坐标测量方法及包括光学传感器的用于测量表面的坐标测量仪.pdf

本发明涉及一种用于通过坐标测量仪来检测物体表面(2)的坐标测量方法，坐标测量仪包括用于容纳传感器的测量头、用于产生测量头关于物体表面沿着至少一个方向的相对运动的引导单元、用于检测物体表面(2)的光学传感器、以及控制单元，在坐标测量方法期间，物体表面(2)由光学传感器光学地检测，并且产生代表在物体轮廓域中的表面轮廓的数据集。通过模拟由该数据集代表的表面轮廓与虚拟触觉传感器(8)的接触对该数据集滤波，并且从所模拟的接触导出触觉数据集使得该触觉数据集代表在虚拟传感器域中的虚拟触觉表面轮廓(8b)。此外，从触觉数据集导出表面坐标。

权利要求书
1.  一种用于通过坐标测量仪(1)来检测物体(12)的物体表面(2)的坐标测量方法，所述坐标测量仪(1)包括：
·测量头(6)，其具有用于检测该物体表面(2)的光学传感器(42)，
·引导件(22，28)，其用于提供所述测量头(6)沿着至少一个方向特别是沿着两个方向关于所述物体(12)的相对运动，以及
·控制单元(11)，
其中在所述坐标测量方法的环境中，由所述坐标测量仪(1)的光学传感器(42)光学地检测所述物体表面(2)并且在该过程中产生代表表面轮廓的数据集(5a’)，
其特征在于
·通过如下对所述数据集(5a’)滤波：
□模拟由所述数据集(5a’)代表的表面轮廓与虚拟触觉传感器(8)的接触，以及
□从所模拟的接触导出触觉数据集使得所述触觉数据集代表虚拟触觉表面轮廓(8b)；以及
·从所述触觉数据集导出针对所述物体表面(2)的表面坐标(5V)。

2.  根据权利要求1所述的坐标测量方法，
其特征在于
所述虚拟触觉传感器(8)实现成盘状形式，特别是实现成圆盘，或其特征在于，所述虚拟触觉传感器(8)实现成椭圆体形方式，特别是实现成整球或半球。

3.  根据权利要求1或2所述的坐标测量方法，
其特征在于
所述虚拟触觉传感器(8)实现成具有限定球半径(r)的球(8)，特别地其中所述球半径(r)根据要提供的表面平滑度来设置。

4.  根据权利要求1至3中任一项所述的坐标测量方法，
其特征在于
所模拟的接触涉及利用所述虚拟触觉传感器(8)模拟所产生的表面轮廓的连续接续扫描并且从其连续地导出所述触觉数据集，特别是所述触觉表面轮廓(8b)，特 别地其中逐行偏移地实施该扫描。

5.  根据权利要求1至3中任一项所述的坐标测量方法，
其特征在于
所模拟的接触涉及以能够根据预定横向分辨率多维地从其导出所述触觉数据集的方式虚拟地实施由所述数据集(5a’)代表的所述表面轮廓的多维探测。

6.  根据权利要求5所述的坐标测量方法，
其特征在于
对所述物体表面(2)的虚拟探测的步骤与所检测的物体表面(2)的面积有关地同步实施。

7.  根据权利要求1至6中任一项所述的坐标测量方法，
其特征在于
以使得所产生的表面轮廓至少部分地关于存在于所述表面轮廓中的高度分布而被平均特别是被平滑的方式来实施预滤波(VF)。

8.  根据权利要求1至7中任一项所述的坐标测量方法，
其特征在于
考虑定义所述虚拟触觉传感器(8)的形状和/或空间范围的参数，特别是考虑所述球半径(r)，实施从所述触觉数据集，特别是从所述触觉表面轮廓(8b)导出所述表面坐标(5V)，使得重构的物体表面(5V)被导出。

9.  根据权利要求1至8中任一项所述的坐标测量方法，
其特征在于
实施模拟所述接触和导出所述触觉数据集，并且所述触觉表面轮廓(8b)因此代表所述物体表面(2)好像所述物体表面(2)是由真实触觉传感器检测的。

10.  根据权利要求1至9中任一项所述的坐标测量方法，
其特征在于
所述数据集(5a’)在物体表面域中代表表面轮廓，并且所述触觉数据集在虚拟传感器域中代表虚拟触觉表面轮廓(8b)。

11.  一种用于检测物体(12)的物体表面(2)的坐标测量仪，该坐标测量仪包括：
·基座(3)，
·具有用于检测该物体表面(2)的光学传感器(42)的测量头(6)，
·用于提供所述测量头(6)沿着至少一个方向特别是沿两个方向关于该基座(3)相对运动的引导件(22，28)，
·控制和处理单元(11)，以及
·扫描功能体，在实施该功能体时，以由该控制和处理单元(11)控制的方式，由所述光学传感器(42)的光学扫描检测所述物体表面(2)，并且在该过程中产生代表表面轮廓的数据集(5a’)，
其特征在于
·所述坐标测量仪(1)具有滤波器功能体(TV)，在实施该功能体时，以通过算法由所述控制和处理单元(11)控制的方式，通过以下对所述数据集(5a’)滤波：
□模拟由所述数据集(5a’)代表的表面轮廓与虚拟触觉传感器(8)的接触，以及
□从所模拟的接触导出触觉数据集以使得所述触觉数据集代表虚拟触觉表面轮廓(8b)；以及
·能够从所述触觉数据集导出针对所述物体表面(2)的表面坐标(5V)。

