CN103822603A - 校准方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种用于对设备进行校准的方法，所述设备包括安装在机器上的测量探头（4）。所述机器能够捕获表示所述测量探头的位置的机器位置数据（x，y，z；70；80），所述测量探头能够捕获表示一表面相对于所述测量探头（4）的位置的探头数据（a，b，c；72；82）。测量探头（4）可以是具有可偏转的触针（14）模拟探头或者扫描探头。该方法的第一步骤包括以已知的速度相对于制品（30；40；42）移动所述测量探头（4），同时捕获探头数据（a，b，c；72；82）和机器位置数据（x，y，z；70；80）。特别的是，所述测量探头（4）沿着一路径移动，所述路径使得能够捕获表示所述制品的表面上的两个或者多个点相对于所述测量探头（4）的位置的探头数据（a，b，c；72；82）。该方法的第二步骤包括分析机器位置数据（x，y，z；70；80）和探头数据（a，b，c；72；82），并且从这些数据确定捕获探头数据和机器位置数据的相对延迟（即所谓的系统延迟）。

Description

校准方法和设备

本专利申请是申请号为200880005998.7（国际申请号为PCT/GB2008/000528）、申请人为“瑞尼斯豪公司”、发明名称为“校准方法和设备”的专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种用于校准设备的方法，该校准设备包括安装在机器上例如机床上的测量探头。具体而言，本发明涉及用于确定在这种设备中捕获测量探头数据和机器位置数据的相对延迟的方法。

背景技术

测量探头是已知的，其具有用于接触物体的触针或者探针以及位于探头主体内的换能器用于测量触针相对于探头主体的任何偏转。这些测量探头通常称为“模拟”或者“扫描”探头，这种测量探头的一个例子描述在美国专利No.4084323（McMurtry）。在使用中，扫描探头的主体安装到机器上，并且相对于物体的表面运动，使得触针扫描物体表面。对测量探头换能器的输出进行读数（用于检测触针偏转）并且对机器的工作空间内的探头主体的位置进行读数。结合扫描期间获得的探头偏转数据和机器位置数据，允许在整个扫描中的非常多点处获得工件表面的位置。

上面描述的类型的模拟或者扫描探头通常被布置成用于产生探头偏转读数流，该读数流物体表面上的点相对于探头壳体的位置的测量。应当理解，这种测量探头相当程度不同于所谓的触碰式探头或者触碰触发式探头，触碰式探头或者触碰触发式探头仅仅用作开关并且在触针偏转超过某一阈值时发送所谓的触发信号。在触碰触发式探测系统中，触发信号用来冻结携带探头的机器的测量刻度尺，由此允许当偏转超过阈值时找到探头的位置。对于触碰式探头，已知可以确定所谓的探头延迟，其证明了事实：在时间T1物理偏转超过偏转阈值的触碰式探头的触针和在时间T2冻结的机器的刻度尺之间存在时间延迟。用于确定触碰式探头延迟（T2-T1）的各种校准技术是已知的，例如，参见专利文献GB2328025;EP420416和US5425180。

在专用的使用扫描探头的坐标测量机器（CMM）中，来自机器的位置编码器的探头位置信息和来自测量探头的触针偏转数据均被高速捕获。探头偏转和探头位置数据可以因此容易地结合，以便几乎实时产生物体坐标测量。在美国专利US6810597中，描述了用于去除在这些设备中可能发生的各种静态和动态误差的校准技术。美国专利US6810597还描述了用于确定探头内的任何延迟（例如电子处理延迟）的方法，所述延迟可能延迟探头偏转数据的产生。

还已知在标准的数控机床的主轴中安装扫描探头。在这种机床中，数字控制器（NC）从各个位置编码器接收位置信息。机床位置信息（例如，主轴位置的x，y，z测量）的主要目的是允许NC采用伺服控制反馈环路精确控制机器运动。位置信息还可以通过NC输出，并且与探头（触针偏转）测量结合，来确定物体的坐标测量。为了提供更好的机器位置和探头测量的同步，WO 2005/065884描述了一种主时钟布置，其对于探头偏转和机器位置数据产生共同的定时信号。

发明内容

因此，根据本发明的第一方面，提供一种用于对设备进行校准的方法，所述设备包括安装在机器上的测量探头，所述机器能够捕获表示所述测量探头相对于一制品的位置的机器位置数据，所述测量探头能够捕获表示一表面相对于所述测量探头的位置的探头数据，所述方法包括如下步骤：

（i）以已知的速度相对于所述制品移动所述测量探头，同时捕获探头数据和机器位置数据，所述测量探头沿着一路径移动，所述路径使得能够捕获表示所述制品的表面上的两个或者多个点相对于所述测量探头的位置的探头数据；以及

