專利名稱：用于校正坐標測量裝置的測量值的方法以及坐標測量裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于校正坐標測量機的測量值的方法，該坐標測量機具有探頭、校準體、以及用于基于所述坐標測量機的元件的預定變形參數來記錄和校正由所述探頭記錄的 測量值的設備。本發明還涉及用于校正坐標測量機的測量值的方法，該坐標測量機具有探頭以及 用于基于預定變形參數來記錄和校正由所述探頭對工件記錄的測量值的設備。最后，本發明涉及坐標測量機，其具有探頭以及用于基于預定變形參數來記錄和 校正由所述探頭記錄的測量值的設備。
背景技術：
從DE 101 24 493 Al可知上述類型的方法。在典型地用于分析工件表面的坐標測量機中，由于坐標測量機的元件在測量操作 期間彎曲，因此會發生系統誤差。這里主要提及探頭(特別地，探針)的彎曲，但也要提及 坐標測量機的構成部件的彎曲。在探頭和探針的區域中的彎曲實質上是所施加的接觸或測 量力的結果。然而，當坐標測量機的移動元件被加速或減速時發生的力以及其質量也會起 作用。在測量中涉及的坐標測量機元件的彎曲自然會導致測量誤差。因此，已經試圖使 用校正方法以各種各樣的方式補償這樣的測量誤差。從DE 101 24 493 Al可知作為參數場(特別地，作為張量)來確定探測器的動態 彎曲行為，以從該參數場計算校正值，同時考慮作用于探測器的加速，并且最終使用校正值 來校正探測器的測量結果。在坐標測量機中，還已知利用所謂的校準體來校準在空間中探頭的探頭針尖的自 由端上設置的探針球的位置。通常，這些校準體被配置為球體，其被設置在坐標測量機的測 量區域中且可以通過探針球以幾乎任何希望角度接近。在本發明的范圍內，校準體被視為 坐標測量機的一個元件。從DE 198 09 589 Al可知利用探頭接近校準體(特別地，校準球)且沿著校準體 的表面上的路徑導引該探針球，其中校準體的表面不限于平面。從以該方式記錄的測量值 計算分配給探測器的校準數據。在本發明的上下文中，現在已經發現，當通過常規探測力來校準探頭時，校準體及 其支撐物也以不再可忽略的程度變形。先前并未考慮這些變形。然而，它們還導致利用被 推測為校準過的探頭執行的所有進一步的測量的誤差。已知方法的另一缺點在于，由于將被分析的工件的柔性，也會發生誤差。
發明內容
因此，本發明的一個目的是提供在開始提到的類型的方法和坐標測量機，以避免 這些缺點。特別地，提供這樣的方法和坐標測量機，其中在測量值中還考慮校準體及其支撐物的變形，以及作為替代物或附加地，工件的變形，并由此校正這些變形。對于在介紹中提及的第一種方法，根據本發明通過以下步驟實現該目的a)確定在校準體的表面上的預定點處的機械柔性；b)以數據記錄的形式存儲所確定的柔性；c)通過探頭逐點掃描所述校準體；以及d)通過使用所述數據記錄(N)校正在步驟C)中確定的所述探頭的測量值，校準所述探頭。對于在介紹中提及的第二種方法，根據本發明通過以下步驟實現該目的a)確定在工件的表面上的預定點處的機械柔性；b)以數據記錄的形式存儲所確定的柔性；c)通過探頭逐點掃描所述工件；以及d)使用所述數據記錄，校正在步驟C)中確定的所述探頭的測量值。對于在介紹中提及的坐標測量機，根據本發明通過適于執行根據上述類型的方法 的設備而實現該目的。由此完全實現本發明的目的。利用關于所提到的第一種方法的發明，首次有可能補償那些由于校準體的變形而 導致發生的誤差。利用所提到的第二種方法，使得對于工件的已知柔性有可能校正或校準， 從而該柔性也不會導致測量誤差。在本發明的優選配置中，使用校準球作為所述校準體。該配置具有這樣的優點，即，可以采用已知的校準概念。在步驟a)中，可替代地，可以通過對參考校準體的測量或者通過對校準體的模型 的有限元法(FEM)，有利地確定柔性。此外，優選在步驟d)中，與所測量的測量力一起，計算在某點處的所確定的柔性， 并且，特別地，在步驟d)之后，使用探頭分析工件的表面，然后從在分析所述工件時確定的 測量值減去計算出的柔性。這些測量具有這樣的優點，即，可以以簡單的方式執行校正。此外，當在步驟b)中以矩陣的形式存儲所述數據記錄時，獲得特別簡單的校正。最后，當所述校準體被設置在預期的空間測量范圍的中心處時，獲得良好的效果。取決于測量力的坐標測量機部件變形在該空間范圍內達到其平均值。因此，本發 明的所述細化具有這樣的優點，即，在校準過程中已經考慮了這些變形。例如，當校準探針 柔性時，部件變形被包含在探針的變形參數中，且可以由此在測量中被部分補償。另一方 面，在不校正校準體的柔性的條件下，過去，已試圖盡可能短地夾持校準體，因此將校準體 夾持在測量區域的邊緣處。
