利用移動坐標測量機來確定空間坐標的方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】利用移動坐標測量機來確定空間坐標的方法和系統(tǒng)
[0001]本發(fā)明涉及用于利用移動便攜式坐標測量機(CMM)來測量局部結(jié)構(gòu)(諸如對象的腔的內(nèi)壁)具體地用于測量工件的圓柱形鉆孔的方法和系統(tǒng)。
[0002]通常做法是繼生產(chǎn)之后在坐標定位裝置(諸如在機器的工作體積內(nèi)具有可移動探頭的坐標測量機)上檢查工件。
[0003]在常規(guī)3-D測量機中，探頭被支承以便沿著三個相互垂直軸(在方向X、方向Y和方向Z上)移動。因此，能夠?qū)⑻筋^引導(dǎo)到測量設(shè)備的工作體積內(nèi)的任何任意點。
[0004]用于測量諸如圓柱形腔的局部結(jié)構(gòu)的固定測量設(shè)備是從現(xiàn)有技術(shù)獲知的。這些機器允許對象的局部結(jié)構(gòu)的準確測量。然而，這種類型的測量機的測量速率照慣例非常慢。另夕卜，通常能夠僅固定地使用這種坐標測量機-必須將要測量的相應(yīng)對象帶到測量機。因此，這些機器不能夠用于測量特別大對象的結(jié)構(gòu)，例如飛機組裝件(諸如機身或機翼)中的鉆孔。
[0005]例如，在EP I 797 813中公開了一種用于測量腔的手持坐標測量設(shè)備。該文獻描述了一種用于根據(jù)共焦成像原理來測量形成在對象中的腔的內(nèi)壁的光學(xué)測量設(shè)備。所描述的解決方案的弱點是手持設(shè)備在測量期間的很不精確的定位和取向。雖然公開了具有用于設(shè)備在測量期間的限定定位的機械耦接元件的自適應(yīng)裝置，但是這些不能夠消除由不與對象的表面或不平狀表面正交的孔所導(dǎo)致的測量誤差。
[0006]因此本發(fā)明的目的是提供用于以更高準確度確定大工件的局部結(jié)構(gòu)的測量點的空間坐標的改進的移動坐標測量機以及改進的方法和系統(tǒng)。
[0007]本發(fā)明的特定目的是提高這樣的一種用于確定腔(諸如鉆孔)的測量點的空間坐標的移動坐標測量機和方法。
[0008]這些目的中的至少一個由根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于確定空間坐標的方法、根據(jù)權(quán)利要求5所述的坐標測量系統(tǒng)、根據(jù)權(quán)利要求14所述的移動坐標測量機和/或本發(fā)明的從屬權(quán)利要求來實現(xiàn)。
[0009]根據(jù)本發(fā)明，一種用于確定要測量的對象的局部結(jié)構(gòu)的測量點的至少一個空間坐標的方法包括以下步驟:
[0010].將移動坐標測量機設(shè)置或放置在要測量的對象的表面上，
[0011].建立坐標測量機與局部結(jié)構(gòu)的限定空間關(guān)系，
[0012].利用移動坐標測量機的感測頭接近測量點，以及
[0013].確定至少一個測量點的至少一個空間坐標。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的限定空間關(guān)系借助于坐標測量機到對象的機械固定或坐標測量機相對于對象的位置和取向或以及對象相對于公共基準坐標系統(tǒng)的位置和取向的連續(xù)確定來建立。
[0015]因此，具有被設(shè)計用于確定對象的局部結(jié)構(gòu)的測量點的至少一個空間坐標的移動便攜式坐標測量機(CMM)的系統(tǒng)包括用于將CMM固定到對象的表面的裝置和/或用于CMM相對于對象或基準坐標系統(tǒng)的位置和取向的動態(tài)確定的裝置。
[0016]根據(jù)本發(fā)明移動CMM包括:基座；傳感器裝置，所述傳感器裝置用于測量測量點并且生成測量數(shù)據(jù)；以及驅(qū)動機構(gòu)，被適配為相對于基座驅(qū)動傳感器裝置或其部分(具體地感測頭)以便接近測量點。根據(jù)本發(fā)明，在測量期間基座或傳感器裝置的位置和取向相對于局部結(jié)構(gòu)或相對于基準坐標系統(tǒng)被限定，后者具體地借助于外部勘測儀器。傳感器裝置例如可以是觸覺傳感器裝置或優(yōu)選光學(xué)傳感器裝置。
[0017]優(yōu)選地，移動CMM包括放置裝置，其允許具體地以直立或懸浮方式、以CMM自主地保持在這個位置中的這樣一種方式將移動CMM放置或設(shè)置在對象的表面上。在優(yōu)選實施方式中，放置裝置被構(gòu)建為使得(在重力的影響下)移動CMM能夠自主地直立在表面上，例如在具體地具有非滑動構(gòu)造的至少三個架臺(或底座)上。在另一優(yōu)選實施方式中，放置裝置被構(gòu)建為使得移動CMM能夠懸浮在表面下方的懸浮裝置。
