CN1174218C - 用坐标测量仪测定物体几何形状的方法和装置 - Google Patents

用坐标测量仪测定物体几何形状的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用一种坐标测量仪来测量物体几何形状的方法和装置。光学***(10)被用于在至少一个检测器(30)上形成至少是光斑或光点的图像，所述光斑或光点的位置取决于物体的几何形状。成像的比例、景深和与物体的距离依靠一个变焦距镜组(18)来调整，所述变焦距镜组的透镜组(20，22)都可以由电动力作用而轴向移动。

Description

用坐标测量仪测定物体几何形状的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种利用具有光学***的坐标测量仪来测量物体几何形状的方法和装置，所述光学***用于测定和在至少一个检测器上形成至少一个其位置取决于几何形状的光斑、光点、对比度变化或边缘等图像，所述检测器的输出信号被用作分析，其中，光学***可用来调整可选择的成像比例和可选择的与相应物体的距离。
背景技术
上述类型的方法和装置是已知的(R.J.Ahlers，W.Rauh：“利用图像处理的坐标测量技术”，出自VDI-Z131(1989)号11，页12-16)。这种已知的坐标测量仪有一个特殊的带有远心光程的光学***。该***还被进一步设计成放大率的变化不会导致物距的任何变化。在这种已知的坐标测量仪中，为高度测量提供了一种自动聚焦装置，它作为零位指示器来工作，并在必要时作出三维的附加机械移动。
一种用于焦距可变的物镜的控制装置也是已知的，其中，一个前透镜组、用于变更焦距的第一滑行元件和用于保持图像位置恒定的第二滑行元件都与轴向移动的驱动***相连接。该控制装置包括一个门电路，不管输入条件如何，所述光学滑行元件在这个门电路的作用下都可以被固定在任何一点(DE26 11 639 C3)。
DE196 39 780 A1公开过一种坐标测量仪，利用它可以对物体结构进行触觉和光学的测量。在此，也可借助照相机来对光学***实施自动聚焦。US5,035,503公开过一种带有变焦距镜组的坐标测量仪，它被用来对经典坐标测量仪的处理错误进行校正。所述透镜组本身并不用于物体的直接测量。
最后，还已知一种带有摄影测量***、柔杆探针和一个连在该柔杆上的探测元件的几何结构测量装置，所述探测元件在测量时被用于与被测量的物体相接触。测量时，将测标(例如：球)安装在所述的柔杆上，而该测标相对于探测参考***的位置由摄影测量***来测定。探测元件的位置则从发光的测标位置来测量(DE297 10 242 U1)。
发明内容
本发明的目的是提供一种适合于大范围应用的方法和装置，以便在大范围里用来测量物体的几何形状，所述装置带有一种光学***，它能利用以低成本并根据几何形状而产生的光来进行测量，并在至少一个检测器上成像，而且还可在一个宽测量范围里得到高分辨率。
根据本发明，提供了一种利用坐标测量仪来测量物体几何形状的方法，所述坐标测量仪含有一个光学***，该光学***用于测量和在至少一个检测器(30)上形成至少一个其位置取决于几何形状的光斑、光点、对比度变化或边缘的图像，所述检测器的输出信号被用作分析，其中，光学***可用来调整可选择的成像比例和可选择的与相应物体的距离，其特征在于：所述光学***包含一个变焦距镜组，其透镜组各自独立地被电动力沿光学***的光轴移动到成像比例和与物体的距离所需的位置上。
在一种尤为适合的实施方案中，根据形貌而定的光是通过一种探测元件产生的，该元件被用于与物体接触、且其位置是通过至少一个测标由光学***直接或间接确定的。此实施方案允许在一种光学方法(即无接触方法)和一种利用机械探测进行工作的光学-机械方法之间作出选择。该选择应根据相应被测几何形状的类型、材料性能、所需的成像比例、所需的景深和所需的测量距离或工作距离来确定。
在利用探测元件而进行的几何形状测量中，光学***的工作距离可由变焦距镜组将物平面或测量平面置于探测元件的中心来作出适当的调整。
在没有探测元件的、即仅是光学的表面形貌测量中，光学***的工作距离可由变焦距镜组将物平面或测量平面置于探测元件的前面来作出优选的调整。这种情况下的探测元件位于光学***的景深之外，而且是不可见的。
也可以选择用变焦距镜组将物平面或测量平面置于探测元件面对物体的那一边。
