CN101669009B

CN101669009B - 用于表面测量的装置和方法

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Publication number: CN101669009B
Application number: CN2008800136841A
Authority: CN
Inventors: 哈立德·马穆尔; 琼·路易斯·格热西亚克
Original assignee: Renishaw PLC
Current assignee: Renishaw PLC
Priority date: 2007-04-24
Filing date: 2008-04-23
Publication date: 2013-03-13
Anticipated expiration: 2028-04-23
Also published as: JP2010525357A; EP2140225B2; GB0707921D0; CN101669009A; EP2140225B1; EP2140225A1; WO2008129305A1; US8908901B2; JP5575635B2; US20100119104A1

Abstract

一种用于确定表面特征的尺寸和位置的方法，所述表面特征例如是阀座。测量所述特征的表面，例如借助接触式探针使用螺旋扫描路径进行测量，并且使用从所述扫描获得的多个数据点来产生数字化图像。将所述数字化图像与所述表面特征的标称图像(例如，CAD数据)进行拟合。使用所述数字化图像与所述标称图像之间的偏差来确定所述表面特征的尺寸、位置和形状偏差中的至少一个。

Description

用于表面测量的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种用于测量表面特征的装置和方法，特别是通过形成所述表面的数字化图像来测量表面特征的装置和方法。本发明还涉及一种使用活动连接探头进行适应性扫描的方法，所述活动连接探头能够围绕安装在坐标定位机器上的两个或多个轴线对表面感测设备进行定向，所述坐标定位机器例如是坐标测量机器(CMM)、机床、活动连接臂，等等。

背景技术

根据常规操作，当制造出来工件之后，在坐标测量机器(CMM)上对其进行检查，所述坐标测量机器具有轴，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。所述轴可以携带测量探针，所述测量探针在检测被检查(例如通过测量探针的触针与所述表面之间发生接触而进行检查)的工件的表面时产生信号。

常见地，CMM包括被编程以在工件上的各种位置读取一系列坐标数据读数的计算机，从而对工件的所需尺寸进行完整的检查。然后能够确定工件是否具有可接受的质量，或者是否应当拒绝该工件。

模拟(或扫描)接触探针通常包括具有可偏转触针的外壳。所述触针具有表面接触末端，并且通过变换器测量其相对静止位置的偏转。使用触针偏转与CMM位置的组合来确定触针末端的位置(因此确定触针末端所接触的表面上的点的坐标)。GB 1551218中描述了这种模拟探针。

已知可以将测量探针安装在活动连接探头上，所述探头能够使得测量探针的定向发生变化，所述测量探针通常是围绕两个或多个轴线定向。这种活动连接探头在欧洲专利EP 0402440中有描述。所述活动连接探针能够围绕第一正交轴线和第二正交轴线旋转。在所述活动连接探头中设置马达和变换器，从而使得测量探针能够连续地围绕所述活动连接探头的旋转轴线定位，从计算机得到位置反馈。

已经被证明难以使用常规技术进行测量的特征是阀座。阀座由于其在内燃机中的使用因而在汽车工业中具有特别的重要性。错误安装的阀门会影响发动机的效率，原因是阀盘和阀座之间的密封不良或者是阀座的位置影响阀门充分地开启。在引起不当安装的阀座的机械加工中存在四个主要因素。阀座在阀体中的高度，这会阻碍阀门适当地开启或关闭；阀座的形状，如果阀座的形状不是均匀的圆形，会阻碍良好配合并因此导致泄漏；阀座在阀体中的横向位置的误差，该因素会影响配合；以及阀座在阀体中的角度的误差，该因素会导致仅仅在阀盘和阀座之间发生线接触。

