专利名称：具有位置变化传感器的坐标测量机器的制作方法
具有位置变化传感器的坐标测量机器本发明涉及ー种具有传感器和壳体结构的坐标测量机器，所述传感器用于测量物体，所述壳体结构用于保持和定位传感器。这样的坐标测量机器从例如文件DE 102007022326A1或文件DE 10020842A1中获知。根据进一歩的方面，本发明涉及一种用于坐标测量机器的检测碰撞的方法，所述坐标测量机器具有用于测量物体的触觉传感器和用于保持及定位触觉传感器的壳体结构。在文件WO 2004/106854A1中，描述了ー种检测触觉传感器与需要被测量的物体的碰撞的方法。根据第三方面，本发明涉及ー种校正坐标测量机器的传感器的图像数据的方法，特别是在光学传感器中，该数据以非接触的方式測量。具有光学传感器的所述坐标测量机器的不例在文件DE 10020842A1中被描述。为了在最高精度要求下測量物体，具有最多六个自由度的三维坐标測量机器被应用于エ业测量的广阔领域。例如，为了控制质量，机器加工的エ件的外形以该方式被检查。为此，已知位置坐标机器原则上例如以光学传感器工作，否则以触觉传感器工作。通常，光学传感器为光学探头(probe head)，例如，具有电子评估単元(electronic evaluation unit)的三角測量传感器或摄像机。在摄像机的例子中，电子评估単元的系统时钟由照相机的摄像频率決定。该光学传感器在g在以非接触方式测量时有优势。但是，当測量复杂形状的物体时，光学传感器会遇到限制，这是因为将会发生的是，物体的细节不存在于光学传感器的图像记录区域中，并因此导致不能被探測到。该光学传感器例如被申请人以“ Vi SCAN ，，的名称销售。通常，提供探针尖端(probe tip)形式的触觉传感器，所述探针尖端被安装为具有在三个维度上偏斜的能力，并且该偏斜可通过触觉传感器被探測。为了测量操作，探针尖端或探针(feeler) —直移动到要被测量的物体，与物体的期望的測量点接触。探针尖端和探测探针尖端的偏斜的传感器一起被表示为探头。通常，探头被装配于合适的位移装置中，以允许具有最多六个自由度的探头的三维运动。根据在传感器的帮助下检测到的探头的各位置和探针相对于探头的相对位置，所探测的测量点的空间坐标被高精度地測定。
该触觉传感器例如在文件DE 102004011728A1中被描述，并且，例如被申请人以“VAST XXT”的名称销售。为了能够满足对于这样触觉和光学传感器的測量结果的高精度要求，在測量操作过程中，需要能够精确地检测传感器的运动。对于触觉传感器，在接触或探测过程中，传感器的运动可导致变形，必须在测量结果的评估中考虑该变形。对于光学传感器，例如对于CXD照相机，在測量操作期间的运动导致记录图像的“模糊(smearing) ”，因而该图像不清晰。虽然通过随后的后期处理计算可从測量结果消除在測量操作过程中传感器的运动，但是这以绝对需要在測量期间的测量操作和/或传感器的路径数据的充足地准确的知识为代价。为了移动触觉传感器和光学传感器，常规地提供了壳体结构，所述壳体结构允许传感器在三个空间方向(X，Y，Z)上的位移。另外，可以提供了所谓旋转/枢转接头(DSG)，其使得传感器能够沿预期的方向向量对准。例如该DSG被申请人以“DSE”和“RDS”的名称销售。在坐标测量机器的操作期间，传感器的位置或传感器头(sensor head)的位置被典型地确定沿着三个空间方向，并被以位置数据的形式存储。为此，采用对于坐标测量机器典型的读出时钟，利用线性或旋转测量系统来分别决定位置和方向。所述读出时钟典型地为ー频率范围，该频率范围在几十赫兹(Hz)至几千赫兹(kHz)中。位置数据用于产生传感器或壳体结构的位置轮廓，并通过微分该变量，计算传感 器或壳体结构的速度，或通过再次微分，计算传感器或壳体结构的加速度。然而，在该情况下，传感器或壳体结构的速度或加速度不是直接获得的。由于传感器位置的时间变量需要多个位置的測量，而所述位置仅以有限的数量出现，且因此由于读出速度的测量频率，密度、变化和/或微分也仅可只由有限的分辨率決定。然而众所周知，在尼奎斯特(Nyquist)法则的基础上，需要能够用于检测动态变化和/或波形运动的最小分辨率。由于该有限的分辨率，目前诸如机械探测过程和/或碰撞中产生的不连续变化的检测也都困难，或者必须具有某些最小尺寸才能被探測到。