专利名称：用于测量坐标测量装置上的工件的坐标的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于测量坐标测量装置上的工件的坐标的方法，所述坐标测量装置具有探头，所述探头包括探测单元和分配给探测单元的探测传感器，并且在工件与探测单元接触时，探测传感器产生探测信号，通过该探测信号确定了表示探头在接触工件时的位置的刻度值，其中探头还包括加速度传感器，其在探头加速时产生加速度信号，探测信号和加速度信号馈送至控制及评估单元用于评估。本发明还涉及一种用于测量工件的相应的坐标测量装置。
背景技术：
该方法根据出版物WO 2009/112819A2已知，并且被用来避免所称的误接触(erroneous contact)。在检验出版物WO 2009/112819A2中的具体方案之前,首先描述该误接触的背景知识。由此，在以往，该坐标测量装置通常仅具有一个例如采用压电传感器或应 变计形式的探测传感器，其探测信号被评估以确定接触时间点，且由此确定相关的刻度值。这里，在测量操作期间，探测单元可以在与工件接触时被探头的加速度强烈地加速，使得探测传感器由此产生探测信号，基于该探测信号假设发生接触。探头的加速度能够激发该误接触，例如由于坐标测量装置的振动、由于坐标测量装置的线性轴向驱动器的加速度、由于旋转式回转接头的旋转轴向驱动器的加速度、由于结构噪声或由于空中噪声可引起探头的加速。即使坐标测量装置的引起不光滑行进的弱线性轴向驱动器也会导致该误接触。为抑制该误接触，在过去已经提供有不同的触发条件，一般必须累计满足这些触发条件使得有效接触得以发生。除探测信号超出触发阈值之外，通过示例，已经增加了关于探测信号是否超出触发阈值达到预定持续时间的检测的形式的补充触发条件。但是，在相对持久的加速的情况中，这同样会导致误接触。我们的美国专利US 5，862，604、US 5，526，576和US 5，425，180示出了不仅仅探测信号被用来触发接触以激发接触的情况中的评估电路。相反，探测单元另外还被进一步可偏转地支撑在探头上，设置开关元件以在偏转时输出开关信号。在此，作为用于有效接触的触发条件所需的是，探测信号超过触发阈值从而输出开关信号，使得在预定时段内完成超出触发阈值以及开关信号的输出。尽管提出了这些触发条件，但在探头加速时，在此仍能够发生误接触。当由于探头的加速，探测信号超出触发阈值且之后确实即刻发生了接触并且也由此输出了开关信号时，即为该情况。由于基于探测信号读出了刻度值，由此确定的接触时间点则部分地且清楚地比实际接触时间点提前，并且这导致有缺陷的测量值。为避免由于加速引起的该误接触，文献WO 2009/112819A2提出了一种方法，其中在工件与探测单元接触时，除探测传感器输出适当的探测信号之外，在探头中还设置有加速度传感器，其在提供基于探头的加速的加速度信号。为避免误接触，在加速度传感器供给加速度信号的情况下，更改刻度值所基于的触发条件，刻度值表示探头所依附的位置。具体地，提高探测信号必须超出的预定阈值的水平，将探测信号必须超出阈值的过程的持续时间延长预定时间。由于增大了要被超出的阈值，并且由于在开始接收刻度值之前将必须超出阈值的过程中延伸了预定时间，探头被“降低敏感性”，并且因此触发器限定的接触时间点甚至进一步偏离实际的接触时间点。另外，由于这一点，使得检测到接触的条件作为加速度的函数而变化。由此，接触变得不精确。
发明内容
因此，本发明的任务在于提供一种用于具有起始所述类型的坐标测量的方法，其中防止了误接触而不用改变检测到接触的条件，并且在于提出了相应的实施适当方法的坐标测量装置。该任务通过具有独立权利要求I的特征的方法并且通过具有独立权利要求12的特征的坐标测量装置加以实现。在此应看出，创造性方案的具体特征在于通过将探测信号和加速度信号彼此相减来确定评估信号，从而控制及评估单元确定所述刻度值，由此该评估信号被用来确定表示探头在接触工件时的位置的刻度值。这使得可以至少在较大程度上从探测信号中消除由 于加速度引起的那些成分。由于探测传感器的探测信号不仅由实际接触而且由探头的加速度引起，则相减的结果是具有非常小幅值的信号。探测信号和加速度信号的相减可在时域中进行，或另外在变换域中进行，诸如在频域中进行。探测信号和加速度信号的相减能够在控制及评估单元中以时域由模拟减法放大器特别容易地进行，模拟减法放大器将探测传感器的模拟探测信号与加速度信号的模拟加速度信号彼此相减。减法放大器是运算放大器，其经由电阻器相连使得该运算放大器的输入端处的两个信号被彼此相减。 替代地，探测信号和加速度信号在控制及评估单元中的相减当然还能够以数字方式在时域中进行，具体地由控制及评估单元的微处理器进行。这首先要求通过模数转换器(A/D转换器)将信号转换为数字信号，然后在控制及评估单元的微处理器中或另外地在另一合适的数字模块中以数值方式执行减法。但是，探测信号和加速度信号的相减还可以发生在频域中。为此，控制及评估单元首先对探测信号和加速度信号进行Fourier变换，然后通过将Fourier变换后的探测信号和Fourier变换后的加速度信号相减产生评估信号。为检测接触，通过相减确定的评估信号能够在控制及评估单元中与至少一个预定的触发条件比较。