CN101405564A - 测量工件的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种利用安装在扫描头部上的表面感测设备来测量表面的方法和装置，所述扫描头部位于坐标定位装置的构件上。所述坐标定位装置可以操作，以在扫描头部和所述表面轮廓之间产生相对运动，并且所述扫描头部包括驱动件，以使表面感测探针围绕一个或多个轴线转动。在所述表面感测设备将要跟踪的表面上限定所需测量轮廓，以及当表面感测设备沿所述测量轮廓运动时，限定所述表面感测设备的方位的希望运动。这些数据用来推算坐标定位装置的所述构件和所述表面之间相对运动的所需路径，以使所述表面感测设备指示沿着所述测量轮廓的轨迹。

Description

测量工件的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种利用安装在坐标定位装置诸如坐标测量仪(CMM)、机床、手动坐标测量臂和检查机器人上的马达驱动的扫描头部测量工件表面的方法。

背景技术

从国际专利申请公开WO90/07097知道，将马达驱动的扫描头部安装在坐标测量仪上。马达驱动的扫描头部能让安装在马达驱动的扫描头部上的触针围绕两个正交轴线转动。该触针可以关于这两条轴线角度定位，同时该马达驱动的扫描头部可以借助坐标定位仪定位在该仪器工作空间内的任何位置。

这种马达驱动的扫描头部提供了一种扫描灵活性更大的坐标定位仪，因为马达驱动的扫描头部可以将触针定位在许多不同方位。

该申请公开了测量顺序，其中坐标定位装置的简单运动与马达驱动的扫描头部的运动相结合，测量形状规则的零件。例如，通过沿着中心线移动CMM的主轴，同时马达驱动的扫描头部沿着环形轮廓移动触针尖端以产生螺旋运动，由此来测量孔。同样，以恒速平行于平面表面来移动CMM的主轴，同时马达驱动的扫描头部执行摆动运动，由此来测量平面表面。

该申请还公开了扫描锥体表面，所述锥体的轴线平行于CMM的Z轴。沿着环形路径驱动主轴，同时扫描头部的马达导致表面感测设备被偏压而围绕Z轴抵靠所述锥体。

在测量工件的传统方法中，触针尖端位置距离主轴固定的偏移值，并且从探针校准中可以知道。

对于5轴系统，触针尖端位置取决于扫描头部的角度(即，围绕A1轴线和A2轴线)以及探针长度，所以随着扫描头部的角度变化，触针尖端位置相对于主轴位置恒定变化。

在这种情况下，实际尖端位置受到扫描头部的公差影响。因此，必须固定主轴，并且允许触针尖端位置从其标称位置发生变化，以适应所述公差，或者采用相反的设置。

发明内容

本发明第一方面提供一种利用安装在扫描头部上的表面感测设备来测量表面的方法，所述扫描头部位于坐标定位装置的构件上，可以操作所述坐标定位装置，以在扫描头部和所述表面轮廓之间产生相对运动，并且所述扫描头部包括驱动件，用于使表面感测探针围绕一个或多个轴线转动，所述方法包括以下步骤：

(a)在所述表面感测设备将要跟踪的表面上限定希望的测量轮廓；

(b)当所述表面感测设备沿步骤(a)中的测量轮廓运动时，限定所述表面感测设备的方位的希望运动；

(c)利用步骤(a)和(b)中确定的数据来推算坐标定位装置的所述构件和所述表面之间的相对运动的所需路径，以使所述表面感测设备指示沿着所述测量轮廓的轨迹。

表面感测设备的测量轮廓可以是线性的或非线性的。

步骤(b)中向量的运动可以包括函数，该函数在表面感测设备沿着测量轮廓运动的过程中确定所述向量。可以通过沿着所述测量轮廓在离散的点上限定所述向量并在这些点之间进行插值来确定步骤(b)中的向量的运动。

