专利名称：用于表面测量的测量机的测量方法
用于表面测量的测量机的测量方法本发明涉及一种根据权利要求I的前序部分的用于表面测量的测量机的测量方法、根据权利要求8的前序部分的用于测量机的连接装置、尤其是倾斜或旋转连接、以及根据权利要求14的包括铰接臂的坐标测量机。长期已知测量方法和测量机，诸如坐标测量仪或坐标测量机，例如包括关节臂的坐标测量机。举例来说，这些设备用于测量物体表面，该测量以高精度进行，尤其是用于制造业，对于该制造业，工件表面的测量和测试是非常重要的。例如，US 5，402, 582或EP1474650中描述了通用类型的3D坐标测量关节臂。也称为“关节臂”或“便携式CMM”的可比较系统例如由具有产品名“ Sigma”、“Flex”或“Omega”的公司“Romer”以及具有产品名“Infinite”或“Stinger”的公司“CimCore”提供。3D坐标测量关节臂具有作为关节臂的一端的基座，该基座固定地并以已知方式定位在参考坐标系中；以及相反的可移动的测量端，测量部件或测量探针被设置在该测量 端上。接触探针能用作标准探针，该接触探针能与物体表面的测量点接触并且例如由安装在测量杆上的红宝石球构成。作为其另选方案，光学传感器也被称为测量部件，光学传感器能例如实施为点测量装置或扫描器，即，实施为连续地并且例如逐行扫描物体表面。更具体地，三角测量传感器或干涉测量装置能用作这样的光学传感器。此外，例如欧洲专利申请No. 07124101. 2描述了将照相机用作测量部件，该照相机被设计用于捕捉或检测测量物体表面并且被安装在关节臂的可动端上。基于关节臂式坐标测量机，可以高度精确地测定照相机的在空间上的位置和取向。多个构件或臂段设置在关节臂的两端之间，所述多个构件或臂段相对于彼此可枢转地和/或可旋转地连接，并且需要的话相对于彼此可移位，使得具有测量部件(也被命名为感测构件)的测量端能在空间部分内自由地移动。为此，臂的构件借助于铰接接头相互连接，并且需要的话借助于悬架相互连接，该悬架使得能进行直线位移。此外，位置测量装置被分配给铰接接头和/或悬架，使得在每一情况下构件相对于彼此的位置或取向(也就是说，在每一情况下构件之间的相对位置)能被测量。举例来说，测定作为测量变量的长度、旋转角度和枢转角度的角度测量装置和/或长度测量装置能用于该目的。通过获知构件的瞬时测量位置，S卩，构件相对于彼此的相应的相对位置以及其中一个构件相对于基座的相应的相对位置，可以测定相对于参考坐标系中的基座的单个臂元件和测量部件的取向。测量部件的位置通常由评价单元确定，由相应的位置测量装置测量的这些测量变量被传送给该评价单元，并且评价单元从其得到测量部件的位置。例如，为该应用特别编程的计算机或计算单元能用于该目的。借助于参考外部参考坐标系，该参考能借助于基座确保，可以不但测定臂元件和测量部件的取向而且测定它们的位置，即在空间上的位置和取向。根据通用类型，关节臂的旋转铰接接头在每一情况下都分配有光电子角度测量装置，该光电子角度测量装置用来测定每一情况下借助于铰接接头连接的两个构件的相对旋转位置。铰接接头通常包括相互可旋转地连接的两个臂构件，在两个臂构件之间设置有旋转编码器或角度测量装置。在该情况下，光电子角测量装置或旋转编码器用于测量其旋转轴承部件相对于彼此的瞬间相对旋转位置，因此用于间接测量两个臂构件的相对旋转位置。为此，光电子角测量装置或旋转编码器具有码载体或码单元，该码载体或码单元设置在两个臂构件中的一个上；以及传感器装置，该传感器装置相应地装配到另一臂构件。在该情况下，码载体于是被安装在旋转铰接接头中，使得码载体能够相对于传感器装置绕旋转轴线进行相对旋转运动。第二关节臂构件的能相对于第一臂构件的托座旋转的元件、传感器装置以及相对于传感器装置可旋转地安装在其中的码载体能在该情况下被称为旋转轴承构件。在这样的光电子实施方式的情况下，作为码载体的码的图形单元光学成像在传感器装置上，该传感器装置由一个或多个读头(例如，CCD或CMOS线传感器或面传感器)组成，如CH658514所公开的。从传感器装置或其读头上的码投影(尤其是投影的图形单元)的位置，可以推导出作为旋转体的码载体相对于传感器装置的相对旋转角度。在该情况下，检测器中心用作参考变量，其中理想地两个检测器中心、枢转点和图像元件的中心落在旋转轴线上，没有机械偏心率误差。 借助于这种方法和设备，通过相应的预防法，甚至可以以数量级为几角秒的测量精度来将一个完整的圆解析成一百万以上单元。为了能够得到这种高精度，首先传感器装置必须相对于轴承位置稳定地设置。其次，码载体的高尺寸和形状稳定性，尤其是具有沿旋转方向彼此相继地绕图形中心设置的图形单元的码载体上的码单元的布置和实施方式，是必要的先决条件。除可归因于彼此相继设置的单个图形单元之间的预定距离的偏差和/或可归因于图形单元它们自己的尺寸的偏差的局部刻度不准确度以外，在实践中图形中心距旋转轴线的间隔(所谓的偏心率)也常常使得不可能获得所要求的精度。由于相当难以避免并且实际上始终存在的制造公差，每个码载体都具有偏心率。轴承的径向跳动或轴承间隙能另外导致该偏心率。如果由力产生的相当负载在测定感测位置或旋转角期间作用在关节臂的旋转铰接接头上，则永久或暂时的偏心率以及码载体相对于旋转铰接接头的托座的位置的其它变化能同样地取决于负载而出现。在欧洲专利申请No.07100296. 8 以及公报EP 1，632，754A1、US 7，051，450B2 和US7，069，664B2中尤其描述了用于测定旋转角并且校准相对于理想位置的这样的不合需要的位置变化的方法和设备，该不合需要的位置变化例如由于旋转铰接接头上的负载或由于轴承故障和/或径向跳动引起。