这里考虑最大变化的触发条件。关于是否在时域中或在频域中执行相减，作为检测到接触的触发条件在此明显地相互不同。在相减在时域中进行的情况中，典型的触发条件是预定的触发阈值的超出、触发阈值必须被超出的过程的持续时间或者两级触发阈值，在超出较低触发阈值后的预定时段内，需要最后进行较高触发阈值。在相减在频域中进行的情况中，相减的结果是特定频率下的幅值。例如，一个可能的触发条件能够是预定频带中的频率幅值超出预定的触发阈值。控制及评估单元能够具有校正功能，其使用评估信号的曲线来确定实际的接触时间点，其中实际的接触时间点在评估信号满足预定触发条件的时间点之前，控制及评估单元使用该接触时间点来确定表示探头在接触工件时的位置的刻度值。该校正功能是基于如下内容。在常规的有效接触处理的情况中，通过将探测信号与加速度信号中相减而产生的评估信号超出在以足够精度与实际接触时间点对应的时间点处在探头逻辑单元中设定的阈值。但是，存在下面的情况，其中在接触时间点处，产生的评估信号非常微弱，使得在接触时间点处不会超出在探头逻辑单元中设定的阈值，而仅在稍后超出。其原因能够是不利的接触方向，或细长的探针，或接触在软性材料上。在这样的情况中，建议应用如下方法，该方法有助于针对探测信号曲线尽可能有效地确定实际的接触时间点。举例来讲，在我们的美国专利US5，425，180中所述的方法提出了一种方案，其中探测信号的曲线与存储的样本曲线比较或发生关联，然后从中确定实际的接触时间点，进而根据该时间点确定刻度值。替代于探测信号，在该发明的情况中需要将评估信号与存储的样本曲线比较或发生关联，然后从中确定实际的接触时间点。由此，参考美国专利US 5，425，180的全部内容。更适用于校正的另一方法是我们的美国专利US 5，862，604中所述的方法。根据该方法，通过将探测信号关于时间微分并使用该探测信号的一阶或更高阶导数来确定精确的接触时间点，从而根据探测信号得出实际的接触时间点。然后，接收该时间点处存在的刻度值x、y和z，用于进一步处理。替代于探测信号，在该发明的情况中将需要适当地评估该 评估信号。由此，参考美国专利US 5，862，604的全部内容。刚刚描述的校正功能能够永久地用在每个测量操作的情况中。但是，在常规测量的情况中，已经发现上述的校正实际上对于测量结果没有任何提高。因此，建议仅在实际需要校正时启动所述校正功能。为实际这一点，可以将探测单元可偏转地支撑在探头上，并且提供在偏转时输出开关信号的开关元件，并且其中，恰好在评估信号满足触发条件时的时间点与输出开关信号时的时间点之间的时间差小于预定值时，控制及评估单元启动校正功能。其结果是，需要那样的测量其中探测信号中仅在非常晚的阶段满足个别触发条件，诸如预定阈值的超出。由此，能够设计各种探测传感器。例如，在此能够包括压电晶体。替代地，还可以提供应变计。探测传感器还能够由多个独立的传感器构成，例如三个偏移布置的压电传感器，或者三个应变计，使得能够近似良好均等地检测到探测单元在不同方向上的接触。还能够设计各种加速度传感器。能够包括压电传感器，其具有压电测量值拾取头和紧固到其上的质量体。但是，还可以使用其上紧固有质量体的应变计，或者从弹簧悬挂下来的质量体通过磁体在线圈中引起电压的磁敏传感器。另外例如已知大部分由硅生产出的被称为微机电系统(MEMS)的小型加速度传感器。该传感器为弹簧-质量系统，其中弹簧由仅若干微米宽的娃薄片构成，而质量体也由娃生产出，在弹簧悬挂部分与固定的参考电极之间加速的情况下，通过偏转可测量电容的变化。原则上，加速度传感器能够具有任意所期望的设计，并且能够紧固在探头区域中的任意期望位置处。但是，探测信号和加速度信号的上述相减由此必然形成适当的评估信号，在探头加速时发生的探测信号和加速度信号必须相对类似。通过使该加速度信号经历模拟信号整形或数字信号整形，能够产生该相似性。但是，当探测传感器和加速度传感器被构造为使得它们在加速时输出实际上相同的信号时，这是更为简单的。下列措施中的一种或多种能够被采纳，以实现该方案以及可能性。探测传感器的测量拾取头和加速度传感器的测量拾取头能够具有相同的类型。由此，能够确保作用在传感器上的相同类型的力引起相同的信号。
另外，由加速度传感器的测量拾取头确定其加速度的质量体的质量能够近似对应于探测单元的质量。由此另外实现了 探测单元上及质量体上的同类型的加速度引起同类型的信号。此外，加速度传感器的测量拾取头和探测传感器的测量值拾取头能够具有相同的定向。为此，适当地将加速度传感器紧固在探头上。例如，为此能够将加速度传感器紧固在探头的与探测单元反向的壁上。结果，探测传感器和加速度传感器在探头加速时输出实际上相同的信号，原因在于探测单元和加速度传感器的质量体在探头加速时受到相同的加速度。然后，依赖于传感器之间的距离，信号相对于彼此发生相移。为另外能够消除可能存在的相移，能够将加速度传感器布置在探测传感器附近。为此，加速度传感器也被适当地紧固在探头上。例如，加速度传感器能够紧固在支撑件上，而支撑件又紧固在探头壳体内侧，使得加速度传感器定位在探测传感器附近。由此，本申请所指的控制及评估单元包括用于处理属于标尺的读取头的信号、用于处理探头的信号以及用于评估测量结果的全部部件。就涉及到计算机数控的坐标测量装置而言，还可存在产生测量周期和控制驱动器所需的部件。