步骤(b)中的向量的运动可以使得所述向量相对于表面法线发生变化。

可以选择步骤(b)中的向量，以定位所述表面感测设备，使得其滞后于所述头部，超前于所述头部，或者与所述表面法线对准。从一种向量到另一种向量可以存在过渡区。

可以选择步骤(a)中的测量路径和步骤(b)中的向量运动，从而在坐标定位装置的构件和所述表面之间提供希望的相对运动。

可以通过在所述表面轮廓上确定两个或多个离散测量点来确定步骤(a)中的测量轮廓。步骤(a)的测量轮廓可以由函数限定。

在部分测量轮廓期间，可以冻结沿着至少一个轴的运动。在部分测量轮廓中，可以冻结扫描头部的运动。在部分测量轮廓中，可以冻结坐标定位仪的运动。

所述方法可以包括利用步骤(a)、(b)和(c)中的数据来测量表面的步骤。

围绕扫描头部的至少一个轴线的运动可以用来将表面感测设备保持在其测量范围内。扫描头部可以沿着目标向量伺服，以使表面感测设备保持在其测量范围内。坐标定位装置的构件和所述表面之间的相对运动可以用来保持表面感测设备跟踪所述表面的希望平面。

本发明的第二方面提供一种计算机程序，用于为安装在扫描头部上的表面感测设备编制测量路径，所述扫描头部位于坐标定位装置的构件上，可以操作所述坐标定位装置，以在扫描头部和所述表面轮廓之间产生相对运动，并且扫描头部包括驱动件，用于使表面感测探针围绕一个或多个轴线转动，所述计算机程序包括代码，其适配成在计算机上运行时，执行权利要求1至14任一项所述的方法的步骤。

优选所述计算机程序设置在载体上，诸如CD、USB棒或其他介质，当装载到计算机时，执行本发明。所述计算机程序还可以直接从互联网上下载。

本发明的第三方面提供一种装置，利用安装在扫描头部上的表面感测设备来测量表面轮廓，所述扫描头部位于坐标定位装置的构件上，可以操作所述坐标定位装置，以在扫描头部和所述表面轮廓之间产生相对运动，并且所述扫描头部包括驱动件，用于使表面感测探针围绕一个或多个轴线转动，所述装置包括用于实施以下步骤的计算机：