12.  根据权利要求11所述的坐标测量仪(1)，
其特征在于
所述控制和处理单元(11)以能够实施如在权利要求1至9中任一项所述的坐标测量方法的方式来构造，特别地其中以由所述控制和处理单元(11)控制的方式实施所述滤波。

13.  根据权利要求11或12所述的坐标测量仪(1)，
其特征在于
所述坐标测量仪(1)的引导件(22，28)实现成直线引导件，该直线引导件具有引导元件特别是导轨并且具有驱动元件特别是滑动件，特别地其中所述驱动元件能够以沿着该引导元件的限定方式以机动方式运动。

14.  根据权利要求11至13中任一项所述的坐标测量仪(1)，
其特征在于
所述坐标测量仪(1)具有承载所述测量头的框架结构(14)，其中所述框架结构 (14)特别是借助于所述直线引导件而能够沿着水平方向(X，Y)和竖直方向(Z)相对于所述基座(3)运动。

15.  根据权利要求14所述的坐标测量仪(1)，
其特征在于
所述框架结构(14)具有至少一个第一框架元件(16，18)和一个第二框架元件(20)以及竖杆(24)，特别地其中所述至少一个第一框架元件(16，18)借助于所述引导件(22，28)能够相对于所述基座(3)运动。

16.  根据权利要求11至15中任一项所述的坐标测量仪(1)，
其特征在于
所述数据集(5a’)在物体表面域中代表表面轮廓，并且所述触觉数据集在虚拟传感器域中代表虚拟触觉表面轮廓(8b)。

17.  一种计算机程序产品，该计算机程序产品存储在机器可读载体中，用于特别是如果在根据权利要求11至16中任一项所述的坐标测量仪(1)的控制和处理单元(11)上执行所述计算机程序产品时，实施如在权利要求1至10中任一项所述的坐标测量方法的对所述数据集(5a’)的滤波。