该控制及评估单元的设计能够·明显地完全不同。例如，控制及评估单元的全部部件能够容纳在单个测量计算机中。在需要诸如实时启用微处理器的专用电气部件或者模拟电气部件的情况中，所述部件能够设置在被安装在测量计算机中的分离的卡上。替代地，控制及评估单元的单独的电气部件还能够设置在坐标测量装置的各个部件的区域中，即例如设置在探头的区域中。过去，诸如实时启用微处理器的电气部件通常容纳在分离的控制柜中。各个部件(测量计算机、控制器和局域部件)例如通过总线互相连通。执行创造性方法的坐标测量装置能够采用非常多样的构造。例如，其能够是门式测量装置、桥式测量装置、水平臂式测量装置或者具有回转接头的测量装置，因此探头经由其相对于工件移动的机构并不重要。决定性因素仅在于存在一种机构，探头经由该机构能够相对于工件移动。该机构还能够设计为使得工件移动而探头保持固定。在该情况中，“表示探头在接触工件时的位置的刻度值”被理解为指代工件的可移动测量支撑件的测量刻度值。为完整起见，可注意到限定探头与工件接触时的位置的确定的刻度值被首先用于得出工件表面的测量点。这通常通过借助于探测单元的标定几何构造(例如，机器坐标系统中的探测球中点的位置)及接触方向以计算刻度值来完成。
本发明的其它优点根据下面参考附图中的图I至图27对于示例性实施方式的说明而变得清楚。因此，从下面的附图应获知图I举例示出了实施创造性方法的坐标测量装置，图2示出了显示根据具有模拟减法放大器66的示例性实施方式的根据创造性方法的信号处理所需的主要部件的简化框图，图3至图6示出了在与工件正常接触时根据图2的信号处理的主要信号，图7至图10示出了在偏转接触时根据图2的信号处理的主要信号，图11示出了在以数字方式执行减法的情况下显示根据第二基本示例性实施方式的根据创造性方法的探测信号的信号处理所需的主要部件的简化框图，图12至图17示出了在与工件正常接触时根据图11的信号处理的主要信号，图18至图23示出了在偏转接触时根据图11的信号处理的主要信号，以及图24至图27示出了具有校正功能的通过与图11比较而修改的信号处理的主要信号。
具体实施例方式图I仅以示例的方式示出了坐标测量装置的设计。为测量支承在测量台75上的工件70，门架71沿着测量台75被可移位地支撑，经由标尺41和所分配的读取头(这里不可见)，可以确定门架71在该测量方向(在此标示为y方向)上的位置。门架71经由驱动 器(同样不可见)能够在该测量方向上被驱动。X-滑架72沿着门架的顶侧被可移位地支撑，其可以经由标尺31和读取头(不可见)读取该测量滑架72的位置。X-滑架72经由驱动器(不可见)驱动。主轴73又沿着该X-滑架在竖直方向(这里标示为Z-方向)上被可移位地支撑，主轴73的竖直位置能够经由标尺51和所分配的读取头(这里同样不可见)确定。主轴73也经由这里不能更详细看见的驱动器驱动。具有探测单元74的探头4被紧固在主轴73的下端，在工件70与探测单元74接触时，以稍后所述的方式检测接触，并且由此确定标尺31、41和51的刻度值，所述标尺限定探头4的位置，并且被用来确定工件表面上的被接触的测量点相对于探测单元74的已知几何构造以及相对于接触方向的确切位置。门架71、x-滑架72和主轴73由此形成使得探头4能够相对于工件70移动的机构。坐标测量装置还具有控制及评估单元68，其中在此仅看见测量计算机。图I中所示的完全示例性的控制及评估单元68包括全部部件，其需要用来产生测量周期、控制驱动器、处理属于标尺31、41和51的读取头的信号、处理探头4的信号以及评估测量结果。如开始已经详细说明的，该控制及评估单元68能够适当地具有各种设计。如果坐标测量装置例如是没有驱动器的手动坐标测量装置，则控制及评估单元68既不包括用于提供测量周期的部件，也不包括用于控制驱动器的部件。该构造也能够完全不同。例如，原则上，控制及评估单元68的所有电子部件可以被容纳在测量计算机中，如图I中所示。就需要诸如实时启用微处理器的专用电气部件或者模拟电气部件而言，这些部件能够设置在卡上，而所述卡被安装在测量计算机中。但是，如下面结合图2和图11进一步例示的，还可以在坐标测量装置的部件的区域中，也就是说，例如在探头4的区域中，控制及评估单元68包括诸如模拟电气部件(例如，放大器、滤波器、A/D转换器)的电气部件或者诸如微处理器的数字部件。而且，在以往，诸如实时启用微处理器的整个模块也通常被容纳在分离的控制柜中，各个部件(测量计算机、控制器和局域部件)互相连通。根据图I的坐标测量装置的开关型探头4在图2中以简化方式示出。如看到的，由探针3和探测球8构成的探测单元74被紧固在载架2上，载架2被弹性地支撑在球体6上。关于支承，载架2上的环肩5下侧上的三个柱体与在探头4的固定到壳体的部分上分别布置为偏移120°的三对球接合，并形成电气串联电路。在探测单元74的探测球8与工件接合之后探测单元74偏转期间，串联电路的三个开关中的至少一个接通，从而产生电气开关信号。该第一开关信号的信号线标注为13。该开关信号还标注为MECHK，用于机械接触。开关信号13经由放大器段14和滤波器段15以及脉冲成形段16传送到探头逻辑单元28。