用于带有彼此相切地联接的轮廓几何形状的工件的轮廓测量的轮廓测量仪和方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于工件轮廓(13)的轮廓测量的轮廓测量仪(10)以及方法。工件轮廓(13)具有多个轮廓几何形状(k)。至少一个第一轮廓几何形状(K1)和至少一个第二轮廓几何形状(K2)彼此相切地联接在第一过渡部位(U1)处。首先沿着第一轮廓几何形状(K1)和第二轮廓几何形状(K2)记录多个测量点(M)。基于在第一轮廓几何形状(K1)中的测量点的一部分确定第一替代元素(G1)且使之与第一轮廓几何形状(K1)相关联。类似于此，基于第二轮廓几何形状(K2)的一些测量点(M)确定与该第二轮廓几何形状(K2)相关联的第二几何元素(G2)。在此在第二替代元素(G2)相切地联接到第一替代元素(G1)处的边界条件下进行第二几何元素(G2)的大小和/或位置的计算。在两替代元素(G1)、(G2)之间的相切的过渡点形成如此确定的第一过渡部位(U1)。该方法可在附加的或其他的测量点(M)的辅助下反复地重复，直至实现第一过渡部位(U1)的足够精确的位置确定。
【专利说明】用于带有彼此相切地联接的轮廓几何形状的工件的轮廓测量的轮廓测量仪和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于轮廓测量的轮廓测量仪以及方法。在此二维地或备选地甚至三维地探测工件的轮廓。轮廓测量仪具有探测装置(Tasteinrichtung)以用于沿着待探测的工件轮廓测量点。探测装置可触觉地或无接触地(例如光学地)来工作。例如仿形器(Tastschnittgerat)可用作轮廓测量仪，其具有沿着待测量的轮廓的预定的轨道运动的测量测头(Messtaster)。例如从文件DE 10 2009 020 294 Al中已知仿形器。
【背景技术】
[0002]备选地，轮廓还可利用具有图象处理部的轮廓测量仪来探测，如这例如从文献DE
102007 016 502 Al中已知的那样。在此，工件的待探测的轮廓通过摄像机来记录。然后通过图象处理部确定工件的轮廓。为此在文献DE 10 2007 016 502 Al中提出首先设置测
量任务。在此，确定测量范围且使工具模型与测量范围相关联。
[0003]在轮廓测量时，尤其在使用沿着工件轮廓运动的测量测头时已经显示出确定在两个轮廓几何形状之间的过渡部位(轮廓几何形状彼此相切地联接在该过渡部位处)很困难。这例如可为在两个圆弧状的轮廓几何形状之间的相切的过渡部或在直的轮廓几何形状与圆弧状的轮廓几何形状之间的相切的过渡部。在测量工件轮廓时，仅可非常困难地实现以足够的精度来确定过渡部位。这又导致很难确定在制造工件时是否制成带有所期望的精度的相切的过渡部。
【发明内容】
[0004]因此，本发明的目的可考虑为提供一种用于轮廓测量的轮廓测量仪(尤其仿形器)和方法，其使得能够实现准确地确定待探测的工件轮廓的两个轮廓几何形状彼此相切地联接在该处的过渡部位。
[0005]该目的通过带有专利权利要求1的特征的方法以及带有专利权利要求13的特征的轮廓测量仪来实现。
[0006]待测量的工件具有工件轮廓，其带有第一轮廓几何形状和联接在第一过渡部位处的第二轮廓几何形状。预定成两个轮廓几何形状应彼此相切地联接在第一过渡部位处。该信息提供给轮廓测量仪或方法。
[0007]首先在单一的测量运动中沿着第一轮廓几何形状和第二轮廓几何形状测量待测量的工件轮廓，其中，探测多个测量点。借助记录的测量点可区分不同的轮廓几何形状。然后使替代元素与每个识别出的轮廓几何形状相关联。如果在轮廓几何形状中测量的测量点处在圆弧上，将圆作为替代元素与该轮廓几何形状相关联。如果在轮廓几何形状中的测量点处在直线上，使直线与该轮廓几何形状相关联。因为在第一轮廓几何形状与第二轮廓几何形状之间的第一过渡部位仍然是未知的，所以在一用于确定相应的替代元素的优选的实施例中仅使用这样的测量点，其具有至过渡部位的测量点的足够的最小间距，且尤其具有至用于确定联接的轮廓几何形状的替代元素的测量点的足够的最小间距。