(a)在所述表面感测设备将要跟踪的表面上限定希望的测量轮廓；

(b)当所述表面感测设备沿步骤(a)中的测量轮廓运动时，限定所述表面感测设备的方位的希望运动；

(c)利用步骤(a)和(b)中确定的数据来推算坐标定位装置的所述构件和所述表面之间的相对运动的所需路径，以使所述表面感测设备指示沿着所述测量轮廓的轨迹。

所述装置还包括利用步骤(a)、(b)和(c)中的数据测量表面的步骤。

附图说明

现在将参照附图说明本发明的优选实施方式，其中：

图1是根据本发明包括扫描装置的坐标测量仪的正视图；

图2是马达驱动的扫描头部的横截面图；

图3是以曲柄触针测量涡轮叶片的透视图；

图4是图3所示涡轮叶片的平面图；

图5是根据本发明测量涡轮叶片的透视图；

图6是图5所示涡轮叶片的平面图；

图7是涡轮叶片的立体图，示出了触针尖端位置和头部角度处于不同位置；

图8是涡轮叶片的立体图，示出了摆动扫描；

图9是传统方法的直线扫描路径的平面图；

图10是根据本发明扫描直线的平面图；

图11示出了以传统方法测量凹部；

图12示出了根据本发明来测量凹部；

图13是在扫描头与凸台轴线对准的情况下测量凸台的立体图；

图14示出了分成若干区段的凸台的立体图；

图15示出了方形内表面扫描轮廓的透视图；

图16是扫描XY线的两种机制的示意图；

图17示出了沿着直线扫描过程中的扫描头部的运动；

图18示出了扫描凸台外表面的过程中，扫描头部的运动；

图19是以传统接触式触发技术测量孔的立体图；

图20是以本发明的方法测量图17所示的孔的立体图；

图21是接受测量的涡轮叶片在XY平面的平面图；

图22是接受测量的涡轮叶片在XZ平面的平面图；

图23是接受测量的衬垫的平面图。

具体实施方式

图1示出了一种安装在坐标测量仪(CMM)上的马达驱动的扫描头部。需要测量的工件10安装在CMM14的工作台12上，且马达驱动的扫描头部16安装到CMM14的主轴18上。可以通过马达以已知方式相对于工作台沿着X、Y、Z方向驱动心轴。如图2所示，马达驱动的扫描头部16包括由基体或壳体20形成的固定部件，该固定部件由轴22形式的移动部件支撑，所述轴22可以借助马达M1围绕轴线A1相对于壳体20转动。轴22固紧到另外的壳体24，该另外的壳体24又支撑轴26，轴26可以借助马达M2围绕与轴线A1垂直的轴线A2相对于壳体24转动。

具有触针29的探针28安装到马达驱动的扫描头部，该触针29具有工件接触尖端30。这种布置使得该头部的马达M1、M2可以围绕轴线A1或A2成角度地定位工件接触尖端，并且CMM的马达可以将马达驱动的扫描头部线性定位在CMM三维坐标空间内的任何地方，从而使触针尖端与扫描表面成预定关系。

线性位置变送器设置在CMM上，用来测量扫描头部的线性位移，而角度位置变送器T1和T2设置在扫描头部中，用来测量触针围绕各轴线A1和A2的角度位移。

在图1中所示的类型的CMM中，通过让主轴沿着三个正交方向移动来实现主轴和工件之间的相对运动。在其他类型的坐标定位装置中，可以通过主轴的运动、安装有工件的表面的运动(例如，工作台)或者它们的组合，来实现主轴(或者其他安装有马达驱动的扫描头部的构件)和工件之间的相对运动。

探针具有可偏转的触针29，且探针中的变送器测量触针偏转量。探针可以是二维的，例如感测沿着X和Y方向的偏转；或者是三维的，例如感测沿着X、Y和Z方向的偏转。可以选择的是，可以采用非接触式探针(例如，光学、电容或电感探针)。

在如图1所示的垂直臂CMM上，扫描头部16的A1轴线名义上与CMM的Z轴(沿着心轴18)平行。扫描头部可以围绕该轴线连续转动探针。扫描头部的A2轴线正交于其A1轴线。

马达驱动的扫描头部可以将表面感测设备定位到不同的方位，而不需要重新校准该头部。

CMM和扫描头部的位置受到控制编码的控制，所述控制编码设置在计算机内，计算机可以是硬件的定制(bespoke)元件，即控制器或PC。可以对计算机进行编程，以沿着测量路径移动CMM和扫描头部。在图1中示出了计算机15。

在一些情况下，围绕零件周边移动CMM的主轴可能无法扫描该零件。该零件可能位于工作空间的边缘，因此阻碍了CMM的主轴围绕它全程运动。而且，零件的约束可能意味着无法接近，例如，在测量叶盘(blisk)(叶片和盘体的组合体)的叶片时，CMM主轴被中央盘体和相邻叶片限制在某些位置。

图3和图4分别示出了涡轮叶片32的透视图和平面图。在该实例中，在涡轮叶片一端，主轴可达性受到制约。虚线示出了CMM主轴的可能运动边界。这种可达性问题可以借助测量探针38上的曲柄触针36以传统扫描方法来解决。曲柄触针36使得触针尖端40能触及零件，而不需要CMM主轴移动超过边界34。但是，缺点在于，利用这种曲柄触针36仅可以测量涡轮叶片32的一半。对于涡轮叶片32需要测量的另一半，必须用转过180°的另一个曲柄触针来取代该触针。此外，还可以使用星形触针。

图5和图6分别示出了如图3和图4所示的相同涡轮叶片32的透视图和平面图。该涡轮叶片32以马达驱动的扫描头部来测量，这种扫描头部上安装着具有可偏转触针29和工件接触尖端30的探针28。