此外，在用于探测单元74(探针3及其探测球8)的载架2内，探头4具有探测传感器7，探测传感器7此处设计为压电传感器，并且其经由第二信号线23将其探测信号传输到第二前置放大器24的输入端。设计为压电传感器当然完全是举例性的。作为替代，当然还可使用其它的传感器。例如，可考虑使用应变计。高通滤波器25连接到放大器24的下游，并且其阻挡探测信号23中的纯直流分量。替代于高通滤波器25，还可以使用带通滤波器。由此在发生正常接触时，探测信号23实际上无改变地通过运算放大器63，运算放大器63与电阻器59、60、61和62相连作为减法放大器。该减法放大器将加速度传感器65的加速度信号67与探测传感器7的探测信号23相减。下面更为详细地对此进行更透彻的说明。从被连接作为减法放大器的运算放大器63发出的信号经由线69引导到A/D转换器27。该信号在下面被标示为评估信号69，并且下面进一步详细地加以说明。A/D转换器27的输出被连接到探头逻辑单元28，并且将数字化的评估信号69引·导到探头逻辑单元。探头逻辑单元28包括用于对评估信号69进行预处理的处理器和存储有评估信号69在适当时段期间的时间曲线的滚动存储器(rolling memory),也就是说,基于微处理器20的指令，能够在该存储器中得到评估信号69在限定时段期间的时间曲线。如上面结合图I所述的，探头4本身被紧固在坐标测量装置的可移动主轴73上。为采集在三个坐标方向X、y和z上的测量长度值，坐标测量装置的三个测量滑架分配有三个标尺31、41和51，读取头32、42和52扫描该三个标尺31、41和51。在三个内插器(interpolator) 33,43和53中的数字插值之后，增量测量系统的由读取头提供的信号序列馈送至计数器模块34、44和54。计数器输出连接到第二滚动存储器单元36，在存储器单元36中存储有预定时段期间的计数的时间曲线。两个滚动存储器，即存储器36以及探头逻辑单元28中的滚动传感器，经由时钟发生器29与微处理器20同步，从而确保评估信号69的曲线与探头4的位置之间的准确时间关系。在接触过程中，探测传感器7产生探测信号23，探测信号23在通过高通滤波器25后到达减法放大器66。如下面进一步详细解释的，加速度传感器65在正常接触的情况中实际不产生信号，因此在减法放大器66的输出处存在的评估信号69实际上对应于探测信号23。该评估信号69通过A/D转换器27被数字化，进而超出设定在探头逻辑单元28中的阈值。通过超出设定的阈值，被保持为超出预定时段的信号NIM在探头逻辑单元28中初始化。在正常接触情况中，在与要测量的工件70首先接触探测球8时的实际的接触时间点近似对应的时间点处发生该情况，具体当因球8和工件70之间累积的测量力使得信号强度达到设定阈值时发生该情况。此时，探头逻辑单元28中的滚动存储器以及另外的滚动存储器36经由信号线37被“冻结”。探头逻辑单元28现在等待来自探头的支承点6的开关信号13 (MECHK)，所述支承点的接通稍微滞后。当在线38上出现该信号MECHK时，探头逻辑单元28 “确认”接触过程，并且经由信号线39将相应的信号脉冲发送到微处理器20的数字输入端。在这种意义上，电路以下面情况作为用于开始接触的触发条件-评估信号超出阈值，-存在开关信号13(MECHK)，以及-评估信号超出阈值，并且在预定时段内出现开关信号。
在探头逻辑单元28已经“确认”接触过程，并且已经将相应的信号脉冲经由信号线39发送到微处理器20的数字输入端时，被缓冲在探头逻辑单元28的存储器中的评估信号69以及测量长度值X、y和z的被存储在存储器36的时间曲线由微处理器20从滚动缓冲器28和36中读取，并存储在非永久性存储器30中。然后根据被程序化在微处理器20的固件中的序列来执行所读取的测量值的进一步处理。在该序列中，在评估信号69已经超出阈值且因此已经产生信号NM的时间点时，该时间点处出现的测量值已经从存储器30确定，并被输出作为测量值X、y和z用于进一步处理。在实际操作中，在刚刚描述的接触工件70的情况中，例如由于诸如结构噪声或空中噪声的原因，可能出现干扰而造成测量序列中的误差。例如，可由坐标测量装置的弱的驱动器导致坐标测量装置的不平滑行进而引起该干扰。这导致探测单元74振动，使得探测传感器7因此具有有缺陷的探测信号23。以往，这会使得形成的探测信号超出探头逻辑单元28中的预定阈值，由此使得在探头逻辑单元28中在整个预定时段期间产生信号NM，并且使得探头逻辑单元28中的滚动存储器以及滚动存储器36经由信号线37被“冻结”。只要不响应于该有缺陷NIM信号产生开关信号13 (MECHK)，则这就是没有问题的，因为并未确认 该接触。但是，当产生该有缺陷的信号NIM后实际上发生接触，并且在从探头4的接通支承点6开始的预期时段内产生开关信号13 (MECHK)时，则出现问题。因此，假设在实质上部分地比实际接触时间点早的时间点处发生接触。这会引起重大测量误差。为避免该误接触，在探头4的固定在壳体上的部分中设有加速度传感器65，加速度传感器65纯示例性地由质量体56和压电测量拾取头55构成。例如在一定程度上，探头4因坐标测量装置的弱的驱动或因声音而被激发而振动时，加速度传感器65 (质量体56和压电测量拾取头55)产生电气加速度信号67，加速度信号67经由前置放大器57和高通滤波器58被切换到减法放大器66 (即运算放大器63，其通过电阻器59、60、61和62被连接作为减法放大器)的第二输入端。