CN101427100B - 误差校正方法 - Google Patents

Abstract

一种对使用坐标定位设备获得的工件测量值进行误差校正的方法，包括步骤：测量工件；从预定误差函数、查找表或图谱确定可重复的测量误差；在测量工件时，测量加速度的至少一个函数并计算不可重复的测量误差；和组合可重复的误差和不可重复的误差，以确定总误差；和利用总误差来校正工件测量值。

Description

误差校正方法

技术领域

本发明涉及利用坐标定位设备测量工件。坐标定位设备可以包括坐标测量仪(CMM)、机床、手动坐标测量臂和检查机器人。本发明特别涉及校正工件测量值中的误差。

背景技术

工件生产出来之后，常见的做法是在坐标测量仪(CMM)进行检查，该坐标测量仪具有主轴(quill)，探头安装到该主轴上，可以沿着三个正交的方向x、y和z在仪器的工作空间内驱动所述探头。作为过程控制的一部分，利用安装在机床上的探头检查工件也是通常的做法。

当探头接触工件表面时，通过降低仪器速度并导致探头非常缓慢地行进，可以降低仪器动态偏转所导致的不精确性。

我们早期的专利US4,333,238公开了一种在利用接触触发式探头进行测量时补偿仪器动态偏转的方法。在高速测量时，所需的加速度可能导致仪器以及安装有探头的主轴发生动态偏转，因此导致工件测量读数中存在误差。在探头中设置加速度计，并由此确定接触触发式探头获取工件测量读数的瞬间出现的动态偏转，可以克服这种误差。任何在加速度阈值以上进行的测量都可以以较低的加速度重复。

我们先前的专利US4,991,304公开了一种利用坐标测量仪(CMM)检查一系列工件的方法，其中通过让探头以缓慢的速度贴靠参考物体诸如基准球，以提供一组校正偏差，为探头的每个希望的移动方向首先进行校正或校准，并且这些校正偏差可以存储在计算机内，用于后续测量。

将需要测量的第一工件置于CMM工作台上，并以低速测量工件表面上的一组点，以获取精确的读数。然后以高速重复测量第一工件，计算并存储低速读数和高速读数之间的差值。存储的每个测量点的误差值考虑了仪器结构在高速下的动态偏转。

将下一个需要测量的工件设置在CMM工作台上，并以高速获取读数。在该速度下，读数不精确，但是可以重复。每个高速读数通过增加相应的存储误差值进行调节，因此补偿高速测量带来的误差。

国际专利申请WO03/074968公开了一种检查一系列工件的方法，其中首先在高精度仪器上，例如在形状测量仪上校准样品(artefact)，然后将其置于坐标定位设备上。在坐标定位设备上以高速测量该样品，并从校准后的样品的已知形状和在坐标定位设备上测量的样品测量形状之间的差值得出误差函数或图谱。将该误差函数或图谱用于校正在坐标定位设备上高速下测量的后续工件的测量值。这样做的优势在于，不需要绘制坐标定位设备的误差图谱。

US4991304和WO03/074968中公开的方法在仪器行为可以重复的速度下工作良好。仪器驱动系统越平滑，就能实现越高的速度，同时不产生动态误差，而校正图谱无法校正这种动态误差。

一些坐标定位仪在高速下产生了明显的驱动振动。导致误差的振动来源于仪器机械驱动器和控制系统。由这些振动(通常高于5Hz)导致的误差并不适合以上所述的针对动态误差的补偿方法，因为振动在高速下会引起不可重复的行为，而这种行为会导致测量误差。

专利US6,412,329描述了一种使用加速度计测量探头加速度来降低加速度引发的测量误差的方法。将加速度信号进行积分，产生移动部件的速度信号，该速度信号用在速度反馈控制回路(loop)中，产生校正信号。