（ii）分析在步骤（i）中捕获的机器位置数据和探头数据，并且由此确定捕获探头数据和机器位置数据的相对延迟。

因此提供了能够用来建立设备中的所谓的系统延迟（即捕获探头数据和机器位置数据的相对延迟）的方法，所述设备包括安装在机器上的测量探头。该方法包括第一步骤（i）以已知的优选基本上恒定的速度相对于所述制品移动所述测量探头，同时从机床收集机器位置数据值并且从探头收集探头数据值。该速度可以是已知的实际速度（例如测量的速度）或者是已知的要求速度（即探头被指示来移动的速度）。在该第一步骤中，测量探头被沿着扫描路径驱动，该扫描路径被选择使得可以获得表示所述制品的表面上的两个或者多个点相对于所述测量探头的位置的探头数据。

如下面更详细描述的，与产生机器位置数据和探头数据有关的不同的延迟（例如，由于测量探头和机器电子中的不同的延迟）可以意味着在由机器捕获的机器位置数据值和由设备捕获的探头数据值之间存在相对延迟（所谓的“系统延迟”）。该系统延迟可以通过如下说明更好的理解：在一特定的时间瞬时，探头测量测量制品的表面上的单个点。例如，在接触测量探头具有可偏转的触针的情况下，触针在一个时间瞬时接触制品的表面上的单个点。在绝对时间的该一个时间瞬时，存在一定的（明确的）触针偏转，并且机器将探头保持在一定的（明确的）位置。在该时间瞬时触针偏转和机器位置的结合产生了表面上单个点的精确位置。但是，对于实际系统，探头捕获触针偏转信息所花费的时间通常不同于机器捕获与探头位置有关的信息所花的时间。由探头和机器在相同的时间点捕获的探头数据和机器位置数据对应于稍微不同的测量绝对时间（因此不同的位置）。换句话说，在由探头捕获的探头数据值和由机器捕获的机器数据值存在相对（绝对）时间延迟，这种延迟这里称为系统延迟。

通过在以如上所述的方式捕获数据期间以已知速度移动测量探头，发现可以通过第二步骤（ii）建立系统延迟，即分析捕获的机器位置数据和探头数据。该分析步骤可例如包括当扫描制品时监控机器位置数据和探头数据的某些共同特性或者评价系统延迟对制品的某些测量的尺寸或者特性的影响。

还重要的是，应当注意，使用本发明的方法找到的系统延迟很大程度不同于在触碰触发式探头系统中建立的触碰探头延迟。如上所述，触碰式探头延迟（T2-T1）是超过预定阈值的触针偏转和机器刻度被冻结之间的延迟。相反，根据本发明的系统延迟时捕获两组测量（即机器位置数据和探头数据）之间的相对延迟。例如，考虑一种（接触式）扫描探头，其在一定的时间瞬时T1具有一触针，该触针偏转一定的量（a，b，c）并且位于空间中的位置（x，y，z）。读取机器刻度（即捕获机器位置数据）的第一延迟意味着对于时间T1的机器位置数据实际上在随后的瞬时T2被捕获。同样，捕获探头偏转数据的第二瞬时意味着对于时间T1的探头偏转数据实际上在随后的瞬时T3被捕获。根据本发明建立的系统延迟不是在时间T2捕获机器位置数据和实际测量时间T1之间的延迟，也不是在时间T3捕获探头数据和实际测量时间T1之间的延迟。而根据本发明的系统延迟提供捕获机器位置数据和探头数据之间的相对延迟，即建立T2-T3。该系统延迟不是相对于实际测量时间（T1）的延迟，可以看出，根据本发明确定的系统延迟很大程度不同于以前在触碰触发式探头系统中发现的探头延迟。

该机器可以方便地包括机床。有利的是，机床捕获机器位置数据作为笛卡尔（x，y，z）坐标值的组。测量探头可包括接触式或者非接触式（例如光学）测量探头。有利的是，测量探头是所谓的扫描或者模拟探头，其具有可偏转的触针。在这种情况性爱，捕获的探头数据有利地表示触针偏转，并且可以包括笛卡尔（a，b，c）坐标值的组。如果提供扫描探头，步骤（i）优选包括使用所述机器来沿着如下路径移动所述测量探头：使得所述测量探头的触针与所述制品的表面上的所述两个或者多个点的每个接触。

