CN102282441B - 用于优化接触式坐标定位装置的测量周期的方法 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种用于计算由包括测量探针(4)的坐标定位装置获取的表面位置测量的最优基准距(74)的方法。所述坐标定位装置可包括机床，所述测量探针(4)可包括具有可挠变触针(12)的接触式触发探针。所述方法包括利用测得的所述坐标定位装置的至少一个加速特性计算最优基准距(74)的步骤。这样，可优化测量周期时间。

Description

用于优化接触式坐标定位装置的测量周期的方法

技术领域

本发明涉及一种对坐标定位装置所执行的测量周期进行设定的方法，具体而言，涉及这样一种方法，其用来确定由包括测量探针的坐标定位装置获取的表面位置测量的最优基准距。

背景技术

公知诸如机床或坐标测量机(CMM)的坐标定位装置。也公知各种用于这样的坐标定位装置的测量探针。例如，US4153998中所述的那类接触式触发测量探针包括一运动机构，在该运动机构中，当触针接触物体时，触针保持架就离开探针本体中的相关底座。运动机构离开底座也断开了电路，从而产生触发信号。也公知这样的接触式触发探针，其中利用应变仪等来测量触针的挠变，而且在超过某一触针挠变阈值时发出触发信号。接触式触发探针发出的触发信号表明已与物体接触，这一信号与坐标定位装置对探针位置进行的机器测量一起用于确定物体表面上的接触点的位置。

公知有多种策略或周期来利用坐标定位装置所承载的接触式触发探针以获取测量结果。其中包括所谓的一次接触式测量周期，其中，驱动测量探针的触针接近被测物体，然后在发出触发信号的时刻从测量探针的位置获知装置所测量的物体表面上的点的位置。也公知两次接触式测量周期，其中在以相对低的速度进行测量之前，先以较高的速度对物体表面上的同一点进行初次测量以获取该点的大概位置。

上述类型的测量周期需要预先设定多个测量参数，例如探针的运动速度以及距离物体的基准距(在探针执行测量之前就需要该基准距)。这些参数影响测量周期时间以及测量精度，并且通常是在机器试运行的过程中将这些参数设置为标准值，从而确保测量精度得以保护或者给定所需的测量周期时间。因为即使是同一厂商生产的同一型号的机器之间都会在特性上有很大的差别，所以已经发现，通常在机器试运行过程中设定的标准测量参数也会导致性能不是最优的。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供一种用来计算由包括测量探针的坐标定位装置获取的表面位置测量的最优基准距的方法，其中，所述方法包括利用测得的所述坐标定位装置的至少一个加速特性而计算最优基准距的步骤。

因而本发明提供一种为利用安装在坐标定位装置上的测量探针进行的测量计算最优基准距的方法。如以下将更加详细说明且本领域技术人员公知的那样，基准距是在对物体表面上的点的位置进行测量之前，测量探针(例如，接触式测量探针的触针尖端)与物体上该点之间的初始距离或间距。换言之，测量探针朝向物体上点的相对运动起始于(例如，从静止开始)测量探针与物体上点之间的某一基准距。按照本发明的方法计算的最优基准距为给定的测量精度水平提供最短的测量时间。

根据本发明的方法，利用测得的所述坐标定位装置的至少一个加速特性来计算最优基准距。具体而言，已经发现，不同的坐标定位装置，即使是来自同一厂家同一型号的装置，也会有显著不同的加速特性。如上所述，安装工程师使用适于所有可能装置类型的标准化基准距，这导致广泛使用以下基准距，这些基准距一般显著长于确保必要测量精度所需的长度。本发明的方法使得可利用对坐标定位装置加速特性的一次或多次测量来计算最优的基准位置，从而可减少测量次数，而计量精度不会降低到所需水平之下。

所述坐标定位装置的所述至少一个加速特性可能在先已经测量。例如，生产商在装置开发、建造和/或校准期间可测量一个或多个加速特性。有利的是，所述方法包括测量所述坐标定位装置的至少一个加速特性的步骤。

可以以多种方式测量坐标定位装置的加速特性。有利的是，测量所述坐标定位装置的至少一个加速特性的步骤包括以下步骤：测量第一时间间隔，该第一时间间隔对应于所述坐标定位装置的可移动部分以指令速度在已知间距的两点之间运动所耗的时间。所述坐标定位装置的所述可移动部分可例如包括所述坐标定位装置的其上安装有测量探针以相对于待测物体运动的部件。距离已知的所述两点可包括起始点和终止点。所述方法从而可包括所述可移动部分在起始点从静止(或某一速度)开始加速，和/或所述可移动部分在终止点减速到停止(或某一速度)。从而可看到，并非立即达到指令速度，这是因为可移动部分需要加速和/或减速。可利用任何合适的计时器来测量所述第一时间间隔。例如，所述坐标定位装置的计时器可用来对所述第一时间间隔的时间段进行计时。

