CN101467000A - 用于测量物体的方法 - Google Patents

Abstract

描述一种用于确定物体例如工件(40)的尺寸是否符合公差的“通过，不能通过”方法。该方法使用测量探针，例如接触触发、模拟或者非接触探针，其安装在测量设备例如坐标测量机、机床或者车床上。该方法包括以下步骤：围绕相对于物体的路径驱动测量探针，所述路径是基于所述物体的公差。相对于物体的所述路径可以至少包括基于物体的最大公差的第一路径(46)和基于物体的最小公差的第二路径(44)。所述方法额外地包括以下步骤：当围绕所述路径驱动探针时监测通过测量探针获得的任何探针测量数据，并且只有当围绕所述路径驱动测量探针时获得的探针测量数据的状态存在变化时，才指示所述物体的尺寸是否不符合公差。

Description

用于测量物体的方法

技术领域

本发明涉及利用测量设备以确定物体的尺寸是否符合公差。特别地，本发明涉及一种利用安装在坐标定位设备上的测量探针确定物体的尺寸是否符合公差的方法。

背景技术

用于检查物体是否符合公差的常规方法包括使用“通过，不能通过(go，no-go)”量规块(gauge block)，如图1所示。该“通过，不能通过”量规块典型地处理塞子、环、锥、扣和螺纹形状，并且对于低至大约0.05毫米的公差是可靠的。“通过(go)”量规26必须能够在机加工孔30内部不受阻碍地滑移，如在图1的情况中，或者，相反地，在机加工的突起上没有阻碍的滑移；如果其不能，那么，物体大于其最大实体要求(maximum materialcondition)。“不能通过(no-go)”量规24必须不能在机加工孔内部滑移，在图1的情况下，也不能在突起上滑移，如果其能够，那么物体小于其最小实体要求(maximum material condition)。

该方法的缺点源于这样的事实，即量规自身必然具有指定的公差，因为其也是制造的。所有的量规公差必须落在工作公差带内以保证超出公差的(坏的)物体不被接受；但是，这意味着一些良好的物体将被拒绝。该方法的另一缺点是检查物体耗时，因为每个量规必须手工地操纵就位。为了防止坏的物体不正确地通过，“通过”量规应该用于仅检查特征的尺寸或者形状，而“不能通过”量规应该仅用于检查任何特征的一个方面(也就是，矩形的长度和宽度应该单独检查)。

“通过，不能通过”量规块给出通过/没有通过检查(pass/fail)的结果。如果物体没有通过检查，量规块不能给出其为什么没有通过检查的信息。如果，例如，工具已经生硬地通过，同时正在切削，从而导致切削误差，那么知道发生这种情况的确切点将是有用的；但是，该信息无法从量规块获得。

另一已知的用于检查物体符合公差的方法包括利用坐标定位设备例如机床检查物体。由机床检查的物体通常是工件，其已经通过机床机加工。机床具有轴，探针(接触的或者非接触的)安装在所述轴上；所述轴能够在机床的工作空间内在X、Y和Z三个正交方向被驱动。

接触探针包括接触触发和模拟探针。接触探针典型地包括壳体以及可相对于壳体偏移的工件接触触针。在接触触发探针中，触针偏离不工作位置导致一指示所述触针已经接触工件表面的信号(例如，参见专利GB1445977)。在模拟探针中，当触针沿着工件表面移动时，连续测量探针的偏移(例如，参见专利GB1551218)。当然，模拟探针能够连接到数字处理器以给出数字输出。

非接触探针定位在靠近工件表面的位置但不与其接触。所述探针利用例如电容、电感或者光学装置检测相对表面的接近程度。

对于各个特征，接触或者非接触探针传递大量的尺寸测量数据到控制器(其可以包括计算机程序)。例如，模拟探针传递数以千计的尺寸测量值。与设备位置信息一起，探针测量数据允许控制器建立工件尺寸的精确图像。为了评定工件是否处于公差内，通过探针获得的尺寸测量值必须与期望的工件测量值相比较。

