durch die Seiten der Rohre um den Umfang herum erstrecken, damit der Messstrahl 296 zur Rohrwand bzw. zu Rohrwänden mit größerem Radius gelangen kann. Einer oder mehrere der verbleibenden Abschnitte der Innenfläche 1362 des Rohres 1358, der Innenfläche 1366 des Rohres 1360 und der Innenfläche 1372 des Rohres 1370 können gemusterte Oberflächen umfassen (z. B. mit gedruckten oder strukturierten Mustern, siehe 9C und 9D) zur Verwendung bei der Durchführung von Kalibrierungsmessungen auf ähnliche Weise wie vorstehend beschrieben.
Wie veranschaulicht, weist das Kalibrierungsobjekt 1346 eine Kappe 1380 auf, um die Rohre 1358, 1360, 1370 in Bezug zueinander in Position zu halten. Die Kalibrierungsmessgeräteverlängerung 744 (siehe 7A bis 7C) kann mit der Kappe 1380 in Eingriff stehen, um das Kalibrierungsmessgerät 1346 in einer Zwangsbeziehung in Bezug auf eine Konfiguration mit rotierendem chromatischem Entfernungssensor anzuordnen (siehe 7A bis 7C). Eine Ausführungsform mit ineinander gesteckten Metallrohren, wie sie in 13D und 13E veranschaulicht ist, erleichtert das Erhalten von Kalibrierungsinformationen über einen Bereich von CRS-Abständen eines optischen Stifts sowie das Erhalten von Z-Achsen-Kalibrierungsdaten, ohne das Kalibrierungsobjekt für jeden Messabstand R₁, R₂, R₃ neu zu positionieren.
13D veranschaulicht konzeptionell das Kalibrierungsobjekt 1346, bei dem das innere der ineinander gesteckten Rohre 1358 ein Muster in Form von Fenstern 1374 aufweist, die sich durch das Rohr 1358 erstrecken, und das mittlere der ineinander gesteckten Rohre ein Muster in Form von Fenstern 1376 aufweist, die sich durch das Rohr 1360 erstrecken. 13D veranschaulicht ein beispielhaftes Muster in Form eines ausgerollten Fenster-/Andruck-/Bohrungsplans eines oder mehrerer Muster, die auf die Innenflächen 1362, 1366, 1372 der Rohre 1358, 1360, 1370 aufgebracht oder in diesen ausgebildet werden sollen.
Die Fenster 1374 des Innenrohrs 1358 und die Fenster 1376 des Mittelrohrs sind so dimensioniert, und das Innen- und das Mittelrohr 1358, 1360 sind so positioniert, dass im Betrieb eine Konfiguration mit rotierendem chromatischem Entfernungssensor (siehe 7A bis 7C) Fenster 1376 des Rohrs 1360 durch die Öffnungen der Fenster 1374 in dem Rohr 1358 detektieren kann, und einen Abschnitt der Innenfläche 1372 des Außenrohrs 1370 detektieren kann. Die Detektion der Fenster 1374, 1376 und der Oberflächen 1362, 1366, 1372 durch eine Konfiguration mit rotierendem chromatischem Entfernungssensor (siehe 7A bis 7C) kann Kalibrierungsmessdaten zur Verwendung als oder zum Generieren von Kalibrierungsdaten oder - informationen bereitstellen.
Zusätzlich können eine oder mehrere der Innenflächen 1362, 1366, 1372 gemusterte Oberflächen enthalten (z. B. mit gedruckten oder strukturierten Mustern, siehe 9C und 9D), die auch verwendet werden können, um Kalibrierungsmessungen durchzuführen. Wie veranschaulicht, enthält die Oberfläche 1362 des Rohrs 1358 vertikale Musterlinien 1308, die Oberfläche 1366 des Rohrs 1360 enthält angewinkelte Linien 1310 und die Oberfläche 1372 des Rohrs 1370 enthält angewinkelte Linien 1310. Während die veranschaulichten Fenster 1374, 1376 vertikale Rechtecke sind, können einige oder alle Fenster angewinkelte Seiten aufweisen, die verwendet werden können, um Messdaten für die Kalibrierung der Z-Achse bereitzustellen (z. B. anstelle von oder zusätzlich zu den angewinkelten Linien 1310).
Die in 13E veranschaulichte Ausführungsform ist der Ausführungsform von 13D ähnlich, außer dass anstelle von Fenstern das innere der ineinander gesteckten Rohre 1358 ein Muster in Form von Ausschnitten 1382 aufweist, die sich durch das Rohr 1358 erstrecken, und das mittlere der ineinander gesteckten Rohre ein Muster in Form von Ausschnitten 1384 aufweist, die sich durch das Rohr 1360 erstrecken. 13E veranschaulicht ein beispielhaftes Muster in Form eines ausgerollten Ausschnitt-/Andruck-/Bohrungsplans eines oder mehrerer Muster, die auf die Innenflächen 1362, 1366, 1372 der Rohre 1358, 1360, 1370 aufgebracht oder in diesen ausgebildet werden sollen.
Die Ausschnitte 1382 des Innenrohrs 1358 und die Ausschnitte 1384 des Mittelrohrs 1360 sind so dimensioniert, und das Innen- und das Mittelrohr 1358, 1360 sind in Bezug zu einander so positioniert, dass im Betrieb eine Konfiguration mit rotierendem chromatischem Entfernungssensor (siehe 7A bis 7C) die Ausschnitte 1384 des Rohrs 1360 durch die Öffnungen der Ausschnitte 1382 in dem Rohr 1358 detektieren kann, und einen Abschnitt der Innenfläche 1372 des Außenrohrs 1370 durch mindestens einige teilweise ausgerichtete Öffnungen der Ausschnitte 1382 und 1384 detektieren kann. Die Detektion der Ausschnitte 1382, 1384 und der Oberflächen 1362, 1366, 1372 durch eine Konfiguration mit rotierendem chromatischem Entfernungssensor (siehe 7A bis 7C) kann Kalibrierungsmess-(Abstands)-Daten zur Verwendung als oder zum Generieren von Kalibrierungsdaten oder - informationen bereitstellen. Zusätzlich können, wie vorstehend angemerkt, eine oder mehrere der Innenflächen 1362, 1366, 1372 gemusterte Oberflächen enthalten (z. B. mit gedruckten oder strukturierten Mustern, wie angewinkelten Linien 1310), die auch dazu verwendet werden können, Kalibrierungsmessungen durchzuführen.
14 ist eine grafische Darstellung von Kalibrierungstestdaten, die unter Verwendung eines Kalibrierungsobjekts gesammelt wurden, das für die Vornahme von Messungen in sieben Kalibrierungsstufen bereitgestellt ist und in Zylinderkoordinaten (Z-Achse in die Seite) aufgetragen ist. Beispielsweise kann eine Kalibrierungsringlehre verwendet werden, die sieben oder mehr konzentrische Kalibrierungsflächen aufweist, wie beispielsweise abgestufte Kalibrierungsflächen (siehe z. B. 11A bis 11C und 13B) und/oder Kalibrierungsflächen, die im Allgemeinen in einer Ebene senkrecht zur Z-Achse der Konfiguration mit rotierendem chromatischem Entfernungssensorsystem (siehe z. B. 12C und 13C bis 13E) ausgerichtet sein können, usw. Die vertikale Achse stellt den gemessenen Radialabstand dar und die horizontale Achse stellt den Drehwinkel des optischen Stifts, aufgetragen in Einheiten von Rotationszyklen, dar. In einigen Implementierungen kann das Messen bei verschiedenen Radialabständen das Neupositionieren des Kalibrierungsobjekts in Bezug auf die Z-Achse umfassen (z. B. Einstellen einer Position des Kalibrierungsobjekts unter Verwendung der Kalibrierungsmessgeräteverlängerung 744 der 7A bis 7C für Kalibrierungsobjekte mit abgestuften Oberflächen, wie die in den 11A bis 11C und 13B gezeigten Ausführungsformen), möglicherweise Einstellen von Steuerparametern einer Sondensignalverarbeitungs- und Steuerschaltung (siehe Sondensignalverarbeitungs- und Steuerschaltung 207 von 2 und 5) und/oder Abtasten eines Z-Achsentisches, der in die Verlängerung oder Plattform eingebaut ist, um einen Spiralscan durchzuführen, usw.