欧洲专利EP1311799公开了一种校正因仪器部件的振动而由CMM位置测量设备引发的坐标测量误差的方法。例如利用加速度计测量仪器移动部件的加速度，并将该加速度值二重积分，产生表示因该加速度而导致的仪器部件位移的信号。表示仪器部件位移的信号由仪器位置测量设备产生。使用数据融合算法来处理两个如此获得的位移信号，以校正仪器产生的位移测量值中的移动部件振动。

上述两种方法存在的缺陷在于，在试图校正低频误差(通常为0-5Hz)时，加速度计的漂移和噪声导致了问题，并因此导致校正不可靠。

发明内容

本发明提供一种对使用坐标定位设备获得的工件测量值进行误差校正的方法，在所述设备中，工件安装在所述设备的床体上，而工件感测探头相对于该床体移动到与每个工件呈位置感测关系，并获得位置读数，而且设置有用于测量探头相对于床体的加速度的至少一个函数的装置，所述方法包括以任何适当顺序排列的以下步骤：

(a)测量工件；

(b)从预定误差函数、查找表或图谱确定可重复的测量误差；

(c)在测量工件时，测量加速度的至少一个函数并计算不可重复的测量误差；和

(d)组合步骤(b)和(c)中获得的可重复的误差和不可重复的误差，以确定总误差；和

(e)利用步骤(d)中确定的总误差来校正工件测量值。

该方法允许更为精确地表示工件，因为可以调节了可重复的误差和不可重复的误差两者。

可重复的误差通常指的是低频(例如，小于5Hz)误差。它们归因于例如探头的离心力。不可重复的误差通常指的是高频(例如，大于5Hz)误差。它们归因于例如仪器振动。

CMM通常在大约5-15Hz的频率下机械解耦，意味着高于约5Hz的数据可能包含仪器振动，因此不可重复。

可以利用加速度计确定不可重复的误差。

该方法可以包括确定预定误差函数、查找表或图谱的步骤。

步骤(b)中的预定误差函数、查找表或图谱可以通过以测量速度(优选为高速)测量尺寸已知的样品来确定，其中测量误差从已知尺寸和测量尺寸之间的差值来确定。

所述样品可以包括需要测量的一系列工件其中之一。可以选择的是，所述样品可以具有与工件的尺寸和形状特征相类似的特征。

样品的形状可以通过在坐标定位设备上以低速测量所述样品来确定。可以选择的是，可以通过在单独的高精度坐标定位设备诸如形状测量仪上进行测量来确定所述样品的形状。

可以在探头以一定范围的频率振荡时，利用探头获取所述样品的测量读数来确定步骤(b)中的预定误差函数、查找表或图谱。从已知尺寸和测量尺寸之间的差值确定测量误差。因此可以从探头加速度和测量误差之间的关系来确定误差函数、查找表或图谱。

步骤(a)中测量样品的步骤可以包括扫描所述样品。

本发明的第二方面提供一种对使用坐标定位设备获取的工件测量值进行误差校正的设备，在所述设备中，工件安装在所述设备的床体上，且工件感测探头相对于该床体移动到与每个工件呈位置感测关系并获取位置读数，而且设置有用于测量探头相对于所述床体的加速度的至少一个函数的装置，所述设备包括控制器，该控制器适配地以任何适当的顺序执行以下步骤：

(a)测量工件；

(b)从预定误差函数、查找表或图谱确定可重复的测量误差；

(c)在测量工件时，测量加速度的至少一个函数并计算不可重复的测量误差；和

(d)组合步骤(b)和(c)中获得的可重复的误差和不可重复的误差，以确定总误差；和

(e)利用步骤(d)中确定的总误差来校正工件测量值。

本发明的第三方面提供一种对使用坐标定位设备获取的工件测量值进行误差校正的方法，在所述设备中，工件安装在所述设备的床体上，且工件感测探头相对于该床体移动到与每个工件呈位置感测关系并获取位置读数，而且设置有用于确定探头相对于所述床体的加速度的至少一个函数的装置，所述方法包括以下步骤：