如果提供具有可偏转的触针的扫描探头，则步骤（i）方便地包括在所述触针和所述制品的表面上的点首次建立接触之后继续相对于所述制品移动所述测量探头一段限制的距离（直到到达触针偏转上限）。通过这种方式，当触针尖端在制品表面的固定点不动并且测量探头主体朝着制品驱动并且离开制品由此增加和然后减小触针偏转幅度时，收集探头数据和机器位置数据。步骤（ii）可以有利地包括进行外推或者其他合适的数学操作来计算所述制品的表面上的两个或者多个测量的点。如前面所描述的，外推过程可以用来提供制品表面上的测量的点，其对应于零触针偏转。这里，这种过程称为“外推到零”，并且提供被触针在机器（例如x，y，z）坐标接触的制品的表面上的点的测量位置。

可以使用当探头朝着制品移动和/或移动离开制品时捕获的探头数据和机器位置数据来进行外推。有利的是，使用当探头移动离开制品的表面时捕获的探头数据和机器位置数据来进行外推。在这种情况下，测量的点不被任何触针弹跳或者当触针初始被驱动与制品的表面接触时可能存在的其他效应所影响。

应当理解，尽管当使用扫描探头时外推过程是优选的，但是，其不是本发明的必须的部分。可以以许多其他不同方式找到触针接触制品的表面的点。例如，可以监控何时探头数据超过预定值，由此表示触针已经偏转一定量。

如果提供接触式测量探头，所述测量探头的触针优选从基本上垂直于所述制品的局部表面的方向与所述制品的表面上的每个点接触。这确保了基本上所有的速度分量在测量期间垂直于制品表面，并且如果测量探头在首次触针接触之后进一步朝着制品移动（例如用于进行“外推到零”测量）则保持触针与制品上的相同点接触。如果测量探头从非正交方向接触制品表面，则正交速度分量可以容易地从已知的合成速度和探头进入方向来得出。

优选的是，该方法的步骤（ii）包括使用所述探头数据和所述机器位置数据来计算所述制品的表面上的两个或者多个测量的点的位置。通过适当地接合探头数据和机器位置数据来确定制品表面上的测量点。如果提供（接触式）扫描探头，这可以采用前面描述的外推到零方法实现。或者，对于非接触式测量探头，可以通过已知的技术结合探头数据和机器位置数据。

优选的是，步骤（i）中的所述制品的表面上的两个或者多个点被选择成允许测量所述制品的至少一个尺寸。例如，点可以被选择来允许球形制品的直径被测量。有利的是，所述制品的表面上的两个或者多个点包括至少一对相对的点。成对的相对点式在制品表面上的点，其可以通过沿着相同的路径在相反方向上移动测量探头来接触。

如果步骤（i）中的所述制品的表面上的两个或者多个点被选择成允许测量所述制品的至少一个尺寸，步骤（ii）有利地包括通过将所述制品的至少一个测量的尺寸与所述制品的已知的（例如预测量的）尺寸比较来计算所述延迟。换句话说，可以通过比较制品的测量的尺寸和制品的已知的尺寸来找到系统延迟。这产生系统延迟，因为测量探头的速度是已知的。

尽管可以获得具有准确已知的尺寸的制品，如果制品尺寸是未知的也可以采用本发明的方法。已经发现可以通过有利地进行步骤（i）多次，其中所述测量探头以多个不同的已知速度移动。方便的是，每次重复步骤（i）在制品表面上的至少两点测量相同。应当注意，可以以各种方式进行重复步骤（i）。例如，当以第一、第二以及随后可能的速度移动测量探头时测量制品表面上的第一点。以这些第一、第二以及随后可能的速度测量制品表面上的第二点。或者在以第二速度重复测量之前以第一速度测量制品表面上的所有或者一些点。换句话说，具体的测量顺序是不重要的，并且可以根据需要选择来最小化操作所使用的特定类型的设备的校准所需的时间。

有利的是，所述步骤（ii）包括确定在所述多个速度的每个时所述制品的至少一个测量的尺寸。例如，对于多个已知测量速度的每个可以计算球体的直径。特别的是，步骤（ii）可以有利地包括从作为速度的函数的所述制品的至少一个测量的尺寸的变化确定所述探头数据和所述机器位置数据之间的延迟。优选的是，从测量的尺寸相对于速度数据的梯度获得所述延迟。例如在上述例子中，这允许从作为测量探头相对于球形制品的运动速度的函数的测量的球体直径的梯度确定系统延迟。重要的是，当采用这种方法时制品的实际尺寸不需要已知或者预测量。

制品可以是任何形状，并且可以放置或者形成在机器工作空间中。有利的是，所述制品包括球体、一对平行板、或者立方体。如果提供球形制品，步骤（i）可以方便地包括捕获表示所述制品的表面上的至少五个点的位置的探头数据。方便的是，测量球体上的五个点，这允许在最短的时间高精度测量球体直径。