Die folgende Tabelle 1 veranschaulicht beispielhafte Fehlerursachen in einer Konfiguration mit rotierendem chromatischem Entfernungssensor. Siehe auch 8C, die vorstehend erörtert wurde. Tabelle 1: Fehlausrichtungen und daraus resultierende Fehler

Fehlausrichtung	Fehlerbeispiele
Drehen der Prismenorientierung (siehe reflektierendes Element 294 von 6)	Z-Versatz Z_o Azimutversatz φ_o Radius-Skalierung (linearer Korrekturterm (R_L) Z-Skalierung (linearer Korrekturterm (Z_L)
Fehlausrichtung der Rotationsachse in Bezug auf die Montageachse und die optische Achse des Stifts (siehe Rotationsachse 860 von 8A und Achsen m, r, o; in 8B gekennzeichnet).	Radiusversatz R_o Z-Achse Fehler der ersten Harmonischen Cz1 Radius Fehler der zweiten Harmonischen C_R2
Drehung XY versetzt von der Halterung (siehe Wechselhalterung 285 von 6)	Radius Fehler der ersten Harmonischen C_R1 Azimut Fehler der ersten Harmonischen Cφ₁

Die durch Fehlausrichtungen verursachten Fehler können auch unter Verwendung von Gleichungssystemen dargestellt werden, die mit Messdaten verglichen werden können, die auf Kalibrierungsartefakten erhoben wurden, um Kalibrierungsdaten oder Informationen zu generieren, die zum Kompensieren der Fehler verwendet werden (z. B. zum Einstellen der Testergebnisse verwendet). Beispielsweise kann eine Kurvenanpassung an die gemessenen Daten verwendet werden, um die Koeffizienten der Gleichungen zu bestimmen, die die Fehler darstellen.
In einem Beispiel können Messfehler durch die folgenden Beziehungen dargestellt werden (Gleichung 1): $[\begin{matrix} Δ R \\ Δ φ \\ Δ Z \end{matrix}] = [\begin{matrix} R_{0} + R_{L} D_{L} + C_{R 1} cos (2 π ω_{c} + θ_{R 1}) + C_{R 2} cos (4 π ω_{c} + θ_{R 2}) \\ φ_{0} + φ_{L} D_{L} + C_{φ 1} D_{C} sin (2 π ω_{c} + θ_{φ 1}) + C_{φ 2} D_{C} sin (4 π ω_{c} + θ_{φ 2}) \\ Z_{0} + Z_{L} D_{L} + C_{z 1} D_{C} sin (2 π ω_{c} + θ_{z 1}) + C_{z 2} D_{C} sin (4 π ω_{c} + θ_{z 2}) \end{matrix}]$
wobei die Variablen der Messeingangsdaten D_C undω_c sind (Z_C, die vorstehend nicht erscheint, ist ein dritter Messeingang, der erhoben werden kann); die Messfehler sind ΔR,Δφ und ΔZ; und die Anpassungskoeffizienten bis zu den zweiten Harmonischen sind der Rest der Symbole, alle wie nachstehend definiert:

D_C stellt die kompensierten Abstandsmessdaten vom optischen Stift dar, die so kalibriert sind, dass sie linear sind, wenn sie sich nicht drehen, aber bei Verwendung bei der Rotationsmessung einen Versatz- und Skalierungsfehler aufweisen können, der aus verschiedenen mechanischen Fehlausrichtungen im Messsystem resultiert;
ω_C stellt den kompensierten Drehwinkelausgang des Codierers des optischen Stifts dar;
Z_C stellt den kompensierten Z-Achsentischpositionsausgang der Codiererplattform des optischen Stifts dar;
ΔR stellt den Radialabstandsmessfehler dar, der Terme mit den folgenden Koeffizienten enthält:
- R₀ stellt einen konstanten Term mit radialem Versatz dar;
- R_L stellt einen radialen linearen (Skalierungs-)Termkoeffizienten dar;
- C_R1 stellt einen radialen Amplitudenkoeffizienten des Terms der ersten Harmonischen dar;
- θ_R1 stellt einen radialen Phasenkoeffizienten der ersten Harmonischen dar;
- C_R2 stellt einen radialen Amplitudenkoeffizienten der zweiten Harmonischen dar;
- θ_R2 stellt einen radialen Phasenkoeffizienten der zweiten Harmonischen dar;
Δφ stellt den Azimutmessfehler dar, der Terme mit den folgenden Koeffizienten enthält:
- φ₀stellt einen konstanten Term für den Azimutversatz dar;
- φ_L stellt einen linearen Azimut-(Skalierungs-)Termkoeffizienten dar;
- C_φ1 stellt einen Amplitudenkoeffizienten der ersten Harmonischen des Azimuts dar;
- θ_φ1 stellt einen Azimutphasenkoeffizienten der ersten Harmonischen dar;
- C_φ2 stellt einen Amplitudenkoeffizienten der zweiten Harmonischen des Azimuts dar;
- θ_φ2 stellt einen Azimutphasenkoeffizienten der zweiten Harmonischen dar;
ΔZ stellt den Messfehler der Z-Achse dar, der Terme mit den folgenden Koeffizienten enthält:
- Z₀ stellt einen konstanten Term für den Versatz der Z-Achse dar;
- Z_L stellt einen linearen (Skalierungs-)Termkoeffizienten der Z-Achse dar;
- C_z1 stellt einen Amplitudenkoeffizienten der ersten Harmonischen der Z-Achse dar;
- θ_Z1 stellt einen Phasenkoeffizienten der ersten Harmonischen der Z-Achse dar;
- C_z2 stellt einen Amplitudenkoeffizienten der zweiten Harmonischen der Z-Achse dar;
- θ_Z2 stellt einen Phasenkoeffizienten der zweiten Harmonischen der Z-Achse dar;

Die vollständig kompensierten Messungen für ein rotierendes CRS-Messsystem können in Zylinderkoordinaten durch die folgenden Beziehungen dargestellt werden (Gleichung 2): ${[\begin{matrix} R \\ φ \\ Z \end{matrix}]}_{R C P S, c} = [\begin{matrix} D_{C} - Δ R \\ φ_{C} - Δ φ \\ Z_{C} - Δ Z \end{matrix}]$
Dabei sind Terme auf der rechten Seite wie vorstehend definiert, und
R_RCPS,c stellt den vollständig kompensierten gemessenen Radialabstand dar;
φ_RCPS,c stellt den vollständig kompensierten gemessenen Azimutwinkel dar;
Z_RCPS,c stellt den gemessenen Z-Achsenabstand dar.
14 ist ein Beispiel einer Z-Achsen-Projektion kompensierter Daten des in 11B gezeigten Kalibrierungsartefakts, aufgetragen in Zylinderkoordinaten. Die Daten sind mindestens für Radiusversatz kompensiert.
Die Daten können wie folgt von Zylinderkoordinaten in kartesische Koordinaten umgewandelt werden (Gleichung 3): ${[\begin{matrix} Δ X \\ Δ Y \\ Δ Z \end{matrix}]}_{R C P S, c} = {[\begin{matrix} R cos (2 π φ) \\ R sin (2 π φ) \\ Z \end{matrix}]}_{R C P S, c}$
Die Umwandlungen können verwendet werden, um die Visualisierung der Daten zu unterstützen. 11C ist ein Beispiel der Daten aus 14, die in kartesische Koordinaten umgewandelt und in diese aufgetragen wurden. Die Umwandlungen können auch dazu verwendet werden, die Daten zu normieren. Beispielsweise können die Daten in kartesische Koordinaten umgewandelt werden, Rotations- und Translationsumwandlungen können angewendet werden, um die Daten an der Z-Achse auszurichten, und dann können die Daten zurück in Zylinderkoordinaten umgewandelt werden.
In einigen Fällen können interessierende Messungen innerhalb eines kleinen Radiusmessbereichs liegen, und die Kalibrierung auf einen einzelnen Kalibrierungsartefaktradius ist ausreichend. In diesen Fällen können die linearen Koeffizienten R_L,φ_L und Z_L auf Null gesetzt werden und die Anpassung schließt unter Umständen nur Terme für konstanten Versatz R₀, φ₀ und Z₀ zusammen mit Termen für Harmonische nach Bedarf (zum Beispiel sind im Radius unter Umständen nur Terme für 1. und 2. Harmonische erforderlich) ein. In anderen Fällen können Messungen den gesamten Radiusbereich des optischen Stifts abdecken, und es können separate Ringlehren oder wünschenswerterweise eine mehrstufige Ringlehre dazu verwendet werden, den gesamten Bereich der Radienmessungen zu kalibrieren. Potenzielle Azimut- und Z-Achsenfehler bei verschiedenen Radien können bei Bedarf auch mit einem Kalibrierungsartefakt kalibriert werden, das die erforderlichen Markierungen oder Merkmale für die Azimut- und Z-Kalibrierung aufweist. In einem derartigen Fall können lineare Anpassungen sowohl die linearen Koeffizienten R_L,φ_L und Z_L enthalten, als auch die Terme für konstanten Versatz R₀, φ₀ und Z₀.. Anpassungen könnten sowohl an diese Parameter als auch an harmonische Koeffizienten gleichzeitig erfolgen. In einigen Fällen kann es wünschenswert sein, Radiendaten (siehe Beschriftungen „mittlerer Radialabstand“ in 14) über vollständige, integrale Rotationszyklen zu mitteln (wodurch der Oberwellengehalt ausgemittelt wird) und dann Linearitäts- und Versatzterme nur an die Radien von mehreren Messgeräten R i an die mittleren Radiendaten anzupassen, um die linearen KorrekturkoeffizientenR_L, φ_L und Z_L und konstante VersatzkorrekturtermeR₀, φ₀ und Z₀. zu bestimmen.
