CN103842766B - 测量方法 - Google Patents

Abstract

一种对物体的特征进行定位的方法，其中，所述方法包括：使安装在定位设备上的接触式探头的触针与所述物体接触，以获得所述物体的至少第一测量结果和第二测量结果。所述测量结果中的每个测量结果都产生在所述物体和所述触针的一部分之间沿着其长度的一范围的可能接触点，并因此在所述物体沿着所述长度的位置中内在地含有不确定性。所述至少第一测量结果和第二测量结果被用来降低所述不确定性的程度，这包括使用与所述至少第一测量结果和第二测量结果关联的触针方位相关信息。

Description

测量方法

技术领域

本发明涉及测量物体的特征的方法，尤其是用于测量物体的细长边缘的方法。

背景技术

在测量物体的特征的过程中，在对物体进行精确测量之前首先确认所述特征的位置可能是有利的。例如，当测量物体的边缘例如在喷气式发动机中使用的涡轮叶盘上的叶片的边缘时，这可能就是如此。这种叶片可以使用例如安装在例如图1所示的CMM上的模拟探头来测量。模拟探头可以在CMM(其具有预期叶盘形状的数据模型)的控制下进行驱动，使得其触针顶端与所述叶片的边缘接触并且沿着所述边缘扫描，从而获得测量数据。然而，这种叶片边缘的厚度可能小到数毫米，如果其偏离应有位置仅一或两毫米，则触针顶端可能与叶片边缘产生碰撞和/或脱离叶片边缘，导致错误的测量结果。特别是，在扫描叶片边缘的过程中重要的是，沿着垂直于叶片表面的方向或者至少尽可能地垂直于叶片表面的方向将触针顶端驱动至叶片表面中。如果不是这样，则触针顶端可能沿着所述表面滑动，由此损害叶片的测量结果。

目前，通过使触针顶端与待测量的边缘区段的周围的多个点接触来找到叶片的边缘。例如，可以使用触针顶端获取三个点测量结果，边缘的每个侧部一个而边缘的顶部一个。完成此项操作后，由所述顶端横跨其顶点，即从一侧到另一侧扫描所述边缘。然后沿着所述边缘的长度的不同的位置处多次重复通过获取三个点测量结果并且然后横跨其顶点来找到边缘的步骤。

已知通过利用触针顶端的细长侧部接触片状金属中的孔洞的内部边缘来测量所述孔洞的直径。然后利用触针顶端的端部获取片材的定位有孔洞的表面的点测量结果来找到垂直于所述孔洞的维度中的孔洞/片材的位置。

还已知通过获取至少两个点测量结果来测量物体的直立侧部例如平面的位置。触针顶端的中间点在两个接触点处记录。在采用偏移来补偿所述顶 端的半径之前，确定接触点的相对位置，这使得能够在垂直于被测量表面的方向上采用偏移，由此能够更精确地确定表面的位置。

发明内容

本发明提供了使用接触式探头快速地对物体进行定位的方法，其中，获取包含一范围的可能接触点(并因此在物体沿着一范围的可能接触点的所述长度的位置中内在地含有不确定性)的至少第一测量结果，并且其中使用同样包含一范围的可能接触点的不同的第二测量结果来降低(例如至少部分地解决(resolve))所述不确定性的程度。

例如，本发明提供了一种对物体的边缘进行快速定位的方法，所述方法使用接触式探针通过沿着所述边缘的至少一部分获取不同系列的测量结果，并且然后使用两个系列测量结果来对所述边缘进行定位。

根据本发明的第一方面，提供了一种对物体的特征进行定位的方法，所述方法包括：使安装在定位设备上的接触式探头的触针的一段与所述物体接触，以获得所述物体的至少第一测量结果和第二测量结果，所述测量结果中的每个测量结果都产生所述物体和所述触针的一部分之间沿着其长度的一范围的可能接触点，并因此在所述物体和所述触针之间沿着所述长度的实际（actual）接触点的位置中内在地含有不确定性；以及使用所述至少第一测量结果和第二测量结果来至少降低(例如部分解决)所述不确定性的程度，包括使用与所述至少第一测量结果和第二测量结果关联(例如作为所述至少第一测量结果和第二测量结果的一部分记录)的触针方位相关信息。

相比于上述的已知技术，使用本发明的方法可以更迅速地确定所述物体的特征(例如边缘)的大致位置。例如，这两个测量结果可以采取更粗放地获取，在这个意义上，所述边缘和触针之间沿着其长度的确切接触点是不重要的，例如，事实上所述测量结果产生一范围的可能接触点是不重要的，因为这在随后会使用已知关联触针方位相关信息来解决。这不同于现有的已知方法，在已知方法中，仔细且准确地控制触针使得让触针顶端与物体接触以获得至少一个测量结果是重要的。特别是，因为触针方位相关信息是已知的并且是可以利用的，这意味着当解决不确定性时，可以考虑到触针的方位、形状和/或尺寸。这可能意味着能够用来确认边缘的位置的不仅仅是触针顶端在接触点处的位置。例如，触针杆部本身也被考虑到。实际上，一范围的可能 接触点可以至少部分地沿着其触针杆部的长度延伸。可选地，可以使用非球状触针顶端，并且获知其在所使用的测量点处的方位。此外，可以使用探头的仅部分校准过或者未校准过的部件来获得所述第一测量结果和第二测量结果。

特别是，本发明的方法能够通过使用比物体的特征的位置的不确定性大的一段触针来快速而有效地找到特征的位置，所述特征在至少一个维度上的位置在一定程度上是未知的。在所述第一测量结果和第二测量结果中的每个测量结果中，在沿着所述接触式探头的长度上的哪个位置进行是没有关系的，实际上，单独地获取时，并不知道在哪里进行接触。然而，使用与所述第一测量结果和第二测量结果关联的已知方位相关信息，可以利用所述第一测量结果和第二测量结果来确定物体的位置。

降低不确定性的程度(例如解决所述不确定性)可以包括针对所述第一测量结果和第二测量结果中的至少一个确定所述触针和物体之间的实际接触点。然而，这不一定非得如此，例如，降低不确定性的程度可以包括确定所述特征在定位机器的测量体积中的位置。

