光学测量探针校准的制作方法

本发明涉及根据权利要求1的前序部分的用于测量探针的校准设备，装备有它的坐标测量系统，以及根据进一步的权利要求6和9的用于坐标测量系统的测量方法。

根据权利要求1的前序部分的用于触觉测量探针的校准设备，以及测量探针本身现在是现有技术。在机床中，测量探针的使用例如服务于准确地确定或测量夹紧在工具台上的工件的位置以及可选地还有取向。这确保例如cnc机器的机床控制器一方面根据规范准确地处理（例如铣削）夹紧工件，并且另一方面防止工具（例如铣削头）无意间驱动到工件中并且由此损坏机床。用于位置确定的触觉测量探针一般仅在需要的时候才安装在机床中，例如以便测量机床的工作台上的夹紧工件。测量探针在该情况下是坐标测量系统的部分，其一般连接到机床的机器控制器并且将由测量探针检测的测量点传达给机床。为此目的，在正常情况下，测量探针在其底座处夹紧于移动机头的卡盘中，即代替工件。这确保与机床的机头直接相关地实施测量。在其另一端处，触觉测量探针具有可偏斜感测元件，其通常以球体或球冠的形状配置。感测元件具有准确限定的感测表面，其对于位置测量而言需要与要测量的对象逐点地接触。所以，完全可以执行测量探针上的感测元件与要测量的对象的无损接触，测量探针装备有机电传感器。该传感器像小弹簧元件那样操作。在测量探针的尖端上的可偏斜感测元件与对象的接触的情况下，测量探针沿着其纵向轴线弹性地并且可逆地被压缩达感测偏斜i。一旦该感测偏斜达到所确定的阈值itr（触发值，例如在4-30μm的范围中），则测量探针或其传感器触发电信号，其用信号表示测量探针的接触或压缩，并且例如防止机头的进一步移动。因为测量探针的几何形状（特别地，其感测元件上的感测表面的几何形状以及测量探针的长度）在机床上的校准之后是准确地限定和已知的，所以所测量的点（例如在夹紧工件上）的相对位置可以准确地确定，并且例如基于机器控制器所已知的机头或卡盘的位置通过机床的机器控制器来检测。由于机床现在是高度精确的，所以还需要在该位置确定中考虑测量探针的感测偏斜itr。这在触觉测量探针的校准期间完成。

对于利用测量探针的准确位置测量，例如文档wo98/57121提出直接利用光学传感器记录感测元件在测量探针上的位置，使得一般为针状的测量探针的感测偏斜或者以其它方式发生的变形不能干扰位置测量。

然而，这样的设备尚未总是被证明在实践中可靠，因为在某些情况下（例如如果发生污染）光学传感器事实上不能正确地检测感测元件。此外设备相对复杂，因为必需移动测量探针以及具有测量探针的附加光学传感器。此外，存在其中感测元件在测量期间不能保持在光学传感器的视区中的应用。如果意图要例如测量钻孔的深度，则光学传感器不能检测插入到钻孔中的感测元件，并且因而不能实施测量。这样的测量设备的可用性因此相对有限。

wo94/08205描述了一种类似的设备，其中机械感测元件借助于视频相机而移动到要测量的位置。

用于移动设备的另外的校准设备在de10027106a1中进行了描述。

以conoptica公司的名义的ep2203273b1公开了一种利用可以测量旋转工具的测量设备。然而，在其段落[105]-[107]中，此处的文档还描述了利用相同测量设备测量以上所述触觉测量探针的可能性。为此目的，测量探针夹紧在工具头的卡盘中并且在测量设备中测量，例如定位成接近机器工作台（参见段落[106]以及附图6a和7a）。为此目的，测量设备具有光学检测器和气动杆，在其上紧固具有参考图案的玻璃立方体。玻璃立方体最初被带入光学检测器的视场中。在应用于玻璃立方体的参考图案的帮助下，检测器可以检测玻璃立方体或其表面的精确位置。随后，工具头抵靠玻璃立方体移动测量探针的尖端，直到触觉测量探针用信号表示接触并且停止机头的进一步移动。在玻璃立方体上的所触碰参考表面和卡盘中的测量探针的底座的已知位置的基础上，测量设备可以确定所触发或触碰的状态中的测量探针的长度以及测量探针的实际感测偏斜itr二者，并且因此校准测量探针。如果测量探针在随后的时间处再次适配在工具头中，则校准可以更加快速地实施。为此目的，测量探针的球形尖端再次被带入光学检测器的视场中，并且球形尖端的坐标或位置以光学方式来确定并利用测量探针的所存储感测偏斜itr来补偿。这给出球形尖端在所触发的状态（即触碰测量点的状态）中占据的有效位置。新适配的测量探针因此已经得到校准并且准备用于新的位置测量。尽管ep2203273b1的测量设备给出良好的测量结果，但是用于感测偏斜测量结果itr的玻璃立方体的使用在实际使用中非常精细并且因而需要改进，因为对于感测偏斜测量结果itr而言，玻璃立方体附加地需要提供有透明玻璃薄片并且冻结（以便产生参考图案，参见段落[107]的末尾）。此外，玻璃立方体及其参考表面（其触碰测量探针）需要以高精度产生，使得其允许非常精确的测量。设计因此相对复杂并且因而昂贵。

