专利名称：用于测量工件的方法、校准方法以及坐标测量仪其中考虑探测器的与方向相关的柔性的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于测量工件的方法以及一种相应的坐标测量仪。本发明还涉及一种用于校准探测器的校准方法。本发明尤其涉及使用坐标测量仪的坐标测量技术领域， 该坐标测量仪具有带有可偏移的探测器(特别是带有探针)的传感器，在该探测器的自由端部上安置一探测体(通常是测球)，该测球探测要测量的工件。
背景技术：
在该坐标测量技术中经常使用传感器(特别是探头)，其中，在传感器上固定一探针，该探针在笛卡尔坐标系的三个坐标方向上可移动。为此，已知的传感器在其内部具有一机构，通过该机构，探针可以在三个坐标方向上偏移。为此该机构通常具有三个导向装置， 这些导向装置中的每一个允许在坐标测量仪的三个坐标方向之一上移动。为此三个导向装置中的每一个平行于坐标测量仪的运动方向之一取向。在TR Technische Rundschau，1993 年第四/30 期第 20-25 页，作者 Werner Lotze 的标题为“具有多自由度的测量探测器”的文献中描述了一种用于推导具有三自由度的测量探测器的特性的模型。根据该模型该探测器具有三个交叉的弹性平行导向装置和对应的测量值接收器。这些弹性导向装置这样构造，使得它们在三个方向上分别具有线性的、具有给定的柔度的弹性特性曲线。所有三个导向装置可自由运动，使得固定在探针上的测球可以在每个空间方向上偏移。在探测工件表面的情况下，从工件表面作用在测球上的力可以被描述为测量力矢量f，该测量力矢量同样地使探针和探测器的探测系统偏移。该偏移又可以通过一矢量即偏移矢量a来描述，该矢量等于探测器夹紧装置的移动矢量与探针的变形矢量的矢量和。该模型的出发点是测量力和探测器偏移之间以及探测器偏移和测量信号之间的严格线性。变形矢量ν和力矢量f之间的关联通过柔度矩阵N表达，该矩阵为3 X 3矩阵。为了理解该关系可以跟踪这种情况下的偏移力矢量f以恒定的量值经过所有的空间方向，该量值可以归一化到值1。然后该矢量就描述一标准球。所有偏移矢量V的总体描述一个空间椭圆体，该椭圆体可以被称为影响椭圆体或者柔度椭圆体。测量力f的方向和探针的变形矢量ν只在该椭圆体的三个主轴线方向上重合。这些轴线方向同时是柔度矩形Nt的三个本征矢量。探测器夹紧装置(关于测球中心点)的偏移s也可以被描述为矢量方程式，其中偏移矢量s等于由测量弹簧引起的柔度矩阵Nf与测量力矢量f相乘。总偏移a作为矢量可以因此表达为偏移矢量s和探针变形矢量ν的和。相应地可以定义总柔度矩阵Nges，该总柔度矩阵等于关于探针变形的柔度矩阵Nt和由于测量弹簧的柔度矩阵Nf的总和。此外所述文献导出探测器夹紧装置的偏移矢量s和总偏移矢量a之间的关系，其方式在于，矢量a乘以矩阵M等于矢量s，该矩阵M被称为弹性传递矩阵。探测器的关于这三个坐标轴线的三个输出信号ul，u2, u3最初作为探测器的测量参数供使用。这些输出信号可以被记为矢量U。该矢量u等于探测器夹紧装置的偏移矢量s乘以传递矩阵B。该传递矩阵B和弹性传递矩阵M的乘积可以被逆变换，使得获得所谓探测器矩阵K。该矩阵K的九个系数包含探测器的全部的运动学特性、弹性特性和对于信号生成重要的特性。在实践中，通过按照校准标准专门校准来求得这些系数。借助探测器矩阵K可以根据由坐标测量仪提供的测球瞬时位置参数并根据探测器测量信号计算当前的测量点位置，即测球探触工件表面处的点位置。在该问题的方程式化时值得注意的是测量力或者根据量值或者根据方向出现。该测量力因此对于一阶的测量过程没有作用。相应的情况适用于弹性特性并且因此适用于由探针变形引起的柔度矩阵。只要该模型是正确的，一次校准足以能够确定测量点的坐标，不需要再考虑柔度和测量力。但上面描述的模型的前提是测量力矢量f通过测球的中心点P。但实际上测量力相对于测球在探触点B上作用于测球表面上并且由此通常在测球中心点P旁边隔开间距经过，由此不仅整个弹性系统的折曲杠杆臂的长度改变，而且关于中心点P产生转矩。对于通常的具有几毫米直径的测球，该误差在多次测量情况下是可忽略的。但也有这样的情况， 在这些情况下该误差是有意义的，特别是当探针的变形ν大时。这不总是能够例如通过使用相应硬的探针来避免。在实践中存在一些探针，它们的柔度在三个坐标方向上非常不同。例如一个方向上的柔度可能是另一方向上的十倍大。