[0018]有利地，直立裝置或懸浮裝置具有用于將直立裝置或懸浮裝置固定地連接至對象的表面的連接裝置，以便使得移動CMM能夠直立在垂直地取向的表面上或甚至頭向前地懸在表面下方。具體地，固定連接借助于磁體或真空例如利用電磁體或永久磁體、吸墊或真空泵來實現(xiàn)。并且用于將直立裝置或懸浮裝置固定地連接至對象的其它裝置是可能的:例如，能夠通過粘合劑結(jié)合(諸如水泥、膠水、一或兩組分粘合劑或持久高黏度粘合劑)建立固定連接，或者-如果CMM被構(gòu)建得非常輕-通過與壁虎腳的連接裝置相似的連接裝置經(jīng)由范德瓦爾斯力建立固定連接。連接裝置還能夠被設(shè)計以得到與對象的特定特征的限定機械連接。這些特征例如可以是螺紋、插銷或軌道，使得能夠借助于螺釘或軌道結(jié)合實現(xiàn)機械連接。并且，當測量對象的局部結(jié)構(gòu)時，連接裝置甚至能夠使用這個結(jié)構(gòu)，例如鉆孔，以用于建立到對象的固定連接或限定連接。
[0019]此外，有利地，連接裝置被設(shè)計為在CMM與局部結(jié)構(gòu)之間提供限定空間關(guān)系。具體地空間關(guān)系的準確度至少和傳感器裝置的測量的準確度一樣高，即限定空間關(guān)系的容差比至少一個測量點的至少一個空間坐標的確定的容差小，具體地小至少兩個數(shù)量級。
[0020]優(yōu)選地，CMM包括用于例如由于感測頭的移動而在對象中或在CMM中發(fā)生的振動的主動補償或吸收的阻尼裝置。例如能夠包括壓電致動器的所述阻尼裝置同樣地是從現(xiàn)有技術(shù)獲知的。
[0021]對于優(yōu)選實施方式，局部結(jié)構(gòu)是對象的腔，特別是鉆孔，并且移動坐標測量機被設(shè)計用于確定腔內(nèi)部的測量點的至少一個空間坐標。
[0022]在另一優(yōu)選實施方式中，移動CMM包括具有用于接近測量點的觸針的光學(xué)傳感器裝置，傳感器裝置具有用于確定測量點的空間坐標的發(fā)射器裝置和接收器裝置。優(yōu)選地，基座包括驅(qū)動機構(gòu)，所述驅(qū)動機構(gòu)被適配為以能夠相對于基座移動并且能夠被引入到對象的孔中的這樣一種方式使觸針旋轉(zhuǎn)并且驅(qū)動觸針。優(yōu)選地，第一測量光束與旋轉(zhuǎn)軸垂直地發(fā)射以便測量到孔的外壁的距離。
[0023]為了測量孔的直徑，移動坐標測量機的觸針有利地必須沿著孔的中心軸引入到孔中，使得測量光束在與中心軸正交的平面中測量。否則，圓形孔的被測部分的直徑將被感知為橢圓。并且，觸針必須定位于孔中或至少靠近孔的中間。
[0024]因此，移動CMM在有利的實施方式中包括用于基座相對于局部結(jié)構(gòu)的動態(tài)自主定位的定位裝置。當移動坐標測量機被放置在對象在局部結(jié)構(gòu)(諸如孔)之上的表面上時，準確定位對于準確測量數(shù)據(jù)的提供和再計算努力的減少是關(guān)鍵的。如果對象的表面不是絕對平的-例如是彎曲的或不規(guī)則的-則設(shè)備的垂直軸將不與孔的中心軸平行。
[0025]機械定位將從不是絕對完美的，使得在優(yōu)選實施方式中提供了附加的軟件補償，其例如能夠?qū)E圓測量轉(zhuǎn)換成圓形測量。為了使再計算努力最小化，探頭一方面需要與中心軸基本上平行地驅(qū)動并且另一方面到中心軸具有最小距離。
[0026]因此，有利地，提供了具有定位功能性的定位裝置，其被以能夠?qū)⒒谥行亩ㄎ辉诳咨戏绞沟迷O(shè)備的中心軸至少近似地變得與孔的中心軸共軸并且能夠沿著中心軸將觸針引入到孔中的這樣一種方式設(shè)計。具體地，定位裝置被設(shè)計用于使移動CMM的基座傾斜并且沿著方向X和方向Y移動它。
[0027]在優(yōu)選實施方式中，定位裝置被設(shè)計為鉸接腿，這些腿將基座連接至架臺并且各自包括可相對于彼此、相對于基座和/或相對于架臺移動的至少兩個構(gòu)件。可移動構(gòu)件具有編碼器裝置以檢測單個構(gòu)件相對于彼此、相對于基座和/或相對于架臺的位置和/或取向。鉸接腿同樣地是從現(xiàn)有技術(shù)獲知的，并且例如在EP 2016473中公開。
[0028]在另一優(yōu)選實施方式中，基座包括用于將基座定中心在孔上方的孔定中心裝置?？锥ㄖ行难b置包括至少三個定中心構(gòu)件，所述三個定中心構(gòu)件附接至基座并且設(shè)計用于進入孔以及然后均勻地向外擴展以便對孔的外壁施加壓力以便在孔中間在中心位置中移動基座使得能夠沿著孔的中心軸引入觸針。
[0029]優(yōu)選地，移動CMM利用調(diào)頻的即可調(diào)諧的激光源并且利用干涉測量原理來使用激光測量光束。例如，在文獻EP 2 185 890中公開了這樣的測量原理。然后在頻率級上實現(xiàn)了測量。在作為測量傳感器的光學(xué)探頭的探測期間在算法上或在控制下考慮了距離測量中的與激光束在表面上的垂直入射的偏差。對于光學(xué)系統(tǒng)在利用使用在紅寶石球的區(qū)域中具有直徑的緊湊探