取代确定制品表面上的测量的点，捕获的机器位置数据和探头数据可以被分析来直接获得系统延迟。有利的是，步骤（i）可以包括沿着允许沿制品的表面轮廓的多个点进行测量的路径移动测量探头。特别的是，当测量探头沿着测量路径被驱动时，可以捕获大量（例如几十个或者几百个）探头数据值和机器位置数据值。例如，可以捕获至少十组或者至少百组这种数据值。如果提供具有可偏转的触针的扫描探头，测量探头可以沿着使得触针尖端沿着制品表面扫面的路径移动。

方便的是，所述路径在测量探头移动的方向上包括至少一个变化，可以从机器位置数据和探头数据中识别所述变化。有利的是，所述路径在探头移动的方向上包括多个变化，可以从机器位置数据和探头数据中识别所述变化。优选以不同速度进行多次表面轮廓扫描。每次扫描优选使得测量探头沿着相同路径但以不同速度移动。

有利的是，步骤（ii）包括比较机器位置数据和探头数据，以便建立它们之间的延迟，所述比较包括迭代过程来最小化可从探头数据和机器位置数据识别的方向变化。换句话说，机器位置数据和探头数据的对应于探头方向的变化的变化被比较，并且数据组之间的区别通过迭代改变探头数据和机器位置数据组来最小化。或者，可以采用相关技术，例如探头和机器位置数据组可以相加在一起并且是用迭代过程最大化所产生的总和。可以对以不同测量速度捕获的机器位置和探头数据并行进行这种迭代过程。在这种情况下，可以最小化所产生的误差。这允许建立系统延迟，而实际上不需要计算制品表面上的位置，但是如果需要可以进行。

可以相对于固定的制品移动测量探头，可以相对于固定的测量探头移动制品，或者测量探头和制品都是可以单独移动的。所需要的是知道测量探头和制品之间的相对速度，如上所述，已知速度可以是测量的速度或者需求的速度。机器还可包括马达或者其他促动器，其提供制品和测量探头之间的相对运动。方便的是，该机器是机床，也就是说，该机器能够使用工具来切割或者车削工件的部分。该机床可以包括数字控制器，其输出可以从位置编码器或者类似物获得的机器位置数据。NC还可以控制测量探头和制品之间的相对运动。

有利的是，测量探头通过无线链路将所述探头数据输出到探头接口。优选的是，采用计算机用来执行该方法的步骤（ii）。例如，计算机可以接口连接到机床的NC上，并且连接到远程探头接口上，其通过无线链路与测量探头通信。

有利的是，机器位置数据和探头数据以相对于主时钟定时的时间间隔捕获。有根据本发明的方法确定的系统延迟是机器产生机器位置数据和测量探头产生探头数据之间的相对延迟，即，该系统延迟时当数据相对于主时钟定时的瞬时发生的延迟。任何随后的延迟，包括与将数据报传递给计算机相关的在数据相对于主时钟定时后发生的可变延迟不会影响测量精度。有利的是，主时钟提供为机器的部件或者测量探头系统的部件（例如位于探头接口中）。机器或者测量探头系统的其他部分被有利地构造成具有用于从主时钟接收定时信号的输入。在专利文献WO2005/065884中已经更详细描述了这种主时钟布置的设置和使用。

在进行校准以便建立系统延迟之后，当结合机器位置数据和探头数据时可以使用计算的系统延迟值。例如，在计算位置信息之前，机器位置数据或者探头数据的定时可以变改变或者偏移。或者，测量探头或者机器中的一个可以被布置成提供对应于系统延迟的数据捕获延迟。通过这种方式，机器位置和探头数据的将来捕获没有与其有关的相对系统延迟。

根据本发明的第二方面，提供一种设备，其包括：测量探头，其用于捕获表示一表面相对于所述测量探头的位置的探头数据；机器，其用于捕获表示所述测量探头相对于一位于所述机器的工作区域中的制品的位置的机器位置数据；控制器，其包括校准装置，所述校准装置用于以已知的速度相对于所述制品移动所述测量探头，同时捕获探头数据和机器位置数据，所述校准装置沿着一路径移动所述测量探头，所述路径使得能够捕获表示所述制品的表面上的两个或者多个点相对于所述测量探头的位置的探头数据，其中，所述控制器包括分析器，所述分析器用于确定所捕获的探头数据和机器位置数据之间的相对延迟。

根据本发明的第三方面，提供一种用于对设备进行校准的方法，所述设备包括安装在机器上的测量探头，所述机器能够捕获表示所述测量探头相对于一制品的位置的机器位置数据，所述测量探头能够捕获表示一表面相对于所述测量探头的位置的探头数据，所述方法包括如下步骤：（i）当以已知的速度相对于制品移动所述测量探头时捕获探头数据和机器位置数据，当所述测量探头相对于制品沿着能够提供表示所述制品的表面上的两个或者多个点相对于所述测量探头的位置的探头数据的路径移动时，所述探头数据和机器位置数据以在一直的时间间隔被捕获；以及（ii）分析在步骤（i）中捕获的机器位置数据和探头数据，并且由此确定捕获的探头数据和机器位置数据的相对延迟。有利的是，步骤（i）中使用的机器位置数据值和探头数据值相对于主时钟定时。