在马达驱动的扫描头部16的扫描程序期间，存在三组变量，包括触针尖端位置、头部角度和CMM主轴位置。

可以选择头部角度，以使可以在CMM主轴不必定位于其不可触及的位置的情况下，测量所述零件。因此，在涡轮叶片32一端，即可达性受到制约的地方，头部16成角度，以使CMM主轴不会超过边界线34。头部的角度在整个扫描过程中可以变化，允许一次性测量零件的整个轮廓。

可以选择头部的角度，以使触针滞后，即其拖在头部后面；或超前，即其处于头部前面；或成直线，即其与零件的法线对准。在测量路径内，不同头部角度之间可以存在过渡区。对于二维探针来说，优选扫描头部的角度处于小角度。这样设置的优势在于，偏转基本上位于探针的XY平面内。但是，对于三维探针来说，不需要这种约束。

图6中示出了沿着顺时针方向扫描的涡轮叶片。所示触针在离开狭窄端时滞后，而在靠近宽阔端时超前。调整头部角度和主轴路径，使得触针能在靠近宽阔端时遵循滞后与超前之间的过渡区。在替代扫描区域内，触针靠近狭窄端时可以滞后，然后当其离开狭窄端时(如虚线勾画出的探针所示)变成超前，因此就不再需要靠近宽阔端时探针角度存在过渡区。由于在狭窄端时，头部角度不需要改变或者只需要很小的改变，所以狭窄端所需的主轴运动得以最小化。在选择扫描区域方面，要考虑的因素包括诸如路径跟随精度、工作能力(throughput)以及工作空间。

在三组变量当中，需要其中两组的信息，而可以计算第三组的信息以实现希望的扫描路径。优选选择希望的触针尖端位置和头部角度，并用这些数据预测CMM主轴的位置。

为了测量表面上的点，需要限定表面感测设备关于空间位置和方位的坐标。传统上，这是通过指定五个驱动轴(头部有两个，CMM有三个)的五个位置来实现，这五个位置限定了表面感测设备的运动。但是，在本发明中，指定表面感测设备的尖端位置和方位，并且可以从中推算CMM驱动轴的运动。

使用触针尖端坐标位置来设置扫描轮廓的优势在于，这些坐标位置接近希望的测量值，并因此有利于测量值尽可能精确。在某些应用场合下，重要的是保持触针尖端位于平面内，例如根据Civil Aviation Authority的标准来测量涡轮叶片。在其他应用场合下，诸如衬垫，选择扫描路径要避开一些特征，诸如孔。

限定触针尖端坐标位置还具有的优势在于，由于任何时候都知道触针尖端的位置(即，其已经被限定)，所以可以避免触针尖端和零件发生碰撞。

此外，在CMM主轴的位置方面，要考虑因头部和测量系统公差，例如触针长度公差造成的任何偏移以及编制程序的难易程度。

确定扫描路径时使用头部角度也具有优势。对于某些类型的探针来说，可能希望探针角度处于一定范围内，例如二维接触式探针可能要求角度约束来优化测量。此外，可能需要头部弯折成特定角度，以最大可能地接触零件。

图7是涡轮叶片的透视图，并用来示出如何确定扫描路径。沿着希望的扫描路径选了两个点A和F。为这两个点确定触针尖端坐标位置。这可以从CAD数据或零件测量值来确定。也为A点和F点选定表示触针尖端30和主轴42(主轴上的点或头部上A1和A2轴线的交点)之间方向的头部向量在选择头部向量