说明书坐标测量方法及包括光学传感器的用于测量表面的坐标测量仪
本发明涉及根据权利要求1前序部分的用于借助于坐标测量仪检测物体的物体表面的坐标测量方法，并且涉及根据权利要求11前序部分的用于检测物体的物体表面的坐标测量仪，并且涉及根据权利要求17的前序部分的计算机程序产品。
在许多技术应用领域中，需要高精度地测量物体的表面并且因此测量物体自身。这特别应用于制造工业，因为工件表面的测量和检查是非常重要的，特别是还为了质量控制的目的。
坐标测量仪通常使用于这些应用，并且所述坐标测量仪能够实现物体表面的几何尺寸的精确测量，通常具有微米级精度。要测量的物体可以是例如发动机组、变速器和工具。已知的坐标测量仪通过产生机械接触并且扫描表面来测量该表面。其中的示例是如在DE 43 25 337或DE 43 25 347中描述的台架(gantry)测量仪。不同的系统是基于铰接臂的使用，它布置在多个部分的端部处的测量传感器可以沿着表面运动。一般的铰接臂例如在US 5,402,582或EP 1 474 650中描述。
在现有技术中，触觉传感器作为标准测量传感器与坐标测量仪一起使用，该触觉传感器由安装在测量杆上的例如红宝石球组成。在坐标测量仪设计用于三维测量的情况下，触觉传感器沿着三个互相垂直方向X、Y和Z的偏移在扫描期间通过开关元件或距离测量元件确定。基于开关点或偏移距离，计算接触位置并且因此计算表面坐标。
为了由测量数据重构表面轮廓，需要考虑在与物体表面接触时传感器自身的机械尺寸和其朝向。传感器实施有已知几何形状的测量尖端，通常对于具体应用是球形或椭球体的，通常具有几毫米大小级别的(主)半径。与本发明相关联，术语“测量尖端”应该大体上理解为任何期望形状和范围的(触觉)测量传感器，其中该传感器不需要(但是可以)具有锥体形状。通过利用触觉传感器的坐标测量仪测量到的原始数据代表测量尖端的基准点例如测量尖端的中心的已测量空间坐标，并且在下文中被指定为相对于“球中心域”。通过将在与物体表面接触时测量尖端的形状和其朝向考虑在内的变换算法，通常将所测量的坐标从球中心域转换到由计算机确定的物体表面轮廓(“物体轮廓域”)。
然而由于触觉传感器的测量尖端的实际尺寸，测量分辨率受到限制。测量尖端的物理尺寸或与其相关联的有限的测量分辨率在粗糙表面的测量期间导致“平滑效应”：虽然可以几乎完美地或忠于物体地测量物体表面的凸起部或峰部，但是由于触觉传感器的物理范围，触觉传感器的测量尖端不能穿透进入物体表面的狭窄的凹部。这样由于凹陷表面区域的测量数据被平滑，导致已测量表面轮廓以非线性方式平滑，而凸起表面区域的测量数据是几乎忠于物体的。对于技术工程方面，这是甚至经常是有利的，因为，特别是对于两个物体的表面的平面连接，精确知晓其凸起区域通常比精确确定狭窄凹陷表面区域更重要。
另一方面，触觉测量的分辨率，特别是对于从上述提及的方法固有局限性的表面凹部的较精确测量，对于许多新的应用不再充分。
因此，在现有技术中，与此同时已经寻求用于无接触测量的方法，特别是通过光学传感器。通过具有发射测量光束(特别是来自激光器)的光学传感器，甚至可以非常精确地测量表面凹部，只要与触觉传感器的测量尖端相比，测量光束在物体表面上的焦点不大于其凹部结构。对于表面轮廓、特别是其凹部的精确的测量，光学测量方法的分辨率因而可以显著高于触觉测量方法的分辨率。因而，通过光学传感器产生的轮廓不同于通过触觉传感器产生的同一物体表面的轮廓。然而，甚至以与通过触觉传感器产生的表面轮廓相同的方式通过光学传感器产生的轮廓由实际物体表面的经基于“测量尖端”的物理尺寸的分辨率滤波的镜像组成，其中光学“测量尖端”的尺寸与触觉传感器的测量尖端相比，可以认为是向零收敛或可忽略。因此，用于坐标测量仪的光学传感器和测量方法原则上适合于提供表面轮廓的实际忠于物体的测量。
与此同时被引入到利用坐标测量仪的计量法的光学传感器例如是基于照射到物体表面激光的用于干涉测量(EP 2 037 214)。已经提出了基于白光干涉测量的方法(DE 10 2005 061 464)和彩色共焦方法(FR 273 8343)。
用于坐标测量仪的光学传感器和测量方法与一系列优点相关联：测量无接触地实施，并且光学传感器可以比触觉传感器快地在物体表面上引导其中“测量尖端”的物理尺寸较小，结果能够实现测量的较高的横向分辨率。
然而，不仅通过触觉传感器产生的表面轮廓，而且通过光学传感器产生的表面轮廓也总是包括不来源于所测量表面而相反是由测量方法导致的特征。例如，DE 197 35 975公开了在确定表面高度时由于使用的坐标测量仪的振动导致的测量误差和用于 抑制这些效应的测量方法。
光学传感器的测量结果，特别是对于干涉测量方法，通常受到相位噪声或散斑效应的不利影响。依赖于物体表面的粗糙度，例如，从表面反射的光的相位会以使得所测量的到物体点的距离不正确的方式被改变。作为该局部光学扰动影响的后果，通过光学传感器测量到的表面轮廓通常具有测量误差，诸如，例如，虚拟的单个峰部或凹部，然而该峰部或凹部不存在于物体表面中。
为了从测量结果去除这些不正确的测量数据，通常通过用于对原始数据滤波的合适算法实施对测量结果的后处理。极其简单的数据滤波是基于测量结果的“移动平均”，其涉及，从第一测量值开始，将预定数量的横向顺序记录测量值的测量值与第一测量值平均，并且将所确定的平均值分配给对所测量物体上的相关测量位置分配的测量中心点，其中然后对物体上的所有测量位置渐进地继续该平均方法。其它已知滤波技术是基于三角形或多项式内核滤波器或基于在频域中的特别定义的变换函数。