在說明書和附圖中可以發現其他優點。應理解，上面提到的以及下面尚未解釋的所有特征不僅用于分別組合指示，而且 用于其他組合或者單獨使用，而不脫離本發明的范圍。本發明的示例性實施例體現在附圖中，且將在下面的描述中更詳細地進行解釋。
圖1示出根據現有技術的坐標測量機的高度示意性透視圖；圖2放大示出了用于解釋根據本發明的方法的校準的側視圖；以及圖3示出在根據本發明的方法的范圍內使用的具有測量點的校準球的視圖。
具體實施例方式在圖1中，1表示公知的門架(portal)設計型的坐標測量機整體。坐標測量機1具有測量臺2，在該測量臺上設置門架3，以便其可以沿著所謂的y軸在水平方向上位移。 在門架3的橋上，套管載體(sleeve carrier)沿著所謂的χ方向在水平方向上移動。套管 5又沿著所謂的ζ軸在垂直方向上在套管載體4中移動。χ軸、y軸和ζ軸形成笛卡爾坐標系。在套管5的下端處為探頭6，該探頭6終止于探針7，在探針7的自由端處存在探 針球8。探頭6和探針7分別在圖1中垂直向下延伸。探頭6通常可以具有旋轉式活接 頭，以便該探頭6或者探針7還可以相對于垂直方向傾斜和/或關于垂直方向旋轉。以該 方式，通過使門架3、套管載體4和套管5位移，并且通過使探針7傾斜和旋轉，可以從幾乎 任何希望的方向接近工件9上的任何希望的點，該工件9以預定測量間隔被夾持在測量臺 2上方。通過探頭6確定的測量值，也就是說，在工件9上的測量點的空間坐標，被傳送到 控制-測量-和評估單元10，該單元10又可以受到使用具有測量和評估計算機的控制裝置 11的用戶的控制。在測量臺2上，優選在測量區域的中心，存在校準裝置16，即使其被可拆性地連接 到坐標測量機1，該校準裝置16在本發明的范圍內也被認為是坐標測量機1的元件。校準裝置16包括具有精確限定的形狀的校準體，特別地，校準球18。由于已知其 在測量區域內部的位置，可以校準探頭6。通過使探針球8移動靠在校準球18的表面上的 限定點處，并且比較由此測量的該點的空間坐標與該點的已知實際空間坐標，實現這一點。 在對工件9的隨后的測量中考慮所產生的差異。圖2放大示出了校準球18的探測過程。從(放大表示的)位置可以看出，探針已 彎向左側，并且校準球也已從其起始位置18彎曲(用虛線表示)到位移后的位置18’。同 時，校準球的支撐物也已從22彎曲到22’。通過探針球8的接觸，校準球18的表面26也會 變形。總體上，在本發明的范圍內，將這些彎曲過程稱為“柔性”。可以看出，探頭6，特別地，探針7的與測量力相關的彎曲的過程不能離開校準球 18的支撐物22的變形以及校準球本身的變形。由此，如果采用根據現有技術的工序且忽略 該變形，那么已確定的張量將不僅包含探針7的變形，而且還包含校準球18的變形，從而通 常為剛性的所有實際工件將被不正確地測量。根據本發明，現在，最初在第一步驟中確定如上定義的柔性。這可通過借助于校準 球18及其支撐物22的實際例子而通過實驗室實驗實現。或者，還可以通過有限元法(FEM) 借助于對應的模型計算出該柔性。在多個點28處在校準球18的表面26上確定柔性。這些點優選均勻地分布在表 面26上，例如，如圖2所示。根據校準球18的尺寸且根據希望的精度，可以在寬范圍內設定點28的數目。
現在，在第二步驟中，將以該方式確定的柔性存儲作為數據記錄。這優選以矩陣的 形式實現。例如，如果在實驗室實驗中或者通過FEM計算已確定柔性在χ和y方向上為 0. 001mm/N且在ζ方向上為0. 0002mm/N，則獲得以下矩陣表示的柔性 為了確定在表面26上的每個點28的校ιΗ倌k' (x/ i,y/ i,z/ i,),將該矩陣 N乘以力矢量E，并且從由探頭6測量的測量值k(xi,Yi,zi)減去該結果= k_N · f以該方式校正的測量值允許確定探頭6的剛度。這在圖2中用校正站30表示。將矩陣N供給到校正站30的第一輸入32。在第二 輸入34處施加探頭6的測量值Xi，yi和Zi。可以從校正站30的輸出36取得校正后的測量 值 Xi' ,y/ 和 Zi'。根據在探頭系統中使用的傳感器，可以從各種值確定力矢量對于具有主動測量 力發生器的探頭，可以從這些發生器的參數，例如，在使用測量力線圈作為力發生器的情況 下，從對測量力線圈施加的電壓，確定力矢量。在校正站30的輸入34處施加的測量值可以 直接代表在該情況下的力值。對于沒有這樣的致動器的探頭，通常存在具有用于這些目的的充分已知的柔性的 彈簧元件。于是，可以從傳感器位移和該已知的柔性計算出測量力。對校正站30的輸入34 施加的測量值在該情況下可以代表傳感器位移。在該情況下，校正站30包括從位移對力矢
