CN101166953A - 探针的校准 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种校准探针(62)的方法，所述探针安装在机器上且具有带工件测量尖端(66)的触针(64)，所述方法包括：对于探针的第一方位，计算探针的校准信息；以及使所述校准信息旋转一定角度，以获得当探针相对于第一方位以所述角度定向时的探针校准信息。还公开了一种在测量过程中校准探针的方法。所述校准信息可以包括将探针头的轴与机器轴相关联的矢量；校准矩阵；基准数据；惯性矩阵。可以在所述探针方位处对触针尖端(66)进行基准化，或者由在不同方位处得到的基准信息推断触针尖端(66)。可以通过软件/计算机程序实施旋转步骤，所述软件/计算机程序可以存储在机器的控制器中。

Description

探针的校准

技术领域

本发明涉及一种校准用于坐标定位机器的探针的方法。

背景技术

坐标定位机器例如是坐标测量机器、机床和活动连接的测量臂，坐标定位机器包括能够彼此相对运动的臂和平台。可以在这种机器上设置探针，用于检测工件。探针通常可以是数字探针或模拟探针。

为了能够将探针用作检测设备，必须首先校准探针。探针校准的第一方面是相对于安装有探针的机器来识别探针接触尖端。这可以称作基准化(datuming)或鉴定(qualification)。在检测过程中，安装有探针的机器被驱动朝向工件运动。

对于数字探针，与表面的接触导致探针信号的状态发生变化(从0到1，或反之亦然)，发射触发信号并锁存机器输出。机器的锁存位置连同尖端鉴定信息能够用于识别工件的位置。

在模拟探测系统中，当触针尖端接触工件时触针发生偏转，探针中的测量变换器产生代表触针沿三个正交坐标轴的偏转的输出，所述三个正交坐标轴可以称作探针的a、b和c轴。这些输出和尖端鉴定(信息)能够一起用于识别工件的位置。当与表面接触时，探针信号发生变化，例如，数值逐渐增大。一旦信号超过临界值，认为已经发生接触。临界值设定为使得由于机器振动导致的假触发的影响最小。为了确定在哪里发生接触，必须将信号强度的变化与机器轴的运动相关联。一种方法是通过监测探针的电压输出并使用校准矩阵将电压输出与沿三个机器轴的运动相关联来校准该系统。

因而，对于数字探针，唯一需要的就是尖端鉴定或基准化方法。但是，对于模拟探针，必须将探针的输出信号与机器轴的运动相关联，这需要其他校准方法。该校准方法涉及基准化步骤和解算(resolve)校准矩阵。这形成了探针校准的第二方面。

一种鉴定或基准化方法是使设置在机器上的球体在至少四个不同的周向位置接触触针，由此确定触针尖端的中心。

国际专利申请No.WO00/25087中描述了一种对模拟探针进行校准的方法，其中在机器上安装校准人工制品。探针被驱动朝向所述制品运动，例如沿机器的其中一个轴运动，直至探针测量设备的输出超过预定值(临界值)的增量表明已经与所述制品表面发生接触。在已经证实触针接触后，获得一组机器x、y、z和探针a、b、c坐标数据。机器继续运动，直至机器运动超过所证实的接触点达选定距离，获得另一组x、y、z和a、b、c数据。

记录位于三个轴上的探针测量变换器的a、b、c输出的变化并将其与沿每个机器轴的机器测量设备的变化相关联。在其他两个正交方向上重复这个过程，所述其他两个正交方向可以是其他两个机器轴。从上述几组数据，对于该特定探针方位，能够建立探针转换矩阵，该矩阵将a、b、c轴上的探针输出与机器的x、y、z坐标系统相关联。能够通过将相关的探针输出乘以相关的矩阵项而得到探针偏转的相关机器轴分量。

国际专利申请No.WO02/073128中描述了对模拟探针进行校准的替代方法。

经常希望使探针相对于机器重新定向，从而能够检测工件的不同定向的表面。探针可以在探针头上定向，所述探针头可以是分度类型的，此时探针能够重新定向到多个离散的位置，或者所述探针头可以是连续类型的，此时任何角定向都是可能的。