有利的是，所述方法还包括比较所述第一时间间隔和第二时间间隔的步骤，该第二(例如，理论的或测量的)时间间隔对应于以等于所述指令速度的恒定速度在已知间距的所述两点之间运动所耗的时间。换言之，以恒定速度在所述两点之间行进所需的时间与在还进行加速和/或减速情况下所需时间进行比较。在所述两点之间行进所耗的实际时间(即，所述第一时间间隔)将长于所述第二时间间隔，这是由于所述可移动部分的加速和/或减速。所述第一和第二时间间隔之间的差给出了对坐标定位装置加速性能的一个测量。换言之，可通过对空间中两点之间的实际运动进行计时，并将这一时间与没有加速度地在这两点之间运动所耗时间进行比较，从而得到所述坐标定位装置的加速区。

作为上述方式的替代方式，也可通过比较第一时间间隔和第二时间间隔来得到加速特性，其中，所述第一时间间隔是利用第一指令速度所耗费的时间间隔，所述第二时间间隔是利用(不同的)第二指令速度进行类似的运动而测量所得的时间间隔。所述两个或更多个不同速度运动之间的加速的不同给出了对加速特性的量度。换言之，可在两个或更多个不同速度或进给速率下测量完成这一运动所耗费的时间，以此建立至少一个加速特性。

应指出的是，在测量时间间隔时，所述测量探针可安装在也可不安装在所述坐标定位装置的所述可移动部分上。而且，对所述坐标定位装置的加速特性的测量可就在计算所述最优基准距的步骤之前，或者是在研发、建造或校准机器的过程中进行。还应指出的是，这里所使用的加速特性这一术语包括加速和减速效应。对于一个坐标定位装置而言，可测量多个加速特性。例如，对于每一机器轴线而言可单独地测量一加速区。

利用本发明的方法计算的最优基准距会取决于所需的测量精度。例如，如果需要较低精度的表面位置测量，则在随后的表面位置测量过程中可接受存在少量的机器加速。然而，优选的是，计算最优基准距，从而使得在获取表面位置测量的过程中，测量探针和被测物体之间的相对速度大致恒定。测量探针和被测物体之间的相对运动可由测量探针的运动和/或物体的运动提供。优选的，所述测量探针由坐标定位装置的可移动部分(例如，轴筒或主轴)承载，并运动至与静止物体接触。计算最优基准距的步骤从而有利地包括计算最优基准距的步骤，其确保测量探针在随后获取表面位置测量的过程中以大致恒定速度运动。

除了所述至少一个加速特性之外，计算最优基准距的步骤还可考虑其他因素或分量。例如，可以通过增加加速特性距离分量与其他距离分量而形成最优基准距。便利的是，计算最优基准距的步骤包括计及待获取表面位置测量的点的估计或名义位置中的任何不确定性。换言之，如果已知待探测的表面的名义位置在一定的公差之内，则在计及这一不确定性的最优基准距中可包括有公差距离分量。该公差分量有助于确保以恒定速度对处在限定误差范围内的任何表面进行测量。

对于某些坐标定位装置而言，用于从静止加速或减速至给定速度的时间是恒定的。对于其他装置而言，加速是以恒定的比率进行的。从而优选的是，针对在随后的表面位置测量中将要使用到的给定速度或进给速率来计算最优基准距。有利的是，本方法包括针对多个测量速度中的每个测量速度计算最优基准距的步骤。例如，本方法可包括计算第一进给速率下的第一最优基准距的步骤，以及针对至少一个其他进给速率计算至少一个其他最优基准距的另一步骤。

如上所述，可针对将用于表面位置测量的每一进给速率单独地计算最优基准距。可选的是，可针对至少两个进给速率来计算最优基准距，并(例如通过插值技术)用其来建立其他速度下的最优基准距。有利的是，本方法可包括从在多个测量速度或进给速率下计算的最优基准距中推导出函数或关联关系，该函数或关联关系使得可为一系列测量速度估计最优基准距。

该方法可用于任何类型的测量探针；例如，测量探针可根据需要为接触式或非接触式探针。有利的是，坐标定位装置的测量探针包括接触式触发探针，其具有可挠变的、接触工件的触针。

具有可挠变触针的常用接触式触发探针具有超程限制。所述超程限制为在测量探针机构的某一部件或触针受到机械破坏之前，触针能受到的最大变形。该超程限制可包括一安全边际，且通常由探针生产商限定。有利的是，本方法还包括计算最大测量速度或进给速率的步骤，其可用于在不超出探针的所述超程限制的情况下进行表面位置测量。换言之，可确定从触针与表面接触到坐标定位装置使测量探针完全停止之间的各种延迟，且这些延迟可用于建立最大进给速率，该最大进给速率能用来确保不超出接触式触发探针的超程限制。

利用本发明计算的最优基准距可存储在坐标测量装置中，以随后在获取表面位置测量中使用。在计算最优基准距之后，本方法有利地包括利用所述最优基准距对物体进行一个或多个表面位置测量的附加步骤。换言之，测量探针可从空间中与待测表面相距该最优标准距的初始点朝向该表面运动。