发明内容
本发明的任务在于，提高在通过探测器机械地探测工件表面来确定工件坐标时的精度。为了解决该任务，提出在校准和/或在运行坐标测量仪时考虑探测器的弹性特性。与上面提及的在技术评论TR的1993年第29/30期第20-25页中公开的文章不同，应当被明确考虑这些弹性特性并且不只通过针对测量运行来校准探测器而消去这些弹性特性。根据本发明的、可以与还要描述的其它观点无关地实施的第一观点，对于具有至少一个旋转运动自由度的探测器(例如具有一探测元件的探测器，该探测元件通过一万向铰节或者一允许绕至少一个转动轴线旋转的类似机构与坐标测量仪的臂连接，或者具有一固定在平板上的探针的探测器，其中，该平板通过两个平行的、相互间隔开的板簧与坐标测量仪连接，如在上面所述的技术评论的公开文本的图4中所示)，考虑该探测器的柔性(下面也称为弹性)，该柔性由在这种探测器上可能发生的铰节(例如万向铰节)相对于探测器固定装置的弹性移动产生。对于万向铰节在本说明书中一般性地理解为一个机构，该机构允许探测元件绕两个彼此交叉延伸的转动轴线旋转。所述移动尤其由于测量力而出现， 即由于探测器探触工件而出现。对于铰节理解为一种允许转动自由度的机构，例如所述万向铰节或者一个仅具有唯一一个转动轴承用于支承一可绕旋转轴线转动的部件的机构，其中，例如探针安装在该可转动的部件上。探测器的固定装置例如安置在坐标测量仪的臂上，其中，该臂具有至少一个运动自由度。“考虑柔性”的表述包括考虑柔性的方向相关性，即考虑该事实探测器或者探头 (探测器是其部件)在不同的方向上柔度不同。对于其它的具有至少一个旋转运动自由度的探测器，以和具有铰节的探测器一样的方式考虑测量装置的弹性。例如探测器在外部力的作用下可以弹性变形和/或探测元件的运动例如可以通过电阻应变片测量。通过对多个应变片的信号进行分析求值也可以测得旋转运动。因此本发明不局限于考虑具有铰节(例如万向铰节)的探测器的柔性。而是该至少一个转动自由度也可以基于其它的机械结构产生，在该机械结构中例如也可以在旋转运动上耦合一个线性运动。例如对于还要借助图7描述的探测器或者是英国New Mills, ffotton-under-Edge, Gloucestershire, Gl 12 8JR ^ Renishaw pic 公司的 SP 邪探测器就是这种情况。优选在所有情况下通过使用柔度矩阵来考虑弹性。根据本发明的第二观点，通过使用物理模型和/或通过试验来确定探测器的弹性，特别是柔度矩阵，该第二观点可以单独地或者与本发明的一个或者多个其它观点相结合地实现。优选在以后借助探测器测量工件时使用该柔度矩阵用于计划和/或控制测量。 特别是通过使用通过模型计算出的弹性和/或通过试验确定的弹性预给定一个方向和/或力，探测器以该方向和/或力在工件的表面上探触工件。当在说明书或者权利要求中谈到柔度矩阵作为对探测器的或者其它坐标测量装置的与方向相关的弹性的描述时，也包括这种情况使用或者确定柔度矩阵的其它等效表达，例如柔度椭圆体(参见上面)、柔度矩阵的逆矩阵(也称为刚度矩阵)或者其它表达。特别是可以在校准探测器之前已知柔度矩阵(或者可以至少已知该矩阵的个别元素或者可以存在或求得元素或矩阵的估算值)，以便更精确地实施校准。在WO 2004/106854A1中描述了探测器的真正校准的一个例子，在此引用该文献的全部内容。在此可以通过校准改进在校准之前已知的柔度矩阵，即为了确定柔度矩阵迭代地进行。在此可以进行另外的迭代，即在通过校准第一次改进柔度矩阵后可以进行重新校准，通过该重新校准重新改进柔度矩阵。进一步的这种校准步骤也是可行的。因此柔度矩阵可以仅用于改进校准。但该柔度矩阵可以替代地或者附加地直接用于计划和/或控制工件的测量。对此的例子还要详细描述。在此也可从本发明的其它观点得出例子，这些观点可以不依赖于本发明的第二观点地实现。特别是提出一种用于确定探测器的与方向有关的柔度的方法，该探测器构造得用于为了确定工件的表面点的坐标而机械地探触该表面，特别是为了确定具有至少一个旋转运动自由度的探测器在探触该表面时的与方向有关的柔度，其中，-由该探测器探触工件的多个表面点，对于其中的每个表面点检测探测器由于在探触期间作用的探触力而引起的偏移a，-在考虑适用于被探触的表面点中的每一个的矢量方程式a = Ngesf的情况下计算描述与方向有关的柔度的柔度矩阵N㈣的元素，其中，f是由表面点施加在探测器上的探触力反作用力。