Beispielsweise ist 15 eine grafische Darstellung der Kalibrierungstestdaten von 14 und Angaben zu rückverfolgbaren akzeptierten Werten. Die vertikale Achse von 15 stellt die mittleren Radialabstände dar und die horizontale Achse von 15 stellt die Messgerätenummer (Nummer der Stufe im Fall eines abgestuften Messgeräts) des Kalibrierungsobjekts dar. Bei einem/einer gegebenen Radialabstand oder Stufe entspricht die Differenz zwischen den Testdaten und dem rückverfolgbaren akzeptierten Wert dem Radiusfehler ΔR in diesem Abstand oder auf dieser Stufe. Eine direkt an die Testdaten angepasste Linie zeigt eine gute Linearität, aber einen gewissen Versatz- und Steigungsfehler gegenüber den rückverfolgbaren akzeptierten Werten aus dem mehrstufigen Kalibrierungsartefakt. Eine lineare Anpassung (gepunktete Linie) der gemessenen mittleren Radialabstände an die rückverfolgbaren akzeptierten Werte für die Radien der Stufen (d. h. ΔR= R₀ + R_LD_C aus Gleichung 1) führt zu einer Messung, die auf den rückverfolgbaren akzeptierten Wert kalibriert ist, wobei die Kalibrierungskoeffizienten für korrigierte Steigung R_L und korrigierten Versatz R₀ bestimmt werden. Die korrigierte Steigung und der korrigierte Versatz können verwendet werden, um eine Konfiguration mit chromatischem Drehpunktsensor für genaue Radiusmessungen über den Messbereich zu kalibrieren. Ähnliche Korrekturen können für die Z-Achse und den Azimutwinkel wie gewünscht von Z-Achsen- oder Azimutwinkel-Referenzmustern in Kalibrierungsartefakten bei verschiedenen Radien vorgenommen werden.
16 ist eine grafische Darstellung für das Erhalten eines Satzes kontinuierlicherer Kalibrierungsabstandsmessungen in einem Bereich unterschiedlicher Abstände (wie veranschaulicht, bei vier Messabständen) und unterschiedlicher Versätze (wie veranschaulicht, bei N Versätzen). Durch Vergleichen der Messungen bei den verschiedenen Messabständen und Versätzen können Fehler, die auf mechanische Drehung zurückzuführen sind (die in Bezug auf den Drehwinkel einen gemeinsamen Modus aufweisen), von Fehlern getrennt werden, die auf die CRS-Stiftkalibrierung zurückzuführen sind (die in Bezug auf den gemessenen CRS-Abstand einen gemeinsamen Modus aufweisen), beispielsweise durch gleichzeitige Kurvenanpassung.
Durch Verwendung des X-Y-Versatzes von der Achse eines Messgeräts (z. B. eines Messgeräts mit mehreren Abständen) und die Verwendung der Messabstandsstufen können Messabstandsdaten jedes CRS-Abstands innerhalb eines CRS-Bereichs zugeordnet sein. Dies kann eine kontinuierliche Kalibrierung des CRS-Abstands erleichtern, im Gegensatz zu einer stückweise linearen Kalibrierung, die einfach auf dem Radius bei jedem Ringlehrenabstand oder jeder Stufe basiert. Beispielsweise kann eine erste Kalibrierung mit einer idealen Achse eines im Kalibrierungsobjekt zentrierten optischen Stifts durchgeführt werden, um Fehler der Harmonischen zu beseitigen. Wie in 16 veranschaulicht, richtet der Versatz 1 die ideale Achse des optischen Stifts an der Mittelachse des Kalibrierungsobjekts aus. Diese Daten können dazu verwendet werden, eine Korrektur bei bestimmten Radiusmessungen mit kleinen Abweichungen zu erzeugen. Kalibrierungsabstandsmessungen können dann an mehreren Versätzen (z. B. Versatz 2 bis Versatz N) der idealen Achse des optischen Stifts von der Mittelachse des Kalibrierungsobjekts vorgenommen werden. In verschiedenen Implementierungen können die generierten Daten Messungen in einem kontinuierlichen Bereich von Radien enthalten. In verschiedenen Implementierungen kann der X-Y-Versatz zu einer kleinen, oszillierenden Abweichung in der Sensorausrichtung zur Ringlehre oder zur analogen Werkstückoberflächennormalen führen. In Abhängigkeit von den Oberflächentypen des Kalibrierungsartefakts kann sich aus einer derartigen Abweichung ein Radiusmessfehler ergeben. In derartigen Implementierungen kann die Oberfläche bekannt sein und die Winkelabweichung kann deterministisch sein, sodass eine Nachschlagetabelle oder eine ähnliche Berechnung verwendet werden kann, um einen derartigen Fehler bei Bedarf zu korrigieren.
Es versteht sich, dass eine Ringlehre (d. h. ein Kalibrierungsobjekt), wie sie hier beschrieben ist, zum Kalibrieren eines optischen Stifts besonders vorteilhaft sein kann, wenn die Achse des optischen Stifts zur Ringlehrenachse ausgerichtet werden kann, und anschließend Werkstückmessungen mit einer entsprechenden Ausrichtung (z. B. derselben Ausrichtung) durchgeführt werden. Derartige Konfigurationen können auf verschiedenen Plattformen erreicht werden (z. B. SCARA-Roboter, Bildverarbeitungssystem, CMM mit fester Autoaufnahme usw.). Beispielsweise kann die Sonde in einigen derartigen Konfigurationen in einer festen (z. B. vertikalen) Orientierung gehalten werden (d. h. diese kann sowohl für einen Kalibrierungsprozess als auch für die Durchführung von Messungen von Werkstücken verwendet werden), und für einen Kalibrierungsprozess kann die Ringlehre in einer entsprechenden festen (z. B. vertikalen) Orientierung an der Plattform montiert werden.
17 ist ein Flussdiagramm, das ein Ausführungsbeispiel einer Routine 1700 zum Kalibrieren einer Konfiguration mit rotierendem chromatischem Entfernungssensor einer CMM veranschaulicht, die beispielsweise von einer oder mehreren der Ausführungsformen einer CMM mit einem Kalibrierungsobjekt verwendet werden kann, wie hierin beschrieben. In einer Ausführungsform stellt die Routine Kalibrierungsdaten oder Informationen zum Korrigieren von Ausrichtungsfehlern für eine Konfiguration mit rotierendem chromatischem Entfernungssensor bereit, die dazu konfiguriert ist, einen Radialabstandserfassungsstrahl entlang einer radialen Richtung relativ zu einer Rotationsachse zu richten und den Radialabstandserfassungsstrahl um die Rotationsachse zu drehen.
Die Routine 1700 beginnt bei 1702, wenn die Routine beispielsweise durch eine Sondensignalverarbeitungs- und -Steuerschaltung (z. B. eine Sondensignalverarbeitungs- und Steuerschaltung 207 der 2 und 5) aufgerufen werden kann. Die Routine 1700 fährt von 1702 fort mit 1710.
Bei 1710 sind ein Kalibrierungsobjekt (siehe z. B. das Kalibrierungsobjekt 746 von 7A und 7C, die Kalibrierungsobjekte 946 von 9A bis 9D, das Kalibrierungsobjekt 1046 von 10, die Kalibrierungsobjekte 1146 und 1146' von 11A bis 11C, das Kalibrierungsobjekt 1246 von 12A und 12B, das Kalibrierungsobjekt 1246' von 12C, die Kalibrierungsobjekte 1346 von 13A bis 13E) in Bezug auf die Konfiguration mit rotierendem chromatischem Entfernungssensor einer CMM positioniert (siehe 6 und 7A bis 7C). Das Kalibrierungsobjekt hat mindestens eine erste nominell zylindrische Kalibrierungsfläche (siehe z. B. die Flächen 1148i bis 1148n und 1148i' bis 1148n' von 11A bis 11C) mit einer Mittelachse, die sich entlang einer Z-Richtung erstreckt, die ungefähr parallel zur Rotationsachse der CMM ausgerichtet werden soll. Die erste nominell zylindrische Kalibrierungsfläche ist in einem bekannten ersten Radius von der Mittelachse des Kalibrierungsobjekts angeordnet, die sich entlang der Z-Richtung erstreckt.