还可以提供一种计算机程序，其用于执行上面描述方法。还可以提供一种计算机程序承载器，其承载这种计算机程序。

根据本发明的第四方面，提供一种用于对设备进行校准的方法，所述设备包括安装在机器上的测量探头，所述机器能够捕获表示所述测量探头相对于一制品的位置的机器位置数据，所述测量探头能够捕获表示一表面相对于所述测量探头的位置的探头数据，所述方法包括如下步骤：（i）以已知的速度相对于所述制品移动所述测量探头，同时捕获探头数据和机器位置数据，所述测量探头沿着一路径移动，所述路径使得能够捕获表示所述制品的表面上的至少一个点相对于所述测量探头的位置的探头数据，所述路径还在探头移动方向上包括至少一个变化，可以从机器位置数据和探头数据识别所述变化；以及（ii）比较在步骤（i）的扫描期间捕获的机器位置数据和探头数据，并且由此确定捕获的机器位置数据和探头数据的相对时间延迟。

附图说明

以下将通过参照附图示例性地描述本发明。其中：

图1显示了安装在机床的主轴中的扫描探头；

图2显示了如何使用五个表面位置测量来确定球形校准制品的直径；

图3显示出了一种替代的校准制品；

图4显示了以多个不同的测量速度获取的球体直径数据；

图5显示出了用于扫描球体以找到系统延迟的扫描路径；

图6显示了采用如图5所示的路径扫描球体时产生的机器位置数据和探头数据；

图7显示出了图6所示的机器和探头数据的径向误差；以及

图8显示出了驱动探头到表面上和离开表面时获取的机器和探头数据如何可以用来计算探头/机器时间延迟。

具体实施方式

参照图1，示出了安装在机床的主轴2中的扫描探头4。可以通过各种驱动马达（没有显示出来）使得该主轴2沿着X，Y，Z机床轴相对于固定基底6移动。也可以采用位置编码器或者类似物（没有示出）来精确测量主轴（x，y，z方向）的定位。数字控制器（NC）8输出移动（X，Y，Z）信号到驱动马达，并且也从位置编码器接收位置信息信号（x，y，z）。以一种已知的方式，NC可以因此提供主轴在机床的工作区域内的精确的伺服控制的运动。NC8可通过应用程序接口（API）10进行编程。

模拟或者扫描探头4包括探头主体12，探头主体12可使用标准类型的可释放连接器连接到机床的主轴2上。尖端具有触针球16的工件接触触针14从探头主体12伸出。模拟探头4测量触针14的尖端相对于探头主体12的任何偏转，这些测量在所谓的探头几何系统（a，b，c）中进行。探头4还包括光发送器/接收器部分18，其与位于机床附近的远程探头接口20的相对应的接收器/发送器部分通信。探头偏转（a，b，c）数据可以在需要时因此通过无线通信链路输出到接口。例如，可以在探头接口20请求时通过探头发送探头偏转数据。

如专利文献WO2005/065884中描述的，主时钟22可以设置在NC8中。可以通过API以由主时钟限定的时间间隔捕获和输出来自于机床的位置编码器产生的信号的位置测量。通过这种方式，形成了以已知时间间隔捕获的机器位置数据（x，y，z）的列表组。来自NC的主时钟22的定时或者同步信号也传递给探头接口20。也以由主时钟22限定的时间间隔获得了探头偏转数据（a，b，c）。以所述时间间隔捕获的探头偏转数据的列表组通过探头接口20输出。

尽管探头偏转（a，b，c）和机器位置（x，y，z）数据值优选在相同的时间瞬时捕获，这也不是必须的。例如，探头偏转数据的收集率可以不同于机器位置数据。在该例子中，主时钟为NC的一部分。但是，其可以替代地位于探头接口中，或者可以从外部源对探头接口和NC提供共同的定时信号。

计算机24从API10接收机器位置数据，并且从探头接口20接收探头偏转数据。由于机器位置测量（x，y，z）和探头偏转测量（a，b，c）都相对于对主时钟22有时间标记，这些测量可以通过计算机24结合来提供被扫描的表面的坐标位置测量。如果获得不同时间间隔的数据值，可以对于探头偏转数据或者机器位置数据组中的一个进行内插，以便临时将其与另一数据组对准。使用用于限定探头偏转和机器位置数据的定时的共同时钟的优点在于，其使得系统对于从NC和探头接口道计算机24的数据传送的相对速度不敏感。因此克服了不能从当前可获得的NC实时获取位置数据。