影响可重新定向探针的测量结果的准确性的因素有很多。这些因素包括机器误差例如轴的垂直度、弯曲和直线度误差；探针头误差，包括弯曲和定位；以及探针和触针误差，包括弯曲。弯曲误差可能部分由重力引起，部分由动力例如加速引起。

通常，当对测量探针进行分度时，必须对于探针的各个方位相对于机器轴进行校准，从而确定触针尖端的正确位置，即，实施重新基准化或重新鉴定方法。而且，如果探针是模拟变换器，则必须对每个探针头位置(或方位)实施上述校准方法和基准化步骤，在所述校准方法中对于特定的探针方位建立校准矩阵。由于实施该方法以获得一个这样的矩阵需要几分钟的时间，因此要完成整个校准过程可能需要进行数小时。

在欧洲专利No.759534中，通过使用来自当前位置位于其间的两个位置的基准数据推断当前尖端位置来简化重新基准化步骤。虽然该方法得到了简化，但是使用该方法仍然必须获得多个基准读数。

或者，对于连续探针头，可以设置编码器，其提供探针的实际角位置。但是，仍然必须建立探针和触针之间的关系。因此，仍然要在每个方位或多个(如果进行推断)方位对探针进行基准化。

上述基准化步骤适用于在远离尖端的位置感测偏转的这一类型的触针，例如通过应变仪或光学装置来感测偏转。但是，对于在尖端转换尖端位置的接触式探针系统，只需要在持续监测尖端位置时在一个方位进行尖端鉴定。对于第二种类型的与模拟探针一起使用的触针，仍然必须对于每个方位都建立校准矩阵。

探针校准的第三方面是检测和校正与测量系统的运动相关的惯性误差。已知可以通过在探针中设置加速计来补偿所述动态误差，由此能够确定动态偏转。美国专利4,333,238和6,412,329中公开了这种补偿方法的实例。

发明内容

本发明包括一种校准探针的方法，所述探针安装在机器上且具有带工件测量尖端的触针，所述方法包括：

对于探针的第一方位，计算探针的校准信息；以及

使所述校准信息旋转一定角度，以获得当探针相对于第一方位以所述角度定向时的探针校准信息。

本发明的第二方面包括一种校准探针的方法，所述探针安装在机器上且具有带工件测量尖端的触针，所述探针可以相对于机器相对重新定向，所述方法包括：

在相对于机器轴的某个探针方位，计算探针的校准信息；

在测量过程中，记录探针和机器轴输出以及相对于机器轴的探针方位；

基于所述相对于机器轴的探针方位旋转所述校准信息；以及

将经旋转的校准信息应用于探针输出。

校准信息优选包括以下一个或多个：关联探针和机器轴系统的校准矩阵；建立探针轴和机器轴系统以及尖端位置之间的关系的基准数据；惯性矩阵；以及关联探针头的轴和机器轴的矢量。

因此，本发明的新的方面如下所述。探针头/探针/触针系统仅仅需要在一个方位上进行完全校准，例如在垂直方位上校准。这可以包括在人工制品例如基准球体上进行测量。在该方位上得到将探针a、b、c轴转换成机器x、y、z轴的校准矩阵，从而能够将探针测量值和机器测量值相加而得到在工件表面上测量的点的坐标。该矩阵还可以校正探针的误差，例如探针变换器的非直线性和垂直度误差。如果需要，可以按照常规做法，在该方位上对触针尖端进行鉴定(基准化)。

接着，将探针头重新定向到在工件上进行测量或扫描操作所需的位置上。不是在该新的方位上重新校准，而是旋转上述刚刚得到的校准矩阵，例如借助可以存储在机器控制器中的程序进行旋转，从而与所推断的新的尖端位置相匹配。由此将该方位上的探针的新轴a、b、c转换成机器的x、y、z轴。

任选地，可以在所述新方位，例如抵靠基准球体，对触针尖端进行重新鉴定。应当注意到，这是比在所述新方位完全重新确定校准矩阵更简单、耗时更短的操作。如可能的情况，如果触针尖端在所述新方位处发生偏转，例如由于重力下垂引起偏转，则所述重新鉴定使得能够比仅仅使用活动连接头的变换器更加准确地确定方位和/或尖端位置。也可以更加准确地确定校准矩阵所需的旋转量。

