坐标测量机、探测系统以及补偿探针元件处的力的方法
【技术领域】
[0001]本发明总体上涉及一种用于补偿或避免对坐标测量机(CMM)的探针元件的作用的方法，认为由于按照给定测量路径移动该探针元件而产生这些作用。
【背景技术】
[0002]为了检查预定的物体参数，诸如物体的尺寸和形状，惯常的作法是在生产之后在诸如坐标测量机(CMM)之类的坐标定位设备上对工件进行检查。
[0003]在传统的3D坐标测量机中，探头被支撑成沿着三个相互垂直的轴线(在方向X、Y和Z上)运动。由此，能够将探头引导到坐标测量机的测量容积的空间中的任意点，并且可利用由探头承载的测量传感器(探测单元)对物体进行测量。
[0004]在简单形式的坐标测量机中，与各个轴线平行地安装的合适换能器能够确定探头相对于机器的基座的位置，并且因此能够确定正被传感器(例如，探测单元的探针顶端)接近的物体上的测量点的坐标。为了给探头提供可可动性，典型的坐标测量机可以包括布置有探头的框架结构和用于使框架结构的框架部件相对于彼此运动的驱动装置。
[0005]为了测量表面变化，已知基于使用触觉传感器和光学传感器的两种测量原理。
[0006]—般来说，为了给坐标测量机提供改进的测量精度，因此通常将坐标测量机的框架结构设计成具有高静态刚度。为了实现刚性和刚硬的机器设计，框架结构或其至少一些零件经常由诸如花岗岩之类的石头制成。除了诸如热稳定性和良好阻尼特性之类的所有积极作用之外，花岗岩还使得机器和可动框架元件非常重。另一方面，较大的重量也需要用于适当加速度的较大的力。
[0007]如果采用这种技术的话，则仍存在若干个可能的误差源。在相对于一个框架部件移动另一个框架部件时机器零件的激发共振或振动仅仅是动态误差的两个示例。而且，因来自机器外部的振动而产生的误差也需要考虑。另外，可能出现静态误差，例如缺少运动平直度、缺少轴线正交性或缺少线性驱动机构中的横向偏移。
[0008]根据许多解决方案，对上述误差仅仅进行静态分析，虽然这些误差还包括取决于轴线移动(特别是取决于移动轴线时的位置、速度、加速度和加加速度)的动态因素。利用依赖于速度的校准，以相当简单但不灵活的方式考虑到了该事实。尽管通过利用位置校准矩阵能够在数值上减少静态误差，但是当试图补偿动态误差时事情变得复杂得多。
[0009]当考虑到动态误差(诸如上述的振动或共振或动态力等)时，校准变得甚至更复杂，这些动态误差不仅会对产生有这些误差的轴线产生影响，而且这些动态误差会还会“串扰”其它轴线并且在系统的其它零件中导致误差。此外，根本作用还可能取决于环境条件，诸如温度、湿度、气压等，并且特别是，这些根本作用还将随着机器的使用寿命而变化。
[0010]在这种情况下，例如，必须考虑到机器的一个轴线的加速度(机器可能移动另外垂直轴线和探头)会导致坐标测量机的整个框架(例如探头)发生线性和角度动态偏转，这些偏转又会导致测量不确定性和误差。这些动态测量误差可以通过以低加速度进行测量(例如，通过因此优化的期望运动轨迹)来减小。
[0011]举例来说，对于误差处理，EP I 559 990公开了一种坐标测量系统和对在坐标测量机中测量的坐标进行校正的方法，在坐标测量测量机器上安装具有各种重量的零件的同时测量几何误差。从每个零件重量对应的测量结果推导出补偿参数并存储补偿参数。与待测量零件的重量对应的补偿参数被适当地读出以校正该待测量的零件的测量坐标。
[0012]再举例来说，EP I 687 589公开了在具有铰接探头的坐标测量机中进行误差补偿的方法，该铰接探头具有表面检测装置。该表面检测装置在测量过程中围绕铰接探头的至少一个轴线旋转。该方法包括如下步骤:确定设备的整体或一部分的刚度；确定与在任何具体时刻由铰接探头施加的载荷有关的一个或多个因素；以及确定在表面感测装置处由该载荷引起的测量误差。
