利用移动坐标测量机来确定空间坐标的方法和系统的制作方法
【专利说明】利用移动坐标测量机来确定空间坐标的方法和系统
[0001]本发明涉及用于利用移动便携式坐标测量机(CMM)来测量局部结构(诸如对象的腔的内壁)具体地用于测量工件的圆柱形钻孔的方法和系统。
[0002]通常做法是继生产之后在坐标定位装置(诸如在机器的工作体积内具有可移动探头的坐标测量机)上检查工件。
[0003]在常规3-D测量机中，探头被支承以便沿着三个相互垂直轴(在方向X、方向Y和方向Z上)移动。因此，能够将探头引导到测量设备的工作体积内的任何任意点。
[0004]用于测量诸如圆柱形腔的局部结构的固定测量设备是从现有技术获知的。这些机器允许对象的局部结构的准确测量。然而，这种类型的测量机的测量速率照惯例非常慢。另夕卜，通常能够仅固定地使用这种坐标测量机-必须将要测量的相应对象带到测量机。因此，这些机器不能够用于测量特别大对象的结构，例如飞机组装件(诸如机身或机翼)中的钻孔。
[0005]例如，在EP I 797 813中公开了一种用于测量腔的手持坐标测量设备。该文献描述了一种用于根据共焦成像原理来测量形成在对象中的腔的内壁的光学测量设备。所描述的解决方案的弱点是手持设备在测量期间的很不精确的定位和取向。虽然公开了具有用于设备在测量期间的限定定位的机械耦接元件的自适应装置，但是这些不能够消除由不与对象的表面或不平状表面正交的孔所导致的测量误差。
[0006]因此本发明的目的是提供用于以更高准确度确定大工件的局部结构的测量点的空间坐标的改进的移动坐标测量机以及改进的方法和系统。
[0007]本发明的特定目的是提高这样的一种用于确定腔(诸如钻孔)的测量点的空间坐标的移动坐标测量机和方法。
[0008]这些目的中的至少一个由根据权利要求1所述的用于确定空间坐标的方法、根据权利要求5所述的坐标测量系统、根据权利要求14所述的移动坐标测量机和/或本发明的从属权利要求来实现。
[0009]根据本发明，一种用于确定要测量的对象的局部结构的测量点的至少一个空间坐标的方法包括以下步骤:
[0010].将移动坐标测量机设置或放置在要测量的对象的表面上，
[0011].建立坐标测量机与局部结构的限定空间关系，
[0012].利用移动坐标测量机的感测头接近测量点，以及
[0013].确定至少一个测量点的至少一个空间坐标。
[0014]根据本发明的限定空间关系借助于坐标测量机到对象的机械固定或坐标测量机相对于对象的位置和取向或以及对象相对于公共基准坐标系统的位置和取向的连续确定来建立。
[0015]因此，具有被设计用于确定对象的局部结构的测量点的至少一个空间坐标的移动便携式坐标测量机(CMM)的系统包括用于将CMM固定到对象的表面的装置和/或用于CMM相对于对象或基准坐标系统的位置和取向的动态确定的装置。
[0016]根据本发明移动CMM包括:基座；传感器装置，所述传感器装置用于测量测量点并且生成测量数据；以及驱动机构，被适配为相对于基座驱动传感器装置或其部分(具体地感测头)以便接近测量点。根据本发明，在测量期间基座或传感器装置的位置和取向相对于局部结构或相对于基准坐标系统被限定，后者具体地借助于外部勘测仪器。传感器装置例如可以是触觉传感器装置或优选光学传感器装置。
[0017]优选地，移动CMM包括放置装置，其允许具体地以直立或悬浮方式、以CMM自主地保持在这个位置中的这样一种方式将移动CMM放置或设置在对象的表面上。在优选实施方式中，放置装置被构建为使得(在重力的影响下)移动CMM能够自主地直立在表面上，例如在具体地具有非滑动构造的至少三个架台(或底座)上。在另一优选实施方式中，放置装置被构建为使得移动CMM能够悬浮在表面下方的悬浮装置。