特别是可以确定柔度矩阵的所有元素。在优选实施方式中探触多个表面点，提出一超定的方程式系统，该方程式系统包含上述的用于每个表面点的矢量方程式，并且解出该方程式系统。例如可以通过平差计算(Best Fit，最佳适配)法根据方程式系统确定柔度矩阵的元素。在移动时可以至少对于被探触的表面点的一部分通过尝试求得当探触力垂直于表面时探测元件的偏移矢量在哪个方向上取向。该方向是所谓摩擦锥的中轴线的方向。例如可以在尝试时从探测元件以一探触力探触该表面的状态出发来改变偏移方向，其方式是，坐标测量仪使探测器运动，直到探测元件在该表面上滑动，即探测元件不再在同一位置上接触表面。在计算柔度矩阵的元素(特别是通过上面提及的方程式系统)时可以考虑将如此确定的摩擦锥中轴线方向作为偏移矢量方向，特别是可以以该偏移矢量方向探触当前的表面点。特别是可以根据为了校准传感器而必须接触的相同测量点来计算柔度矩阵。对此的例子也在附图描述中描述。如果通过试验确定了柔度矩阵，优选不能产生相对于为实施这些试验、特别是为校准探测器所使用的柔度矩阵的显著差别。优选预给定边界值。如果元素和/或在试验之前和之后根据柔度矩阵的元素计算出的准数相互偏差一个值，该值大于边界值，则可以放弃校准、重复校准(特别是如上面提及地实施进一步的迭代步骤)和/或该校准仅有条件地用于工件测量中。下面的构思与确定柔度矩阵的方式无关。但可以首先以所描述的方式之一确定柔度矩阵并且然后实施探测器的校准，或者可以至少部分地在共同的试验中(特别是通过以探测器探触工件，例如校准对象)获得用于校准和确定柔度矩阵的信息。在校准传感器(探测器)时可以在扫描移动中记录校准点，即探测器的探测元件在校准对象的表面上沿着该表面被导向，而探测元件在该表面上施加一探触力。在此探测元件优选在应有探触力恒定的情况下在校准对象的表面上在同一路径上来回移动，因为否则在确定柔性矩阵时可能产生系统误差并且在大多情况下也产生系统误差。如果没有以扫描移动校准，可以通过对于校准对象的每个被探触的表面点改变探测元件的应有探测方向来汇集信息，该信息消去在确定柔性矩阵时的系统误差。根据本发明的、可以单独地或者与其它观点任意组合地实施的第三观点，在控制和/或调节探测过程(即一过程，在该过程中探测器的探测元件为了测量工件而探触工件表面)时直接使用探触力作为控制参量或调节参量。迄今常见的是，仅间接地通过探测元件相对于探测元件固定装置的偏移来控制和/或调节应有力。但使用者即坐标测量仪的操作者在许多情况下预给定一个探触力，而不是偏移。迄今也常见的是，预给定探触力的量值并且该力垂直于工件表面施加在探触点上。但由于探测器的上面提及的非各向同性的弹性特性，此时会发生探测元件在工件表面上滑离或者打滑。当以扫描移动探测工件表面时，会发生在工件表面上扫描时实际探测的路径与应该被探测的路径相比显著偏离。尤其当扫描路径处于给定平面中时，这可能是不利的。柔度矩阵的使用允许直接控制和/或调节探触力的量值和方向。尤其可以检查， 在施加应有探触力时是否会发生探测元件的打滑。如果是这种情况，则控制装置和/或调节装置可以自动地选择另一个力和/或给操作者输出一个消息。替代地或者附加地可以如还要针对本发明第四观点详细描述的那样来改变探测器柔度椭圆体相对于工件的取向，特别是如此改变，使得在测量力量值相同的情况下或者甚至在相同测量力(在量值和方向方面)情况下不发生探测元件在工件表面上打滑。例如对于具有万向铰节的探测器和/或对于具有一个或多个旋转自由度的探测器，如悬挂在转动铰节/摆动铰节上的探测器，可以通过合适地调整探测器的悬挂装置获得所述的希望效果。此外，替代在控制和/或调节中直接使用探触力，可以使用偏移来控制和/或调节，但其中，在使用柔度矩阵的情况下计算探测器关于工件表面的取向的边界和/或探触力的量值的边界。特别可行的是，使用偏移的控制和/或调节将柔度矩阵或者至少将柔度矩阵中的元素用应有偏移进行计算处理(verrechnen)。然而不优选使用偏移作为控制参量/调节参量用于控制和/或调节，虽然由此也能够解决例如在扫描时出现的上述问题(滑离)。下面描述本发明的另一、即第四观点，该观点可以单独地或者与其它观点中之一任意组合地实现。特别是在调节及控制两种情况下(测量力或偏移作为控制参量/调节参量)，在探触工件表面时的一种优选做法是可行的。