并非在每个方位进行重新基准化，本发明能够与欧洲专利No.759534的推断方面相结合从而减少在不同方位进行校准所涉及的方法或步骤的数目。

同样，可以在探针的许多其他所需方位获得测量结果，不需要进行完全的重新校准，仅仅通过再次旋转探针校准矩阵以适应新方位即可。

对于一些探针系统，能够借助计算机程序或软件旋转以前获得的校准矩阵，例如对于EP360853、WO00/60310和共同未决的申请GB0508388.6中描述的探针，使用光学手段确定触针尖端相对于探针或探针头的实际位置。

除了将探针和机器轴系统相关联，可能还需要将探针头的轴与机器轴相关联，因为探针头的轴无法沿机器轴对齐排列。因此，在优选实施方案中，建立探针头的轴和机器轴之间的关系，且另外沿得到的矢量旋转探针矩阵。

附图说明

下面借助实施例并参考附图描述本发明，其中：

图1示出测量机器的示意图；

图2a和2b示出本发明的探针头的侧视图；

图3a和3b示出本发明的替代探针头的侧视图；

图4示出所推断位置的示意性旋转；

图5a和5b示出角编码器；以及

图6a和6b示出分度探针的一部分。

具体实施方式

图1示出测量机器，在该实例中，所述测量机器是坐标测量机器或CMM50。CMM 50具有底座52和台架54，台架54可以沿x和y方向相对于底座52运动。台架54包括套管56，套管56可以沿z方向相对于台架54运动且具有吊在套管56上的测量设备58。在该实例中，测量设备58包括探针头60，探针头60的一端与套管56连接，远端与探针62连接。探针62具有带工件接触尖端66的触针64。

图2a和2b示出套管10，其一端连接在坐标定位机器(未示出)上，其远端连接在探针头12上。探针头12绕轴D和E旋转。探针头12进一步连接至探针14，所述探针14具有带尖端18的触针16。触针16与工件接触时发生偏转，该偏转由探针感测。将该偏转造成的探针输出a、b、c与机器输出x、y、z合并，得到测量读数。测量系统包括触针偏转的电测量、感应测量、磁测量、光学测量和电容测量。这种系统的实例在EP360853中有描述。

图3a和3b示出套管110，其一端连接在坐标定位机器(未示出)上，其远端连接在探针头120上。探针头120绕轴D和E旋转。探针头120进一步连接至探针140，所述探针140具有带尖端180的触针160。在该实例中，在触针尖端感测触针的偏转。用光学手段测量触针尖端的位置，触针尖端与工件接触使触针弯曲，导致接收自触针尖端的光发生变化。当来自触针尖端180的读数达到预定水平时，将在该位置得到的探针输出a、b、c与机器输出x、y、z合并，得到测量读数。这种探测系统在国际专利申请WO00/60310中有描述。

为了使得到的任何测量结果都是准确的，需要对探针进行校准。在本发明中，校准涉及多个步骤，校准能够从已知方位推断当前触针位置。

许多实施方案都落入本发明的范围。下面总结了这些实施方案并且给予了更加详细的讨论。

对于以下探针系统，其中，例如在如上参考图3所述的接触式光学系统中，直接测量触针尖端的位置，需要对于某个探针方位建立校准矩阵，然后旋转该矩阵一定角度以确定当探针以所述角度定向时探针的校准矩阵。

在优选实施方案中，能够快速实施重新定向方法，即在测量过程中实施该方法。相比于探针头方位相对于机器轴固定的情况，这对于探针头用作枢轴的情况是特别有用的，从而，探针头的两个轴提供触针尖端的扫描运动。在该实施方案中，建立并存储校准矩阵，例如存储在机器控制器中。测量过程开始，在预定的时钟计时之后，控制器向探针和机器询问输出读数和探针头的角位置。角读数使得控制器能够将矩阵旋转至给定的角位置，将经旋转的矩阵应用于探针输出，然后，将得到的数字与机器输出相加，得到触针尖端的准确位置并因此得到工件表面的准确位置。