在该情况下，EP I, 632，754A1公开了一种用于测量旋转编码器的当前偏心率的方法，其中，绕图形中心设置的多个图像单元中的至少一些借助于光束而成像在光学检测器上。图像单元设置在码载体上，该码载体以能绕旋转轴线旋转的方式连接到检测器。成像的图像单元的位置借助于一个且相同的检测器的检测器元件来解析。在第一步骤中，在测定旋转角时图形中心相对于轴线的偏心率的效果借助于至少一个图形单元的解析位置被以计算的方式确定。在第二步骤中，考虑到所确定的效果，旋转角度借助于彼此相继设置的图形单元的解析位置被精确地测定。在该方法的改进中，在第一步骤中，借助于中间步骤，彼此相继设置的图形单元被结合以形成至少两组，并且至少两组位置借助于相应结合的图形单元的解析的单个位置被以计算的方式确定。偏心率对确定旋转角度的效果于是借助于所确定的至少两组位置以计算的方式确定。借助于所确定的组位置，这能以较高的精度实现。国际专利申请WO 2008/083797描述了，为了基于投影在传感器装置上的图形单元的解析位置来确定绕轴线的旋转角度的偏心率误差，在第一步骤中，进行多次测量，以计算的方式确定图形中心相对于检测器中心的偏心率。在第二步骤中，借助于聚合(即，借助于组合和连接)，能从多个测量值分离或确定至少一个作用变量。取决于具体方法，例如通过取均值来确定或以其他方式抑制作用变量。于是所确定的作用变量能在算法上或以其它方式用于直接校正偏心率，例如用于借助于致动元件机械校正轴向位置或通过调整以电子的方式校正轴向位置。此外，其中说明的是，除导致在传感器装置的平面中的直接偏心率贡献(诸如支承轴的平移位移)的作用变量外，沿旋转轴线的方向的运动也能借助于角度测量头来测定。由于码单元相对于传感器装置的距离变化，码的投影标度也变化。该投影标度的变化能用作沿轴向方向的距离或位置的变化的量度。如果确定两个检测器元件相对于作为码单元的码 盘的距离，则也能确定轴线的倾斜。US 7，051，450B2和US 7，069，664B2描述了一种坐标测量机(CCM)，该坐标测量机
包括关节臂，该关节臂具有在臂的基座和设置在另一臂端上的测量部件之间的多个旋转铰接接头。为了测量测量部件的测量位置，旋转铰接接头在每一情况下都被分配有角度测量装置，该角测量装置包括传感器装置，该传感器装置包括至少两个读头以及相对于这两个读头可旋转地设置的码单元。在该情况下说明了，至少两个读头相互协作从而减小在旋转角度测量期间由旋转铰接接头的负载引起的误差。举例来说，为此提供了沿周向偏移180°的两个读头，在每一情况下沿周向偏移120°的三个读头，或另选地在每一情况下沿周向偏移90°的四个读头。如上已指出的，因此，现有技术中的这些方法和设备始终设置用于考虑消除、校准或补偿影响角度测量的误差，排他地用于确定旋转角。所考虑的误差包括例如由于旋转轴线的倾斜造成的摇摆误差，由于制造公差或轴承间隙造成的偏心率误差以及例如由旋转铰接接头的负载引起的另外的误差。不会发生作用变量的专用确定和量化以及其在旋转编码器外的进一步处理。然而，在包括具有旋转铰接接头的关节臂的坐标测量机的情况下，由于所述的误差影响，诸如旋转铰接接头的负载，除角位置的误差确定以外，在确定测量部件的测量位置的环境中出现其他误差。尤其是，实际上，除由旋转铰接接头实际提供的旋转以外，发生码载体相对于托座的进一步位置变化，尤其是能具有各种原因的轴向位移、径向位移或倾斜。尽管它们的位置发生最小变化，然而这些导致在位置测定的同时所需的精度所给定的显著误差。因此，本发明的一个目的在于提供一种用于表面测量测量机的改进的测量方法，尤其是用于包括具有旋转或倾斜铰接接头的关节臂的坐标测量机，用于测定测量部件的测
量位置。另一个目的在于提供一种改进的包括具有作为连接装置的旋转铰接接头的关节臂的坐标测量机。
尤其是，在该情况下，在所述关节臂的部分上具有较少的硬件修改费用，目的是使得可能以较高精度测定所述测量部件测量位置。这些目的通过独立权利要求的表征特征的实现来达到。以另选或有利方式改进本发明的特征能从从属专利权利要求获悉。根据本发明的用于表面测量测量机的测量方法脱离现有技术的方法，所述测量机例如是用于包括具有旋转铰接接头的关节臂的坐标测量机，并且用于测定测量部件的测量位置，在现有技术中始终的情况是，仅在测定旋转或倾斜铰接接头的角度位置的情况下提供现有技术的方法，用于考虑或补偿误差影响，诸如负载控制位移或旋转轴线的倾斜，其中作为从基座到测量部件的连接元件的臂构件被认为是受影响的。相反，根据本发明，相对于所分配的传感器装置的旋转铰接接头的可旋转地安装在托座中的码载体的这种位置变化被明确测定并且用作附加测量变量，该附加测量变量描 述了关节臂的臂构件的测量位置，用于导出测量部件相对于基座的测量位置。这意味着，借助于旋转铰接接头连接的两个臂构件的位置变化根据位置变化量被确定并且当测定两个臂构件相对于彼此的相对位置时被考虑，其中位置变化由例如作为连接装置的旋转或倾斜铰接接头中的负载引起并且超过旋转位置的变化。根据本发明，部件的变形或尺寸变化能同样地从这些位置值来推断。位置变化的测定，诸如·码载体相对于传感器装置的沿相对于旋转轴线的径向方向的位移；·码载体相对于传感器装置沿旋转轴线的方向的位移；和/或·码载体相对于托座的倾斜；或与所述位置变化相关联的位置变化量级的测定基于所述码载体和所述传感器装置之间的光电子位置测量装置、尤其是基于已经无论以何种方式分配给所述旋转铰接接头的光电子角测量装置来实现。