[0013]在GB 2 425 840中公开了利用坐标测量机(CMM)对工件测量进行误差校正的另一个方案。由此，利用工件感测探针进行位置测量，在该工件感测探针中设置有测量加速度的装置。针对诸如由于振动引起的那些高频误差之类的高频(不可重复)误差以及诸如由于探针上的离心力引起的那些低频误差之类的低频(可重复)误差对这些测量进行校正。该校正方法包括:测量工件；从预定误差函数、误差图或误差查找表确定可重复测量误差；测量加速度并计算不可重复测量误差；组合第一和第二测量误差以确定总误差；以及使用总误差校正工件。预定误差图是使用具有已知尺寸的人工制品来计算的。
[0014]还已知使用安装在测量机器的探针中或其他运动零件上(例如，安装在Z柱上和/或基座工作台中)的加速度计，从而允许进行差分测量和/或评估外部施加的振动。在这种布置中，可以利用双重积分来测量探针位置的位移和误差，并且基于该信息，可以利用双重积分信号和标尺之差对读数进行调整。例如，WO 02/04883公开了这种准静态方案。
[0015]然而，根据以上方案，仅仅以计算方式考虑了在移动(加速)探测单元时探针元件的位移。
[0016]特别是当与CMM—起使用扫描探针并且采用相当高的移动速度来测量物体时，影响探针元件的动态作用增加并且引起了更多应该考虑的误差(例如，由于在连续接触表面时出现的接触力)。这致使计算更为复杂，结果导致误差无法完全通过计算而补偿。
[0017]—般来说，扫描探针的测量顶端可能在所有三个笛卡尔方向(X，y, z)上偏转，其中位于探测单元处的传感器针对各个方向测量这些偏转。一般来说，通过顺序地连接至彼此的“三曲系统”(每个方向一个)而允许并测量该偏转。
[0018]对于现有探针的一个主要要求是使得对测量零件(待测量物体)和机器的冲击最小，这意味着减小接触力。同时，轴线之间的交叉耦合必须最小，并且必须维持线性度。
[0019]低冲击力、最小的交叉耦合和线性度产生了弱(低共振)和/或大的探针结构
[0020]扫描性能(速度、加速度)因而受到探测单元(探头)本身的限制，因为激发了共振，留下了线性带，加速度引起的动态力导致探针感测元件偏转，并且(更重要的是)可能发生抬离。
[0021]为了减轻这些作用，现有的扫描探针借助于粘性流体对接触问题进行阻尼。众所周知的是，这些流体的特性取决于环境条件，并且在使用寿命和生产期间可能变化。因而，阻尼力可能随着时间变化并且不是众所周知的。
[0022]此外，这些流体只能施加与偏转速度相关的被动力。阻尼力因此受到限制，并且针对可以随着相应的测量系统而发生的具体共振频率来设计。由于现有探针的被动特性(使用粘性流体)，在待接触表面处仍然可能发生一定速度的抬离作用。
【发明内容】
[0023]因此，本发明的目的是提供一种用于在移动探针时补偿特别是避免探针元件的位移误差的改进的方法和系统(CMM)。
[0024]本发明的进一步目的是为待测量物体的各个测量点提供更精确和可靠的测量值。
[0025]本发明的构思是通过向探针元件主动施加可调节的反力(例如，轨迹相关阻尼力；和/或依赖于加速度的反力，该反力补偿惯性作用；和/或依赖于速度的反力，该反力补偿科氏作用；和/或依赖于位置/取向的反力，该反力补偿重力作用)来维持与探针元件的较低接触力，而且克服了上述缺陷。
[0026]该方案不仅着眼于如从现有技术中已知的恒定接触力或预先规定的力，而且解决了向探针元件施加精确和已知(且变化)的力，以便根据由于移动探测单元而出现的影响提供探针元件的改进位置稳定性。
