CN104969028B - 在机床上进行模拟测量扫描的方法和对应的机床设备 - Google Patents

在机床上进行模拟测量扫描的方法和对应的机床设备 Download PDF

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Abstract

一种使用安装在机床设备上的模拟测量探头建立用于对象的表面的测量数据组的方法，该机床设备通过多个偏移的横向移动来获得所述表面的扫描测量数据。随后的横向移动从之前的横向移动偏移，使得通过一系列横向移动，所述模拟探头的表面检测区域i)侧向地横跨所述对象并且/或者ii)远离或朝向所述对象前进。用于至少一个随后的横向移动的相对运动路线是基于在至少一个之前的横向移动过程中获得的数据生成和/或更新的。

Description

在机床上进行模拟测量扫描的方法和对应的机床设备
技术领域
本发明涉及一种测量人工制品(artefact)的方法，具体地说，涉及一种使用安装在机床上的模拟测量工具扫描人工制品的方法。
背景技术
已知在机床主轴上安装测量探头来相对于工件进行运动，以便对工件进行测量。在实践上，例如，如在美国专利No.4,153,998(McMurtry)中描述的，探头通常是接触触发式探头，当探头的触针接触工件表面时，这种探头产生触发信号。该触发信号被获取到机床的数字控制器(NC)的所谓的“跳跃”输入端。作为响应，对象和工件的相对运动停止，控制器获取机床位置 (即：主轴与探头相对于机床的位置)的瞬时读数。这是从机床的测量装置 (例如编码器)获得的，测量装置在机床运动的伺服控制环中提供位置反馈信息。使用这种系统的缺点是，如果需要大量的测量点，则测量过程相对缓慢，从而导致测量时间较长。
还已知模拟测量探头(一般还被称为扫描探头)。接触式模拟探头通常包括用于接触工件表面的触针以及位于探头内的换能器，该换能器测量触针相对于探头本体的偏转。在美国专利No.4,084,323(McMurtry)中示出了一个示例。在使用时，相对于工件的表面移动模拟探头，从而触针扫描所述表面并且从探头换能器的输出获得连续的读数。将探头偏转输出和机床位置输出组合，可以获得坐标数据，由此在整个扫描的非常大量的点处发现工件表面的位置。模拟探头因而可以获得比使用接触触发式探头在实践上可获得的更详细的工件表面的形式的测量。
如将理解的(以及下面连同图2更详细地描述的)，模拟探头具有有限的测量范围。此外，模拟探头可能具有优选的测量范围。模拟探头可能能够获得位于其优选测量范围之外的数据，但是在该范围之外获得的数据可能并不是优选的，例如，这是因为其可能被认为是比在优选测量范围内获得的数据不精确的数据。优选测量范围的边界可能根据许多不同因素而变化，这些因素包括探头的类型、所使用的校准程序、以及甚至例如正被测量的对象。在许多情况下，确保模拟探头在其沿着工件的表面扫描时都保持位于其优选测量范围内可能是优选的。接触式模拟探头的优选测量范围可以在任何给定维度中例如为+/-0.8mm或更小，例如在某些情况下，在任何给定维度中如 +/-0.3mm一样小。(这些值可以根据触针休止位置测量)。此外，实际优选测量范围可能甚至比以上给出的数字更小，这是因为为了进入优选测量范围可能需要最小量的偏转。因而，尽管优选测量范围可能为距离休止位置的 +/-0.5mm，但是至少起初的+/-0.5mm的偏转或者例如起初的+/-0.1mm的偏转可能不在该优选测量范围内(同样，这将在下面连同图2更详细地说明)。因而，如将理解的，需要实时管理探头/工件的位置关系，以避免模拟探头落入其优选测量范围之外的情形。
这就是为什么尽管模拟探头本身已经已知多年但仍然通常仅仅供专用的坐标测量机器(CMM)使用的原因。CMM具有专用的实时控制环，以便能够对探头偏转进行这种管理。具体地说，在CMM中，设置一个控制器，在该控制器中加载一个程序，该程序限定了测量探头相对于工件运动所沿的预定运动路线。该控制器从所述程序产生马达控制信号，这些马达控制信号用来启动马达以引起测量探头运动。该控制器还从机床的编码器接收实时位置数据并且从模拟探头接收偏转数据(在接触式探头的情况下)。为了适应工件的材料状况的变化，存在专用的控制环布置。这包括反馈模块，上述的马达控制信号和偏转数据被馈送到该反馈模块中。所述反馈模块使用逻辑来 (根据偏转数据)连续地更新偏移控制向量，该偏移控制向量又用来在从所述程序产生的上述马达控制信号被发送到CMM之前调节上述马达控制信号，从而在模拟探头扫描工件时将探头偏转尽量保持在优选测量范围内。这些都是在小于1ms至2ms的响应时间的情况下在闭环控制环内发生的。例如，在WO 2006/115923中描述了这些。此外，在之前可从获得的CycloneTM数字机器中实现了这种使用来自模拟探头本身的实时数据的实时控制环。在该机器中，模拟探头被控制成沿着预定路径前进，该路径具体为横跨含有未知对象的边界区域的2D光栅路径。当在其路径中检测到未知或意外的特征时，运动速度显著降低，从而可以利用实时控制在未知或意外的特征上不丢失特征表面地或不使探头过度偏转地引导模拟探头。此外，如果/当在未知或意外的特征附近扫描的探头再次位于随后的光栅扫描上时，则随后预测存在未知或意外的特征，从而使得速度降低以能够实现实时控制以在意外的特征上引导探头。
这种对探头位置的紧密控制以及实时处理触针偏转数据的能力使得这种专用的CMM能够扫描从预期形状偏离的复杂物品，甚至能够扫描未知形状的物品。
时至今日，模拟探头尚未广泛用于机床扫描应用。这是因为许多商业上可获得的机床的固有性质所决定的，这些机床不方便对CMM提供的模拟探头进行实时控制。这是因为机床主要被开发用来对工件进行机械加工，在机床上使用测量探头来对工件进行测量实质上是之后才想到的。因此，机床通常并不是被构造成用来使用来自模拟测量探头的数据进行实时控制。实际上，往往是这种情况，即机床的控制器没有任何用于从测量探头直接接收偏转数据的内置设置。相反，例如如在WO2005/065884中描述的，探头必须与一个接口进行通信(例如以无线的方式)，所述接口接收探头偏转数据并且将数据传送至单独的系统，该系统随后将偏转数据与机床位置数据结合，从而随后形成完整的对象测量数据。
