用于校準(zhǔn)坐標(biāo)測量儀的裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于校準(zhǔn)坐標(biāo)測量儀的裝置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在尺寸測量技術(shù)中對于使用坐標(biāo)測量儀的情況必須提供測量能力證明，特別是精 度證明。在工業(yè)測量技術(shù)中，待測量的測量對象，例如工件典型地是三維體。對于借助于坐 標(biāo)測量儀的觸覺三維測量技術(shù)，例如在DINENISO10360中描述了一種校準(zhǔn)裝置。
[0003] 除了該觸覺測量技術(shù)（即依據(jù)機(jī)械探測的測量技術(shù)）之外，也存在光學(xué)測量技術(shù)， 其中，測量對象被光學(xué)測量。但是對于該光學(xué)測量技術(shù)，在微米精度范圍內(nèi)僅僅存在二維的 校準(zhǔn)方法，所述校準(zhǔn)方法例如由半導(dǎo)體工業(yè)公開。對于光學(xué)坐標(biāo)測量儀，已知的三維校準(zhǔn)方 法具有如下缺點(diǎn)：特別是對于三維測量，結(jié)果不是直接地而是大部分間接地返回到法定的 初級標(biāo)準(zhǔn)（gesetzlichePrimarnormale) 〇
[0004] US2009/0161 122A1公開了一種用于在一種用于評價坐標(biāo)測量儀的三維測量精 度的方法中使用的測量體。該測量體呈具有四個豎直的表面、四個傾斜的表面和一個平的 上表面的棱錐形狀。
[0005] DE10 2008 028 986A1公開了一種保持裝置用于保持用于校準(zhǔn)坐標(biāo)測量儀的測 量傳感器的校準(zhǔn)體。該保持裝置具有一調(diào)整裝置，所述調(diào)整裝置配置用于，通過使用者的操 作，特別是通過旋轉(zhuǎn)一可旋轉(zhuǎn)的部件，調(diào)整保持在所述保持裝置上的校準(zhǔn)體的取向。
[0006] DE10 2005 033 187A1公開了一種用于校準(zhǔn)一種測量組件的方法，所述測量組 件借助于侵入式的輻射產(chǎn)生測量對象的圖像。此外該文獻(xiàn)公開了一種用于校準(zhǔn)該測量組件 的校準(zhǔn)對象，其中，該校準(zhǔn)對象具有至少一個具有球形表面的校準(zhǔn)元件和/或至少一個下 述校準(zhǔn)元件，所述校準(zhǔn)元件的表面構(gòu)成一球表面的至少一部分。
[0007] DE10 2005 026 022A1公開了一種坐標(biāo)測量儀，其具有無接觸地探測待測量對 象的光學(xué)傳感器。在其尺寸中取決于傳感器測量軸線和材料表面之間的傾斜角的系統(tǒng)測 量錯誤如下地被修正，即事先通過測量在該坐標(biāo)測量儀中的標(biāo)準(zhǔn)件在確定偏差時將偏差儲 存，以便接著在用該傳感器測量工件時修正地考慮。此外該文獻(xiàn)公開了一種球標(biāo)準(zhǔn)件。
[0008] DE197 20 821A1公開了一種校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)件，其用于接觸和無接觸地光學(xué)工作的量 規(guī)，所述量規(guī)由具有一個或者多個子表面的體構(gòu)成，其中，不僅該體而且其表面由堅固的材 料制成。該體突出的是，該體的表面具有足夠的形狀穩(wěn)定性和耐磨度并且至少該體的表面 的材料很大程度上吸收、傳送或者僅僅弱地反射。
