测量表面轮廓的方法和装置

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测量表面轮廓的方法和装置\n[0001] 本发明涉及一种用于测量工件表面轮廓的测量装置和方法。\n[0002] 由DE 197 53 303 A1已知一种所谓的坐标测量仪。在这里，在探测端头上可沿三个空间方向移动的触针移动经过待测工件的表面。探测端头此时沿着一个轨线移动，根据待由触针经过的给定轮廓求得该轨线。给定轮廓例如可以通过点序列和对应的法向矢量来给定。由于探测端头沿轨线移动，给触针施加一个离心力，当检测到触针偏移时，该离心力会影响到测量结果。由于这个原因，需求得探测端头的轨迹加速度，并计算由此施加的使触针加速的力。该力可以用于校正触针和工件表面之间的所期望的给定测量力。\n[0003] 在这种测量方法中必要的是，至少要大概了解工件表面的轮廓走向，以便能调节探测端头的轨线。\n[0004] 提出一种改进的测量装置或者一种改进的测量方法，这可以被视作本发明的目的。\n[0005] 该目的通过按照权利要求1所述的测量装置和按照权利要求16所述的测量方法来实现。\n[0006] 针对按照本发明的测量装置设置有测量滑架，该测量滑架在测量期间与工件表面间隔开，并借助滑架驱动装置直线地沿运动方向移动。可以使该测量滑架只沿着一个轴在运动方向上移动。在测量滑架上设置有一个探测头，其自由的探测端以测量力靠触在工件表面上。在测量期间不会因测量滑架的移动而使探测头在测量方向上加速。在测量期间，探测头沿运动方向移动经过工件表面，并且横向于运动方向在测量方向上偏移。在这种情况下，测量值传感器检测到探测端的偏移，并生成一个与路径相关的偏移量。该偏移量描述的是工件的表面轮廓。在一个分析单元中借助偏移量求得测量力变化量，该变化量说明了探测端和工件表面之间的测量力的变化。利用这种方式来求得与表面相关的测量力变化。\n借此可以避免由工件表面的轮廓走向造成探测端加速而产生的测量错误。如果测量力太小，探测端就会脱离于工件表面，而如果测量力过大，就会在测量装置的零件例如探测头上出现弹性变形。在这两种情况下，测量结果都会受到影响。通过这种测量装置或者用此装置执行的测量方法，可以实现表面轮廓测量的高的准确度。\n[0007] 本发明的有利的设计可由从属权利要求得到。\n[0008] 根据一种优选的设计，测量装置是为在测量方向上大约10毫米的测量范围而设计，因此，可以测量工件表面的最大轮廓高度差约为10毫米的工件。可以识别出工件表面的在纳米范围的轮廓变化，例如大约从6纳米起。\n[0009] 分析单元有利地根据偏移量的梯度变化来求得测量力大小的变化。例如，偏移量的第二次时间导数可以用于确定测量力大小的变化。偏移量的第二次时间导数与可以借此特别简单确定的测量力变化量直接成比例关系。在这种情况下，比例系数是通过测量装置的在探测头偏移时移动的零件的质量或者惯性矩形成。\n[0010] 此外有利的是，给分析单元设定一个用于测量力大小的测量力给定范围，可以在这个范围内进行精确的测量。尤其是该测量力给定范围可以规定一个测量力上限，超过这个上限时，一方面会由于探测头以及其它的随着探测头运动的零件的弹性变形而造成测量错误，另一方面有时还可能损坏工件表面。也可以规定一个测量力下限，低于下限会导致测量错误，因为探测头的探测端与工件表面不再充分地接触。给定测量力说明了探测端与工件表面之间的所期望的测量力，并且处在测量力给定范围之内。\n[0011] 这里优选规定，有一个与分析单元连接的操作员接口，测量力给定范围可以由操作者员通过这个接口给定和/或更改。通过这种操作员接口可以相当简单地更改测量装置的测量参数。尤其是测量力给定范围和/或给定测量力可以与将被测量的工件表面的特性尤其是其硬度或弹性相匹配，与测量装置尤其是探测头的弹性特性相匹配，与探测头的几何形状相匹配。\n[0012] 根据一种优选的实施方式，当测量力大小处于测量力给定范围之外时，分析单元生成一个测量错误信号。因而，出现测量错误信号时可以由操作人员手动地或者自动地采取措施。