这使得难以在机床上使用模拟探头来获得关于已知对象的扫描测量数据，因为来自对象的预期形状的任何变化都可能导致探头过度偏转并因而致使测量过程失败(而在CMM上，探头的运动路线可以被足够快速地更新以确保探头不会过度偏转)。这还使得难以在机床上使用模拟探头来获得关于未知对象的扫描测量数据，因为这必然要求足够快速地更新探头的运动路线从而避免过度偏转。
已经提出了用于克服在机床上使用模拟扫描探头的问题的技术。例如，已知一种点滴馈送(drip feed)技术，其中将程序指令以点滴馈送方式加载到机床的控制器中。具体地说，每个指令都使得探头移动微小距离(即小于探头的优选偏转范围)，并且对探头的输出进行分析以确定偏转的程度，该偏转的程度又用来产生将要被馈送到控制器的下一个指令。然而，这种技术相比于能够在CMM上使用模拟扫描探头进行的扫描技术来说仍然受到极大限制。具体地说，这种方法非常慢且效率低下。
WO2008/074989描述了一种用于测量已知对象的过程，该过程涉及如下步骤：如果第一测量操作导致过度偏转或欠偏转，则根据所调整的路径重复测量操作。
当在机床上使用模拟探头时该问题可能被进一步复杂化，因为由于其构造(这使得它们能够在比机床提供的环境更严酷的环境中使用，并且例如当它们自动改变到机床主轴内/从机床主轴出来时它们暴露于更大的加速度和力)，它们经常具有比供CMM使用的那些探头小得多的测量范围，例如在任何给定维度中为+/-0.8mm或更小(从触针休止位置测量)，例如在一些情况下，在任何给定维度中为+/-0.5mm或更小，并且例如在一些情况下在任何给定维度中不大于+/-0.3mm。因此，与在CMM上使用的模拟探头相比，这会给予误差更小的余量。如上所述，为了进入优选测量范围，还可能需要最小偏转。
作为具体示例，测量范围可以由0.725mm的最大偏转和0.125mm的最小偏转(从触针休止位置测量)来限定。因而，在这种情况下，这可能意味着表面可能在保持精确测量的同时可能距离标称+/-0.3mm。然而，该数字可能更小，对于表面不确定性来说，已知可以与+/-0.1mm一样小，这相当于大约+/-0.325mm的最大探头偏转和+/-0.125mm的最小探头偏转。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种使用安装在机床设备上的模拟测量探头建立用于对象的表面的测量数据组的方法，该机床设备通过多个偏移的横向移动来获得所述表面的扫描测量数据，其中随后的横向移动从之前的横向移动偏移，使得通过一系列横向移动，所述模拟探头的表面检测区域i) 侧向地横跨所述对象并且/或者ii)远离或朝向所述对象前进，并且其中用于至少一个随后的横向移动的所述对象和模拟探头的相对运动路线是基于在至少一个之前的横向移动过程中获得的数据生成和/或更新的。
因而，从之前的横向移动获得的测量数据可以用来确定沿着随后的横向移动的运动路线。这能够提高获得扫描测量数据的效率。具体地说，这能够用来确保所述模拟探头和对象在随后的横向移动过程中避免不期望的情形，例如接触式模拟探头过度偏转, 例如以不能(例如，可靠地)获得测量数据的程度延伸或延伸超过不能(例如，可靠地)获得测量数据的程度，并且/ 或者以所述模拟探头冒着断裂的风险的程度延伸或延伸超过所述模拟探头冒着断裂的风险的程度)。在优选在第一(例如，优选)测量范围内获得数据的实施方式中，这可以用来帮助避免所述模拟探头超过其优选测量范围 (例如，获得超过其优选测量范围的数据)。在一些情况下，这可以用来帮助维持所述模拟探头的测量值在其第一(例如，优选)测量范围内。
如将理解的，模拟探头的表面检测区域可以是所述模拟探头能够检测到所述对象的表面并因此收集关于所述对象的测量数据的空间区域。如将理解的，这对于不同的探头来说将是不同的。在接触式探头的情况下，其可以包括所述探头的表面接触部分(例如，具有触针的模拟探头的触针顶端)。在非接触式探头的情况下，其可以是所述非接触式探头能够感测并测量所述表面的空间点、空间面积或空间体积。
如将理解的，横向移动可以包括所述表面检测区域横跨所述对象相对横向移动。这可以通过使所述模拟探头和/或对象相对于彼此运动来实现。例如，这可以通过以平移的方式和/或旋转的方式使所述模拟探头和/或对象相对于彼此运动来实现。因而，横向移动可以包括根据相对运动路线来控制所述模拟探头和/或对象，从而使得所述表面检测区域横过所述对象。
如将理解的，可以设置控制器，该控制器可以控制所述机床，从而根据限定相对运动路线的程序使所述模拟探头和对象相对运动。所述方法可以包括将限定多个偏移的横向移动的预定运动路线加载到所述机床的控制器内。在这种情况下，用于至少一个随后的横向移动的所述相对运动路线可以通过基于在至少一个之前的横向移动过程中获得的数据来改变用于所述随后的横向移动的预定运动路线来生成和/或更新。如将理解的，在另一个实施方式中，可以是如下这样，即用于每次横向移动的运动路线“动态地”(即在需要时)产生。因而，所述方法可以包括加载用于第一横向移动的运动路线，并且其中用于随后的横向移动的运动路线在所述第一横向移动的执行过程中或所述第一横向移动的执行之后例如基于在所述第一横向移动过程中获得数据产生。
更新用于所述至少一个随后的横向移动的运动路线可以包括改变限定所述运动路线的被加载到所述控制器内的程序。更新所述运动路线可以包括生成限定新的运动路线的新的程序。更新所述运动路线可以包括将所述新的程序加载到所述机床的控制器内。所述新的程序可以在与所述机床的控制器分离的处理器设备(例如，PC)中产生。改变所述程序可以包括修改已经加载到所述控制器中的预定程序。与生成将被加载到所述控制器中的新的程序相比，这可能更快速且更有效率。