如上面提及的，使用者通常预计测量力垂直于工件表面施加。因此，当使用者明显识别到探测元件不是垂直于表面向工件表面上移动，而是例如在一弧线上移动，他会意外。垂直向表面上移动通常是强制预给定的，因为工件的测量被借助工件模型(例如CAD模型)预先计划并且被传输给KMG的控制装置。为了仍然能够在借助柔度矩阵计算的最优方向上将测量力施加到工件表面上 (并且此外当然能够施加在工件表面上的希望位置上)，提出，探测元件首先垂直于表面向希望的探触点处移动并且在一与工件表面隔开间距的点上终止该第一探触路径或者替代地移动到希望的探触点上，使得探测元件实现与探触点的接触，但然后改变余下的其它路径的方向，直到探触元件达到工件表面，更确切地说在所希望的偏移方向上，或者(如果探测元件通过垂直移动过来已经达到工件表面)探触元件偏移到所希望的偏移方向的方向上。特别是，由此(近似)垂直于表面地施加探触力。尤其提出一种用于测量工件的方法，其中探头的探测器探触工件表面的至少一个点，其中，探测器将探触力施加到该表面上并且该探测器相对于探头固定装置偏移。基于该偏移确定该表面的该点的位置。求得和/或已知探测器的和/或探头的柔度的方向相关性。 在使用该方向相关性的情况下计算偏移方向，探测器在探触该表面时在探测器对工件施加该探触力的期间在该偏移方向上偏移。探测器首先垂直于该表面向该表面上移动，然后在与该偏移方向相反的方向上移动至该表面或者(如果探测器已经垂直地移动直到该表面上)探测器在偏移方向上偏移。优选如此计算偏移方向，使得探触力垂直于表面。在此当然要考虑事先只能关于应有探触点进行计算。因此实际上可能以并非精确垂直的探触力来探触探触点，特别是如果表面法线的取向不同于应有状态预给定的取向时。根据本发明的可以不依赖于本发明其它观点或者与本发明其它观点任意组合地实现的第五方案，提出，在考虑探测器的弹性特性的情况下相对于要探触的工件调整探测器的柔度椭圆体。对于“调整”理解为，将工件和探测器如此彼此相对定位和取向，使得在通过探测元件探触工件表面时产生所希望的柔度椭圆体取向。对于该调整原则上存在两种可能性，这两这可能性可以单独地或者相互组合地实现。一方面为了调整柔度椭圆体可以调整工件在空间中的位置和/或取向，例如通过调整可摆动的工件保持架和/或转台，工件定位在该保持架或转台上。另一方面可以调整探测器，特别是通过改变探针的取向(探测元件位于探针的自由端部上)，和/或通过调整具有非各向同性的弹性特性的万向铰节的位置和/或取向(探测元件装在该万向铰节上)，和/ 或通过调整转动铰节/摆动铰节(探测元件装在该转动铰节/摆动铰节上)。相应情况当然适用于允许相对于工件调整探测元件的位置和/或取向的其它机构。优选如此调整柔度椭圆体，使得探触力就其方向而言不与柔度椭圆体的最具刚性的主轴的方向重合。如果是这种情况，则最可能的是，发生探测元件的打滑。尽管当最具刚性的主轴在探触时恰好与探触力的方向重合时不会发生打滑。但此时是一种不稳定的平衡状态。一旦探触力的方向略微偏离最刚性的主轴的方向，就发生探测器打滑。因此例如如此调整探触力的方向，使得该方向与另一主轴、优选刚度最低的主轴、 即探测器的柔度椭圆体的弹性主轴重合。在这种情况下几乎可排除打滑。这尤其在扫描时特别有利，如还要解释的那样(粘滑效应)。尤其提出一种用于测量工件的方法，其中，探头的探测器探触工件表面的至少一个点。该探测器施加一探触力到该表面上并且该探测器相对于探头的固定装置偏移。基于该偏移确定该表面的该点的位置。在此，可以测量该偏移和/或该偏移(如在所谓开关型探头中是这种情况)可以导致产生一信号，该信号触发该点的坐标的确定。探测器的偏移可以是不同类型的。基本上考虑对于用于坐标测量仪的探头来说可能的所有类型偏移。通常如开始所述借助多个线性导向装置在探测器的不同坐标轴上引起并测量该偏移。但也可以是，偏移作为探测器绕一个转动轴或者多个转动轴的摆动。在该偏移时，一定的运动自由度(转动的或者线性的自由度)可以被闭锁。根据这里描述的提议，求得探测器和/或探头的弹性的方向相关性和/或已知该方向相关性。探测器和工件在考虑该方向相关性的情况下这样彼此相对定位和/或取向使得在探触表面的该点时不发生或仅有很小可能性发生探测器在表面上的无意滑动，或者不发生或仅有很小可能性发生探测器意外偏离该表面上的预期路径。关于弹性的方向相关性，尤其参考已经描述的和还要描述的方向相关性表达方案。