所述特征必须以足够慢的速度测量以使得数据从每个点采集，在所述每个点上探针在所述特征上偏移。在一些类型的坐标定位设备例如机床中，探针是靠电池操作的，并且测量数据从探针通过无线连接例如光学或者无线电连接发送到控制器。这些通信信号耗尽电池电力。由于待测量的点的实际数量以及因此待传递的数据，整个过程耗费大量电池电力和时间。

发明内容

根据本发明，利用测量设备上的测量探针确定物体(例如工件)的尺寸是否符合公差的方法包括以下步骤：

围绕相对于物体的路径驱动测量探针，所述路径是基于物体的公差的；

当围绕所述路径驱动所述探针时，监测测量探针获得的任何探针测量数据；以及

只有当围绕所述路径驱动所述测量探针时获得的探针测量数据的状态发生变化时，才指示物体的尺寸是否不符合公差。

所述方法可以通过利用接触探针执行。在接触探针例如接触触发探针中，测量探针获得的探针测量数据的状态的变化可以是在偏移探针情况和未偏移探针情况之间的变化。

所述接触探针还可以包括模拟探针。例如，在以下情况可能发生模拟探针的探针测量数据的状态改变：当探针测量数据从在预定测量范围内变化到该范围之外时；或者当探针测量数据超出(cross)预定测量值阈限时。

在探针偏移测量值超出预定的偏移测量值阈限的场合，在模拟探针中发生在偏移情况和未偏移情况之间的状态改变。例如，当探针偏移大于预定偏移测量值阈限时，发生偏移情况；以及当探针的偏移小于预定偏移测量值阈限时，发生未偏移情况。

所述方法还可以利用非接触探针执行。在非接触探针中，例如当探针测量数据从在预定测量范围内变化到该范围外时，发生探针测量数据的状态变化；或者，当探针测量数据超出预定测量值阈限时，发生探针测量数据的状态变化。

有利地，预定测量范围取决于物体的至少一个公差。优选地，预定测量值阈限取决于物体的至少一个公差。

物体的公差限定可接受的物体的最大和最小尺寸。例如，对于圆柱体，最小公差将是较小直径的同心圆柱体，而最大公差将是较大直径的同心圆柱体。测量探针绕着其驱动的路径是基于物体的公差，也就是，探针移动通过限定物体的公差的坐标，或者探针移动通过偏离限定物体公差的坐标的坐标。

本发明的方法比上述现有技术中的“通过，不能通过”量规块更快和更通用。在“通过”或者“不能通过”模式中，探针一次可以测量任何数量的特征，而所述“不能通过”量规块一次只能检查特征的一个方面以避免坏的物体错误地通过检查。本发明还克服由于量规块自身的公差原因而拒绝良好的零件的问题。利用本发明还能够确定物体上没有通过公差测试的确切的点，而利用简单的量规块是不可能实现这一点的。

有利地，当绕所述路径驱动所述探针时监测由测量探针获得的任何探针测量数据的步骤是在探针自身中进行。换句话说，测量探针可以包括检查单元，用于执行绕所述路径驱动所述探针时监测由测量探针获得的探针测量数据的步骤。

这具有以下优点：当采用无线模拟或者非接触探针时，其比传统的探针方法使用明显更少的电池电力并且快很多；这是由于只有当测试没有通过时才需要发送信号。结果，当测试物体的公差时，只发送少量的信号，如果有的话。与产生精确的三维图象所需的数以千计的信号相比，这节省了大量的数据传送，从而节省电池电力。

或者，测量探针输出所有或者大多数的探针测量数据到相关联的检查单元，并且监测任何探针测量数据的步骤是通过所述相关联的检查单元进行的。接口或者控制器可以包括相关联的检查单元。该方法具有以下优点：其比在此前所述的现有技术的方法更快，因为物体的三维呈现不需要通过组合设备位置和探针测量数据进行计算。

有利地，在测量设备包括具有用于控制机床操作的主处理器的机床的场合，指示物体的尺寸不符合公差的步骤包括馈送所述指示到所述主处理器。这使得主处理器能够决定下次要采取的动作。如果物体的尺寸过大，则，例如，机床的主处理器能够操控所述机床以使得再机加工所述物体。

有利地，传感输出端(sensory output)设置在探针上或者相关联的检查单元上的某个地方以向操作者指示物体的尺寸是否不符合公差。传感输出端可以例如是LED或者蜂鸣器。