(除了改变所述程序之外或作为改变所述程序的替换方案)更新所述运动路线可以可选地包括改变由所述程序参考的数据。这可以包括改变由加载到所述控制器内的所述程序参考的至少一个变量。所述变量可以是所述程序的一部分或者是与所述程序分开但与所述程序相关并且例如存储在所述控制器中的变量表的一部分。这是改变所述运动路线的特别快速且有效的方式。所述变量可以涉及所述探头的一部分和所述特征的预期表面之间的标称偏移距离。例如，其可以涉及探头顶端中心从所述对象的预期表面的标称偏移。
可以对所述至少一个随后的横向移动进行更新，从而避免所述对象和模拟探头之间的不利位置关系。如将理解的，什么会被认为是不利位置关系将取决于具体情形，但是当然可以在操作之前已知和/或限定。例如，不利位置关系可以是导致接触式探头的触针过度偏转(例如，超过预定程度的偏转) 的位置关系。作为另一个示例，不利位置关系可以是导致所述对象和非接触式探头彼此接触的位置关系，或者是导致所述对象和非接触式探头彼此向一起接近比优选最小分离距离更小的量的位置关系。
因而，所述方法可以包括对所述至少一个随后的横向移动进行更新，以避免将导致所述模拟探头获得超过第一阈值的数据的所述对象和模拟探头之间的位置关系。这种技术可以用来确定所述模拟探头和所述对象何时将进入不利位置关系，并且可以生成/更新随后的扫描以避免这种情形。
所述模拟探头可以具有第一测量范围，例如优选测量范围。所述第一(例如，优选)测量范围可以小于所述模拟探头的总测量范围。在接触式探头的情况下，所述优选测量范围可以小于所述模拟探头的总偏转范围。因此，所述第一(例如，优选)测量范围可以是所述模拟探头的整个测量范围的子集。所述第一(例如，优选)测量范围的精确边界对于不同的探头来说可以不同，甚至对于任何给定探头来说从测量操作到测量操作也不同。其可以是这样的范围，对于该范围来说，所述模拟探头已经针对任何给定测量操作进行校准，例如为了给出期望的精度水平。其可以是这样，即所述表面测量数据沿着任何给定横向移动既在所述模拟探头的第一(例如，优选)测量范围内又在所述模拟探头的第一(例如，优选)测量范围外获得。
所述优选测量范围可以由至少上边界并可选地也由下边界来限定(例如，对于接触式探头来说，由最大和可选的最小优选偏转程度来限定)。所述优选测量范围的上边界可以由比以上(连同避免不利位置关系)描述的第一阈值小的第二阈值来限定。可以对至少一个随后的横向移动进行更新，以避免将导致所述模拟探头获得将超过其上边界的测量值的位置关系。
表面测量数据可以沿着所述对象的表面上的标称测量线来收集。所述方法可以被构造成使得对于每个横向移动，所述模拟探头基本沿着所述对象的表面上的同一标称测量线获得测量数据。对于其中所述方法被构造成使得通过一系列横向移动所述模拟探头的表面检测区域远离或朝向所述对象前进的实施方式中，这可能是优选的。
可选地，所述方法可以被构造成使得对于每个横向移动，所述模拟探头沿着所述对象的表面上的不同标称测量线获得测量数据。例如，当所述方法被构造成使得通过一系列横向移动所述模拟探头的表面检测区域横向跨越所述对象前进时，就可能是这种情况。在这种情况下，多个所述横向移动的标称测量线的形式可以是基本相同的。因而，所述标称测量线可以因为它们的位置不同而不同。例如，所述横向移动的标称测量线可以彼此间隔开定位。在这种情况下，所述横向移动的标称测量线可以被构造成基本彼此平行地延伸。
在至少一个之前的扫描(在该扫描上对更新/生成随后的扫描)过程中获得的数据可以包括来自所述模拟探头的测量数据。其还可以包括来自机床上的其他来源的数据。例如，其可以包括机器位置数据(例如，表示所述模拟探头和对象的相对位置的数据)。这种机器位置数据例如可以来自位置报告装置(例如，位置编码器)，所述位置报告装置报告所述探头在机床的坐标空间内的位置。在至少一个之前的扫描(在该扫描上更新/生成随后的扫描) 过程中获得的数据可以仅包括来自所述模拟探头的数据。与考虑来自所述机床的其他部分的数据相比，这可能更简单并且更有效。
所述模拟探头可以是非接触式模拟探头，例如光学探头、电容探头或感应探头。在这种情况下，任何第一(例如，优选)测量范围可以是所述模拟探头的一部分(例如，工件感测部分)与工件表面之间的距离或分离范围。因而，任何这种第一(例如，优选)测量范围可以包括涉及最大和最小探头对象间隔的上边界和下边界或上阈值和下阈值。所述模拟探头可以是接触式模拟探头。例如，所述模拟探头可以是具有用于接触所述对象的可偏转触针的接触式模拟探头。在这种情况下，任何第一(例如，优选)测量范围可以是第一(例如，优选)触针偏转范围。因而，任何这种第一(例如，优选) 测量范围可以包括涉及最大(和可选的最小)触针偏转的上(和可选的下) 边界或阈值。
所述对象可以是在(和/或将要在)安装所述模拟探头的机床上进行机加工的对象。因此，所述方法可以包括例如在以上描述的测量步骤之前使用同一机床对所述对象进行机加工。可选地，可以在以上描述的测量步骤之后进行机加工。这种后测量机加工可以在进行所述测量的同一机床上进行。这种后测量机加工可以基于在以上描述的测量步骤中获得的测量数据。所述机床可以是切割机床，例如金属切割机器。
如将理解的，可以是这种情况，即横向移动导致没有任何表面测量数据被获得。例如，对于横向移动来说，所述表面检测区域和对象不重合可能就是这种情况。优选地，至少一些表面测量数据是在横向移动过程中获得的。因而，可以是这样的情况，即对于横向移动来说，所述表面检测区域和对象仅对于所述横向移动的一部分来说是重合的。例如，所述表面检测区域可以到达所述表面上，然后沿着所述横向移动再次掉落。在其中所述模拟探头具有第一(例如，优选)测量范围的实施方式中，可以是这样的情况，即对于任何给定横向移动，所述模拟探头仅沿着所述横向移动的一部分获得位于其优选测量范围内的表面测量数据。