[0009] DE10 2005 018 447A1公開了用坐標(biāo)測量儀測量對象，其中，測量可以借助于觸 覺和/或光學(xué)傳感器進(jìn)行。該文獻(xiàn)此外公開了，在X光斷層攝影過程中基本上對一校準(zhǔn)體， 特別是一球組件進(jìn)行X光斷層攝影并且此外確定旋轉(zhuǎn)軸線相對于坐標(biāo)測量儀和/或相對于 X光源和/或相對于X光傳感器的相對位置并且接著以數(shù)學(xué)的方式修正。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 存在的技術(shù)問題是，提出一種用于校準(zhǔn)坐標(biāo)測量儀（特別是具有至少一個光學(xué)傳 感器和至少一個觸覺傳感器的坐標(biāo)測量儀）的裝置和方法，所述裝置和方法實(shí)現(xiàn)了對坐標(biāo) 測量儀可靠的并且高精度的校準(zhǔn)。
[0011] 通過具有權(quán)利要求1和24的特征的主題解決該技術(shù)問題。此外從從屬權(quán)利要求 中得出本發(fā)明有利的構(gòu)型。
[0012] 本發(fā)明的基本思想是，提出一種用于校準(zhǔn)坐標(biāo)測量儀的裝置，所述裝置由于多個 光學(xué)傳感器和照明方案實(shí)現(xiàn)了高精度的光學(xué)測量，特別是高精度和單義的基于圖像的特征 探測。
[0013] 本發(fā)明建議，一種用于校準(zhǔn)坐標(biāo)測量儀的裝置。該坐標(biāo)測量儀可以特別是所謂的 多傳感器坐標(biāo)測量儀，所述多傳感器坐標(biāo)測量儀借助于至少一個光學(xué)傳感器和觸覺傳感器 實(shí)現(xiàn)對測量對象的三維測量。
[0014] 在通過觸覺傳感器對測量對象測量時，通過借助于觸覺傳感器（例如探測元件， 特別是探測球，所述探測球可以是探測頭的一部分）觸摸測量對象的表面，確定測量對象 的坐標(biāo)。在光學(xué)測量測量對象時，由光學(xué)傳感器產(chǎn)生測量對象的圖像，其中，通過圖像加工 的方法進(jìn)行測量，也就是說確定尺寸。在此，可以探測和分析評估適合的圖像特征。
[0015] 該裝置包括至少一個校準(zhǔn)元件。校準(zhǔn)元件在此表示一種具有已知幾何尺寸的元 件。優(yōu)選地，該校準(zhǔn)元件歸于法定的初級標(biāo)準(zhǔn)，也就是說被標(biāo)準(zhǔn)化的。
[0016] 校準(zhǔn)元件具有多個表面區(qū)段，其中，彼此抵接的表面區(qū)段構(gòu)成棱。在彼此抵接的表 面區(qū)段的過渡中，在棱上進(jìn)行法向量跳躍式的改變，其中，法向量正交于相應(yīng)的表面區(qū)段取 向。因此，特別是球形的校準(zhǔn)元件不具有棱。
[0017] 優(yōu)選地，校準(zhǔn)元件包括多個平的、特別是僅僅是平的表面區(qū)段。該表面區(qū)段可以例 如構(gòu)成校準(zhǔn)元件的側(cè)面。
[0018] 根據(jù)本發(fā)明，該裝置包括至少一個保持裝置，其中，該校準(zhǔn)元件設(shè)置在所述保持裝 置的表面區(qū)段上。校準(zhǔn)元件特別是設(shè)置在所述保持裝置的平的表面區(qū)段上。因此允許的是， 校準(zhǔn)元件的平的表面區(qū)段設(shè)置在所述保持裝置的平的表面區(qū)段上。校準(zhǔn)元件和保持裝置可 以在此機(jī)械可拆卸地或者不可拆卸地連接。例如校準(zhǔn)元件和保持裝置可以粘接。但是自然 也可以設(shè)置其他機(jī)械連接類型。
[0019] 此外，校準(zhǔn)元件的表面區(qū)段如下述地彼此設(shè)置，當(dāng)將所述棱投影在一共同的投影 平面中時，所述校準(zhǔn)元件具有至少一個棱，所述棱不與所述校準(zhǔn)元件的其他棱重疊。在此， 所述投影平面正交于所述保持裝置的表面區(qū)段的法向量取向。如果所述保持裝置的表面區(qū) 段（校準(zhǔn)元件設(shè)置在所述表面區(qū)段上）是平的表面區(qū)段，那么該法向量是該平的表面區(qū)段 的法向量。但是如果所述保持裝置的表面區(qū)段（校準(zhǔn)元件設(shè)置在所述表面區(qū)段上）例如是 彎曲的表面區(qū)段，那么該法向量可以是在如下的一個點(diǎn)或者直線的切面的法向量，在所述 點(diǎn)或者直線上校準(zhǔn)元件和保持裝置連接。