由于结构的边界条件，在构架过程中对于坐标测量机器的多数位置决定系统，也违反了阿贝比较原则(Abbe’ s comparator principle)。因此,系统的失真导致测量过程中的倾斜误差，并且，仅可有条件地考虑动态效应。虽然这些效果目前近似地通过模型參数来描述，并近似地考虑为测量过程中的校正值，但是因为坐标測量机器的动态失真可累计到几个微米(μ m)，所以为了准确的測量，期望获知实际的情况。这样就可以更有效地监控触觉传感器的探測行为或以非接触方式测量的传感器的路径数据，并且更有效地校正触觉传感器的和特别是光学传感器的測量結果，从而获得更准确的測量結果。本发明的客观目标因此首先在于更有效地决定在开始处提及类型的坐标测量机器的传感器的运动行为。进ー步的客观目标在于利用由此已知的位移行为，以更有效地监控触觉传感器的接触。因此本发明的进ー步的目标在于利用由此已知的位移行为，以更有效地校正以非接触的方式测量的传感器(特别是光学传感器)的測量結果。为了实现上述目标，提出开发在开始处提及类型的坐标测量机器，实现以下的效果，即至少ー个位置变化传感器被设置从而检测传感器和壳体结构的位置变化。在该情况下，“位置变化传感器”被理解为用于直接检测位置变化。这里“位置变化”在本发明的背景(context)中被理解为速度和加速度两者。因此在本发明的背景中，速度传感器和加速度传感器一起用术语“位置变化传感器”表示。本发明背景中的“传感器”被理解为任何触觉传感器和/或以非接触方式(特别是以光学方式)测量的传感器，或者狭义上的其他类型传感器，即光学传感器，例如照相机本身，和触觉传感器，如具有检测探针的偏斜的传感器的探针。余下的保持和安装装置，以及用于移动传感器的位移装置一起被称为壳体结构。由于传感器和壳体结构的位置变化的直接检测，与通过对位置数据的微分的情况相比，可以实质上更高的解析度和准确度探测测量操作过程中的传感器的位移行为。不仅位移行为中的变化被更快地检测，而且可以更高频率直接检测动态操作和位移行为中的不连续变化(例如碰撞)，并且在坐标测量机器的控制和测量结果的评估中考虑这些。根据本发明的进ー步方面，提出进行ー种在开始处提及类型的方法，该方法具有以下步骤通过至少ー个位置变化传感器，确定至少ー个触觉传感器和壳体结构的位置变化，比较至少ー个位置变化与至少ー个对应期望值，并且如果至少ー个位置变化从至少ー个对应期望值偏离了预定的量度，则将坐标测量机器设置(PUt)为在安全状态中。
·
为了检测碰撞，可使用比最大机器加速度高的所有的加速度。另外，如果为测量单元进ー步提供当前进行的加速度的信息，坐标测量机器可将方向和/或振幅上的偏差检测为可能的碰撞，并因此立即将机器置为安全状态中，例如实行适当的轴的空转，或終止坐标測量机器的运动。进ー步的重要信息项可从对加速度的检测获得，该加速度为触觉传感器处的加速度或触觉传感器附近的加速度。由于坐标測量机器中的不可避免的柔度(compliance)，传感器的运动不是必须与位置传感器的坐标轴或测量轴的运动相同。然而，通过不直接測量加速度数据，可在測量位置的附近确定加速度数据，并因此独立或以补充的方式确定加速度数据，以为坐标测量机器的參数建摸。因此，通过位置变化的方式检测的信号能被使用，为了确定传感器的瞬时位置和方向从而监控坐标測量机器的驱动行为(关于实际对传感器起作用的加速度和/或速度)，并且监控驱动行为的不连续，例如短促迅速移动(jerking)，滑动或有频率的激发。特别是，由此致使可以以自学习的方式(self-learning fashion)优化整个坐标测量机器的驱动行为，以达到关于准确度和/或速度的最优的測量性能。因为已知传感器处的实际加速度，可省略用于坐标測量机器的參数建模的复杂开发。另外坐标测量机器能在实际的加速度数据的帮助下优化自身。而且因此可避免建模时的问题，例如，制造公差，即预定參数设置不能导致满意的结果根据本发明的第三方面，提供了在开始处提及的类型的用于校正传感器的数据的方法，该方法以非接触的方式測量，特别是光学传感器，该方法被以以下步骤执行在启动信号的基础上启动测量操作，通过至少ー个位置变化传感器，測量至少ー个位置变化，位置变化的时间表作为位置变化数据被探測，在終止信号的基础上终止測量操作，通过对位置变化数据的积分，计算光学传感器的路径数据，并且图像数据通过路径数据去卷积。