坐標測量方法及包括光學傳感器的用于測量表面的坐標測量儀的制作方法
【專利說明】坐標測量方法及包括光學傳感器的用于測量表面的坐標測 量儀
[0001] 本發明設及根據權利要求1前序部分的用于借助于坐標測量儀檢測物體的物體 表面的坐標測量方法，并且設及根據權利要求11前序部分的用于檢測物體的物體表面的 坐標測量儀，并且設及根據權利要求17的前序部分的計算機程序產品。
[0002] 在許多技術應用領域中，需要高精度地測量物體的表面并且因此測量物體自身。 該特別應用于制造工業，因為工件表面的測量和檢查是非常重要的，特別是還為了質量控 制的目的。
[0003] 坐標測量儀通常使用于該些應用，并且所述坐標測量儀能夠實現物體表面的幾何 尺寸的精確測量，通常具有微米級精度。要測量的物體可W是例如發動機組、變速器和工 具。已知的坐標測量儀通過產生機械接觸并且掃描表面來測量該表面。其中的示例是如在 DE 43 25 337或DE 43 25 347中描述的臺架（gantry)測量儀。不同的系統是基于較接臂 的使用，它布置在多個部分的端部處的測量傳感器可W沿著表面運動。一般的較接臂例如 在 US 5, 402, 582 或 EP 1 474 650 中描述。
[0004] 在現有技術中，觸覺傳感器作為標準測量傳感器與坐標測量儀一起使用，該觸覺 傳感器由安裝在測量桿上的例如紅寶石球組成。在坐標測量儀設計用于=維測量的情況 下，觸覺傳感器沿著=個互相垂直方向X、Y和Z的偏移在掃描期間通過開關元件或距離測 量元件確定。基于開關點或偏移距離，計算接觸位置并且因此計算表面坐標。
[0005] 為了由測量數據重構表面輪廓，需要考慮在與物體表面接觸時傳感器自身的機械 尺寸和其朝向。傳感器實施有已知幾何形狀的測量尖端，通常對于具體應用是球形或楠球 體的，通常具有幾毫米大小級別的（主）半徑。與本發明相關聯，術語"測量尖端"應該大 體上理解為任何期望形狀和范圍的（觸覺）測量傳感器，其中該傳感器不需要（但是可W) 具有錐體形狀。通過利用觸覺傳感器的坐標測量儀測量到的原始數據代表測量尖端的基準 點例如測量尖端的中屯、的已測量空間坐標，并且在下文中被指定為相對于"球中屯、域"。通 過將在與物體表面接觸時測量尖端的形狀和其朝向考慮在內的變換算法，通常將所測量的 坐標從球中屯、域轉換到由計算機確定的物體表面輪廓（"物體輪廓域"）。
[0006] 然而由于觸覺傳感器的測量尖端的實際尺寸，測量分辨率受到限制。測量尖端的 物理尺寸或與其相關聯的有限的測量分辨率在粗趟表面的測量期間導致"平滑效應"；雖然 可W幾乎完美地或忠于物體地測量物體表面的凸起部或峰部，但是由于觸覺傳感器的物理 范圍，觸覺傳感器的測量尖端不能穿透進入物體表面的狹窄的凹部。該樣由于凹陷表面區 域的測量數據被平滑，導致已測量表面輪廓W非線性方式平滑，而凸起表面區域的測量數 據是幾乎忠于物體的。對于技術工程方面，該是甚至經常是有利的，因為，特別是對于兩個 物體的表面的平面連接，精確知曉其凸起區域通常比精確確定狹窄凹陷表面區域更重要。
[0007] 另一方面，觸覺測量的分辨率，特別是對于從上述提及的方法固有局限性的表面 凹部的較精確測量，對于許多新的應用不再充分。
[000引因此，在現有技術中，與此同時已經尋求用于無接觸測量的方法，特別是通過光學 傳感器。通過具有發射測量光束（特別是來自激光器）的光學傳感器，甚至可W非常精確 地測量表面凹部，只要與觸覺傳感器的測量尖端相比，測量光束在物體表面上的焦點不大 于其凹部結構。對于表面輪廓、特別是其凹部的精確的測量，光學測量方法的分辨率因而可 W顯著高于觸覺測量方法的分辨率。因而，通過光學傳感器產生的輪廓不同于通過觸覺傳 感器產生的同一物體表面的輪廓。然而，甚至W與通過觸覺傳感器產生的表面輪廓相同的 方式通過光學傳感器產生的輪廓由實際物體表面的經基于"測量尖端"的物理尺寸的分辨 率濾波的鏡像組成，其中光學"測量尖端"的尺寸與觸覺傳感器的測量尖端相比，可W認為 是向零收斂或可忽略。因此，用于坐標測量儀的光學傳感器和測量方法原則上適合于提供 表面輪廓的實際忠于物體的測量。
[0009] 與此同時被引入到利用坐標測量儀的計量法的光學傳感器例如是基于照射到物 體表面激光的用于干設測量巧P 2 037 214)。已經提出了基于白光干設測量的方法值E 10 2005 061 464)和彩色共焦方法（FR 273 8343)。
[0010] 用于坐標測量儀的光學傳感器和測量方法與一系列優點相關聯：測量無接觸地實 施，并且光學傳感器可W比觸覺傳感器快地在物體表面上引導其中"測量尖端"的物理尺寸 較小，結果能夠實現測量的較高的橫向分辨率。
