用于校准坐标测量仪的装置和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于校准坐标测量仪的装置和方法。
【背景技术】
[0002] 在尺寸测量技术中对于使用坐标测量仪的情况必须提供测量能力证明，特别是精 度证明。在工业测量技术中，待测量的测量对象，例如工件典型地是三维体。对于借助于坐 标测量仪的触觉三维测量技术，例如在DINENISO10360中描述了一种校准装置。
[0003] 除了该触觉测量技术（即依据机械探测的测量技术）之外，也存在光学测量技术， 其中，测量对象被光学测量。但是对于该光学测量技术，在微米精度范围内仅仅存在二维的 校准方法，所述校准方法例如由半导体工业公开。对于光学坐标测量仪，已知的三维校准方 法具有如下缺点：特别是对于三维测量，结果不是直接地而是大部分间接地返回到法定的 初级标准（gesetzlichePrimarnormale) 〇
[0004] US2009/0161 122A1公开了一种用于在一种用于评价坐标测量仪的三维测量精 度的方法中使用的测量体。该测量体呈具有四个竖直的表面、四个倾斜的表面和一个平的 上表面的棱锥形状。
[0005] DE10 2008 028 986A1公开了一种保持装置用于保持用于校准坐标测量仪的测 量传感器的校准体。该保持装置具有一调整装置，所述调整装置配置用于，通过使用者的操 作，特别是通过旋转一可旋转的部件，调整保持在所述保持装置上的校准体的取向。
[0006] DE10 2005 033 187A1公开了一种用于校准一种测量组件的方法，所述测量组 件借助于侵入式的辐射产生测量对象的图像。此外该文献公开了一种用于校准该测量组件 的校准对象，其中，该校准对象具有至少一个具有球形表面的校准元件和/或至少一个下 述校准元件，所述校准元件的表面构成一球表面的至少一部分。
[0007] DE10 2005 026 022A1公开了一种坐标测量仪，其具有无接触地探测待测量对 象的光学传感器。在其尺寸中取决于传感器测量轴线和材料表面之间的倾斜角的系统测 量错误如下地被修正，即事先通过测量在该坐标测量仪中的标准件在确定偏差时将偏差储 存，以便接着在用该传感器测量工件时修正地考虑。此外该文献公开了一种球标准件。
[0008] DE197 20 821A1公开了一种校准标准件，其用于接触和无接触地光学工作的量 规，所述量规由具有一个或者多个子表面的体构成，其中，不仅该体而且其表面由坚固的材 料制成。该体突出的是，该体的表面具有足够的形状稳定性和耐磨度并且至少该体的表面 的材料很大程度上吸收、传送或者仅仅弱地反射。
[0009] DE10 2005 018 447A1公开了用坐标测量仪测量对象，其中，测量可以借助于触 觉和/或光学传感器进行。该文献此外公开了，在X光断层摄影过程中基本上对一校准体， 特别是一球组件进行X光断层摄影并且此外确定旋转轴线相对于坐标测量仪和/或相对于 X光源和/或相对于X光传感器的相对位置并且接着以数学的方式修正。
【发明内容】
[0010] 存在的技术问题是，提出一种用于校准坐标测量仪（特别是具有至少一个光学传 感器和至少一个触觉传感器的坐标测量仪）的装置和方法，所述装置和方法实现了对坐标 测量仪可靠的并且高精度的校准。
[0011] 通过具有权利要求1和24的特征的主题解决该技术问题。此外从从属权利要求 中得出本发明有利的构型。
[0012] 本发明的基本思想是，提出一种用于校准坐标测量仪的装置，所述装置由于多个 光学传感器和照明方案实现了高精度的光学测量，特别是高精度和单义的基于图像的特征 探测。
[0013] 本发明建议，一种用于校准坐标测量仪的装置。该坐标测量仪可以特别是所谓的 多传感器坐标测量仪，所述多传感器坐标测量仪借助于至少一个光学传感器和触觉传感器 实现对测量对象的三维测量。
[0014] 在通过触觉传感器对测量对象测量时，通过借助于触觉传感器（例如探测元件， 特别是探测球，所述探测球可以是探测头的一部分）触摸测量对象的表面，确定测量对象 的坐标。在光学测量测量对象时，由光学传感器产生测量对象的图像，其中，通过图像加工 的方法进行测量，也就是说确定尺寸。在此，可以探测和分析评估适合的图像特征。
[0015] 该装置包括至少一个校准元件。校准元件在此表示一种具有已知几何尺寸的元 件。优选地，该校准元件归于法定的初级标准，也就是说被标准化的。
