CN103097853B - 用于控制表面扫描坐标测量机的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种改善表面扫描测量机速度同时使对被测量物体的表面的末端触地冲击最小的方法。具体地，所述方法控制具有探头的表面扫描测量机，所述探头具有接触待测量的物体的表面的远端探针末端。为此，所述方法选择具有法向矢量的（在所述表面上的）名义起始接触点，然后沿着接近路径朝向所述名义起始接触点移动所述远端探针末端。所述接近路径具有大致线性部，所述大致线性部从所述名义起始接触点大致线性地延伸至与所述表面隔开的某非接触点。所述大致线性部与所述法向矢量形成在大约20度至大约60度之间的角度。

Description

用于控制表面扫描坐标测量机的方法和设备
优先权
本专利申请要求名称为“METHODFORCONTROLLINGASURFACESCANNINGCOORDINATEMEASURINGMACHINE（用于控制表面扫描坐标测量机的方法）”并且指定PaulRacine为发明人的于2010年9月13日提交的临时美国专利申请号61/382,126的优先权，该临时美国申请的全部公开内容以引用方式并入本文。
技术领域
本发明一般涉及控制表面扫描坐标机，并且更具体地，本发明涉及控制表面描述坐标机的探针运动。
背景技术
其中，坐标测量机（“CMM”，也称为表面扫描测量机）测量未知表面轮廓，或检验已知表面的外形。例如，CMM可以测量推进器的拓扑轮廓以确保其表面为其指定任务（例如，以预指定速度使24英尺小船移动通过盐水）被适当地确定尺寸并成形。为此，常规CMM通常具有支撑探针末端（也称为“触针”）的探头，该探针末端直接接触被测量的物体的表面并且沿该表面移动。
在末端开始接触物体的表面之后，探头朝向物体表面被驱动以阻尼振动并且准备好用于随后的扫描（常常称为“下沉”探头）。在下沉之后，探针末端沿着预限定扫描路径移动，从而记录其在一维、二维或三维空间中的运动。与CMM相关联的逻辑记录该运动以产生所测量的物体的相应的表面拓扑图。
在典型扫描期间，CMM可以多次移动探针末端使其与表面接触和不接触从而避免已知的深凹处或其他表面特征。然而，与表面的起始和最后接触两者都形成大量性能挑战。具体地，在起始接近表面时，CMM具有尽可能快地接近而同时避免硬着陆的竞争目标。许多常规的CMM通过牺牲速度做到这点，它们沿着法向矢量缓慢地接近表面，在与表面接触之前和之后都停止。该接近因此降低生产量，提高成本。
另一个技术使末端沿着与表面的非常浅的角与该表面接触，并且看来像是在以该浅角移动的同时下沉。当试图减轻硬着陆问题时，该技术仍是费时的，这是因为它花费冗长的时间来接近表面。另外，浅角使得下沉更具挑战性。
发明内容
根据本发明的一个实施方式，提供一种提高表面扫描测量机的速度同时使对被测量的物体的表面的末端着地冲击最小的方法。具体地，所述方法控制具有探头的表面扫描测量机，该探头具有接触待测量的物体的表面的远端探针末端。为此，所述方法选择具有法向矢量的名义起始接触点（在所述表面上），然后沿着接近路径朝向所述名义起始接触点移动远端探针末端。所述接近路径具有大致线性部，该线性部从所述名义起始接触点大致线性地延伸到与所述表面隔开的某非接触点。所述大致线性部与所述法向矢量形成在大约20度至大约60度之间的角度。
所述方法还可将所述远端探针末端从接触点（与所述名义起始接触路径相关）沿着偏移路径移动并移至起始扫描点，然后将所述远端探针末端沿着扫描路径从所述起始扫描点移动并且将所述远端末端沿着所述物体的所述表面移动。所述远端探针末端优选地沿着所述接近路径、所述偏移路径和所述扫描路径在这些路径之间连续地移动。所述大致线性部还可以与所述法向矢量形成在大约20度至大约55度之间的角度。
一些实施方式沿着在所述扫描路径之后开始的释放路径移动所述远端探针末端，在所述释放路径中所述末端移动远离与所述物体的所述表面的接触移动。所述远端探针末端在该实施方式中可以沿着所述扫描路径和所述释放路径在该扫描路径和该释放路径之间连续移动。另外，所述方法可以在所述表面上选择第二名义起始接触点（具有第二法向矢量）。在从所述释放路径移动所述远端探针末端之后，所述方法可以沿着第二接近路径将所述远端探针末端移动成与第二接触点（与所述第二名义起始接触点相关）接触。所述第二接近路径具有第二大致线性部，该第二大致线性部从所述第二接触点大致线性地延伸至与所述表面隔开的某第二非接触点。该第二大致线性部与所述第二法向矢量形成在大约20度至大约59度之间的角度。所述远端探针末端可以沿着所述释放路径和所述第二接近路径在该释放路径和该第二接近路径之间连续移动。
所述方法可以向下移动所述探头并且在将所述远端探针末端移动成与接触点接触之后以一偏移下沉所述探头。在该时间期间，所述探头可以在以所述偏移下沉之前超调该偏移。另选地，所述探头可以在以所述偏移下沉之前在该偏移的上下振荡。
根据另一实施方式，用于接触待测量的物体的表面的表面扫描测量机具有带远端探针末端的探头，以及与该探头操作地联接的控制器。所述控制器构造成在所述表面上（即，表面本身上或名义表面上）选择具有法向矢量的名义起始接触点。所述机器还具有与所述控制器操作地联接的驱动机构。所述驱动机构构造成与所述控制器协作以沿着接近路径朝向所述名义起始接触点移动所述远端探针末端。所述接近路径具有大致线性部，该大致线性部从所述名义起始接触点大致线性地延伸到与所述表面隔开的某非接触点。所述大致线性部与所述法向矢量形成在大约20度至大约60度之间的角度。