因为通过触觉传感器或光学传感器的测量遭受不同扰动影响，所以滤波算法必须适应于相应类型的传感器。
用于处理触觉测量结果的滤波器通常具有较小的强度效果，因为触觉传感器的测量尖端的物理尺寸已经导致平滑效应。当滤波器应用到球中心域中的测量数据时，其中经测量尖端平滑的测量数据(与实际表面轮廓相比)已经存在，对于逆变换到物体轮廓域的已滤波数据仅发生小的信息损失。尤其是表面的临界凸起部或峰部高度的测量值几乎不受到在球中心域中的数据滤波的影响。
用于处理光学传感器的测量数据的滤波器特别地用于消除由光学噪声和散斑效应导致的测量误差，并且通常具有较大的强度效果。例如，首先通过特别是用于消除散斑效应的窄方波滤波器实施预滤波。当选择滤器宽度时，通常考虑由光学传感器发射在物体表面上的测量光束所产生的光斑的直径和测量光束在物体表面上的扫描运动带来的测量数据的“模糊”。在第二处理步骤中，然后通常通过三角形滤波器内核实施附加滤波。尤其是当使用相对较宽的三角形滤波器内核时，可以截去非常窄和点状凸起部的最大高度。另一方面，当使用相对窄的滤波器时，与技术应用不相关的表面粗糙度的光学噪声和/或效应不被适当地抑制。
因为光学传感器直接在物体轮廓域中提供测量值，因此在没有逆变换的情况下在早在物体轮廓域中的滤波期间，数据减少，其会导致包括不仅人工的而且实际的表面 特征在内的信息的损失。
进一步地，关于现有技术的缺点在于，用于处理坐标测量仪的光学传感器的测量数据的已知方法通常导致关于物体表面的显著结构细节特别是较窄凸起部的信息的损失。
由本发明解决的一个问题是，提供一种改进的坐标测量方法和一种包括光学传感器的改进的坐标测量仪，其中通过光学传感器检测的测量数据可以至少间接地利用提供给触觉测量数据的处理功能体来进一步处理。
由本发明解决的另一个问题是，提供一种改进的坐标测量方法和一种改进的坐标测量仪，从而使得能够通过光学传感器更忠于物体地产生物体的表面轮廓，并且提供与来自相同表面的触觉表面测量的测量数据的可比较性。在这种情况下，解决的一个特别问题是避免关于较窄表面峰部的信息的损失。
这些问题通过独立权利要求的描绘特征的实现来解决。可以从从属专利权利要求收集以替代或有利的方式扩展本发明的特征。
本发明涉及一种用于通过坐标测量仪检测物体的物体表面的坐标测量方法，该坐标测量仪包括测量头，其具有用于检测物体表面的光学传感器，以及引导件，其用于提供测量头沿着至少一个方向特别是沿着两个方向相对于物体的相对运动。在这种情况下，该引导件应该总体上理解为用于提供测量头相对于物体或相对于坐标测量仪的基座的限定相对运动的部件，所述基座限定了绝对基准。就此而言，引导件可以例如实现成具有导轨和滑动件的直线引导件或实现成具有至少两个可相对于彼此枢转和/或旋转的连结元件、特别是铰接臂的可旋转连结引导件。
并且，该坐标测量仪具有控制单元，其中在该坐标测量方法的环境中，由坐标测量仪的光学传感器光学地检测物体表面，并且在该过程中产生代表表面轮廓的数据集。
本发明涉及通过模拟由该数据集代表的表面轮廓与虚拟触觉传感器的接触，并且从该模拟接触导出触觉数据集使得触觉数据集代表虚拟触觉表面轮廓来对数据集滤波。此外，从触觉数据集导出针对物体表面的表面坐标。
结果，首先，可以消除由于使用与技术应用不相关的光学传感器和表面粗糙度数据导致的光学噪声的效应。该优化可以使用于实际的技术领域以将基于来自原始数据的光学测量值的测量轮廓转化到因此产生的轮廓可以与相同表面的触觉测量相比较 的状态。作为从表面的虚拟触觉接触导出触觉表面轮廓的结果，以与在通过实际触觉传感器进行测量之后相同的方式保持了表面的较小凸起部的特性。
例如，激光扫描仪、线投射扫描仪、基于干涉的光学测量系统、白光干涉仪或通过焦点变化操作的测量装置可以使用为在本发明环境中的光学传感器。
因为光学传感器可以被认为是具有传感器半径趋于“零”的接触传感器元件的触觉传感器，所以通过该光学传感器进行的测量结果在物体轮廓域直接产生，并且因此，不需要针对例如后续表面重构的进一步变换或滤波。相反，以触觉方式检测的表面数据为了进一步处理必须从它们在其中被检测的球中心域转换到物体轮廓域。换句话说，直接映射物体表面而产生的数据被认为是在物体轮廓域中产生的数据。虽然它们是在表面的检测期间产生的，但是仅间接代表物体表面的数据被理解为在球中心域中产生的数据。这些球中心域数据需要进一步变换使得物体表面被直接映射，为了该目的必须结合考虑例如使用于检测的传感器的属性(例如测量尖端的形状和尺寸)。
触觉数据集被理解为是例如从借助于通过光学传感器进行的光学检测原始产生的数据集导出的数据集，其中，为了该导出，通过模型化的触觉测量仪器实施滤波。该触觉数据是通过数据从一个域到另一个(检测)域的滤波和转换而产生，特别是根据为了转换而实施模拟表面与虚拟触觉传感器接触的事实。
因为在滤波期间通过与虚拟触觉传感器虚拟接触而产生的触觉数据集接着间接地代表表面或表面的轮廓(虚拟触觉传感器具有特定虚拟模型化形状和虚拟模型化范围，其在各种情况下影响从其导出的数据)，所以虚拟传感器域应该被考虑(分层次地)相当于球中心域。