利用工件测量探头扫描样品，同时确定探头的加速度或加速度的函数；

将样品的测量尺寸与该样品的已知尺寸相比较，以确定测量误差；

创建误差函数、图谱或查找表，它们至少将探头的加速度或加速度的函数与测量误差关联起来；

扫描后续工件，同时至少确定探头的加速度或加速度的函数；以及

由所测量的加速度或加速度的函数以及所述误差函数、图谱或查找表确定所述测量校正值。

所述误差函数、图谱或查找表可以包含其他变量。例如，另一个变量可以包括速度。

本发明的第四方面提供一种对工件测量值进行误差校正的设备，在所述设备中，工件安装在所述设备的床体上，且工件感测探头相对于该床体移动到与每个工件呈位置感测关系并获取位置读数，而且设置有用于确定探头相对于所述床体的加速度的至少一个函数的装置，所述设备包括控制器，该控制器适配地以任何适当的顺序执行以下步骤：

利用工件测量探头扫描样品，同时确定探头的加速度；

将样品的测量尺寸与该样品的已知尺寸相比较，以确定测量误差；

创建误差函数、图谱或查找表，它们至少将探头的加速度或加速度的函数与测量误差关联起来；

扫描后续工件，同时至少确定探头的加速度或加速度的函数；以及

由所测量的加速度或加速度的函数以及所述误差函数、图谱或查找表确定所述测量校正值。

附图说明

现在将参照附图，通过实施例来说明本发明的优选实施方式，其中：

图1是坐标测量仪(CMM)的示意图；

图2示出了图1所示的加速度计的细节；

图3是本发明第一实施方式的流程图；

图4是确定图3中预定误差图谱或函数的第一种方法的流程图；

图5是确定图4中预定误差图谱或函数的第二种方法的流程图；

图6是确定图5中预定误差图谱或函数的第三种方法的流程图；

图7示出了未校正的测量数据以及校正了高频加速度和低频加速度之后的测量数据；

图8是本发明第二实施方式的流程图；

图9是探头扫描样品表面的同时进行径向振荡的示意图；

图10是本发明第三实施方式的流程图。

具体实施方式

图1示出的坐标测量仪(CMM)10包括工作台12，需要测量的工件14放置在工作台上。优选由自动装置(未示出)来完成这项工作，该自动装置将一系列基本上相同的工件从生产线上放置于工作台上的至少名义上相同的位置和取向。模拟探头16具有可偏转的触针20，该触针具有工件接触末梢22，该模拟探头安装在仪器的主轴18上，但是也可以使用其他类型的探头(包括接触触发式探头)。主轴和探头在计算机控制的x、y和z驱动器的作用下，可以沿着x、y和x方向一起移动。x、y和z量尺(包括用于输出刻度的计数器)示出了安装有探头16的主轴18的三维位置的瞬时坐标。将来自探头16的表示探头触针20偏转的信号与CMM的x、y、z量尺读数相结合，计算触针末梢22的位置，由此计算工件14的表面。

可以选择的是，利用接触触发式探头，表示探头接触工件表面的信号将来自量尺的输出值冻结，而计算机获取工件表面的x、y和z坐标读数。

在扫描工件的过程中，在探头移动或静止时均会检测到径向测量误差。这归咎于仪器结构的振动。在扫描过程中，如果探头径向速度较低(而切向速度相对较高)，则该径向速度对于测量误差的影响较小。在接触触发式测量的情况下，情况正好相反，此时径向测量误差归咎于探头靠近工件时较高的径向速度。

截至目前所述的仪器是传统仪器。控制器8，诸如计算机，包含程序，该程序致使探头16扫描工件14的表面，或使接触触发式探头接触工件表面许多不同的点，点的数量足够为所需的检查操作获取所有所需的工件尺寸和形状。这种控制器可以用来控制以后的步骤，如下所述。