[0018]有利地，直立装置或悬浮装置具有用于将直立装置或悬浮装置固定地连接至对象的表面的连接装置，以便使得移动CMM能够直立在垂直地取向的表面上或甚至头向前地悬在表面下方。具体地，固定连接借助于磁体或真空例如利用电磁体或永久磁体、吸垫或真空泵来实现。并且用于将直立装置或悬浮装置固定地连接至对象的其它装置是可能的:例如，能够通过粘合剂结合(诸如水泥、胶水、一或两组分粘合剂或持久高黏度粘合剂)建立固定连接，或者-如果CMM被构建得非常轻-通过与壁虎脚的连接装置相似的连接装置经由范德瓦尔斯力建立固定连接。连接装置还能够被设计以得到与对象的特定特征的限定机械连接。这些特征例如可以是螺纹、插销或轨道，使得能够借助于螺钉或轨道结合实现机械连接。并且，当测量对象的局部结构时，连接装置甚至能够使用这个结构，例如钻孔，以用于建立到对象的固定连接或限定连接。
[0019]此外，有利地，连接装置被设计为在CMM与局部结构之间提供限定空间关系。具体地空间关系的准确度至少和传感器装置的测量的准确度一样高，即限定空间关系的容差比至少一个测量点的至少一个空间坐标的确定的容差小，具体地小至少两个数量级。
[0020]优选地，CMM包括用于例如由于感测头的移动而在对象中或在CMM中发生的振动的主动补偿或吸收的阻尼装置。例如能够包括压电致动器的所述阻尼装置同样地是从现有技术获知的。
[0021]对于优选实施方式，局部结构是对象的腔，特别是钻孔，并且移动坐标测量机被设计用于确定腔内部的测量点的至少一个空间坐标。
[0022]在另一优选实施方式中，移动CMM包括具有用于接近测量点的触针的光学传感器装置，传感器装置具有用于确定测量点的空间坐标的发射器装置和接收器装置。优选地，基座包括驱动机构，所述驱动机构被适配为以能够相对于基座移动并且能够被引入到对象的孔中的这样一种方式使触针旋转并且驱动触针。优选地，第一测量光束与旋转轴垂直地发射以便测量到孔的外壁的距离。
[0023]为了测量孔的直径，移动坐标测量机的触针有利地必须沿着孔的中心轴引入到孔中，使得测量光束在与中心轴正交的平面中测量。否则，圆形孔的被测部分的直径将被感知为椭圆。并且，触针必须定位于孔中或至少靠近孔的中间。
[0024]因此，移动CMM在有利的实施方式中包括用于基座相对于局部结构的动态自主定位的定位装置。当移动坐标测量机被放置在对象在局部结构(诸如孔)之上的表面上时，准确定位对于准确测量数据的提供和再计算努力的减少是关键的。如果对象的表面不是绝对平的-例如是弯曲的或不规则的-则设备的垂直轴将不与孔的中心轴平行。
[0025]机械定位将从不是绝对完美的，使得在优选实施方式中提供了附加的软件补偿，其例如能够将椭圆测量转换成圆形测量。为了使再计算努力最小化，探头一方面需要与中心轴基本上平行地驱动并且另一方面到中心轴具有最小距离。
[0026]因此，有利地，提供了具有定位功能性的定位装置，其被以能够将基座在中心定位在孔上方使得设备的中心轴至少近似地变得与孔的中心轴共轴并且能够沿着中心轴将触针引入到孔中的这样一种方式设计。具体地，定位装置被设计用于使移动CMM的基座倾斜并且沿着方向X和方向Y移动它。
[0027]在优选实施方式中，定位装置被设计为铰接腿，这些腿将基座连接至架台并且各自包括可相对于彼此、相对于基座和/或相对于架台移动的至少两个构件。可移动构件具有编码器装置以检测单个构件相对于彼此、相对于基座和/或相对于架台的位置和/或取向。铰接腿同样地是从现有技术获知的，并且例如在EP 2016473中公开。
[0028]在另一优选实施方式中，基座包括用于将基座定中心在孔上方的孔定中心装置。孔定中心装置包括至少三个定中心构件，所述三个定中心构件附接至基座并且设计用于进入孔以及然后均匀地向外扩展以便对孔的外壁施加压力以便在孔中间在中心位置中移动基座使得能够沿着孔的中心轴引入触针。
[0029]优选地，移动CMM利用调频的即可调谐的激光源并且利用干涉测量原理来使用激光测量光束。例如，在文献EP 2 185 890中公开了这样的测量原理。然后在频率级上实现了测量。在作为测量传感器的光学探头的探测期间在算法上或在控制下考虑了距离测量中的与激光束在表面上的垂直入射的偏差。对于光学系统在利用使用在红宝石球的区域中具有直径的紧凑探