优选地，通过连续的随后横向移动获得附加的表面测量数据。因而，随后的横向移动可以被偏移，从而在随后的横向移动过程中获得关于所述对象表面在之前的横向移动过程中尚未被收集的部分的表面测量数据。在其中所述模拟探头具有优选测量范围的实施方式中，随后的横向移动可以偏移，从而在随后的横向移动过程中，在所述模拟探头的优选测量范围内获得所述对象的表面的一部分的表面测量数据，在之前的横向移动过程中尚未在所述模拟探头的优选测量范围内对该部分进行收集。
所述模拟探头可以是密封模拟探头。也就是说，所述模拟探头可以被密封以防止内部传感器部件受到外部污染物的影响。例如，所述探头可以包括探头本体，该探头本体容纳用于直接或间接地测量对象的表面的传感器，其中所述传感器被密封而不受外部污染物的影响。例如，在可偏转接触式探头的情况下，所述探头可以包括探头本体、触针构件和用于测量所述触针构件相对于所述壳体的位移的传感器，其中设置至少第一顺从密封构件，该第一顺从密封构件在所述探头本体和可相对移动的触针构件之间延伸，从而将所述传感器容纳在密封腔室内，并由此将所述传感器密封而不受外部污染物影响。
所述对象可以是叶片。例如，所述叶片可以涡轮发动机的叶片。
如上所述，所述方法可以包括在所述机床的控制器中加载限定所述多个偏移的横向移动的预定运动路线。在这种情况下，所述方法可以包括基于之前收集的扫描测量数据在扫描操作过程中的多个预定点中的至少一个点处更新所述预定运动路线(由此更新所述至少一个随后的横向移动)。跟随预定运动路线可以是测量对象的有效方式，并且由于其可以在一定点处修改，从而可以避免不期望的情形，例如接触式模拟探头过度偏转。
所述预定点可以位于预定(例如，规则)时间点和/或沿着所述预定运动路线的预定点，例如沿着路径长度的预定位置。所述预定点可以由限定所述预定运动路线的加载到所述控制器中的程序限定。所述预定点可以间隔开比所述模拟探头的第一(例如，优选)测量范围大的距离，例如间隔开比所述模拟探头的总测量范围大的距离。所述预定点可以位于每个横向移动的末尾。
可以在所述预定点中的每个预定点确定所述预定运动路线是否应该更新。可选地，确定所述预定运动路线是否应该更新可以在所述预定点之间的扫描操作过程中发生。可选地，可以连续地分析所述扫描测量数据，或者在其他情况下周期性地分析所述扫描测量数据，例如，在沿着所述预定运动路线的相对运动过程中的所述预定点之间分析所述扫描测量数据。对于确定如何更新所述预定运动路线来说情况同样如此。因此，所述方法可以包括在所述预定点仅仅更新所述预定运动路线。可选地，所述方法可以包括在所述预定点确定所述预定运动路线是否应该更新(例如，基于之前收集的扫描测量数据)和/或确定如何更新所述预定运动路线(例如，基于之前收集的扫描测量数据)。
所述预定运动路线可以被配置成使得对于每个横向移动来说所述探头都沿着所述对象的表面上的基本同一标称测量线获得测量数据。在这种情况下，所述模拟探头和所述对象之间的位置关系对于不同的横向移动来说可能不同。这可能是这样的，即对于不同的横向移动，所述模拟探头在其测量范围内的不同点处获得用于标称测量线的相同部分的数据。
所述预定运动路线可以被配置成使得所述模拟探头和所述对象之间的位置关系对于不同的横向移动来说是不同的，使得所述模拟探头相对于所述对象的第一(例如，优选)测量的位置对于不同的横向移动来说是不同的。具体地说，这可以是这样，即所述模拟探头相对于所述对象的第一(例如，优选)测量的位置(正交于表面)对于不同的横向移动来说是不同的。因而，这可以是这样的，即对于不同的横向移动来说，对象的不同部分位于所述第一(例如，优选)测量范围内。
所述第一(例如，优选)测量范围可以由上边界(和可选的下边界)限定。可以对所述预定运动路线进行更新，从而避免将导致所述模拟探头获得将超过上边界的测量值的位置关系。
所述模拟探头的表面检测区域的位置可以被配置成落在连续的横向移动上。所述位置可以在相对于所述表面检测区域的参考点和所述对象的表面 (例如，所述表面检测区域内的点)之间测量。因而，例如，优选的是，对于每个横向移动来说，所述表面检测区域的中心跟随的线平均来说可以在连续的横向移动上相对于所述对象的表面逐渐下落(例如越来越接近所述对象的表面/越来越深入所述对象的表面)。这可以例如在每个横向移动结束时以逐步方式发生。
所述相对运动路线可以被配置成使得之前的横向移动和随后的横向移动之间的差足够的小，使得如果沿着之前的横向移动则不会获得任何表面测量数据，所述随后的横向移动将不会导致所述模拟探头获得超过其整个测量范围的对象表面测量数据，例如将不会导致所述模拟探头获得超过其优选测量范围的数据。可选地，横向移动以不大于并且例如小于所述探头的整个测量范围的步长彼此偏移。例如，横向移动可以以不大于并且例如小于所述探头的优选测量范围的步长彼此偏移。
因而，该申请还描述了一种使用安装在机床设备上的模拟探头测量对象的特征的方法，该方法包括：将预定运动路线加载到所述机床的控制器中，所述模拟探头和所述对象可以沿着该预定运动路线相对于彼此运动，从而收集关于所述特征的扫描测量数据；通过使所述模拟探头和/或对象根据所述预定运动路线相对运动执行扫描操作；其中基于在前收集的扫描测量数据在沿着所述预定运动路线的多个预定点中的至少一个点处(即不是在结尾处)更新所述预定运动路线。这种预定点可以是时间点或空间点(例如，位置)。
因而，本发明了提供了一种方法，通过该方法，所述模拟探头和工件的相对运动被配置成遵循预定运动路线，该方法可以是测量对象的有效方式，但是可以在一些点处对该方法进行改变，例如以便避免不期望的情况，诸如避免接触式模拟探头过度偏转(下面更详细地描述)。