如以下将详细描述的那样，可利用一次接触式或两次接触式探测策略或测量周期来实现获取表面位置测量的过程。对于两次接触式测量周期而言，第一次接触用于提供估计的或概略的表面位置，而第二次接触利用最优基准距获取表面位置测量。在这样的两次接触式测量周期中，在每一表面位置测量之前优选要对物体表面上的大致同一点进行初始测量。有利的是，在第一测量速度下进行表面位置测量(即，第二次接触)，而在第二测量速度下进行初始测量(即，第一次接触)。优选的是，所述第二测量速度高于所述第一测量速度。这样，高速的第一次接触运动用来快速地寻找物体表面上的点的大概位置。测量探针然后运动至最优基准距，并(例如，在较低速度下)进行第二次接触运动，以精确地测量表面上点的位置。

应指出的是，在两次接触式测量周期中，第一次接触测量(其通常在较高速度下执行)可包括表面测量中的主要误差或不确定性。这可能包括由于数控器响应时间的任何不确定性引起的误差，从而对于较慢扫描时间的控制器而言尤为显著。对于包括数控器的坐标定位装置而言，计算最优基准距的步骤优选包括计及数控器响应时间的任何不确定性。具体而言，最优基准距优选要计及控制器响应时间的不确定性对在测量周期的第一次接触期间所获取的估计表面位置的影响。例如，最优基准距可包括这样的距离分量，其对应于由于控制器响应时间的不确定性而带来的表面上待测点的估计位置误差。

优选的是，坐标定位装置包括数控器，且所述方法包括评估该数控器响应时间的不确定性的步骤。该不确定性可用于计算以上针对两次接触式策略所述的距离分量。有利的是，以这样的方式获得的数控器响应时间中的不确定性可用于选择合适的探测策略(例如，一次接触式策略或两次接触式策略)，以用来对物体进行表面位置测量。

本发明的方法可在诸如机床或专用坐标测量机(CMM)的任何坐标定位装置上执行。有利的是在包括数控机床的坐标定位装置上执行本方法，该数控机床具有其内可拆卸地容纳有测量探针的主轴。

本发明也延伸到一种计算机程序，该计算机程序在计算机(例如，通用计算机或数控器)上运行时执行上述方法。也可根据本发明提供一种被编程以执行本方法的计算机(例如，通用计算机或数控器)。也可提供用于存储这样的程序的计算机存储载体(例如，光盘)。

根据本发明的第二方面，一种坐标定位装置包括用于获取表面位置测量的测量探针，其中，所述坐标定位装置包括处理器，该处理器用于计算待由所述坐标位置装置获取的表面位置测量的最优基准距，所述处理器利用测得的所述坐标定位装置的至少一个加速特性计算所述最优基准距。

根据本发明的第三方面，提供一种方法，该方法用于对在包括测量探针的坐标定位装置上的受保护定位运动的最大速度进行计算，其中，所述方法包括利用测得的所述坐标定位装置的至少一个加速特性计算所述最大速度的步骤。如本领域普通技术人员将理解的那样，受保护的定位运动是这样一种定位运动，其是在坐标定位装置使测量探针运动且同时监测该探针的触发或信号线的情况下进行的定位运动。受保护的定位运动从而可包括作为测量周期的一部分而执行的运动，或者是在测量之前或之后为了使探针运动到理想位置而执行的运动。有利的是，坐标定位装置包括具有超程限制的测量探针。在这一实施例中，受保护定位运动的最大速度为在物体被接触且探针的运动停止的情况下确保不超过该超程限制而能采用的最大速度。

还可提供一种坐标定位装置，其包括用于获取表面位置测量的测量探针，其中，所述坐标定位装置包括处理器，该处理器用于计算利用所述测量探针进行受保护定位运动的最大速度，其中所述处理器利用测得的所述坐标定位装置的至少一个加速特性来计算所述最大速度。

根据本发明的第四方面，提供一种用于为包括数控器的坐标定位装置选择测量策略的方法，其中，所述方法包括确定所述数控器的响应时间中的不确定性的步骤。换言之，可建立对时间不确定性的测量，所述时间是数控器响应于从测量探针接收的触发信号而采用的时间。如以下将更加详细描述的那样，可利用不同的基准距和/或测量速度对物体表面上的同一点进行多次测量而实现这一点。这一系列测量的不确定性为数控器响应时间的不确定性提供了测量。

以这样的方式获得的数控器响应时间的不确定性可用于选择合适的探测策略，以用于进行物体表面位置测量。例如，如果数控器在较高速度下运行(即，具有较低的响应时间不确定性)，则可执行所谓的一次接触式探测策略。如果数控器为较低速度(即，其具有较高的响应时间不确定性)，则可执行所谓的两次接触式探测策略，其中，在每次表面位置测量之前，先对物体表面上的大致同一点进行初始测量。在这样的两次接触式测量中，表面位置测量优选在第一测量速度下进行，而初始测量在第二测量速度下进行，所述第二测量速度高于所述第一测量速度。