特别地，探测元件和/或至少一个测标的位置是利用从探测元件反射的光和/或由其遮蔽的光和/或由其发射的光来测量的。
优选地，因与物体接触而导致的探测元件偏转由光学***测出来。这种偏转可由探测元件在检测器上的成像偏移来确定。也可以用一个图像处理***来分析成像的对比度性能，由此确定探测元件的偏转。该偏转还能从至少一个测标成像的大小变化来确定，这种变化依据的是物距和放大率之间的辐射光学关系。此外，探测元件的偏转还可以通过由散焦导致的对比度损失所引起的测标成像大小的外在变化来确定。
本发明还提供了一种利用坐标测量仪来测量物体几何形状的装置，所述坐标测量仪含有一个光学***，该光学***用于测量和在至少一个检测器上形成至少一个其位置取决于几何形状的光斑、光点、对比度变化或边缘的图像，所述检测器的输出信号被用作分析，其中，光学***可用来调整可选择的成像比例和可选择的与相应物体的距离，其特征在于：所述光学***具有一个至少包括两个在电动力下可独立地沿光学***的光轴轴向移动的透镜组的变焦距镜组。
因此，根据本发明，其中的光学***被构造用来对可选择的成像比例和可选择的与相应物体的距离来进行调整，这主要通过下述方式来解决问题，即光学***具有一种变焦距镜组，该镜组至少含有两个独立地由电动力驱动的、在轴方向上可移动的透镜组。利用该透镜组或透镜组件来改变或调整成像比例及/或工作距离及/或景深。
在所述装置的一种优选扩展方案中，设置了探测元件和/或至少一个分配给该探测元件的测标，以便在光学***前面进行光学位置测量。通过装设该探测元件或该至少一个测标，本发明的测量装置可用两种不同的工作模式进行工作。一种工作模式是不接触物体而测量几何形状。在另一种工作模式中，几何形状是利用探测和探测元件偏转来间接地进行光学测量的。在不用探测元件的测量中，调整变焦距镜组或变焦光学***，使得物平面或测量平面位于探测元件面向光学***的那一面的前面，也就是说，探测元件位于光学***的景深之外，是“不可见”的。如果探测元件的偏转被用于测量，那么物平面便借助变焦距镜组被移到探测元件的中心。
所述探测元件被优选地装在一个柔性玻璃纤维探针或导光探针的尾部。该玻璃纤维探针的尾部可设计成球状。也可以给所述玻璃纤维探针装设至少一个测标。光经过导光器输入到探针的尾部或测标，并通过该尾部或测标发射出去。
不过，也可以将探测元件或测标设计成针上或针附近的一个反射器。
探针或玻璃纤维探针被优选地弯曲成L形，其与探测端相邻接的部分被设置为沿着光学***的光轴方向。
通过这两种可能的工作模式，本发明的测量装置的应用范围便扩大了。测量的种类可根据各个物体的表面结构来调整。因此，这种测量装置适用于一些困难的外形，以作为一种广泛应用的粗糙度测试器、形状测试器或波纹测试器。而不管是硬材料还是软材料(比如橡胶或塑料)，其表面结构都可测出来。
在此，为了明确地调整所述探测元件的传感力，柔性的探针或杆可以可移动地装设在一个硬性或基本硬性的导向装置内，所述探针或杆从导向装置伸出一个所需的、探测元件或给该探测元件分配的测标所具有的弯曲长度。
本发明的细节、优点和特征不仅表现在权利要求和权利要求所包含的特征中，而且还表现在下文对附图所示的优选实施例进行的说明之中。
附图说明
附图所示是用于测定物体或目标几何形状的坐标测量仪装置的图示。
具体实施方式
附图中所示的装置包括一个光学***10，而此光学***具有一个放置于光阑12后面的基准物镜14和一个放置于光阑12前面的固定透镜16。变焦距镜组或变焦光学***18形成了基准物镜14前面的附加件。变焦距镜组18包括第一透镜组20(或称第一透镜组件)和第二透镜组22(或称第二透镜组件)。两个透镜组20、22可在电力驱动下相互独立地沿着光学***10的光轴24来调整它们在轴方向上的位置。图中，所示出的可调整性是由与透镜组20相连的马达驱动26和一个与透镜组22相连的马达驱动28来实现的。在基准物镜14后面的、被安排在可沿光轴24移动的光学***10之外的成像平面上有一个特殊的光电检测器30，它将获得从基准物镜14经由偏向镜29而发出的光，而且它的输出端与一个用于准备和处理检测器30输出信号的分析单元32相连。该分析单元32尤其包含有一个计算机。譬如，检测器30可以是一个照相机。
