CN105091832B - 使用接触检测器来测量工件的方法和计算机设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种使用接触检测器来测量工件的方法和计算机设备。利用接触检测器来测量工件。使接触检测器向着工件相对移动。多次测量随着接触检测器与工件的接触而发生改变的接触检测器的特性。根据多次测量到的特性并且使用计算机的处理器来外推接触检测器的特性将满足预定阈值时的规划时间。设置触发以在规划时间测量工件的坐标。基于所设置的触发来在规划时间测量工件的坐标。

Description

使用接触检测器来测量工件的方法和计算机设备
技术领域
本发明涉及测量传感器所用的接触检测的领域。更特别地，本发明涉及基于接触检测来识别测量传感器应何时进行工件的测量。
背景技术
当前，使用坐标测量机(CMM)来测量工件的坐标。可以使用2维或3维空间内的一组工件坐标来对工件进行建模。探测器和工件向着彼此相对移动，并且接触检测器检测探测器何时接触工件。使用接触检测器来控制测量传感器对探测器的坐标进行测量的定时，并且在探测器接触并推入或抵接工件时，接触检测器可以检测诸如探测器的挠度(deflection)等的接触特性。探测器可以从多个不同角度并且在多个不同位置处对工件进行探测，由此多次获取到坐标。对于坐标的测量值之间的一致性，可以使用特性阈值，从而始终知晓何时获取坐标。例如，可以使用一维或多维的挠度的阈值量来确定何时测量坐标。
另外，在探测器进行用以探测工件的一次探测动作时，可以以诸如每秒1000或2000次等快速地测量接触检测特性。最终，对于针对工件的一个点的一次探测动作，可能仅期望诸如在探测器的接触挠度特性处于或最接近预定阈值量的情况下的一个坐标测量值。通过知晓在发生相同的阈值量时探测器的准确坐标，可以精确地确定工件的形状并进行建模。
发明内容
根据本发明的一方面，一种用于使用接触检测器来测量工件的方法，包括以下步骤：使所述接触检测器向着工件相对移动；多次测量随着所述接触检测器与所述工件的接触而发生改变的所述接触检测器的特性；根据多次测量到的特性并且使用计算机的处理器来外推所述接触检测器的特性将满足预定阈值时的规划时间；设置用以在所述规划时间测量所述工件的坐标的触发；以及基于所设置的触发，在所述规划时间触发对所述工件的坐标的测量。
根据本发明的另一方面，一种计算机设备，用于使用接触检测器来测量工件，所述计算机设备包括：存储器，用于存储指令；以及处理器，用于执行所述指令，其中，所述指令在由所述处理器执行的情况下，使所述处理器进行包括以下步骤的操作：使所述接触检测器向着工件相对移动；多次测量随着所述接触检测器与所述工件的接触而发生改变的所述接触检测器的特性；根据多次测量到的特性并且使用所述处理器来外推所述接触检测器的特性将满足预定阈值时的规划时间；设置用以在所述规划时间测量所述工件的坐标的触发；以及基于所设置的触发，在所述规划时间触发对所述工件的坐标的测量。
根据本发明的又一方面，一种存储有计算机程序的有形计算机可读存储介质，所述计算机程序用于使用接触检测器来测量工件，所述计算机程序在由处理器执行的情况下，使计算机设备进行包括以下步骤的处理：使所述接触检测器向着工件相对移动；多次测量随着所述接触检测器与所述工件的接触而发生改变的所述接触检测器的特性；根据多次测量到的特性并且使用所述处理器来外推所述接触检测器的特性将满足预定阈值时的规划时间；设置用以在所述规划时间测量所述工件的坐标的触发；以及基于所设置的触发，在所述规划时间触发对所述工件的坐标的测量，其中，在使用所述接触检测器测量所述工件之前，计算矩阵，多次测量到的特性的数据在进行所述特性的测量时被缓存，并且根据针对外推所述规划时间所用的规划方程的回归来对该数据进行拟合，以及在使用所述接触检测器测量所述工件的情况下，使用所述矩阵作为所述规划方程中的时间分量。