如果需要更加精确地测量所述特征，那么可以使用由所述至少第一测量结果和第二测量结果确定的特征的位置来指导测量探头，以更加精确地测量所述特征。实际上，随后可以使用所确定的位置来指导(例如校准)探头，以准确地测量所述特征而没有在随后的测量期间碰撞或者扎入所述特征，如下文更加详细地描述的那样。特别是，可以用于确保在随后的测量过程中，沿着基本垂直于所述物体的表面的方向将探头驱动到所述物体中。

如将理解的，已知的触针方位相关信息可以采取许多不同的形式。例如，它可以包括与触针围绕定位机器测量体积中测量点处的至少一个轴线优选至少两个轴线的角度有关的数据。所述触针方位相关信息可以包括触针顶端点数据和描述触针在测量点处的方位的矢量数据。触针方位相关信息可以包括描述触针中心线在测量点处的位置和方位的数据。如将理解的，其不一定非得是角度数据/纯方位信息，也可以仅仅是与触针的方位相关的信息。例如，所述数据可以包括描述触针的至少一部分的外部体积或者甚至是触针的中心线的点云数据集或函数等。因此，触针方位相关信息可以包括描述所述触针在与物体接触的距离处的体积或者外部形状和位置的至少一部分的数据。如将理解的，在这种情况下，知道触针沿着一范围的可能接触点的长度的形 状是重要的。

触针方位相关信息可以与所述至少第一测量结果和第二测量结果关联，因为在获得所述至少第一测量结果和第二测量结果时，所述方位有关信息是已知的和/或可以推知的。触针方位有关信息可以被记录为所述至少第一测量结果和第二测量结果的一部分。如将理解的，可以在获得所述至少第一测量结果和第二测量结果之前、之后、过程中/之时记录该信息。例如，在探头安装在固定探头头部的探头的情况中(例如，其中它的方位不能加以改变，例如当它被直接安装在坐标定位设备的主轴上的时候)，那么通过获知所述探头安装在坐标定位设备上的方位，可以知道方位相关信息。在探头安装在分度式探头头部的情况中(即，其中探头的的方位可以改变离散固定量和/或可以锁定在获得测量结果时的位置)，那么方位相关信息也是不必非得在获取所述至少第一测量结果和第二测量结果的时刻记录，而是可以由知道在获取测量结果的时候探头锁入的位置而获知。在获得所述至少第一测量结果和第二测量结果的过程中可以改头部的角度因而可以改变触针的方位的模拟头部的情况中，则可以通过在获得所述第一测量结果和第二测量结果时测量头部角度并记录它们或者有关触针方位信息来获知触针方位相关信息。

可以使用不同的探头来获得所述第一测量结果和第二测量结果。优选的是，用于获取所述第二测量结果的接触式探头是用于获得所述第一测量结果的同一探头。

对于所述第一测量结果和第二测量结果，所述触针和所述物体之间的相对角度方位可以相同。在这种情况下，所述触针和物体可以在第一测量和第二测量之间相对于彼此平移。例如，这可以在用于接触物体的平面具有非平行侧部(例如形状呈圆锥形)时实现。可选的是，对于第一测量结果和第二测量结果，所述触针和物体之间的相对角度方位是不同的。

如将理解的，可以将接触式探头和/或物体安装在定位设备例如坐标定位设备上。例如，接触式探头和/或物体可以安装在坐标测量机(CMM)、机床或机械手等上。如将理解的，所述接触式探头可以被构造成相对于物体移动，反之亦然，或者两者都可以被构造成相对于彼此移动。例如，所述接触式探头可以安装在坐标定位机器的主轴上，所述主轴可以在至少一个自由度(例如线性自由度)、任选在至少两个自由度(例如，两个正交的线性自由度)、并进一步任选在至少三个自由度(如三个正交的线性自由度)中移动。所述接触 式探头可以直接安装主轴上，或者例如经由铰接头安装在主轴上，例如，如下所述。

所述接触式探头(和/或物体)可以被安装在臂部(例如，铰接头)上，这有利于所述接触式探头围绕至少一个轴线、任选围绕至少两个轴线，例如围绕至少三个轴线旋转。因此，所述触针方位相关信息可以包括触针围绕所述至少一个轴线，任选围绕至少两个轴线，例如围绕至少三个轴线的角度。所述第一轴线和至少第二轴线(和任选至少第三轴线)可以基本彼此正交。如将理解的，所述臂部可以包括用于将所述接触式探头(和/或物体)围绕至少一个旋转轴线定位的至少一个驱动器。所述臂部可以是“分度的”(其中头部的一个或者多个马达被用来在多个预定的或者“分度的”方位之间移动检查装置)或者可以是“主动的”或者“伺服的”(其中，例如在获取测量结果的同时，臂部的一个或者多个马达可以被持续伺服以控制所述接触式探头的方位，例如，或者保持所述接触式探头的方位，或者改变所述接触式探头的方位)。

所述触针可以包括触针杆部和触针顶端。所述触针杆部将所述触针顶端与所述接触式探头的主体间隔开。所述主体可以具有能够使其连接至CMM(例如CMM的头部或者主轴)的特征。一般来说，所述触针杆部是细长的，从而将所述触针顶端与所述探头的主体间隔开。一般来说，所述触针杆部至少是所述触针顶端的长度的至少两倍(在共同维度中测得)。例如，如果所述触针顶端是球形的，那么所述触针杆部的长度可以是大到所述触针顶端的直径的至少两倍。一般来说，所述触针顶端呈基本球形形状，不过如应当理解的那样，这不必非得如此。例如，带有细长触针顶端(例如为基本圆柱形)的触针是已知的。本发明可以通过采用触针顶端通过获取所述第一测量结果和/或第二测量结果来实现。在所述触针顶端是细长的情况下尤其如此。一般来说，校准触针顶端以确定它们的尺寸和位置而触针杆部无需如此。

优选的是，所述方法包括使用触针杆部获取所述第一测量结果和/或第二测量结果(一个或者多个)。换言之，所述第一测量结果和/或第二测量结果(一个或者多个)可以经由所述物体与所述触针杆部之间的接触来获得。

所述触针的至少一部分可以呈圆柱形。例如，所述触针杆部的至少一部分呈圆柱形。可选的是，所述触针顶端可以呈圆柱形。在这种情况中，获取所述至少第一测量结果和第二测量结果可以包括使所述触针的圆柱形部分与所述物体接触。例如，其可以包括使所述触针杆部的圆柱形部分与所述物体接触。