使用常规技术测量阀座是困难的且耗时的。通常，通过沿着从阀座顶部到阀座底部的四条线进行测量来常规地测量阀门，其中每条线绕阀座的周长间隔90度；这些测量使得能够确定阀座的轮廓。通过在特定高度沿着环形测量路径运动来使用导向器确定形状和共中心性，从而测量阀座的周长。通常使用安装在CMM的轴上的模拟接触探针进行这些测量，缺点是测量速度比较慢。这些测量用于确定阀座的直径是否在公差范围内。然而，仅仅能够获得四条测量线的数据(即，不能获得四条测量线之间的数据)。而且，由于测量点的分布，难以确定阀座的圆形(圆度)。

发明内容

本发明的第一方面提供一种确定表面特征的尺寸和位置的方法，所述方法包括以下步骤：

(a)从由表面特征的表面测量结果获得的多个数据点产生所述表面特征的数字化图像；

(b)将所述数字化图像与所述表面特征的标称图像拟合；以及

(c)确定所述数字化图像与所述标称图像的偏差，由此确定所述表面特征的尺寸、位置和形状偏差中的至少一个。

通过使用安装在坐标定位装置上的表面感测设备，可以收集从所述特征的表面测量结果获得的多个数据点。所述表面感测设备可以包括测量探针，所述探针优选安装在活动连接探头上，所述探头使得所述测量探针能够围绕两个或多个轴线旋转。所述表面感测设备优选是接触探针。所述坐标定位装置可以包括坐标测量机器(CMM)、机床、非笛卡尔机器、活动连接臂、机器人臂或手动CMM。

产生数字化图像的步骤优选在软件中实施(即，借助计算机程序)。优选地，在载体，例如CD、USB棒或其他介质上提供所述计算机程序，当所述计算机程序被装载到计算机上时其实施本发明。还可以从互联网上直接下载所述计算机程序。

在步骤(b)中将所述数字化图像与标称图像拟合的步骤优选借助最佳拟合方法例如最小二乘方法进行。优选地，多个数据点所涉及的表面积大于所述表面特征的表面积。所述数字化图像的不同部分可以依次拟合到标称图像中。每个部分可以处于沿着所述表面特征的中心线的不同位置上。

所述标称图像可以包括所述表面特征的CAD图像。

在步骤(c)中确定的所述数字化图像与所述标称图像的偏差可以用于确定所述表面特征在零件中的横向位置、所述表面特征在零件中的高度以及所述表面特征在零件中的角度。这一偏差可以用于确定所述表面特征的坐标或者用于确定所述表面特征是否处于标称数据的公差范围内。

优选地，所述多个数据点获自所述特征的接触式表面测量结果。

优选地，从螺旋测量轮廓收集所述表面测量结果。

本发明的第二方面提供一种用于确定表面特征的尺寸和位置的计算机程序，所述计算机程序包括适于在计算机上执行时实施上述步骤的代码。

本发明的第三方面包括一种用于扫描表面特征的方法，所述表面特征具有中心线和不一致的半径，使用安装在活动连接探头上的表面感测设备进行扫描，所述活动连接探头使得能够绕两个或多个轴线旋转，所述活动连接探头安装在坐标定位装置上，所述方法包括以下步骤：

对所述坐标定位装置进行编程，从而使所述活动连接探头沿着所述表面轮廓的中心线运动；

对所述活动连接探头进行编程，从而使所述表面感测设备在具有恒定半径的圆环中运动；

确定在进行测量时所述测量探针是否处于其测量范围内；以及

调整所述活动连接探头的运动，使得所述表面感测设备以一定的角度定位从而保持其位于其测量范围内。

优选地，所述表面感测设备是测量探针。所述测量探针可以包括接触测量探针，更优选地，包括模拟探针。

优选地，所述测量是接触式测量。

本发明的第四方面提供一种用于扫描表面特征的装置，所述表面特征具有中心线和不一致的半径，使用安装在活动连接探头上的表面感测设备并且使用计算机进行扫描，所述活动连接探头使得能够绕两个或多个轴线旋转，所述活动连接探头安装在坐标定位装置上，所述计算机能够执行以下步骤：