Die erste nominell zylindrische Kalibrierungsfläche kann ein oder mehrere Referenzmerkmale enthalten, die auf oder in der ersten nominell zylindrischen Kalibrierungsfläche gebildet sind, wie beispielsweise einen ersten Satz vertikaler Referenzmerkmale (siehe z. B. vertikale Linien 908 von 9C), einen ersten Satz von Winkelreferenzmerkmalen (siehe z. B. angewinkelte Linien 910 von 9C) usw. Die Referenzmerkmale können so konfiguriert sein, dass sie durch den Radialabstandserfassungsstrahl erfasst werden und sich in bekannten Positionen zueinander befinden (z. B. können Winkelreferenzmerkmale bekannte Winkel oder bekannte Winkelabstände um die Mittelachse voneinander auf oder in der ersten nominell zylindrischen Kalibrierungsfläche aufweisen).
Das Kalibrierungsobjekt kann in einer Zwangsbeziehung relativ zu der Konfiguration mit rotierendem chromatischem Entfernungssensor angeordnet sein, wobei die Richtung der Rotationsachse und die Richtung der Mittelachse in einer nominell festen Winkelbeziehung relativ zueinander sind und parallel innerhalb eines Schwellenwerts, zum Beispiel innerhalb von 5 Grad zueinander, sind. Das Kalibrierungsobjekt kann in der Zwangsbeziehung gehalten werden, beispielsweise durch eine Kalibrierungsmessgeräteverlängerung der rotierenden CRS-Konfiguration (siehe z. B. Kalibrierungsmessgeräteverlängerung 744 von 7A bis 7C). Die Routine 1700 fährt von 1710 fort mit 1720.
Bei 1720 betätigt die Routine die Konfiguration mit rotierendem chromatischem Entfernungssensor, um einen ersten Satz von Radialabstandsmessdaten bereitzustellen, die erfasst werden, während der Radialabstandserfassungsstrahl um die Rotationsachse an einer ersten Z-Koordinate entlang der Z-Richtung relativ zum Kalibrierungsobjekt gedreht wird, wobei die Radialabstandsmessdaten auf einen erfassten Drehwinkel des Radialabstandserfassungsstrahls um die Rotationsachse bezogen sind. Beispielsweise kann ein Codierer (siehe Codierer 630 von 6) erfasste Drehwinkelinformationen liefern. Die Routine 1700 fährt von 1720 fort mit 1730.
Bei 1730 bestimmt die Routine 1700, ob ein zusätzlicher Satz von Radialabstandsmessdaten erhalten werden soll. Wenn bei 1730 bestimmt wird, dass ein zusätzlicher Satz von Radialabstandsmessdaten erhalten werden soll, fährt die Routine 1700 von 1730 fort mit 1740.
Bei 1740 führt die Routine optionale Einstellungen durch, um das Erhalten des zusätzlichen Satzes von Radialabstandsdaten zu erleichtern, wie beispielsweise das Neupositionieren eines abgestuften Kalibrierungsobjekts (z. B. Kalibrierungsobjekt 1146 von 11A bis 11C) unter Verwendung einer Kalibrierungsmessgeräteverlängerung (z. B. Kalibrierungsmessgeräteverlängerung 744 von 7A bis 7C) oder anderweitiges Einstellen der Position des Kalibrierungsobjekts und/oder der CRS-Sonde relativ zueinander, Einstellen der Signalverarbeitungsroutinen usw. Von 1740 kehrt die Routine 1700 zu 1720 zurück, um die CRS-Sonde zu betreiben, um den zusätzlichen Satz von Radialabstandsmessdaten zu erhalten.
Wenn bei 1730 nicht bestimmt wird, einen zusätzlichen Satz von Radialabstandsmessdaten zu erhalten, fährt die Routine von 1730 fort mit 1750. Bei 1750 verarbeitet die Routine 1700 den/die erhaltenen Satz/Sätze von Radialabstandsmessdaten, die auf den erfassten Drehwinkel referenziert sind, um die Kalibrierungsdaten zu bestimmen, wobei die Kalibrierungsdaten dazu konfiguriert sind, dass sie zum Charakterisieren oder Kompensieren von Radialabstandsmessfehlern in Abhängigkeit vom erfassten Drehwinkel des Radialabstandserfassungsstrahls um die Rotationsachse verwendet werden können. Die Routine 1700 fährt von 1750 fort mit 1760, wo die Routine die Verarbeitung beenden oder eine zusätzliche Verarbeitung durchführen kann (wie das Speichern der Kalibrierungsdaten und/oder das Bestimmen zusätzlicher Kalibrierungsdaten usw.).
Ausführungsformen der Routine 1700 können mehr Handlungen als veranschaulicht ausführen, können weniger Handlungen als veranschaulicht ausführen und können Handlungen in verschiedenen Reihenfolgen oder Abfolgen ausführen. Beispielsweise kann die Routine 1700 in einer Ausführungsform Radialabstandsdatensätze für mehrere Messabstände parallel erhalten (z. B. wenn Messungen eines Kalibrierungsobjekts mit mehreren Kalibrierungsflächen durchgeführt werden, die im Allgemeinen in einer Ebene senkrecht zur Z-Achse des rotierendem chromatischem Entfernungssensorsystems ausgerichtet sind (siehe 12C und 13C bis 13E). In einer Ausführungsform kann die Routine 1700 einen oder mehrere Radialabstandsmessdatensätze verarbeiten, bevor das Erhalten von Datensätzen abgeschlossen ist. In einem anderen Beispiel können die Kalibrierungsinformationen in einigen Ausführungsformen Daten enthalten, die unter Verwendung eines Interferometers erhalten wurden, wie beispielsweise ideale CRS-Abstände, die dem optischen Stift zugeordnet sind, Radien einer oder mehrerer nominell zylindrischer Kalibrierungsflächen usw. Die Routine 1700 kann modifiziert werden, um Abrufen der mit dem Interferometer erhaltenen Daten einzuschließen und/oder Messungen mit dem Interferometer einzuschließen.
Wie vorstehend beschrieben, wird ein Verfahren zum Bereitstellen von Kalibrierungsdaten zum Korrigieren von Ausrichtungsfehlern für eine Konfiguration mit rotierendem chromatischem Entfernungssensor bereitgestellt. Die Konfiguration mit rotierendem chromatischem Entfernungssensor ist dazu konfiguriert, einen Radialabstandserfassungsstrahl entlang einer radialen Richtung relativ zu einer Rotationsachse zu richten und den Radialabstandserfassungsstrahl um die Rotationsachse zu drehen. Es wird ein Kalibrierungsobjekt bereitgestellt, das mindestens eine erste nominell zylindrische Kalibrierungsfläche mit einer Mittelachse aufweist, die sich entlang einer Z-Richtung erstreckt, die ungefähr parallel zur Rotationsachse ausgerichtet sein soll. Die erste nominell zylindrische Kalibrierungsfläche ist mit einem bekannten ersten Radius R1 von der Mittelachse angeordnet, die sich entlang der Z-Richtung erstreckt und einen ersten Satz von Winkelreferenzmerkmalen enthält, die auf oder in der ersten nominell zylindrischen Kalibrierungsfläche gebildet sind. Die Winkelreferenzmerkmale sind so konfiguriert, dass sie durch den Radialabstandserfassungsstrahl erfasst werden, und befinden sich in bekannten Winkeln oder bekannten Winkelabständen um die Mittelachse voneinander auf oder in der ersten nominell zylindrischen Kalibrierungsfläche. Das Kalibrierungsobjekt ist in einer Beziehung relativ zur Konfiguration mit rotierendem chromatischem Entfernungssensor angeordnet. Die Richtung der Rotationsachse und die Richtung der Mittelachse stehen in einer nominell festen Winkelbeziehung relativ zueinander und sind innerhalb von 5 Grad parallel zueinander.