附图说明
图1示出根据本发明的一方面的包括针对测量传感器所用的高速接触检测器的指令集的示例性通用计算机系统；
图2示出根据本发明的一方面的测量传感器所用的高速接触检测器的处理；
图3示出根据本发明的一方面的测量传感器所用的高速接触检测器的另一处理；
图4A示出根据本发明的一方面的使用测量传感器所用的高速接触检测器的挠度-时间的标绘图；
图4B示出根据本发明的一方面的使用测量传感器所用的高速接触检测器的挠度-时间的另一标绘图；
图5示出根据本发明的一方面的预测方差(Prediction Variance)-样本数(Number of Samples)的标绘图，其中该标绘图用于识别在拟合探测器特性测量数据点时所使用的期望的最少数量的探测器特性测量数据点，从而设置用以测量坐标的触发；以及
图6示出根据本发明的一方面的测量传感器所用的高速接触检测器所使用的探测器的可测量的接触挠度特性。
具体实施方式
因此，有鉴于以上所述，本发明通过其各种方面中的一个或多个、实施例以及/或者特定特征或子组件而意图产生如以下具体所述的优点中的一个或多个优点。
这里所述的方法是例示性示例，并且如此并不意图要求或意味着按所呈现的顺序进行任何实施例的任何特定处理。诸如“之后”、“然后”、“接着”等的词语并不意图限制处理的顺序，并且作为代替，这些词语用于引导读者贯通针对方法的说明。此外，以例如使用冠词“a”、“an”或“the”的单数形式对要求保护的元件的任何指代不应被构造成将该元件限制为单数形式。
图1是示出并指定为100的可以实现测量传感器所用的高速接触检测器的方法的通用计算机系统的例示性实施例。计算机系统100可以包括能够执行以使计算机系统100进行这里所公开的方法或基于计算机的功能中的任一个或多个的指令集。计算机系统100可以作为单机装置进行工作，或者可以例如使用网络连接至其它计算机系统或外围装置。
计算机系统100还可被实现为或内置于各种装置，诸如固定计算机、移动计算机、个人计算机(PC)、笔记本计算机、平板计算机、无线智能电话、个人数字助理(PDA)、控制系统、或者能够执行指定该机器要进行的动作的指令集(顺序等)的任何其它机器等。计算机系统100可被实现为或内置于相应地处于包括附加装置的集成系统中的特定装置。在特定实施例中，可以使用提供语音、视频或数据通信的电子装置来实现计算机系统100。此外，尽管例示出一个计算机系统100，但术语“系统”还应被视为包括用于单独或联合地执行用以进行一个或多个计算机功能的一个或多个指令集的系统或子系统的任何集合。
如图1所示，计算机系统100包括处理器110。计算机系统100的处理器是有形的和非瞬态的。如这里所使用的，术语“非瞬态”不应被解释为状态的永恒特性，而应被解释为将会持续一段时间的状态的特性。术语“非瞬态”具体排除了诸如特定载波或信号或者仅在任何时间任何场合瞬态存在的其它形式的特性等的短暂特性。处理器是制品和/或机器组件。计算机系统100的处理器被配置为执行软件指令从而进行如这里的各种实施例所述的功能。计算机系统100的处理器可以是通用处理器或者可以是专用集成电路(ASIC)的一部分。计算机系统100的处理器也可以是微处理器、微计算机、处理器芯片、控制器、微控制器、数字信号处理器(DSP)、状态机或可编程逻辑装置。计算机系统100的处理器还可以是包括诸如现场可编程门阵列(FPGA)等的可编程门阵列(PGA)的逻辑电路、或者包括离散门和/或晶体管逻辑的其它类型的电路。计算机系统100的处理器可以是中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)或这两者。另外，这里所述的任何处理器可以包括多个处理器、并行处理器或这两者。多个处理器可以包括于或连接至一个装置或多个装置。