这样，在通过光学传感器的记录测量数据的期间(例如在光学传感器的曝光时间内)，可实际地确定坐标测量机器的运动轮廓。对于标准50赫兹(Hz)帧频，典型的曝光时间范围为10至20毫秒(ms)。这仅对应于单独的或几个系统时钟。记录的图像由于在图像记录期间的运动被模糊，并看起来不清晰。该效应现可随后被校正，这是因为可直接地确定传感器的实际的运动路径，至少是传感器在曝光时间的开始和終止之间的相对路径。明显地，越有效地执行计算校正，可越准确地确定运动路径的数据。在该情况下，对位置变化的直接检测优于通过微分位置数据确定位置变化。因此，本发明的方法被用于在测量期间，确定坐标测量机器或光学传感器的运动路径，并且该路径而后可以合适的形式被利用，例如作为路径数据。这些路径数据例如可通过对速度信号的单次积分获得，或者优选地通过对加速度信号的两次积分获得。该信号例如可用于校正机器的运动(最初被用作描述的基础，例如匀速的运动)。为了保证不变的连接条件，在计算期间也可采用位移装置的測量信号，从而校正信号获得不变的连接条件，该连接条件是通过在系统时钟或多个系统时钟(例如范围在整个图像记录期间)中的节点获得。在积分中首先 缺少适当的积分常数，而后该积分常数可在已知的节点处被确定，或被设置为零值。在该情况下，可规定仅允许由路径数据确定的坐标测量机器的路径从启动点和目标点之间的差偏离给点的误差容限。对于匀速的运动，零值作为理想情况下的差被达到，而对于加速运动，有必要慎重处理依赖于位移帧的控制数据的偏差。如果在操作开始已知向量形式的传感器的速度(通常应当如此)，则可从该向量出发，并采用确定的加速度数据，确定传感器的实际的相対的路径(即测量开始和終止之间的路径)。该相对路径足够用于校正图像，而不需要绝对坐标。此后这些路径数据可用于在后续数字图像处理过程中的校正。对图像数据的后续数学校正通过所谓的路径运动和图像信息的展开来进行。该过程也被称为去卷积。这意味着原则上可校正以非接触方式测量的各种类型的传感器的数据(特别是图像数据)，特别是光学传感器的数据。与目前由坐标测量机器的运动模型获得的情况相比，可总体获得更好的結果。因此开始时设置的目标被完全解決。在优选的实施例中，提供多个位置变化传感器，用于在三个空间方向上检测传感器和壳体结构的位置变化。当仅提供ー个位置变化传感器时，该位置变化传感器应被布置，使得可以检测坐标测量机器的測量方向中的速度和/或加速度。然而，该系统应能有利地检测全部的三个空间方向上的速度和/或加速度，以因此也能检测不预期(unplanned)的偏差，例如横向的运动。在这种情况下，位置变化传感器被设计为检测线性的和/或旋转的加速度。可仅提供线性位置变化传感器或仅提供旋转位置变化传感器，尽管当然也可将线性位置变化传感器和旋转位置变化传感器以合适的方式组合，例如提供一个线性位置变化传感器和两个旋转位置变化传感器。当然，例如当需要提高特定的坐标测量机器的检测的准确度时，原则上也可提供多达三个线性位置变化传感器和附加的三个旋转位置变化传感器。原则上可将位置变化传感器用于检测速度，或将位置变化传感器用于检测加速度。然而，优选将位置变化传感器用于检测加速度。原则上，加速度的变化(例如探測或碰撞时)是最大的，并因此可以被最好地检測。就技术而言，对加速度的变化的评估因此是有利的，这是因为，作为位置的二次时间导数，它显示了最大的变化。速度分布的測量和评估一定等同适合的，而不是那么敏感，这是因为速度只是位置的第一时间导数。在市场上可自由获得位置变化传感器，即速度和加速度传感器，并且位置变化传感器因此被该领域的普通技术人员所了解，所以这里不需要进一歩的描述。对可能的位置变化传感器的选择可选自以下表格
权利要求
1.ー种具有用于测量物体(40)的传感器(36)和用于保持及定位传感器(36，37)的壳体结构(28，42，44，46，48)的坐标测量机器(12)，其特征在于，提供了至少ー个位置变化传感器(54，56，58，60，72，74)，用于检测所述传感器(36，37)和所述壳体结构(28，42，44，46，48)的位置的变化。