本发明的第五方面提供一种确定阀座的尺寸和位置的方法，所述方法包括以下步骤：

(a)沿螺旋路径测量阀座的表面；

(b)从由阀座的表面测量结果获得的多个数据点产生所述阀座的表面的数字化图像；

(c)将所述数字化图像与所述阀座的表面的标称图像拟合。

优选地，步骤(a)中的所述测量是接触式测量。

在优选实施方式中，所述方法包括以下额外步骤：确定所述数字化图像与所述标称图像的偏差。所述偏差可以用于确定所述表面特征的尺寸、位置和形状偏差中的至少一个。

附图说明

下面参考以下附图描述本发明的优选实施方式的实例：

图1是阀体中的阀座的立体图；

图2是图1的阀座的侧视横截面图；

图3是阀盘的侧视图；

图4是安装在坐标测量机器上的活动连接探头的立体图；

图5是活动连接探头和测量探针的立体图；

图6是借助安装在活动连接探头上的测量探针测量的阀座的示意图；

图7是显示确定表面特征的尺寸和位置的步骤的流程图；

图8是阀座的数字化数据的示意图；以及

图9是阀座的圆锥形表面的侧视横截面图。

具体实施方式

图1和图2分别示出了阀座的立体图和横截面图。图3示出了用于插入阀座中的阀盘的侧视图。这些阀门具有例如汽车发动机的气缸盖中存在的类型。

阀座10定位于阀体12中。所述阀座包括圆锥形表面14，所述圆锥形表面14限定阀体内的凹槽，其通向圆柱形孔16。所述阀盘18包括圆柱形杆20，所述圆柱形杆20的尺寸能够紧密地安装在阀座的圆柱形孔中。在所述圆柱形杆20的一端设置有盘构件22，所述盘构件22具有位于其周向表面上的圆锥形表面24。所述阀座和所述阀盘的盘构件具有相对应的圆锥形表面14和24，它们在所述阀盘被插入到阀座中时形成密封件。

为了使阀门能够良好工作，需要在阀座和阀盘的圆锥形表面之间实现良好配合。但是，如果阀座的圆锥形表面的形状或位置不正确，则密封质量会受到影响。例如，阀座的圆锥形表面可能会具有不正确的尺寸或者可能不是精确的圆形。可能已经在不正确的横向位置或在不正确的高度机械加工了所述圆锥形表面，或者可能已经以不正确的角度机械加工了所述圆锥形表面。

图4示出了用于根据本发明测量阀座的装置。包含阀座的工件安装在坐标定位装置，例如坐标测量机器(CMM)30上。CMM30具有台32，在所述台32上安装有工件。Z柱相对于所述台32可以在X、Y和Z方向上运动，该运动由一系列托架36、38和34实现，所述托架36、38和34能够分别在X、Y和Z方向上运动，每个托架上都设有支承装置、马达和变换器(未示出)。

在CMM的Z柱34上安装有活动连接探头40，所述活动连接探头提供安装在其上的表面感测设备例如测量探针的旋转运动。参考图5更加详细地描述了所述活动连接探头。

如图5所示，所述活动连接扫描探头40包括由安装在Z柱34上的第一外壳42形成的固定部件。所述第一外壳42支承活动部件46，所述活动部件46可以借助马达(未示出)相对于所述第一外壳42绕轴线A1旋转。活动部件44固定在第二外壳46上，所述第二外壳46进而支承轴48，所述轴48可以借助马达(未示出)相对于所述第二外壳46绕轴线A2旋转，轴线A2基本上垂直于轴线A1。

表面感测设备在该实例中是接触测量探针50，其安装在所述活动连接探头的轴48上。所述接触测量探针50上设有探针外壳52和可偏转触针54，所述可偏转触针54具有工件接触末端56。