所述接触式探头可以是触摸触发式探头。如将理解的，这种探头在检测到所述探头(例如它的触针)与物体接触时发出信号。可选的是，所述接触式探头可以是模拟扫描探头。如将理解的，这种探头可以提供例如探头的触针相对于探头主体的偏转程度的度量。

获得所述第一测量结果和第二测量结果中的至少一个可以包括使所述接触式探头与所述物体在沿着所述物体的长度的多个离散的点处接触。例如，这在所述接触式探头是触摸触发式探头时可能尤其如此，但是应当理解的是，这种技术在所述接触式探头是模拟扫描探头时也可以使用。

可选的是，所述第一测量结果和第二测量结果中的至少一个可以通过沿着物体的长度扫描所述接触式探头来获得。

所述方法可以包括随后使用所述物体的所述特征的所述经确认的位置来指导使用测量探头对所述特征的至少一部分所进行的随后测量。在所述特征是物体的边缘的情况中，所述特征的至少一部分的所述随后测量可以包括在所述边缘的顶点的两侧上沿着所述边缘的长度的至少一个点处可选在多个点处获取测量结果。所述随后测量可以包括至少在沿着所述边缘的长度的一个点处，可选地在沿着所述边缘的长度的多个不同的点处横跨所述边缘的顶点进行扫掠。所述随后测量可以包括在沿着所述边缘的长度行进的同时横跨所述边缘的顶点来回扫掠。

所述接触式探头的所述接触式顶端可以被用来在所述特征的所述至少一部分的随后测量中接触所述物体。

用于随后测量所述特征的所述至少一部分的探头可以是用于获得至少第一测量结果和第二测量结果中的至少一个的同一接触式探头。

可选的是，在所述特征的相同一侧上(例如在所述边缘的顶点的相同一侧上)获得所述至少第一测量结果和第二测量结果。优选的是，至少一个测量结果(例如所述第一测量结果)在所述特征的第一侧上获取，并且至少一个另外的测量结果(例如所述第二测量结果)在所述特征的第二侧上获取。

所述方法可以包括在所述特征的第一侧上获得第一系列测量结果。所述方法可以包括在所述特征的第二侧上获得第二系列测量结果。所述第一系列测量结果和第二系列测量结果可以沿着所述特征的长度至少部分地重叠。

可以使用所述至少第一测量结果和第二测量结果来降低不确定性的程 度，这可以包括使用与所述至少第一测量结果和第二测量结果关联的(例如作为所述至少第一测量结果和第二测量结果的一部分记录的)触针方位有关信息。

至少部分地解决所述不确定性可以包括针对由所述第一测量结果和第二测量结果获得的数据拟合名义模型数据。例如，所述第一测量结果和第二测量结果可以产生交集。所述第一系列测量结果和第二系列测量结果可以在它们沿着所述特征的长度重叠的点处彼此产生交集。至少部分地解决所述不确定性可以包括使用任何这样的交集，以例如确认所述特征的至少一部分的位置。例如，可以确定第一系列测量结果和第二系列测量结果之间的相交线。这条相交线可以用来确认所述特征的所述至少一部分的位置。例如，这可以包括对所述相交线采用偏移以对所述特征的至少一部分的大致位置进行定位。所述偏移可以进行预定，例如根据理想物体和由所述接触式探头所获知的形状和尺寸进行预定。

降低不确定性的程度/至少部分地解决所述不确定性还可以包括使用关于所述物体的形状和/或尺寸的名义模型数据。例如，这可以包括针对由所述至少第一测量结果和第二测量结果获得的数据拟合例如最优拟合关于所述物体的形状和/或尺寸的名义模型数据。

降低不确定性的程度/至少部分地解决所述不确定性可以包括使用所述第一测量结果和第二测量结果来将针对所述至少第一测量结果和第二测量结果的所述一范围的可能接触点精简成一范围的有效接触点。如将理解的，当将所述至少第一测量结果和第二测量结果一起/相结合地考虑时，可以容易地看出，所述第一测量结果的可能接触点中的一些实际上不是有效的，因为触针在那些点处可能还没有接触所述特征，否则就不可能获得所述第二测量结果，反之亦然。对于产生交集的至少第一测量结果和第二测量结果尤其如此，并且对于在同一平面内获取的测量结果更是如此。因此，一范围的有效接触点的确定可以基于所述至少第一测量结果和第二测量结果产生交集的位置（一个或者多个），并且可选地可以基于获取测量结果的方向。所述方法可以包括根据所确定的有效范围的接触点来定位和/或确定所述特征的至少一个截面(例如横截面)的形状和/或尺寸。例如，所述信息的位置、形状和/或尺寸可以基于由所述范围的有效接触点画出的边界或界限。因此，所述特征的计算机模型可以根据所述范围的有效接触点生成，并且例如可以与由所 述有效接触点画出的边界或界限的形状/尺寸一致。

所述第一系列测量结果和/或第二系列测量结果中的每一个都可以限定一区域，其交集被用于确认所述特征的所述至少一部分的位置。例如，如果所述边缘是笔直的，那么所述第一系列测量结果和第二系列测量结果中的每一个都可以限定一平面，其交集被用来确认所述特征的所述至少一部分的位置。所述第一系列测量结果和/或第二系列测量结果中的每一个都可以限定一体积，其交集被用来确认所述特征的所述至少一部分的位置。特别是，最靠近所述边缘的相交线可以被用来确认所述特征的所述至少一部分的位置。可选的是，如将理解的，所述特征可以使用限定一区域的所述第一系列测量结果和限定一体积的第二系列测量结果之间的交集来定位。

所述物体可以是叶片。可选的是，所述叶片是叶盘例如在涡轮发动机中使用的那些叶盘的叶片，例如用于人工制品。

当然，可以获取多于两个测量结果。例如，所述方法可以包括获得至少第三测量结果，所述第三测量结果同样在所述物体和所述触针的一部分之间沿着其长度产生一范围的可能接触点。在这种情况中，所述第一、第二和至少第三测量结果的任意组合都可以用来降低所述不确定性范围。