[0008]接着在这样的边界条件下确定第一替代元素和/或第二替代元素的位置和/或大小，即第一替代元素和第二替代元素在过渡部位处彼此相切地联接。例如首先将圆或直线确定为第一替代元素。接着在这样的条件下例如将圆计算为第二替代元素，即该圆相切地联接到之前确定的第一替代元素处。于是相切的联接部位为在第一轮廓几何形状与第二轮廓几何形状之间的第一过渡部位。
[0009]根据本发明的方法恰好在仅沿着很小的角形区段(Winkelsegment)延伸的半径的情况下明显改善了结果的可重复性。
[0010]优选反复地(iterativ)重复第一过渡部位的位置的计算，以提高精度。在此可在每个迭代步骤中使用在所涉及的轮廓几何形状中的其他的或附加的测量点以计算相关联的替代元素。如果在第一过渡部位的两次连续的位置确定之间的位置变化小于预定的变化阈值，那么优选结束第一过渡部位的位置的迭代的计算。备选于此，还可预定迭代的数量。
[0011]待测量的工件还可具有三个或多个轮廓几何形状，其中，相应两个相邻的轮廓几何形状彼此相切地联接。优选地，在此确定第一轮廓几何形状的第一替代元素和第三轮廓几何形状的第三替代元素。接着如此计算处在第一替代元素与第三替代元素之间的第二替代元素的位置和/或大小，即第二替代元素相切地联接到第一替代元素和第三替代元素处。因此在考虑到两个边界条件的情况下进行第二替代元素的计算。
[0012]此外，如果在确定几何形状辅助元素时仅使用关于过渡部位或用于计算联接的替代元素的测量点具有最小间距的测量点，这是有利的。在此，如果取决于所涉及的过渡部位的已经执行的迭代的位置确定的数量提高在两个轮廓几何形状之间的过渡部位的位置确定的精度，可改变最小间距且使之减小。因此还可在所涉及的过渡部位的后续的迭代的位置计算时考虑这样的测量点，其在更早的计算时还不可使用。
[0013]借助轮廓几何形状的计算出的替代元素可确定工件的目标轮廓。取决于目标轮廓可确定工件的通过测量点实际测得的实际轮廓与目标轮廓的偏差且例如通过轮廓测量仪的显示装置图解地显示给操作者。
[0014]同样可在两个相邻的平面的轮廓几何形状之间的平面的相切的过渡部中使用根据本发明的方法。平面的轮廓几何形状例如可由柱状侧面的区段或平面形成。在轮廓测量时进行多次线性的测量以探测面。相切的过渡部例如可出现在柱状侧面的区段与平面之间或出现在两个柱状侧面的两个彼此联接的区段之间。过渡部位类似于上述说明的方法来确定。
[0015]为了计算作为替代元素的圆，可使用方法最小二乘法(即英文表述为“method ofleast squares")。备选地还可通过其他的数学标准确定作为替代元素的圆，例如包络标准(Hiillkriterien)(外接圆(Hiillkreis)，因此最小外接圆)、内接标准(Pferchkriterien)(内切圆(Pferchkreis),因此最大内切圆)或最小标准(Minimumkriterien)(带有最小面积的最小或切比雪夫(Tschebyscheff)圆))。通过彼此相切地联接的替代元素的替代圆确定和辅助条件可由此确定过渡部位。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]从从属专利权利要求和说明中得到本发明的有利的设计方案。说明借助优选的实施例来阐述本发明且限制本发明和其他情况的基本特征。其中:
图1以示意性的类似于框图的图示显示了轮廓测量仪的实施例，
图2以示例性的示意性的且并非按比例的图示显示了在用于轮廓测量的方法中沿着待测量的工件轮廓记录的测量点，
图3显示了借助识别出的轮廓几何形状计算出的替代元素，
图4借助根据现有技术的方法显示了轮廓测量的结果的图示，
图5借助根据本发明的方法显示了工件轮廓的轮廓测量的结果，以及 图6显示了用于轮廓测量的根据本发明的方法的实施例的流程图。