[0016] 校准元件具有多个表面区段，其中，彼此抵接的表面区段构成棱。在彼此抵接的表 面区段的过渡中，在棱上进行法向量跳跃式的改变，其中，法向量正交于相应的表面区段取 向。因此，特别是球形的校准元件不具有棱。
[0017] 优选地，校准元件包括多个平的、特别是仅仅是平的表面区段。该表面区段可以例 如构成校准元件的侧面。
[0018] 根据本发明，该装置包括至少一个保持装置，其中，该校准元件设置在所述保持装 置的表面区段上。校准元件特别是设置在所述保持装置的平的表面区段上。因此允许的是， 校准元件的平的表面区段设置在所述保持装置的平的表面区段上。校准元件和保持装置可 以在此机械可拆卸地或者不可拆卸地连接。例如校准元件和保持装置可以粘接。但是自然 也可以设置其他机械连接类型。
[0019] 此外，校准元件的表面区段如下述地彼此设置，当将所述棱投影在一共同的投影 平面中时，所述校准元件具有至少一个棱，所述棱不与所述校准元件的其他棱重叠。在此， 所述投影平面正交于所述保持装置的表面区段的法向量取向。如果所述保持装置的表面区 段（校准元件设置在所述表面区段上）是平的表面区段，那么该法向量是该平的表面区段 的法向量。但是如果所述保持装置的表面区段（校准元件设置在所述表面区段上）例如是 弯曲的表面区段，那么该法向量可以是在如下的一个点或者直线的切面的法向量，在所述 点或者直线上校准元件和保持装置连接。
[0020] 通过校准元件的根据本发明的布置和构造得出，可单义地辨别在所述投影平面中 的所述至少一个棱，原因是其不与其他棱重叠。投影平面例如对应于光学传感器的一图像 平面，那么所述至少一个棱单义地构造到该图像平面中。
[0021] 概念"重叠"在此表示，两个棱的至少部分区段以相同的位置和取向投影到共同的 投影平面中。
[0022] 概念"重叠"特别是表示，在共同的投影平面中的棱的部分区段的位置和取向符合 的是，在投影平面中确定的棱的端点和/或走向不能被单义地探测或者辨别。该部分区段 在此可以具有预定的长度。这概念部分区段绝对不是棱的一个点。因此，当棱在投影平面 中在一个点上相交时，这可以例如是无害的。
[0023] 该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。特别是校准元件 可以如下构造和设置在所述保持装置上，预定数量的或者甚至所有的棱在共同的投影平面 中不重叠，校准元件的至少两个表面区段抵接在所述棱上。如下面还详细描述的那样，保持 装置自然也可以如下构造，在共同的投影平面中没有保持装置的棱与校准元件的至少一个 棱重叠。
[0024] 该棱不与其他棱重叠因此也表示，该棱在投影平面中可以单义地被辨别，特别是 其位置和取向。
[0025] 校准元件和保持装置的本发明建议的构造和布置以有利的方式实现了特别是对 校准元件的棱的单义的成像（或描述，Abbildung)。因此，特别是可以改进对校准元件的基 于棱探测的光学测量。因为棱限定表面区段并且校准元件的表面区段的尺寸是已知的，在 此基础上可以确定在表面区段的基于图像的（例如基于像点的）尺寸和表面区段的实际尺 寸之间的相互关系，例如换算系数。
[0026] 该相互关系则实现光学传感器的校准，原因是实现基于图像的确定的尺寸相对于 实际尺寸的高精度的关系。因此，本发明建议的装置在光学测量时实现高的测量精度。
[0027] 在另一实施形式中，两个彼此不同的表面区段，特别是平的表面区段以锐角相交。 该锐角在此是在校准元件的内部或者内部体积中的由表面区段包围的角度。如果上述的法 向量平行于这些表面区段中的一个的法向量延伸，那么以有利的方式得出，该由两个所述 的表面区段构成的棱单义地投影到共同的投影平面中。如果表面区段以直角相交并且法向 量平行于表面区段中的一个取向，则特别是不可以提供该单义的投影。特别是校准元件的 多个或者甚至所有的表面区段可以以锐角相交。例如校准元件可以构造成四面体形的。
[0028] 在一个优选的实施形式中，该锐角处于从0°到小于90°的角度范围内。因此， 该角度大于〇°且小于90°。优选地，该角度接近90°，例如其可以是大于80°或者大于 85。。
[0029] 这是有利的，原因是不需要过大的底切，所述底切由于材料很难制造。通过非过 大的底切，也可以避免在触觉测量所述相应的表面时所谓的柄触摸（Schaftantastung)。 因此，以有利的方式避免在触觉测量期间探测头或者探测元件例如探测球的可能需要的摆 动。
[0030] 因为由两个彼此垂直取向的平面构成的棱可以非常好地基于图像确定，如上所述 的那样，在同时保证单义的可确定性的同时，由此以有利的方式得出该棱的尽