此外，计算机系统100包括可以经由总线108彼此进行通信的主存储器120和静态存储器130。这里所述的存储器是可以存储数据和可执行指令的有形存储介质，并且在指令存储在内部期间是非瞬态的。如这里所使用的，术语“非瞬态”不应被解释为状态的永恒特性，而应被解释为将会持续一段时间的状态的特性。术语“非瞬态”具体排除了诸如特定载波或信号或者仅在任何时间任何场合瞬态存在的其它形式的特性等的短暂特性。这里所述的存储器是制品和/或机器组件。这里所述的存储器是计算机可以读取数据和可执行指令的计算机可读介质。如这里所述的存储器可以是随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、闪速存储器、电可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、寄存器、硬盘、可移除盘、磁带、致密盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能盘(DVD)、软盘、蓝光盘或现有技术已知的任何其它形式的存储介质。存储器可以是易失性的或非易失性的、安全的和/或加密的、不安全的和/或未加密的。
如图所示，计算机系统100还可以包括诸如液晶显示器(LCD)、有机发光二极管(OLED)、平板显示器、固态显示器或阴极射线管(CRT)等的视频显示单元150。另外，计算机系统100可以包括：诸如键盘/虚拟键盘或触摸敏感式输入屏或利用语音识别的语音输入等的输入装置160；以及诸如鼠标或触摸敏感式输入屏或垫等的光标控制装置170。计算机系统100还可以包括盘驱动单元180、诸如扬声器或远程控制件等的信号生成装置190、以及接口装置140。
在特定实施例中，如图1所示，盘驱动单元180可以包括能够嵌入例如软件的一个或多个指令集184的计算机可读介质182。可以从计算机可读介质182读取指令集184。此外，指令184在由处理器执行的情况下，可用于进行如这里所述的方法和处理中的一个或多个。在特定实施例中，指令184在由计算机系统100执行期间，可以完全地或至少部分地驻留在主存储器120、静态存储器130和/或处理器110内。
在替代实施例中，诸如专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑阵列和其它硬件组件等的专用硬件实现可被构造成实现这里所述的方法中的一个或多个。这里所述的一个或多个实施例可以使用两个或多个特定的互连硬件模块或装置利用可在这些模块之间并经由这些模块进行通信的相关控制和数据信号来实现功能。因此，本发明包括软件、固件和硬件的实现。本申请不应被解释为仅利用软件而非利用诸如有形非瞬态处理器和/或存储器等的硬件来实现或可实现。
根据本发明的各种实施例，可以使用执行软件程序的硬件计算机系统来实现这里所述的方法。此外，在典型的非限制性实施例中，实现可以包括分布式处理、组件/对象分布式处理和并行处理。虚拟计算机系统处理可被构造成实现如这里所述的方法或功能中的一个或多个，并且这里所述的处理器可用于支持虚拟处理环境。
本发明考虑了包括指令184或者响应于所传播的信号来接收并执行指令184的计算机可读介质182。
如这里所述，使用测量传感器所用的高速接触检测器的控制单元来控制针对坐标测量机(CMM)上的触觉探测系统的坐标测量。这些坐标测量是根据通过接触检测所确定出的定时而进行的，而接触检测是基于针对接触检测器的接触检测特性的测量。接触检测测量是测量随着探测器接触工件而变化的接触检测特性。接触检测特性包括随着探测器接触工件而在一维或多维发生的该探测器的挠度。挠度可以指的是：示出通过利用探测器接触而正向工件加压的程度的角度或距离。