特别是可以确定或者已知探测器和/或探头的柔度矩阵的元素。探测器和工件的彼此相对定位和/或取向包含，探测器或者工件固定地定位和/ 或取向，使得分别只能改变另一物体(即工件或者探测器)的位置和/或取向。但也可以使两个物体都运动，以便达到希望的曲向和/或位置。已经研究了探测器从预期的路径无意滑离(也称为打滑)和无意偏离。该方法不仅适合于通过单个地、分开地探触表面点来测量工件，而且适合于扫描移动。尤其当在扫描运行中使用探测器时，经常观察到所谓粘滑效应，即对要探测的工件表面作用以探触力的探测元件重复地保持短时悬在或者说“粘”在工件表面上并且接着是一时间间隔，在该时间间隔中探测元件以相应较高的速度跟随计划的扫描轨迹。这些粘滑时间间隔通常以高频率交替。这可以称为颤振。粘滑效应通过粗糙表面或者通过由坐标测量仪和/或探测器部件引起的振动激励而加强。在“粘”阶段中探测元件附着在或者保持悬在表面上，探触力矢量位于摩擦锥内部，在接着的“滑”阶段中该力矢量离开摩擦锥，即力矢量的方向相对于摩擦锥的中轴线比摩擦锥边界线的斜度更强地倾斜。根据本发明基本构思，可以在考虑柔度矩阵的方向相关性的情况下将柔度椭圆体的取向和被探触的工件表面的表面法线如此彼此相对调整，使得探触力矢量不能或者有很小可能性重复离开并再到达摩擦锥。在此要考虑，在扫描期间摩擦锥不仅在其取向上而且在其摩擦锥张角方面有时经受强烈的变化。这些变化的原因是静摩擦系数的位置相关性和工件表面相对于探测器的取向的变化，该变化至少在表面不平的情况下经常出现。特别可行的是，事先或者在扫描期间识别就出现“粘”效应而言不利的探测器定向。特别是当探测器或者工件可以被转动时，可以至少部分地避免这样的“粘”效应。例如当在扫描时柔度椭圆体这样取向，使得探触力矢量在柔度椭圆体的最短(即最刚硬)轴线方向上延伸，则得到一种不利的运行状态，在该运行状态下经常和/或发生特别强的“粘”效应。通常探测器的探测元件固定在一纵长延伸的元件、即探针杆上。大多数情况下，该杆的至少一部分是直的，探测元件直接固定在该部分上，即该部分具有沿直线方向延伸到探测元件上的纵轴线。如果探测元件在扫描时被这样拉到工件表面上负责保持扫描运动的力分量至少部分地在该杆的纵向上向离开探测元件的方向延伸，则“粘”阶段不大可能持续较短时间和/或偏离平均扫描速度不多。该状态被称为探测器的“拉”。相反的状态可以被称为“推”，在该状态下坐标测量仪对探测元件施加的负责保持扫描运动的力分量。在推时，该力分量在杆的纵向上延伸至探测元件。在拉探测器时，探测器的刚度在与工件表面相切的方向上增大，直到一个点，在该点上力矢量离开摩擦锥。在理想情况下该力矢量接着持久地保持在摩擦锥之外，即不发生“粘”阶段(在这些“粘”阶段中探测元件保持悬在表面上)。相反在推探测器时，传感器的刚度在切线方向上下降。在直接后随的阶段中探测元件在表面上在短时间内走过相对大的路径，使得探触力矢量又落入摩擦锥中并且发生悬置保持。虽然有经验的探测器使用者已知，拉探测器比推探测器好，但没有给他们提供客观的标准来评判如何调整杆相对于表面法线的倾斜。因此例如可以对刚度比(即第一方向上的刚度和与该方向垂直地延伸的第二方向上的刚度的比例)预给定一个边界。如果超出预给定的边界，那么在使用关于探测器柔度的方向相关性的信息的情况下(特别是在使用柔度矩阵的情况下)计算，在扫描时柔度椭圆体相对于工件表面如何定向。例如可以定义一个围绕柔度椭圆体的最刚硬的轴线的空间角度范围(该空间角度范围例如包含偏离该最刚硬的轴线小于一例如20°的预给定角度量值的全部方向)。可以由坐标测量仪的控制装置自动地如此计划和/或实施扫描，使得探触力矢量不到达该空间角度范围(至少就工件的应有状态而言，实际状态通常还不知道)。在计算时可以认为， 工件表面是理想光滑的。因此对于实际的工件至少还是能够减少“粘”阶段的数量。之前所述的考虑也可以专用到这些状况上在这些状况中，或者工件或者探测器能被转动，以使柔度椭圆体相对于表面定向。在这种情况下扫描的计划和/或控制可以具有扫描速度(即速度量值)边界值，该边界值不允许被超过。在此边界值在扫描过程中可以变化，视在工件表面上预计的情况而定。对于扫描速度理解为探测元件和工件表面的相对速度。如果对柔度矩阵的考虑仅限于计划，则扫描速度的边界值可以例如仅作为对使用者的建议来计算和输出。