[发明专利]坐标测量方法及包括光学传感器的用于测量表面的坐标测量仪

说明书

技术领域

本发明涉及用于借助于坐标测量仪检测物体的物体表面的坐标测量方法，并且涉及用于检测物体的物体表面的坐标测量仪。

背景技术

在许多技术应用领域中，需要高精度地测量物体的表面并且因此测量物体自身。这特别应用于制造工业，因为工件表面的测量和检查是非常重要的，特别是还为了质量控制的目的。

坐标测量仪通常使用于这些应用，并且所述坐标测量仪能够实现物体表面的几何尺寸的精确测量，通常具有微米级精度。要测量的物体可以是例如发动机组、变速器和工具。已知的坐标测量仪通过产生机械接触并且扫描表面来测量该表面。其中的示例是如在DE 43 25 337或DE 43 25 347中描述的台架(gantry)测量仪。不同的系统是基于铰接臂的使用，它布置在多个部分的端部处的测量传感器可以沿着表面运动。一般的铰接臂例如在US 5,402,582或EP 1 474 650中描述。

在现有技术中，触觉传感器作为标准测量传感器与坐标测量仪一起使用，该触觉传感器由安装在测量杆上的例如红宝石球组成。在坐标测量仪设计用于三维测量的情况下，触觉传感器沿着三个互相垂直方向X、Y和Z的偏移在扫描期间通过开关元件或距离测量元件确定。基于开关点或偏移距离，计算接触位置并且因此计算表面坐标。

为了由测量数据重构表面轮廓，需要考虑在与物体表面接触时传感器自身的机械尺寸和其朝向。传感器实施有已知几何形状的测量尖端，通常对于具体应用是球形或椭球体的，通常具有几毫米大小级别的(主)半径。与本发明相关联，术语“测量尖端”应该大体上理解为任何期望形状和范围的(触觉)测量传感器，其中该传感器不需要(但是可以)具有锥体形状。通过利用触觉传感器的坐标测量仪测量到的原始数据代表测量尖端的基准点例如测量尖端的中心的已测量空间坐标，并且在下文中被指定为相对于“球中心域”。通过将在与物体表面接触时测量尖端的形状和其朝向考虑在内的变换算法，通常将所测量的坐标从球中心域转换到由计算机确定的物体表面轮廓(“物体轮廓域”)。

然而由于触觉传感器的测量尖端的实际尺寸，测量分辨率受到限制。测量尖端的物理尺寸或与其相关联的有限的测量分辨率在粗糙表面的测量期间导致“平滑效应”：虽然可以几乎完美地或忠于物体地测量物体表面的凸起部或峰部，但是由于触觉传感器的物理范围，触觉传感器的测量尖端不能穿透进入物体表面的狭窄的凹部。这样由于凹陷表面区域的测量数据被平滑，导致已测量表面轮廓以非线性方式平滑，而凸起表面区域的测量数据是几乎忠于物体的。对于技术工程方面，这是甚至经常是有利的，因为，特别是对于两个物体的表面的平面连接，精确知晓其凸起区域通常比精确确定狭窄凹陷表面区域更重要。

另一方面，触觉测量的分辨率，特别是对于从上述提及的方法固有局限性的表面凹部的较精确测量，对于许多新的应用不再充分。

因此，在现有技术中，与此同时已经寻求用于无接触测量的方法，特别是通过光学传感器。通过具有发射测量光束(特别是来自激光器)的光学传感器，甚至可以非常精确地测量表面凹部，只要与触觉传感器的测量尖端相比，测量光束在物体表面上的焦点不大于其凹部结构。对于表面轮廓、特别是其凹部的精确的测量，光学测量方法的分辨率因而可以显著高于触觉测量方法的分辨率。因而，通过光学传感器产生的轮廓不同于通过触觉传感器产生的同一物体表面的轮廓。然而，甚至以与通过触觉传感器产生的表面轮廓相同的方式通过光学传感器产生的轮廓由实际物体表面的经基于“测量尖端”的物理尺寸的分辨率滤波的镜像组成，其中光学“测量尖端”的尺寸与触觉传感器的测量尖端相比，可以认为是向零收敛或可忽略。因此，用于坐标测量仪的光学传感器和测量方法原则上适合于提供表面轮廓的实际忠于物体的测量。

与此同时被引入到利用坐标测量仪的计量法的光学传感器例如是基于照射到物体表面激光的用于干涉测量(EP 2 037 214)。已经提出了基于白光干涉测量的方法(DE 10 2005 061 464)和彩色共焦方法(FR 273 8343)。

用于坐标测量仪的光学传感器和测量方法与一系列优点相关联：测量无接触地实施，并且光学传感器可以比触觉传感器快地在物体表面上引导其中“测量尖端”的物理尺寸较小，结果能够实现测量的较高的横向分辨率。

然而，不仅通过触觉传感器产生的表面轮廓，而且通过光学传感器产生的表面轮廓也总是包括不来源于所测量表面而相反是由测量方法导致的特征。例如，DE 197 35975公开了在确定表面高度时由于使用的坐标测量仪的振动导致的测量误差和用于抑制这些效应的测量方法。