所述预定运动路线可以包括横跨所述对象的表面的多个横向移动，从而获得扫描测量数据。可以基于在至少一个之前的横向移动过程中收集的数据更新至少一个将来的横向移动。因而，所述预定点可以位于每个横向移动的末尾处。
根据本发明的另一个方面，提供了一种使用安装在机床设备上的模拟探头测量对象的特征的方法，该方法包括：使所述模拟探头和对象相对于彼此运动，使得所述模拟探头沿着扫描路径获得扫描测量数据，该扫描路径包括横跨所述对象的表面的多个横向移动，所述多个横向移动遵循所述对象的表面上的不同的标称测量线；其中所述模拟探头和所述对象沿着至少一个横向移动的相对运动路线基于在至少一个之前的横向移动过程中获得的数据。
因而，可以使用来自沿着标称测量线的之前的扫描的测量数据来确定沿着所述对象的表面上的随后的不同标称测量线的运动路线。这能够提高沿着所述随后的标称测量线获得扫描测量数据的效率。具体地说，这可以用来确保所述模拟探头和所述对象避免不期望的情形，诸如接触式模拟探头过度偏转。在其中优选在第一(例如，优选)测量范围内获得数据的实施方式中，其可以用来帮助在所述模拟探头的第一测量范围内获得所述模拟探头的测量值。
所述横向移动的所述标称测量线的形式可以是基本相同的。所述标称测量线可以基本彼此平行地延伸。用于每个横向移动的运动路线可以基于在至少一个之前的横向移动过程中获得的数据来生成。
用于每个横向移动的运动路线可以在需要时(例如，一个横向移动一个横向移动地)产生。因而，用于至少一个横向移动的运动路线可以在针对第一横向移动开始所述模拟探头和所述对象的相对运动之后生成。可选地，用于下一个横向移动的运动路线可以在至少一个之前的横向移动完成之后产生，并且可选地在所有之前的横向移动完成之后产生。
可选地，所述方法可以包括将预定运动路线装载到所述机床的控制器内，所述预定运动路线针对扫描路径中的每个横向移动预先限定所述模拟探头和对象的相对运动路线。在这种情况下，所述方法可以包括基于在至少一个之前的横向移动过程中获得的数据更新所述预定运动路线。
如将理解的，以上针对本发明的第一方面进行的阐述在合适的情况下也适合于本发明的第二方面，反之亦然。
根据本发明的第三方面，提供了一种计算机程序，该计算机程序包括在由机床设备执行时使所述机床设备执行以上描述的方法中的任一个方法的指令。
根据本发明的第四方面，提供了一种计算机可读介质，该计算机可读介质包括在由机床设备执行时使所述机床设备执行以上描述的方法中的任一个方法的指令。
附图说明
现在将参照附图仅仅以示例方式描述本发明的实施方式，其中：
图1是示出了用于机床的系统架构的示意图；
图2(a)至(c)是图示了模拟测量探头的测量范围的示意图；
图3是图示了根据本发明的实施方式在测量操作过程中的控制流程的系统流程图；
图4示意性示出了根据本发明的第二实施方式在根据本发明的测量操作的执行中的不同阶段；
图5(a)至(d)示意性示出了根据本发明的第一实施方式在根据本发明的测量操作的执行中的各个阶段的侧视图，而图5(e)示意性示出了图5 (a)的示意图；
图6示意性示出了本发明的一个实施方式，其中使用本发明的方法沿着对象的长度以及沿着对象的宽度对该对象进行测量；以及
图7是示出了根据本发明的另一个实施方式的测量操作过程中的控制流程的系统流程图。
具体实施方式
参照图1，示出了机床设备2，该机床设备2包括机床4、控制器6、PC 8和发射器/接收器接口10。机床4包括用于使主轴12运动的马达(没有示出)，该主轴12相对于位于工作台15上的工件16保持模拟探头14。主轴 12的位置(因而模拟探头14的位置)使用编码器等以已知方式测量。这种测量提供在机床坐标系(x，y，z)中限定的主轴位置数据。数字控制器(NC) 18(该数字控制器是控制器6的一部分)控制主轴12在机床的加工区域内的x、y、z运动，并且还接收关于主轴位置的数据。
如将理解的，在另选的实施方式中，可以通过工作台15相对于主轴的运动来提供在x、y、z维度中的任何维度上或全部维度上的相对运动。此外，模拟探头14和工件16的相对旋转运动可以由主轴12的一部分(例如安装在主轴上的旋转/铰接头部)和/或工作台15的一部分(例如工作台)来提供。此外，运动还可以被限制于更少的维度，例如仅x和/或y。再有，所描述的实施方式包括笛卡尔机床，而将理解的是并不必然是这种情况，例如可以为非笛卡尔机床。再有，许多其他不同类型的机床，例如车床以及并联动态机器和机械臂是已知的，并且可以与本发明一起使用。
在所描述的实施方式中，模拟探头14是接触式模拟探头，该接触式模拟探头包括探头本体20、从探头本体20伸出的工件接触触针22，并且具有位于触针22的远端端部的采取工件接触顶端24的形式(在该例中，该表面检测区域采取球形触针球体的形式)的表面检测区域。模拟探头14测量触针22在探头几何系统(a，b，c)中的偏转。(然而，如将理解的，无需必然为这种情况，例如，该模拟探头可以测量仅仅一个或两个维度中的偏转，或者甚至提供表示偏转程度的输出，而没有偏转方向的任何指示)。探头14 还包括发射器/接收器(没有示出)，该发射器/接收器(例如通过无线电、光学或其他无线传输机制)与发射器/接收器接口10进行无线通信。
如上所述，模拟测量探头具有有限的测量范围。例如，对于接触式模拟探头来说，它们可以具有物理最大量，所述接触式模拟探头可以在x、y和z 维度上偏转该物理最大量。不仅如此，还可能这样，即探头被构造成使其在最大物理范围内的一定子范围中最佳地工作。例如，图2(a)示出了图1 的模拟探头，并且实线表示位于休止(例如未偏转)位置的触针22。以虚线示出的最外面触针位置代表触针在x维度上的最大物理偏转。然而，可以是这样的，即该探头被构造成使该探头在所述触针偏转小于最大物理偏转的量时是最精确的。还可以是这样的，即所述探头被构造成使得该探头在所述触针偏转最小下阈值时是最精确的。例如，该模拟探头14可以具有第一(例如，优选)测量范围，该第一测量范围的上边界和下边界由图2(a)中示出为点线的触针位置表示。因而，如能够看到的，在接近触针休止位置的中间有一死空间“d”(在x维度上)，该死空间d位于优选测量范围之外。