因为工件的实际状态通常在扫描之前是未知的，所以可以通过一个有效的、在表面上求平均的静摩擦系数来考虑粗糙表面带来的就“滑粘”效应而言不利的影响。一个这种有效系数相当于一个具有相应锥角的摩擦锥。在扫描期间可以(通过对探测器测量信号的时间波动进行求值分析和/或通过一附加的、与测量功能无关的、确定颤振的传感器)识别，是否和/或何时发生粘滑效应。根据是否满足预定的判则(例如滑粘交变的频率达到或者超过预给定的频率边界值)，可以采取措施，例如发出报警、降低速度或推荐降低速度和/或选择柔度椭圆体的另一定向角。完全普遍地适用于本发明的是，本发明可以特别有利地用在所谓被动传感器或者被动探测器上，即用在不具有测量值发送器的探测器上，这些测量值发送器直接测量在探触时作用的力。而被动传感器包含测量值发送器，这些测量值发送器测量偏移并且只间接地(例如在弹性偏移情况下通过已知的弹性常数)允许计算力。总之可以确定，通过使用柔度矩阵可以采取下面的附加措施a)根据出现的粘滑效应或者在计划扫描过程时可以计算力矢量空间中的摩擦锥的张角。b)特别是可以在扫描期间过滤探测器测量值发送器的信号或者由此导出的数据。 例如在扫描过程中对于每个测量点存储借助柔度矩阵根据偏移计算的力。探触力相对于表面的倾斜度接近根据预先定义的判则计算出的摩擦锥角时的每个测量点被标记为无效。如果被标记为无效的测量点的数量太大，则可以采取措施，例如降低速度或者发出报警。c)如果探测器和/或工件可以被转动或者可以通过至少工件或探测器悬挂装置的线性移动来调整工件和探测器的相对定向，则能够以合适的方式使探测器的柔度椭圆体相对于工件表面定向。d)例如可以将借助柔度矩阵获得的摩擦锥存储和/或首先与其它测量参数组合并且然后存储。在以后扫描时可以调用存储的信息。替代谈述柔度也可以谈述弹性。在两种情况下都要理解为当力施加在探测器和 /或探头上时出现可逆的变形和/或偏移，如在探触表面点时基于反作用力出现这种情况。 弹性或者柔度越大，在给定的力下的变形和/或偏移就越强。特别是可以在考虑柔度的方向相关性的情况下转动工件。例如通常对于坐标测量仪使用转台，要测量的工件被安置在转台上。通过转动带有工件的转台可以使通过工件表面上的测量点的表面法线不同地定向并且一般也不同地定位。替换地或者附加地提出，在考虑方向相关性的情况下使探测器绕至少一个转动轴转动。例如探头可以具有转动/摆动铰节或者通过一个这样的铰节与坐标测量仪的保持架连接。在这种情况下该转动/摆动铰节被这样控制，使得实现探测器的、相对于工件的、所希望的位置和/或定向。更一般地说特别是坐标测量仪的控制(探测器安装在该坐标测量仪上)可以考虑探测器柔度的方向相关性并且计算工件和探测器的彼此相对定向和/或位置。在此除了方向相关性外还可以考虑其它因素，特别是几何边缘条件，这些边缘条件只允许在受限的空间角度范围内使用探测器探触一定的工件表面区域。特别是可以在计算探测器和工件的相对位置和/或定向时考虑由探测器探触工件时的静摩擦系数和/或滑动摩擦系数。特别是可以在考虑这样的系数或者相应物理模型的情况下计算在哪些探触力时发生探测器在工件表面上打滑或者偏离。特别是在扫描式测量时可以替代探测器和工件的方向和/或位置或者除了探测器和工件的方向和/或位置之外附加地计算探测器在工件表面上沿着行进的速度。特别是可以计算该速度的最大值，在该最大值时还不发生探测器无意地从预期扫描路径偏离。在所有考虑探测器和/或探头的柔度的方向相关性用于计划和/或控制工件测量的情况下，考虑的结果可以是一个边界值或者计算的结果可以是一些边界值，其中，该边界值或这些边界值适用于运行坐标测量仪或者适用于实施该方法。边界值的例子是空间区域或者空间角度范围，其中，这些空间角度范围例如涉及工件的或者探测器的特征方向和/ 或涉及在扫描时探测器的扫描速度的或加速度的最大值。


现在参照附图来描述本发明的实施例。各个图示出图1具有万向节的探测器的运动学模型，图2 —种探测器类型在两种不同探针长度情况下的柔度椭圆的大小和位置，图3具有校准球和探测器的布置，其中，对于校准球表面上的一些探触点分别示意地示出一个偏移矢量，图4 一个探触过程，在该过程中探测器的探测元件首先在第一方向上移动，然后在考虑与方向有关的柔度的情况下改变探测元件的移动方向，图5 —平面，在通过测球探触工件表面时探测器的偏移在该平面中变化，直到球在表面上发生滑动，图6从上面看到的图5中所示情况，图7具有两个旋转运动自由度和一个线性运动自由度的一探测器。