Die Konfiguration mit rotierendem chromatischem Entfernungssensor wird betrieben, um einen ersten Satz von Radialabstandsdaten bereitzustellen, die erfasst werden, während der Radialabstandserfassungsstrahl um die Rotationsachse an einer ersten Z-Koordinate entlang der Z-Richtung relativ zum Kalibrierungsobjekt gedreht wird, wobei die Radialabstandsdaten auf einen erfassten Drehwinkel des Radialabstandserfassungsstrahls um die Rotationsachse referenziert sind. Der erste Satz von Radialabstandsdaten, die auf den erfassten Drehwinkel referenziert sind, wird verarbeitet, um die Kalibrierungsdaten zu bestimmen. Die Kalibrierungsdaten sind dazu konfiguriert, zum Charakterisieren oder Kompensieren von Radialabstandsmessfehlern in Abhängigkeit vom erfassten Drehwinkel des Radialabstandserfassungsstrahls um die Rotationsachse verwendbar zu sein.
In einigen Implementierungen enthält das Verfahren das Erhalten eines ersten Satzes von Radialabstandsdaten und das Einstellen einer Z-Beziehung zwischen der Konfiguration mit rotierendem chromatischem Entfernungssensor und dem Kalibrierungsobjekt auf eine zweite Z-Koordinate entlang der Z-Richtung relativ zum Kalibrierungsobjekt, wobei eine Differenz zwischen der ersten und zweiten Z-Koordinate bekannt ist. Die festgelegte nominell feste Winkelbeziehung wird während des Einstellens nicht verändert. Das Betätigen der Konfiguration mit rotierendem chromatischem Entfernungssensor wird wiederholt, um einen zweiten Satz von Radialabstandsdaten an der zweiten Z-Koordinate bereitzustellen. Der erste und der zweite Satz von Radialabstandsdaten, die sich auf den erfassten Drehwinkel beziehen, werden verarbeitet, um die Kalibrierungsdaten zu bestimmen. Die Kalibrierungsdaten sind dazu konfiguriert, zum Charakterisieren oder Kompensieren von Radialabstandsmessfehlern in Abhängigkeit vom erfassten Drehwinkel des Radialabstandserfassungsstrahls um die Rotationsachse verwendbar zu sein.
In einigen Implementierungen ist das Kalibrierungsobjekt eine spezielle Ringlehre, und das Verfahren schließt das Montieren mindestens der Konfiguration mit rotierendem chromatischem Entfernungssensor und/oder der speziellen Ringlehre an einer Präzisions-Z-Bewegungstischkomponente, sich zwangsweise entlang der Z-Richtung bewegt, ein. Die Präzisions-Z-Bewegungstischkomponente wird betätigt, um die bekannte Differenz zwischen der ersten und der zweiten Z-Beziehung festzulegen.
In einigen Implementierungen enthält die erste nominell zylindrische Kalibrierungsfläche mindestens eine jeweilige vollständige oder teilweise Spiralnut oder Rippen, die in einer Wand der Oberfläche ausgebildet sind, wobei die Z-Koordinate jeder jeweiligen vollständigen oder teilweisen Spiralnut oder Rippe in Abhängigkeit vom Winkel um den Umfang der Wand der Oberfläche bekannt ist.
In einigen Implementierungen ist das Kalibrierungsobjekt eine spezielle Ringlehre, und die Konfiguration mit rotierendem chromatischem Entfernungssensor umfasst ein erstes Ringlehre-Montagemerkmal, das in die Konfiguration mit rotierendem chromatischem Entfernungssensor integriert ist. Die spezielle Ringlehre enthält ein zusammenpassendes zweites Ringlehre-Montagemerkmal, das so konfiguriert ist, dass es mit dem ersten Ringlehre-Montagemerkmal zusammenpasst und die spezielle Ringlehre gemäß einer Beziehung ausrichtet, die bei dieser Passung eine Zwangsbeziehung darstellt.
In einigen Implementierungen enthält die Konfiguration mit rotierendem chromatischem Entfernungssensor eine optische Stiftanordnung, die ein Gehäuseelement enthält, das Linsenelemente und einen Drehlagermechanismus der Konfiguration mit rotierendem chromatischem Entfernungssensor umfasst. Das erste Ringlehre-Montagemerkmal ist in das Gehäuseelement der Konfiguration mit rotierendem chromatischem Entfernungssensor integriert.
In einigen Implementierungen sind das Gehäuseelement und die spezielle Ringlehre derart konfiguriert, dass die spezielle Ringlehre während eines Einfahrzeitraums in einer eingefahrenen Position auf dem Gehäuseelement derart zurückgehalten werden kann, dass sie den Radialabstandserfassungsstrahl während normaler Messvorgänge während des Einfahrzeitraums nicht behindert oder stört. In einem Kalibrierungszeitraum kann die spezielle Ringlehre in einer Kalibrierungsposition, in der das Kalibrierungsobjekt in der Beziehung relativ zur Konfiguration mit rotierendem chromatischem Entfernungssensor angeordnet ist, bewegt und auf dem Gehäuseelement zurückgehalten werden.
In einigen Implementierungen enthält das Kalibrierungsobjekt eine zweite nominell zylindrische Kalibrierungsfläche, die konzentrisch zu der ersten nominell zylindrischen Kalibrierungsfläche ist. Eine der ersten oder zweiten nominell zylindrischen Kalibrierungsflächen ist eine Innenfläche und eine davon ist eine Außenfläche, und mindestens Abschnitte der Außenfläche sind durch die Innenfläche sichtbar.
In einigen Implementierungen ist das Kalibrierungsobjekt ein Glasrohr. Die erste nominell zylindrische Kalibrierungsfläche ist eine Außenwand des Glasrohrs und die zweite nominell zylindrische Kalibrierungsfläche ist eine Innenwand des Glasrohrs.
In einigen Implementierungen enthält das Kalibrierungsobjekt mehrere konzentrische Glasrohre. Die erste nominell zylindrische Kalibrierungsfläche ist eine Wand einer der mehreren Glasrohre und die zweite nominell zylindrische Kalibrierungsfläche ist eine Wand einer anderen der mehreren Glasrohre.
In einigen Implementierungen weist die Innenfläche ein Muster auf, das mehrere Fenster oder Ausschnitte enthält. Abschnitte der Außenfläche sind durch die Fenster oder Ausschnitte des Musters sichtbar.
In einigen Ausführungsformen enthält das Kalibrierungsobjekt eine dritte nominell zylindrische Kalibrierungsfläche. Die dritte nominell konzentrische Kalibrierungsfläche ist konzentrisch zu der ersten und zweiten nominell zylindrischen Kalibrierungsfläche.
In einigen Implementierungen enthält das Kalibrierungsobjekt eine zweite nominell zylindrische Kalibrierungsfläche mit der Mittelachse, die sich entlang der Z-Richtung erstreckt, die ungefähr parallel zur Rotationsachse ausgerichtet sein soll. Die zweite nominell zylindrische Kalibrierungsfläche ist in einem bekannten zweiten Radius R2 von der Mittelachse angeordnet, die sich entlang der Z-Richtung erstreckt. Der zweite Radius R2 unterscheidet sich vom ersten Radius R1.
In einigen Implementierungen enthält das Kalibrierungsobjekt ein oder mehrere Montagemerkmale, die dazu konfiguriert sind, das Kalibrierungsobjekt mit einer Kalibrierungsmessgeräteverlängerung der Konfiguration mit rotierendem chromatischem Entfernungssensor zu koppeln, um das Kalibrierungsobjekt in einer Zwangsbeziehung relativ zur Konfiguration mit rotierendem chromatischem Entfernungssensor zu positionieren. In der Zwangsbeziehung stehen die Richtung der Rotationsachse und die Richtung der Mittelachse in einer nominell festen Winkelbeziehung relativ zueinander und sind innerhalb von 5 Grad parallel zueinander.
In einigen Implementierungen ist, wenn das Kalibrierungsobjekt mit der Kalibrierungsmessgeräteverlängerung gekoppelt ist, die erste nominell zylindrische Kalibrierungsfläche so konfiguriert, dass sie eine erste Z-Beziehung zur Konfiguration mit rotierendem chromatischem Entfernungssensor aufweist, und die zweite nominell zylindrische Kalibrierungsfläche weist eine zweite Z-Beziehung zu der Konfiguration mit rotierendem chromatischem Entfernungssensor auf. Eine Differenz zwischen der ersten und der zweiten Z-Beziehung ist bekannt.
In einigen Implementierungen umfassen das eine oder die mehreren Oberflächenmerkmale des Kalibrierungsobjekts eine flache Oberfläche und eine Aussparung.
In einigen Implementierungen ist eine der ersten und zweiten nominell zylindrischen Kalibrierungsflächen eine Innenfläche und eine ist eine Außenfläche, und mindestens Abschnitte der Außenfläche sind durch die Innenfläche sichtbar.