本发明的目的因此是提供一种用于测量触觉测量探针的信号引发的感测偏斜itr的校准设备，其消除现有设备的缺点并且特别地具有更简单的设计。

该目的通过根据权利要求1的特征配置的校准设备而实现。

根据本发明的校准设备的优点在于，参考元件或其参考表面都不需要以高精度来制造或定位。参考表面实际上不需要位于检测器的视场中。其仅仅用于使感测元件偏斜并且（相比于现有技术的已知设备而言）不需要用于位置确定。校准设备的检测器仅仅需要能够检测测量探针的所偏斜感测元件的感测表面的部分，使得其与计算单元一起可以计算感测元件的精确位置。检测器可以例如是基于相机的或者甚至商业上可获得的基于激光的工具测量仪器（例如来自制造商blumnovotec，renishaw或者hexagonm&h）。校准仅仅在感测元件的位置检测的帮助下实施，该感测元件在使用期间偏斜达量itr。因此不要求高度精确制造或高度精确定位的参考对象（诸如表面或玻璃立方体）。参考表面的位置甚至不需要精确地确定。只要检测器检测感测表面的部分（在加载或未加载位置中），感测元件的位置就可以精确地确定。根据本发明的校准设备构造起来相对简单并且因此可以更为顺利地生产，但是以上全部基本上使用起来更简单。

对于具有例如基于激光的检测器的变形，优选的是使用具有激光可测量感测表面的测量探针（例如由陶瓷而不是常规蓝宝石玻璃制成）。

现在将在下文在示意图和示例的帮助下解释根据本发明的设备。

图1示出了根据本发明的校准设备的示例。

图2示出了触觉测量探针的详细视图。

图3示出了具有较小检测器视场的图2的触觉测量探针。

图4示出了具有感测元件的横向偏斜的触觉测量探针。

为了测量感测偏斜itr，根据本发明的校准设备与作为坐标测量系统的触觉测量探针一起安装在机床中，并且连接到机床控制器。这样的布置在图1中示出。触觉测量探针2最初夹紧在移动工具头12的卡盘16中。在第一步骤中，工具头12朝向根据本发明的校准设备1移动，使得可偏斜感测元件3或者触觉测量探针2的尖端进入检测器5的视场9而没有触碰另一对象（例如参考表面8）。在该情况下，甚至使感测元件3的感测表面4的仅一部分定位在检测器5的视场9中是足够的。校准设备1的检测器5和计算单元6可以从其确定可偏斜感测元件3的精确位置。由于坐标测量系统经由线路19连接到机床控制器18，所以校准设备1的计算单元6可以调取工具头的卡盘16中的触觉测量探针2的夹紧点17的位置（坐标），并且与感测元件3的所确定位置（或其坐标）一起来确定所夹紧的测量探针2的精确长度和大小。计算单元在该情况下自然地还考虑到实际感测元件3的大小（在正常情况下，球冠形感测元件的半径）。