根据本发明的另一方面，提供一种使得由包括测量探针的坐标定位装置获取的表面位置测量最优化的方法，其中，所述方法包括测量所述坐标定位装置的至少一个加速度特性的步骤。

附图说明

下面将参照附图仅以示例的方式描述本发明，附图中：

图1为承载有测量探针的坐标定位装置的示意图，其中该测量探针具有可挠变的触针。

图2示出了机床探测系统的典型结构。

图3示出了导致探针超行程的各种因素。

图4示出了存在于一类机床上的加速区。

图5示出了机器加速期间获取的测量是如何导致测量误差的。

图6示出了两次接触式探测程序。

图7a和图7b示出了如何可通过测量机器的加速区来建立加速距离。

图8示出了图7a和图7b的机器的加速区。

图9示出了动态误差的概念。

图10示出了利用非最优的两次接触式探测策略的测量周期的速度。

图11比较了根据本发明的最优两次接触式探测策略与一次接触式策略的测量速度。

图12示出了在一次接触式探测策略中，误差随着进给速率而增加。

图13示出了使用较高进给速率时的速度稳定效应。

具体实施方式

参见图1，其示出了由主轴2保持接触式触发探针4的机床。

该机床包括诸如一个或多个电机8的公知装置来使主轴2在机床的工作区域中相对于位于工件座7上的工件6运动。利用编码器等以公知的方式精确测量主轴在机器的工作区域内的位置；这样的测量提供在机器坐标系(x，y，z)中定义的主轴位置数据。数控器(NC)20控制主轴2在机床的工作区内的运动，并从各个编码器接收有关主轴位置的信息。NC20可包括前端计算机，或者可与这样的计算机交互。

接触式触发探针4包括利用标准的可拆卸柄状连接器附连到机床主轴2上的探针本体10。探针4还包括从壳体伸出来的工件接触触针12。触针球14设置在触针12的远端，用于与相关的工件6接触。当触针的挠变超出给定的阈值时，接触式触发探针4产生所谓的触发信号。探针4包括无线发送器/接收器部16，其用于将触发信号传送到远程探针接口18的对应无线接收器/发送器部。该无线链路例如可以为RF或光纤。

NC20(经由接口18)接收主轴位置(x，y，z)数据和触发信号，并在接收到触发信号的时刻记录下表观主轴位置数据(x，y，z)。这样，在进行适当的校准后，即可测量诸如工件6的物体的表面上的点的位置。

如图2示意性示出的那样，可以认为装配到机床上的探测系统包括5个组成部分。这5个组成部分包括测量探针组件30、探针接口32(其包括探针发送系统和其与CNC系统36的接口)、机床34、CNC控制系统36以及驻留在CNC控制系统36上的探针控制软件38。这些组成部分中的每个组成部分都影响着探测系统的度量性能以及任何给定测量或探测周期的时长。

利用上述探测系统执行的任何测量周期中的关键事件是触发器。测量探针30的触针与物体表面上的点的接触使得探针接口32中产生一变化，这一变化被发送到CNC控制器36。以下将参照图3更加详细描述的这一过程在操作员看来是瞬时发生的。但实际上，其包括一系列不连续的步骤，这些步骤最终形成由CNC控制器36处理的触发信号。

参见图3，其示出了通常的接触式触发探测序列的各个阶段。

在测量过程中，向着待测物体42的表面驱动探针。在第一时刻A，触针尖端40与物体表面上的点接触。在测量过程的该第一阶段，探针继续朝向物体运动，而触针进一步挠变。在第二时刻B，测量探针的触针的挠变超过阈值。探针在与表面初步接触到达到探针感测阈值这一过程中必须行走的距离称为机械预行程。在公知类型的运动探针中，机械预行程是使触针弯曲得足以存储足够的应变能以刚好能克服复位弹簧的力从而将辊子抬离其辊座所需的距离。在所谓的应变计探针中，触针会一直弯曲，直到应变计装置记录到应变的变化超出了某一预设值为止。机械预行程是与探针硬件相关的，而不会在测量周期中随着探针运动的速度变化。从而通常可通过适当的校准和应用软件来“校准掉”机械预行程效应。

在机械预行程或第一阶段之后开始的测量过程第二阶段包括探针接口对已经发生的机械触发事件进行识别，并向CNC控制器发出触发信号。机械触发事件与向CNC发送触发信号之间的延迟通常称为接口响应时间。换言之，接口在图3所示的时刻C发出其触发信号，在该时刻，探针仍然朝向物体运动，从而使触针进一步挠变。

应注意的是，接口响应时间通常包括与信号过滤相关联的延迟。该信号过滤延迟是由于通常的探针接口持续地监测相关测量探针的状态并在测量探针与表面接触时向CNC系统发送触发信号而造成的。然而，有些作用在触针上的力(例如惯性力)会被接口错误地认为是表面接触力。例如，如果以较大的探针加速度使用长的触针，就很有可能产生瞬态触针挠变，这会导致所谓的“伪触发”(即，触针实际上没有与表面接触而产生触发)。为了提高触发信号的可靠性，通常探针接口被设置成将瞬态信号过滤掉，从而仅在预定的时间段(例如，0.01秒)内超出挠变阈值信号水平的情况下，将触发信号发送到控制器。在接口响应时间中也存在与从探针向接口发送触发事件相关的小的延迟成分；例如，在通常的光线传送系统中，该延迟成分为0.002秒，对于标准RF通信系统，该延迟成分为0.01秒。尽管对于不同的测量系统，探针接口响应时间会有很大不同，但是对于特定的设置其通常是恒定的，从而一般而言可校准消除该探针接口响应时间。