同样的，可以获取多于两个系列的测量结果。例如，所述方法可以包括获得不同于所述第一系列测量结果和/或第二系列测量结果的至少第三系列测量结果。在所述特征是边缘的情况中，所述第三系列测量结果可以包括针对所述边缘顶点旁边的多个位置的在所述物体和接触式探头之间的一范围的可能接触点。在这种情况中，所述第一、第二和至少第三系列测量结果的任意组合都可以使用以确认所述边缘的所述至少一部分的位置。

因此，本说明书描述了使用具有触针杆部和触针顶端的接触式探头对物体进行定位的方法，其中，所述方法包括使所述触针杆部与所述物体接触，从而获得至少一个测量结果。于是，这可以进一步包括使用所述接触式探头的所述触针顶端来测量所述物体的特征。使用所述触针顶端获得的所述测量结果可以是比通过使用所述触针杆部获得的测量结果更加准确的测量结果。使用所述触针杆部对所述特征进行定位的步骤可以包括沿着所述特征扫描所述触针杆部，从而使用所述触针杆部获得一系列测量结果。

特别是，本说明书描述了使用接触式探头对物体进行定位的方法，其中，所述方法包括获取包含一范围的可能接触点的至少第一测量结果，并因此内 在地在所述物体沿着一范围的可能接触点的所述长度的位置中包含不确定性，所述方法进一步包括使用同样包含一范围的可能接触点的不同的第二测量结果来降低(例如至少部分地解决)所述不确定性的程度。

还描述了用于测量物体的边缘的方法，所述方法包括：使用接触式探头获取第一系列测量结果，所述第一系列测量结果包含针对所述边缘的顶点旁边的多个位置的在所述物体和接触式探头之间的一范围的可能接触点。所述方法还包括使用接触式探头获取第二系列测量结果，所述第二系列测量结果不同于所述第一系列测量结果，但是沿着所述边缘的长度至少部分地与所述第一系列测量结果重叠，所述第二系列测量结果也包含针对所述边缘的顶点旁边的多个位置的在所述物体和接触式探头之间的一范围的可能接触点。于是，所述第一系列测量结果和第二系列测量结果可以被用来确认所述边缘的至少一部分的位置。

如也将清楚的是，还描述了用于测量物体的边缘的方法，所述方法包括：使用接触式探头获取第一系列测量结果，所述第一系列测量结果包含针对所述边缘的顶点旁边的多个位置的在所述物体和接触式探头之间的一范围的可能接触点；使用接触式探头获取第二系列测量结果，所述第二系列测量结果不同于所述第一系列测量结果并且与所述第一系列测量结果产生交集，所述第二系列测量结果也包含针对所述边缘的顶点旁边的多个位置的在所述物体和接触式探头之间的一范围的可能接触点；使用所述第一系列测量结果和第二系列测量结果来确认所述边缘的至少一部分的位置。

根据本发明的第二方面，提供了一种计算机程序代码，所述计算机程序代码包括：由坐标定位设备的计算机执行时使所述坐标定位设备执行上述方法中的任意方法的指令。

根据本发明的第三方面，提供了一种计算机可读介质，所述计算机可读介质包括如上所述的计算机程序代码。

下文将仅通过举例方式并参照附图对本发明的实施方式进行描述，其中：

图1示出了被构造成根据本发明的方法进行操作的坐标定位设备；

图2示出了可以根据本发明的方法进行测量的叶盘；

图3是显示了涉及根据本发明的一个实施方式测量边缘的步骤的流程图；

图4是叶片的通过本发明的方法使用带有圆柱形杆部的触针获得的第一系列测量结果和第二系列测量结果的示意图；

图5示意性地示出了在扫描叶片的边缘的过程中触针顶端的路径；

图6a和6b分别是通过本发明的方法使用带有号管形和圆锥形杆部的触针获得的第一系列测量结果和第二系列测量结果的示意图；

图7是本发明的又一个实施方式的示意图，其中，在获得所述一系列第一测量结果和一系列第二测量结果之间触针和正在被测量的物体保持相同的相对方位。

图8至图11示出了如何由所述第一测量结果和第二测量结果的交集找到叶片的边缘。

图12a和12b是本发明的实施方式的示意性等距端视图，其中，所述第一系列测量结果和第二系列测量结果在所述边缘的顶点的同一侧中获得。

图13是本发明的实施方式的示意图，其中，系列结果包含测量点的“带条”或“谱带”。

图14是一个实施方式的示意图，其中，第一系列和第二系列产生交集的测量结果包括沿着边缘的长度的离散测量结果；

图15a和15b示出了如何通过最优拟合技术确定叶片的边缘的位置；和

图15(c)示出了通过沿着其长度多次在不同角度方位扫描探头来测量叶片的方法。

参照图1，示出了根据本发明的实施方式的坐标定位设备10，该坐标定位设备10包括坐标测量机(“CMM”)100形式的坐标定位机、台式计算机200和控制器102。CMM100包括平台104和台架，在平台104上放置待检查的物体(在这种情况中是叶盘400)，所述台架包括两个直立构件108和在所述两个直立构件108之间延伸的横向构件110。所述台架可以在控制器102的控制下借助马达(未示出)沿着平台在一个线性方向(在这种情况中标记为“y”轴)上移动。所述横向构件110带有主轴112，所述主轴112可以在控制器102的控制下借助马达(未示出)沿着所述横向构件的长度(在这种情况中标记为“x”轴)移动，并且还可以垂直于所述y轴和x轴(即沿着如图所示的“z”轴)移动。所述主轴112带有头部114，而头部114又携带具有触针118的探头116，所述触针包括细长触针杆部120和触针顶端122。在所述实施方式中并且一般是这种情况，即，所述触针顶端122已经经过校准(例如使用校准人工制 品)，使得其相对于CMM(例如头部114)上的限定点的位置和尺寸被准确获知。杆部120没有经过校准，但是如下文详细说明的那样，其大致尺寸是已知的。头部114经铰接连接，其中它具有轴承和马达(未示出)，它们在控制器102的控制下促使探头因而促使触针118围绕第一和第二正交轴线(在图1中以“A1”和“A2”示出)旋转。所述CMM包括位置编码器(未示出)，所述位置编码器将所述台架、主轴112和探头116在三个线性自由度和两个旋转自由度中的位置报告给控制器102，由此能够确定探头的顶端122的位置。