为此，所述位置测量装置具有码，该码即直接地或借助专用部件应用于所述旋转铰接接头部件中的一个；和由至少一个读头组成的传感器装置。在该情况下，所述传感器装置设置在相应的另一个旋转铰接接头部件上并且检测基于所述码载体产生的码投影。在该情况下，码投影应该被理解为意味着码单元所具有的可光学检测的码的至少一部分的投影。尤其是，所使用的码载体能是连接到其中一个关节臂构件的专用码盘。另选地，然而，所述码也能直接位于其中一个臂构件上，使得该臂构件在结构上用作码载体。从现有技术充分已知通用类型的码载体和传感器装置，其中所述的码相对于传感器装置的位置变化能基于读码投影来测定。然而，根据现有技术中设备和方法，这些位置变化仅用于校准并因此改善角度测量。在该情况下，然而，从码投影导出的位移或倾斜不用于描述所述旋转铰接接头的部件相对于彼此的三维相对位置。因此，在关节臂的情况下在前述测量位置测定的环境中，理想化的下述假定始终被作为基础所述旋转铰接接头排他地允许所述旋转铰接接头部件相对于彼此的相对旋转运动，也就是说，具有一个自由度的运动。根据本发明，现在对于旋转编码器，基于码投影，针对所述码载体相对于分配给其的所述传感器装置的至少一个其他自由度的位置值在测定测量部件或探针的当前测量位置时被测定并考虑，其中，所述位置值被用来测定所述连接元件相对于连接到其的所述托座的相对位置或其变形。这意味着，根据本发明，所述码载体的除旋转外的位置变化与所述测量机的连接元件(例如臂元件)的位置或取向以及可能变形有关。在该情况下，测量位置的测定能都也基于基于模型的方法，在该基于模型的方法中，连接元件的几何和材料相关变量(诸如它们的长度和固有重量或具有效果的外部重量)被考虑，并且也可以使用基于校准的方案，在方案中已知的位置和取向被分配相应的位置值，所述位置和取向能再次提供用于描述功能的基础、否则也能被存储在查阅表中。由于它们的特性，这些方法也能组合，然而，例如基于建模在所选择的测量位置中实现附加校准。而且，由其他传感器(诸如温度传感器)测定的变量也能被补充地用于该模型。由于根据本发明使用用于描述所述旋转编码器或连接装置部件相对于彼此的精确相对位置的所测定的位置变化，因此用作表示所述关节臂构件的相对位置的其他测量变量当计算所述探针相对于所述基座的测量位置时被考虑，在所述关节臂的一部分上较少的硬件修改费用的情况下，可以以较高的精度测定测量部件的测量位置。举例来说，根据本发明，所述旋转铰接接头的所述码载体绕实际旋转轴线的发生 倾斜根据其范围被检测并且被直接考虑为借助于所述旋转铰接接头连接的构件的当前相对测量位置，因此被包括在测定所述探针的测量位置中。在基于模型的方法中，取决于连接元件的实施方式，该连接元件能被认为是刚性的或在一定范围内可变形的。因此，任何变化能被认为是仅在所述铰接接头或连接装置中发生，否则部件的变化也被考虑。因此可以建模以下事实，即，取决于旋转编码器轴线和连接元件的轴线的布置并且关于对所述连接元件的固有重量的认识以及取决于相邻连接元件或臂构件的取向，也实现分成位置引起部分和变形引起部分。因此，在将所述旋转编码器装配在所述连接元件的纵向轴线和其正交位置上的情况下，所述码载体相对于所述传感器装置的偏转、因此变形、以及负载控制的倾斜是最小的，其中，相反的纵向位移(即，沿轴向方向的平移)发生在所述臂构件的悬挂位置和直立位置中。因此，测量机的单个部件的变形也能根据它们的效果被识别和确定。尤其是在可更换测量部件的情况下，由于其不同重量，连接装置也能以相应的偏离方式受影响，该影响能由根据本发明的偏移量测定。在该情况下，也应该考虑的是，在这里所需的高精度应用的情况下，热控制的变化(诸如长度或半径变化)已经引起对测量位置的影响，该影响同样也被考虑到或由根据本发明的方法来识别。所述位置测量装置的所述传感器装置能尤其是包括至少两个读头。举例来说，作为传感器装置，两个读头以沿周向偏移90°的方式设置，或者，另选地，三个读头在每一情况下以60°的偏移设置。所述读头能在该情况下以已知的方式实施为例如线传感器，该线传感器具有多个在一起排成一列的检测器兀件。作为码单元或码载体，可以尤其是将具有光学可读码的码盘用于例如透射光方法。在该情况下，码能具有沿周向彼此相继设置的多个图形单元，其中全体图形单元能表示增量码和绝对码。另选地，然而，码也能位于不同的载体上，例如位于壳体部件的端面上，该壳体部件的端面能接着例如在反射光方法中被照亮。优选地，根据本发明，光电子旋转编码器(诸如已经无论如何存在于来自现有技术的关节臂的一些旋转铰接接头中的光电子旋转编码器)能用作位置测量装置。尤其是，然而，也针对所述旋转铰接接头，除根据现有技术实施并且分配给所述旋转铰接接头的角度编码器以外，另一旋转编码器或码载体和传感器装置的组合的一些其它功能上类似的形式能被设置为光电子位置测量装置，其中所述光电子位置测量装置尤其是用于检测所述码载体相对于所述传感器装置的位置变化。如已经在上描述的，在该情况下，下列所述码载体相对于所述托座的位置变化，因此代表所述码载体的第一臂构件相对于具有所述托座的第二臂构件的位置变化在导出所述构件相对于彼此的精确相对位置时被测定并考虑，所述位置变化为·所述码载体相对于所述传感器装置沿相对于所述旋转轴线的径向方向的位移；·所述码载体相对于所述传感器装置沿相对于所述旋转轴线的轴向方向的位移；和/或·所述码载体相对于所述传感器装置的倾斜。