[0027]本发明涉及一种用于至少部分地补偿，特别地避免，探测单元的探针元件(分别相对于探测单元本身或探头)的位移，即补偿所引发的力的方法。在本发明的意义上，探针元件的位移优选被理解为(探针元件的)的探针顶端的错位或触针的弯曲，其中所述触针和/或所述探针顶端代表所述探针元件。此外，所述探针元件(例如，所述触针和/或所述探针顶端)的振荡也应被理解为相应的位移。特别地，所述探针元件的任何种类的变形代表这种元件的位移。所述探测单元被附接至坐标测量机并且通过所述坐标测量机而沿着具有许多运动点的规定运动路径运动(特别地所述探测单元被附接至探头或通过该探头沿着具有许多运动点的规定运动路径移动)，以接近物体处的测量点。
[0028]所述探测单元包括至少一个致动器，该致动器以如下方式布置和设计:能以可变的规定方式关于至少一个致动方向向所述探针元件施加(反)力。该(反)力取决于施加至所述致动器的致动信号，该致动信号使得所述致动器能够向所述探针元件施加可变力。
[0029]该方法包括接收关于所述探测单元的预期、测量或计划的运动的运动信息，其中该运动信息提供关于由于所述探测单元的运动而影响所述探针元件的力的信息。
[0030]影响所述探针元件的这种力例如是由惯性力(例如，重力、离心力和/或科氏力)或由场力(例如，重力、由于静电场或磁场等引起的力)引发的。
[0031]基于所述运动信息推导出用于至少一个具体运动点的至少一个力参数。例如，可以基于该运动信息，计算用于所述至少一个具体运动点的所述探针元件上的力作用，例如，力的幅度和/或方向。此外，基于所述至少一个力参数确定用于所述至少一个具体运动点的对应致动信号，该致动信号提供了针对在所述具体运动点处影响所述探针元件的力由所述致动器施加规定反力。
[0032]特别地，所述致动信号与所述致动器处的目标电流相关，以便施加规定的目标反力。
[0033]在所述运动信息提供关于所述探测单元的预期运动的信息的情况下，在所述探测单元(恰好)到达所述具体运动点之前，可以向所述致动器提供所述致动信号。该致动信号可以基于由已知运动轨迹给出的信息来施加。
[0034]通过这样做，能向所述探针元件施加调节好的反力，该调节好的反力以对应方式抵消在所述探针元件处引起的力(由所引起的力导致的预期位移)，并因而使所述探针元件保留在期望参考位置或保留在该位置周围的规定参考带内。
[0035]关于在探测单元到达运动点之后施加所述致动信号，该方案优选基于所述探测单元的运动的测量(该测量代表所述运动信息)来施加，其中所述测量信息用于确定所述致动信号。可以使用给出关于例如探测单元处的可能振荡的信息的加速度计来进行相应的测量。因而，能够提供对振荡的对应阻尼。
[0036]所述致动器(例如，音圈)可以用来通过利用该致动器作为发生器来被动地或主动地影响系统中的动能而对探针(元件)的动态行为进行阻尼。
[0037]根据该被动方案，可以通过连接至所述致动器的电阻器来消灭赋予所述探测元件的动能，其中该致动器的引发电流通过该电阻器来放电。“被动”在这里涉及电阻的相应设置。这样，能够实现对振荡的适当阻尼。这里的反力应该理解为对应的被动阻尼。
[0038]根据该主动方案，动能被相应主动引起的反力抵消。这可以通过向所述致动器施加相应的电流的控制器来进行，其中主动引起的反力直接依赖于所施加的电流。另选地或附加地，所设置的电阻器的电阻被相应地进行修改。
[0039]这里，可以基于关于所述探针元件处的预期力的信息引起可预测的反力，或者可以基于例如速度的测量(例如，通过测量致动器上的电压)来引起反作用的反力。
[0040]由所述致动器施加的施加反力可以从施加至所述致动器的电流的测量来计算以增加精度。
[0041]换句话说，可以测量所述致动器处的电流，并且可以基于该电流推导出用于实际反力的精确测量，特别地其中所施加的电流取决于所述致动信号，和/或基于所测量的电流实现所述致动信号。所述致动器处的电流可以对应于由于所述致动信号而施加的电流，或者可以对应于由