\n[0013] 测量错误信号例如可以说明探测端脱离了工件表面和/或探测端和工件表面之间的测量力过高，这要看是否超出测量力给定范围的上限或低于测量力给定范围的下限而定。然后可以用相应修改的测量参数尤其是匹配的滑架速度自动地或者手动地重新进行测量。\n[0014] 根据一种优选的实施例，当出现一个测量错误信号时，作为一种措施，可以把测量错误信息输出给操作人员。例如，这可通过一个由分析单元控制的操作员接口来执行。测量错误信息可以通过光或声输出。当测量错误信息包含一个文本，并且该文本给操作人员提供清除错误和继续进行测量的指示时，这特别适用。优选测量错误信息包含用于后续测量的匹配的滑架速度的说明。\n[0015] 当出现测量错误信号时，分析单元也可以启动重新测量被量错的部分表面轮廓。\n为此，分析单元可以控制滑架驱动装置，使测量滑架至少回到存在最后一次正确的偏移量测量值时的滑架位置。\n[0016] 此外有利的是，设有一个可由分析单元控制的力调节装置，该力调节装置产生在探测端和工件表面之间的可给定的静态压合力。借助于该力调节装置可以更改静态压合力，尤其是根据所求得的表面相关的测量力变化进行更改。尤其是，当有测量错误信号时，分析单元可以使静态压合力匹配。为了使当前的测量力与给定测量力相匹配，可以改变静态压合力。例如线性驱动装置可以用作力调节装置。\n[0017] 因此，在本发明中，当探测端脱离时可以手动或自动减小滑架速度和/或提高静态压合力。如果测量力过高，可以手动或自动减小滑架速度和/或静态压合力。\n[0018] 在测量期间可以恒定地给定测量滑架的滑架速度。这样，在运动方向上加速也不会影响到探测头。也可以替代地在测量期间根据参数来给定测量滑架的滑架速度。尤其是滑架速度可能与偏移量有关。在该变型设计中，可以使探测头相对于工件表面的速度保持恒定。\n[0019] 本发明的实施方式的其他细节可由说明书、附图或权利要求书得到。说明书局限于本发明的实施方式的主要细节和其它情况。附图公开了其它的细节，并作为其补充。附图示出：\n[0020] 图1为测量装置的一个实施例的示意性的框图似的视图；和\n[0021] 图2示意性地举例示出测量过程中测量力的变化情况。\n[0022] 图1以示意性的框图似的视图示出了测量装置10的一个优选的实施方式。测量装置10用于测量工件的表面轮廓11。图1所示的测量装置10是一个所谓的触针式轮廓仪。测量装置10也可以有其它的实现形式。\n[0023] 测量装置10有一个通过滑架驱动装置16沿运动方向x引导的可移动的测量滑架\n15。滑架驱动装置16有一个电驱动电动机17，它可以驱动一个沿运动方向x延伸的主轴\n18在两个旋转方向上旋转。主轴18有未详细示出的主轴螺纹，主轴螺母19位于主轴螺纹上。主轴螺母19与测量滑架15牢固地连接在一起。主轴18转动时，主轴螺母19和固定于其上的测量滑架15沿主轴10在运动方向x上移动。一个转角传感器20探测主轴18的转动并且把转角值D传送给分析单元21。分析单元21控制驱动电动机17并且可以给定其转向及其转速。通过转角值D可确定分析单元21的测量滑架15的位置。\n[0024] 在测量滑架15上安置有一个活动的探测头(Tastspitze)25。探测头25是通过探测臂26间接安置在测量滑架15上的。探测臂26在其没有偏移的静止位置基本在运动方向x上从测量滑架15延伸离开，并且在测量滑架15上可围绕一个摆动轴27转动地被安置在一个摇杆(Wippe)28上。探测头25在探测臂26的与测量滑架15相对的端部29横向于尤其是垂直于该端部朝向放置工件的测量区域30伸出。探测头25横向于运动方向x延伸，其中探测头25的方向根据探测臂26围绕摆动轴27的摆动位置而改变。\n[0025] 探测臂26和摇杆28在摆动轴27的一侧连接，而摇杆28在另一侧与一个力调节装置35连接。力调节装置设置在测量滑架15上。力调节装置35例如可以是线性驱动装置，并且具有一个与摇杆28固定连接的线圈37，该线圈将一块磁铁38环形包围。线圈37可以通过分析单元21控制。