上述布置使得所述活动连接探头的马达能够将测量探针50的工件接触末端56有角度地绕轴线A1或A2定位，并且CMM的马达(未示出)能够将所述活动连接探头线性地定位在CMM的三维坐标框架内的任何位置，从而使触针末端与正在被扫描的表面处于预定关系。

在CMM上设置有线性位置变换器(未示出)，用于测量所述活动连接探头的线性位移，并且在所述活动连接探头上设置角度位置变换器(未示出)，用于测量触针围绕各个轴线A1和A2的角度位移。所述测量探针上还设置有变换器，用于确定触针的偏转。

通过控制器来控制CMM和所述活动连接探头的运动，所述控制器可以包括预约控制器(bespoke controller)或个人计算机(PC)58。所述控制器发送驱动命令给CMM和活动连接探头，从而驱动它们各自的马达并由此对测量探针进行定位。

所述控制器从CMM、活动连接探头和测量探针中的变换器接收反馈，使得其能够确定探针末端的位置。

所述活动连接探头可以安装在其他类型的坐标定位装置上，例如安装在机床或者手动CMM的主轴上，或者安装在机器人臂或活动连接臂上。所述坐标测量机器并不限于笛卡尔类型的机器，如图4所示的，还可以是非笛卡尔类型，如国际专利申请WO 95/20747中所描述的。

使用WO 90/07097中公开的用于测量孔的技术，但是通过调整扫描以考虑不一致的半径(即，圆锥形而不是圆柱形表面)来测量阀座的圆锥形表面。

图6示出了正在被图4和图5中示出的装置扫描的竖直阀座的侧视图。

在第一步骤中，例如从CAD数据或从直接测量结果来确定阀座的中心线和最大半径。还测量刚好位于阀座上方和下方的阀座区域，因此在选择最大半径时必须考虑这一点。

所述活动连接探头的旋转中心(即，轴线A1和A2的交叉点)与阀座的中心线对齐。调节所述活动连接探头的A2探头角度(即，轴48绕轴线A2的位置)，使得测量探针50的工件接触末端56与阀座的内表面在刚好圆锥形表面上方的位置发生接触。可以调节所述活动连接探头的A1探头角度(即，构件44绕轴线A1的位置)，从而使工件接触末端56在围绕阀座中心线的环形路径上运动。

通过在使工件接触末端在围绕轴线A1的环形路径上运动的时候使活动连接探头沿中心线运动，对包括圆锥形表面的阀座的区域进行螺旋扫描。螺旋轮廓的使用具有在单个扫描中进行测量的优点，并且该轮廓得益于比CMM的动态响应更高的活动连接探头的动态响应。

CMM和活动连接探头的这种运动产生了沿圆柱形表面的螺旋扫描路径。但是，在扫描进行过程中对扫描进行调整，以适应正在测量的区域的实际形状(即，圆锥形表面)。

将所述测量探针保持在限定的测量范围内，例如保持在限定的触针偏转范围内(例如，在40-50微米之间)。如果偏转超出了所述范围，则调整所述活动连接探头的探头角度，以使偏转回到其范围内。以这样的方式，对扫描进行调整以适应表面形状。

在图6所示的实例中，调节A2探头角度，以减小环形扫描的半径，由此使测量探头保持在其限定触针偏转范围之内。

对于水平阀座或者其他定向，对轴线A1和A2的组合进行调整，从而使探头保持在其测量范围之内。

这种适应性扫描的方法具有下面的优点：可以对简单的扫描轮廓进行编程(即，圆锥形表面)，并且在扫描过程中对扫描轮廓进行调整，从而适合更为复杂的形状，由此提供编程的便易性。

虽然上述实例描述了螺旋形扫描，但是所述扫描还可以包括一系列环形扫描，其中所述活动连接探头沿着中心线逐步地运动。

这种适应性扫描的技术适合于其他表面特征，例如鼻锥体。

使用上述测量系统的优点在于，由于所述活动连接探头具有高的取样速率，因此所述测量系统使得能够非常快速地产生具有高的点密度的测量数据。还可以使用常规的测量技术来收集测量数据，但是获得所需数量的数据所需要的时间表明，这些方法是不实际的。