对于以下探针系统，其中通过如上参考图2所述的在远离探针尖端的位置感测偏转，建立校准矩阵并使其旋转一定角度从而确定当探针以所述角度定向时探针的校准矩阵，来指示触针尖端的位置，需要确定触针尖端的实际位置，即，必须在所述新位置对探针进行基准化或重新鉴定。这是因为由于重力和/或其他动力效应造成的触针弯曲的影响是未知的。

重新基准化的方法可以以多种方式实现，包括在每次重新定向探针头的时候实施基准化步骤；对于每个被访问的新方位实施基准化步骤，并且将该信息记录在查询表中，从而对于给定的探测系统，仅对每个方位基准化一次；以及在几个选定方位进行基准化，记录结果并在测量数据之间进行推断。对于后一种方法，可以将基准数据记录在查询表中，进行内插且将该数字应用于校准矩阵，或者查询表能够存储解算数据(resolved data)，即，将基准数据应用于经旋转的校准矩阵，然后将该解算数据用于内插步骤。

参见图2和图3，在步骤(a)中，将探针头的位置与机器坐标系统相关联。为了实现这一点，确定探针头的轴D和E的相对位置，校准探针头的位置，使其与套管对齐。在步骤(b)中，将触针的位置与机器坐标系统相关联。在一个位置处校准探针，通常使触针尖端垂直向下指向D₀E₀。在步骤(c)中，由(b)和(a)推断探针的校准矩阵。在步骤(d)中，使推断位置相对于探针头的轴D和E旋转，以得到当前触针位置。

确定探针头的轴D和E的相对位置并且校准探针头的位置使其与套管对齐的步骤产生矢量，使校准矩阵沿该矢量旋转，并且伴随由于旋转导致的触针方位的变化而造成的旋转。

因此，本发明还提供了一种在坐标定位机器上校准探针的方法，包括以下步骤：

(a)确定探针头相对于机器的位置；

(b)确定在某个方位上触针尖端相对于机器的位置；

(c)通过从(a)和(b)推断触针尖端和探针之间的关系产生校准矩阵；以及

(d)使用校准矩阵确定在当前方位上触针尖端相对于机器的位置。

方程1以数学方式表示了上述内容：

参见方程1和图4：

H表示探针头的中心，Tip_D0E0是触针尖端相对于机器坐标系统的校准位置。

由A_D0和触针尖端之间的距离以及对于扫描探针而言的偏转矢量，确定探针矢量。

为了相对于轴E确定探针头和触针尖端之间的关系，将探针矢量A_D0Tip_D0E乘以探针在轴E上的旋转角度Rot_E，然后与对于轴D和E的旋转中心之间的距离相加。轴D的中心是H，轴E的中心是A_D0，它们的差值用dDE表示。

为了确定在当前探针方位HTip_DE处探针头和触针尖端之间的关系，将HTip_D0E乘以探针在D轴上的旋转角度Rot_D。

为了确定套管末端和触针尖端之间的关系，将HTip_DE乘以探针头对齐矩阵。

确定探针头的中心H的一种方法是选取四个测量点，所述四个测量点建立探针头的定向平面。第五个测量点限定H为原点的球体。

参见图5a和图5b，示出了编码器200的立体图，编码器200包括具有多个索引标记220的环210和读取头230。环210设置在探针头的一个部件上，读取头230设置在可相对运动的部件上。读取头230在探针头旋转时计数索引标记。由于编码器是预先校准的，因此对于该实例而言，Rot_D和Rot_E是已知的。

图6a和图6b示出分度头机构300的一部分。额定地将多个球310彼此分开地嵌入在机构300中。但是，不同球320，330的中心之间的距离是不同的，因此，必须校准每个索引位置，从而确定索引位置之间的真实角距离以及Rot_D和Rot_E。在分度头的协作部件上设置三个径向分开的球或辊，将它们定位于不同对的球310之间。