2.根据权利要求I所述的坐标测量机器，其中提供了多个位置变化传感器(54，56，58，60，72，74)，以检测所述传感器(36,37)和所述壳体结构(28，42，44，46，48)在三个空间方向上的位置的变化。
3.根据权利要求I或2所述的坐标测量机器，其中所述至少ー个位置变化传感器(54，56，58，60，72，74)被设计为检测线性和/或旋转加速度。
4.根据权利要求I或2所述的坐标测量机器，其中所述至少ー个位置变化传感器(54，56，58，60，72，74)被设计为检测线性和/或旋转速度。
5.根据权利要求I至4中的一个所述的坐标测量机器，其中所述用于測量物体(40)的传感器(36)是触觉传感器(36)，并且为了检测所述壳体结构(28，42，44，46，48)的第一加速度，提供了第一位置变化传感器(54，56，58，60，72，74)，为了检测所述触觉传感器(36)的第二加速度，提供了至少ー个第二位置变化传感器(54，56，58，60，72，74)，其中所述第一加速度的方向和所述第二加速度的方向是相同的。
6.一种用于坐标测量机器(12)的碰撞检测的方法(80)，所述坐标測量机器(12)具有用于测量物体(40)的触觉传感器(36)和用于保持及定位所述触觉传感器(36)的壳体结构(28，42，44，46，48)，所述方法具有以下步骤 通过至少ー个位置变化传感器(54，56，58，60，72，74)来确定所述触觉传感器(36)和所述壳体结构(28，42，44，46，48)的至少ー个位置变化(84，86)， 比较所述至少ー个位置变化和至少ー个对应的期望值(88，90)，并且 如果所述至少ー个位置变化从所述至少一个对应的期望值偏离了预定的量度的情况下，将所述坐标测量机器(12)设置为安全状态(92)。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述期望值为对于所述坐标测量机器(12)固定的最大值，并且在所述至少ー个位置变化大于所述最大值的情况下，执行所述设置。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其中所述触觉传感器(36)的第一加速度通过至少ー个第一位置变化传感器(54，56，58，60，72，74)测量，并且其中所述壳体结构(28，42，44，46，48)的至少ー个第二加速度通过至少ー个第二位置变化传感器(54，56，58，60，72，74)測量，所述第一加速度为所述期望值，且所述第二加速度与所述期望值相比较。
9.ー种校正坐标测量机器(12)的传感器(37)的数据的方法，所述数据由非接触的方式測量，所述传感器尤其为光学传感器(37)，所述方法(96)具有以下步骤 基于启动信号，启动测量操作(98), 通过至少ー个位置变化传感器(54，56，58，60，72，74)，测量至少ー个位置变化(100)，位置变化的时间分布被检测作为位置变化数据， 基于终止信号，終止所述测量操作(104)， 通过对所述位置变化数据进行积分，计算光学传感器(37)的路径数据，以及 通过所述路径数据，卷积图像数据(108)。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述启动信号与启动相关联，所述终止信号与传感器(37)的曝光过程的終止相关联，并且其中所述至少ー个位置变化为加速 度。
全文摘要
本发明在第一方面涉及一种坐标测量装置(12)，所述测量装置具有一个用于测量物体(40)的传感器(36)，及一个用于保持和定位传感器(36，37)的壳体结构(28，42，44，46，48)，其中，一个位置变化传感器(54，56，58，60，72，74)被设置用于探测传感器(36，37)和壳体结构(28，42，44，46，48)的位置变化。根据第二方面，本发明涉及一种识别坐标测量装置(12)的碰撞的方法(80)。根据第三方面，本发明涉及一种校正位置测量装置(12)的非接触测量传感器(特别是光学传感器(37))的数据的方法(96)。根据第二和第三方面的方法能够在根据第一方面的坐标测量装置上实施。
文档编号G01B21/04GK102686974SQ201080055093
公开日2012年9月19日 申请日期2010年10月6日 优先权日2009年10月6日
发明者T.恩格尔 申请人:卡尔蔡司工业测量技术有限公司