主时钟技术的使用确保了计算的机器位置（x，y，z）和探头偏转（a，b，c）数据值不会被在分别将数据组从NC和探头接口传送到PC中存在的各种延迟的影响。但是，还是存在于捕获机器位置和探头偏转值有关的相对延迟。例如，NC可以花几毫秒来从计算来自编码信号的机器位置数据，而探头接口可能仅仅花几微妙来询问测量探头并且接收更新的探头偏转数据。因此，可以看出，尽管机器和探头接口可以以已知的时间点（例如相对于主时钟定时）来捕获机器位置和探头偏转值，这些值可能实际上与测量的稍微不同的实时有关。换句话说，尽管机器位置和探头偏转数据值可以以由共同的时钟限定的时间间隔读取（即获取），在产生机器位置和探头偏转测量上还是存在相对延迟。这里，该延迟称为“系统延迟”，下面将描述根据本发明的用于确定该系统延迟的各种方法。

此时，方便的是，应当理解，尽管当采用图1所示类型的设备时优选探头偏转和机器位置数据组相对于共同的时钟定时，但是不是对于所有类型的设备都如此。例如，探头接口和ＮＣ可以包含单独的高精度的时钟，其在长的时间段保持同步。或者，可以设置用于监控两个不同时钟的相对计时的装置。此外，如果机器位置和探头偏转数据到达处理器而没有任何种类的延迟（例如从ＮＣ或者数据传送装置），主时钟的使用是不必要的。

参照图1和2，描述用于采用已知直径的球体计算系统延迟的方法。

如图1所示，直径为ｄ的球体30放置在机器的工作空间中。如图2ａ所示，测量探头4然后沿着机器的ｘ轴驱动，使得触针球16接触球体30的表面上的第一点（Ｐ1）。测量探头在与球体表面的接触建立之后沿着ｘ轴驱动短距离，例如直到探头已经到达其预定的最大触针偏转。然后倒转探头方向，随着探头以已知的基本上恒定的速度（Ｓ1）从球体移动离开，都相对于主时钟具有时间标记的一系列探头偏转（a，b，c）和机器位置（x，y，z）数据值被捕获。

通过计算机24结合探头和机器位置数据值。具体而言，计算机24进行“外推到零”的计算，以便找到球体表面上的测量的点Ｍ1。如前面其他地方描述的（例如ＵＳ6810597），外推到零技术要求当触针与带测量的表面上的点接触时将探头偏转数据作为机器位置的函数分析。然后可以进行外推以便确定触针接触表面时的机器位置，但仍为零触针偏转。采用外推到零技术意味着测量的点Ｍ1基本上不被触针或者机器扭转所影响。应当理解，用于外推到零计算中的测量优选是当探头移动离开球体（即当触针与表面脱离接触）时进行的。这种探头偏转测量不会遭受弹跳或者振动效果，这种效果会降低当驱动触针到表面上时所获取的偏转测量。

尽管外推到零技术可以用来从扫描探头获得高精度的表面位置数据，但是，应当理解，该方法可以采用替代的技术来确定测量点Ｍ1。例如，专利文献ＵＳ6810597中描述的类型的内插技术可以被采用。可选择的是，当探头偏转数据超过一定阈值时简单的触发信号可以被发送。

如图2ｂ所示，测量过程重复四次，探头触针被驱动与球体的点Ｐ2，Ｐ3，P4,P5接触。进一步的外推到零的计算产生测量点M2,M3,M4和M5。所有的测量M1-M5进行时探头被以相同的（已知）速度S1驱动离开球体表面.

球体表面上的点的五个测量M1-M5允许根据球体的数学特性以已知的方式计算测量的球体的直径d'。但是，任何系统延迟会偏移所有的测量M1-M5一固定的量，其主要取决于（已知的）测量速度和（未知的）系统延迟。假设机器位置数据相对于探头偏转数据延迟，则测量的球体直径d'比已知的球体直径d更大，如图2c所示。已知的和测量的球体直径Δd可以因此除以两倍的测量速度S1来产生系统延迟值。

尽管在五个点测量球体允许确定可靠的球体直径值，可以采用多于五个点或者少于五个点来确定球体直径。例如，可以采用两个或者更多测量点。还应当注意，在该例子中在球体上测量的点（P1-P5）被选择纯粹是为了数学简化。点P1和P2被选择使得探头可以沿着X轴驱动，并且相关的触针偏转仅仅沿着探头的a轴。类似，点P3和P4沿着机器的Y轴被接近，触针仅仅围绕其b轴偏转。最后，点P5被沿着Z轴接近，并且使得探头仅仅沿着探头的c轴偏转。如果需要，可以测量球体上的任何点，所产生的机器位置和探头偏转值根据结合的多轴值确定。类似，探头和机器坐标系统不需要如图所示的对准。实际上，不同的坐标系统可以用于机器位置和探头偏转测量，并且在数据处理期间随后可以进行核实的变换。