量的計算。可替代地，還可以用用于力矢量的另外的輸入來補充校正站30。另外可替代地，為了確定柔性，還可以采用有限彈性元件(未示出)，所述有限彈 性元件被分別施加在校準球18的下端上和承載校準球18的軸(shaft) 38上。于是，這些 元件具有平移或旋轉自由度。然后可以從測量力和從各自的點28的位置計算出有關這些 有限彈性元件的力矩。然后可以通過用于有效力矩導致的傾斜和有效力導致的柔性值位移 的柔性值描述每個節點。利用同樣是本發明的主題的對應的方法，如果已知工件9的柔性，則可以校正在 實際測量期間工件9的變形。這可通過最初確定在工件9的表面上的預定點處的機械柔性來實現。然后以數據 記錄的形式存儲所確定的柔性。當分析工件9時，通過探頭6逐點掃描工件9，并且使用數 據記錄N來校正已確定的探頭6的測量值。
權利要求
一種用于校正坐標測量機(1)的測量值的方法，所述坐標測量機(1)具有探頭(6)、校準體、以及用于基于所述坐標測量機的元件的預定變形參數來記錄和校正由所述探頭(6)記錄的測量值(xi，yi，zi)的設備(10，11，30)，其特征在于包括以下步驟a)確定在所述校準體的表面(26)上的預定點(28)處的機械柔性；b)以數據記錄(N)的形式在所述設備中存儲所確定的柔性；c)通過所述探頭(6)逐點掃描所述校準體；以及d)通過使用所述數據記錄(N)校正在步驟c)中確定的所述探頭(6)的測量值，校準所述探頭(6)。
2.根據權利要求1的方法，其特征在于，使用校準球(18)作為所述校準體。
3.根據權利要求1或2的方法，其特征在于，在步驟a)中，通過對標準校準體的測量來 確定所述柔性。
4.根據權利要求1或2的方法，其特征在于，在步驟a)中，通過對參考校準體模型的有 限元法來確定所述柔性。
5.根據權利要求1至4中的一項或多項的方法，其特征在于，在步驟d)中，與所測量的 測量力一起，計算在點(28)處的所確定的柔性。
6.根據權利要求4的方法，其特征在于，在步驟d)之后，使用所述探頭(6)分析工件 (9)的表面，然后從在分析所述工件(9)時確定的測量值減去計算出的柔性。
7.根據權利要求1至6中的一項或多項的方法，其特征在于，在步驟b)中，以矩陣的形 式存儲所述數據記錄。
8.根據權利要求1至7中的一項或多項的方法，其特征在于，所述校準體被設置在限定 的空間測量范圍的中心處。
9.一種用于校正坐標測量機的測量值的方法，所述坐標測量機具有探頭(6)、以及用 于基于預定變形參數來記錄和校正由所述探頭(6)對工件(9)記錄的測量值(Xi，yi，Zi)的 設備(10，11，30)，其特征在于包括以下步驟a)確定在所述工件(9)的表面上的預定點處的機械柔性；b)以數據記錄(N)的形式在所述設備中存儲所確定的柔性；c)通過所述探頭(6)逐點掃描所述工件(9)；以及d)使用所述數據記錄(N)，校正在步驟c)中確定的所述探頭(6)的測量值。
10.一種坐標測量機，其包括探頭(6)以及用于基于預定變形參數來記錄和校正由所 述探頭(6)記錄的測量值(xi; Yi, Zi)的設備(10，11，30)，其特征在于，所述設備(10，11， 30)適于執行根據權利要求1至9中的一項或多項的方法。
全文摘要
使用一種方法來校正坐標測量裝置的測量值，該坐標測量裝置具有探頭(6)、校準體、以及用于基于所述坐標測量裝置的元件的預定變形參數來記錄和校正由所述探頭(6)記錄的測量值(xi，yi，zi)的設備(10，30)。所述方法包括以下步驟a)確定在所述校準體的表面(26)上的預定點(28)處的機械順從性；b)以數據記錄(N)的形式在所述設備中存儲所確定的順從性；c)使用所述探頭(6)逐點掃描所述校準體；以及d)通過使用所述數據記錄(N)校正在步驟c)中確定的所述探頭(6)的測量值，校準所述探頭(6)。類似地，還可將該方法用于具有已知的順從性的工件。還提出了適于執行這些方法的坐標測量裝置。
文檔編號G01B21/04GK101868691SQ200880116832
公開日2010年10月20日 申請日期2008年9月11日 優先權日2007年10月19日
發明者T·赫爾德 申請人:卡爾蔡司工業測量技術有限公司