换句话说，本发明涉及一种用于由坐标测量仪的光学传感器检测的测量数据的后处理方法或算法。通过光学传感器，测量物体表面并且从而该表面被映射到物体轮廓域中。这些产生的轮廓数据的后处理随后包括实施模拟存在于物体轮廓域中的表面轮廓的接触。为此目的，对虚拟触觉传感器建模，并且使后者与表面虚拟接触。该模拟接触可以被例如一维地，即，接触一个(坐标)测量点，或多维地，即，接触线或面的多个点而实施。在存在该接触期间，检测和计算所模拟传感器的基准点(例如，实现成虚拟传感器的圆盘或球的中心点)。然后可以关于通过光学传感器检测的全部数据实施该接触，以由在该过程中产生的多个基准点映射光学检测的表面的表面点。该基准点或多个这些点然后代表触觉数据集。因此已经通过从其导出变换了表面轮廓 (触觉表面轮廓)，该表面轮廓代表由虚拟触觉传感器滤波的原始检测表面。通过该滤波，可以从触觉数据集导出物体表面的表面坐标，即每个基准点和/或插入点的坐标。
关于虚拟触觉传感器的实现方式，后者可以根据本发明特别以椭圆体方式实施，特别实现成整球或半球。此外，就此而言，可以实施另选的虚拟实现方式，其能够实现表面的有利的形态映射。
在沿着线扫描的情况下，因此在这种情况下仅存在2D数据，虚拟传感器的横向范围可以被认为是零或趋向于零。对应于圆盘的该形状考虑了不存在垂直于扫描线的测量数据。在从球或盘中心域到物体轮廓域的变换中，仅考虑了沿着扫描方向的传感器形状。
特别地，当存在3D数据时，虚拟触觉传感器可以实现成具有限定球半径的球，特别是其中球半径根据要提供的表面平滑度来设置。在这种情况下，虚拟触觉传感器可以特别地实现成具有限定尖端半径的测量尖端，其中尖端半径可以根据要提供的表面的平滑度来设置。
在滤波的环境中，因此可以产生特别是接近于利用一般触觉传感器(例如，具有作为接触元件的红宝石球的感测探针)的该测量结果的测量结果，或可与之比较。这样使得用户能够毫无困难地将基于光学传感器的测量结果与基于触觉传感器的测量结果比较。可以利用更弱作用或设置的数据滤波器实施光学测量数据的附加滤波，或如果适当则可以省略。通过增大虚拟触觉传感器的尖端半径，可以连续或逐渐地产生从表面粗糙度的表现过渡到相关表面形态的表现。可以从例如ISO标准4287：1998和11562：1998收集具有触觉传感器的测量尖端的半径，其为了此目的可以实现成用于确定表面粗糙度、波动或形态。设置虚拟触觉传感器的尖端半径使得能够通过本处理方法以表面结构的期望分辩率设置该平滑，据此意味着甚至能够比利用滤波坐标测量仪的光学传感器的数据的常规方法实现更好的噪声抑制，特别是由表面粗糙度导致的数据噪声的抑制。
并且，可以实施(虚拟触觉)测量尖端的成型使得通过相应算法产生的数据尽可能地对应于利用传统触觉传感器的测量结果。
根据本发明，模拟接触可以涉及利用虚拟触觉传感器模拟(在物体轮廓域中)所产生表面轮廓的连续顺序扫描，并且从其连续导出触觉数据集，特别是触觉表面轮廓， 特别是其中利用逐行偏移实施该扫描。
并且，根据本发明，所述模拟接触包括以可以根据预定横向分辨率从其多维地导出触觉数据集，特别是其中可以关于所检测物体表面的面积同步实施物体表面的虚拟探测的方式虚拟实施由数据集代表的表面轮廓的多维探测。换句话说，可以以它的整体同步地虚拟探测物体表面并且可以在一个步骤(与连续导出相反)中从其导出触觉数据集。
特别是在沿着线扫描的情况下，允许例如来自CAD模型的关于物体表面轮廓的先验信息影响触觉数据集的计算会是有利的。因此，在虚拟触觉传感器的情况下，也可以结合考虑位于扫描线侧面的表面特征，其带来触觉传感器的“提升”。虚拟数据集从而与单纯触觉数据集相比变得更好。在从球中心域到物体轮廓域的变换中，同样考虑该先验信息。
关于所模拟接触、要执行的相应测量任务、或根据所检测的光学测量数据的前述另选，可以实施特定方法。例如，可以依赖于相应滤波的时间要求和/或精度要求来选择接触方法。此外该方法可以被连续或特别是同步地执行-例如与因此产生的触觉数据相比。
根据依据本发明的另一个实施方式，以以方式实施预滤波，即至少局部关于存在于表面轮廓中的高度分布来平均、特别是平滑由光学检测产生的表面轮廓。
结果，例如，可以避免或减少光学噪声或散斑效应的影响，其中例如可以使用滤波器来对物体表面的预定数量的顺序横向连续测量值取平均，如在导言中介绍。在这种情况下，滤波器可以设置为用于对在所测量物体表面上彼此相对靠近布置的测量点的测量值取平均。
在所产生的光学表面轮廓转换成(虚拟)触觉表面轮廓之前，也可以使用原始测量数据的预滤波来减少数据的数量并且因此用于减少相关处理时间。例如，如之前所描述，为此目的可以使用用于平均邻近物体横向布置的测量点的测量值的简单滤波器。
更具体地，根据本发明，可以将定义虚拟触觉传感器的形状和/或空间范围的参数、特别是结合考虑球半径考虑在内，来实施从触觉数据集、特别是从触觉表面轮廓导出表面坐标，以可以导出重建的物体表面。
具体地，根据本发明，实施模拟所述接触并且导出触觉数据集，并且触觉表面轮 廓因此代表物体表面，虽然后者曾经是通过真实触觉传感器检测的。在滤波之后，所产生的触觉数据集因而存在，就好像表面已被触觉传感器扫描，并且触觉数据以触觉方式映射所检测的表面。
本发明附加地涉及一种用于检测物体的物体表面的坐标测量仪，该坐标测量仪包括基座，具有用于检测物体表面的光学传感器的测量头，用于提供测量头沿着至少一个方向特别是两个方向相对于基座的相对运动的引导件，以及控制和处理单元。附加地，坐标测量仪具有扫描功能体，在该功能体被实现时，以由控制和处理单元控制的方式，通过光学传感器借助于光学扫描检测物体表面，并且在该过程中产生代表表面轮廓的数据集。
根据本发明，坐标测量仪进一步具有滤波器功能体，在该功能体被实现时，借助于算法以由控制和处理单元控制的方式，数据集通过如下被滤波：通过由数据集代表的表面轮廓与虚拟触觉传感器的接触，以及从所模拟的接触导出触觉数据集使得该触觉数据集代表虚拟触觉表面轮廓。另外，能够从触觉数据集导出针对物体表面的表面坐标。