如将理解的，对于在y维度上的偏转来说情况同样如此。此外，在所描述的实施方式中，在z轴上也存在最大物理偏转范围以及z轴偏转的子范围 (优选测量范围)，在该z轴偏转的子范围内，所述探头被构造成为提供最精确的结果。
图2(b)中所示的点线28示意性示出了在x和z维度上获得的模拟探头14的优选测量范围的区域。如将理解的，这种范围实际上在三个维度上延伸，因而实际上近似为在中间切割有小孔的压扁的半球形。
图2(c)的点线也示意性示出了用于非接触式探头(例如感应式探头) 的优选测量范围。内侧和外侧的点线代表用于最佳测量性能的最小和最大探头/工件分离边界。如将理解的，针对非接触式探头示出的优选测量范围可以是整个测量范围，或者仅仅是用于该探头的整个测量范围的子集。如将理解的，整个测量范围可以被认为是能够被称为非接触式探头的表面检测区域的范围。
如将理解的，优选测量范围的大小将随着不同的探头而变化。对于接触式模拟探头来说，该优选测量范围可以例如在任何给定维度中不大于 +/-0.8mm，例如在任何给定维度中不大于+/-0.725mm，例如在任何给定维度中不大于+/-0.5mm，例如在某些情况下在任何给定维度中不大于+/-0.3mm (从触针休止位置获得)。当然，也可能存在一个正好围绕触针位置的死区域，所述触针在其进入优选测量范围之前必须偏转超过该死区域。该死区域例如距离触针休止位置在任何给定维度中不小于+/-0.2mm，例如距离触针休止位置在任何给定维度中不小于+/-0.1mm，例如在任何给定维度中不小于 +/-0.125mm(同样，从触针休止位置测量)。
本发明背离传统的观点，传统观点认为，探头必须被保持成使得沿着对象表面上的标称测量线，探头总是在其优选测量范围内收集数据。相反，从下面描述的实施方式可以清楚地看到，本发明使得既能够在探头的优选测量范围内又能够在探头的优选测量范围之外获得沿着标称测量线的测量。然而，避免一些不期望的情形可能是优选的。例如，在接触式模拟探头的情况下，避免探头过度偏转特别是可能使触针或探头冒断裂风险的过度偏转。在非接触式模拟探头的情况下，可能优选的是，一起避免探头和对象之间的接触。因此，下面公开的技术使得能够快速获得扫描测量数据同时避免这些不期望的情形。
图3示出了根据本发明的一个实施方式而涉及的一般过程100。该方法以步骤102开始，在步骤102，将待测量的部件的模型加载到PC8中。如将理解的，在待测量的工件未知的实施方式中可以不进行该布置。在步骤104，生成程序，该程序限定供模拟探头14获得工件16的扫描测量数据的运动路线。如将理解的，在工件16能够运动以及或者相反模拟探头14能够(例如通过可动工作台15)运动的实施方式中，则所述程序也能够限定工件16的运动路线。换言之，步骤104包括规划模拟探头14和工件16之间的相对运动路线，从而使得模拟探头14能够收集关于工件16的扫描测量数据。在所描述的实施方式中，所述运动路线被配置成使得模拟探头和工件将横跨彼此来回地多次横向移动(traverse)，如将从下面参照图4至图6所进行的描述中可以更清楚地看到的。在步骤106，通过API26将程序加载到NC18中。在步骤108，NC18解释程序的指令，并且生成马达控制信号，所述马达控制信号用于指示机床4的马达(没有示出)，从而根据由所述程序限定的所述横向移动中的一个横向移动而使模拟探头14运动。同时，记录测量数据，该测量数据包括多个过程。具体地说，通过NC18将主轴位置数据(x，y， z)(如上所述，该主轴位置数据由机床4上的编码器提供)传送给PC8。此外，探头偏转数据(a，b，c)(如上所述，该探头偏转数据通过模拟探头获得)通过探头发射器/接收器接口10也传送给PC8。PC8将主轴位置数据(x， y，z)和探头偏转数据(a，b，c)组合以提供限定机床几何坐标内的表面位置的一组测量值。
然后，在步骤110，PC8根据该扫描确定在刚刚完成的横向移动上从模拟探头14获得的数据是否完全位于其优选测量范围内。如果是这样的，则过程结束，因为已经获得了所有相关数据。如果不是这样的，则控制继续至步骤112，在该步骤112，此时，PC8基于对将来运动路线的获知以及还有在刚刚执行的横向移动(和/或其他之前的横向移动)上收集的测量数据确定模拟探头14是否可能超过其最大优选偏转。如果是这样的，则在步骤114， PC8操纵NC18中的程序和/或由加载在NC18中的程序参考的变量，从而确保这不不会发生在将来的横向移动上。如将理解的，可能是下一个横向移动被修改，或者一些其他将来的横向移动或甚至多个将来的横向移动被修改。
如将理解的，更新现有的运动路线可能比每次都生成整个新的运动路线更快。具体地说，如果NC18接收探头偏转数据并且自身执行步骤112和 114，则步骤112和114能够被非常快速地执行。
将参照图4至图6进一步描述本发明的实施方式。在图4中所示的第一实施方式中，示出了测量已知部件的方法。该部件是已知的，因为其标称形状、尺寸和位置都是已知的。在所描述的实施方式中，所述标称形状由实线 30表示，而从其实际形状的偏离则由点线32表示。如图所示，实际形状32 由于制造中的不精确性而从标称或预期形状偏离。具体地说，如图所示，实际形状包括位于其形状中的意外凹陷34和隆起35。预定运动路线包括沿着对象16的表面17上的同一标称测量线19(在图5(e)中更容易看出)的两个横向移动，但是其中对象的表面和触针球体24的标称中心点之间的标称偏移距离对于这两个横向移动来说是不同的，从而确保这些偏离也能够在模拟探头的优选测量范围内进行测量。触针球体24的中心点沿着运动路线的标称位置由点线40表示。