测量探针可以是接触探针，例如接触触发探针或者模拟探针，或者是非接触探针，例如电容、电感或者光学探针。

用于本发明的方法的测量设备可以包括坐标定位设备，例如专用坐标测量机(CMM)，或者机床，例如车床和机加工中心等。

优选地，围绕相对于物体的路径驱动测量探针的步骤是通过探针在“快速”模式下进行的，也就是，探针将尽可能快地移动而且没有给出错误的测量数据。

有利地，相对于物体的路径可以仅包括第一路径。在这样的实例中，当围绕所述第一路径驱动测量探针时，探针测量数据对于处于公差内的物体必须保持在一种状态。为了使探针测量数据保持在一种状态中，探针测量数据必须保持在预定的测量数据范围内；所述范围取决于物体的至少一个公差。如果探针测量数据移动到特定范围外，从而改变探针测量数据的状态，发送信号以指示物体不符合公差。有利地，这样的方法用于接触探针，例如模拟探针，和非接触探针，例如电容、电感或者光学探针。

方便地，相对于物体的路径可以包括第一路径和第二路径。所述第一路径和第二路径可以基于物体的最大公差允许尺寸和最小公差允许尺寸。例如对于圆柱体，最大公差允许尺寸是圆柱体的最大可接受尺寸。例如对于圆柱体，最小公差允许尺寸是圆柱体的最小可接受尺寸。对于处于公差内的物体，当围绕第一路径驱动测量探针时，探针测量数据必须保持在第一指定状态，并且，当围绕第二路径驱动探针时，探针测量数据必须保持在第二指定状态。该方法可以用于接触探针，例如接触触发和模拟探针，以及非接触探针，例如电容、电感或者光学探针；其最适于接触触发探针。

所述方法可以包括这样的额外的步骤，即如果初始扫描发出物体的某个区域没有通过检查的信号，再次扫描所述区域以发现没有通过检查的确切位置。再次扫描步骤优选地以比初始扫描更慢的速度进行，以更加精确地找到物体上没有通过检查的点。

附图说明

现将仅通过是实力并参照附图描述本发明的优选实施方式，其中：

图1示出现有技术的“通过，不能通过”量规块以及具有将由所述量规测量的特征的物体的侧视图；

图2示出安装在机床中在工件之上的探针的示意图；

图3示出具有孔的工件的平面图；

图4a示出圆柱体的透视图，而图4b示出圆柱体的平面图；

图5a示出具有孔的工件的平面图；而图5b示出当扫描图5a的孔时触针偏移随着时间的变化；

图6a是示出探针输出超出公差的数据的流程图；以及

图6b是示出接口或者控制器输出超出公差的数据的流程图。

具体实施方式

附图的图2示出设置在机床上的工件。测量探针6安装在机床的轴2上并通过机床保持器4保持就位。这是与其中当在工件14上对特征12进行机加工时切削工具将被保持的位置相同的位置。探针包括探针体5、触针8和触针末梢10。工件14安装在机床工作台16上。

在这种情况下，轴2和测量探针6可以在由计算机、接口或者机床控制器控制的X、Y和Z驱动器作用下在X、Y和Z方向运动，而工作台保持固定。X、Y和Z轴标尺(其包括用于标尺的输出的计数器)示出轴2的位置的瞬间三维坐标，测量探针6安装在轴2上。从测量探针6发出的测量读数与来自X、Y和Z轴标尺的读数结合，从而允许计算触针末梢的位置以及因此允许计算工件表面的位置。

尽管示出的为工作台固定的情况，但是机床可以包括仅在Z方向运动的轴和测量探针，而工作台在X和Y轴相对其运动。导致探针相对于工件在三个自由度上运动的任何组合都是可能的。

虽然上面描述的是机床，但是可以使用其它的测量设备，例如专用CMM、机器人和非笛卡尔测量设备。

图3示出包括机加工孔20的工件14的平面图。参照图2描述的所述设备能够用于检查所述孔的公差。

当在“通过”模式检查孔20时，探针触针初始时是没有偏移的，并且沿着基于孔的最小可接受直径d1的“通过”路径22由控制器驱动。如果探针触针在该路径的所有点上都保持没有偏移，那么没有信号会发到数据采集装置(例如，机床控制器)并且工件通过“通过”检查。如果触针在沿着“通过”路径的任何点发生偏移，那么机床在该点锁止，从而记录探针偏移的XYZ位置；所述孔具有小于最小可接受直径d1的直径并且所述工件没有通过“通过”公差测试。