在所述的实施方式中，探头116是一种接触式模拟探头(也称为扫描探头)，其检测并报告所述触针从其搁置位置偏转的程度。如将理解的，探头116不必非得是模拟探头。例如，它可以是接触触发式探头，在检测到探头116，具体地说是触针118(并且更具体地说是触针顶端)与物体106之间的接触的时候发出信号。然而，如将理解的，在所述的实施方式中，模拟探头是有利的，因为它能够快速、简单地沿着边缘通过扫描所述模拟探头触针来获得沿着所述边缘的长度的一系列测量结果。

图2更加详细地显示了叶盘400。如将理解的，这种叶盘常用于涡轮发动机。可以看出，叶盘包括中央毂402，多个叶片404从所述中央毂径向延伸。一般来说，这些叶片404在制造过程中被焊接至所述中央毂402。最为重要的是，叶片404被正确定位以确保安全而有效地工作。特别是，已经发现叶片404的前缘406的位置、方位、大小和/或形式是关键的。因此对叶片404的前缘进行准确测量是重要的。当然，所述方法等同适用于叶片上的后缘的测量，或者实际上等同适用于任何类型物体的一个或者多个边缘。目前的技术包括使用模拟探头扫描叶片404的边缘，这可以包括在触针顶端122沿着边缘406的长度移动时将所述触针顶端122横跨所述边缘的顶点408来回扫掠所述触针顶端122(如图5中由触针顶端122所示的那样)。作为选择，所述边缘可以通过在沿着所述叶片的边缘的长度的离散位置处获取边缘的许多测量结果(通过横跨所述叶片扫掠所述探头)进行测量。为了进行这些类型的测量，需要知道所述边缘的大致位置以便控制触针顶端122横跨(并且可选地沿着)所述边缘的运动。然而，还已发现，准确测量所述叶片的这种边缘是非常困难的。这是因为，由于制造容差的缘故，所述叶片的边缘的位置常常随着它们远离所述中央毂402行进而偏离其预期位置。这导致所述触针顶端122从叶片边缘滑落和/或与叶片边缘碰撞。

本发明提供了一种对叶片边缘406进行快速而有效的定位以帮助对边缘406的随后扫描的方法。如图3所示，这种方法一般包括在步骤302沿着叶片边缘406的长度获得第一系列测量结果，在步骤304沿着所述叶片边缘406的长度获得第二系列测量结果，并且在步骤306，使用所述第一系列测量结果和第二系列测量结果来确认边缘406的位置。在使用本发明的方法对所述边缘进行定位之后，边缘406于是可以如上所述和如图5所述那样在步骤308进行测量。

这些步骤的每一个步骤将在下文参照图4进行更加详细的描述。图4显示具有前缘406的单个叶片404(为了简化目的独立显示)的局部图。在步骤302获得第一系列测量结果包括使用触针118的杆部120在边缘406的顶点旁边获取一系列测量结果。如将理解的，在所述的实施方式中，这包括获得与来自CMM100的探头的位置有关的测量信息（例如，通过监测台架的各种部件的位置的编码器），包括来自探头头部114的方位信息和来自探头116本身的触针偏转数据。特别是，沿着叶片404的长度在边缘的顶点408的一侧上扫描触针118的杆部120(扫描路径由虚线410显示)。如将理解的，并不知道在沿着所述杆部120的长度的哪个点处发生了接触—只是知道叶片404和杆部120之间在某点处发生了接触。因此，不是在沿着边缘的长度的每一个测量点处记录具体的点，而是记录叶片404和杆部120之间的一范围的可能接触点，由此提供第一测量体积，所述第一测量体积的部分显示在图4中作为第一测量体积500。然后改变触针118相对于叶片404的角度，并且在边缘的顶点408的相对第二侧上重复该过程(在步骤304)，以获得第二测量体积，所述第二测量体积的部分同样在图4中显示作为测量体积502。由从杆部120所获知的形状和尺寸(例如来自CAD模型数据)确定这些第一测量体积和第二测量体积，并且位置信息还可以由设置在CMM和头部114的各种轴线上的各种位置编码器进行确定。

如图4所示，第一测量体积500和第二测量体积502彼此重叠和产生交集，由此限定相交体积504(其自始至终沿着第一测量体积和第二测量体积的重叠区域延伸—在图4中，为了方便可视化，相交体积504被显示为从重叠区域延伸)。在所述的实施方式中，第一测量体积和第二测量体积全部沿着边缘406的长度彼此重叠。也就是说，所述第一测量体积和第二测量体积中的每一个中的第一和最后范围的可能接触点在沿着叶片的长度的相同纵 向点处获取。然而，这并非非得如此，并且所述第一测量结果和第二测量结果可以仅仅是部分重叠。例如，第一体积和第二体积中的第一(和/或实际上最后)范围的可能接触点可以在沿着叶片的长度的不同纵向点处获取。例如，在下文中结合图4显示和说明的情况就是如此。在该情况中，第一测量体积和第二测量体积仅仅在它们沿着物体的长度的重叠的区域产生交集。

在步骤306，相交体积504然后被用来确定边缘408的位置。在一个具体的实施方式中，找到第一测量体积500和第二测量体积502之间沿着叶片的边缘的长度相交的线。如将理解的，所述相交的线将从叶片的实际边缘偏离。真实(true)的实际偏离是不知道的，因为叶片的实际精确的尺寸、位置和方位是不知道的。实际上，这就是准备测量的。鉴于此，使用理想偏移，该理想偏移是真实偏移的近似值。该理想偏移可以是如果叶片是根据预定的计算机模型的理想叶片的话应当存在的偏移，因此，理想偏移可以从描述理想叶片还有用来测量叶片的触针的数据找到。理想偏移和真实的偏移之间的差异取决于所述叶片不同于理想叶片的方式。下文描述四种情况来说明这一点。

图8显示了叶片相对于其理想位置平移的情形。理想叶片位置以虚线轮廓显示，并且如果测试扫描在该理想叶片上进行，则与来自测试扫描的触针位置一起显示。叶片的真实位置也和来自实际的第一测量结果和第二测量结果的真实触针位置一起以实线轮廓显示。由于实际叶片和理想叶片之间唯一的区别是它的位置，因此真实的偏移和理想偏移是相同的。因此，对来自第一测量结果和第二测量结果的交集的线采用理想偏移确切地对叶片的真实边缘进行定位。