在所夹紧的测量探针2的大小或长度在未加载状态（即没有感测元件的偏斜）中已经由此确定之后，感测元件3的实际感测偏斜itr被测量以用于校准。就这一方面参见图2中的详细视图。触觉测量探针2具有机电传感器（没有表示出），其对感测元件3的偏斜做出反应，或者发射信号以用信号表示与对象的接触已经发生（信号可以例如是电信号、光信号或者红外信号）。感测元件3的实际偏斜通常在测量探针2的底座处（在测量探针2的夹紧点17处）实施，机电传感器（没有表示出）也定位在这里。然而直到感测元件3已经经历特定偏斜itr（相比于感测元件3的原始位置的虚线表示而言），才由传感器发起信号。对于感测偏斜itr的测量，具有可偏斜感测元件3的测量探针2通过工具头12在参考表面8的方向上的缓慢移动而移动，直到测量探针2或其传感器对校准设备1或者坐标测量系统用信号表示感测元件3与参考表面8的接触，并且该设备或者系统向机器控制器发送停止信号使得防止触觉测量探针2的任何进一步移动。感测元件3因此在纵向轴线14的方向上偏斜达感测偏斜itr，并且在该状态中，感测元件2的感测偏斜itr现在可以被测量（利用检测器5）。再次，使感测元件3的感测表面4的仅相关部分定位在检测器5的视场9中是足够的。检测器5和计算单元6根据量itr从其确定偏斜的感测元件3的精确位置或坐标。工具头12的卡盘16中的触觉测量探针2的夹紧点17的位置（或坐标）然后被再次调取，并且从其计算具有信号引发的感测偏斜itr的测量探针2的长度。根据本发明的校准设备1或者坐标测量系统从两个所测量的测量探针长度之间的差异确定感测偏斜itr的值并且存储该值（例如在计算单元中）和/或将它传达给机器控制器。因此推断出测量探针2的感测偏斜itr的校准。在图2中，虚线此外表示处于测试位置中（即非偏斜位置中）的感测元件3或者测量探针2。

在例如夹紧工件上的测量点随后坐标确定期间，总是考虑到所测量的感测偏斜itr。

感测偏斜或者校准应当针对每一个测量探针单独地实施，因为值itr对于每一个触觉测量探针可以不同。感测偏斜itr在正常使用期间对于每一个测量探针保持不变并且仅需要周期性地检查。

如果测量探针2再次夹紧在工具头12的卡盘17中，然而可推荐的是重复以上提及的第一步骤，即再校准可偏斜感测元件3的位置。为此的原因在于：测量探针2在卡盘16中可能不再具有与在第一校准期间精确相同的位置，或者测量探针2（或者机床）处于与原始校准期间稍微不同的温度下。由于感测偏斜itr是非常小的值，所以其幅度甚至在经修改的测量探针或者机器温度的情况下实际上保持相同。

图3示出了来自之前图2的相同触觉测量探针2。然而，如可以从图3所见，检测器的视场9不获取整个感测元件3，而是仅获取其感测表面4的部分。甚至仅感测元件3的部分对于根据本发明的校准设备来说足够的，以便确定感测元件3的精确位置。这是有利地，特别地，因为参考元件7或其参考表面8因此都不需要以最大精度限定或定位。在该情况下，参考表面8甚至可以不精确地限定（例如以非平面或粗糙的方式）。也就是说，相比于现有技术，偏斜的感测元件3不需要放置在完全确定的位置中以便使测量探针的感测偏斜itr可正确地测量。对于根据本发明的设备而言，作为要求参考表面8定位成足够接近检测器的视场9以用于使感测表面4的至少部分在信号引发的接触的情况下放置在检测器的视场9中是足够的。

图4示出了根据本发明的校准设备的另一可设想到的实施例，其中触觉测量探针2可以不仅在其纵向方向14上而且还与此垂直地偏斜和校准。该实施例自然地预先假定不仅相应地配置测量探针2，而且还相应地配置校准设备。如由附图所表示，在该情况下，测量感测偏斜itr，其关于测量探针2的纵向轴线14而横向地或者垂直地发生。当然，根据本发明，还可设想到的是使测量探针及其感测元件在纵向轴线14和垂直于其的方向二者上组合地可偏斜（根据图4）。利用测量探针的测量因此还可在关于要测量的表面的任意倾斜方向上实施。在图4中指示的角度因此可以具有除90°之外的值。优选地，角度具有从90°到180°的值。

为了避免污染，在另一优选实施例中，参考表面8可以装备有喷嘴（10），其在另外的测量之前利用压缩空气或者清洁液体对参考表面本身或者感测元件进行清洁。

本发明因此涉及校准设备和具有校准设备的坐标测量系统，以及用于测量触觉测量探针的信号引发的感测偏斜itr的相关测量方法。触觉测量探针包括具有感测表面的可偏斜感测元件。可偏斜感测元件例如以球体或球冠的形状配置，并且紧固在引脚上。通常，感测元件可以与底座上的引脚（即测量探针的足部）一起偏斜。校准设备此外包括检测器，优选地相机或激光测量仪器。检测器具有视场，其意图用于获取感测元件的感测表面。此外，根据本发明的设备包括具有参考表面的参考元件，以及计算单元。