减法放大器66(即运算放大器63和电阻器59、60、61和62)现在将探测传感器7的探测信号23与加速度传感器65的加速度信号67相减，并且将通过将探测信号23和加速度信号67相减而形成的评估信号69发送到A/D转换器27上，A/D转换器27将评估信号数字化并且将其发送到探头逻辑单元28上，用于已经描述的评估。借助于图3至图6更为详细地说明附带结果，用于有效接触。由此，在正常接触工件70时，图3示出了探测传感器7的探测信号23，并且图4示出了加速度传感器65的加速度信号67。如由此可看出的，由于该接触，探测传感器7产生具有很大幅值的信号，而加速度信号67的幅值非常小。在探测信号23和加速度信号67的相减中，如图5中所示，减法放大器66产生在图2中由标号69表示的评估信号。如从图5将能看到的，该评估信号69具有较大的幅值，所述评估信号传送到A/D转换器27的输入端，A/D转换器27将评估信号69数字化并且将其发送到探头逻辑单元28上。由此产生并数字化的信号69超出探头逻辑单元28中设定的阈值，使得在探头逻辑单元28内产生在图6中以实线示出的信号NM，此时，如上文已陈述的，探头逻辑单元28中的滚动存储器以及滚动存储器36经由信号线37被“冻结”。来自探头4的稍后接通的支承点6的开关信号13 (另外标注为MECHK)在图6中被绘制为用虚线所示的信号，现在探头逻辑单元28等待该信号。现在，由于在重叠时段中存在两个信号，探头逻辑单元28 “确认”接触过程，并且将相应的信号脉冲经由信号线39发送到微处理器20的数字输入端，如上文所述的，微处理器20进一步处理信号。由此满足触发条件“评估信号超出预定阈值”、“存在开关信号13(MECHK) ”以及“评估信号超出阈值并且在预定时段中存在开关信号13 (MECHK) ”。在图7至图10中图示了发生误差的情况，其示出了在例如坐标测量装置的弱驱动器或声音激发紧固有探测单元74的探头4而振动时所发生的情况。由此，图7示出了探测传感器7的探测信号23，而图8示出了在误差情况中加速度传感器65的相应加速度信号67。如从中可看到的，在探头逻辑单元28中，探测传感器7的探测信号23将超出启动接触所需的阈值，而实际上不存在接触。然后，当工件70实际上将在稍后的某个时间点处经历接触时，这将导致误差，并且因此将在信号NM被保持的时段内出现开关信号13 (MECHK)。但是，在根据图2的创造性的电路的情况中，相反地，加速度传感器65也发送具有较大幅值的加速度信号67，如从图8所看到的。在两个信号相减期间，减法放大器66因此产生图9中所示的具有非常小幅值的评估信号69，所述信号发送到A/D转换器27的输入 端，A/D转换器27使评估信号69数字化并将其发送到探头逻辑单元28。由此产生并被数字化的评估信号69并不超出探头逻辑单元28中设定的阈值，因此不假定有接触，从而探头逻辑单元28中的滚动存储器及滚动存储器36经由信号线37并不被“冻结”。如果若干毫秒后实际发生接触，则可以产生有效测量值。关于加速度传感器65,应注意下面内容。加速度传感器65在此构造为使得在本情况中能够实现最佳可能的结果。首先，质量体56在此被定尺寸为使得其质量近似对应于探测单元74的质量。而且，具体是两个设计相同的压电晶体7和55的两个相同的测量拾取头被用在加速度传感器65和探测传感器7的情况中。由此，加速度传感器65布置为使得质量体56的加速引起加速度传感器65的加速度信号67，该加速度信号67实际上与因探测单元74的相同加速引起的探测传感器7的那些探测信号23相同。为此，加速度传感器65的测量拾取头55布置为使得所述拾取头具有与探测传感器7的测量拾取头7相同的定向。此外，加速度传感器65被紧固在探测传感器7附近。这通过将加速度传感器65紧固在支撑件76上，支撑件76又被紧固在探头4的探头壳体上而在所示的探头4中实现。但是，加速度传感器65当然不必体现为所示的那样。替代于这里示出的压电操作式加速度传感器65 (压电测量拾取头55以及质量体56)，可以示例性地使用任意其它所希望的加速度传感器。例如，紧固有质量体的应变计，或者从弹簧悬挂下来的质量体通过磁体在线圈中产生电压的磁敏传感器。例如，另外已知有小型加速度传感器，大部分由硅生产的所称的微机电系统(MEMS)。这些传感器是弹簧-质量系统，其中弹簧由仅若干微米宽的硅薄片构成，并且质量体也由硅生产，在弹簧悬挂部分和固定的参考电极之间加速的情况中，可以测量到电容的变化。加速度传感器65还能够紧固到探头4的另一位置上。质量体56的质量也不必对应于探测单元74的质量。但是，在该修改例的情况中，例如通过诸如适当连接的运算放大器、滤波器的模拟部件，或者经由微处理器中的数字信号处理，加速度传感器65的信号必须被设定条件，使得在质量体56加速以及在探测单元74加速时，加速度传感器65和探测传感器7产生类似的信号。图11示出了对应于创造性方法的信号处理的另一基本变形实施方式的另一简化框图。该信号处理的设计相对地类似于根据图2的信号处理的设计，图11的相应部分已设有与图2中的那些部分相同的标号。