图9显示了叶片围绕垂直于待测量边缘的轴线相对于其理想位置旋转的情形。在沿着边缘的任意选定的横截面处，这种情况可以被认为是与上文结合图8描述和展示的情形是一样的。因此，边缘的真实位置可以沿着其长度定位。

图10显示了当叶片围绕平行于待测量边缘的轴线相对于其理想位置旋转的情形。如前所述，理想和实际叶片位置和理想和实际触针位置一起显示。在这种情况中，采用理想偏移可以导致工件的边缘的位置的小误差。

图11显示了当叶片的材料状况不好的情形，例如工件的尺寸不同于理想尺寸。在这种情况中，采用理想偏移可以导致工件的真实边缘的位置的小误差。

如将从图10和11所理解的，以上描述的方法可以在确定工件的真实边缘的位置中导致小的误差。然而，这是可以接受的，因为所有拟在本阶段确定的就是边缘的大致位置，因此这可以用来指导在随后步骤中对边缘的实际测量。即使在图10和11所示的情况中，已经使用本发明的方法将使你处在更好的境地，因为它为你提供了比没有进行过这些边缘定位步骤多的与边缘的位置有关的信息。特别是，它能够使与触针将要在随后的扫描步骤中被驱动进入的表面法线有关的信息得以确定，从而确保任何随后的扫描步骤能够顺利地进行。

一旦确定了边缘406的大致位置之后，则可以在步骤308中对边缘进行准确的测量。例如，这可以包括控制触针118，以在触针顶端横跨边缘的顶点408来回扫掠时，沿着边缘406的长度扫描触针顶端122，如图5所示。然后这些扫描数据可以被存储和/或在随后的步骤中使用，例如以分析叶片404的边缘406的某些性能，如它的精确位置和/或形式。如将理解的，在对边缘进行的随后测量的过程中可以使用其他技术。例如，可以在沿着边缘长度的不同点处在边缘顶点周围进行很多离散扫描。

如将理解的，计算机200能够存储用于所述方法的指令并且向控制器102发出命令，控制器102又控制CMM100的各种合适的部件上的马达以移动探头116。此外，控制器102将从CMM100上的各种位置编码器接收位置数据还有来自探头106的触针偏转数据。控制器102将这些数据传送至计算机200，计算机200使用所述数据(在步骤302和304中)形成第一测量体积500和第二测量体积502，并且随后对它们进行处理(在步骤306)以对边缘进行定位。计算机200然后还在步骤308中利用经定位的边缘生成适当的测量路径，并且再将指令发送到控制器102以执行步骤308中对边缘的测量。同样的，控制器102适时地控制CMM100的各种适当的部件上的马达以移动探头116，从而按照从计算机200接收的指令来对边缘进行测量。此外，控制器102将再从CMM100上的各种编码器接收位置数据以及来自探头116的触针偏转数据，控制器102将这些数据传送至计算机200。如上文所述，计算机200能够存储这些测量数据和/或在随后的步骤中使用，例如以分析叶片404的边缘406的某些性能，例如它的位置和/或形式。

在所述的实施方式中，在步骤308中通过在步骤302和304中获得第一测量体积500和第二测量体积502的同一探头116和触针118来对边缘进行更加准确的测量。特别是，这包括使用经校准的触针顶端122来扫描边缘。这可以例如通过在触针顶端122沿着边缘406的长度移动时横跨边缘的顶点408来回扫描触针顶端122来进行(如图5中的触针顶端路径130所示)。作为选择，例如并且如上文所述，这可以通过在沿着叶片的边缘的长度的离散位置处(通过横跨叶片的顶点408扫掠探头)获取许多测量结果来进行。

如将理解的，用于在步骤308中对边缘进行准确测量的探头不一定非得与用于在步骤302和304的过程中获得第一和/或第二测量结果的探头为同一探头。实际上，可以使用完全不同类型的探头和/或触针。例如，触摸触发式探头可以在步骤308中被用来沿着边缘在边缘的顶点的任一侧上获得测量体积。在另一个实施方式中，非接触式探头可以在步骤308中被用来进行测量。

在以上所述的实施方式中，触针118具有圆柱形杆部120。然而，如将理解的，这不必非得如此，本发明可以使用具有其他形状的杆部来实现。例如，图6a和6b分别显示了使用号管形杆部150和圆锥形杆部152(触针顶端已经被省略，不过可以理解的是，所述触针完全可以包括触针顶端)获得的第一系列测量结果510,520和第二系列测量结果512,522，和使用这些形状的杆部获得相交体积514,524。如将理解的，相交体积514,524可以以与以上相同的方式被用来找到样品的边缘406。

此外，在上文所述的实施方式中，第一测量体积和第二测量体积使用同一探头和触针获得。然而，这不必非得如此。例如，探头116和定位在探头头部114上的触针118可以在获得第一测量体积和第二测量体积之间改变。实际上，用于获得第一测量体积的触针杆部的长度和/或形状可以不同于用于获得第二测量体积的触针杆部的长度和/或形状。

在上文所述的实施方式中，在获得第一测量体积500和第二测量体积502之间改变触针118和叶片404的相对方位。然而，这不必非得如此，例如，如图7所示，触针杆部152的形状(在该实施方式中为圆锥形)能够获得第一测量体积和第二测量体积(在图7中看不到)而无需对触针118进行重新定向。

在上文所述的实施方式中，第一测量体积500在边缘的顶点408的第一侧获得，并且第二测量体积502在边缘的顶点408的第二侧获得。然而，这不必非得如此。例如，如图12a和12b所示，第一测量体积530和第二测量 体积532可以在边缘的顶点408的同一侧获得。这仍然提供了相交体积534。本实施方式在叶片的旋转方位已知的情况下对定位边缘的平移位置时特别有用。