根据本发明，参考元件的参考表面关于检测器的视场以以下方式布置：在感测元件的感测表面与参考表面的信号引发的接触（即，接触敏感传感器发射对应信号）的情况下，感测表面或者感测表面的部分位于检测器的视场中。由于测量探针及其感测元件具有预确定且已知的尺寸，所以参考表面和视场可以直接关于彼此定位。检测器连接到校准设备的计算单元，使得可以从感测表面的所检测部分计算感测元件的精确位置。还将可设想到的是，使计算单元集成在检测器中并且直接地计算位置。还将可设想到的是，使校准设备连接到机器控制器并且使机器控制器计算感测元件的位置。计算单元的功能因此还可以由其它元件（例如在校准设备外部的其它元件）来承担，。

因为检测器在所检测的感测表面的部分的帮助下确定感测元件的位置，所以参考元件或其参考表面可以位于检测器的视场或检测区内或者可替换地位于其外部。

优选地，参考元件装备有用于清洁的一个或多个喷嘴。优选地，喷嘴朝向参考表面。为了清洁，喷嘴装备有压缩空气或者清洁液体。喷嘴可以使得它们对感测元件的表面和/或参考表面进行清洁的这种方式而取向。

感测元件或其感测表面可以以球体或者球冠的形状配置。

根据另一优选实施例，此外，校准设备还可以检测和计算工具（特别是铣削工具）的位置。在该情况下，检测器检测工具的表面或轮廓并且由此确定其精确位置。

本发明不仅包括校准设备本身，而且还包括装备有它以用于机床的坐标测量系统。坐标测量系统包括根据本发明的校准设备以及触觉测量探针，其具有可偏斜感测元件并且夹紧在机床的工具头上。

在本发明的另一变形中，测量探针可以以以下方式构造：感测元件的信号引发的感测偏斜itr可以发生在关于测量探针的纵向轴线的不同方向上。因而，感测偏斜可以与测量探针纵向轴线平行地或齐平地发生，在与其的直角处（垂直地）发生，或者在关于测量探针纵向轴线倾斜达角度的任何方向上发生。

此外，感测元件可以通过压缩或牵引而可偏斜。所提供的计算单元可以在由检测器确定的感测元件的位置以及工具头的位置的帮助下计算感测元件的信号引发的感测偏斜itr。

本发明还涉及根据本发明的用于对测量探针的信号引发的感测偏斜itr进行测量的测量方法。为此目的，最初以发起接触信号的这种方式而使测量探针的感测元件与参考元件的参考表面接触。在另外的步骤中，在测量探针的之前已知的长度的帮助下，并且根据由校准设备的检测器和计算单元所确定的感测元件的位置和工具头上的测量探针的夹紧点的位置，坐标测量系统随后确定测量探针的感测偏斜itr。测量探针的长度优选地在感测偏斜的实际测量之前测量，或者被录入到校准设备的计算单元中。

如果测量探针的长度被测量，则在信号引发的感测偏斜itr的测量之前，测量探针的长度可以确定如下：将感测元件的感测表面的部分或者感测表面带入到检测器的视场中，而在该过程中感测元件没有触碰其它对象。检测器和计算单元从感测表面的所检测部分计算感测元件的精确位置。随后，计算单元在感测元件的所检测位置以及机床的工具头上的测量探针的夹紧点的位置的帮助下确定测量探针的长度。机床的工具头上的测量探针的夹紧点的位置或坐标以电子方式（例如通过机床的机器控制器）传达给计算单元。计算单元因此优选地连接到机床控制器。

在根据本发明的测量方法的特别优选的变形中，可偏斜感测元件的位置在测量探针再夹紧于工具头的卡盘中以用于新的测量时再次分别校准或测量。这增大了随后测量的精度。在该情况下，在工具头中的测量探针的再夹紧的情况下再次检测可偏斜感测元件的位置。对于随后的位置测量，坐标测量系统然后访问已经测量和存储的感测偏斜itr。

本发明还包括机床（特别是铣削机或者放电加工机器）其具有根据本发明而起作用的坐标测量系统或者根据本发明的校准设备。

本发明不受限于明确提及的可能性和实施例。相反，这些变形意图作为对本领域技术人员的建议以便尽可能有利地实现本发明的概念。

参考标号列表

1校准设备

2触觉测量探针

3可偏斜感测元件

4感测表面

5检测器，例如相机或激光测量仪器

6计算单元

7参考元件

8参考表面

9检测器的检测区或视场

10喷嘴

11机床

12工具头

13外部测量点

14测量探针纵向轴线

15坐标测量系统

16工具头的卡盘

17测量探针的夹紧点

18机床控制器

19线路。