可以确定作为与其相联系的位置变化变量，例如·径向位移方向(RR)和径向位移量(Ar)； 轴向位移量(Ah);以及·倾斜方向和倾斜角度(Λ K )。所述位置变化变量与指明所述臂构件的测量位置的其他臂位置测量变量一起彼此相关，所述测量部件相对于所述基座的测量位置从这些位置变化变量导出。为此，根据本发明设计的坐标测量机具有评价单元，借助于该评价单元，由独立构件位置测量装置检测到的臂位置测量变量彼此相联系，并且所述测量部件的测量位置从该测量变量导出，所述测量变量还包括根据本发明的相对于至少一个旋转铰接接头的位置变化变量。基于在附图中示意地示出的具体的示例实施方式在下面仅通过示例更详细地描述根据本发明的测量方法、根据本发明的连接装置、以及根据本发明的坐标测量机，本发明的更多的优点也被讨论。在附图中，具体地图I示出了包括具有旋转和/或倾斜铰接接头的关节臂的通用坐标测量机；图2示出了关节臂的根据本发明的连接装置；图3示出了具有码载体的所示轴向位移的图4的根据本发明的连接装置；图4示出了具有码载体的所示径向位移的图4的根据本发明的连接装置；图5示出了具有码载体的所示倾斜的图4的根据本发明的连接装置；图6示出了具有码载体的倾斜并且具有臂构件的偏转的图4的根据本发明的连接
装置；图7示出了具有用于分配给其的旋转编码器的另一实施方式的根据本发明的连接装置；图8示出了在传感器装置上的码投影，其中码投影适于读出码载体相对于托座的位移和/或倾斜；图9示出了适于读出码载体相对于传感器装置的位移和/或倾斜的码投影；以及
图10示出了适合读出码载体相对于传感器装置的位移和/或倾斜的另一码投影。图I仅通过示例示出了用于测定测量点的位置的具有关节臂的通用坐标测量机1，其作为用于表面测量的测量机的示例。在该情况下，坐标测量机I具有基座4，该基座固定地且以已知的方式定位在参考坐标系中。从该基座前进，接连着以示例的方式作为连接元件的七个臂构件5a-5g借助实现相对旋转运动的铰接接头和/或借助实现相对线性运动的悬架而相互连接。为了说明目的，即，为了更清楚地说明，这些铰接接头和悬架未在图I中明确可见地示出，但是通用的铰接接头和悬架对本领域技术人员来说总之是足够公知的。在该情况下，构件中的第一构件5a以相对于基座4可移动的方式固定到该基座4，构件中的第二构件5b以相对于第一构件5a可移动的方式固定到该第一构件5a等。第七构件5g具有测量部件6并且作为结构元件整体形成感测构件TG。测量部件6因此能在空间部分内自由移动并且能例如由使用者手动带到测量位置，其中由一系列连接元件确保与基座4的机械接触。举例来说，探针6被实施为用于与物体表面的待测量点接触的红宝石球，但是无接触的测量系统也能被以相同方式被设置和使用。另选地，然而，从现有技术已知的另外的测量部件也能代替接触式探针来使用。因此，举例来说，光学传感器(尤其是光程测量装置，例如干涉测量装置、激光扫描器或用于扫描表面的照相机)能用作测量部件。
举例来说，测量部件6的参考点的坐标，以及尤其是，附加地测量部件6在相应的当前测量位置中的当前取向被指定为测量位置。在该情况下，为了更简单地区别，构件5a_5g在图I中分别用交替地不同的阴影示出。基座4和感测构件TG被示出不具有阴影。用于测量构件5a_5g在每一情况下相对于彼此的位置的多个位置测量装置8a_8f在每一情况下都被分配给铰接接头和/或悬架。举例来说，对于位置测量装置8a_8f，光电子旋转编码器被设置为位置测量装置8a、8c、8d、8f并且长度测量装置被设置为位置测量装置8b、8e，这些位置测量装置被设计用于测量与构件的相对位置相联系的臂位置测量变量α、β、Y、δ、ε、a、b、C。因此,构件5a_5g之间的角度α、β、γ、δ、ε以及长度偏转量a、b、c因此在每一,清况下都作为臂位置测量变量α、β、Y、δ、ε、a、b、c被测量。在该情况下，评价单元7被设计用于接收针对测量位置测定的臂位置测量变量α、β、Y、δ、ε、a、b、c。基于指示臂构件相对于彼此在每一情况下的相对位置的这些臂位置测量变量α、β、Υ、δ、ε、a、b、c，评价单元导出测量部件6的测量位置或坐标并且在例如显示器上显示所述位置或所述坐标。图2示出了供根据本发明的测量方法使用的例如关节臂的根据本发明的连接装置，其中连接装置具有旋转编码器9，该旋转编码器检测至少一个连接元件10 (例如第一臂构件)相对于托座11 (例如作为第二臂构件的端部)的旋转。在该情况下，测量部件借助一系列连接元件10间接地连接到基座，但是根据本发明，也可以仅通过单个连接单元10来实现测量机，因此实现测量部件借助该一个连接元件10至基座的直接连接。旋转编码器9在每一情况下都包括码载体12和传感器装置13，其中码载体12和传感器装置13能绕限定的旋转轴线DA相对于彼此旋转，作为第一自由度。为此，取决于码载体12相对于传感器装置13的三维位置的码投影产生在传感器装置13上，并且码投影的至少一部分由所述传感器装置检测。在该情况下，旋转编码器9以本身已知的方式由码载体12和传感器装置13构成，该码载体12刚性地连接到托座11并且具有可光学检测的码，该码载体12能例如实施为码承载玻璃或塑料盘，该传感器装置13包括一个或更多个检测器元件并且用于检测码投影，该传感器装置13能被相应地装配在连接元件10中。为此，传感器装置13能具有例如两个读头，这两个读头分别具有光学检测器元件的线性布置。在图2至图6中，设置在连接元件10中的传感器装置13例如包括两个读头，例如根据现有技术已知的读头。码载体12被设计为具有用作“测量台”且具有沿周向延伸的码的码盘的码载体。