通常的探针触发序列的第三阶段为机器的CNC控制器识别并作用于从探针接口接收到的触发信号的过程。CNC控制器从而在如图3所示的时刻D作用于接收到的触发信号(例如，通过暂停探针的运动)，在该时刻D，探针已进一步行进，从而增加了触针的挠变。CNC控制器引入的这一时间延迟通常称为控制器响应时间。

尽管可通过适当的校准操作对基本恒定的延迟(例如，机械预行程效应和探针接口响应时间)进行补偿，但是控制器响应时间通常具有高度的不确定性。而且，不同厂家和不同类型的CNC控制器的控制器响应时间会相差几个量级。例如，从发出触发信号到CNC控制器能响应于该信号采取动作之间的时间延迟可能短至4微秒或长至4毫秒，这取决于控制器的规格和控制器的选型。

在低速端范围内，某些可商购的CNC控制器对输入进行扫描。通常，这样的CNC控制器在扫描时间内对各输入线的状态进行检测，还设置各输出线的状态。因此，每个周期中将对触发信号输入线以及所作用的状态进行一次扫描，但是这是在从零到整个扫描时间之内的某个不确定的时间点进行的。因此可认为扫描时间是一抖动。这样的低速控制器的通常扫描时间或抖动约为1至4毫秒。在高速范围内，存在具有所谓的直接或高速跳跃中断或输入的NC控制器来接收触发信号。在这样的控制器中，探针触发信号可直接连接至各轴线控制板，且几乎是在接收到触发信号的瞬时锁存或记录当前的轴线位置。与轴线控制板的这种探针信号集成通常提供响应时间或等待时间的量级为4微秒，且抖动可忽略。

随着控制器扫描时间的增加，与利用以一定速度或进给速率朝向物体前进的测量探针进行的测量相关的误差也随之增加。在直接或高速输入的相关时滞为4微秒的机器上，即使在极高进给速率下，控制器响应时间的效应也是可忽略的，这是因为机器在该时间内行进的距离是可忽略的。然而，人们发现在扫描时间较长的机器上，在以较高的进给速率进行测量时计量精度会显著下降。如以下将更加详细描述的那样，本发明能提供最优的两次接触式测量周期，即使在控制器的扫描时间较长的情况下，该两次接触式测量周期也具有较高的计量性能。然而，期望的是选择与所用控制器最适应的探测策略(例如，一次接触式策略或两次接触式策略)。

使用者可基于已知的控制器扫描时间自动选择(例如，如下所述)或设定一次接触式策略或两次接触式策略。具体而言，两次接触式测量策略可用于较慢(例如，毫秒)的控制器，而一次接触式测量策略可用于高速(例如，微秒)的控制器。使用者只需对CNC控制器进行编程，以根据已知的CNC控制器扫描速度来执行所需的策略。有利的是，可自动评估控制器的响应时间。可通过对物体表面上的同一点的多次测量结果的重复性进行分析来实现这一点。例如，可采用相同的基准距，以多个不同的速度对同一点进行测量。替换地，可采用多个不同的基准距，以单一的速度对同一点进行测量。对于较快的控制器，这些测量的重复性会很高，从而可识别这样的控制器。于是可设定重复性或测量不确定性阈值(例如，10微米)，当测量不确定性低于这一阈值时执行一次接触式策略。

参见图4，其示出了承载有测量探针的机床主轴是如何在一定时间内加速到一恒定速度或进给速率，或者在一定时间内从一恒定速度或进给速率减速。换言之，如果CNC控制器指令机床主轴开始以某一进给速率运动，其将花费一定量的时间来加速到给进给速率。主轴的这一加速/减速通常称为机器的加速区。

由CNC控制系统的生产商来设定决定机床加速和减速方式的控制算法。这些控制算法随着机器构造的不同而不同，而且在机器重新校准时也会发生改变。主要的CNC控制系统生产商，Siemens、Fanuc、Heidenhein和Missubishi都采用它们自己的专门逻辑算法和计算。然而，通常的情况是，机床通常不会以恒定的速率加速。例如，对于Fanuc和Mitsubishi控制器而言，加速的速率设置成在预定时间(例如，0.06秒)内达到编程的进给速率。因此，机床轴线在达到该编程进给速率之前行进的距离随着进给速率的增加而线性增加。这如图4所示，在图4中示出了在第一进给速率1000mm/sec和第二进给速率2000mm/sec的指令运行下速度随时间的变化；第一和第二进给速度下的速度型分别由线50和52示出。

以下参照图5描述在机器的加速区内进行测量的不利影响。通常认为，所有的测量探针系统都需要校准。通常，这需要以随后要在测量周期中使用的进给速率对已知表面进行探测。如上所述，CNC控制系统所记录的物体表面上的点的位置与该点的实际位置之间存在差别。这一差别是由测量探针的机械预行程以及探针接口响应时间引起的延迟造成的。这一差别也可认为是从触针接触物体到CNC控制系统接收到触发信号之间的时间延迟。为便于理解，在以下对加速影响的描述中将忽略控制器响应时间的不确定性。