根据本发明的其它实施方式，控制具有带构造成用于接触待测量的物体的表面的远端探针末端的探头的表面扫描测量机的方法在所述表面上选择具有名义矢量的名义起始接触点。所述方法沿着接近路径朝向所述名义起始接触点移动所述远端探针末端，所述接近路径具有大致线性部，该大致线性部从所述名义起始接触点大致线性地延伸到与所述表面隔开的某非接触点。所述大致线性部与所述法向矢量形成小于大约60度的角度。所述方法然后沿着偏移路径将所述远端探针末端移至起始扫描点。所述远端探针末端优选地沿着所述接近路径和所述偏移路径在该接近路径和该偏移路径连续地移动。
本发明的说明性实施方式被实施为具有计算机可用媒介的计算机程序产品，所述计算机可用媒介上具有计算机可读程序编码。所述计算机可读编码可以根据常规过程由计算机系统阅读和利用。
附图说明
从参照直接在下面概述的附图所讨论的下列“具体实施方式”，本领域技术人员应该更全面理解本发明的各种实施方式的优点。
图1A示意地示出根据本发明的说明性实施方式构造的坐标测量机。
图1B示意地示出可以与图1A的坐标测量机一起使用的多个不同探针末端。
图2示出了根据本发明的说明性实施方式的测量物体的表面的过程。
图3示意地示出根据本发明的说明性实施方式的沿着物体的表面扫描的探头和末端的路径和各种位置。
图4示意地示出其中扫描表面高于名义表面的图3中所示的路径的一部分。
图5示意地示出其中扫描表面低于名义表面的图3中所示的路径的一部分。
图6示意地示出根据本发明的另选实施方式的探头和末端的路径。
图7示意地示出探头和末端路径的一示例，其示出了位置数据的记录和标记。
图8至图13示意地示出附加部分的细节。
具体实施方式
在说明性实施方式中，坐标测量机以与名义表面法线小于大约60度的角度将其探头和末端的接近指向待测量的表面。因此，整个接近、下沉、扫描和释放过程能大体上连续地、快速地且以对测量表面的破坏性硬冲击的最小风险来完成。说明性实施方式的细节在下面讨论。
图1A示意地示出用于实施本发明的说明性实施方式的具有逻辑的坐标测量机（在下文中“CMM10”）。如同其他CMM一样，图1的CMM10具有：用于支撑待被扫描的物体（图1中未示出）的大致矩形平台12；以及扫描设备14，该扫描设备以可移动的方式连接至平台12，用于搜集与所支撑的物体相关的地形信息。能由各种材料（诸如水泥或花岗岩）中的任一种形成的平台12具有用于将物体固定地紧固至其顶面的孔的阵列15。
为了搜集关于物体的表面信息，扫描设备14具有可动扫描臂16，该可动扫描臂16由驱动构件18支撑，该可动扫描臂16具有探头20，该探头本身支撑远端探针末端22（也称为“探针触针”、“探针销”或简称“末端22”）。在使用期间，末端22实际上接触物体表面，从而导致探头20沿着表面轮廓弯曲以用于期望的扫描运行。该弯曲产生一组数据，这组数据由机载或外部逻辑（例如，宿主软件24）转换成目标表面的一维、二维或三维图。
整个扫描设备14因此优选地能沿三维（X方向（平行于平台12的宽度）、Y方向（平行于平台12的长度）以及Z方向（朝向和远离平台12的顶面））移动。为此，CMM10具有驱动机构26，该驱动机构沿着例如驱动轨道28在Y方向上移动驱动构件18（并且因此移动整个扫描设备14）。除其它部件之外，驱动机构26可以包括伺服控制器和其它精确运动设备。
扫描臂16提供其它两个自由度；即，沿X方向和沿Y方向的力矩。具体地，驱动机构26沿着轨道30在X方向上移动臂16，并且沿着Z方向以伸缩方式朝向/远离物体表面移动探头20和其末端22。
CMM10可以采用各种不同类型的末端22中的任一种，这取决于被测量的物体和应用。图1B示意地示出可以固定至探头20的多个不同类型的末端22。除了其它类型这之外，那些末端22在附图中标记并且包括：
直柄球形末端22A，
螺纹球形末端22B，
螺纹盘形末端22C，
螺纹尖头柱状末端22D，
螺纹平坦柱状末端22E，
螺纹圆形柱状末端22F，
螺纹半球形末端22G，以及
九路齿轮组末端22H。
应该注意到，CMM10的特定部件的讨论仅为了说明性目的。例如，臂16可以利用悬臂或其他非伸缩技术来沿Z方向移动，或者平台12可以形成为另一形状（例如，圆形形状）。而且，探头20能使用不同于图1B所示的末端22A至22H的末端22。因此，各种实施方式不必限于图1A的CMM10的细节。
根据本发明的说明性实施方式，CMM10具有控制器34，该控制器有效地引导探头20和末端22的运动以增大全部扫描速度，而同时使硬末端/探头冲击的风险最小。为此，控制器34的说明性实施方式构造成沿着末端22的整个路径从其接近、下沉和扫描路径并且通过其释放路径移动该末端。如在下文更详细地讨论的（例如，当讨论图2时），控制器34将物体表面上的名义起始接触点选为第一接触点。
如同物体表面上的任何点一样，名义起始接触点具有法向矢量（图3所示，这在下文讨论）。在说明性实施方式中，控制器34以与所提到的法向矢量小于大约60度的角度（由符号“A”在图3中标识）朝向名义起始接触点移动末端22。例如，该角度A可以具有在大约5度至60度之间的范围，除其它角度以外，该角度诸如为大约59、50、40、30、20或10度。其它类似重叠范围满足诸如在大约20度至60度之间，或者，在一些情况下为0度。
图2示出了根据本发明的说明性实施方式的测量物体的表面的过程。具体地，该过程根据说明性实施方式详述了步骤和末端22的位置。以相应的方式，图3示意地示出末端22从其接近于物体表面38，并且通过其从物体表面38释放的进程。该过程在200处开始，其中控制器34选择物体表面38上的起始点以供末端22第一次接触。可以由自动过程或操作员预编程的该点在本文可以称为“起始接触点36”。控制器34接收关于物体表面38和起始接触点36的信息以确定在哪里引导末端22。除其它方式以外，可以通过一些用户界面（未示出）从使用者接收该信息。