时可能考虑的因素是所用探针的类型、可达性约束等。头部向量

涉及围绕A1和A2轴线的相对转动，并且可以互换地使用这些数据。

在A和F之间距离较大的情况下，或者扫描路径形状复杂的情况下，可以将扫描路径分成一串路径点B、C、D和E。也可以为这些路径点选择触针尖端位置和头部向量。

可以通过插值或函数拟合来利用这些路径点确定触针尖端路径。可以选择的是，可以利用函数，诸如沿着所述表面的正弦函数来限定触针尖端位置。

两点之间头部向量的运动可以通过函数来描述，例如通过将头部向量角度与沿着轮廓的路程或时间关联起来的函数来描述。图17示出了沿着长度为L的直线进行扫描。扫描开始时，围绕A1轴线的角度为θ。随着扫描的进展，围绕A1轴线的角度变化因此可以通过以下方程[1]中的函数来描述。

θ＝θ_s+(δL/L)θ_p    (1)

其中θ_s表示扫描开始时的θ值，而θ_s+θ_p表示希望的完成角度。

在两条轴线A1和A2正交时，角度θ(围绕A1轴线)和角度

(围绕A2轴线)可以分开处理(即，针对这两个角度采用不同的函数)。虽然图17示出了直线的情况，但是这种方案对于非线性轮廓也是合适的。

向量运动也可以拟合成预定方程，该方程将向量运动与需要测量的特征联系起来。图18示出了扫描水平凸台110的外表面。在该例中，希望向量运动描述环形，且保持探针28的纵轴线与该表面法线对准。可以借助以下方程来描述头部角度：

θ＝sinωt    [2]

ω＝cosωt    [3]

其中ω是触针尖端的转速。

当需要两个头部来产生环形运动时，这些方程是合适的。对于垂直凸台来说，只需要向量围绕A1轴线转动，所以方程可以相应简化。可以衍生出其他方程用于头部运动，这对于其他特征也是适用的。

头部向量的运动还可以通过插值从路径点处的头部角度来确定。

一旦限定触针尖端路径和扫描头部角度，则可以确定CMM主轴的轨迹，从而在A和F之间(连同扫描头部一起)移动触针尖端。

例如，可以围绕图7的涡轮叶片从A点到F点类似地连续确定扫描路径。

图7示出了围绕涡轮叶片32周边进行线性扫描44。但是，还可以使用相同的方法来实施摆动扫描，如图8所示。在本例中，如前所述那样为中部线条44确定CMM主轴轨迹。然后，在头部运动上叠加振荡运动，以产生摆动扫描。

在图5至图8所述的扫描过程中，CMM的运动是复杂的，具有非线性轨迹和速度。允许CMM主轴以非线性速度和轨迹运动，可以建立更为高效地扫描轮廓。可以快速移动马达驱动的扫描头部，因为其质量较小、惯性较小且动态响应高。但是，CMM主轴加速度较高会导致设备扭曲，因此产生测量误差。因此，在任何扫描轮廓中，希望让CMM主轴运动和加速度最小，且马达驱动的扫描头部的运动和加速度最大。这样能实现测量误差最小的高速扫描。

图16示出了两种可能的CMM主轴轨迹，用来扫描X和Y之间的路径90。如果扫描头部角度在X和Y之间固定，则线条AC示出了CMM主轴的轨迹。如果扫描头部角度在X和Y之间变化，线条AB示出了CMM主轴的轨迹。轨迹AB使得CMM主轴的运动最小且最简单。

图9示出了扫描零件48的直线的传统方法。CMM主轴42沿着直线轨迹50移动，沿着直线54牵引探针52。

图10示出了根据本发明的另一种扫描直线54的方法。在该方法中，马达驱动的扫描头部16围绕其A1轴线转动，同时CMM主轴遵循迹线56，该迹线沿着两条背对背的曲线前后移动。为了实现触针尖端30的线性运动，利用马达驱动的扫描头部的运动和CMM主轴的运动两者。但是，让马达驱动的扫描头部的运动最大，而CMM主轴的运动最小，因此允许以高速实现测量误差最小的扫描过程。