此外，以这样的方式配置控制和处理单元，可以实施根据本发明的前述坐标测量方法，特别地其中以由控制和处理单元控制的方式实施所述滤波。
并且，根据本发明，坐标测量仪的引导件可以实现成具有引导元件特别是导轨并且具有驱动元件特别是滑动件的直线引导件，特别地其中该驱动元件能够以沿着引导元件的限定方式以机动方式运动。
具体地，坐标测量仪可以具有承载测量头的框架结构，其中该框架结构可沿着水平方向和竖直方向特别是通过直线引导件相对于基座运动。
在这种情况下，框架结构可以具有至少一个第一框架元件和一个第二框架元件以及竖杆，特别地其中至少一个第一框架元件可借助于引导件相对于基座运动。
在物体表面的光学扫描期间产生或可以产生的数据集代表在物体表面域中的表面轮廓。此外，从由数据集代表的表面轮廓与虚拟触觉传感器的接触导出或可以导出的触觉数据集代表在虚拟传感器域中的虚拟触觉表面轮廓。
本发明此外涉及一种计算机程序产品，其存储在机器可读载体中，用于特别是如果该计算机程序产品在根据本发明的坐标测量仪的控制和处理单元上执行时，实施根据本发明的坐标测量仪的数据集的滤波。
下面在附图中示意性图示的特定示例性实施例的基础上，单纯例如，更详细地描述了根据本发明的方法和根据本发明的装置，还讨论了本发明的进一步优点。具体在附图中：
图1示出例如，以台架坐标测量仪实现的坐标测量仪；
图2a-图2b示出通过触觉传感器扫描表面的例示图以及通过触觉传感器产生的测量数据；
图3a-图3b示出关于图2a和图2b的示意性放大节选图；
图4a-图4b示出具有用于坐标测量仪的光学传感器的测量头的示例性示意图；
图5a-图5b示出用于例示用于处理具有触觉传感器或具有光学传感器的坐标测量仪的测量数据的已知方法的框图；
图6示出根据本发明用于产生通过光学传感器测量的表面的数据的方法的例示图，该数据更好地适合于实际技术应用；
图7a-图7c示出用于在各个实施例中例示根据本发明的方法的框图；以及
图8a-图8b示出用于代表通过相应利用线传感器以及利用面传感器实施的光学传感器进行物体表面扫描的示意性例示图。
图1示出坐标测量仪1，例如实现成台架坐标测量仪1。
坐标测量仪1具有基座3，在该基座3上设置可沿着纵向方向(Y方向)运动的台架14。台架14具有两个台架支承件16、18，桥20，以及杆或Z柱24，其中台架支承件16、18在它们的上端部处经由桥20互相连接。
在桥20上设置有滑动件22，该滑动件可沿着桥20，即沿着联接两个台架支承件16、18的空间方向(X方向)运动。杆或Z柱24可沿着第三空间方向(Z方向)运动并且被引导在滑动件22的容纳部中。为了该沿着Z方向的运动，Z柱24在作为滑动件22的部件的轴承中被引导。具体地，三个空间方向X、Y和Z互相垂直地对准，即使这不是本发明的必要条件。
坐标测量仪1用来确定在物体12上的一个或多个测量点，并且因此具有三个直线引导机构，用于使得在Z柱的下自由端部处朝向基座3设置在Z柱上的测量头6能够相对于基座3沿着三个空间方向X、Y和Z运动。
每个直线引导机构具有所分配的引导件(相应沿着X、Y和Z方向)。并且，每个直线引导机构具有用于沿着所分配引导方向确定位置的所分配的测量元件，例如用 于相应沿着X、Y和Z方向确定位置的测量标尺30X、30Y和30Z。
测量头6设置有用于传感器的容纳部。例如，在该例示图中测量头6设置有触针。一般地，测量头6可以设计来容纳与要测量的物体表面建立机械接触的触觉传感器，或无接触测量传感器，诸如，例如电容、电感或光学传感器。
本发明不限于如图1所例示的台架坐标测量仪。相反，能够实现通过光学传感器进行物体表面测量的任何已知类型的坐标测量仪都适合于本发明。
在根据图1的示例中，每种情况下台架支承件16、18安装在可沿着基座3的Y方向移动的引导件28上。
坐标测量仪1附加地具有控制和处理单元11，其包括处理器34和多个数据载体36、38。特别地，通过控制和处理单元11，驱动坐标测量仪1的驱动器并且存储和处理测量数据。控制和处理单元11优选地设计为实现物体表面的完全自动测量。
然而，为了直接的用户干预或直接的用户控制，控制和处理单元11也可以连接到用户控制台32，特别是无线地，例如经由射频。
图2a和图2b以及在图3a和图3b关于它们的示意性放大节选图例示了通过触觉传感器7扫描表面2(物理表面)，触觉传感器7在该本示例性示例中具有带有半径为7r的圆盘形或球形测量尖端7a。表面2具有不规则结构，具有凸起部10和凹部9的特征尺寸，其特别是关于它们平行于表面2的范围在凸起部最大值和凹部最小值方面小于测量尖端7a的直径。因此，通过触觉传感器确定的轮廓4a不同于表面2的实际数据轮廓，并且在物体轮廓域中的表面轮廓数据4b代表实际表面2的已平滑映射，该表面轮廓数据是通过在图2b中的向下指向箭头指示的重构从轮廓4a产生的。
该平滑是非线性的，如通过关于图2a和图2b的示意性放大节选图在图3a和图3b中所例示。图3a示出了表面2，其具有凹部9和凸起部10以及基本上平坦或平滑的中间表面段，其中表面2被触觉传感器7扫描，触觉传感器7的圆盘形或球形测量尖端7a具有半径7r。测量尖端7a可以以基本上可自由进入的方式跟随凸起部10和其侧面。然而，相反，测量尖端7a不能穿透进入或仅可以轻微穿透进入较窄凹部9，特别是不能穿透进入其中最深的点(局部最小值)。