在实施例中，控制单元使得能够使用坐标测量机上的三维(3D)触觉探测系统。该3D触觉探测系统可以产生诸如探测器前端在一维或多维中的位移等的反映与工件的相对接触的探测器的特性。例如，该3D触觉探测系统可以产生能够使用3×3矩阵乘法(变换矩阵)转换成3D前端位移(X,Y,Z)的三个模拟信号。特别地，从信号A、B、C向位移X、Y、Z的这种3×3变换可以由一个或多个探测器使用而不可以由其它探测器使用。3D触觉探测系统可以具有诸如(接近)各向同性刚度和灵敏度等的特性，由此可以可靠地信任这些特性以适当地反映探测系统所测量到的实际坐标。另外，3D触觉探测系统使得能够使用包括子mN力的低探测力以纳米级的重复性在三个维度上进行高精度触觉测量。探测器前端的直径可以小至50微米。红宝石前端的直径可以为120微米。如这里所述，进行坐标测量的定时是基于探测器特性何时满足阈值，从而产生触发以进行坐标测量。
这里针对三维触觉探测系统所述的控制单元将进行至少两个功能。首先，控制单元将根据探测器信号产生诸如X、Y、Z探测器前端挠度值等的接触特性测量值。其次，控制单元将使用这里所述的处理来生成细化得准确的触摸触发信号。这里针对测量传感器所用的高速接触检测器的说明主要关注生成触摸触发信号的定时。
在坐标测量机进行单点测量的情况下，该坐标测量机通常使探测器向着工件、使工件向着探测器或者使这两者向着彼此恒速沿直线移动。为了这里的说明书中的一致性的目的，移动指的主要是探测器向着工件的移动。持续进行探测器向着工件的相对移动，直到坐标测量机从探测器控制器接收到触发信号为止。工件也可以向着探测器移动。在任何情况下，探测器和工件均可以以靠近彼此的方式相对移动。一旦接收到触发信号，则动作停止，获取测量点，并且探测器缩回。由于探测器恒速移动，因此3D探测器挠度也将以恒定速率增加。
在图4A的标绘图中示出探测器以恒定相对速度向着工件移动的示例。在图4A的上部的标绘图中，示出探测器的挠度随时间而线性增加，直到在生成触发信号之后维持该挠度。探测器挠度在从生成触发信号起的滞后之后停止增加。触发信号是在挠度量达到上部的标绘图中虚线所示的预定阈值触发水平的情况下生成的。为了例示目的，在图4A的上部的标绘图中还示出伪触发信号。如图所示，触发信号一旦在接触时被触发则保持“高”(接通(on))。另外，伪触发信号一旦被触发则也可能在短的持续时间内保持高。
在图4A的上部的标绘图中，伪触发信号例如可能是由于振动而引起的。如果伪触发信号被接受，则探测器将停止并且将进行坐标测量。在图4A中，探测器仅在基于挠度触发水平生成了真触发信号的情况下才停止。挠度触发水平是基于所测量到的探测器的挠度来测量的，并且用于用信号向坐标测量机通知停止探测器移动并进行坐标测量。
图4A的下部示出使用测量传感器所用的高速接触检测器的挠度-时间的标绘图。在该标绘图中，设置触发时间而非触发水平，并且使用探测器特性的早期测量值来设置触发时间。可以对探测器特性的早期测量值进行拟合，并且可以根据该拟合来推导标绘图上的触发时间。该触发时间还可以考虑预期始终发生的任何恒定的信号延迟或处理延迟，以使得在基于根据早期探测器特性的拟合进行预期的情况下，适当地安排所触发的坐标测量的时间。
因而，通过使用实时的探测器特性测量来确定何时生成触发，可以消除伪信号，可以消除恒定的信号滞后和处理滞后，并且可以在适当的定时进行坐标测量。在图4A的下部示出该情况，其中探测器挠度增加，直到触发信号使探测器停止为止。在使用触发信号基于探测器特性的先前测量值使探测器停止的情况下，进行坐标测量。