如前所述，通过确定希望的触针尖端位置以及头部角度并利用这些数据计算所需的CMM主轴位置，来产生这种扫描轮廓。

这种方法可以用来非常快速地测量方形零件。根据需要，可以选择触针长度和扫描头部的角度，以使CMM主轴的运动最小。

图15示出了在主轴静止而扫描头部提供运动的情况下，方形轮廓82内表面的扫描轮廓80。触针尖端扫过弧线。这种测量数据可以投影到平面上，但是在某些情况下，希望实际测量数据位于平面上。这是可行的，如果主轴垂直移动，以使触针尖端沿直线运动的话。利用本发明的方法，通过选择探针的测量轮廓(例如，方形)、选择扫描过程中所需的头部角度(360°旋转)并从而计算所需的CMM运动，可以有效地测量方形轮廓。虚线81示出了新的触针尖端路径。

图23是衬垫116的平面图。当触针尖端沿限定的路径运动时，本发明适合测量诸如衬垫的零件。在该方法中，不会像从传统技术中那样发生触针尖端跟随错误的路径进入孔中的危险，在传统技术中是选择CMM路径，而非触针尖端路径。图23示出了可以用来测量衬垫116的线形路径118和摆动路径120。

本发明的优势在于，能扫描难于触及的零件，例如凹陷零件。图11示出了具有难以用传统方式测量的凹部60的零件58。为了测量该零件，传统上需要使用三个触针62、64、66。所示位于两条虚线68、70之间的中部可以利用直触针62测量，第一曲柄触针64用来测量虚线68一侧的侧部和底部。曲柄触针64的尺寸受到开口尺寸d的限制，并因此限制了其所能测量的底部表面范围。第二曲柄触针66相对于第一曲柄触针64成180°，并用于测量另一条虚线70一侧的侧部和底部。因此，在测量该凹部60时，至少需要3个阶段。

使用本发明，可以在一个阶段测量该凹部60，如图12所示。在整个扫描过程中，调整触针尖端位置、头部角度和CMM主轴位置，以测量该凹部的全部三个表面。如前所述，希望的触针尖端位置和头部角度用来计算所需的CMM主轴位置。

示出了测量凹部底部时主轴遵循的CMM迹线72。图12的实例说明了复杂零件诸如例如叶盘的可达性问题。

图13示出了凸台74，需要测量其外表面。CMM主轴42与凸台中心线对准。然后围绕A1轴转动马达驱动的扫描头部16，以使触针尖端30向着凸台顶部执行圆周测量。但是，该方法的缺陷在于，无法进一步向下重复该凸台的测量，因为尖端30再也不能接触该表面。

图14示出了扫描凸台74的替代方法。在该方法中，凸台74的外表面分成若干区段，例如4个区段。凸台74的外表面可以这样连续测量：在一个区段上执行摆动扫描，将触针尖端移动到下一个区段，然后对下面的区段执行摆动扫描，以此类推，如线76所示。在扫描轮廓中，还可以通过例如执行摆动扫描(未示出)对凸台顶部进行扫描。当触针尖端30从一个区段移动到另一个区段，其不会离开所述表面。选择触针尖端位置和头部角度并利用它们确定CMM主轴位置，由此如前所述那样来确定扫描轮廓。

可以选择的是，可以沿着一个方向(例如，向上)扫描每个区段，使得触针尖端在区段之间沿着相反方向(例如，向下)跟踪所述表面。可以选择的是，在区段之间，触针尖端可以离开所述表面。

这种方法也适合于水平凸台。

虽然以上实施方式描述了用于扫描表面轮廓的接触式探针，但是也可以通过获取接触点来测量表面轮廓。在这种情况下，测量探针用来获取表面轮廓的离散测量位置。

图19示出了利用传统技术测量孔96，而图20示出了利用本发明的方法测量浅孔98。如图19所示，获取孔内表面离散测量点的传统方法将采用主轴18来沿着中心线100定位扫描头部16，触针尖端30低于将要获取测量点的平面102。然后调节头部角度，以使触针尖端接触所述表面。但是，这种方法对于非常浅的盲孔是不可行的，因为触针尖端受到可达性制约而无法定位在测量点的平面以下。在本发明中，如图20所示，主轴18和探针角度两者都移动，以使触针尖端30形成与孔内表面接触，而不需要让触针尖端位于测量点的平面102以下。这是通过如前面那样选择触针尖端路径和头部角度来实现的。