尽管上述种类的球体提供了方便的制品，在该制品上进行系统延迟确定方法，但是，可以采用很多其他替代的制品。实际上，具有已知尺寸的任何制品可以被采用。例如，制品可以是立体的，圆柱体的，钻孔等。制品可以根据需要放置到机床上，永久地连接到机床上或者甚至作为机床的一部分。

图3示出了如何使用一对间隔开已知间隙g的板40和42来执行该方法。测量探头可以沿着X轴载正向或者负向上驱动，使得在板40上的点Q1和板42上的点Q2进行触针接触。对于两个测量，测量探头的速度是已知且恒定的。采用对当触针从表面回缩时获取的数据进行外推到零技术（如上所述），可以计算两个表面接触点N1和N2的位置，从其可以找到板间间隙值g'。（已知的）板间间隙值g和计算的间隙值g'之间的差别可以与已知的测量速度结合来确定系统延迟。

在上面给出的例子中，进行测量时的探头移动式沿着与校准制品表面的法向进行的。但是，探头可以从非正交方向驱动到该表面。在这种情况下，与该表面垂直的速度分量可以确定，并且用来估计系统延迟。这里给出的例子还假定x，y，z机器位置值产生相同的延迟。对于某些类型的机器可能不是这样。该方法可以因此用于提供沿着不同的机器轴的制品尺寸的单独的测量。例如，可以采用成对的相对测量来单独测量球体的直径，其中探头沿着一定的轴移动。在这种例子中，对于x，y，z机器位置测量中的一个或者多个可以单独测量系统延迟。

参照图2和3描述的方法依赖于已知的制品尺寸（例如球体直径）。但是，这不总是可行或者实际的。例如，制品的尺寸可能仅仅在某一温度已知。但是，已经发现，以不同的速度测量可以使得不需要精确知道制品的尺寸。

如上面参照图2描述的，球体直径额可以从球体表面上的五个测量点可靠确定。在上面描述的例子中，所有这五个测量被进行时，探头以已知的速度(S1)移动。为了避免将测量的球体直径与已知球体直径比较的需要，可以通过探头以不同的（已知）速度移动测量多次球体直径。例如，以速度S1在球体上接触五次，可以用来获得直径值D1。以速度S2在球体上接触五次可以用来获得直径值D2。这可以重复多次，例如以速度S3,S4，S5,用来提供测量直径值D3,D4和D5。

如图4所示，测量速度越大，计算球体直径越大。这是由于当测量速度增加时系统延迟对于计算球体直径具有更大的比例效应。系统延迟是主要的速度依赖变量，因此测量球体直径的梯度和测量速度曲线提供了系统延迟。此外，在途中的截距50也提供了静态误差值的测量。

上述方法采用多测量点来计算制品表面上的多个坐标，由此允许测量制品的尺寸。以这种方式测量制品的尺寸（例如直径，板间间隙等）意味着不需要知道表面上的点的精确位置。还已经发现，可以根据机器位置数据和触针偏转数据确定系统延迟，而不需要实际计算制品的表面上的任何点的位置。下面参照图5到8更详细描述。

参照图5，示出了用于扫描球体的周边的扫描路径。选择该扫描路径使得在整个扫描中触针保持与球体的表面接触。在扫描过程中，探头在具有第一扫描半径r1的路径和具有小于r1的第二扫描半径r2的路径之间移动。被测量的球体表面是正圆，因此扫描路径的不同半径导致不同的触针偏转。特别的是，还可以看出，在第一扫描部分60、第二扫描部分62和第三扫描部分64过程中，探头沿着扫描半径r2移动。第一、第二、第三扫描部分具有增加的角度尺寸，并且被不同角度尺寸的第一扫描半径部分散开。

图6示出了当测量探头沿着图5所示的扫描路径通过时机床捕获的机器位置数据70和作为时间函数（时间相对于主时钟测量）的触针偏转数据72。两个数据组的测量值被适当成比例缩放以便于比较。从图6的曲线中的阶梯变化可以看出，触针偏转数据领先机器位置数据一个值Δt，该值Δt对应于系统延迟。

图7示出了机器位置数据70和探头偏转数据72之间的差异。该差异称为径向误差。采用迭代优化技术来找到时间延迟，其可以应用于触针偏转数据72来最小化径向误差。如图5所示的不同尺寸的角部分的使用移除了优化过程中的任何退化，允许可靠的找到独特的方案。发现最小平方和的最小化过程适用于这种误差最小化，但是已知多种其他数学技术（例如相关技术等）可以操作类似的功能。