在上文所述的实施方式中，第一系列测量结果和第二系列测量结果包括第一测量体积500和第二测量体积502。然而，这不必非得如此。例如，参照图13，第一系列测量结果和第二系列测量结果可以包括第一600和第二602测量“谱带”或“带条”。在该实施方式中，使用由杆部120的轴线所获知的位置而不是使用它的外部形状，以在系列测量结果中生成测量数据。因此，在该实施方式中，第一600和第二602测量谱带沿着线604相交。这条相交的线可以以如上所述相同的方式使用以确认边缘的位置。

如将理解的，尽管第一系列测量结果和第二系列测量结果产生交集，但是这并不一定意味着第一系列测量结果内的各个范围的可能接触点与第二系列测量结果内的各个范围的可能接触点产生交集。例如，如图14所示，在边缘的第一侧上沿着边缘的长度的离散位置处已经获得了是三个不同范围的可能接触点(例如已经通过触摸触发式探头获得，或者使用模拟扫描探头从边缘的扫描输出获得)，从而形成第一系列测量结果(由边界框600显示)。为帮助展示，图14已经被标记以显示这三个测量范围在沿着叶片的长度的横截面位置(b)、(d)和(f)处获取。这三个离散范围的可能接触点由短虚线606展示。此外，已经在边缘的第二侧上沿着边缘的长度的离散点处获得了三个范围的可能接触点(例如已经通过触摸触发式探头获得)，从而形成第二系列测量结果(由边界框602展示)。这三个离散范围的可能接触点由长虚线608展示。为帮助展示，图14已经被标记以显示这三个测量范围在沿着叶片的长度的横截面位置(a)、(c)和(e)处获取。可以看出，在第一系列测量结果中获得的单个测量范围没有一个与在第二系列测量结果中获得的单个测量范围产生交集。然而，第一系列测量结果和第二系列测量结果(由这些离散测量范围的可能接触点限定)沿着叶片的长度在点(b)和(e)之间重叠和产生交集。(第一系列测量结果和第二系列测量结果相交的线由图604展示)。因此，在这种情况中，每个系列中的测量范围可以外推至沿着叶片的长度的公共纵向位置，以找到它们在第一系列测量结果和第二系列测量结果之间相交的点。

此外，在上文所述的实施方式中，通过采用来自两个测量结果(或者系列结果)之间的相交的点(或线)的“理想偏移”来找到边缘。然而，还有其他使用测量数据对边缘进行定位的方法。例如，最优拟合法可以被用来对边缘进行定位。参照图15(a)，根据模型必须接触体积的约束，由杆部描出的体积(或者例如中心线)可以输入到对叶片的计算机模型执行最优拟合的算法中。最优拟合算法可以优化模型在它的任意或者所有六个自由度中的位置和方位。还可以考虑材料状况与计算机模型的理想材料状况之间的偏差(variation)。对于本领域的技术人员而言，这种最优拟合算法是已知的，并且见于称为优化法的数学分支。应当意识到的是，能够提供给算法的数据越多，拟合往往越好。因此，可能希望在不同的方位使用触针扫描叶片，例如图15(b)显示了如果进行三次扫描所描出的体积。

在上文所述的实施方式中，第一系列测量结果和第二系列测量结果彼此产生交集。然而，这不必非得如此；例如，如果利用第一系列测量结果和第二系列测量结果通过最优拟合法来确定边缘的位置。例如，参照图14，最优拟合算法可以被用来从仅仅获得两个点例如点(a)和(f)(它们各自没有彼此产生交集)的测量结果来确定笔直边缘的位置。

在所述的实施方式中，第一系列测量结果和第二系列测量结果被描述为已经通过进行两次离散测量程序，例如边缘的两次离散扫描来获得。然而，这不必非得如此。例如，第一系列测量结果和第二系列测量结果可以通过对边缘执行连续扫描来获得，其包括在一个方向上沿着叶片的长度扫描然后在另一个方向上沿着叶片的长度向回扫描探头至少一个循环。如将理解的，探头和叶片的位置/方位可以以离散步骤改变和/或连续改变。

在上文所述的实施方式中，假定待定位的特征的近似形状和/或大小。然而，这不必非得如此。例如，可以使用测量结果来找到形状和/或尺寸基本未知的零件(一般称为“未知零件扫描”)的形状和/或大小。虽然零件的每个测量结果都具有一范围的可能接触点，但是可以使用多个测量结果来确认哪些是可能有效的接触点，哪些是明确无效的接触点，因此可以由多个测量结果建立起特征的图像或者模型。不同测量结果交叉或者相交的点可以限定有效和无效接触点之间的界限。因此，有效接触点可以包括每个不同测量结果的可能接触点的子集。例如，参照图15(a)，仅从那两个测量结果，可以确定物体的横截面形状和大小必须是能够被限制在两个测量结果之间的三角区域(即是由有效接触点所限定的边界)内的形状。参照图15(b)，可以看出，增加另一个测量结果增加了可以用于确定物体的实际形状的更多信息。如将理解的，获得的测量结果越多，能够获得的关于物体的形状和大小的信息的分辨率就越高。这样的方法可以通过例如使用触摸触发式探头获取关于特征的许多离散的点来实现。如将理解的，这样的方法可以使用模拟扫描探头来进行。例如，可以跨过特征在沿着该特征的长度的一个点处拖曳模拟扫描探头。可选的是，所述方法可以包括沿着特征在触针杆部和该特征之间的不同角度(例如围绕沿着所述特征的长度延伸的轴线)(例如来回地)多次扫描所述触针杆部。

图15(c)显示了这样的方法，其中，模拟扫描探头已经沿着叶片的长度在五个不同的角度方位扫掠；图15(c)显示了在沿着叶片的长度的一个点处针对沿着叶片的不同扫掠的叶片位置。这可以例如通过在不同的角度方位进行许多离散的扫掠例如通过与叶片连续接触而沿着叶片的长度对所述杆部来回进行实质摩擦而已经实现(角度方位可以在每个道次结束时改变，例如可以连续地改变)。可以看出，这对于沿着叶片的长度的每个点提供了次数多得多的测量结果，并由此能够使所述范围的有效接触点降低到更加准确地与特征的实际形状相似的程度。即，五次不同的测量结果的有效接触点限定的边界或界限具有与叶片边缘的形状非常相似的形状。