在这种情况下，通过“通过”检查意味着孔的直径大于公差指定的最小直径。如果工件没有通过“通过”检查，其可以被进一步机加工并再次检查。

当在“不能通过”模式检查孔20时，探针触针开始时相对于孔的表面是倾斜的，并由控制器沿着基于孔的最大可接受直径d2的“不能通过”路径18驱动。选择“不能通过”路径以使得触针的复位位置位于公差之外。如果触针在路径上的所有点都保持偏移，那么没有信号发出并且工件通过“不能通过”检查。如果触针复位，也就是，触针变成不偏移的，在该过程期间，机床锁止在该点，从而记录复位触针的XYZ位置。工件没有通过“不能通过”公差测试。

在这种情况下，通过“不能通过”检查意味着孔的直径小于由公差指定的最大直径。如果工件没有通过“不能通过”检查，则应当拒绝该工件。

工件的最大尺寸和最小尺寸能够通过从已知的期望的工件表面轮廓加上和减去公差进行计算。

所述方法的该实施方式最适合用于接触触发探针，如上所述。当遵循所述方法的该实施方式时，也就是通过沿着两条路径驱动探针，在一条路径中，对于处于公差内的工件，探针必须保持偏移(也就是探针的偏移大于上限)，并且在另一条路径中，对于处于公差内的工件，探针必须保持未偏移(也就是探针的偏移必须小于下限)，可以以与接触触发探针相同的方法使用模拟探针。

该实施方式同样适合用于非接触探针，例如光学、电容和电感探针。在这种情况下，在沿着路径的点上测量工件距离探针的距离。沿着“通过”路径，如果距离读数保持在限定的水平之上(也就是工件距探针比公差极限更远)，工件将通过“通过”测试，但是，如果距离读数下降到所述限定水平之下，那么所述零件将不能通过“通过”测试。沿着“不能通过”路径，如果距离读数保持在限定的水平之下(也就是工件离探针比公差极限更近)，工件将通过“不能通过”测试，但是，如果距离读数增大到在所述限定水平之上，那么该零件将不能通过“不能通过”测试。在每种情况下，所述限定水平将探针分为两种状态(例如，触发的和没有触发的)。

“通过”和“不能通过”路径从孔到凸起部是反过来的。图4a示出工件40，其是具有公称直径42的圆柱体。图4b示出该圆柱体的平面图，从而表明其直径的公差极限。在这种情况下，描述该圆柱体的最小可接受直径d1’的路径44形成“不能通过”路径，而描述该圆柱体的最大可接受直径d2’的路径46形成“通过”路径。

参照图5，示出本发明的另一方法。图5a示出具有孔52的工件50，而图5b示出当扫描工件时触针偏移随着时间的变化。在该实例中，探针触针被指定最大偏移56和最小偏移54，其分别对应孔52的最小公差直径d3和最大公差直径d4。如果当围绕路径驱动探针时探针触针偏移保持在54-56的范围内，那么工件处于公差内并通过检查。如果探针触针的偏移大于上限56(如在36)，那么机床将锁止并发出信号到机床控制器，从而指示工件需要进一步机加工。如果探针触针的偏移小于下限54，机床将锁止并发出信号以指示该工件应该被拒绝。

对于圆柱体，最小可接受圆柱体直径可以被指定为最小可接受偏移，因此，最大可接受圆柱体直径指定为最大可接受偏移。再者，如果探针触针的偏移大于上限56，那么机床将锁止并发出信号到机床控制器，从而指示工件需要进一步加工。如果探针触针的偏移小于下限54，则机床将锁止并发出信号以指示该工件应该被拒绝。

该方法可以利用模拟探针进行，如上所述。该方法还适合于非接触探针，例如光学、电感和电容探针。这些探针测量工件与探针之间的距离。设定对应公差极限的上限距离和下限距离以限定探针输出的公差允许范围。只有在当探针输出落在允许范围之外时，机床才会锁止并且发出信号。