参照图5到7描述的方法是有利的，因为其在计算延迟时采用大量的触针和机器位置测量点。但是，也可以通过以已知的速度驱动触针与表面上的单个点接触并脱离接触来确定延迟。

图8示出了机器位置数据80和触针偏转数据82，其中触针被驱动到表面上的一个点然后从其回缩。以相同的已知速度进行向内和向外的动作，由此允许从机器位置和触针偏转数据组的顶点的间隔建立系统延迟Δt。

特定的设置的系统延迟不可能随着时间显著改变。但是，可以根据需要的频率来进行上述方法。例如，可以仅仅进行一次上述描述的任何方法来在首次机器设置期间、周期性地作为校准例程的一部分、或者在进行每组测量之前计算系统延迟。找到系统延迟的频率因此随着特定的应用而变化。

可以进行上述方法，其中探头偏转和机器位置数据使用先前的系统延迟值来校正，在这种情况下，该方法将确定由于先前系统延迟测量已经引入的任何额外的系统延迟。或者，当进行该方法时可以停用任何先前系统延迟补偿，一般从零确定整个系统延迟。

最后，应当记住，上述实施方式仅仅是本发明的例子。本领域技术人员可以对这些特定例子进行各种变型。例如，上述描述的机床具有线性的相互正交的移动和测量轴，但是不是必须的。可以采用非笛卡尔机器（例如三角或者六角形式的布置）。类似地，在笛卡尔坐标中，不需要探头总是输出触针偏转数据。此外，尽管上面描述了模拟测量探头，该技术可以应用于其他形式的测量探头。例如，该方法可以用于非接触式（例如光学）测量探头或者类似物。

Claims (15)

1.一种校准设备的方法，所述设备包括安装在机器上的测量探头，所述机器被布置成捕获表示所述测量探头相对于一制品的位置的机器位置数据，所述测量探头是具有可偏转的触针的模拟探头或扫描探头，其布置成捕获表示一表面相对于所述测量探头的位置的探头数据，所述方法包括如下步骤：

（i）以已知的速度相对于所述制品移动所述测量探头，同时捕获探头数据和机器位置数据，所述测量探头沿着一路径移动，所述路径使得能够捕获表示所述制品的表面上的至少一个点相对于所述测量探头的位置的探头数据，所述路径在探头移动的方向上还包括至少一个变化，能够从机器位置数据和探头数据中识别所述变化；以及

（ii）比较在步骤（i）的扫描期间捕获的机器位置数据和探头数据，并且由此确定捕获机器位置数据和探头数据的相对时间延迟。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述路径在探头移动的方向上包括多个变化，能够从机器位置数据和探头数据中识别所述变化。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（ii）采用迭代优化技术来比较所述机器位置数据和探头数据以便确定所述相对时间延迟。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤（ii）包括采用迭代过程来最小化可从探头数据和机器位置数据识别的方向变化之间的差别。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，通过迭代改变所述探头数据和机器位置数据组之间的相对延迟，来最小化所述机器位置数据和探头数据组之间的差。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述迭代过程包括最小平方和的最小化过程。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（ii）包括采用相关过程。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述探头数据和机器位置数据组相加在一起并且使用迭代过程最大化所产生的总和。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（i）被以不同速度进行多次。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤（ii）包括对以不同测量速度捕获的机器位置数据和探头数据并行进行迭代过程。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述机器位置数据和探头数据以相对于主时钟定时的时间间隔捕获。

12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述制品包括球体。

13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述机器是机床，所述机床包括数字控制器，其输出机器位置数据。

14.根据权利要求1至13中任意一项所述的方法，其特征在于，所述测量探头通过无线链路将所述探头数据输出到探头接口。

15.一种设备，其包括：

测量探头，其用于捕获表示一表面相对于所述测量探头的位置的探头数据；

机器，其用于捕获表示所述测量探头相对于一位于所述机器的工作区域中的制品的位置的机器位置数据；

控制器，其包括校准装置，所述校准装置用于相对于所述制品移动所述测量探头，同时捕获探头数据和机器位置数据，所述校准装置沿着一路径移动所述测量探头，所述路径使得能够捕获表示所述制品的表面上的两个或者多个点相对于所述测量探头的位置的探头数据，所述路径在探头移动的方向上包括至少一个变化，能够从机器位置数据和探头数据中识别所述变化；

其中，所述控制器比较所捕获的机器位置数据和探头数据，并且由此确定捕获所述机器位置数据和探头数据的相对时间延迟。

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