图5示出了某一机床的典型速度-时间曲线60。对于给定的设置而言，与测量相关的由于机械预行程以及探针接口响应时间而产生的时间延迟将是基本恒定的。为了从测量系统所获取的测量中消除时间延迟的影响，要计算从触针接触物体的时刻Tp到探针接口发出触发信号的时刻Ti这一时间段内行进的距离A。这一距离A仅对特定的进给速率有效，可将其存储起来，并可用于对以后所有的其他在该进给速率下测得的报告位置进行校正。现在考虑在机器加速区内进行的测量。随着机器的加速，从触针接触物体的时刻Tp到发出触发信号的时刻Ti之间的时间段内测量探针行进的距离B将不同于距离A。换言之，测量位置的校正量将为误差C，而误差C的量级取决于加速区中用于测量的那部分。

因此可见，应避免在测量探针处于加速区时获取表面测量值。换言之，应确保在触针与物体表面接触时，测量探针以恒定的速度运动，以此来保证精确的计量。如果测量周期开始于一静止启动，则测量探针应定位在距离物体表面足够远的位置，这样可在进行任何表面测量之前使测量探针加速到所需的恒定速率；距表面的这一初始距离称为基准距，以下将参照图6至图9描述用以计算最优基准距的方法。

应指出的是，具有可挠变触针的接触式测量探针会有所谓的超程限制。如果探针触针的挠变超过了这一超程限制，就会给探针的挠变感测机构带来机械损坏，并且/或者会破坏触针。可得知测量中使用的最大进给速率，这样，在探针接触到表面之后，可保证在达到超程限制之前使其停止运动。可通过计及触发过程中的各种延迟(例如，参照图3所描述的机械预行程、接口和控制器响应时间)加上探针在CNC控制器的指令下减速到停止所需的时间来计算这一最大进给速率。

现在参照图6，其示出了用于测量物体68的表面上的点的位置的所谓两次接触式测量周期。

在箭头70所示的第一步骤中，测量探针以一较高的进给速率从静止起始位置向着物体68的表面加速。测量探针的触针与物体的表面接触，且触针持续发生挠变，直到CNC控制器报告收到探针触发信息为止，然后，CNC控制器使测量探针停止运动。执行该第一步骤是为了发现被测物体的表面，而不是为了提供精确的表面位置测量。

在箭头72所示的第二步骤中，反转探针运动的方向，测量探针运动到基准位置74。

在箭头76所示的第三步骤中，再次使测量探针的触针接触物体表面上的点，但是进给速率较低。尽管在图6中以并排示出，但是应指出的是，测量探针的触针在第三步骤中接触到的物体表面上的点大体上与在第一步骤中接触到的物体表面上的点相同。该第二次较低速度的测量给出物体表面上的点的所需位置测量。

在箭头78所示的第四步骤中，测量探针运动离开表面，运动到下一测量的起始位置，或者运动到任何其他所需的位置。当然，可多次重复该方法以对物体表面上的多个点进行测量。

第二步骤中用到的基准距决定着第三步骤中所获取的测量速度和精度。如果该基准距过小，则有可能是在探针正在机床作用下加速到所需速度的过程中进行测量，从而会降低计量精度。相反地，如果该基准距过大，则在较低进给速率下使探针与物体表面接触所需的时间会很长，从而增加了完成一个测量周期所需的时间，并因而降低了整体生产率。所有机床具有不同的特性，已发现，对于通常的探测系统而言，安装工程师或最终用户在设置基准距时会趋向于过于谨慎，以免影响计量。然而，这导致所执行的两次接触式测量周期比实际所需要显著地慢，从而不是最优的。

再次参照图6，其示出了如何通过计及用于第二次接触测量(即，用于在较低进给速度下执行本发明的第三步骤的测量)的加速距离D1以及在第一次接触测量(即，在本方法的第一步骤中以较高进给速度执行的测量)中对应于CNC控制器响应时间不确定性的距离D2来计算最优基准距或位置74。也示出了随着进给速率的变化而变化的动态区距离D3，该动态区距离引起了物体表面上的点的测量位置的偏移，该偏移由于从触针接触到物体表面到NC控制器作用于所产生的触发信号之间的时间延迟而产生；以上参照图3描述了常见接触式触发探测规程中的产生这一(大致恒定的)延迟的各个阶段。由于第二次接触测量是在相对低的速度下进行的，从而针对该第二次测量的控制器响应时间的不确定性很小，从而能忽略；即，触针接触物体表面到NC控制器作用于所产生的触发信号之间的时间延迟可以假定是大致恒定的。然而，用于较高进给速率的第一次接触的距离D2计及了控制器响应时间的不确定性。

优选地，对最优基准距进行计算，以提供最快的测量周期时间，其中加速效应不影响测量。然而，应指出的是，如果仅要求较低的计量性能，则可设定一最优基准距，该最优基准距将加速效应降低到提供所需测量精度的特定水平上。换言之，尽管这里所描述各种实施例描述的是获取最高精度水平的测量，但是本方法也可用于获取较低的、预定的测量精度。