当有电流流经线圈37时，就会产生洛伦兹力，该洛伦兹力引起围绕摆动轴27的转矩。因此，力调节装置35可以生成静态压合力Fstat，探测头25的对应于工件表面11的探测端40以该静态压合力被压到工件表面11上。可以通过分析单元21改变静态压合力Fstat。\n[0026] 在测量滑架15上设置有一个测量值传感器45，它产生一个偏移量s，该偏移量描述的是探测端40在横向于运动方向x且横向于摆动轴27的测量方向z上的偏移程度。在优选的实施例中，偏移量s由两个相互独立地测得的独立的测量值s1、s2组成。这两个测量值s1、s2被输送给分析单元21。分析单元基于由测量值传感器45传递的偏移量s求得探测端40在测量方向z上的偏移程度。\n[0027] 测量值传感器45例如具有两个独立的测量单元46，在这里所述的实施例中，所述测量单元是感应式测量单元46。它们各有一个线圈47和一个可相对于该线圈运动的铁心\n48。在本实施例中，铁心48与摇杆28固定相连。当摇杆28围绕摆动轴27摆动运动时，铁心48分别相对于对应的测量线圈47运动，并且把相应的测量值s1、s2提供给分析单元21。\n也可以替代地使得线圈47与摇杆28连接。\n[0028] 此外，测量装置10例如具有与分析单元21电连接的操作员接口50。这种连接是双向的，因此分析单元21可通过操作员接口50把信息输出给操作人员，反之，操作人员可借助操作员接口50把输入或设定值传送给分析单元21。\n[0029] 为了测量工件表面11的表面轮廓，对滑架驱动装置16进行控制，从而使测量滑架\n15以例如恒定的滑架速度与工件表面11间隔开地沿运动方向x移动。探测头25的探测端\n40触靠在工件表面上，并且被测量滑架15拖过工件表面11。作为其替代方案，也可以根据参数来改变滑架速度。例如，探测臂26的摆动运动的偏移程度或量度可以用作所述参数。\n例如，借此可以使探测端40相对于工件表面的速度保持恒定。\n[0030] 当拖着探测端40经过工件表面时，探测端40根据表面轮廓走向沿测量方向z上下移动，探测臂26或摇杆28因此而围绕摆动轴27摆动。可借助测量值传感器45检测摆动运动并将相应的偏移量s传递给分析单元21。在分析单元21中可由偏移量s计算出表面轮廓的走向。在这里，分析单元21控制着力调节装置35，以便在探测端40和工件表面\n11之间产生一个静态压合力Fstat。只要工件表面11是平的并且与运动方向x平行地伸展，工件表面11和探测端40之间实际产生的测量力Fm就相当于静态压合力Fstat。但是，如果由于工件表面11的表面轮廓而使得探测端40在测量方向z上出现加速，则测量力Fm就会改变。\n[0031] 偏移量s用来在分析单元21中求得与表面轮廓相关的测量力的变化。根据探测端\n40在测量方向z上的偏移方向，测量力Fm相对于由力调节装置35引起的静态压合力Fstat提高或减小。在优选的实施例中，借助偏移量s计算实际的偏移zT。借助偏移zT，特别是通过按照时间t进行的两次求导可以求得探测端40在测量方向z上的加速度aT。加速度aT只由工件表面11的表面轮廓引起。加速度aT与动态力Fdyn成比例关系，该动态力形成描述测量力Fm变化的测量力变化量Fdyn。可借助求得的探测端40的加速度aT和测量装置10的加速的组成部件25、26、37、48的惯性矩或质量计算动态力Fdyn。这时，当前在探测端40和工件表面11之间产生的测量力Fm由静态压合力Fstat与动态力Fdyn之和得到。\n[0032] 在分析单元21中给定测量力值Fm的一个处于下限Fu和上限Fo之间的测量力给定范围。所期望的在探测端40和工件表面11之间的给定测量力Fsoll处于测量力给定范围之内。测量力给定范围或其极限值Fu、Fo可以由操作人员通过操作员接口50给定或更改。\n操作人员可根据将被测量的工件来设定所期望的值。此外，还可以给定或匹配其它的测量参数，例如滑架速度Vx或给定测量力进而还有静态压合力Fstat。\n[0033] 在分析单元21中，在测量期间计算动态力Fdyn，然后据此又计算出当前的测量力值Fm。如果当前的测量力值Fm超过上限Fo，则生成一个测量错误信号。