虽然根据确定来自可以使用的许多不同扫描的有效接触点来对人工制品进行定位并确定其形状和大小的上述技术参照扫描未知零件进行说明，但是应当理解的是，即使待测量的人工制品的名义形状是已知的，这种技术也是可以使用的。在这种情况下，人工制品的名义模型可以用于确定模拟扫描探头的和人工制品的相对运动过程。基于(例如对应于)有效扫描点的测量尺寸/形状数据可以与预期的名义模型进行比较以确定与所述名义模型的任何离差。

由各种合适的方法来记录由探头获得的测量数据以实现本发明。例如，在上述很多实施方式中，暗示针对顺着扫描的一系列位置记录触针体积数据。可以记录实际体积数据，或者可选地可以记录根据所述体积数据可以确定的探头有关数据。例如，可以记录触针位置和触针方位信息。特别是，例如，可以以上面安装探头的铰接头的一个或者多个可旋转零件的一个或者多个角度的形式记录触针方位信息。所述触针方位信息可以作为向量记录。可以由所记录的触针顶端位置确定触针位置。可选的是，可以记录主轴位置和 触针顶端偏移位置信息。

在所述的实施方式中，坐标定位机是串联式CMM(即，其中由三个独立的正交运动轴线提供三个线性自由度)。然而，如将理解的，本发明还用于控制其他类型坐标定位机例如并联式CMM或机械手等的运动。本发明不仅还可以供专门的CMM使用，而且还可以供坐标定位机例如机床使用。此外，如将理解的，本发明还适合供笛卡尔式和非笛卡尔式定位机器例如极坐标定位机器和球坐标定位机器使用。

在上文所述的实施方式中，探头相对于保持在固定位置的零件移动和/或重新取向。然而，如将理解的，这不必非得如此，例如所述零件可以可以移动/重新定向并且头部也可以移动/重新定向，或头部不移动/重新定向。例如，所述零件可以安装在滑动和/或旋转工作台上。

上述实施方式参照了叶盘的叶片。然而，如将理解的，这不必非得如此。如将理解的，本发明等同适用于其他类型的特征和人工制品。

Claims (21)

1.一种对物体的特征进行定位的方法，所述方法包括:

使安装在定位设备上的接触式探头的触针与所述物体接触，以获得至少第一测量结果和第二测量结果，所述至少第一测量结果和第二测量结果中的每个测量结果都产生所述物体和所述触针的一部分之间沿着所述触针的长度的一范围的可能接触点，并因此在所述物体沿着所述长度的位置中内在地含有不确定性；以及

使用所述至少第一测量结果和第二测量结果来至少降低所述不确定性的程度，包括使用与所述至少第一测量结果和第二测量结果关联的已知触针方位相关信息。

2.根据权利要求l所述的方法，其中，用于获得所述第二测量结果的接触式探头与用于获得所述第一测量结果的接触式探头为同一探头。

3.根据权利要求l所述的方法，其中，对于所述第一测量结果和所述第二测量结果，所述接触式探头与所述物体之间的相对角度方位是不同的。

4.根据权利要求2所述的方法，其中，对于所述第一测量结果和所述第二测量结果，所述接触式探头与所述物体之间的相对角度方位是不同的。

5.根据权利要求l所述的方法，其中，所述触针包括触针杆部和触针顶端，并且其中所述第一测量结果和第二测量结果中的至少一个通过使所述触针杆部与所述物体接触来获得。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，至少所述触针杆部的待与所述物体接触的部分的横截面呈圆形。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其中，所述方法包括随后使用所述特征的经确认的位置来指导使用测量探头对所述特征的至少一部分所进行的测量。

8.根据权利要求5所述的方法，其中，所述触针顶端被用来测量所述特征的至少一部分。

9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述触针顶端被用来测量所述特征的所述至少一部分。

10.根据权利要求7所述的方法，其中，用来随后测量所述特征的所述至少一部分的所述测量探头是用来获得所述第一测量结果和所述第二测量结果中的至少一个测量结果的同一探头。

11.根据权利要求8所述的方法，其中，用来随后测量所述特征的所述至少一部分的所述测量探头是用来获得所述第一测量结果和所述第二测量结果中的至少一个测量结果的同一探头。

12.根据权利要求9所述的方法，其中，用来随后测量所述特征的所述至少一部分的所述测量探头是用来获得所述第一测量结果和所述第二测量结果中的至少一个测量结果的同一探头。

13.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一测量结果在所述特征的第一侧测得，并且所述第二测量结果在所述特征的第二侧测得。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述方法包括在所述特征的所述第一侧上获得一系列第一测量结果，并且在所述特征的所述第二侧上获得一系列第二测量结果。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述一系列第一测量结果和所述一系列第二测量结果中的至少一个通过沿着所述特征的长度扫描所述接触式探头来获得。

16.根据权利要求14或15所述的方法，其中，所述一系列第一测量结果和所述一系列第二测量结果产生交集，并且其中所述一系列第一测量结果和所述一系列第二测量结果的交集被用来确认所述特征的至少一部分的位置。

17.根据权利要求1所述的方法，其中，所述特征的位置通过针对所述第一测量结果和所述第二测量结果拟合所述物体的至少一部分的模型来确认。

18.根据权利要求1所述的方法，其中，所述特征是物体的边缘。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述特征是叶片的边缘。

20.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少第一测量结果和第二测量结果产生交集，并且其中降低所述不确定性的程度包括基于所述交集的点将所述至少第一测量结果和第二测量结果的所述范围的可能接触点精简成一范围的有效接触点，并且基于所述范围的有效接触点确定所述特征的至少一截面的形状和/或尺寸。

21.一种用于对物体的特征进行定位的设备，所述设备包括:

安装在坐标定位设备上的具有触针的接触式探头，其中所述用于对物体的特征进行定位的设备被构造成使安装在所述坐标定位设备上的所述接触式探头的所述触针与所述物体接触，且一旦接触，所述用于对物体的特征进行定位的设备被构造以获得至少第一测量结果和第二测量结果，所述至少第一测量结果和第二测量结果中的每个测量结果都产生所述物体和所述触针的一部分之间沿着所述触针的长度的一范围的可能接触点，并因此在所述物体沿着所述长度的位置中内在地含有不确定性；以及被构造成通过利用与所述至少第一测量结果和第二测量结果关联的触针方位相关信息，使用所述至少第一测量结果和第二测量结果来至少降低所述不确定性的程度。