以下参照图7a、7b和8描述用于测量加速距离D1的技术。具体而言，图7b示出了测量探针测试运动的速度对时间的曲线图，其中曲线下方的积分或面积等于运动距离Dc。如从图7b可以看到的那样，在测试运动期间，测量探针被加速到已知的进给速率，然后减速到停止。图7a示出了针对测量探针以恒定速度运行相同距离Dc的理论运动的速度对时间曲线。

通过对如图7b所示的实际测试运动进行计时，并将其与如图7a所示的恒速运动(即，没有任何加速或减速)完成这一移动所需的时间进行比较，从而得出加速距离D1。从而可计算实际的运动时间Ta与恒速移动同一距离Dc所耗的理论时间Tc之间的时间差Td；这在图8中示出。

如图8所示，加速/减速到恒定速度V是在时间段Td内完成的。从而可通过下式计算加速距离D1：

$D_1=\frac{v\×T_d}{2}---\left(1\right)$

关于这一点需要着重指出的是，对于机床的各个轴线(例如，x、y、z)而言，加速区或距离可能有所不同。例如，与x轴和y轴相比，机床的z轴由于重力效应而具有不同的加速特性。因而可针对每一轴线单独地计算加速区，然后将其运用到沿相关轴线的任何测量中，或者可将最长的加速区运用到所有测量中。可选的是，可针对已知或假定为具有最长加速区的单一轴线测量加速区。

距离D2引起CNC控制器响应时间的不确定性，对于给定的进给速率，可从机床的梯级扫描时间确定距离D2。具体而言，该距离D2说明了由较高进给速率下进行的第一次接触测量确定的近似表面位置中存在不确定性的原因。对于具有较高速度输入的CNC控制器，和/或在第一次接触测量采用相对低的进给速度的情况，距离D2很小，因而可忽略。

参照图9，其示出了动态区距离D3是如何随着进给速率线性变化的。具体而言，图9示出了分别利用第一进给速率F1和第二进给速率F2对物体表面(A＝0)上的单个点所测得的位置P1和P2。如上所述，表观位置随着进给速率的变化是因为从探针触针与表面上的点接触到CNC控制器作用于该触发之间的延迟而引起的。还可看到，动态区D3如何随着进给速率线性增加，当进给速率降到0时，其也接近于0。可通过以两个不同的进给速率测量物体表面上的点来确定D3随着进给速率的线性变化。例如，可利用两次接触式测量周期过程中进行的两次表面测量来进行这一计算。

现在参照图10，其示出了作为接近(第一次接触)进给速率函数的非最优两次接触式测量过程的周期时间。

具体而言，图10的曲线示出了标准的两次接触式测量周期的周期时间，该测量是在距离初始起始位置2mm的表面上进行的，而且以3000mm/min的速度接近该表面。在第一次接触之后，探针后退标准距离4mm，并利用计量进给速率30mm/min来测量表面上的点(即，进行第二次接触)。发现该测量周期耗费7.05秒。

参照图11，第一曲线110示出了以如上方式优化了的两次接触式测量周期的周期时间。具体而言，通过得知第二次接触或计量运动中使探针运动离开表面足够远的最优后退距离，可将计量进给速率30mm/min下的运动距离减小为远不足一毫米，从而大大地减小周期时间。例如，上述测量的周期时间可从7.05秒减少到0.444秒；即，改进了6.606秒。

图11的第二曲线112示出了所谓一次接触式感测周期的周期时间，其中探针从与两次接触式周期中距离物体表面相同的距离处开始运行，并以测量进给速率朝向物体运动，直到产生触发且控制器作用于触发信号。探针然后减速至停止，并返回到起始位置或另一起始位置，以便下一次测量。触发或跳跃位置存储在CNC控制器中，它们用于计算表面位置。接近和测量速度为3000mm/min的一次接触式循环的周期时间为0.254秒。如上所述，接近速度为3000mm/min、测量速度为30mm/min的最优化两次接触式规程的周期时间为0.444秒。从而可看到，一次接触式规程的周期仍稍短于最优化的两次接触式规程。尽管一次接触式测量周期通常要比两次接触式周期快，但是这样的一次接触式测量周期的精度会显著降低，这是因为CNC控制器具有较长的扫描时间。

参见图12，其示出了作为进给速率(即，探测速度)函数的一次接触式测量的测量不确定性。具体而言，线121示出了CNC控制器扫描时间为4微秒(μs)时的不确定性，线120示出了CNC控制器扫描时间为1毫秒(ms)时的不确定性，线122示出了CNC控制器扫描时间为4毫秒时的不确定性。接近和测量速度为3000mm/min的一次接触式周期的周期时间为0.254秒，然而，如图12所示，对于扫描时间为4毫秒的CNC控制器而言，关联测量不确定性约为0.2mm。比较而言，利用同样CNC控制器执行的最优化两次接触式测量周期的不确定性仅为0.002mm。