上述实施方式都描述了利用5个轴的运动，即三个线性CMM轴和两个旋转扫描头部轴。在某些情况下，具有优势的是将5轴运动变为冻结一个轴或多个轴的运动，例如仅使用CMM的运动(3轴)或者仅使用扫描头部的运动(2轴)。

图21是示于XY平面内的涡轮叶片112的平面图。在叶片的长边上，规划路径以给出头部超前和滞后之间的过渡区，这样将使CMM的运动平滑。在狭窄端，选择头部向量，以使其在扫描狭窄端的时候保持固定。这样设置的优势在于，产生的CMM运动最小化。此外，调节头部角度以保持探针在其偏转范围内不会受到头部向量在该尖锐特征上所需变化的阻碍。

图22是示于XZ平面的涡轮叶片114的平面图。如图21那样，叶片的长边具有测量路径，该路径在超前和滞后之间存在扫描头过渡区。在狭窄端，选择头部向量，以使可以仅凭扫描头部的运动来测量该狭窄端，而CMM主轴保持静止。这样设置的优势在于，对于该复杂特征，主轴运动最小化。

以上所述实施方式都适合在零件上规划测量路径。这可以在线实施，例如利用操作杆来控制扫描头部和CMM，从而在具有希望的触针尖端位置和头部角度的表面上获取离散点。这些离散点上的数据可以存储在存储器中和/或用来推算触针尖端、扫描头部和CMM主轴的测量路径。

可以选择的是，可以离线规划测量路径，例如在CAD模型上规划。这种情况下，在CAD模型上选择沿着触针尖端将要遵循的表面的测量轮廓和头部角度。这些数据存储在存储器中和/或用于推算触针尖端、扫描头部和CMM主轴的测量路径。

无论测量路径在线(即，利用操作杆)还是离线(例如，在CAD模型上)建立，都将测量路径数据转化为指令编码，将位置要求编码发送到CMM和扫描头部，从而在测量零件时遵循希望的测量路径。

在零件测量过程中，探针必须保持在其偏转范围内(并且非接触式探针必须保持在其工作范围内)。这是通过使扫描头部偏移其规定运动来实现的。扫描头部沿着目标向量伺服，以保持探针处于其范围内。通常，这种目标向量正交于所述表面。但是，诸如探针方位、摩擦或者位于所需轮廓上的要求等因素可能导致选择不同的目标向量。可以利用经计算的尖端位置、用于向前预测的历史表面点等等来确定目标向量。

可以修改CMM主轴，以保持触针尖端处于限定的平面内。例如，如果头部角度伺服，以保持探针位于其偏转范围内，则触针尖端可以从限定的测量路径表面平面离开。触针位置的变化用来确定触针尖端离开平面的距离，并且可以相应驱动CMM，将触针尖端带回该平面。

虽然上述实施方式描述了采用接触式探针，但是这些扫描方法还适合用于非接触式探针，例如光学、电感或电容探针。对于光学探针，例如，表面上的光斑可以认为等同于触针尖端位置。对于电感或电容探针，偏移量可以认为等同于触针尖端位置。对于接触式和非接触式探针两者，触针尖端有效地作为枢转点，触针可以围绕该枢转点定向，并且仍然测量相同的坐标位置。

Claims (21)

1.一种利用安装在扫描头部上的表面感测设备来测量表面的方法，所述扫描头部位于坐标定位装置的构件上，其中，可以操作所述坐标定位装置，以在扫描头部和表面轮廓之间产生相对运动，并且所述扫描头部包括驱动件，用于使表面感测探针围绕一个或多个轴线转动，所述方法包括以下步骤：