具体实施例方式图1示意地示出探针11，具有折曲的杆12，该杆支承在一在x-y坐标方向上取向的万向节式铰节13上，该铰节可以在ζ方向上移动。坐标系的原点位于万向节式铰节13 的中心点。探针11的自由端部上的测球15的偏移由绕χ轴的旋转运动Φχ、绕y轴的旋转运动Oy以及坐标点(铰节13的中心点)在ζ方向上的移动ν组成。在此不考虑偏移所需的力。对于该偏移的矢量a，在限于小的转动角度和由此产生的简化sincp~cp并且 COStp^l的情况下，有
—
a = arot + av =炉 χ/ + ν (1)其中，^jt是该偏移矢量的旋转分量，\是该偏移矢量在ζ方向上的线性分量。 !表示测球15的中心点的位置矢量。此外图1中示出探测器(这里是探针11)的三个测量值发送器16，17，18，它们提供测量信号ul，u2, u3。在此，测量信号ul相当于探针绕着万向铰节的转动点绕χ轴的旋转，测量信号u2相当于探针绕着万向铰节的转动点绕y轴的旋转并且测量信号u3相当于万向节点在ζ方向上的移动。该模型仅是一个例子。例如可以进行一般化，其方式是，也允许绕着ζ轴的旋转。
权利要求
1.用于测量工件(52)的方法，其中，-由一探测器(11)探触该工件(5 的表面(51)的至少一个点(53)，其中，该探测器 (11)向该表面(51)上施加一探触力并且该探测器(11)相对于该探测器(11)的固定装置偏移，-基于该偏移确定该表面(51)的所述点(5 的位置，其特征在于，-求得和/或已知该探测器(11)的柔度的方向相关性，-在考虑该方向相关性的情况下将该探测器(11)和该工件(5 如此彼此相对定位和/或定向，使得在探触该表面(51)的所述点(5 时不发生或以小的可能性发生探测器 (11)在该表面(51)上无意滑动，或者不发生或以小的可能性发生探测器(11)无意地偏离该表面(51)上的预计路径。
2.根据前述要求的方法，其中，在考虑所述方向相关性的情况下使工件(5 转动。
3.根据前述权利要求之一的方法，其中，在考虑所述方向相关性的情况下使所述探测器(11)绕至少一个转动轴线转动。
4.根据前述权利要求之一的方法，其中，所述探测器(11)安装在一坐标测量仪上，该坐标测量仪的控制装置针对工件(5 的该表面(51)的所述点在考虑所述柔度的方向相关性的情况下计算工件(5 和探测器(11)的彼此相对定向和/或位置并且控制用于使工件 (52)运动和/或用于使探测器(11)运动的运动装置，使得在探触时遵循该定向和/或位置。
5.根据前述权利要求之一的方法，其中，至少通过相应于一椭圆体的主轴的一些值描述该柔度的方向相关性，其中，将工件(5 和探测器(11)如此彼此相对定向，使得探触力不和相应于最小柔度值的那个主轴的方向重合。
6.用于测量工件(52)的方法，其中，-由一探测器Gl)探触工件(52)的表面(51)的至少一个点，其中，该探测器Gl)向该表面(51)上施加一探触力并且该探测器Gl)相对于该探测器Gl)的固定装置偏移，-基于该偏移确定该表面(51)的该点的位置，其特征在于，-求得和/或已知该探测器Gl)的柔度的方向相关性，-在使用该方向相关性的情况下计算一偏移方向，探测器Gl)在探触该表面(51)时在该偏移方向上偏移，而探测器向工件(5 上施加所述探触力，-首先使探测器Gl)垂直于该表面(51)向该表面(51)上运动，然后-使探测器Gl)在与该偏移方向相反的方向上运动直至该表面(51)，或者，如果探测器Gl)已经垂直地运动至该表面(51)上，则使探测器Gl)在所述偏移方向上偏移。
7.根据前一权利要求的方法，其中，如此计算所述偏移方向，使得探触力垂直于所述表面(51)。
8.用于测量工件(52)的方法，其中，-由一探测器(11)探触工件(52)的表面(51)的至少一个点(53)，其中，该探测器(11) 向该表面(51)上施加一探触力并且该探测器(11)相对于该探测器(11)的固定装置偏移，-基于该偏移确定该表面(51)的所述点(5 的位置，其特征在于，在考虑该探测器(11)的与方向有关的柔度的情况下根据该偏移计算探触力，将该探触力用作控制参量或者调节参量。
