[发明专利]用于坐标测量机的光学粗糙度传感器和坐标测量机

说明书

本发明涉及一种用于坐标测量机的光学粗糙度传感器(10)，包括：用于耦合输入和解耦光学有效辐射的光束耦合单元(11)，用于通过有效辐射的参考辐射分量提供参考路径和干涉参考信号的本地参考振荡器件，包括第一光束通过窗的第一解耦路径，第一光束通过窗用于有效辐射的测量辐射分量(17)的双向透射，从而该测量辐射分量(17)能被对准至待测目标表面且该测量辐射分量(17)的反射能被获得，关于目标表面的表面信号能由反射的测量辐射分量(17)提供。该参考路径和解耦路径(12)如此布置和相互作用，所述参考信号和表面信号干涉并且能基于所述参考信号额表面信号的干涉得到粗糙度信号。

技术领域

本发明涉及用于获得表面信息的光学粗糙度传感器和用于借助这样的传感器测量目标表面粗糙度的坐标测量机(CMM)。

背景技术

在许多应用技术领域中需要高精度测量目标面，进而也需要高精度测量目标本身。这尤其适用于工件表面的测量和检查对此极其重要以尤其实现质量控制的加工行业。

一般，坐标测量机被用于如下应用，其允许一般以微米精度的目标表面形状的精确测量。待测目标例如可以是发动机组、变速箱和工具。已知的坐标测量机通过建立机械接触并扫描表面来测量该表面。其例子就是例如在DE4325337或DE4325347中描述的龙门式测量机。另一系统基于铰接臂的使用，其测量传感器布置在多节臂末端且可沿该表面移动。例如在US5402582或EP1474650中描述了所述类型的铰接臂。

在现有技术中，光学传感器或触觉传感器被用作带有这样的坐标测量装置的标准测量传感器，所述触觉传感器例如由安装在测量杆上的红宝石球构成。在坐标测量机设计用于在相互垂直的三个方向X、Y、Z上三维测量情况下的触觉传感器偏移在扫描过程中通过开关元件或测距元件确定。依据开关点或偏移距离来计算接触的地点和进而表面坐标。

为了自测量数据重建表面轮廓，须考虑传感器本身的机械尺寸及其在接触目标表面时的对准。传感器被设计成具有形状已知的测量头，一般是球形，或者为了具体应用是椭圆体形，一般具有在几毫米数量级内的(主)半径。术语“测量头”与本发明相关地总体是指具有任意形状和尺寸的(触觉)测量传感器，在此它不一定必然(而是可以)具有渐缩至一点的形状。在使用触觉传感器的同时利用坐标测量机测量的原数据表现测量头参考点例如测量头中心的被测地点坐标。

但是，测量分辨率因触觉传感器测量头的物理尺寸而受到限制。测量头物理尺寸和/或与之关联的有限测量分辨率导致在粗糙表面测量过程中的“平滑效果”：目标表面的凸起或峰可以被近似最佳地或与目标相符地被测量，触觉传感器的测量头因其物理尺寸而无法深入目标表面的狭窄凹陷中。这造成通过变平滑的凹面区的测量数据以非线性方式平滑被测表面轮廓，而升高表面区的测量数据几乎与目标相符。对于工程方面，这通常甚至是有利的，因为尤其为了两个目标表面的平面连接精确知晓其升高区域比狭窄的凹陷表面区的精确确定更重要。

另一方面，尤其用于更准确的表面凹陷测量的触觉测量分辨率不再足以用于许多新的应用，因为所述方法固有的上述限制条件。

因此，在现有技术中针对尤其使用光学传感器的非接触测量已经直在同时遵循多种做法。表面凹陷也可以通过利用尤其自激光器发出的测量光束的光学传感器被很精确地测量，只要在目标表面上的测量光束的焦点相比于触觉传感器的测量头不大于其凹陷的结构。光学测量方法的分辨率因此可以显著高于用于表面轮廓尤其是其凹陷的精确测量的触觉测量方法的分辨率。因此，利用光学传感器准备好的轮廓不同于用触觉传感器准备好的同一目标表面的轮廓。用光学传感器准备好的表面轮廓就像用触觉传感器准备好的表面轮廓那样也表现就其分辨率被过滤且基于“测量头”的物理尺寸的当前目标表面的描绘，其中，光学“测量头”的尺寸可以被认为相比于触觉传感器的测量头聚集向光学测量辐射的波长，或者是可忽略的。因此，用于坐标测量机的光学传感器和测量方法原则上适用于提供当前与目标相符的表面轮廓测量。