(a)在所述表面感测设备将要跟踪的表面上限定希望的测量轮廓；

(b)当所述表面感测设备沿步骤(a)中的测量轮廓运动时，限定所述表面感测设备的方位的希望运动；

(c)利用步骤(a)和(b)中确定的数据来推算坐标定位装置的所述构件和所述表面之间的相对运动的所需路径，以使所述表面感测设备指示沿着所述测量轮廓的轨迹。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述表面感测设备的所述测量轮廓是线性的。

3.如权利要求1至2任一项所述的方法，其特征在于，所述表面感测设备的所述测量轮廓是非线性的。

4.如权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，步骤(b)中的向量运动包括函数，该函数在表面感测设备沿着测量轮廓运动过程中，确定所述向量。

5.如权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，通过沿着所述测量轮廓在离散点限定所述向量并在这些点之间进行插值，来确定步骤(b)中的向量运动。

6.如权利要求1至6任一项所述的方法，其特征在于，步骤(b)中的向量运动使得所述向量相对于表面法线发生变化。

7.如权利要求1至6任一项所述的方法，其特征在于，选择步骤(b)中的向量，以定位所述表面感测设备，使得其滞后于所述头部，超前于所述头部，或者与所述表面法线的法线对准。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，从一种向量到另一种向量存在过渡区。

9.如前述权利要求任一项所述的方法，其特征在于，选择步骤(a)中的测量路径和步骤(b)中的向量运动，从而在坐标定位装置的所述构件和所述表面之间提供希望的相对运动。

10.如前述权利要求任一项所述的方法，其特征在于，通过在所述表面轮廓上确定两个或多个离散测量点来确定步骤(a)中的测量轮廓。

11.如权利要求1至9任一项所述的方法，其特征在于，步骤(a)的测量轮廓由函数限定。

12.如前述权利要求任一项所述的方法，其特征在于，在部分所述测量轮廓过程中，可以冻结沿着至少一个轴的运动。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，在部分所述测量轮廓过程中，冻结扫描头部的运动。

14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，在部分所述测量轮廓过程中，冻结坐标定位仪的运动。

15.如前述权利要求任一项所述的方法，其特征在于，包括利用步骤(a)、(b)和(c)中的数据来测量表面的步骤。

16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，使用围绕扫描头部的至少一个轴线的旋转运动将表面感测设备保持在其测量范围内。

17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，扫描头部沿着目标向量伺服，以将表面感测设备保持在其测量范围内。

18.如权利要求15至17任一项所述的方法，其特征在于，使用坐标定位装置的所述构件和所述表面之间的相对运动来保持表面感测设备跟踪所述表面的希望平面。

19.一种计算机程序，用于为安装在扫描头部上的表面感测设备编制测量路径，所述扫描头部位于坐标定位装置的构件上，其中，可以操作所述坐标定位装置，以在扫描头部和表面轮廓之间产生相对运动，并且扫描头部包括驱动件，用于使表面感测探针围绕一个或多个轴线转动，所述计算机程序包括代码，其适配成当在计算机上运行时执行权利要求1至14任一项所述的方法。

20.一种装置，用于利用安装在扫描头部上的表面感测设备来测量表面轮廓，所述扫描头部位于坐标定位装置的构件上，其中，可以操作所述坐标定位装置，以在扫描头部和所述表面轮廓之间产生相对运动，并且所述扫描头部包括驱动件，用于使表面感测探针围绕一个或多个轴线转动，所述装置包括用于实施以下步骤的计算机：

(a)在所述表面感测设备将要跟踪的表面上限定希望的测量轮廓；

(b)当所述表面感测设备沿步骤(a)中的测量轮廓运动时，限定所述表面感测设备的方位的希望运动；

(c)利用步骤(a)和(b)中确定的数据来推算坐标定位装置的所述构件和所述表面之间的相对运动的所需路径，以使所述表面感测设备指示沿着所述测量轮廓的轨迹。

21.如权利要求17所述的装置，包括利用步骤(a)、(b)和(c)中的数据来测量表面的步骤。

Images