结果，从通常与球中心域关联的轮廓4a产生根据图3b的在物体轮廓域中的重构的非线性平滑轮廓4b：重构表面4b的重构凸起部10’和平滑段代表实际表面2的基本上原始忠实图像。相反，图3b示出表面2的实际上更加明显的凹部9的仅大大平 滑的例示图9’。
图4a表示具有用于坐标测量仪的光学传感器42的测量头6的示例性示意图。光学传感器42在测量头6的臂元件40的端部处固定到容纳部43。在操作状态下，光学传感器42通过作为引导装置的容纳部43上的臂元件40和接头41以扫描方式以限定方式在要测量的物体表面2上被引导，其中能够实现沿着至少一个或两个方向相对于物体表面的相对运动。根据该示例，附加地能够实现与臂元件40关联的接头41的旋转。作为与臂元件40和接续接头41相关联的可旋转性的结果，光学传感器42可以容易地跟随有角的或可较大改变的表面层。然而，原则上，甚至进一步的旋转或平移自由度可以集成到引导装置中以能够实现光学传感器42的进一步改进引导。
光学传感器42具有至少一个用于激光光束或测量光束MS的侧面发射和接收光束路径。在该实施方式中，光束路径在光学传感器42的朝向表面端部处被引导通过细管44，其中，根据该示例，辐射检测器或用于前进到集成在其它位置的辐射检测器的其它光学波导可以设置在光学传感器42的邻近该管44的较厚部分中。可选地提供管状区段44，并且具体地，如果意在测量主要平坦区域或无孔的或较小的表面结构时，这不是必要的。光学传感器42可以由引导装置控制以遵循激光光束基本上垂直冲击在表面上的情况，特别是关于表面法线偏差不超过+/-5°。在这种情况下，可以移动光学传感器42以它利用相对于表面正切恒定对准、特别是利用垂直朝向表面正切的发射和接收光束路径来连续运动。
在根据图4a的示例中，管状部件44实现成可沿着纵向轴线并且因此与接头41关联地旋转，如箭头所示。通过这样的方式，测量光束MS，特别是如果它相对于旋转轴线成一定角度时也可以执行圆形扫描运动。另一个可选方案是十字形扫描方法(这里未示出)。该扫描运动还可以特别用于快速粗糙运动并且因此用于估计在要测量的表面区域中的表面法线的位置。
图4b示出根据图4a的实施方式用于实现局部精细测量的修改例。在这种情况下，测量光束MS不是以准直方式而是以聚焦方式发射在用于解析精细构造表面2的附近区域中，如在放大节选图中所示。并且根据图4b的实施方式没有接头。
在框图的基础上，在图5a中示出用于利用触觉传感器处理坐标测量仪的测量数据的已知方法，并且在图5b中基于框图示出用于利用光学传感器处理坐标测量仪的测量数据的已知方法。
根据图5，首先通过触觉传感器检测或测量表面2，并且在该过程中产生测量数据4a’。为了处理，代表与球中心域相关的该测量数据随后典型地用于进一步处理。数据4a’通过在球中心域中的滤波FS处理。在此之后然后是TP变换到物体轮廓域，从而产生在物体轮廓域中的重构表面轮廓4b。
使用来处理触觉测量结果的滤波FS对从测量数据4a’重构的表面轮廓4b通常仅具有小的影响，因为触觉传感器的测量尖端的物理尺寸已经导致平滑效应。当滤波FS应用到存在已平滑测量数据(与实际表面轮廓2相比)的球中心域中的测量数据4a’时，对于逆变换到物体轮廓域的已滤波数据仅发生小的信息损失。特别地表面2的临界凸起部10和峰处高度的测量值几乎不受到在球中心域中的数据滤波FS的影响。
对于如从现有技术已知(图5b)的光学传感器的测量数据的处理，光学地产生的测量数据5a’以由测量方法确定的方式与物体轮廓域直接有关，仅经受在物体轮廓域中的滤波FP，从该滤波FP，在没有进一步数据变换的情况下，从光学测量数据5a’产生重构表面轮廓5b。
使用于处理光学传感器的测量数据的滤波器特别地用于消除由光学噪声导致的误差，或针对通常比用于利用触觉传感器的测量结果的传统滤波器具有更大的作用的测量误差。因为光学传感器直接在物体轮廓域中提供测量值，所以在没有逆变换的情况下在尽可能早的物体轮廓域中的滤波期间数据减少，其会导致包括关于实际和不只是人工的表面特征在内的信息的损失。
参照图6例示了根据本发明用于产生通过光学传感器测量的表面的数据的建议，该数据更好地适合于实际技术应用。
该方法是基于能够通过光学传感器产生的表面轮廓到能够通过坐标测量仪的(虚拟)触觉传感器产生的表面轮廓的转换或变换。虚拟触觉传感器利用例如根据图6实现成圆盘形或球形方式的具有半径r的虚拟测量尖端8来模拟。所模拟的测量尖端8的形状是可自由确定的。例如，后者可以具有针对模拟不同期望测量分辨率的不同球半径和/或如果合适也用于模拟具有不同可预定尺寸的不同外部形状(例如，椭圆体或悬臂梁尖端，等)。因此可以模拟虚拟测量尖端8到之前通过光学传感器测量的真实表面2的凹部9的或多或少受限穿透进入。在这种情况下，光学测量数据对应于物体表面2b的非常精确映射，其中这些是方法固有地与物体轮廓域相关，通常除了 与上面所描述的光学地确定的测量误差之外。
根据依据本发明的该方法，其通过用于实施在一个空间维度(X方向)中用于处理高度或凹部数据(沿着Z方向的“高程数据z(x)”)的示例在图6中例示，但是当然特别是针对沿着X和Y方向的延伸测量而提供，提供通过光学传感器为在表面2b处测量的每个测量点xi确定的高程数据z(x)，检查所确定高度值zi，是否虚拟触觉测量尖端8可以到达该测量点，即是否可机械接触，或由于邻近测量点xi的凸起部，是否限制虚拟测量尖端8穿透进入存在于位置点xi处的凹部9。这可以借助于计算数字地发生：
z′i＝zi+max(zi(ξ)-s(ξ))+r   (1)