加速度计24设置在直接连接于主轴18和探头16壳体之间的壳体中。图2示出的加速度计可以包括例如一种已知布置的压电晶体25，所述压电晶体连接在基部26和自由质块(free mass)28之间。输出值30X、30Y、30Z从所述晶体获得，传输相应于分别沿x、y和z方向作用于该质块的初始力所产生的电流。因此，该加速度计测量探头沿着x、y和z方向的加速度。可以选择的是，加速度计可以用显微机械加工的硅制成。可以使用任何类型的能测量探头加速度的加速度计。

现在参照图3所示的流程图描述本发明的第一实施方式。工件置于坐标测量仪的工作台上。

以高速测量工件38，并记录加速度计的输出40，同时记录仪器量尺42。

加速度计的输出40经过高通滤波器过滤44，结果进行二重积分46，产生位置读数48。该位置读数就是由高频加速度导致的测量误差。

仪器量尺的输出42用位置读数48进行校正，产生校正了高频误差的测量值50。在步骤52中，应用预定的低频误差图谱36，校正该测量值50的低频误差。这样就产生校正了高频误差和低频误差的测量值54。

预定误差图谱可以通过多种方式确定。图4示出了确定预定误差图谱或函数的第一种方法。在该方法中，样品置于坐标测量仪的工作台上，优选与以前/以后的工件处于相同位置和取向。样品可以包括一系列待测工件中的工件。可以选择的是，样品可以具有基本上符合该系列工件的尺寸和位置特征的特征。

使用探头以较低的速度测量样品56，确定样品的精确形状。通过缓慢测量样品，消除了动态误差。此外，使用校准过的探头和仪器，确保静态误差最小化。因此，可以获得样品的精确测量值。

然后利用工件接触探头以较高的速度测量样品58。优选工件对于较慢和较快的扫描处于相同位置和相同取向。

从快速扫描数据中消除测量误差的高频分量60。这可以借助利用低通滤波器过滤测量数据或者通过消除前面图3所示的步骤48中确定的高频测量误差来实现。

因此，对于样品表面上的每个测量点而言，获知了其正确位置和高速下的测量位置两者。可以通过获取表面上的点的已知位置(以慢速扫描56来确定)和高速下获取的已消除高频分量60的该点的测量值之间的差值来确定与该点有关的低频可重复动态误差。由此可以创建低频误差函数或图谱62，其补偿该可重复误差(尺寸和低频形状)。

确定低频误差预定函数或图谱的第二种方法在图5中示出。在该方法中，通过在单独的高精度仪器64上测量来确定样品的形状，所述高精度仪器例如是形状测量仪或圆度仪。这样做的优势在于，不需要校正CMM的几何误差。此外的优势在于，加速了进程并降低了校准成本，因为CMM不再需要常规校准。

然后利用仪器上的工件接触探头快速测量样品，随后的测量65也将在该仪器上进行。与上述第一种方法相同，从快速扫描数据中消除高频误差分量66。和前面一样，借助使用低通滤波器或图3中的步骤48确定的数据来完成该项工作。从样品在高精度仪器上测量64得到的已知尺寸和在CMM上高速测量并消除高频分量66之后的尺寸之间的差值来确定预定误差函数或图谱68。

确定低频误差的预定误差函数或图谱的第三种方法在图6中示出。

探头贴靠样品的表面放置70，并在一定的频率范围内振荡探头72，而触针末梢保持与表面接触。这种振荡可以包括正弦振荡。以加速度计测量探头的加速度74，同时测量样品76。还可以读取仪器量尺并将量尺读数二次微分来确定探头的加速度。从样品测量尺寸76和加速度数据两者中消除高频分量75、77。和前面一样，可以利用低通滤波器或图3中的步骤45确定的数据来完成这样工作。可以选择的是，对于步骤75，可以利用步骤74获取的加速度数据来完成。从样品的测量值76(去除高频分量75)和样品的已知尺寸78之间的差值来确定测量误差80。这样就可以创建将加速度74与测量误差80关联起来的误差函数或图谱82。