In einigen Implementierungen ist das Kalibrierungsobjekt ein Glasrohr. Die erste nominell zylindrische Kalibrierungsfläche ist eine Außenwand des Glasrohrs und die zweite nominell zylindrische Kalibrierungsfläche ist eine Innenwand des Glasrohrs.
In einigen Implementierungen enthält das Kalibrierungsobjekt mehrere konzentrische Glasrohre. Die erste nominell zylindrische Kalibrierungsfläche ist eine Wand einer der mehreren Glasrohre und die zweite nominell zylindrische Kalibrierungsfläche ist eine Wand einer anderen der mehreren Glasrohre.
In einigen Implementierungen weist die Innenfläche des Kalibrierungsobjekts ein Muster auf, das mehrere Fenster oder Ausschnitte enthält, durch die Abschnitte der Außenfläche sichtbar sind.
In einigen Implementierungen enthält das Kalibrierungsobjekt eine dritte nominell zylindrische Kalibrierungsfläche, die konzentrisch zu der ersten und zweiten nominell zylindrischen Kalibrierungsfläche ist.
In einigen Implementierungen enthält die erste nominell zylindrische Kalibrierungsfläche mindestens eine jeweilige vollständige oder teilweise Spiralnut oder Rippen, die in einer Wand der Oberfläche ausgebildet sind. Eine Z-Koordinate der jeweiligen vollständigen oder teilweisen Spiralnut oder Rippe ist in Abhängigkeit vom Winkel um den Wandumfang der Oberfläche bekannt.
In einigen Implementierungen wird ein System bereitgestellt, das eine Koordinatenmessmaschine (CMM), eine optische Sonde mit chromatischem Entfernungssensor (chromatic range sensor, CRS) und ein Kalibrierungsobjekt enthält. Die CMM enthält eine Lichterzeugungsschaltung, eine Wellenlängendetektionsschaltung und eine CMM-Steuerschaltung. Die optische CRS-Sonde ist dazu konfiguriert, mit der CMM gekoppelt zu werden, und enthält einen optischen Stift mit einem konfokalen optischen Pfad, der mindestens eine konfokale Apertur und einen chromatisch dispersiven Optikabschnitt enthält. Der optische Stift ist dazu konfiguriert, einen Radialabstandserfassungsstrahl entlang einer radialen Richtung relativ zu einer Rotationsachse zu richten, den Radialabstandserfassungsstrahl um die Rotationsachse zu drehen und verschiedene Wellenlängen in unterschiedlichen Abständen entlang einer Messachse nahe einer zu messenden Werkstückoberfläche zu fokussieren. Das Kalibrierungsobjekt dient zum Bereitstellen von Kalibrierungsdaten zum Korrigieren von Ausrichtungsfehlern der optischen CRS-Sonde.
In einigen Implementierungen enthält die optische CRS-Sonde eine optische Stiftanordnung, die ein Gehäuseelement umfasst, das Linsenelemente und einen Drehlagermechanismus der Konfiguration mit rotierendem chromatischem Entfernungssensor aufnimmt, und ein erstes Kalibrierungsobjekt-Montagemerkmal, das in dieses Gehäuseelement der optischen CRS-Sonde integriert ist.
In einigen Implementierungen sind das Gehäuseelement und das erste Kalibrierungsobjekt-Montagemerkmal derart konfiguriert, dass das erste Kalibrierungsobjekt-Montagemerkmal während eines Einfahrzeitraums in einer eingefahrenen Position auf dem Gehäuseelement zurückgehalten werden kann, derart, dass das Gehäuseelement und das erste Kalibrierungsobjekt-Montagemerkmal den Radialabstandserfassungsstrahl während normaler Messvorgänge während des Einfahrzeitraums nicht behindern oder stören. In einem Kalibrierungszeitraum kann das erste Kalibrierungsobjekt-Montagemerkmal während des Kalibrierungszeitraums bewegt und in einer Kalibrierungsposition zurückgehalten werden.
Während bevorzugte Implementierungen der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht und beschrieben wurden, werden für den Fachmann auf der Grundlage dieser Offenbarung zahlreiche Variationen in den veranschaulichten und beschriebenen Anordnungen von Merkmalen und Abfolgen von Vorgängen offensichtlich sein. Beispielsweise versteht es sich, dass eine Koordinatenmessmaschine, wie sie hierin beschrieben ist, ein beliebiger Typ einer herkömmlichen Koordinatenmessmaschine und/oder ein beliebiger anderer Maschinentyp sein kann, der eine optische Sonde verwendet, wobei Koordinaten bestimmt werden (z. B. eine Roboterplattform unter Verwendung einer optischen Sonde usw.). Als weiteres Beispiel können zusätzlich zu den hier beschriebenen optischen CRS-Sonden auch andere Typen von optischen Sonden in den beschriebenen Systemen und Konfigurationen verwendet werden (z. B. können auf ähnliche Weise andere berührungslose optische Weißlichtsonden verwendet werden, für die das Licht über die offenbarte Freiraum-Lichtleiterkopplung usw. zur optischen Sonde übertragen wird.) Verschiedene andere alternative Formen können ebenfalls verwendet werden, um die hierin offenbarten Prinzipien zu implementieren. Zusätzlich können die verschiedenen vorstehend beschriebenen Implementierungen kombiniert werden, um weitere Implementierungen bereitzustellen. Alle in dieser Beschreibung genannten US-Patente und US-Patentanmeldungen sind hiermit in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme aufgenommen. Aspekte der Implementierungen können bei Bedarf modifiziert werden, um Konzepte der verschiedenen Patente und Anmeldungen dazu einzusetzen, noch weitere Implementierungen bereitzustellen.
Diese und andere Änderungen können an den Implementierungen unter Berücksichtigung der vorstehenden detaillierten Beschreibung vorgenommen werden. Im Allgemeinen sollten in den folgenden Ansprüchen die verwendeten Begriffe nicht so ausgelegt werden, dass sie die Ansprüche auf die in der Beschreibung und den Ansprüchen offenbarten spezifischen Implementierungen einschränken, sondern sie sollten so ausgelegt werden, dass sie alle möglichen Implementierungen zusammen mit dem vollen Umfang von Äquivalenten enthalten, zu denen derartige Ansprüche berechtigen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 4908951 [0004]
US 5825666 [0005]
US 7876456 [0014]
US 7990522 [0014]

Claims

Verfahren zum Bereitstellen von Kalibrierungsdaten zum Korrigieren von Ausrichtungsfehlern für eine Konfiguration mit rotierendem chromatischem Entfernungssensor, die dazu konfiguriert ist, einen Radialabstandserfassungsstrahl entlang einer radialen Richtung relativ zu einer Rotationsachse zu richten, und den Radialabstandserfassungsstrahl um die Rotationsachse zu drehen, wobei das Verfahren umfasst: a) Bereitstellen eines Kalibrierungsobjekts mit mindestens einer ersten nominell zylindrischen Kalibrierungsfläche mit einer Mittelachse, die sich entlang einer Z-Richtung erstreckt, die ungefähr parallel zur Rotationsachse ausgerichtet sein soll, wobei: die erste nominell zylindrische Kalibrierungsfläche in einem bekannten ersten Radius R1 von der Mittelachse angeordnet ist, die sich entlang der Z-Richtung erstreckt, und die erste nominell zylindrische Kalibrierungsfläche einen ersten Satz von Winkelreferenzmerkmalen enthält, die auf oder in der ersten nominell zylindrischen Kalibrierungsfläche gebildet sind, wobei die Winkelreferenzmerkmale dazu konfiguriert sind, durch den Radialabstandserfassungsstrahl erfasst zu werden und sich in bekannten Winkeln oder bekannten Winkelabständen um die Mittelachse voneinander auf oder in der ersten nominell zylindrischen Kalibrierungsfläche befinden, b) Anordnen des Kalibrierungsobjekts in einer Beziehung relativ zur Konfiguration mit rotierendem chromatischem Entfernungssensor, wobei die Richtung der Rotationsachse und die Richtung der Mittelachse in einer nominell festen Winkelbeziehung relativ zueinander liegen und innerhalb von 5 Grad parallel zueinander sind, c) Betreiben der Konfiguration mit rotierendem chromatischem Entfernungssensor, um einen ersten Satz von Radialabstandsdaten bereitzustellen, die erfasst werden, während der Radialabstandserfassungsstrahl um die Rotationsachse an einer ersten Z-Koordinate entlang der Z-Richtung relativ zum Kalibrierungsobjekt gedreht wird, wobei die Radialabstandsdaten auf einen erfassten Drehwinkel des Radialabstandserfassungsstrahls um die Rotationsachse referenziert sind, und d) Verarbeiten des ersten Satzes von Radialabstandsdaten, die auf den erfassten Drehwinkel referenziert sind, um die Kalibrierungsdaten zu bestimmen, wobei die Kalibrierungsdaten dazu konfiguriert sind, dass sie zum Charakterisieren oder Kompensieren von Radialabstandsmessfehlern in Abhängigkeit vom erfassten Drehwinkel des Radialabstandserfassungsstrahls um die Rotationsachse verwendet werden können.