在所描述的实施方式中，第一横向移动是最远离工件16的表面17的横向移动。由于工件16的表面17中的意外凹陷，根据图3，将在步骤110中确定并非沿着横向移动的长度的所有测量值都是在模拟探头的优选测量范围内获得的。因而，将进行预定运动路线的第二横向移动。然而，如上所述，与意外凹陷34一样，在工件16的表面17中还有意外隆起35。该隆起35 在第一横向移动过程中应该已经被检测/测量到，因此根据步骤112和114，确定在对预定运动路线不进行任何修改的情况下该隆起是否将导致探头在第二横向移动上过度偏转。在这种情况下，确定将发生过度偏转，并因此进行决定而修改预定运动路线。这种对运动路线的修改的作用是，标称探头顶端中心点从其原始标称路线偏离，如图4中的虚线42所示。在所描述的实施方式中，这是通过从原始预定运动路线偏移的主轴12以及因此偏移探头头部20实现的。如将理解的，这可以通过其他方式实现。例如，如果探头 14被安装在铰接头部上，则标称顶端中心点的路线的偏移也可以通过使探头 14围绕该铰接头部的旋转轴线旋转来实现。可选地，如果工作台15是可运动的，则这可以通过使工作台运动来实现。
本发明的方法在测量未知部件(例如，未知形状、尺寸和/或位置的部件) 时也具有价值。例如，参照图5(a)至图5(e)，可以通过(参见图3)简单地生成运动路线来测量未知部件，而不是在步骤102通过加载标称对象数据(实际上对于未知部件来说没有任何标称对象数据)和在步骤104生成基于这种标称对象数据的路径，所述运动路线包括横跨对象上的同一标称测量线19多次来回地移动接触式模拟探头14的触针顶端24，但是每次都减小触针顶端的中心点和对象表面之间的标称间隔。例如，如图5(a)所示，生成预定运动路线，该预定运动路线初始被构造成使触针顶端24运动，使得触针顶端24的中心点沿着对象的表面上的公共标称测量线19在直线上多次来回地进行标称运动，且每次横向移动都减小其与所述表面之间的标称偏移，如图虚线50所示。如图所示，因为对象16的形状、尺寸和/或位置是未知的，标称顶端中心的路径的形状未必与部件的形状相同，并且还为了确保测量操作获得其所需要的所有测量数据，所以预定运动路线可以包括比实际所需的数量多得多的横向移动。
在所示的情况下，在每次横向移动结束时确定并采用对预定运动路线的更新(由点线15表示对探头的中心点沿着所述横向移动的标称位置的影响)，从而针对连续横向移动避免触针22过度偏转。对于图5(a)至(e)中所示的情况来说，步骤110至114的循环继续，直到如图5(d)所示，此时对于横向移动长度来说测量数据在测量探头的优选测量范围内，从而该方法结束，并且不再进行对象的随后预定横向移动。
在所描述的实施方式中，在每次横向移动之后都确定所述预定运动路线是否需要更新以考虑到已经从之前扫描确定的表面形状17(例如，从标称形状的意外偏离，例如，对象的表面中的隆起或凹陷)。如还将理解的，所述方法可以包括一个横向移动一个横向移动地(traverse-by-traverse)生成运动路线，而不是使预定运动路线在每次横向移动之后都更新。例如，参照图7，该方法200可以包括用户在步骤202将标称对象数据加载到PC8中，然后在步骤204生成程序，该程序限定供模拟探头至少一次横跨所述对象横向移动的运动路线。然后在步骤206将该程序加载到NC18中，并且在步骤208 执行所述至少一次横向移动。如果在步骤210确定关于工件的表面需要更多数据，则控制继续至步骤212，在该步骤212，生成一个新的程序，该新的程序限定供模拟探头沿着不同的标称测量线横跨工件的表面执行至少一个另外的横向移动的运动路线。由该新的程序限定的模拟探头的运动路线可以使用从至少一个之前的横向移动获得的表面数据来生成。该新的程序然后在步骤214加载到NC18中，并且然后在步骤208中执行。该循环继续，直到已经获得了关于对象的表面的足够数据。
图6示出了本发明的另选实施方式，其中对于不同的横向移动来说，对象的表面上的标称测量线是不同的，而不是对象的每个横向移动都沿着对象的表面上的同一个标称测量线来进行。探头顶端中心点沿着对象的表面的标称路径由点线60表示，由此可以看到，该路径包括一系列横跨工件16的表面17的横向移动。如能够看到的，在所描述的实施方式中，对于每次横向移动来说，标称测量线是基本相同的，并且彼此平行地延伸。然而，如将理解的，并不需要必然如此。与以上描述的实施方式一样，可以将用于多个横向移动的路径加载到NC中，然后可以根据之前的横向移动更新随后的横向移动。可选地，所述方法可以包括将仅仅用于第一横向移动的指令加载到 NC中，然后一旦第一横向移动已经完成则可以生成用于下一个横向移动的指令，从而可以在生成下一个横向移动的过程中考虑到来自第一横向移动的数据。
用于第一横向移动的指令可以以许多不同方式来生成。例如，如果部件是已知部件，则可以认为将要被测量的对象与期望的一样，并且可以相应地生成路径。可选地，这可以在沿着所述横向移动进行扫描之前通过获取对象沿着标称测量线的选定测量值来进行确认。可选地，特别是如果所述部件是未知的，所述方法可以包括进行调查测量操作以获得沿着第一横向移动的至少一些测量信息。例如，所述调查测量操作可以包括进行与图4或5中所描述的操作类似的操作。进一步可选地，可以在进行第一横向移动之前在沿着第一横向移动的长度的多个离散点处获得接触触发类型的测量值。作为另一个选择，可以使用点滴馈送技术(诸如以上在该申请的背景技术中描述的技术)进行第一横向移动。
因此，所述第一横向移动可以被认为是未知横向移动，并且随后的横向移动可以被认为是已知横向移动(因为它们是根据从至少一个之前的横向移动获得的测量信息生成的)。然而，该方法可以被构造成使得在随后的横向移动过程中监测探头的输出，从而如果发生意外测量(例如，如果探头越出其优选测量范围之外)，则其向回返回以进行未知横向移动(例如，使用点滴馈送技术或者诸如在图4和图5中所示的多次经过/光栅扫描技术)。