[0020] 通過校準(zhǔn)元件的根據(jù)本發(fā)明的布置和構(gòu)造得出，可單義地辨別在所述投影平面中 的所述至少一個棱，原因是其不與其他棱重疊。投影平面例如對應(yīng)于光學(xué)傳感器的一圖像 平面，那么所述至少一個棱單義地構(gòu)造到該圖像平面中。
[0021] 概念"重疊"在此表示，兩個棱的至少部分區(qū)段以相同的位置和取向投影到共同的 投影平面中。
[0022] 概念"重疊"特別是表示，在共同的投影平面中的棱的部分區(qū)段的位置和取向符合 的是，在投影平面中確定的棱的端點(diǎn)和/或走向不能被單義地探測或者辨別。該部分區(qū)段 在此可以具有預(yù)定的長度。這概念部分區(qū)段絕對不是棱的一個點(diǎn)。因此，當(dāng)棱在投影平面 中在一個點(diǎn)上相交時，這可以例如是無害的。
[0023] 該投影在此是正交投影，其投影方向平行于上述的法向量取向。特別是校準(zhǔn)元件 可以如下構(gòu)造和設(shè)置在所述保持裝置上，預(yù)定數(shù)量的或者甚至所有的棱在共同的投影平面 中不重疊，校準(zhǔn)元件的至少兩個表面區(qū)段抵接在所述棱上。如下面還詳細(xì)描述的那樣，保持 裝置自然也可以如下構(gòu)造，在共同的投影平面中沒有保持裝置的棱與校準(zhǔn)元件的至少一個 棱重疊。
[0024] 該棱不與其他棱重疊因此也表示，該棱在投影平面中可以單義地被辨別，特別是 其位置和取向。
[0025] 校準(zhǔn)元件和保持裝置的本發(fā)明建議的構(gòu)造和布置以有利的方式實(shí)現(xiàn)了特別是對 校準(zhǔn)元件的棱的單義的成像（或描述，Abbildung)。因此，特別是可以改進(jìn)對校準(zhǔn)元件的基 于棱探測的光學(xué)測量。因為棱限定表面區(qū)段并且校準(zhǔn)元件的表面區(qū)段的尺寸是已知的，在 此基礎(chǔ)上可以確定在表面區(qū)段的基于圖像的（例如基于像點(diǎn)的）尺寸和表面區(qū)段的實(shí)際尺 寸之間的相互關(guān)系，例如換算系數(shù)。
[0026] 該相互關(guān)系則實(shí)現(xiàn)光學(xué)傳感器的校準(zhǔn)，原因是實(shí)現(xiàn)基于圖像的確定的尺寸相對于 實(shí)際尺寸的高精度的關(guān)系。因此，本發(fā)明建議的裝置在光學(xué)測量時實(shí)現(xiàn)高的測量精度。
[0027] 在另一實(shí)施形式中，兩個彼此不同的表面區(qū)段，特別是平的表面區(qū)段以銳角相交。 該銳角在此是在校準(zhǔn)元件的內(nèi)部或者內(nèi)部體積中的由表面區(qū)段包圍的角度。如果上述的法 向量平行于這些表面區(qū)段中的一個的法向量延伸，那么以有利的方式得出，該由兩個所述 的表面區(qū)段構(gòu)成的棱單義地投影到共同的投影平面中。如果表面區(qū)段以直角相交并且法向 量平行于表面區(qū)段中的一個取向，則特別是不可以提供該單義的投影。特別是校準(zhǔn)元件的 多個或者甚至所有的表面區(qū)段可以以銳角相交。例如校準(zhǔn)元件可以構(gòu)造成四面體形的。
[0028] 在一個優(yōu)選的實(shí)施形式中，該銳角處于從0°到小于90°的角度范圍內(nèi)。因此， 該角度大于〇°且小于90°。優(yōu)選地，該角度接近90°，例如其可以是大于80°或者大于 85。。
[0029] 這是有利的，原因是不需要過大的底切，所述底切由于材料很難制造。通過非過 大的底切，也可以避免在觸覺測量所述相應(yīng)的表面時所謂的柄觸摸（Schaftantastung)。 因此，以有利的方式避免在觸覺測量期間探測頭或者探測元件例如探測球的可能需要的擺 動。
[0030] 因為由兩個彼此垂直取向的平面構(gòu)成的棱可以非常好地基于圖像確定，如上所述 的那樣，在同時保證單義的可確定性的同時，由此以有利的方式得出該棱的盡