在光学***10的前方一定距离处是一个装在探针36尾端的探测元件34。探针36被弯曲或被扭成L形。在弯曲部分之前的、与探测元件34相连的探针部分是沿着光轴24布置的，而该光轴24也穿过探测元件34。探针36上可以装设至少一个测标，不过图中没有示出来。上述偏向镜29是部分透明的。
探测元件34和/或所述的测标可被设计成一种空间辐射体或反射体，尤其可设计成球体和圆柱体。
探针36至少在其与探测元件34相邻接的部分是柔性的。与光轴24成直角的部分38的尾部被装在一个固定在支持物42上的套筒40里。支持物42可以与一个在五个自由度上运动的驱动机构相连。支持物42和光学***10可彼此相连或形成一个固定的单元。套筒40被设计成硬性或基本为硬性，使得伸出在套筒40之外的所述柔性探针36的自由端有一个确定的可弯曲性，这样，可以预先调整探测元件34所需的传感力。为了预先调整弯曲长度，也即伸在套筒40之外的部分，此处的杆或探针36可被紧紧地装在所述导向装置或套筒40里，或被设计成可以相对于该导向装置40移动。
探针36可优选地设计成导光器或玻璃纤维导光器，其尾部被装在支持物42里，用来接收从光源46经由透镜44而来的光。除了与透光探测元件34相邻接的部分外，导光器的其余部分都由不透光的外罩48包围着。
通过附图所示的装置，可以用两种不同的方法来测量物体的表面，即无接触方法或机械/光学方法。在无接触的光学探测方法中，需要调整变焦距镜组18以便使工作距离50位于探测元件34的前面。在此，透镜组20和22被放在附图中用实线标出的位置。在这种调整下，探测元件34便位于光学***10的景深之外了。这就意味着它是不可见的，而且因此不能成像。通过无接触的探测，譬如有弹性或甚至柔性材料的表面也可被测量。
在机械/光学的方法中，用于与物体表面机械接触的探测元件34的位置被测量出来。在此之前，调整变焦距镜组18，使得物平面或测量平面52位于探测元件34(即所谓的探测球)的中间。由此可测量出探测元件34或图中没有示出的测标的位置。而探针36的变形并不会影响测量。
在传感器轴或照相机轴的垂直方向上的偏转可以通过后接于部分透明偏向镜29之上的、尤其是电子照相机的传感器区域54上的图像偏移来直接确定。安装在坐标测量仪的分析单元32里的图像处理器可以对图像作出分析。由此可以实现二维处理的探测***，且该探测***可以很容易地耦合到一种光学分析单元上。
就光学传感器轴或照相机轴方向上的偏转探测而言，此处包括有如下几种可能：
1.探测元件34在传感器轴24(照相机轴)方向上的偏转可用检测器30测出来，该检测器是一种光学坐标测量技术中在零件表面进行聚焦的已知聚焦***。此处的图像对比度性能可用电子照相机分析出来。
2.探测元件在传感器轴或照相机轴方向上的偏转可通过对测标的成像大小进行分析来测量，譬如分析圆形或环形测标在直径上的变化。该结果取决于辐射光学成像，而且可通过设计光学单元而有目的地得到优化。
3.第三种可能性也是分析测标大小的变化，但是这种变化是由辐射光学的大小变化和边沿失真所导致的外观扩大的共同作用而产生的。与对模糊性能进行分析相比，这种方法利用的是测标的实际大小保持不变。
在用探测元件34测量物体时，所述两个透镜组20和22彼此之间的排列距离要比在光学探测法中要小一些。透镜组20和22相应的位置在附图中是用20’和22’来表示的。
利用上述测量装置，可以改变成像比例、景深和工作距离，或可以适应表面探测的精确度和速度要求。因为所述测量装置也能用于材料属性(比如硬度)的测量，所以它适合于宽范围的应用。

Claims (17)

1.一种利用坐标测量仪来测量物体几何形状的方法，所述坐标测量仪含有一个光学***(10)，该光学***用于测量和在至少一个检测器(30)上形成至少一个其位置取决于几何形状的光斑、光点、对比度变化或边缘的图像，所述检测器的输出信号被用作分析，其中，光学***可用来调整可选择的成像比例和可选择的与相应物体的距离，
其特征在于：
所述光学***(10)包含一个变焦距镜组(18)，其透镜组(20，22)各自独立地被电动力沿光学***(10)的光轴(24)移动到成像比例和与物体的距离所需的位置上。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述光斑、光点、对比度变化或边缘是由被用于与物体接触、且其位置是通过至少一个测标由光学***(10)直接或间接确定的探测元件(34)产生的。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：光学***(10)的工作距离可用变焦距镜组(18)来调整，以便使物平面或测量平面位于探测元件(34)的中心。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：光学***(10)的工作距离可用变焦距镜组(18)来调整，以便使物平面或测量平面位于探测元件(34)的前面。