然而，在过程中的这一点上，控制器34仅具有识别物体表面38的数据，并且因此仅具有识别起始接触点36的数据。事实上，涉及起始接触点36的信息可能或不可能足以将末端22定位在准确的、实际的起始接触点处（还涉及利用附图标记“36”）。因此，起始接触点36在过程的该阶段称为“名义”起始接触点36。起始物体表面38还称为“名义”目标表面38，这是因为它也不能实际上定位在由信息建议的准确位置上。
名义物体表面38和名义起始接触点36分别可以是1）实际物体表面38和实际起始接触点36，或者2）与实际物体表面38和实际起始接触点36隔开。在两种情况下，实际起始接触点36都与作为物体表面38上的预定的第一接触点的名义起始接触点36相关。因此，如果CMM10将末端22引向名义起始接触点36，则在许多情况下可以考虑将末端22引向实际起始接触点36（因此使用相同的附图标记36）。
该过程然后继续到步骤202，在该步骤中，驱动机构26将末端22从物体表面38上方的某处移至物体表面38的接近路径42中的起始点42A。更具体地，如图3所示，接近路径42被认为从名义起始接触点36延伸至上面提到的起始点。该路径42的至少一部分是大致线性的。在优选实施方式中，可以包括接近路径42的部分或全部的该大致线性部从名义起始接触点36直接延伸。在说明性实施方式中，该大致线性部与上面提及的法向矢量35形成上面提及的角度A（小于60度的上面讨论的各种角度）。应该注意到，为了清楚，图3示出了当紧接于起始接触点36时的法向矢量35。这应该不会混淆处于起始接触点36的其真实位置。
过程继续到步骤204，在该步骤中，控制器34引导驱动机构26以沿着接近路径42的大致线性部朝向名义起始接触点36移动末端22。接着，在步骤206中，过程确定末端22是否在高于名义起始接触点36的点处或大约在名义起始接触点36处进行接触。具体地，探头20将在其移向物体表面38时检测实际表面接触。有时，这比预期的块，这是因为关于物体表面38所接收的数据可能不表示物体的当前状态。例如，物体可以以意外的方式旋转，或以高于预期的方式旋转。图4示意地示出在较高点处接触物体表面38的末端22的示例。因此，在该图中，附图标记36指向两个点，即名义起始接触点和实际起始接触点。
在两种情况下，如果步骤206的该状态被满足，则过程继续到步骤208，在该步骤中在接触表面38之后过程下沉探针。末端22因此沿本文称为“下沉路径44”的路径而行以完成下沉过程并且在扫描路径46（下文讨论的）开始时开始扫描过程。
为此，过程在探头20上沿Z方向朝向物体表面38进一步向下压末端22的同时沿扫描方向移动该末端。末端22不会更深地移入表面38中。相反，如本领域技术人员所知的，探头20的柔性部弯曲指定量以为了测量而下沉系统。探头20弯曲以最终下沉到“偏移点48”处，该偏移点如在图3中以虚线所示并且由附图标记48标识。图3还示出了两个箭头之间且也由附图标记48标识的该偏移量。为了说明目的，图3（以及其他附图）示出了由附图标记44标识的曲线，该曲线从实际起始接触点36开始，超调偏移值，并且返回偏移值。该曲线44和其他类似曲线并不旨在暗示末端22穿透物体表面38。相反，该曲线44仅仅示出了当末端22沿着下沉路径44在扫描方向上移动时探头20的柔性部弯曲的距离。
超调有助于减少不希望有的振动（例如，在物体表面38上跳动），从而提供更精确的读数。许多不同因素能有助于这样的振动。例如，那些因素除其它因素以外可以包括所限定的扫描速度、探头内部的弹簧常数、所限定的探头偏移、物体的表面光洁度。对这些和其它因素的认识使得CMM10能够以常规方式确定超调量。
返回到步骤206，如果末端22在它将接触名义起始接触点36之后接触实际接触点36，则过程继续到步骤210，该步骤改变至物体表面38的接近角A。更具体地，如果末端22继续以规定角A移动并且不会足够快地接触物体表面38，则1）可能没有足够的时间来下沉探头20，或2）扫描路径46可能不合需要地开始得太晚以致不能获得准确的信息。为了使这些问题的可能性最小，末端22优选地对于物体表面38相对于法向矢量35以小得多的角度移动。换言之，末端22朝向物体表面38以更直接的方式移动。例如，如由图5所示，末端22可以以对数速率或线性地但是小角度朝向物体表面38移动。在该图（如图4）中，附图标记36因此指向两个点：名义起始接触点和实际起始接触点。在表面接触之后，过程如针对步骤208的在上描述下沉探头20。
现在过程已下沉探头20和末端22而处于扫描路径46开始处，CMM10现在能开始获取关于物体表面38的数据。因此，过程继续到步骤212，该步骤以常规方式扫描并且记录关于物体表面38的拓扑信息。
在扫描路径46的终点，末端22沿着释放路径50远离表面38移动（步骤214）。在一些实施方式中，释放路径50大体上类似于接近路径42。具体地，在这样的实施方式中，释放路径50具有从最后的表面接触点延伸的大致线性部。该大致线性部与法向矢量形成一角度，从最后的表面接触点延伸，该角度与关于接近路径42的大致线性部在上所讨论的角度A对应。因此，该释放角能小于大约60度，诸如为在上面所讨论的角度。
在过程不再扫描物体时，该过程在步骤216终止。然而，可以存在扫描继续时的实例。例如，当末端22接近释放路径50时，它也可以接近其应该避免的一些种类的间断处（例如，凹部或孔）。为继续测量物体，过程有效地使末端22跳过间断处-在间断的另一侧上继续测量过程。在那种情况下，末端22沿释放路径50而行并且返回到步骤200以选择下一个名义起始接触点36并且重复该过程。
说明性实施方式从接近路径42开始，通过下沉路径44、扫描路径46和释放路径50移动末端22，而没有停止，即连续地移动。因此，这提高了扫描速度，因此提高了生产量。而且，该整个路径是预限定路径。另选实施方式可以停止在路径之间的某些点处。例如，一些另选实施方式可以在接近路径42和下沉路径44之间停止或显著减小末端速度以减小下沉路径44的尺寸。