9.用于确定探测器(11)的与方向有关的柔度的方法，该探测器构造得为了确定工件 (52)的表面点的坐标而机械地探触该表面，特别是在探触该表面(51)时具有至少一个旋转运动自由度的探测器(11)，其中实施下面的步骤-计算和/或通过在使用该探测器(11)的情况下第一次测量一校准对象来求得一柔度矩阵的元素的初值，该柔度矩阵描述与方向有关的柔度，-实施探测器(11)的校准，其中，在使用所述初值的情况下校准该探测器(11)，-在使用该校准的结果的情况下确定该柔度矩阵的元素。
10.用于确定探测器(11)的与方向有关的柔度的方法，该探测器构造得为了确定工件 (52)的表面点的坐标而机械地探触该表面(51)，特别是在探触该表面(51)时具有至少一个旋转运动自由度的探测器(11)，其中，-由该探测器(11)探触工件(52)的多个表面点并且对于这些表面点中的每一个基于在探触期间作用的探触力获知该探测器(11)的偏移a，-在考虑适用于被探触的表面点中的每一个的矢量方程式a = Ngesf的情况下计算一柔度矩阵N㈣的元素，该柔度矩阵描述与方向有关的柔度，其中，f是由该表面点(53)施加在探测器上(11)的探触力反作用力。
11.用于确定探测器(11)的与方向有关的柔度的方法，该探测器构造得为了确定工件 (52)的表面点的坐标而以该探测器(11)的探测元件(54)机械地探触该表面(51)，特别是用于确定在探触该表面时具有至少一个旋转运动自由度的探测器(11)的与方向有关的柔度，其中，对于工件(52)、特别是校准对象的至少一个表面点(53)，通过探触该表面(51) 求得，在探触力垂直于该表面(51)的情况下通过探测元件(54)在探触该表面(51)时的偏移所定义的探测元件偏移矢量在哪个方向上取向。
12.根据前一权利要求的方法，其中，从所述探测元件(54)以一探触力探触该表面(51)的状态出发，改变所述偏移方向，其方式在于，使探测器(11)运动，直到发生该探测元件在该表面(51)上滑动。
13.根据两个前述权利要求之一的方法，其中，在确定所述柔度矩阵的方向相关性时， 考虑在探触力垂直于该表面(51)的情况下通过探测元件(54)在探触该表面(51)时的偏移所定义的探测元件偏移矢量所取向的方向。
14.坐标测量仪，具有用于探触工件(5 的表面(51)的至少一个点(5 的探测器 (11)，其中，该探测器(11)在探触时向该表面(51)上施加一探触力并且该探测器(11)相对于该探测器(11)的固定装置偏移，并且，该坐标测量仪具有一控制装置，其中，该控制装置构造得用于控制根据前述权利要求之一的用于测量工件(52)的方法和/或用于确定与方向有关的柔度的方法。
15.根据前一权利要求的坐标测量仪，其中，所述控制装置构造得针对工件(5 的该表面的所述点在考虑该探测器(11)的和/或探头的柔度的方向相关性的情况下计算工件(52)和探测器(11)的彼此相对定向和/或位置并且控制用于使工件(52)运动和/或用于使探测器(11)运动的运动装置，使得在探触时遵循所述定向和/或位置。
16.根据两个前述权利要求之一所述的坐标测量仪，其中，所述控制装置构造得 -针对该工件(5 的该表面(51)的所述点(5 在考虑该探测器(11)的柔度的方向相关性的情况下计算探触方向，在该探触方向上探测器(11)要在探触该表面(51)时向该工件(5 上施加所述探触力，-首先使探测器(11)垂直于该表面(51)向该表面(51)上运动，然后 -使该探测器(11)在所述探触方向上运动直至该表面(51)和/或使所述探测器(11) 将所述探触力施加到该表面(51)上。
全文摘要
本发明涉及工件(52)的测量，其中，由一探测器(11)探触该工件(52)的表面(51)的至少一个点(53)，该探测器(11)向该表面(51)上施加一探触力(f)并且该探测器(11)相对于该探测器(11)的固定装置偏移。基于该偏移(矢量a)确定该表面的所述点(53)的位置。求得和/或已知该探测器(11)的柔度的方向相关性。在考虑该方向相关性的情况下将探测器(11)和工件(52)彼此相对定位和/或定向，使得在探触该表面(51)的所述点(53)时不发生或以小的可能性发生探测器(11)在该表面(51)上无意滑动，或者不发生或以小的可能性发生探测器(11)无意地偏离该表面(51)上的预计路径。
文档编号G01B21/04GK102227607SQ200980148136
公开日2011年10月26日 申请日期2009年9月17日 优先权日2008年10月1日
发明者S·孔茨曼, T·黑尔德, W·洛策 申请人:卡尔蔡司工业测量技术有限公司