5.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于：利用光学***(10)测量因与物体接触而导致的探测元件(34)偏转。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：对于各个物体的机械/光学测量，所述光斑、光点、对比度变化或边缘是由被用于与物体接触的探测元件(34)产生的，且该探测元件的位置是在利用变焦距镜组调整光学***的工作距离而使物平面或测量平面与探测元件相交的情况下由光学***通过至少一个测标直接或间接确定的；在对各个物体采取无接触测量的情况下，所述光学***的工作距离由变焦距镜组调整，以便使得物平面或测量平面位于探测元件的外面。
7.一种利用坐标测量仪来测量物体几何形状的装置，所述坐标测量仪含有一个光学***(10)，该光学***用于测量和在至少一个检测器(30)上形成至少一个其位置取决于几何形状的光斑、光点、对比度变化或边缘的图像，所述检测器的输出信号被用作分析，其中，光学***可用来调整可选择的成像比例和可选择的与相应物体的距离，
其特征在于：
所述光学***(10)具有一个至少包括两个在电动力下可独立地沿光学***(10)的光轴(24)轴向移动的透镜组(20，22)的变焦距镜组(18)。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于：在光学***(10)前面装设探测元件(34)和/或至少一个分配给该探测元件的测标，用以对光点或光斑实施光学位置测量。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：所述物平面或测量平面由变焦距镜组(18)空间地调整在探测元件(34)的面向物体的那一面上。
10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：所述物平面或测量平面由变焦距镜组(18)空间地调整在探测元件(34)面向光学***(10)的那一面的前面。
11.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：所述物平面或测量平面由变焦距镜组(18)调整为穿过探测元件(34)。
12.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：探测元件(34)被装在导光探针(36)的尾部。
13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于：导光探针(36)的尾部有一个透光的球形探测元件(34)。
14.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：探测元件(34)或至少一个分配给该探测元件的测标被设计成一个与探针或杆(36)相连的反射器。
15.根据权利要求14所述的装置，其特征在于：探针或杆(36)除了包含探测元件(34)和/或分配给该探测元件的测标的一段柔性长度外，其余均可在一个硬性的导向装置内运动。
16.根据权利要求15所述的装置，其特征在于：所述探针或杆被弯曲成L形；而且所述探针与探测元件(34)相邻接的部分沿着光学***(10)的光轴(24)运动。
17.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：在光学***(10)前面装设探测元件(34)和/或至少一个分配给该探测元件的测标，用以对光点或光斑实施光学位置测量；而且所述物平面或测量平面在第一工作模式下被变焦距镜组(18)空间地调整在探测元件(34)面向相应物体的那一面上，而在第二工作模式下则被空间地调整在探测元件(34)面向光学***(10)的那一面的前面。
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