Verfahren nach Anspruch 1, umfassend: erstmaliges Ausführen der Schritte a) bis c), um den ersten Satz von Radialabstandsdaten an der ersten Z-Koordinate entlang der Z-Richtung relativ zum Kalibrierungsobj ekt bereitzustellen; Einstellen einer Z-Beziehung zwischen der Konfiguration mit rotierendem chromatischem Entfernungssensor und dem Kalibrierungsobjekt auf eine zweite Z-Koordinate entlang der Z-Richtung relativ zum Kalibrierungsobjekt, wobei eine Differenz zwischen der ersten und der zweiten Z-Koordinate bekannt ist, ohne die in Schritt b) festgelegte nominell feste Winkelbeziehung zu verändern; Wiederholen von Schritt c) zum Bereitstellen eines zweiten Satzes von Radialabstandsdaten an der zweiten Z-Koordinate; und in Schritt d) Verarbeiten des ersten und zweiten Satzes von Radialabstandsdaten, die auf den erfassten Drehwinkel referenziert sind, um die Kalibrierungsdaten zu bestimmen, wobei die Kalibrierungsdaten dazu konfiguriert sind, zum Charakterisieren oder Kompensieren von Radialabstandsmessfehlern in Abhängigkeit vom erfassten Drehwinkel des Radialabstandserfassungsstrahls um die Rotationsachse verwendbar zu sein.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Kalibrierungsobjekt eine spezielle Ringlehre ist und das Wiederholen von Schritt c), um einen zweiten Satz von Radialabstandsdaten bei einer zweiten Z-Beziehung zwischen der Konfiguration mit rotierendem chromatischem Entfernungssensor und der speziellen Ringlehre bereitzustellen, wobei eine Differenz zwischen der ersten und zweiten Z-Beziehung bekannt ist, umfasst: Montieren mindestens der Konfiguration mit rotierendem chromatischem Entfernungssensor und/oder der speziellen Ringlehre an einer Präzisions-Z-Bewegungstischkomponente, die sich in Schritt b) zwangsweise entlang der Z-Richtung bewegt, und Betreiben dieser Präzisions-Z-Bewegungstischkomponente, um die bekannte Differenz zwischen der ersten und zweiten Z-Beziehung festzulegen.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei: die erste nominell zylindrische Kalibrierungsfläche mindestens eine jeweilige vollständige oder teilweise Spiralnut oder Rippen umfasst, die in einer Wand der Oberfläche ausgebildet sind, wobei die Z-Koordinate jeder jeweiligen vollständigen oder teilweisen Spiralnut oder Rippe in Abhängigkeit vom Winkel um den Umfang der Wand der Oberfläche bekannt ist, und Verarbeiten des ersten und des zweiten Satzes in Schritt d) zum Bestimmen der Kalibrierungsdaten, wobei die Kalibrierungsdaten so konfiguriert sind, dass sie zum Charakterisieren oder Kompensieren von Radialabstandsmessfehlern oder Lokalisierungsfehlern der Z-Koordinate in Abhängigkeit vom erfassten Drehwinkel des Radialabstandserfassungsstrahls um die Rotationsachse verwendet werden können.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Kalibrierungsobjekt eine spezielle Ringlehre ist, die Konfiguration mit rotierendem chromatischem Entfernungssensor ein erstes Ringlehre-Montagemerkmal umfasst, das in die Konfiguration mit rotierendem chromatischem Entfernungssensor integriert ist, und die spezielle Ringlehre ein zusammenpassendes zweites Ringlehre-Montagemerkmal umfasst, das so konfiguriert ist, dass es mit dem ersten Ringlehre-Montagemerkmal zusammenpasst und die spezielle Ringlehre gemäß einer Beziehung ausrichtet, die bei dieser Passung in Schritt b) eine Zwangsbeziehung darstellt.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Konfiguration mit rotierendem chromatischem Entfernungssensor eine optische Stiftanordnung enthält, die ein Gehäuseelement umfasst, das Linsenelemente und einen Drehlagermechanismus der Konfiguration mit rotierendem chromatischem Entfernungssensor aufnimmt, und das erste Ringlehre-Montagemerkmal, das in das Gehäuseelement der Konfiguration mit rotierendem chromatischem Entfernungssensor integriert ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Gehäuseelement und die spezielle Ringlehre derart konfiguriert sind, dass die spezielle Ringlehre während eines Einfahrzeitraums in einer eingefahrenen Position auf dem Gehäuseelement zurückgehalten werden kann, derart, dass sie den Radialabstandserfassungsstrahl während normaler Messvorgänge während des Einfahrzeitraums nicht behindert oder stört, und die spezielle Ringlehre in einem Kalibrierungszeitraum in einer Kalibrierungsposition gemäß Schritt b) bewegt und während des Kalibrierungszeitraums auf dem Gehäuseelement zurückgehalten werden kann.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Kalibrierungsobjekt eine zweite nominell zylindrische Kalibrierungsfläche enthält, die konzentrisch zu der ersten nominell zylindrischen Kalibrierungsfläche ist, wobei eine der ersten und zweiten nominell zylindrischen Kalibrierungsflächen eine Innenfläche ist und eine von ihnen eine Außenfläche ist, und mindestens Abschnitte der Außenfläche durch die Innenfläche sichtbar sind.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Kalibrierungsobjekt mindestens eines der Folgenden umfasst: ein Glasrohr, wobei die erste nominell zylindrische Kalibrierungsfläche eine Außenwand des Glasrohrs ist und die zweite nominell zylindrische Kalibrierungsfläche eine Innenwand des Glasrohrs ist, eine Vielzahl von konzentrischen Glasrohren, wobei die erste nominell zylindrische Kalibrierungsfläche eine Wand eines der mehreren Glasrohre ist und die zweite nominell zylindrische Kalibrierungsfläche eine Wand eines anderen der mehreren Glasrohre ist, eine dritte nominell zylindrische Kalibrierungsfläche, die konzentrisch zu der ersten und zweiten nominell zylindrischen Kalibrierungsfläche ist, oder ein Muster auf der Innenfläche, das mehrere Fenster oder Ausschnitte enthält, durch die Abschnitte der Außenfläche sichtbar sind.
System, umfassend: eine Koordinatenmessmaschine (CMM), umfassend: eine Lichterzeugungsschaltung; eine Wellenlängendetektionsschaltung; und eine CMM-Steuerschaltung; eine optische Sonde mit chromatischem Entfernungssensor (CRS), die dazu konfiguriert ist, mit der CMM gekoppelt zu werden, wobei die optische CRS-Sonde einen optischen Stift mit einem konfokalen optischen Pfad umfasst, der mindestens eine konfokale Apertur und einen chromatisch dispersiven Optikabschnitt enthält, wobei der optische Stift dazu konfiguriert ist, einen Radialabstandserfassungsstrahl entlang einer radialen Richtung relativ zu einer Rotationsachse zu richten, den Radialabstandserfassungsstrahl um die Rotationsachse zu drehen und verschiedene Wellenlängen in unterschiedlichen Abständen entlang einer Messachse nahe einer zu messenden Werkstückoberfläche zu fokussieren; und ein Kalibrierungsobjekt zum Bereitstellen von Kalibrierungsdaten zum Korrigieren von Ausrichtungsfehlern der optischen CRS-Sonde, wobei das Kalibrierungsobjekt umfasst: mindestens eine erste nominell zylindrische Kalibrierungsfläche mit einer Mittelachse, die sich entlang einer Z-Richtung erstreckt, die ungefähr parallel zur Rotationsachse ausgerichtet sein soll, wobei die erste nominell zylindrische Kalibrierungsfläche in einem bekannten ersten Radius R1 von der Mittelachse angeordnet ist, die sich entlang der Z-Richtung erstreckt; und einen ersten Satz von Winkelreferenzmerkmalen, die auf oder in der ersten nominell zylindrischen Kalibrierungsfläche gebildet sind, wobei die Winkelreferenzmerkmale dazu konfiguriert sind, durch den Radialabstandserfassungsstrahl erfasst zu werden und sich in bekannten Winkeln oder bekannten Winkelabständen um die Mittelachse voneinander auf oder in der ersten nominell zylindrischen Kalibrierungsfläche befinden.