图6示意地示出替代接近路径42。具体地，在该情况下，接近路径42大体上平行于名义起始接触点36的法向矢量35。在该实施方式和相关实施方式中，该接近路径42可以与法向矢量35形成大约0至4度之间的角度。类似于其它实施方式，该实施方式从接近路径42开始，通过下沉路径44、扫描路径46和释放路径50连续地移动末端22而没有停止，或停止在比现有技术设计少的点处。
图6还示出了用于和相对软的物体表面一起使用的另选的下沉技术。具体地，在下沉过程期间探头20指向物体的Z方向的力导致末端22将相应的力引入物体表面38。如果物体足够硬，则应该仅仅对测量或物体有可忽略的冲击。然而，如果物体相对软，则该力可以推动末端22进入物体表面38中，从而损害物体的完整性和读数准确度。因此，图6示出了另一下沉曲线44B，其中探头20绕偏移点48振荡。在该示例中，探头20仅比偏移点48略微更进一步向下压，然后在它下沉在偏移点48处之前远远高于偏移点48。
数据完整性是最重要的。图7因此示意地示出探头20和末端路径的示例，示出了位置数据的记录和标记。当扫描数据从CMM10被返回到分析软件（例如，宿主软件24）时，能设定某些标记以允许宿主软件24：
a)使点分段成多个部分以执行在想要的限定扫描路径46上的分析，而不考虑接近路径42和下沉路径44，并且
b)允许针对每个点关于其定性性质的偏差分析。
点和质量标记两者都可以如图7所示限定。对于每个扫描段，被分配以唯一的点标记号并且将该点标记号从宿主软件24被发送到控制器34。例如，由起始接触点36开始，第一扫描接近段被分配以“1”的标记，如用附图标记52表示的；下沉段被分配以“2”的标记，如用附图标记54表示的；限定路径扫描段被分配以3的标记，如用附图标记56表示的；等等，直到所有的段都被分配以标记。从这些返回的标记，宿主软件24能区分扫描段并且仅分析相关的段。
在所期望的扫描段已经分解成单独的段之后，质量标记能用来进一步分析每个点。使用限定参数，来自实际扫描数据组58的每个点均可以给予质量标记，这取决于附着到限定的扫描探针偏移的水平。这样，当分析扫描段时能忽视无关的点。例如，如果扫描点落在“良好的”公差带60内，则它可以被给予0的质量标记；在下一个公差带62内但是超过第一公差带的点可以被给予5的质量标记，超过最后的公差带64的点可以被给予9的质量标记。质量标记的该分配能被无限地限定。
本发明的各种实施方式可以以许多不同的形式来实现，这些形式包括，但决不不限于用于和处理器（例如，微处理器、微控制器、数字信号处理器或通用计算机）一起使用的计算机程序逻辑、用于和可编程逻辑装置（例如，现场可编程门阵列（FPGA）或其他PLD）一起使用的可编程逻辑、分离元器件、集成电路（例如，特定用途集成电路（ASIC））、或包括其任何组合的任何其他装置。
实施本文在前所述的功能性的所有或部分的计算机程序逻辑可以以各种形式来实现，这些形式包括，但绝不限于源代码形式、计算机可执行形式和各种中间形式（例如，由汇编程序、编译程序、链接编辑程序或定位器产生的形式）。源代码可以包括一系列计算机程序指令，这些指令以用于和各种操作系统或操作环境一起使用的各种程序语言（例如，目标代码、汇编语言或高级语言（诸如C、C++或JAVA））中的任何一种来实施。源代码可以限定和使用各种数据结构和通信信息。源代码可以呈计算机可执行形式（例如，借助解释程序），或源代码可以（例如，借助翻译程序、汇编程序或编译程序）被转变成计算机可执行的形式。
计算机程序可以以任何形式（例如，源代码形式、计算机可执行形式或中间形式）被固定在有形存储介质中，所述有形存储介质诸如是半导体存储装置（例如，RAM、ROM、PROM、EEPROM或闪速可编程序存储器）、磁存储装置（例如，软盘或硬盘）、光学存储装置（例如，CD-ROM）、PC卡（例如，PCMCIA卡）或其他存储装置。计算机程序可以作为具有附随印刷或电子文件（例如，热缩塑料包装软件）的可移除存储介质以任何形式被分配、预加载有计算机系统（例如，在系统ROM上或硬盘上）、或经由通信系统（例如因特网或万维网）从服务器或电子公告板被分配。
实施本文在前描述的功能性的所有或部分的硬件逻辑（包括用于和可编程逻辑装置一起使用的可编程逻辑）可以利用传统手工方法来设计，或可以利用各种工具（诸如计算机辅助设计（CAD）、硬件描述语言（例如，VHDL或AHDL）或PLD编程语言（例如PALASM、ABEL或CUPL））来设计、捕获、模拟或电子证明。
可编程逻辑可以永久或临时固定在有形存储介质中，所述有形存储介质诸如是半导体存储装置（例如，RAM、ROM、PROM、EEPROM或闪速可编程存储器）、磁存储装置（例如，软盘或硬盘）、光学存储装置（例如，CD-ROM）或其他存储装置。可编程逻辑可以作为具有附随的印刷或电子文件（例如，热缩塑料包装软件）的可移除存储介质被分配、预加载有计算机系统（例如，在系统ROM或硬盘上）、或者经由通信系统（例如，因特网或万维网）从服务器或电子公告板被分配。
本发明的附加实施方式在下文中列出，而没有限制。为下文而设的一些实施方式被描述为计算机实施方法权利要求。然而，本领域技术人员将认识到，方法步骤可以实现为计算机代码并且计算机代码能放置在限定计算机程序产品的非暂时计算机可读介质上。
虽然上述讨论公开了本发明的各种示例性实施方式，但是应该清楚，本领域技术人员能进行将实现本发明的一些优点的各种修改，而不脱离本发明的范围。
附加部分
技术领域
本发明一般涉及用于控制表面扫描坐标机的方法。
背景技术
在表面扫描装置的技术领域中，所谓的坐标测量机常常用于测量未知表面的轮廓或用于检验已知表面的外形。为此目的，常用方法是建立与待由具有探针末端的探头测量的表面接触和将该末端沿着预定路径移动。当末端被移动时，描述末端的位置和因此描述表面的外形的位置数据被产生并且被记录。