在该情况下，码能具有以在一起排成一列的方式设置的多个图形单元，其中图形单元被实施为例如三角形形式，使得码投影尤其是适于附加读出沿非旋转方向的位置变化。传感器装置13在连接元件10中的布置以及码载体12至托座11的机械刚性连接仅构成一个实例。尤其是，该布置也能是颠倒的，即，根据本发明可以类似地实现码载体12在连接元件10中的机械刚性布置以及传感器装置13至托座11的机械刚性连接。除角度位置之外，根据本发明，第一臂构件相对于第二臂构件的更多位置在测定相对测量位置时能被考虑，其中实施为码盘的码载体12用作“测量台”。那意味着，码盘相对于传感器装置13的三维位置例如从码盘的投影读出，其中码盘起桌面的作用，由顶棚灯在地板上产生的桌面的阴影取决于码盘的立足点和码盘相对于地板的倾角。在该情况下，已存在于坐标测量机中的硬件的修改仅在有限程度上是必需的。因为，根据本发明的位置测量装置(尤其是旋转编码器9)现在必需考虑码载体沿非旋转方向的所测定的位移和/或倾斜，所述位移和/或倾斜不仅在角度测定期间在旋转编码器内对角度测量具有歪曲影 响，而且还作为除高级评价单元所测定的角度位置以外的其他测量位置变量，该高级评价单元例如从存在于关节臂中的所有构件位置测量装置的所有测量位置变量来计算测量位置。因此，基于码投影，码载体12相对于限定的旋转轴线DA的旋转位置被测定，并且测量部件相对于基座的当前测量位置利用对于所有的连接元件可用的该信息被测定。对于旋转编码器9，与现有技术中的方案形成对比，基于码投影，用于码载体12相对于传感器装置13的至少一个其他自由度的位置值也在测定当前测量位置时被测定和考虑，其中，位置值用于测定连接元件10相对于托座11的相对位置(与码载体的其他自由度对应)和/或所述连接元件的变形。虽然现有技术中所用的角度测量装置在一些情况下同样测定码相对于检测器的横向位移或距离变化，但是这些角度测量装置仅将该信息用于提高角度测量(即测定旋转位置)的精度。相反，根据本发明，用于其他自由度的位置值用来从其得出关于连接元件10的位置或取向并且(如果需要的话)起作用的力或连接元件10的变形的结论，其中连接元件的位置和/或取向与码载体12的其他自由度对应。码载体12的偏心率因此用来测定连接元件10相对于托座11的偏心位置，其中描述其他自由度的变量值的偏差可能由于码载体12和连接元件10的相对定位的故障或变化而发生。因此，在码载体12倾斜的情况下，连接元件10相对于托座11的相应的倾斜被推导出，其中，例如由于弹性影响造成的该倾斜也能证明是大于或小于码载体12的倾斜的值。然而，倾斜的自由度和/或绕已分配的倾斜轴线的旋转的自由度在两种情况下被考虑。如例如在上面引用的现有技术文献中描述的，码投影能接着被读�。⑶衣氲ピ蚵朐靥�12相对于传感器装置13的由径向跳动误差和旋转铰接接头的负载引起的位置变化(即，例如码中心距旋转轴线DA的偏差)能被由码投影导出。与根据现有技术已知的将码载体12相对于传感器装置13的所述位置变化仅仅用于校正这两个部件的待被测定的相对于彼此的角度位置形成对比，根据本发明，所述位置变化被考虑为这样的变量，该变量指示连接元件10的相对位置(例如在关节臂的情况下，第一臂构件相对于第二臂构件的相对位置)，并且当计算测量部件相对于基座的位置时用作测量位置变量。因此，超过旋转角的码载体12相对于传感器装置13的位置变化也从所检测到的码投影明确地测定并且用于测定测量位置。虽然基本上由码载体12的相应的精确安装来防止这种位移和倾斜，但是即使最小的位移和/或倾斜也影响测定探针的测量位置的精度。因此，尽管原则上不合需要、但不能被完全避免的是，位置变化不仅被接受而且被测定且用作描述测量机的机械系统的整体状态的信息。因此，首先被分配给托座并因此分配给一个臂构件的部件与连接元件的作为另一个臂构件的部件之间的变化被测定，使得铰接接头或连接装置中的变化能被量化并考虑。其次，起作用的力能从变化的程度和角度位置推导出，使得部件或其连接件的重量控制的变形能被测定。而且，连接装置中热或老化控制的变化也能被检测和考虑。根据本发明，为此，下列位置变化或位置值中的至少一个、但是尤其是全部都被测定·相对于旋转轴线DA沿径向方向的位移；
·沿旋转轴线DA的方向的位移；和/或
·绕旋转轴线DA的倾斜。尤其是，可以从相同的码投影测定位置值，该码投影也用于读取码单元相对于传感器装置的角度位置。根据本发明，此外，所测定的位置值在测定角度位置时同样也可以被用于校正和/或校准。图3至图6通过示例示出了旋转铰接接头的由沿码载体12相对于传感器装置13的非旋转方向的加载引起的位置变化。图3中，码载体12被沿旋转轴线DA的方向相对于传感器装置13移位。这种位置变化能从码投影(例如从由传感器装置检测到的码投影的标度变化)得出。相关联的位置变化变量能随后作为关于该旋转铰接接头的轴向位移量(Ah)被传递到评价单元。图4中，码载体12被相对于传感器装置13并且关于旋转轴线DA沿径向方向移位。这种位置变化能例如基于由传感器装置13解析的图形单元的那些位置的位移从码投影得出。相关联的位置变化变量能随后作为关于该旋转铰接接头的径向位移方向(RR)和径向位移量(Ar)被传递到评价单元。图5中，码载体12相对于传感器装置13并且关于旋转轴线DA被倾斜。这种位置变化能从码投影(例如从由第一读头检测到的码投影与由第二读头检测到的码投影的标度比率)得出。相关联的位置变化变量能例如作为关于该旋转铰接接头的倾斜方向和倾斜角度(Λ K )被传递到评价单元。