[0011] 然而，不僅通過觸覺傳感器產生的表面輪廓，而且通過光學傳感器產生的表面輪 廓也總是包括不來源于所測量表面而相反是由測量方法導致的特征。例如，DE 197 35 975 公開了在確定表面高度時由于使用的坐標測量儀的振動導致的測量誤差和用于抑制該些 效應的測量方法。
[0012] 光學傳感器的測量結果，特別是對于干設測量方法，通常受到相位噪聲或散斑效 應的不利影響。依賴于物體表面的粗趟度，例如，從表面反射的光的相位會W使得所測量的 到物體點的距離不正確的方式被改變。作為該局部光學擾動影響的后果，通過光學傳感器 測量到的表面輪廓通常具有測量誤差，諸如，例如，虛擬的單個峰部或凹部，然而該峰部或 凹部不存在于物體表面中。
[0013] 為了從測量結果去除該些不正確的測量數據，通常通過用于對原始數據濾波的合 適算法實施對測量結果的后處理。極其簡單的數據濾波是基于測量結果的"移動平均"，其 設及，從第一測量值開始，將預定數量的橫向順序記錄測量值的測量值與第一測量值平均， 并且將所確定的平均值分配給對所測量物體上的相關測量位置分配的測量中屯、點，其中然 后對物體上的所有測量位置漸進地繼續該平均方法。其它已知濾波技術是基于=角形或多 項式內核濾波器或基于在頻域中的特別定義的變換函數。
[0014] 因為通過觸覺傳感器或光學傳感器的測量遭受不同擾動影響，所W濾波算法必須 適應于相應類型的傳感器。
[0015] 用于處理觸覺測量結果的濾波器通常具有較小的強度效果，因為觸覺傳感器的測 量尖端的物理尺寸已經導致平滑效應。當濾波器應用到球中屯、域中的測量數據時，其中經 測量尖端平滑的測量數據（與實際表面輪廓相比）已經存在，對于逆變換到物體輪廓域的 已濾波數據僅發生小的信息損失。尤其是表面的臨界凸起部或峰部高度的測量值幾乎不受 到在球中屯、域中的數據濾波的影響。
[0016] 用于處理光學傳感器的測量數據的濾波器特別地用于消除由光學噪聲和散斑效 應導致的測量誤差，并且通常具有較大的強度效果。例如，首先通過特別是用于消除散斑效 應的窄方波濾波器實施預濾波。當選擇濾器寬度時，通常考慮由光學傳感器發射在物體表 面上的測量光束所產生的光斑的直徑和測量光束在物體表面上的掃描運動帶來的測量數 據的"模糊"。在第二處理步驟中，然后通常通過=角形濾波器內核實施附加濾波。尤其是 當使用相對較寬的S角形濾波器內核時，可W截去非常窄和點狀凸起部的最大高度。另一 方面，當使用相對窄的濾波器時，與技術應用不相關的表面粗趟度的光學噪聲和/或效應 不被適當地抑制。
[0017]因為光學傳感器直接在物體輪廓域中提供測量值，因此在沒有逆變換的情況下在 早在物體輪廓域中的濾波期間，數據減少，其會導致包括不僅人工的而且實際的表面特征 在內的信息的損失。
[001引進一步地，關于現有技術的缺點在于，用于處理坐標測量儀的光學傳感器的測量 數據的已知方法通常導致關于物體表面的顯著結構細節特別是較窄凸起部的信息的損失。
[0019] 由本發明解決的一個問題是，提供一種改進的坐標測量方法和一種包括光學傳感 器的改進的坐標測量儀，其中通過光學傳感器檢測的測量數據可W至少間接地利用提供給 觸覺測量數據的處理功能體來進一步處理。
[0020] 由本發明解決的另一個問題是，提供一種改進的坐標測量方法和一種改進的坐標 測量儀，從而使得能夠通過光學傳感器更忠于物體地產生物體的表面輪廓，并且提供與來 自相同表面的觸覺表面測量的測量數據的可比較性。在該種情況下，解決的一個特別問題 是避免關于較窄表面峰部的信息的損失。
[0021] 該些問題通過獨立權利要求的描繪特征的實現來解決。可W從從屬專利權利要求 收集W替代或有利的方式擴展本發明的特征。
[0022] 本發明設及一種用于通過坐標測量儀檢測物體的物體表面的坐標測量方法，該坐 標測量儀包括測量頭，其具有用于檢測物體表面的光學傳感器，W及引導件，其用于提供測 量頭沿著至少一個方向特別是沿著兩個方向相對于物體的相對運動。在該種情況下，該引 導件應該總體上理解為用于提供測量頭相對于物體或相對于坐標測量儀的基座的限定相 對運動的部件，所述基座限定了絕對基準。就此而言，引導件可W例如實現成具有導軌和滑 動件的直線引導件或實現成具有至少兩個可相對于彼此樞轉和/或旋轉的連結元件、特別 是較接臂的可旋轉連結引導件。
[0023] 并且，該坐標測量儀具有控制單元，其中在該坐標測量方法的環境中，由坐標測量 儀的光學傳感器光學地檢測物體表面，并且在該過程中產生代表表面輪廓的數據集。
[0024] 本發明設及通過模擬由該數據集代表的表面輪廓與虛擬觸覺傳感器的接觸，并且 從該模擬接觸導出觸覺數據集使得