在该技术领域中主要的问题在于探头至待测量的表面并且在测量扫描之间的运动。一方面任何运动都必须尽可能快地被执行以便保持行进时间短。另一方面与表面的接触的建立必须以避免任何碰撞或硬冲击的方式被执行。另一问题是在没有振动的情况下建立测量条件，即，末端和探头的位置，并且所述测量条件为获得数据而被最优化。
在至表面的典型接近路径期间，若干振动和其它消极影响作用于探头。那些影响通过末端与表面的物理接触而增大。
当前扫描路径接近方法通常包括将将局部表面法线用作接近矢量，借助控制伺服回路沿着该矢量移至远离表面的空间中的预击点，移向表面法线直到形成局部表面接触，然后继续直到达到限定的扫描探针偏移。该方法保持运动平行且垂直于表面法线，分离的表面法线意味着用于移动探头的长距离。
在建立接触之后，扫描探针偏移由于来自控制伺服回路的“超调”而通常被绕过。于是系统远离局部表面，然后朝向局部表面引导以a）下沉探针和坐标测量机（CMM）并且以b）获得限定的扫描探针偏移。在这一点上，限定的扫描路径运动能开始。该方法导致暂停，这些暂停在获得所需的最快速的生产量中无效。该常规的方法的典型顺序能在图8中看到。
在US5,895,444中，公开了不同的方法，该方法涉及用于控制坐标测量设备的方法，其中该设备的探头和探针销根据期望的数据被控制驱动。探针销以可移动的方式附接至探头并且能在待测量的工件的表面上触地或能升离该表面。测量的速度通过选择在触地时或在升起时探头的运动方向以及朝向与触地点中的工件表面相切的平面的运动方向的投影之间的角度小于30°而被增大。尽管该方法导致几乎平行于表面的切平面的运动并且因此避免了上面提及的一些问题，但是它导致一些缺点。第一点是用于建立扫描探针偏移的增大的时间间隔，该扫描探针偏移要求平行于表面法线的运动。根据US5,895,444，这能通过利用具有其控制驱动销的活动探头来保障。然而，探头的该能力增加了该部分的复杂性和重量。另一缺点是在接触表面的点处平行于切平面的主要运动时的情况。因此由平行于表面法线起作用的力引起的效果不是有效的不且因此不能被校正。
因此本发明的目的在于改善表面扫描机（具体地为坐标测量机）的控制。
另一目的在于提供这样的方法，该方法允许在接触表面时或在接触表面之后立即获得可用数据。
本发明的具体目的在于减少对探头的负面影响。
发明内容
这些目的通过实现限定能被组合的若干发明的几个独立权利要求中的一些或所有独立权利要求的特征来实现。以另选或有利方式进一步改进本发明的特征在从属权利要求中描述。尽管所有独立发明的组合将改善控制表面扫描装置的方法，但是主要的是可以以独立和无关方式使用单个发明或不同发明的子集。
这些发明的第一组的概念是从>30°的角度使限定路径扫描与坐标测量机（CMM）合成一体和分开，以便消除正规化矢量方法的暂停（停顿）并且从探针和CMM减振。在每个限定的路径扫描之前，CMM在不存在锐角转角以使运动减慢的路径中在测量部之间以定位速度移动探头。然后，探针被移到远离与扫描方向相反的局部表面定位的空间中的点，优选地在预限定或预设接触点处与表面的表面矢量切线或切平面>30°且<80°（或甚至<70°）。在混合接近路径中，点矢量被设定为零以使观察器功能的影响无效，也就是说，探针的至伺服回路中的反馈以改变限定的扫描路径。
当建立接触时，末端以特定偏移移动。因此，从空间中的起始点，CMM控制伺服系统引导探针以在预定扫描速度下沿着预描述的混合接近路径立即扫描，直到如图6所示附接至探针的探针销（即触针）接触如由探针的偏转借助其传感器测量的局部表面并且继续直到达到限定的扫描探针偏转。为了清楚这在附图中如虚线所表示，但是它实际上是探针偏转（探针偏转=扫描探针偏移）。
然后预限定路径被自动修改，由此控制系统改变限定的扫描路径以获得：a）限定的扫描偏移；和b）使探针和/或坐标测量机的任何振动衰减的最佳方法。具有表面法向矢量的限定的扫描路径于是在所述扫描探针偏移下且在预限定扫描速度下产生。
与现有技术方案形成对比，该方法包括这样的路径，该路径的接近速度具有法向速度分量和切向速度分量，该法向速度分量平行于接触点处的表面法线，该切向速度分量平行于接触点处的表面的切平面，并且其中法向速度分量与切向速度分量的关系在2:1至1:2的范围内，或者换言之，接触点处的接近路径的矢量和接触点处的切平面之间的角度在大于30°至80°的范围内，例如，合适的路径能具有基本上45°的角度。要点在于沿两个方向（与表面法线相切和与表面法线垂直），保持显著的速度分量。通过那些速度，沿两个方向起作用的力的影响存在并且能在一个单个接近中被补偿。另一个优点在于避免了任何静摩擦或粘附摩擦，这允许立即测量并且抑制由于从静摩擦到滑动的转变而引起的振动。
第二方法包括标记数据，即，记录描述或注释所获得的位置数据的附加数据。因此，返回点被标记为它们的预期精度并且参考具体的扫描段以有利于改善分析。该发明方法的细节在本文关于图11来实现和说明。
附图说明
参考附图中示意地示出的工作示例，仅仅通过示例在下面更详细地描述或说明根据本发明的几个方法。具体地，
图8示出了根据现有技术的用于扫描表面的方法；
图9示出了现有技术方案与当前发明的比较；
图10A至C示出了在不同位置处用于与表面接触的接触点的接近路径；
图11示出了用于一起记录用于探针的位置数据和指示路径的具体类型的数据的示例；
图12示出了将所有独立发明结合成一个组合方法，该组合方法用于控制用于坐标测量机的表面扫描，以及
图13示出了能与本发明一起使用的触针的示例。
具体实施方式
图8示出了现有技术的方法，其中探头的末端从垂直于表面的起始位置1被移动。在建立在接触点2处与表面接触的物理接触之后，末端被移至预定偏移并且随后扫描开始。在停止点3处末端被竖直移开至升起位置4，被移至另一起始点5并且再次开始该过程。因此，该方法能分成不同顺序步骤。