如图6所示，能发生的是，除倾斜外，还可能引起根据需要的纯重量控制的且微小的变形，这种变形超过相对于彼此可旋转地连接的两个臂构件的偏转或变形，例如这是由于旋转铰接接头上的较高加载引起的。例如，如果提供这种探针的可更换性，则当使用特别重的测量部件时能发生这种加载。基于经验试验和/或考虑进行计算的第一和/或第二臂构件的模型或变形参数，臂构件的偏转现在能被测定为其他测量位置变量(取决于倾斜)，并且用于导出相对于测量机基座横跨的坐标系中的测量部件的测量位置。在该情况下，假定，所测定的倾斜量能通过建模并且良好地近似而用作借助旋转铰接接头连接的臂构件的偏转的量度。举例来说，为此可以根据绕旋转轴线的倾斜来建立其中一个臂构件的偏转的函数，该函数基于用于固体的和/或由经验试验限定的变形定律导出。这种函数的一个示例在图7中示出，其中，纯粹示意性地并按照原理，相应的臂构件的偏转量SL对比所测定的倾斜角P绘制。在该情况下，函数能被选择成使得，直到由旋转铰接接头中的轴承间隙预定的倾斜角，臂铰接接头偏转量设定为等于零。在该倾斜范围内，作用在臂构件上的力由臂构件的通常非常硬的主体大致完全传递到铰接接头，当在旋转铰接接头间隙的环境中进行时，所述力此时精确地引起绕纵向轴线的倾斜。如果码载体由于倾斜已经到达旋转铰接接头中的止挡件，则进一步施加力也引起臂构件的基本上呈偏转形式的变形。根据连接元件的实施方式，然而，在该情况下，也可以对上述位置相关以及其重量相关的变形来建模。图8示出了呈具有两个旋转编码器9和9’的旋转铰接接头形式的连接装置的根据本发明的另外实施方式。在该情况下，旋转铰接接头被分配给第一旋转编码器9和第二旋转编码器9’，其中作为第一码载体12和第二码载体12’的两个可光学检测码盘在作为旋转轴线DA的公共轴线上彼此隔开一定距离设置。两个码盘被分别分配给由至少两个读头组成的传感器装置13和13’，其中传感器装置13和13’在每一情况下都检测码单元投影并且彼此相对地设置 在连接元件10中。作为角度测量装置并且另外作为用于码载体的轴向和/或径向位移和/或倾斜的测量仪器的这种装置使得有可能高度精确地测定码载体12和12’相对于传感器装置13和13’的精确三维位置。基于测量位置变量(诸如关于旋转轴线的旋转角度、径向位移方向、径向位移量、轴向位移量、倾斜方向和/或倾斜角度)被检测的该精确测定的位置确实能考虑下述来关联一方面码载体12和12’相对于彼此的刚性联接，并且另一方面传感器装置13和13’相对于彼此的刚性联接。因此，公共轴线或连接元件的壳体的长度的延伸和变化能基于码载体12和12’相对于相应的传感器装置13和13’的距离变化被识别和定量测定。同样地，在轴线被假定为刚性的并且码载体12、12’和传感器装置13、13’在旋转编码器9和9’中反向倾斜的情况下，可以推导出连接元件10的偏转。相反，在同向倾斜的情况下，可以推导出连接元件10的主要刚性表现和其总运动。根据本发明，尤其是可以基本上或完全更换测量机中的其它传感器，例如纯长度测量传感器，使得测量部件的测量位置或空间位置的完全且高精确的测定仅通过使用均匀构造的旋转编码器就变成可能。由于使得有可能排他地使用单一类型的传感器的事实，能简化机械和电子结构。尤其是，在关节臂中，臂构件之间的多个连接装置或者每个连接装置在每一情况下能实施为设置在公共旋转轴线上的两个旋转编码器，使得除连接元件相对于其托座的相对位置之外，在每一情况下也可以测定作为与期望的形式的偏差的变形，即，变形和标度变化，诸如长度或直径的增大或减小。因此，也可以排他地借助于旋转编码器测定所有部件相对于彼此的相对空间位置，其中其他传感器能补充地被使用，然而，所述其他传感器不会直接测量空间位置而是提供附加参数，例如是温度传感器，该温度传感器允许得出关于部件的温度控制变形的结论。图9示出了在由偏移60°的三条传感器线15a_c组成的传感器装置上的码投影的示例，所述投影由作为具有沿周向设置的图形单元14的码载体的码载体产生，通过解析所投影的图形单元14在传感器线15a-c上的位置，可以以本身已知的方式测定旋转角度位置和已经说明的码载体相对于传感器装置的进一步位置变化、因此连接元件相对于托座的位置的进一步位置变化。码载体的图形具有沿旋转方向以相对于彼此相同的距离绕图形中心彼此相继设置的多个图形单元14，该图形被实施为条状图形，所述图形单元被实施为例如径向取向的不透光条。借助于通过条之间的光束，条状图形的一部分被成像为光敏检测器元件上的亮区和暗区。而且,条的向外和向内指向的端侧形成两个同心的、不连续的圆形线,这两个圆形线实施为相对于图形中心对称的图形。借助于作为检测器元件的传感器线15a_c，尤其是在条状图形旋转期间可以将相应的条的入口和出口的长度LI和L2解析到空间解析区域内和夕卜。通过以该方式解析的位置，例如径向位移和/或倾斜于是能被以计算的方式确定。原则上，位置值能基于图形单元14中的至少一个的位置、多个图形单元14相对于彼此的位置的比、或彼此相继设置的多个图形单元14的位置的顺序被以计算方式确定。在该情况下，在传感器装置上的码或码投影也能以冗余方式设计，即，如关于待测定的变量由多种因素确定，使得作为冗余的结果可用的附加信息能被使用。 图10示出了这样的示例实施方式，该实施方式由于作为传感器装置的偏移90°的两个传感器线5d和5e并且由于图形的不同实施方式，尤其是朝向图形中心径向取向并且沿旋转方向彼此相继设置的图形单元14’的不同实施方式，而不同于图9所示的示例实施方式。码载体这里由具有不透光三角形的可透过玻璃盘来实施。