System nach Anspruch 10, wobei die optische CRS-Sonde eine optische Stiftanordnung enthält, die ein Gehäuseelement enthält, das Linsenelemente und einen Drehlagermechanismus der Konfiguration mit rotierendem chromatischem Entfernungssensor aufnimmt, und ein erstes Kalibrierungsobjekt-Montagemerkmal, das in dieses Gehäuseelement der optischen CRS-Sonde integriert ist.
System nach Anspruch 11, wobei das Gehäuseelement und das erste Kalibrierungsobjekt-Montagemerkmal derart konfiguriert sind, dass das erste Kalibrierungsobjekt-Montagemerkmal während eines Einfahrzeitraums in einer eingefahrenen Position auf dem Gehäuseelement zurückgehalten werden kann, derart, dass das Gehäuseelement und das erste Kalibrierungsobjekt-Montagemerkmal den Radialabstandserfassungsstrahl während normaler Messvorgänge während des Einfahrzeitraums nicht behindern oder stören, und in einem Kalibrierungszeitraum das erste Kalibrierungsobjekt-Montagemerkmal während des Kalibrierungszeitraum bewegt und während des Kalibrierungszeitraums in einer Kalibrierungsposition zurückgehalten werden kann.
System nach Anspruch 12, wobei das Kalibrierungsobjekt eine zweite nominell zylindrische Kalibrierungsfläche mit einer Mittelachse umfasst, die sich entlang der Z-Richtung erstreckt, die ungefähr parallel zur Rotationsachse ausgerichtet sein soll, wobei die zweite nominell zylindrische Kalibrierungsfläche in einem bekannten zweiten Radius R2 von der Mittelachse angeordnet ist, die sich entlang der Z-Richtung erstreckt, wobei sich der zweite Radius R2 vom ersten Radius R1 unterscheidet.
System nach Anspruch 13, wobei, wenn das Kalibrierungsobjekt mit dem ersten Kalibrierungsobjekt-Montagemerkmal gekoppelt ist, die erste nominell zylindrische Kalibrierungsfläche dazu konfiguriert ist, eine erste Z-Beziehung mit der optischen CRS-Sonde aufzuweisen, und die zweite nominell zylindrische Kalibrierungsfläche eine zweite Z-Beziehung mit der Konfiguration mit rotierendem chromatischem Entfernungssensor aufweist, wobei eine Differenz zwischen der ersten und der zweiten Z-Beziehung bekannt ist.
System nach Anspruch 10, wobei das Kalibrierungsobjekt eine zweite nominell zylindrische Kalibrierungsfläche mit einer Mittelachse umfasst, die sich entlang der Z-Richtung erstreckt, die ungefähr parallel zur Rotationsachse ausgerichtet sein soll, wobei die zweite nominell zylindrische Kalibrierungsfläche in einem bekannten zweiten Radius R2 von der Mittelachse angeordnet ist, die sich entlang der Z-Richtung erstreckt, wobei sich der zweite Radius R2 vom ersten Radius R1 unterscheidet, wobei die erste und/oder zweite der nominell zylindrischen Kalibrierungsflächen eine Innenfläche und eine von ihnen eine Außenfläche ist und mindestens Abschnitte der Außenfläche durch die Innenfläche sichtbar sind.
System nach Anspruch 15, wobei die Innenfläche ein Muster aufweist, das mehrere Fenster oder Ausschnitte enthält, durch die Abschnitte der Außenfläche sichtbar sind.
Kalibrierungsobjekt zum Bereitstellen von Kalibrierungsdaten zum Korrigieren von Ausrichtungsfehlern für eine Konfiguration mit rotierendem chromatischem Entfernungssensor, die dazu konfiguriert ist, einen Radialabstandserfassungsstrahl entlang einer radialen Richtung relativ zu einer Rotationsachse zu richten, und den Radialabstandserfassungsstrahl um die Rotationsachse zu drehen, wobei das Kalibrierungsobjekt umfasst: mindestens eine erste nominell zylindrische Kalibrierungsfläche mit einer Mittelachse, die sich entlang einer Z-Richtung erstreckt, die ungefähr parallel zur Rotationsachse ausgerichtet sein soll, wobei die erste nominell zylindrische Kalibrierungsfläche in einem bekannten ersten Radius R1 von der Mittelachse angeordnet ist, die sich entlang der Z-Richtung erstreckt; und einen ersten Satz von Winkelreferenzmerkmalen, die auf oder in der ersten nominell zylindrischen Kalibrierungsfläche gebildet sind, wobei die Winkelreferenzmerkmale dazu konfiguriert sind, durch den Radialabstandserfassungsstrahl erfasst zu werden und sich in bekannten Winkeln oder bekannten Winkelabständen um die Mittelachse voneinander auf oder in der ersten nominell zylindrischen Kalibrierungsfläche befinden.
Kalibrierungsobjekt nach Anspruch 17, umfassend: eine zweite nominell zylindrische Kalibrierungsfläche mit einer Mittelachse, die sich entlang der Z-Richtung erstreckt, die ungefähr parallel zur Rotationsachse ausgerichtet sein soll, wobei die zweite nominell zylindrische Kalibrierungsfläche in einem bekannten zweiten Radius R2 von der Mittelachse angeordnet ist, die sich entlang der Z-Richtung erstreckt, wobei sich der zweite Radius R2 vom ersten Radius R1 unterscheidet.
Kalibrierungsobjekt nach Anspruch 18, umfassend ein oder mehrere Montagemerkmale, die dazu konfiguriert sind, das Kalibrierungsobjekt mit einer Kalibrierungsmessgeräteverlängerung der Konfiguration mit rotierendem chromatischem Entfernungssensor zu koppeln, um das Kalibrierungsobjekt in einer Zwangsbeziehung relativ zu der Konfiguration mit rotierendem chromatischem Entfernungssensor zu positionieren, wobei die Richtung der Rotationsachse und die Richtung der Mittelachse in einer nominell festen Winkelbeziehung relativ zueinander stehen und innerhalb von 5 Grad parallel zueinander sind.
Kalibrierungsobjekt nach Anspruch 19, wobei, wenn das Kalibrierungsobjekt mit der Kalibrierungsmessgeräteverlängerung gekoppelt ist, die erste nominell zylindrische Kalibrierungsfläche so konfiguriert ist, dass sie eine erste Z-Beziehung zur Konfiguration mit rotierendem chromatischem Entfernungssensor aufweist, und die zweite nominell zylindrische Kalibrierungsfläche eine zweite Z-Beziehung zu der Konfiguration mit rotierendem chromatischem Entfernungssensor aufweist, wobei eine Differenz zwischen der ersten und der zweiten Z-Beziehung bekannt ist.
Kalibrierungsobjekt nach Anspruch 19, wobei das eine oder die mehreren Oberflächenmerkmale eine flache Oberfläche und eine Aussparung umfassen.
Kalibrierungsobjekt nach Anspruch 18, wobei eine der ersten und zweiten nominell zylindrischen Kalibrierungsflächen eine Innenfläche ist und eine von ihnen eine Außenfläche ist, und mindestens Abschnitte der Außenfläche durch die Innenfläche sichtbar sind.
Kalibrierungsobjekt nach Anspruch 22, das mindestens eines der Folgenden umfasst: ein Glasrohr, wobei die erste nominell zylindrische Kalibrierungsfläche eine Außenwand des Glasrohrs ist und die zweite nominell zylindrische Kalibrierungsfläche eine Innenwand des Glasrohrs ist, eine Vielzahl von konzentrischen Glasrohren, wobei die erste nominell zylindrische Kalibrierungsfläche eine Wand eines der mehreren Glasrohre ist und die zweite nominell zylindrische Kalibrierungsfläche eine Wand eines anderen der mehreren Glasrohre ist, eine dritte nominell zylindrische Kalibrierungsfläche, die konzentrisch zu der ersten und zweiten nominell zylindrischen Kalibrierungsfläche ist, oder ein Muster auf der Innenfläche, das mehrere Fenster oder Ausschnitte enthält, durch die Abschnitte der Außenfläche sichtbar sind.
Kalibrierungsobjekt nach Anspruch 18, wobei: die erste nominell zylindrische Kalibrierungsfläche mindestens eine jeweilige vollständige oder teilweise Spiralnut oder Rippen umfasst, die in einer Wand der Oberfläche ausgebildet sind, wobei eine Z-Koordinate jeder jeweiligen vollständigen oder teilweisen Spiralnut oder Rippe in Abhängigkeit vom Winkel um den Umfang der Wand der Oberfläche bekannt ist.