1.CMM移至预击点并且暂停直到满足“就位区”区和探针振荡标准。
2.CMM沿着表面法线向下移动探针至所述部分并且暂停，直到在可接受振动限度内满足命令扫描探针偏移。
3.CMM利用观察器沿着命令扫描路径扫描以保持命令扫描探针偏移。在扫描结束时的暂停通常来自控制器的在扫描速度下传送所请求点密度、数据采集和数据传送速度的能力。
4.CMM收回到收回点。
5.CMM移到下一个扫描顺序的预击点并且重复该过程。
图9示出了现有技术方案与当前发明的比较以便示出在扫描时CMM下沉暂停的消除。如上所述，该方法的目的在于消除所有暂停时间（停顿）并且具有进出扫描路径的连续运动，其中要点是在从起始局部表面接触至限定扫描探针偏移下沉探针和CMM的同时暂停。
现有技术方法在预击点21处开始并且等待下沉探针1。然后CMM控制伺服在限定扫描速度下沿着局部表面矢量10朝向局部表面2驱动探针1并且继续直到达到限定的扫描探针偏移5。然后系统远离和朝向局部表面搜索，直到探针和CMM已下沉到预定量。然后测量限定扫描路径。
根据本发明的方法的目的之一是监控探针X、Y和Z输出，同时朝向局部表面（接近路径）扫描，并且在探针的输出达到预定值24时，伺服控制起动朝向扫描方向25的CMM运动。在沿扫描方向25的该运动期间，探针比限定的路径偏移5更进一步地被驱动到局部表面2中并且将探针的偏移逐渐减小到限定的扫描偏移5。该下沉路径6用于下沉探针和CMM以防止局部表面上的运动振动和“跳动”。
振动量受许多因素影响，这些因素包括，但不限于限定的扫描速度、限定的扫描探针偏移、局部表面光洁度等。假定控制器伺服控制认识到这些（和其它）确定振动量的因素，则针对多种情况能得出特定下沉路径。在一些情况下下沉路径可以要求探针远离局部表面被驱动，并且，在没有离开表面接触的情况下，使前述路径26相反。
图10A至10C示出了例如不同位置处的接触点的接近路径的细节。
图9的说明中所提及的振动能通过以不同于表面矢量10的角度利用接近扫描3同时移向局部表面2，或者换言之通过示出沿两个方向的重要分量的运动来减小。因此，接近角度必须大于30°并且能从大于30°到接近表面法线10，或接近80°。这些角范围原则上对应于在2:1至相反关系的范围内的法向速度分量与切向速度分量的关系，优选地在1.7比1至1比1.7的相反关系的范围内。
如果实际局部表面未位于如由名义表面2所述的位置则能引起问题。这两种情况是：
·实际表面位置40不在沿着图10B所示的名义表面矢量10的位置上。在该情况下，整个下沉扫描路径6和限定的扫描路径7从它们的名义路径44被重新定位到这样的点处，在该点处CMM以与图9的说明中所述的相同的方式被伺服控制。
·实际表面位置42不在与图10BC所示的名义表面矢量10相反的位置上。
在该情况下，接近扫描路径由CMM控制器改变从而形成新的接近路径43，该新的接近路径位于从接近角度混合到名义表面矢量的抛物曲线上。控制伺服沿着新的接近路径移动CMM并且继续直到接触实际的局部表面42。一旦获得局部接触，CMM就以与图9的说明中所述的相同的方式被伺服控制。
图11示出了用于一起记录用于作为返回点标记的探针销的位置数据和指示路径的具体类型的数据的示例。
当扫描数据从CMM控制器被返回到宿主软件以用于分析时，某些标记能设定成允许宿主软件a）将点分段成多个部分以便执行对预定限定扫描路径的分析而不考虑接近路径和下沉路径，并且b）允许对于关于每个点的定性特性进行偏差分析。
这些标记、点和质量关于图11来限定。对于每个扫描段，被分配以唯一的点标记号并且将该点标记号从宿主软件发送到控制器。由预击点21开始，第一扫描接近段例如将被分配以如用附图标记27表示的“1”的标记，并且下沉段将被分配以如用附图标记28表示的“2”的标记，限定路径扫描段将被分配以如用附图标记29表示的3的标记等等，直到所有的段都被分配。从这些返回标记，宿主软件能区分扫描段并且只分析相关的段。
一旦期望的扫描段已被分解成单独的段，质量标记就能用于进一步分析每个点。利用限定参数，来自实际扫描数据组33的每个点均将被给予质量标记，这取决于限定的扫描探针偏移被遵循的程度。这样，当分析扫描段时能忽略无关的点。例如，如果扫描点落在“良好的”公差带30内，则将被给予0的质量标记；在下一个公差带31内但是超过第一个公差带的点将被给予5的质量标记，并且如果点超过最后的公差带32，则它将被给予9的质量标记。该质量标记的分配能被无限地限定。
图12示出了将所有独立发明结合成一个组合方法，该方法用于在消除预击暂停的情况下用于坐标测量机的表面扫描。
在实施如图9至图11所示的前述发明的情况下，可以消除在预击点21处的暂停，因为这不再在限定的扫描之前对所形成的下沉有影响。在每个限定的路径扫描之前，CMM在不存在锐角转角以使运动缓慢的路径中在测量点之间以定位速度移动探针1至远离与扫描方向相反的局部表面2定位的空间中的点，该点距表面矢量切线9>30°且<80°并且在距待测量的所述表面的特定偏移d1处。混合接近路径3将其矢量设定成0以使观察器功能无效。
从空间中的该点，然后CMM控制伺服系统引导探针1以以预限定扫描速度沿着规定的混合接近路径3立即扫描，直到如借助其传感器由探针的偏转4测量的探针销8接触局部表面并且继续直到达到限定的扫描探针偏移5。为了清楚这如虚线所示，但是它实际上是探针偏转（探针偏转=扫描探针偏移）。
然后自动修改6预限定路径，由此控制系统改变限定扫描7路径以获得：a）限定的扫描偏移；和b）使探针和/或坐标测量机的任何振动衰减的最佳方法。然后具有表面法向矢量10的限定的扫描路径7在所述扫描探针偏移5处且在预限定扫描速度下产生。
图13示出了能和本发明一起使用的用于探头的触针的不同实施方式的示例。
附图中的图不应被认为是按比例画出。