与图2相比，图11不具有减法放大器66 (即相应地与电阻器59、60、61和62相连的运算放大器63)。相反,加速度传感器65的信号67在此被直接连接到分离的A/D转换器64，A/D转换器64将加速度传感器65的加速度信号67数字化，并将其发送到探头逻辑单元28。此外，如下文所说明的，在探头逻辑单元28内和微处理器20中，软件也具有不同的构造。在根据图11的信号处理的第一操作模式的情况中，电路的操作完全类似于根据图2的电路，替代于图2中的减法放大器66，来自探测传感器7的探测信号23与来自加速度传感器65的加速度信号67的减法以数字方式由探头逻辑单元28中的微处理器执行，从而以数字形式完全类似地执行上文所示的结合图3至图6以及图7至图10的方法。唯一的不同在于，探测传感器7的在图3或图7中示出的探测信号23以及加速度传感器65的在图4和图8中示出的加速度信号67以离散数字化数值的形式存在，并且在于，从这些信号的减法中得到的在图5和图9中示出的评估信号已经通过探头逻辑单元28的微处理器中的数字减法完成计算。在到目前为止结合附图描述的示例性实施方式中，已在时域中进行了探测信号23 和加速度信号67的相减。在根据图11的信号处理的基本第二操作模式中，探测信号23和加速度信号67的相减在频域中进行。为此，探测传感器7的探测信号23和加速度传感器65的加速度信号67两者均由探头逻辑单元28内的适当微处理器进行Fourier变换。由此执行Fourier变换后的探测信号23和Fourier变换后的加速度信号67的减法，这在下面结合图12和图17更为详细地说明，用于有效接触。由此，在正常接触工件70的情况下，图12示出了探测传感器7的数字化后的探测信号23，而图13示出了加速度传感器65的相应数字化后的加速度信号67。如可看到的，探测传感器7通过接触产生具有很大幅值的探测信号23，而加速度传感器65的加速度信号67的幅值非常小。根据图14，探测传感器7的数字化后的探测信号23由探头逻辑单元28的微处理器变换成为Fourier变换后的探测信号。根据图15，加速度传感器65的数字化后的加速度信号67由探头逻辑单元28的微处理器变换成为Fourier变换后的加速度信号。这两个信号然后彼此相减，如图16中所示，结果产生在指定频率处具有较大幅值的评估信号。该减法在频率方面进行，也就是说，Fourier变换后的加速度信号67中的指定频率处的幅值从Fourier变换后的探测信号23中的相应频率处的幅值被减去。由于图16中所示的评估信号的这些幅值，超出预定的触发阈值，且因此在图17中以实线示出的上述信号NIM产生在探头逻辑单元28中。为检测评估信号是否超出预定的阈值，在本情况中测试至少一个频率下的幅值是否超出预定的触发阈值。但是，替代地，也可以选择性地检测预定频带的幅值是否超出预定的触发阈值。在评估信号超出预定触发阈值的该时间点，如上文已经陈述的，探头逻辑单元28中的滚动存储器以及滚动存储器36经由信号线37被“冻结”。探头的稍后接通的来自支承点6的开关信号13在图17中用虚线绘制为“MECHK”的指定信号，探头逻辑单元28此刻等待该信号。如上所述，由于此时在重叠时段中出现两个信号，探头逻辑单元28 “确认”接触过程，并且将相应的信号脉冲经由信号线39发送到微处理器20的数字输入端，微处理器20进一步处理所述信号。由此，满足了触发条件“评估信号超出预定阈值”、“存在开关信号13 (MECHK) ”和“评估信号超出阈值并且在预定时段中存在开关信号13 (MECHK) ”。误接触情况中的结果如图18至图23中所示。这里示出了当诸如因坐标测量装置的弱驱动器产生的振动或噪声的干扰激发紧固有探测单元74的探头4而振动时发生的情况。由此，图18示出了探测传感器7的数字化后的探测信号23，而图19示出了加速度传感器65的相应数字化后的加速度信号67。如从中所看到的，探测传感器7通过所述加速产生具有较大幅值的信号。但是，此时加速度传感器65也产生较大的幅值。探测传感器7的数字化后的信号23根据图20由接触逻辑单元28的微处理器变换成为Fourier变换后的探测信号。加速度传感器65的数字化后的加速度信号67根据图21同样由接触逻辑单元28的微处理器变换成为Fourier变换后的加速度信号。如从中所看到的，Fourier变换后的探测信号的频谱(图20)和Fourier变换后的加速度信号的频谱(图21)非常类似，原因在于作用在探测单元74和质量体56上的干扰加速度相同，且因此在探测传感器7的测量拾取头7中和加速度传感器65的测量拾取头55中引起非常类似的信号。之后，如图22中所观察到的，两个Fourier变换后的信号彼此相减，结果形成具有非常小幅值的信号。由于这些小的幅值，并不立即超出预定触发阈值，因此在探头逻辑单元28中并不发生在图23中由实线表示的上述信号NM，本情况中假定没有接触。