正弦振荡在样品的两个或多个位置实施，以确定两个或多个误差分量。这些位置可以位于匹配仪器驱动器的方向上(例如，与系统的X和Y轴对准)。为了计算方便，优选这些位置隔开90°。一旦创建了将测量误差分量与加速度关联的误差函数或图谱，则可以向样品的任何测量值应用相应的误差校正值。

图7示出了样品的测量位置读数和校正位置读数。线84示出了没有进行误差校正的量尺输出。线86表示校正了高频误差的测量值。线88表示校正了高频误差和低频误差两者的测量值。

现在参照图8描述本发明的第二实施方式。

样品置于CMM上并在高速下测量90。由加速度计测量主轴92的加速度。与加速度92同时读取仪器量尺94。

由加速度测量的加速度92经过高通滤波器过滤96并二重积分98，产生与高频误差有关的测量误差100。

量尺输出94经过二重微分102，产生加速度读数104。该加速度读数经过低通滤波器106过滤。可以选择的是，可以从加速度计92获取加速度数据，如虚线93所示。将加速度与测量误差108关联的预定低频误差函数或图谱应用到过滤后的加速度读数，产生低频测量误差110。预定低频误差函数或图谱可以借助参照图6所述的方法确定。步骤102-110可以由参照图4至图6所述的任何确定低频测量误差的方法所取代。

高频测量误差100和低频测量误差110应用于仪器量尺读数94，产生校正了误差的测量值112。

在上述实施方式中，为了简化，误差函数或图谱仅包括x和y加速度分量。但是，误差函数或图谱可以包括x、y和z加速度分量。为了将z加速度分量包括进来，样品的高速测量值必须具有包括z方向的加速度的测量轮廓(measurement profile)，例如其可以包含复合角或者可以包括在球体上进行螺旋扫描。

优选在使用加速度计的仪器上校准该加速度计，以便加速度计和仪器的灵敏性可以匹配，允许在感测到的振动和偏转误差之间进行精确校准。

校准加速度计的一种方法是将探头的触针末梢靠着固定物体诸如基准球定位，并以一定频率驱动仪器摆动，同时读取加速度计的输出。固定物体尺寸的表象改变可以与加速度计测量的振动关联起来。

这种方法可以通过扫描形状已知的样品来实现，诸如扫描基准球或环规。较高频率的误差分量导致样品测量数据上出现明显的形状波纹误差(form ripple error)。可以计算形状波纹误差和加速度输出之间的数学关系，以校准该系统。

对于大多数精确结果而言，加速度计直接置于表面感测探头上。但是，将它们直接放置在测量点上可能不切实际，但是越靠近越好。

振动/高频分量也可以通过其他方式测量。例如，弹簧系统上的悬挂质块，优选利用非接触式装置测量该质块的偏转。

可以使用匹配的滤波器，以便在全部频率范围内校正测量值。

使用数据融合算法来组合因高频加速度和低频加速度导致的测量误差。

在本发明的第三实施方式中，创建将加速度与测量误差关联起来的查找表。

为了创建该查找表，必须确定与一定频率范围内的加速度对应的一组测量数据。这些数据可以利用图6所述的正弦振荡来确定。

用于查找表的数据也可以通过若干次测量尺寸已知的样品同时记录加速度来确定。因此，针对样品上的若干位置创建一定范围内的加速度数据和测量数据，这些数据可以用来创建所述的查找表。

另一种获取查找表所需数据的方法在图9中示出。当探头末梢114沿表面116的路径移动时，通过使探头末梢114贴靠表面116径向振荡来测量样品。以此方式，创建一定范围的加速度数据和测量数据。