发明思想
1.一种用于控制表面扫描坐标测量机的方法，所述坐标测量机具有
扫描探头，该扫描探头具有用于接触待测量的物体的表面的探针销，并且所述方法具有以下步骤：
沿着传送路径以定位速度移动所述探针销，
沿着接近路径以接近速度进入并移至所述表面，
在预限定的接触点处接触所述表面并且建立扫描条件，
扫描所述表面，
其中，所述接近速度具有平行于所述接触点处的表面法线的法向速度分量和平行于所述接触点处的所述表面的切平面的切向速度分量，并且所述法向速度分量与所述切向速度分量的关系在2:1至1:2的范围内。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述法向速度分量与所述切向速度分量的关系在1.7:1至1:1.7的范围内。
3.一种用于控制表面扫描坐标测量机的方法，所述表面扫描坐标测量机具有：
扫描探头，该扫描探头具有用于接触待测量的物体的表面的探针销，并且所述方法具有以下步骤：
沿着传送路径以定位速度移动所述探针销，
沿着接近路径以接近速度进入并移至所述表面，
在预限定的接触点处接触所述表面并且建立扫描条件，
扫描所述表面，
其中，所述接近路径在所述接触点处的矢量和所述接触点处的切平面之间的角度在>30°至<80°的范围内。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，
所述接近路径在所述接触点处的所述矢量和所述接触点处的所述切平面之间的所述角度在>30°至<70°的范围内或在>30°至<60°的范围内。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述接近路径和所述扫描路径限定预限定名义路径，并且当在所述预限定接触点处错过所述表面的情况下，所述接近路径被改变以使得形成新的接近路径，该新的接近路径位于平行于所述预限定接触点处的表面法线的抛物曲线上，该抛物曲线从所述接近路径的所述矢量和预限定的所述接触点处的所述切平面之间的实际角度混合。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，建立扫描条件结合有平行于所述表面法线移动所述探针销直到达到限定的扫描探针偏移。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，
平行于所述表面法线移动所述探针销超过所述限定的扫描探针偏移，并且随后，
所述探针销的偏移沿着下沉路径被逐渐减小到所述限定的扫描探针偏移，用于使振动衰减和/或校准测量过程。
8.一种用于控制表面扫描坐标测量机的方法，所述表面扫描坐标测量机包括：
扫描探头，该扫描探头具有用于接触待测量的物体的表面的探针销，并且所述方法具有以下步骤：
沿着传送路径以定位速度移动所述探针销，
沿着接近路径以接近速度进入并移至所述表面，
在预限定接触点处接触所述表面并且建立扫描条件，
扫描所述表面，
其中，所述探针销的位置数据的获得在所述接近路径上开始。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述接近路径和扫描路径通过连续获得所述探针销的所述位置数据而限定预限定名义路径。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其中，所述探针销的所述位置数据与指示路径的具体类型的数据一起被记录。
11.根据权利要求8至10中的任一项所述的方法，其中，所述探针销的所述位置数据被用作数据的定性性质或可用性的指标。
附加部分结束

Claims (18)

1.一种用于控制表面扫描坐标测量机的方法，所述表面扫描坐标测量机具有探头，所述探头具有远端探针末端，所述远端探针末端构造成用于接触待测量的物体的表面，所述方法包括：
在所述表面上选择名义起始接触点，所述名义起始接触点具有法向矢量；
沿着接近路径朝向所述名义起始接触点移动所述远端探针末端，所述接近路径具有大致线性部，所述大致线性部从所述名义起始接触点大致线性地延伸到与所述表面隔开的某非接触点，所述大致线性部与所述法向矢量形成在20度至60度之间的角度；并且
向下移动所述探头，并且在将所述远端探针末端移动成与和所述名义起始接触点相关的实际起始接触点接触之后以一偏移下沉所述探头，所述探头在以所述偏移下沉之前超调该偏移或所述探头在以所述偏移下沉之前在该偏移的上下振荡，其中，所述实际起始接触点与所述名义起始接触点“相关”是指：(1)所述实际起始接触点是所述名义起始接触点，或者(2)所述实际起始接触点与所述名义起始接触点隔开。
2.根据权利要求1所述的方法，该方法还包括：
沿着偏移路径移动所述远端探针末端并且将所述远端探针末端从与所述名义起始接触点相关的实际起始接触点移至起始扫描点；
从所述起始扫描点沿着扫描路径并且沿着所述物体的所述表面移动所述远端探针末端，
所述远端探针末端沿着所述接近路径、所述偏移路径和所述扫描路径在这些路径之间连续移动。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述大致线性部与所述法向矢量形成在20度至55度之间的角度。
4.根据权利要求2所述的方法，该方法还包括：
沿着释放路径移动所述远端探针末端，在所述释放路径中所述远端探针末端远离与所述物体的所述表面的接触移动，所述释放路径在所述扫描路径之后开始，
所述远端探针末端沿着所述扫描路径和所述释放路径在这两个路径之间连续运动。
5.根据权利要求4所述的方法，该方法还包括：
在所述表面上选择第二名义起始接触点，所述第二名义起始接触点具有第二法向矢量；并且