如通过图24至图27看到的，上文结合图2和图11所述的示例性实施方式还能够成为如下改进例。如上面已陈述的，在常规的有效接触过程中，在足够精确地与实际接触时间点相对应的时间点处，来自探测传感器7的探测信号23与加速度传感器65的加速度信号67相减产生的评估信号超出探头逻辑单元28中设定的阈值。但是，在接触的时间点处，还存在下面的情况，其中产生有非常微弱的探测信号，使得探头逻辑单元中设定的阈值在接触时间点处不被超出，而仅在接通探头4的支承点6稍后在输出开关信号13 (MECHK)时超出。该原因可能是不利的接触方向、或细长探针、或者接触在软性材料上。在该情况中，建议将我们的美国专利US 5，862，604中所述的方法应用于确定校正的测量值。因此，参考美国专利US 5，862，604的全部内容。在这个契机，可注意下面各点。在该美国专利中，探测传感器(压电传感器)的探测信号被评估，以从中确定具体接触时间点。与之相比，替代地，关于本发明，评估信号(图2中是标号69，图11中无标号)被适当地评估。此外，在该美国专利中，提供了对于要评估的探测信号的矫正(rectification)。与之相比，评估信号(图2中是标号69，图11中无标号)不被矫正。在本情况中，如果期望的话，则对评估信号的矫正可马上进行。但是，执行该美国专利中所述的方法决不需要矫正，该矫正因此是多余的。在将美国专利5，862，604所述的方法应用于图2或图11中所述的电路中的一个的情况中，在微处理器20中提供有如下操作的校正功能。该校正功能被实施为使得现在，评估信号已超出探头逻辑单元28中提供的阈值的时间点并不被评估为接触时间点-相反，通过对评估信号相对于时间微分并使用评估信号的一阶或更高阶导数来确定精确的接触时间点，从而从评估信号本身得出实际接触时间点。然后从存储器30确定该时间点存在的测量值，并将测量值输出为刻度值X、y和z，用于进一步处理。如下面借助于图24至图27更为详细地说明的，该校正功能由此被开启，用于有效接触。由此，在正常接触工件70的情况中，图24示出了探测传感器7的探测信号23，而图25示出了加速度传感器65的相应加速度信号67。从这两个信号的相减得出图26中看见的评估信号。如从中所看到的，该评估信号在开始具有相当小的幅值。这是实际的接触时间点。但是，在该瞬时，该幅值非常小使得并不超出探头逻辑单元28中的阈值。稍后于是出现较大的幅值。该幅值近似在探头4的支承点6接通的时间点处发生，也就是说，在出现开关信号13(MECHK)的时间点处发生。在此时间点处，评估信号超出探头逻辑单元28中设定的阈值，从而在探头逻辑单元28中产生如图27中以实线可见的信号NM，在此时间点，如上面已经陈述的，探头逻辑单元28中的滚动存储器以及滚动存储器36经由信号线37被“冻结”。来自探头4的稍后接通的支承点6的开关信号13 (另外标注为MECHK)在图27中用虚线绘制为“MECHK”的指定信号，此时探头逻辑单元28正等待该信号。探头逻辑单元28现在确定信号NIM的时间起始以及信号MECHK的时间起始已经短于预定的时间间隔。因此，信号“NM”的起始以及信号“MECHK”的起始相互非常接近，因此实际的接触时间点由此远提前于探头逻辑单元28限定的时间点(该评估信号超出探头逻辑单元28中设定的阈值)。基于此，探头逻辑单元28致动上述的校正功能。校正功能由此确定相对于评估信号的时段t (见图26中为参考时间t设置的箭头)，并输出相应的校正后的刻度值X、y和z，其中实际接触时间点相对于探头逻辑单元28确定的接触时间点滞后该时段t。·
权利要求
1.一种用于测量坐标测量装置上的工件的坐标的方法，所述坐标测量装置具有探头(4)，所述探头包括探测单元(74)和分配到所述探测单元的探测传感器(7)，并且在工件(70)与所述探测单元接触时产生探测信号(23)，所述探测信号有助于确定表示探头在接触工件时的位置的刻度值U，y和z)，其特征在于，所述探头还包括加速度传感器(65)，所述加速度传感器基于所述探头的加速产生加速度信号(67)，所述探测信号和所述加速度信号馈送至控制及评估单元￠8)用于评估，并且通过将所述探测信号和所述加速度信号彼此相减来确定评估信号(69)，从而所述控制及评估单元确定所述刻度值，由此该评估信号用于确定所述表示探头在接触工件时的位置的刻度值。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述探测信号和所述加速度信号的相减在所述控制及评估单元中由模拟减法放大器￠6)执行。
3.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述探测信号和所述加速度信号在所述控制及评估单元中的相减以数字方式执行，具体地由所述控制及评估单元中的微处理器执行。
4.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述控制及评估单元首先对所述探测信号和所述加速度信号进行Fourier变换，并且所述评估信号通过Fourier变换后的所述探测信号和Fourier变换后的所述加速度信号相减而产生。
5.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其特征在于，所述控制及评估单元将通过所述相减确定的所述评估信号与至少一个预定的触发条件比较，以检测接触。