一旦创建了查找表，则可以对量尺测量值进行误差校正，如参照图10所述。测量样品120，同时记录量尺读数122和加速度124。可以从加速度计来确定加速度124。可以选择的是，来自量尺读数122的数据可以二重积分，产生加速度输出，如虚线所示。将查找表126应用于加速度输出124，确定测量误差128。利用测量误差128来创建量尺读数122的测量校正值130，因此产生校正后的测量值132。

查找表可以被误差图谱或函数取代。查找表(或者误差图谱或函数)可以包含除加速度之外的变量。例如，查找表可以包含速度数据。该数据可以直接测量，或者从量尺读数或加速度读数中推算。

该方法校正了高频加速度和低频加速度两者导致的误差，并且不对两者进行区分。

上述全部实施例描述的CMM都包括固定床体和移动探头。但是，这些实施方式也适合于包括固定探头(或者仅在一个轴线上可以移动)和移动床体的仪器。在这种情况下，测量床体的加速度而非探头的加速度。可以通过将加速度计置于仪器床体上来实现这种测量。在各种情况下，相对于仪器量尺测量移动部件的加速度。

本发明的全部实施方式允许利用带有明显驱动振动的仪器进行高速测量。

所有的方法也适合与非接触式探头例如光学探头或电容探头一起使用。

Claims (15)

1.一种对使用坐标定位设备获得的工件测量值进行误差校正的方法，在所述设备中，工件安装在所述设备的床体上，而工件感测探头相对于该床体移动到与每个工件呈位置感测关系，并获得位置读数，而且设置有用于测量工件感测探头相对于该床体的加速度的至少一个函数的装置，所述方法包括以任何适当顺序排列的以下步骤：

(a)测量工件；

(b)从预定误差函数、查找表或图谱确定可重复的测量误差；

(c)在测量工件时，测量工件感测探头相对于该床体的加速度的至少一个函数并计算不可重复的测量误差；和

(d)组合步骤(b)和(c)中获得的可重复的测量误差和不可重复的测量误差，以确定总误差；和

(e)利用步骤(d)中确定的总误差来校正工件测量值。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述可重复的测量误差是低频误差。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述低频误差的频率小于5Hz。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述不可重复的测量误差是高频误差。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述高频误差的频率大于5Hz。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，利用加速度计确定所述不可重复的测量误差。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括确定预定误差函数、查找表或图谱的步骤。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过以测量速度测量尺寸已知的样品来确定步骤(b)中的预定误差函数、查找表或图谱，其中可重复的测量误差由已知尺寸和测量尺寸之间的差值来确定。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述样品包括需要测量的一系列工件其中之一。

10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述样品具有与工件尺寸和形状特征相类似的特征。

11.如权利要求8至10任一项所述的方法，其特征在于，通过在坐标定位设备上以低速测量所述样品来确定所述样品的形状。

12.如权利要求8至10任一项所述的方法，其特征在于，通过在单独的高精度坐标定位设备上测量所述样品来确定所述样品的形状。

13.如权利要求1至7任一项所述的方法，其特征在于，在工件感测探头以一定范围的频率振荡时，利用工件感测探头获取样品的测量读数来确定步骤(b)中的预定误差函数、查找表或图谱。

14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(a)中的测量工件的步骤包括扫描所述工件。

15.一种对使用坐标定位设备获取的工件测量值进行误差校正的设备，在所述设备中，工件安装在所述设备的床体上，且工件感测探头相对于该床体移动到与每个工件呈位置感测关系并获取位置读数，而且设置有用于测量工件感测探头相对于所述床体的加速度的至少一个函数的装置，所述设备包括控制器，该控制器适配地以任何适当的顺序执行以下步骤：

(a)测量工件；

(b)从预定误差函数、查找表或图谱确定可重复的测量误差；

(c)在测量工件时，测量工件感测探头相对于所述床体的加速度的至少一个函数并计算不可重复的测量误差；和

(d)组合步骤(b)和(c)中获得的可重复的测量误差和不可重复的测量误差，以确定总误差；和

(e)利用步骤(d)中确定的总误差来校正工件测量值。

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