然而，能绕轴线旋转的码载体也能被实施为例如呈薄金属盘的形式，该金属盘在该情况下具有三角形切除部，该三角形切除部实施为沿旋转方向彼此相继设置的图形单元14’。图形单元14’的例如三角形的实施方式由于相对于径向方向的附加倾斜而具有关于借助于空间解析区域测定码载体的位移或倾斜的更大灵敏度，其中彼此相继设置的相邻图形单元14’的相互面对的侧线以相对于径向方向大致倾斜的方式实施。甚至使得有可能借助于解析单个三角形的宽度来测定码载体的这种位置变化，该宽度在此被表示为投影在传感器线15d上的区域的两个宽度16和17。因此，举例来说，从投影的宽度16，所述投影沿径向方向的位置或位移能被识别并且其位移量能被测定。显然，也可以借助于三角形之间的距离来测定这种位置变化。这里由于沿图形中心的方向指向的图形单元的三角形形式，与矩形图形单元比较，相反，这里可以提供较少的彼此相继设置的图形单元，由于此能获得较小的解析率。然而，旋转编码器的传感器装置原则上并且以取决于码构造和准确度要求的方式具有一个或者两个或更多个读头或传感器线，其中，原则上，除作为线性阵列的传感器线之夕卜，也可以使用面传感器，即，二维布置的像素传感器。在两个或更多个读头的情况下，这些读头能例如以沿周向相对于彼此偏移180°的方式设置，其中，所述读头(在四个读头的情况下)能以沿周向在每一情况下偏移90°的方式设置。在三读头的情况下，这些读头能以每一情况下偏移120°的方式设置。除用读头或传感器部件之间的相同角距来分离该布置之外，然而，可以实现具有至少四个读头的旋转编码器的传感器布置，这至少四个读头例如以沿周向以不同角度相对于彼此偏移的方式设置，使得例如所有的角距彼此不同，尤其是相对于彼此没有倍数比。同样地，也可以使用例如尤其是单个面传感器，该面传感器设置在旋转轴线上或检测旋转轴线和相邻区域，因此覆盖接近于轴线的区域的大的角范围或全部角范围。尤其是，在码载体的情况下，码图形也能配合在两个相反端面上 ，所述码图形继而被分别分配给覆盖旋转轴线的面传感器。这种包括由相应的传感器检测的面积码的布置例如从WO2008/019855 已知。显然，这些例示附图仅仅示意性地示出了可能的实施方式的示例。
权利要求
1.一种用于表面测量的测量机的测量方法，所述测量机尤其为坐标测量机(1)，所述测量机包括 -基座(4)， -测量部件(6)，该测量部件用于产生并且保持与待测量表面的接触式或无接触的测量连接，所述测量连接尤其是光学测量连接，其中，所述测量部件(6)借助至少一个连接元件(IO )连接到所述基座(4 )， -至少一个旋转编码器(9、9’)，所述至少一个旋转编码器检测所述至少一个连接元件(10)相对于托座(11)的旋转，并且所述旋转编码器都具有码载体(12、12’)和传感器装置(13、13’)，其中所述码载体和所述传感器装置能绕限定的旋转轴线(DA)相对于彼此旋转，作为第一自由度， 并且所述方法包括 在所述传感器装置(13、13’)上产生码投影，所述码投影取决于所述码载体(12、12’)相对于所述传感器装置(13、13’)的三维位置；并且检测所述码投影的至少一部分， 基于所述码投影测定所述码载体(12、12’)相对于所述限定的旋转轴线(DA)的旋转位置， 利用所述至少一个旋转编码器(9、9’ )的旋转位置测定所述测量部件(6)相对于所述基座(4)的当前测量位置， 所述方法的特征在于， 对于所述至少一个旋转编码器(9、9’)，基于所述码投影，当测定所述当前测量位置时测定并考虑针对所述码载体(12、12’)相对于所述传感器装置(13、13’)的至少一个其他自由度的位置值，其中，所述位置值被用来测定所述连接元件(10 )相对于所述托座(11)的相对位置和/或所述连接元件(10)的作为形状和/或尺寸变化的变形，所述相对位置尤其与所述码载体(12、12’)的所述其他自由度对应。
2.根据权利要求I所述的测量方法，其特征在于， 将下述参数测定为所述位置值 所述码载体(12、12’)相对于所述旋转轴线(DA)沿径向方向和/或沿所述旋转轴线(DA)的方向从静止位置的偏转；和/或 所述码载体(12、12’)相对于所述传感器装置(13、13’)从静止位置的倾斜。
3.根据权利要求I或2所述的测量方法，其特征在于， 针对所述至少一个旋转编码器(9、9’)，测定所述码载体(12、12’)相对于所述传感器装置(13、13’)的旋转位置、偏转和倾斜以及因此在所有六个自由度中的位置。
4.根据前述权利要求中任一项所述的测量方法，其特征在于， 针对所述至少一个旋转编码器(9、9’)，基于连接到所述托座(11)的另一连接元件的取向，分成变形引起部分和相对位置引起部分。
5.根据前述权利要求中任一项所述的测量方法，其特征在于， 针对至少一个第二旋转编码器(9’)，当测定所述测量部件(6)的空间位置时，测定并考虑所述至少一个第二旋转编码器的旋转位置和所述至少一个第二旋转编码器的所述位置值。
6.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，基于所述连接元件的空间位置来测定所述测量位置，所述空间位置借助于所述至少两个旋转编码器(9、9 ’)的所述旋转位置和所述位置值被排他地导出。
7.根据前述权利要求中任一项所述的测量方法，其特征在于， 所述旋转编码器(9、9’)具有至少两个码载体(12、12’)，所述至少两个码载体能绕相同的、尤其是公共的旋转轴线旋转并且彼此隔开一定距离设置，并且基于相应的码投影来测定所述码载体(12、12’)中的每个码载体的位置值，其中，所述两个码载体(12、12’)的所述位置值的组合被用于测定所述连接元件(10)相对于所述托座(11)的相对位置和/或所述连接元件(10)的变形，所述相对位置尤其与所述码载体(12、12’)的所述其他自由度对应。