在这种情况下，如果当前的测量力过大，则通过探测头25或探测臂26的弹性应力可能产生测量错误。如果当前的测量力Fm低于下限Fu，分析单元21也可能会产生测量错误信号。在这种情况下，探测端40和工件表面11之间的测量力太小，并且不能保证有可靠的接触。因此测量可能有误。\n通过这种方式，无论是过高的测量力Fm还是探测端脱离于工件表面11都可以被识别出来。\n[0034] 图2举例地示意性地示出一个测量过程，其中该曲线图表示测量力Fm关于时间t或探测端40在运动方向x上的路径的变化。例如，测量滑架15以恒定的滑架速度Vx移动。\n在第一时间点t0，测量力Fm大约相当于所期望的给定力，进而相当于静态压合力Fstat。在第二时间点t1，探测端40抵达工件表面11的下降段11a或缩进段。由于在本示例中采取的滑架速度Vx过高，故探测端40脱离于工件表面11，测量力Fm低于下限Fu并且大约一直下降至0。探测端40通过静态压合力Fstat又压向工件表面11，并且在第三时间点t2又与工件表面接触。当探测端40碰到工件表面11时，测量力Fm陡然提高并且超过上限Fo。如果没有动态力Fdyn，测量力Fm直接在第三时间点t2之后又降至所期望的与静态压合力Fstat匹配的测量力给定值。\n[0035] 如果在分析单元21中求得的测量力Fm脱离测量力给定范围，分析单元21就生成测量错误信号。在第一种变型设计中，测量错误信号可被传递给操作员接口50，相应的测量错误信息由此在那里以光信号、显示屏上的文本信息、声信号或上述信息的任一种组合的形式输出给操作人员。文本信息可以包含给操作人员的如下指示，即存在错误的测量，应利用匹配的测量参数重新进行测量。更改后的参数，例如更改的静态压合力Fstat和/或更改的滑架速度Vx，可以通过分析单元21传递给操作员接口50，用于输出给操作人员，以便可以使操作人员重新进行一次准确无误的测量。\n[0036] 也可以替代地或附加地规定自动的错误校正，其中当出现测量错误时，分析单元\n21自动重新进行一次准确无误的测量。\n[0037] 在优选的实施例中，为了自动校正错误，分析单元21使测量滑架15一直回到最后一次存在偏移量s的正确测量值时的滑架位置。也可以替代地使测量滑架15返回至其初始位置。分析单元21依据所出现的错误，促使减小滑架速度Vx和/或使静态压合力Fstat相匹配。对驱动电动机17或力调节装置35相应地进行控制。参照图2所示的示例，测量滑架15一直返回到在抵达工件表面11上的部分11a之前探测端40所处的位置。然后可以用减小的滑架速度Vx重新进行一次测量，借此避免探测端40脱离于工件表面11。\n[0038] 如果在测量时探测端40没有脱离，反而是出现了过高的测量力Fm，则分析单元21可以自动减小静态压合力Fstat并重新进行一次测量。\n[0039] 如果知道这是一个曾经检测过的表面轮廓，分析单元21可以为将来的测量求得最佳的测量参数，这些测量参数允许准确无误地同时尽可能快地测量表面轮廓。这时，可以选择尽可能大的滑架速度Vx，而不出现超过测量力给定范围的上限Fo或低于下限Fu。因为可以根据已知的表面轮廓11计算动态力Fdyn，因此分析单元21知悉在表面轮廓的每个位置的测量力Fm。可以通过分析单元21来调节静态压合力Fstat以及滑架速度Vx，使得在尽可能短的时间内执行准确无误的测量。\n[0040] 本发明涉及一种用于测量工件表面轮廓的测量装置10和一种相应的方法。测量滑架15在测量期间与工件表面间隔开地直线地沿运动方向x移动，从而使设置于其上的探测头25不会因测量滑架15的移动而加速。探测头25的自由的探测端40以测量力Fm靠触在工件表面11上，并且在测量期间在横向于运动方向x伸展的测量方向z上偏移，从而由于表面轮廓而使得探测端49与路径相关地发生偏移ZT。测量值传感器45检测出描述探测端40在测量方向z上的偏移ZT的偏移量s。在分析单元21中根据偏移量s形成一个说明探测端40与工件表面11之间的测量力Fm的变化的测量力变化量Fdyn。借助测量力变化量Fdyn可以识别出测量错误或测量不准。