【具体实施方式】
[0017]在图1中极其简化地示出了轮廓测量仪10的框图。轮廓测量仪10具有带有测量测头12的探测装置11，该测量测头可沿着工件轮廓13运动以测量工件14的工件轮廓13。在该实施例中，轮廓测量仪10实施为仿形器。轮廓测量仪10具有可在测量方向R上线性地运动的滑架15，探测臂16围绕摆动轴线17可摆动地支承到该滑架处。探测臂16以摆动轴线17为起点朝其第一端部18延伸，在该第一端部处布置有测量测头12。测量值接收器20 (其探测探测臂16围绕摆动轴线17的摆动位置)在探测臂的与第一端部18相反的第二端部19处与探测臂16相关联。测量值接收器20的测量值被传输到控制装置21处。控制装置21与操纵单元22相连接。操纵单元22包括作为操作人员的操作界面的输入器件和/或输出器件。在该实施例中输出器件包含显示装置23，例如显示器。
[0018]控制装置21设立成执行用于轮廓测量的根据本发明的方法。在根据图6的流程图中示出了一优选的方法过程且接下来参考图2至5对其进行阐述。
[0019]为了测量工件轮廓13，将工件14夹紧到轮廓测量仪10的夹紧装置中。紧接着在第一方法步骤SI中开始该方法以进行轮廓测量。在该实施例中，在第二方法步骤S2中使测量测头12沿着工件轮廓13运动。为此使滑架15在测量方向R上移动。取决于轮廓走向使探测臂16围绕摆动轴线17偏转，这由测量值接收器20来探测且传输到控制装置21处。以这种方式沿着工件轮廓13探测多个测量点M，这如在图2中极其示意性地说明的那样。根据示例，沿着工件轮廓13测量k个测量点Ml至Mk。
[0020]根据示例，紧接着在第三方法步骤S3中将计数变量i设为零且在紧接的第四方法步骤S4中增加一。
[0021]在紧接的第五方法步骤S5中借助探测到的测量点M确定工件轮廓13的彼此联接的轮廓几何形状K，其中，在此处示意性地说明的工件14中示意性地说明了五个轮廓几何形状Kl至K5。轮廓几何形状的数量取决于工件14且原则上是任意的。
[0022]工件14具有目标轮廓KS，在其中轮廓几何形状K在过渡部位U处彼此相切地联接。第一轮廓几何形状Kl在第一过渡部位Ul处相切地联接到第二轮廓几何形状K2处。第二轮廓几何形状K2在第二过渡部位U2处又相切地联接到第三轮廓几何形状K3处等等。相应两个相邻的轮廓几何形状K彼此相切地联接到该处的过渡部位U的数量取决于工件14且原则上是任意的。相切的过渡部例如可出现在两个呈圆弧状的轮廓的轮廓几何形状之间，这如同在在此说明的实施例中在第一过渡部位Ul或第二过渡部位U2处示例性地示出的那样。相切的过渡部还可出现在笔直地伸延的轮廓几何形状和圆弧状地伸延的轮廓几何形状之间，这如同在在第四轮廓几何形状K4与第五轮廓几何形状K5之间的第四过渡部位U4处说明的那样。
[0023]在第五方法步骤S5中，过渡部位U的位置仍然未知。然而可取决于测量点M可识别出相关联的轮廓几何形状K是否沿着圆弧或沿着直线伸延。在第五方法步骤S5中，替代元素G相应与每个轮廓几何形状K相关联。在图3中示意性地说明了该关联。
[0024]例如借助测量点Ml至M3发现第一轮廓几何形状Kl的轮廓沿着圆弧延伸。因此使圆作为第一替代元素Gl与第一轮廓几何形状Kl相关联。同样，例如借助测量点M5、M6和M7发现第二轮廓几何形状K2也沿着圆弧延伸，从而同样使圆作为第二替代元素G2与第二轮廓几何形状K2相关联。同样相应将圆作为第三替代元素G3和第四替代元素G4与第三轮廓几何形状K3和第四轮廓几何形状K4相关联。第五轮廓几何形状K5笔直地延伸，从而将直线作为第五替代元素G5与第五轮廓几何形状K5相关联。
[0025]因为在第五方法步骤S5中过渡部位Ul至U4的位置仍然未知，所以在决定时，使替代元素与轮廓几何形状Kl至Kx相关联，仅使用这样的测量点M，其具有至测量点M的最小间距A，其用来确定用于相邻的轮廓几何形状K的替代元素G。这在图2中非常强地示意性地进行了说明。例如在第五方法步骤S5中未考虑第四测量点M4，因为其不具有至第三测量点M3和至第五测量点M5的所要求的最小间距A。第三测量点M3用来确定第一几何元素，而第五测量点M5用来确定第二替代元素G2。第四测量点M4既不相对于第三测量点M3具有足够的最小间距A，也不相对于第五测量点M5具有足够的最小间距A，且因此在确定替代元素Gl和G2时不予考虑。