8.一种用于测量机的连接装置，所述连接装置尤其为倾斜或旋转连接，所述测量机尤其包括关节臂，所述连接装置包括 连接元件(10)，该连接元件用于将基座(4)间接或直接连接到测量部件(6)，以用于产生并保持与待测量表面的测量连接；和 至少一个旋转编码器(9、9’)，所述至少一个旋转编码器检测至少一个连接元件(10)相对于托座(11)的旋转并且都具有码载体(12、12’)和传感器装置(13、13’)，其中所述码载体(12、12’)和所述传感器装置(13、13’)能绕限定的旋转轴线(DA)相对于彼此旋转，作为第一自由度， 所述连接装置的特征在于， 所述旋转编码器(9、9’)被设计用于以从码投影实现的方式测定并且提供关于所述码载体(12、12’)相对于所述传感器装置(13、13’)的三维位置的五个其他自由度中的至少一个自由度的至少一个位置值，所述位置值即为 所述码载体(12、12’)相对于所述旋转轴线(DA)沿径向方向的偏转； 所述码载体(12、12’)沿所述旋转轴线(DA)的方向的偏转；和/或 所述码载体(12、12’)相对于所述旋转轴线(DA)的倾斜， 使得所述位置值能被用来测定所述连接元件(10)相对于所述托座(11)的相对位置和/或所述连接元件(10)的作为形状和/或尺寸变化的变形，所述相对位置尤其与所述码载体(12、12’)的所述其他自由度对应。
9.根据权利要求8所述的连接装置，其特征在于， 所述旋转编码器(9、9’)的所述传感器装置(13、13’)具有以沿周向相对于彼此偏移180°的方式设置的至少两个读头，尤其具有以沿周向相对于彼此都偏移90°的方式设置的四个读头。
10.根据权利要求8所述的连接装置，其特征在于， 所述旋转编码器(9、9’)的所述传感器装置(13、13’)具有以沿周向均偏移120°的方式设置的三个读头。
11.根据权利要求8所述的连接装置，其特征在于， 所述旋转编码器(9、9’)的所述传感器装置(13、13’)具有沿周向相对于彼此以不同角度偏移的方式设置的至少四个读头。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的连接装置，其特征在于， 所述旋转编码器(9、9’ )具有至少两个码载体(12、12’)，所述至少两个码载体能绕相同的、尤其是公共的旋转轴线(DA)旋转，并且彼此隔开一定距离设置，其中所述两个码载体(12、12’)被分别分配给由至少两个读头组成的传感器装置(13、13’)，所述至少两个读头分别检测码单元投影并且被彼此相对地设置。
13.根据权利要求8至12中任一项所述的连接装置，其特征在于， 所述码载体(12、12’)具有作为码的多个图形单元(14、14’)，并且所述传感器装置(13、13’)解析所述码投影中的所述多个图形单元(14、14’)的投影位置，其中至少一个位置值基于以下被以计算方式确定 所述图形单元(14、14’)中的至少一个图形单元的位置； 所述多个图形单元(14、14’)相对于彼此的位置的比； 彼此相继设置的所述多个图形单元(14、14’)的位置顺序。
14.一种用于测定测量位置的包括关节臂的坐标测量机(1)，其中，所述关节臂包括作为基座(4)的第一端；第二端，所述第二端具有用于产生并保持与待测量表面的接触连接式或无接触的测量连接的测量部件(6)，所述测量连接尤其是光学测量连接；以及至少两个臂元件，所述至少两个臂元件被实施为根据权利要求8至13中任一项所述的连接装置(10)。
15.根据权利要求14所述的坐标测量机(I)，其特征在于， 基于所述连接装置(10)的所述旋转编码器(9、9’)的所述旋转位置和所述位置值排他地测定所述测量位置。
全文摘要
公开了一种用于表面测量的测量机的测量方法，该测量机包括基座；测量部件，该测量部件用于建立并保持至待测量的表面的接触或无接触的，尤其是光学的测量连接，其中所述测量部件借助于至少一个连接元件(10)连接到所述基座；以及至少一个旋转编码器，所述至少一个旋转编码器检测所述至少一个连接元件(10)相对于保持件(11)的旋转，并且所述至少一个旋转编码器中的每个都具有码载体(12)和传感器装置(13)。在所述测量方法中，取决于所述码载体(12)相对于所述传感器装置(13)的三维位置的码投影在该传感器装置(13)上产生，并且所述码投影的至少一部分被捕捉。由此，所述码载体(12)相对于所限定的旋转轴线(DA)的角度位置被确定并且所述测量部件相对于所述基座的当前测量位置被测定，其中，针对所述至少一个旋转编码器，所述码载体(12)相对于所述传感器装置(13)的至少一个其他自由度的位置值基于所述码投影被确定并且被考虑以测定所述当前测量位置，并且所述连接元件(10)相对于所述保持件(11)的相对位置和/或其以形状或位置变化的形式的变形从所述位置值来确定。
文档编号G01B21/04GK102822619SQ201180015769
公开日2012年12月12日 申请日期2011年3月21日 优先权日2010年3月26日
发明者海因茨·利普纳, U·沃金格, 克努特·西尔克斯 申请人:莱卡地球系统公开股份有限公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