确定工件的尺寸是否符合公差的方法可以包括再次扫描工件区域的额外的步骤。如果初始扫描发出在给定区域中存在没有通过的信号，那么能够在所述区域以更低的速度重复该扫描，从而使得能更加精确地确定工件上没有通过检查的那个点。

可以利用本发明进行公差符合度检查的其它的类型的机加工特征包括例如边角、倒角和直边缘。

图6a是示出根据本发明的方法的流程图，其中探针60仅输出超出公差的数据到接口或者控制器62。图6b是示出探针60输出所有的测量数据到接口或者控制器62的流程图。

上面结合图2-5描述的实例包括只有当工件处于公差之外时才从探针发出信号到控制器/接口，如图6a的流程图所示。

或者，探针可以在沿着其路径的所有点发出信号到控制器/接口，并且如果工件的尺寸不符合公差，控制器/接口可以发送信号到机床控制器或者接口；这示出在图6b的流程图中。在这种情况下，只有超出公差的数据才通过接口或者控制器62输出。

Claims (20)

1.一种利用在测量设备上的测量探针确定物体的尺寸是否符合公差的方法，包括以下步骤：

围绕相对于所述物体的路径驱动所述测量探针，所述路径是基于所述物体的公差的；

当围绕所述路径驱动所述测量探针时，监测由所述测量探针获得的任何探针测量数据；以及

只有当围绕所述路径驱动所述测量探针时所获得的所述探针测量数据的状态发生变化时，才指示所述物体的尺寸是否不符合公差。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述测量设备是坐标定位设备。

3.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，相对于所述物体的路径至少包括第一路径和第二路径，所述第一路径和所述第二路径分别基于所述物体的最大公差允许尺寸和最小公差允许尺寸。

4.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述测量探针是接触触发探针。

5.如权利要求4所述的方法，其中，由所述测量探针获得的所述探针测量数据的状态变化是在偏移探针情况和未偏移探针情况之间的变化。

6.如权利要求1或2所述的方法，其中，相对于所述物体的路径仅包括第一路径。

7.如权利要求1-3和6中任一项所述的方法，其中，所述测量探针是模拟探针。

8.如权利要求1-3和6中任一项所述的方法，其中，所述测量探针是非接触探针。

9.如权利要求7或8所述的方法，其中，当所述探针测量数据超出预定测量值阈限时，所述探针测量数据的状态发生变化。

10.如权利要求9所述的方法，其中，所述预定测量值阈限取决于所述物体的至少一个公差。

11.如权利要求7-10中任一项所述的方法，其中，当所述探针测量数据从预定测量范围内变化到所述范围之外时，所述探针测量数据的状态发生变化。

12.如权利要求11所述的方法，其中，所述预定测量范围取决于所述物体的至少一个公差。

13.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述测量探针包括检查单元，所述检查单元用于执行当围绕所述路径驱动所述探针时监测由所述测量探针获得的探针测量数据的步骤。

14.如权利要求1-12中任一项所述的方法，其中，所述测量探针输出探针测量数据到相关联的检查单元，其中所述监测任何探针测量数据的步骤是由所述相关联的检查单元进行的。

15.如权利要求14所述的方法，其中，接口和控制器中的至少一个包括所述相关联的检查单元。

16.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述围绕相对于所述物体的路径驱动所述测量探针的步骤是通过所述探针尽可能快地行进而且没有给出错误的测量数据而进行的。

17.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述方法包括以下额外步骤：如果初始的扫描发出所述物体的某个区域没有通过检查的信号，则再次扫描所述区域以找到没有通过检查的确切位置。

18.如权利要求17所述的方法，其中，所述再次扫描所述区域的步骤是以比所述初始扫描更慢的速度进行的。

19.如前述权利要求中任一项所述的方法，包括提供传感输出端以向操作者指示所述物体的尺寸是否不符合公差的步骤。

20.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述测量设备包括具有用于控制机床操作的主处理器的机床，并且指示所述物体的尺寸不符合公差的步骤包括馈送所述指示到所述主处理器。

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