6.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其特征在于，所述控制及评估单元具有校正功能，所述校正功能使用所述评估信号(69)的曲线来确定实际的接触时间点，所述实际的接触时间点在所述评估信号￠9)满足预定触发条件的时间点之前，所述控制及评估单元使用所述接触时间点来确定所述表示探头在接触工件时的位置的刻度值。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述探测单元(74)可偏转地支撑在所述探头(4)上，并且开关元件(6)设置成在所述探测单元偏转时输出开关信号(13)，并且其中，恰好在所述评估信号￠9)满足触发条件的时间点与输出所述开关信号(13)的时间点之间的时间差低于预定值时，所述控制及评估单元开启所述校正功能。
8.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其特征在于，所述探测传感器(7)的测量拾取头(7)和所述加速度传感器￠5)的测量拾取头(55)具有相同的类型。
9.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其特征在于，所述加速度传感器￠5)具有质量体(56)，所述质量体的加速度由所述加速度传感器的测量拾取头(55)确定，所述质量体(56)的质量近似对应于所述探测单元(74)的质量。
10.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其特征在于，所述加速度传感器的测量拾取头(55)和所述探测传感器(7)的测量拾取头(7)具有相同的定向。
11.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其特征在于，所述加速度传感器￠5)布置在所述探测传感器(7)的附近。
12.一种用于测量工件的坐标测量装置，包括 -探头(4)，所述探头具有探测单元(74)、探测传感器(7)和加速度传感器(65)，当工件(70)与所述探测单元(74)接触时，所述探测传感器产生探测信号(23)，所述加速度传感器基于所述探头(4)的加速产生加速度信号(67)，-机构(71，72，73)，所述探头(4)经由所述机构能够相对于所述工件(70)移动，所述机构具有标尺(31，41和51)，根据所述标尺可以确定表示探头的位置的刻度值(X，y和z)，和 -控制及评估单元(68)，所述控制及评估单元被构建成通过将所述探测信号和所述加速度信号彼此相减确定评估信号(69)，从而确定所述表示探头在接触工件时的位置的刻度值，由此所述评估信号被用于确定所述表示探头在接触工件时的位置的刻度值。
13.根据权利要求12所述的坐标测量装置，其特征在于，所述控制及评估单元被构建成执行根据权利要求2至6中至少一项所述的方法。
14.根据权利要求12所述的坐标测量装置，所述坐标测量装置的控制及评估单元被构建成执行根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述探测单元(74)可偏转地支撑在所述探头(4)上，并且开关元件(6)设置成基于偏转输出开关信号(13)，并且其中，恰好在所述评估信号(69)满足触发条件的时间点与输出所述形状信号(13)的时间点之间的时间差低于预定值时，所述控制及评估单元开启校正功能。
15.根据前述权利要求12至14中的一项所述的坐标测量装置，其特征在于，所述探测传感器(7)的测量拾取头(7)和所述加速度传感器￠5)的测量拾取头(55)具有相同的类型。
16.根据前述权利要求12至15中的一项所述的坐标测量装置，其特征在于，所述加速度传感器￠5)具有质量体(56)，所述质量体的加速度由所述加速度传感器￠5)的测量拾取头(55)确定，所述质量体(56)的质量近似对应于所述探测单元(74)的质量。
17.根据前述权利要求12至16中的一项所述的坐标测量装置，其特征在于，所述加速度传感器￠5)被紧固在所述探头(4)上，使得所述加速度传感器￠5)的测量拾取头(55)具有与所述探测传感器(7)的测量拾取头(7)相同的定向。
18.根据前述权利要求12至17中的一项所述的坐标测量装置，其特征在于，所述加速度传感器￠5)被紧固在所述探头(4)上，使得所述传感器被布置在所述探测传感器(7)的附近。
全文摘要
本发明涉及一种用于测量坐标测量装置上的工件的坐标的方法，该坐标测量装置具有探头(4)，探头包括探针(3)和与探针关联的探测传感器(7)，当探针接触工件时探测传感器产生探测信号(23)，通过该探测信号确定了表示探头在接触工件时的位置的尺寸值，其中探头还包括加速度传感器(65)，加速度传感器在探头加速时产生加速信号(67)，其中探测信号和加速度信号馈送至控制和分析单元(68)用于分析，并且其中控制和分析单元确定所述尺寸值，使得通过将探测信号和加速度信号彼此相减来确定分析信号(69)，并且仅使用所述分析信号确定表示探头在接触工件时的位置的尺寸值。本发明还涉及一种相应的坐标测量装置。
文档编号G01B7/012GK102947671SQ201180031246
公开日2013年2月27日 申请日期2011年4月14日 优先权日2010年4月23日
发明者A.富克斯, R.克恩 申请人:卡尔蔡司工业测量技术有限公司