在从所述释放路径移动所述远端探针末端之后，沿着第二接近路径将所述远端探针末端移动成与所述第二名义起始接触点接触，所述第二接近路径具有第二大致线性部，所述第二大致线性部从所述第二名义起始接触点大致线性地延伸到与所述表面隔开的某第二非接触点，所述第二大致线性部与所述第二法向矢量形成在20度至59度之间的角度。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述远端探针末端沿着所述释放路径和所述第二接近路径在这两个路径之间连续移动。
7.根据权利要求1所述的方法，该方法还包括：
沿着所述物体的所述表面沿扫描路径移动所述探针远端末端；
限定与所述表面隔开的多个区；并且
沿着所述扫描路径为所述物体的所述表面的多个点分配标记，每个标记均作为所述标记的点和所述多个区的函数而被分配。
8.一种控制表面扫描坐标测量机的方法，所述表面扫描坐标测量机具有探头，所述探头具有远端探针末端，所述远端探针末端构造成用于接触待测量的物体的表面，所述方法包括：
在所述表面上选择名义起始接触点，所述名义起始接触点具有法向矢量；
沿着接近路径朝向所述名义起始接触点移动所述远端探针末端，所述接近路径具有大致线性部，所述大致线性部从所述名义起始接触点大致线性地延伸至与所述表面隔开的某非接触点，所述大致线性部与所述法向矢量形成小于60度的角度；
向下移动所述探头，并且在将所述远端探针末端移动成与和所述名义起始接触点相关的实际起始接触点接触之后以一偏移下沉所述探头，所述探头在以所述偏移下沉之前超调该偏移或所述探头在以所述偏移下沉之前在该偏移的上下振荡，其中，所述实际起始接触点与所述名义起始接触点“相关”是指：(1)所述实际起始接触点是所述名义起始接触点，或者(2)所述实际起始接触点与所述名义起始接触点隔开；并且
沿着偏移路径将所述远端探针末端移至起始扫描点，
所述远端探针末端沿着所述接近路径和所述偏移路径在这两个路径之间连续移动。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述大致线性部与所述法向矢量形成在0度至5度之间的角度。
10.根据权利要求8所述的方法，该方法还包括将所述远端探针末端移动成与所述表面上的实际起始接触点接触，所述实际起始接触点与所述名义起始接触点相关，所述偏移路径在所述实际起始接触点处开始。
11.根据权利要求10所述的方法，该方法还包括：
在没有接触所述实际起始接触点的情况下将所述远端探针末端移动通过所述名义起始接触点；并且
在所述远端探针末端通过所述名义起始接触点之后并且在所述远端探针末端接触所述实际起始接触点之前，减小所述接近路径相对于所述法向矢量的角度。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述接近路径在所述远端探针末端通过所述名义起始接触点之后并且在所述远端探针末端接触所述实际起始接触点之前具有对数形状。
13.一种用于接触待测量的物体的表面的表面扫描测量机，所述表面扫描测量机包括：
具有远端探针末端的探头；
控制器，所述控制器与所述探头操作地联接，所述控制器构造成在所述表面上选择名义起始接触点，所述名义起始接触点具有法向矢量；以及
驱动机构，所述驱动机构与所述控制器操作地联接，所述驱动机构构造成与所述控制器协作以沿着接近路径朝向所述名义起始接触点移动所述远端探针末端，所述接近路径具有大致线性部，所述大致线性部从所述名义起始接触点大致线性地延伸到与所述表面隔开的某非接触点，所述大致线性部与所述法向矢量形成在20度至60度之间的角度，
其中，所述驱动机构构造成与所述控制器协作，以向下移动所述探头并且在将所述远端探针末端移动成与和所述名义起始接触点相关的实际起始接触点接触之后以一偏移下沉该探头，所述探头在以所述偏移下沉之前超调该偏移或者所述探头在以所述偏移下沉之前在该偏移的上下振荡，其中，所述实际起始接触点与所述名义起始接触点“相关”是指：(1)所述实际起始接触点是所述名义起始接触点，或者(2)所述实际起始接触点与所述名义起始接触点隔开。
14.根据权利要求13所述的表面扫描测量机，其中，所述驱动机构构造成与所述控制器协作以沿着偏移路径从与所述名义起始接触点相关的实际起始接触点移动所述远端探针末端并且将所述远端探针末端移至起始扫描点，所述驱动机构还构造成与所述控制器协作以从所述起始扫描点沿着扫描路径并且沿着所述物体的所述表面移动所述远端探针末端，
所述远端探针末端沿着所述接近路径、所述偏移路径和所述扫描路径在这些路径之间连续移动。
15.根据权利要求13所述的表面扫描测量机，其中，所述大致线性部与所述法向矢量形成在20度至55度之间的角度。
16.根据权利要求14所述的表面扫描测量机，其中，所述驱动机构构造成与所述控制器协作以沿着释放路径移动所述远端探针末端，在所述释放路径中所述远端探针末端远离与所述物体的所述表面的接触移动，所述释放路径在所述扫描路径之后开始，
所述远端探针末端沿着所述扫描路径和所述释放路径在这两个路径之间连续移动。
17.根据权利要求16所述的表面扫描测量机，其中，所述驱动机构构造成与所述控制器协作，从而：1)在所述表面上选择第二名义起始接触点，所述第二名义起始接触点具有第二法向矢量；并且，2)在从所述释放路径移动所述远端探针末端之后，沿着第二接近路径将所述远端探针末端移动成与和所述第二名义起始接触点相关的第二实际起始接触点接触，所述第二接近路径具有第二大致线性部，所述第二大致线性部从所述第二实际起始接触点大致线性地延伸至与所述表面隔开的某第二非接触点，所述第二大致线性部与所述第二法向矢量形成等于或大于20度并且小于59度的角度。
18.根据权利要求17所述的表面扫描测量机，其中，所述远端探针末端沿着所述释放路径和所述第二接近路径在这两个路径之间连续移动。
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