在这种情况下：
Z                     是在物体轮廓域中的z坐标；
z’                   是在虚拟球中心域(虚拟传感器域)中的z坐标；
r                     是虚拟球8的半径；
ξ＝[xi-r，xi+r]       是在从xi-r到xi+r的间隔中的x坐标；以及
       是例如，代表虚拟球8的半圆。
结果值z’(x)代表在虚拟传感器域(虚拟球中心域)中的在该示例中实现成球形式的虚拟测量尖端8的中心坐标。算法(1)应用到测量数据在变换后的表面轮廓8b的数据中带来了从表面凹部9到其深度减少的凹部9b的测量数据平滑，因为虚拟测量尖端8不能穿透进入表面2b的较窄凹部结构9。相反，算法(1)的应用使变换后的表面轮廓8b中的表面2b的凸起结构的数据10基本上未改变(轮廓10b)。如对于利用实际触觉传感器的测量数据，能够实施在虚拟球中心域中的数据的进一步滤波FS以及相应数据校正。
应该指出也可以利用用于代表不同于球形凹部而实现的虚拟触觉测量尖端的其它函数s(ξ)来执行测量数据的变换，例如对于椭圆体状或用户限定的测量尖端形状。用户限定形状能够例如由
s(ξ)＝zi+f(ξ-xi)
描述，其中f(x)例如由具有用于描述测量尖端的特定的用户限定形状的值的分配表来定义。
此外，应该指出，对于根据图6的例图，为了简化，仅假设了沿着一个方向即X 方向的表面扫描，并且该扫描在任意选择的坐标系中。具体地，在这种情况下，变换或滤波涉及通过虚拟触觉传感器8的连续扫描模拟光学表面轮廓2b，特别地其中可以利用逐行偏移实施该扫描。根据本发明，也可以沿着任何其它任意空间方向实施表面扫描，特别是也可以遵循弯曲线或急剧弯折线。用于根据算法(1)的数据变换的X坐标然后应该被理解为沿着在物体表面上的扫描线的一维参数化。
换句话描述本发明：通过坐标测量仪的光学传感器产生的表面轮廓2b被滤波，其中以光学表面轮廓2b与具有虚拟测量尖端8的虚拟触觉传感器的接触被模拟的方式将所产生的光学表面轮廓2b转换到(虚拟)触觉传感器轮廓8b。依赖于所模拟的接触，导出触觉传感器轮廓8b，使得(虚拟)触觉传感器轮廓8b将物体表面2b表示为通过真实触觉传感器检测的物体表面。从(虚拟)触觉传感器轮廓8b导出重构的表面坐标。
图7a、图7b和图7c在框图中示出根据本发明用于处理坐标测量仪的光学检测测量数据的实施方式。
根据图7a的框图通过如下步骤不同于根据图5b的框图，即插入在已经馈送光学测量数据5a’的步骤之后的、将到能够通过虚拟传感器产生的测量数据的变换TV，如上面参考图6更详细描述。在此之后是对变换后的数据滤波FV，其基本上对应于根据图5a针对触觉传感器的滤波FS，特别是如上面参照图5b更详细描述的将光学传感器的测量数据的特定属性(例如，光学噪声和与之相关的测量误差)考虑在内。在这种情况下，滤波FV的配置可以将以下事实考虑在内，作为变换TV的结果，光学测量数据5a’已经经平滑，尤其是关于表面凹部的数据。在此之后然后是到物体轮廓域的变换TP，从而产生重构的表面数据5V。
为了处理光学传感器和触觉传感器这两者的测量数据，本发明也可以以如根据图7b的框图所例示的方式配置。触觉传感器的测量数据4a’或光学传感器的测量数据5a’首先馈送到数据处理过程。在数据处理中的后续分支确定测量数据是由触觉测量值t还是光学测量值o产生的。假设存在触觉传感器的测量数据，那么利用滤波FS以如上面参照图5a所述的方式发生进一步数据处理，用于产生从触觉测量产生的重构数据4b。
假设存在光学传感器的测量数据，在处理分支中实施到能够通过虚拟触觉传感器产生的数据的变换TV，在此之后利用如参照图7a描述的滤波FV，继续数据处理的 进一步处理，以产生重构数据5V。
根据来自图7b的框图例示的方法具有可以主要地采用提供用于处理触觉传感器的测量数据的方法步骤的优点，其中如果适当，参数特别是在滤波FV期间，可以适应于光学传感器的测量数据的特定属性。
图7c示出从图7b的框图的修改例，其中，在用于处理光学测量数据o的分支中，在到虚拟测量数据的变换TV之前插入了用于对测量数据预滤波的方法步骤VF。该预滤波VF可以是有利的，以早在数据变换TV之前减少或避免在光学测量中的测量误差，例如作为散斑效应的结果对光学测量的表面凸起部的测量误差。例如，预滤波器可以实现成用于移动产生相邻测量点的平均值的简单算法。结果，数据数量能够在数据处理的较早阶段已经减少，因此可以相应地减少处理时间。
结合考虑根据来自图7a、图7b和图7c的框图的方法步骤的计算机程序产品是本发明的一部分。
已经参照图6描述根据本发明用于沿着测量点的一维线进行数据处理的方法。根据本发明，算法(1)可以扩展用于处理来自二维测量的测量数据，例如根据图8a，其具有用于从表面2产生扫描线25a的线传感器25，所述线传感器定向为特别地垂直于扫描方向。在这种情况下，相对于触觉传感器的虚拟球形测量尖端，用于描述半圆形的项s(ξ)由用于描述半球形的项s(ξ，ζ)替代，其中ζ表示虚拟测量尖端沿着例如垂直于空间方向X的Y方向的长度。
如参考前述附图描述的根据本发明的方法也适合于处理由面传感器26(图8b)确定的扫描数据26a、26b、26c，其中在数据处理的情况下所测量区域部分的测量数据逐渐地连结在一起，以产生完整测量表面的数据轮廓。
这些所例示的附图仅示意性地例示可能的示例性实施方式。根据本发明各种方法同样可以互相组合并且可以与来自现有技术的光学测量和/或滤波方法组合。