[0026]在该方法的优选的实施例中如此计算圆形的第二替代元素G2，即其相切地过渡到圆形的第一替代元素Gl中或联接到该替代元素Gl处。在该处两相邻的替代元素G1、G2相切地彼此过渡的点为第一过渡部位Ul。同样可如此计算出圆形的第三替代元素G3，即其相切地联接到第二替代元素D2处，由此得到第二过渡部位U2。这针对所有的彼此联接的替代元素Gl至G5来实施。
[0027]在关于此的变型方案中，还可在第一步骤中确定每隔一个的替代元素，例如第一替代元素G1、第三替代元素G3以及第五替代元素G5。紧接着可在考虑到相应两个这样的边界条件的情况下确定处在其之间的替代元素G2、G4，即其相切地联接在相应相邻的替代元素G1、G3或G3、G5处。
[0028]以这种方式在第六方法步骤S6中确定轮廓几何形状K彼此相切地联接在其处的过渡部位U。
[0029]当然通常过渡部位U的第一次计算并非足够精确。因此在该优选的实施例中迭代地提高过渡部位U的计算的精度。为此在第七方法步骤S7中首先查询是否涉及过渡部位U的第一次计算。为了这个目的检查单元格变量i是否大于I。如果不是这种情况(分支N)，那么跳回至第四方法步骤S4。否则在第八方法步骤S8中继续该方法(分支Y)。
[0030]在第八方法步骤S8中针对每个过渡部位U计算在两次处成连续的迭代之间的位置偏差D。然后在紧接于第八方法步骤的第九方法步骤S9中查询位置偏差D是否大于预定的变化阈值Dmax。如果是这种情况(分支Y)，那么跳回至第四方法步骤S4。否则在第十方法步骤SlO中继续该方法。
[0031]如果在第七方法步骤S7中或在第九方法步骤S9中跳回至第四方法步骤S4，在方法步骤S5和S6中进行过渡部位U的位置的计算的新的迭代。在此，与在前述的计算迭代相比，在确定替代元素时使用附加的或其他的测量点M。以这种方式可在每次迭代循环时提高过渡部位U的计算的精度。
[0032]如果最终达到足够的精度，这在该优选的实施例中由此识别出，即过渡部位U的确定的位置在两次连续的计算迭代中仅就微小地改变且位置变化D小于预定的变化阈限Dmax0还可行的是用于计算不同的过渡部位U1、U2、U3、U4的位置的迭代的数量大小不同，以达到所期望的精度。
[0033]如果针对所有的过渡部位U识别出位置确定的足够的精度(第九方法步骤S9的分支N)，那么在第十方法步骤SlO中通过显示装置23输出测量结果。在该实施例中，测量结果包括工件轮廓13的目标轮廓KS，其借助彼此联接到过渡部位U处的替代元素G来确定。除了该目标轮廓KS之外，还输出借助测量点M测量的实际轮廓KM。于是由此还可看出在目标轮廓KS与实际轮廓KM之间的偏差。
[0034]在图5中说明了用于显示测量结果的图解的图示的示例。高度z在此关于路径在测量方向R上说明成垂直于测量方向R。还示出了在彼此相切地联接的两个轮廓几何形状K之间的过渡部位U。附加地还可示出圆弧角度α或长度I。
[0035]为了比较，图4彼此独立地说明了轮廓几何形状K的单个测量的结果。在此还可识别出不可或可以仅仅并非足够的精度测量在相应的过渡部位处的区域。在该示例中，例如第二轮廓几何形状Κ2和第三轮廓几何形状Κ3的径向线在交点P中相交，这在彼此相切地联接的轮廓几何形状K中是不可能的。实际轮廓KM与目标轮廓KS在过渡部位U处的比较在这样的单个测量中不可实现或仅可不充分地实现。
[0036]紧接着测量结果的输出，在第11方法步骤Sll中结束该方法。
[0037]在在此说明的实施例的变型方案中还可以同样的方式确定在两个相邻的平面的轮廓几何形状之间的平面的相切的过渡部。平面的轮廓几何形状例如可通过柱状侧面的区段或平面形成。在此进行多个彼此平行地错位的轮廓测量。相切的过渡部例如可出现在柱状侧面的区段与平面之间或出现在两个柱状侧面的两个彼此联接的区段之间。