例如，通过上述方法，可以在不到四分钟内测量12个阀座和36个阀门导向器，然而，常规的技术将需要花费几乎半个小时。

使用接触测量探针具有以下优点：数据点具有好的正确率并且具有针对所测量区域的详细细节，但是也可以使用非接触测量探针，所述非接触测量探针例如是光学探针、电容探针或电感探针。

一旦已经收集了阀座的测量数据，就可以使用所述测量数据来确定阀座的位置和/或尺寸，如参考图7所描述的。

在第一步骤中，通过测量所述表面并由此收集多个数据点58来捕获数字化图像。

所描述的收集测量数据的方法使得能够产生所测量表面的数字化图像，该数字化图像具有高的点密度。所述表面现在由一组离散的点来表示。

现在将所述数字化数据与具有所需形式和尺寸的形状60拟合。对于阀座实例，使用最小二乘方法将所述数字化数据与具有圆锥形表面的所需尺寸的圆锥最佳拟合。所述圆锥形表面的所需尺寸可以从设计数据(例如，CAD数据)中得知。还可以使用其他最佳拟合技术，例如Chebychev技术。

阀座由多个圆锥组成，并且单独地对每个感兴趣的圆锥进行拟合。

所述数字化数据包含来自阀座上方和阀座下方的数据，并且必须在拟合之前或者在部分拟合过程之前去除多余的数据。

结合图8描述一种去除数据的方法。图8示出了与所扫描区域的数字化图像有关的点云数据(data cloud)。区域66中的数据是与阀座的圆锥形表面有关的测量数据，然而，区域68和区域70中的数据是分别与阀座上方和阀座下方的区域有关的测量数据。

选择数据A的条带，所述条带包含横切中心线72的点云数据的一部分。选择所述条带的高度h，使其略微小于阀座的圆锥形表面的高度。如上所述，将数据A的这一条带与圆锥进行拟合。通过使数据A的所述条带沿中心线 72向上运动，重复这一方法，使得数据的不同重叠条带与所述圆锥拟合。图8示出了已经沿中心线向上运动的数据条带B和数据条带C。当数据条带与阀座的圆锥形表面相对应时(即，不是上方和下方的区域)，就实现了最佳拟合。

一旦所述数字化图像已经与所述表面特征的标称图像拟合，就能够确定所述数字化图像与所述标称图像的偏差64。这一数据将提供阀座在阀体内的横向位置以及阀座的圆锥形表面的角度。

可以使用阀座的圆锥形表面与标称数据的对比结果来确定阀座是否处于公差范围之内。与用于测量阀座的常规技术不同，能够获得针对整个阀座的数据，而不仅仅是阀座的某些区域的数据。

图9示出了用于确定阀座是否在阀体内位于正确的高度的方法。使用最佳拟合数据，在已知的高度h，从阀体内的固定表面确定直径d的数值。将直径d的数值与该高度处的标称直径进行对比，并且确定所述直径是否处于公差范围内。对于不同的h数值，可以重复上述操作。反过来，可以通过选择高度来进行上述操作，以匹配已知的直径。

虽然上述实施方式描述了针对阀座的测量，但是本发明的使用数字化数据来描述表面特征并且将其与标称特征拟合的方法也适合于测量其他表面特征。在其他应用中，对于测量面密封(face seal)，这是特别有用的方法。对于表面特征而言，不必具有如上所述的相对于中心线的对称性，但是这的确便于提高扫描速率。