在所示的实施方式中，所述扫描路径包括来回地横跨对象的表面的多个横向移动。当然，所述横向移动可以都在同一方向上发生。此外，该扫描路径不是必须包括多个横向移动。例如，可以进行仅仅一个横向移动，该横向移动以预定间隔进行更新。此外，任何横向移动的形状都无需必然地包括大致直线。例如，横向移动的路径可以在侧向方向上蜿蜒，例如以从一边到另一个边运动的方式蜿蜒。此外，所述扫描路径无需必然地包括以来回方式移动标称探头顶端。例如，每个横向移动可以包括横跨对象的表面以卷绕(例如螺旋方式)移动标称探头顶端中心。因而，尽管上述实施方式示出了标称测量线被限制在仅覆盖对象表面上的直线的平面内，但是无需必然是这种情况，每个横向移动可以覆盖对象表面的较宽范围。
在以上描述的实施方式中，可以以高速进行横向移动(例如，工件感测部件, 例如，触针顶端24)和对象相对于彼此以至少16mm/s，优选以至少 25mm/s，更优选以至少50mm/s，特别优选以至少100mm/s，例如以至少 250mm/s的速度行进)，因为探头14是否在其优选测量范围以下获得数据并不重要，还因为基于较早的横向移动对随后横向移动进行更新使得过程确保探头14和对象16不会进入不利的位置关系(例如，将致使探头的触针过度偏转)。

Claims (21)

1.一种使用安装在机床设备上的模拟测量探头建立用于对象的表面的测量数据组的方法，所述方法通过多个偏移的横向移动来获得所述表面的扫描测量数据，其中随后的横向移动从之前的横向移动偏移，使得通过一系列横向移动，所述模拟探头的表面检测区域i)侧向地横跨所述对象或者ii)远离或朝向所述对象前进，并且其中用于至少一个随后的横向移动的相对运动路线是基于在至少一个之前的横向移动过程中获得的数据生成和/或更新的。
2.根据权利要求1所述的方法，其中用于所述至少一个随后的横向移动的所述相对运动路线是通过基于在至少一个之前的横向移动过程中获得的数据来改变用于所述随后的横向移动的预定运动路线而生成和/或更新的。
3.根据权利要求1所述的方法，其中对至少一个随后的横向移动进行更新，从而避免所述对象和模拟探头之间的不利位置关系。
4.根据权利要求2所述的方法，其中对至少一个随后的横向移动进行更新，从而避免所述对象和模拟探头之间的不利位置关系。
5.根据权利要求3所述的方法，其中对至少一个随后的横向移动进行更新，以避免将导致所述模拟探头获得超过第一阈值的数据的所述对象和模拟探头之间的位置关系，从而由此避免所述不利位置关系。
6.根据权利要求4所述的方法，其中对至少一个随后的横向移动进行更新，以避免将导致所述模拟探头获得超过第一阈值的数据的所述对象和模拟探头之间的位置关系，从而由此避免所述不利位置关系。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其中所述模拟探头具有优选测量范围。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述优选测量范围由至少上边界限定，并且其中对至少一个随后的横向移动进行更新，以避免将导致所述模拟探头获得将超过其上边界的测量值的位置关系。
9.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其中对于每个横向移动，所述模拟探头基本沿着所述对象的表面上的同一标称测量线获得测量数据。
10.根据权利要求7所述的方法，其中对于每个横向移动，所述模拟探头基本沿着所述对象的表面上的同一标称测量线获得测量数据。
11.根据权利要求8所述的方法，其中对于每个横向移动，所述模拟探头基本沿着所述对象的表面上的同一标称测量线获得测量数据。
12.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中对于每个横向移动，所述模拟探头沿着所述对象的表面上的不同标称测量线获得测量数据。
13.根据权利要求7所述的方法，其中对于每个横向移动，所述模拟探头沿着所述对象的表面上的不同标称测量线获得测量数据。
14.根据权利要求12所述的方法，其中所述横向移动的标称测量线的形式基本相同。
15.根据权利要求13所述的方法，其中所述横向移动的标称测量线的形式基本相同。
16.根据权利要求14所述的方法，其中所述标称测量线基本彼此平行地延伸。
17.根据权利要求15所述的方法，其中所述标称测量线基本彼此平行地延伸。
18.根据权利要求1所述的方法，其中所述模拟探头为接触式模拟探头。
19.一种使用安装在机床设备上的模拟探头测量对象的特征的方法，所述方法包括：
将预定运动路线加载到所述机床的控制器中，所述模拟探头和所述对象能够沿着所述预定运动路线相对于彼此运动，从而收集关于所述特征的扫描测量数据；
通过使所述模拟探头和/或对象根据所述预定运动路线相对运动执行扫描操作；
其中基于在前收集的扫描测量数据在沿着所述预定运动路线的多个预定点中的至少一个点处更新所述预定运动路线。
20.一种计算机可读介质，所述计算机可读介质包括在由机床设备执行时使所述机床设备执行权利要求1至19中任一项的方法的指令。
21.一种机床设备，所述机床设备包括机床和安装在所述机床上的模拟测量探头，其中所述机床设备被构造成移动所述模拟测量探头，从而通过经过多个偏移的横向移动获得对象的表面的扫描测量数据而利用模拟测量建立所述对象的表面的测量数据组，其中随后的横向移动从之前的横向移动偏移，使得通过一系列横向移动，所述模拟探头的表面检测区域i)侧向地横跨所述对象，或者ii)远离或朝向所述对象前进，并且其中用于至少一个随后的横向移动的相对运动路线是基于在至少一个之前的横向移动过程中获得的数据生成和/或更新的。
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