[0038]在另一变型方案中，还可将点使用为替代元素且将例如到该点处的相切的联接部使用为用于计算联接的其他替代元素的边界条件。
[0039]本发明涉及一种用于工件轮廓13的轮廓测量的轮廓测量仪10以及方法。工件轮廓13具有多个轮廓几何形状K。至少一个第一轮廓几何形状Kl和至少一个第二轮廓几何形状Κ2彼此相切地联接在第一过渡部位Ul处。首先沿着第一轮廓几何形状Kl和第二轮廓几何形状Κ2记录多个测量点Μ。基于在第一轮廓几何形状Kl中的测量点中的一部分确定第一替代元素Gl且使之与第一轮廓几何形状Kl相关联。类似于此，基于第二轮廓几何形状Κ2的一些测量点M确定与该第二轮廓几何形状Κ2相关联的第二几何元素G2。在这样的边界条件下进行第二几何元素G2的大小和/或位置的计算，即第二替代元素G2相切地联接到第一替代元素Gl处。在两个替代元素Gl、G2之间的相切的过渡点形成以该方式确定的第一过渡部位U1。该方法可在附加的或其他的测量点M的辅助下反复地重复，直至实现第一过渡部位Ul的足够精确的位置确定。
[0040]参考标号列表:
10轮廓测量仪11探测装置
12测量测头
13工件轮廓14工件15滑架16探测臂17摆动轴线18第一端部19第二端部20测量值接收器21控制装置22操纵单元23显示装置A最小间距D位置偏差i计数变量KS目标轮廓KM实际轮廓M测量点P交点R测量方向S1...SI I方法步骤U过渡部位。
【权利要求】
1.一种用于工件(14)的轮廓测量的方法，该工件带有第一轮廓几何形状(Kl)和第二轮廓几何形状(K2)以及第一过渡部位(Ul)，第一轮廓几何形状和第二轮廓几何形状(ΚΙ, K2)彼此联接在该第一过渡部位处，其中，在第一过渡部位(Ul)处的联接部应相切地伸延，该方法带有以下步骤: (a)沿着第一轮廓几何形状(Kl)和第二轮廓几何形状(K2)测量多个测量点(M)， (b)借助在第一轮廓几何形状(Kl)的区域中的至少一个测量点(M)确定用于第一轮廓几何形状(Kl)的第一替代元素(Gl)， (c)借助在第二轮廓几何形状(K2)的区域中的至少一个测量点(M)确定用于第二轮廓几何形状(K2)的第二替代元素(G2)， (d)在第一替代元素(Gl)和第二替代元素(G2)彼此相切地联接的边界条件下计算第一替代元素(Gl)和/或第二替代元素(G2)的位置和/或大小， (e)在第一替代元素(Gl)和第二替代元素(G2)彼此相切地联接在其处的部位处确定第一过渡部位(Ul)的位置。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，相应在使用用于确定第一替代元素(Gl)和/或第二替代元素(G2)的其他的或附加的测量点(M)的情况下重复步骤(b)至(e)，直至在第一过渡部位(Ul)的两次连续的位置确定之间的位置变化(D)小于预定的变化阈值(Dmax)。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，待测量的工件(14)具有第三轮廓几何形状(K3)，其在第二过 渡部位(U2)处联接到第二轮廓几何形状(K2)处，其中，在第二过渡部位(U2)处的联接部应相切地伸延，其中，在步骤(d)中在这样的边界条件下进行第一替代元素(Gl)和/或第二替代元素(G2)和/或第三替代元素(G3)的位置和/或大小的计算，即不仅第一替代元素和第二替代元素(G1，G2)而且第二替代元素和第三替代元素(G2，G3)彼此相切地联接。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使圆作为替代元素(G1，G2，G3，G4)与沿着圆弧延伸的轮廓几何形状(Kl，K2，K3，K4)相关联。