参照图13，其示出了某些机床如何也具有“稳定”时段130，该“稳定”时段的产生原因在于从加速到恒速的过渡通常不是瞬时完成的。对于通常的机器而言，轴线稳定下来会耗费0.01秒，从加速到恒定进给速率这一过渡阶段的速度是振荡和不确定的。因此，在运动的这一阶段进行测量会提高测量的不确定性。在利用如一次接触式测量过程中采用的较高进给速度时，这样的效应特别不利。对于从静止开始行进到5000mm/min的轴线而言，该稳定所占用的距离为0.83mm。如果需要2.5mm的基准距来确保在加速区之外进行测量，则增加的这一稳定距离使得这样的一次接触式周期的最优基准距为3.33mm。这与上述最优的两次接触式规程形成了对比，在该两次接触式规程中，第二次接触或计量运动是在例如30mm/min的相对低的进给速度下进行的。在这一实施例中，第二次接触的基准距只需要大于0.015mm即可确保在机器加速区之外进行测量。在此情况下，稳定距离仅为0.005mm，如果在最优基准距的计算中考虑该稳定距离，其对测量速度的影响可忽略。

从以上所述可以看到，对于除最快CNC控制器之外的其他所有CNC控制器而言，通常优选的是采用本发明的最优化两次接触式策略。利用这样的两次接触式周期对于周期时间的负面作用最小，且同时确保了计量得以保护。最优的两次接触式测量周期还无需为CNC控制器购置高速输入选装件。应指出的是，尽管以上描述的是为两次接触式测量周期寻求最优的基准距或后退距离，但是同一技术同样可用于为一次接触式周期测量或任何其他的测量周期建立基准距位置。

以上的实施例是针对具有测量探针的接触式触发探测系统加以描述的，该测量探针具有安装在机床上的可挠变触针。然而，同样的原理可用于任何类型的坐标定位装置和任何类型的探测系统。例如，该技术可用于坐标测量机(CMM)。同样地，坐标定位装置可承载任何已知类型的测量探针(例如，接触式探针或非接触式探针)。

Claims (13)

1.一种用来计算用于物体的表面位置测量的最优基准距的方法，所述表面位置测量由包括测量探针的坐标定位装置获取，其中，所述方法包括测量所述坐标定位装置的至少一个加速特性的步骤，并包括利用所述坐标定位装置的至少一个测得的加速特性计算最优基准距的步骤，所述最优基准距为所述测量探针距离被测量物体的表面的最优初始距离，其中，测量所述坐标定位装置的至少一个加速特性的所述步骤包括以下步骤：

测量第一时间间隔，该第一时间间隔对应于所述坐标定位装置的可移动部分以指令速度在已知间距的两点之间运动所耗的时间，其中在所述两点之间的运动包括所述可移动部分的加速，以及

比较所述第一时间间隔和第二时间间隔，该第二时间间隔对应于以等于所述指令速度的大致恒定速度在已知间距的所述两点之间运动所耗的时间。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，计算最优基准距的所述步骤包括计算一最优基准距，该最优基准距确保测量探针在随后获取表面位置测量的过程中将以大致恒定的速度运动。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，计算所述最优基准距的所述步骤包括考虑要获取表面位置测量的点的估计或名义位置中的任何不确定性。

4.根据权利要求1所述的方法，包括针对多个测量速度中的每个测量速度计算最优基准距的步骤。

5.根据权利要求4所述的方法，包括从在所述多个测量速度下计算的所述最优基准距中推导出函数或关联关系的步骤，该函数或关联关系使得可为一系列的测量速度估计最优基准距。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述坐标定位装置的测量探针包括具有可挠变触针的接触式触发探针。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述接触式触发探针具有超程限制，而且所述方法包括计算最大测量速度的步骤，该最大测量速度可用于在不超出所述超程限制的情况下进行表面位置测量。

8.根据权利要求1所述的方法，包括利用所述最优基准距对物体进行一次或多次表面位置测量的附加步骤。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，在每一表面位置测量之前对物体表面上大致相同的点进行初始测量，其中，在第一测量速度下进行所述表面位置测量，在第二测量速度下进行所述初始测量，所述第二测量速度高于所述第一测量速度。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述坐标定位装置包括数控器，且所述方法包括评估所述数控器响应时间的不确定性的步骤。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，计算所述最优基准距的所述步骤包括考虑所述数控器的响应时间的任何不确定性。

12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法用在坐标定位机上，该坐标定位机包括数控机床，该数控机床具有其中能可拆卸地容纳测量探针的主轴。

13.一种坐标定位装置，其包括用于获取物体的表面位置测量的测量探针，其中，所述坐标定位装置包括用于测量所述坐标定位装置的至少一个加速特性的部分，该部分执行以下步骤：测量第一时间间隔，该第一时间间隔对应于所述坐标定位装置的可移动部分以指令速度在已知间距的两点之间运动所耗的时间，其中在所述两点之间的运动包括所述可移动部分的加速；以及比较所述第一时间间隔和第二时间间隔，该第二时间间隔对应于以等于所述指令速度的大致恒定速度在已知间距的所述两点之间运动所耗的时间；

所述坐标定位装置还包括处理器，该处理器用于计算由所述坐标位置装置获取的表面位置测量的最优基准距，所述处理器利用所述坐标定位装置的至少一个测得的加速特性计算所述最优基准距，所述最优基准距为所述测量探针距离被测量物体的表面的最优初始距离。