虽然描述了位于坐标测量机器上的活动连接扫描探头在收集测量数据方面的用途，也可以使用其他的技术，但是，上述技术具有高速和高正确率的优点。

与现有技术形成对照，这种方法具有下面的优点：能够收集感兴趣的整个区域的数据，其中在感兴趣的区域上沿线性或环形路径获得离散的测量结果。

Claims

1.一种确定表面特征的尺寸和位置的方法，所述方法包括以下步骤：

(b)将所述数字化图像与所述表面特征的标称图像拟合，其中依次将所述数字化图像的不同部分与所述标称图像拟合；以及

(c)确定在步骤（b）中被拟合的所述数字化图像与所述标称图像的偏差，由此确定所述表面特征的尺寸、位置和形状偏差中的至少一个。

2.根据权利要求1所述的方法，其中通过使用安装在坐标定位装置上的表面感测设备来收集从所述表面特征的表面测量结果获得的多个数据点。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述表面感测设备包括测量探针。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述表面感测设备安装在活动连接探头上，所述活动连接探头使得测量探针能够围绕两个或多个轴线旋转。

5.根据权利要求3或4所述的方法，其中所述测量探针是接触探针。

6.根据权利要求1所述的方法，其中通过最佳拟合方法来实施步骤（b）中的将所述数字化图像与标称图像拟合的步骤。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述多个数据点所涉及的表面积大于所述表面特征的表面积。

8.根据权利要求1所述的方法，其中使用在步骤（c）中确定的所述数字化图像与所述标称图像的偏差来确定以下至少之一：所述表面特征在零件中的横向位置、所述表面特征在零件中的高度以及所述表面特征在零件中的角度。

9.根据权利要求1所述的方法，其中从对所述表面特征的接触式表面测量结果获得所述多个数据点。

10.根据权利要求1所述的方法，其中从螺旋测量轮廓收集所述表面测量结果。

11.一种用于确定表面特征的尺寸和位置的系统，所述系统包括：

装置A，所述装置A从由表面特征的表面测量结果获得的多个数据点产生所述表面特征的数字化图像；

装置B，所述装置B将所述数字化图像与所述表面特征的标称图像拟合，其中依次将所述数字化图像的不同部分与所述标称图像拟合；以及

装置C，所述装置C确定由装置B拟合的数字化图像与所述标称图像的偏差，由此确定所述表面特征的尺寸、位置和形状偏差中的至少一个。

12.根据权利要求11所述的系统，其中通过使用安装在坐标定位装置上的表面感测设备来收集从所述表面特征的表面测量结果获得的多个数据点。

13.根据权利要求12所述的系统，其中所述表面感测设备包括测量探针。

14.根据权利要求13所述的系统，其中所述表面感测设备安装在活动连接探头上，所述活动连接探头使得测量探针能够围绕两个或多个轴线旋转。

15.根据权利要求13或14所述的系统，其中所述测量探针是接触探针。

16.根据权利要求11所述的系统，其中所述装置B实施最佳拟合方法来将所述数字化图像与标称图像拟合。

17.根据权利要求11所述的系统，其中所述多个数据点所涉及的表面积大于所述表面特征的表面积。

18.根据权利要求11所述的系统，其中使用由装置C确定的所述数字化图像与所述标称图像的偏差来确定以下至少之一：所述表面特征在零件中的横向位置、所述表面特征在零件中的高度以及所述表面特征在零件中的角度。

19.根据权利要求11所述的系统，其中从对所述表面特征的接触式表面测量结果获得所述多个数据点。

20.根据权利要求11所述的系统，其中从螺旋测量轮廓收集所述表面测量结果。

21.一种确定阀座的尺寸和位置的方法，所述方法包括以下步骤：

(a)沿螺旋路径测量阀座的表面；

(c)将所述数字化图像与所述阀座的表面的标称图像拟合，其中依次将所述数字化图像的不同部分与所述标称图像拟合。

（d）确定在步骤（c）中被拟合的所述数字化图像与所述标称图像的偏差。

22.根据权利要求21所述的方法，其中在步骤（a）中的测量是接触式测量。

23.根据权利要求21所述的方法，其包括以下步骤：使用所述偏差来确定所述阀座的表面的尺寸、位置和形状偏差中的至少一个。