可以在触针尖端或在探针内感测接触触针的偏转。电容和感应系统可以使用任意一种方法，磁系统和电系统在探针中感测偏转，光学系统在触针尖端感测偏转，所述光学系统例如本申请人在2005年4月26日提交的共同未决的申请GB0508388.6中所描述的。

当在远离尖端的位置感测偏转时，必须考虑由于重力和/或其他动力导致的触针的松弛或下垂，因为这会影响触针尖端的位置。为此，在探针头的相关方位，通过围绕基准球体选取至少四个测量点来对触针进行鉴定。

借助实例，如EP 360853中所示的，可以在活动连接探针头和触针上进行校准。在该说明书中，触针上的应变仪检测由于触针弯曲导致的触针尖端相对于探针的偏转。或者，可以在活动连接头、探针和触针上进行校准，如WO00/60310或上述共同未决的申请GB0508388.6中所描述的。在这些情况中，光学传感器使光束沿触针传播，从而确定由于触针弯曲造成的接触工件的(或感测或测量工件的)触针尖端相对于探针的偏转。在每种情况下，触针弯曲可能是由多种力造成的，所述多种力例如是与工件表面的接触力、在工件扫描操作期间由于加速引起的惯性力，和/或重力下垂。

在现有技术中，借助例如前面的段落中刚刚提到的活动连接头和触针，常规做法是在将要使用的头的每个方位上进行全面的校准。这样做是耗时的，已经意识到这样做是不必要的。

与连接有探针头的机器的运动相关的动态误差不受探针头的旋转定位的影响，且如上所述使用加速计能够消除所述动态误差。但是，对于特定方位，能够确定与探针相关的、由机器运动导致的且在探针头方位上与机器有关的动态误差，然后使其旋转并应用于新的方位。因此，能够建立用于所述测量系统的将探针与安装有探针的机器相关联的惯性矩阵，并能够以与校准矩阵同样的方式使其旋转。

因此，校准信息可以包括惯性矩阵，以上述与校准矩阵相同的方式旋转所述惯性矩阵。

上述校准方法适于与多种探针系统一起使用，所述探针系统包括扫描和接触触发系统，其中在接触点处或远离接触点处感测探针和物体之间的接触。所述探针系统可以用在许多测量机器上，这些机器包括但不限于坐标定位机器、车床、活动连接测量臂、非笛卡尔测量机器和机器人。

Claims (13)

1.一种校准探针的方法，所述探针安装在机器上且具有带工件测量尖端的触针，所述方法包括：

对于探针的第一方位，计算探针的校准信息；以及

使所述校准信息旋转一定角度，以获得当探针相对于第一方位以所述角度定向时的探针校准信息。

2.一种校准探针的方法，所述探针安装在机器上且具有带工件测量尖端的触针，所述探针可以相对于机器相对重新定向，所述方法包括：

在相对于机器轴的某个探针方位，计算探针的校准信息；

在测量过程中，记录探针和机器轴输出以及相对于机器轴的探针方位；

基于所述相对于机器轴的探针方位旋转所述校准信息；以及

将经旋转的校准信息应用于探针输出。

3.权利要求1或2的方法，其中，所述校准信息包括将探针头的轴与机器轴相关联的矢量。

4.上述权利要求中任一项的方法，其中，所述校准信息包括校准矩阵。

5.上述权利要求中任一项的方法，其中，所述校准信息包括基准数据。

6.上述权利要求中任一项的方法，其中，所述校准信息包括惯性矩阵。

7.上述权利要求中任一项的方法，其中，在所述探针方位处对触针尖端进行基准化。

8.权利要求7的方法，其中，将触针尖端基准信息存储在查询表中。

9.权利要求7或8的方法，其中，由在不同方位处得到的基准信息推断在所述方位处的触针尖端位置。

10.权利要求7的方法，其中，将用于某个方位的基准信息应用于经旋转的校准矩阵从而产生解算数据，并将解算数据存储在查询表中。

11.上述权利要求中任一项的方法，其中，通过软件/计算机程序实施旋转步骤。

12.权利要求11的方法，其中，将软件/计算机程序存储在机器的控制器中。

13.上述权利要求中任一项的方法，其中，在触针尖端对触针的偏转进行转换。

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