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，为了确定作为几何形状辅助元素(Gl, G2, G3, G4)的圆，测量相关联的轮廓几何形状(Kl，K2，K3，K4)的至少三个测量点。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使直线作为替代元素(G5)与笔直延伸的轮廓几何形状(K5)相关联。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，为了确定作为几何形状辅助元素(G5)的直线，测量相关联的轮廓几何形状(K5)的至少三个测量点。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在确定替代元素(Gl)时仅使用这样的测量点(Ml，M2，M3)，其具有与过渡部位(Ul)或多个过渡部位的最小间距(A)，与替代元素(Gl)相关联的轮廓几何形状(Kl)在该过渡部位(Ul)处联接到相邻的轮廓几何形状(K2)处。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，按在所涉及的过渡部位O的两次连续的计算之间的位置变化越小，则可改变最小间距且使之减小。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在确定过渡部位(U)之后借助确定的替代元素(G)确定目标轮廓(KS)。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，确定在测量点(M)与目标轮廓(KS)之间的偏差。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在显示装置(23)上图解地示出工件(14)的目标轮廓(KS)和由测量点(M)产生的实际轮廓(KM)。
13.一种用于工件(14)的轮廓测量的轮廓测量仪(10)，其中，该工件带有第一轮廓几何形状(Kl)、第二轮廓几何形状(K2)以及第一过渡部位(Ul)，第一轮廓几何形状(Kl)和第二轮廓几何形状(K2)彼此联接在该第一过渡部位(Ul)处，其中，在第一过渡部位(Ul)处的联接部应相切地伸延，该轮廓测量仪(10)带有:探测装置(11)，其用于沿着工件(14)的待测量的轮廓(13)测量多个测量点(M);控制装置(21)，其可设立成执行以下步骤: (a)沿着第一轮廓几何形状(Kl)和第二轮廓几何形状(K2)测量多个测量点(M)， (b)借助在第一轮廓几何形状(Kl)的范围中的至少一个测量点(M)确定用于第一轮廓几何形状(Kl)的第一替代元素(Gl)， (c)借助在第二轮廓几何形状(K2)的范围中的至少一个测量点(M)确定用于第二轮廓几何形状(K2)的第二替代元素(G2)， (d)在第一替代元素(Gl)和第二替代元素(G2)彼此相切地联接的边界条件下计算第一替代元素和/或第二替代元素(G2)的位置和/或大小， (e)在第一替代元素和第二替代元素(G2)彼此相切地联接在该处的部位处确定第一过渡部位(Ul)的位置。
14.根据权利要求1·3所述的轮廓测量仪(10)，其特征在于，控制装置设立成相应在使用用于确定第一替代元素(Gl)和/或第二替代元素(G2)的其他的或附加的测量点(M)的情况下重复步骤(b)至(e)，直至在第一过渡部位(Ul)的两次连续的位置确定之间的位置变化⑶小于预定的变化阈值(Dmax)。
15.根据权利要求13所述的轮廓测量仪(10)，其特征在于，探测装置(11)具有可沿着待测量的工件轮廓(13)运动的触觉或光学的测量测头(12)。
【文档编号】G01B21/04GK103827628SQ201280034682
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2012年7月4日 优先权日:2011年7月13日
【发明者】H.韦伯 申请人:卡尔 . 马尔控股有限公司