除用于表示触发的第一信号外，在一些应用中，还使用第二信号来表示暂停。在图4B中示出暂停信号的使用。在图4B中，通过暂停触发来生成与触发信号相似但处于更高(电压)水平的暂停信号。通过以期望的确认触发的方式确认在挠度所用的信号(电压)持续上升的情况下的早期的触发信号，使用该暂停信号来避免伪触发信号。在图4B的上部所示的结构中，在生成触发的情况下，记录了探测器挠度的坐标轴位置，但探测器的动作继续。仅在触发了暂停信号的情况下，探测器才停止并将使用所记录的坐标轴位置作为坐标的测量点。在生成触发而非暂停信号的情况下，该触发被视为伪触发并且所记录的轴位置被丢弃。换言之，暂停信号用作是否适当获取到了早期记录的坐标测量的轴位置的确认，并且在后续不存在适当的暂停信号的情况下，消除伪触发。
图4B的下部示出使用测量传感器所用的高速接触检测器的挠度-时间的标绘图。在该标绘图中，再次设置触发时间而非触发水平和暂停水平，并且使用探测器特性的早期测量值来设置触发时间。可以对探测器特性的早期测量值进行拟合，并且可以根据该拟合推导出标绘图上的触发时间。再次地，该触发时间还可以考虑预期始终发生的任何恒定的信号延迟或处理延迟，以使得在基于根据早期探测器特性的拟合进行预期的情况下，适当地安排所触发的坐标测量的时间。在图4B的下部中完全避免了暂停信号。因而，除消除滞后外，还消除了等待确定的暂停所花费的时间。因此，探测器移动，捕获探测器特性，并且基于探测器的同一移动中捕获到的早期捕获的探测器特性的拟合来识别触发时间。
因而，通过使用实时的探测器特性测量来确定何时生成触发，可以消除伪信号，可以消除恒定的信号滞后和处理滞后，可以使暂停信号变得不必要，并且可以以准确的定时进行坐标测量。在图4B的下部示出该情况，其中探测器挠度增加，直到触发信号使探测器停止为止。在使用触发信号基于探测器特性的先前测量值使探测器停止的情况下，进行坐标测量。
另外，用以表示暂停的第二信号可以由高速接触检测器所使用。在由高速接触检测器使用的情况下，暂停信号可以具有与传统的接触检测器相同的功能。此外，还可以使用如这里所述的用于预测接触的算法(包括拟合和外推这两者)来预测或设置暂停水平检测。
在诸如检测到探测器和工件之间的接触(接触动作)以及探测器和工件之间的不接触(分离动作)这两者等的情况下，所触发的坐标的测量还可以进行两次。因而，在用以测量一个点的坐标的各探测操作期间，可以生成都处于相同的触发水平的两个触发，并且这种处理使用探测器特性在相同动作期间的相同定时反馈。也就是说，一旦探测器开始从工件缩回，就可以获取诸如挠度等的探测器特性，并且可以使用这些探测器特性来确定应何时获取坐标。
可选地，可以使用第二触发水平来设置分离动作的坐标测量时间，并且对于探测器缩回，可以使用低得多的触发值。在探测器正处于缩回的情况下，可以使用探测器特性来生成拟合，其中根据该拟合，可以对低至(几乎为)零的触发水平进行外推。也就是说，如这里所述，可以使用利用来自相同动作的现有特性测量值的处理来对低至零的触发水平进行外推，即根据该触发水平，可以针对探测力(几乎)为零并且探测器与工件几乎完全分离的情况设置触发时间。
以这里所述的方式获取并拟合来自根据相同的一个点探测器动作所测量到的挠度特性的数据。针对该数据识别线性或高阶拟合。假定探测器和坐标测量机在接触瞬间和探测器减速的时刻之间的时间段内具有恒速的相对动作，则可以利用线性函数即y＝m·t+b来描述根据探测器特性的接触检测，其中：m是斜率，t是时间并且b是拟合的偏移。可以使用相同的方法来生成高阶拟合，尽管这种拟合的生成更为复杂。还可以针对不同的接近方向生成不同(阶次)的拟合，诸如沿X方向的线性拟合和沿Y方向的二阶拟合等。此外，可以针对不同的坐标测量机生成不同阶次的拟合，以使得用于生成拟合的指令可以针对不同的型号和不同的环境而改变。操作员可以针对不同的坐标测量机和不同的探测器、工件以及通常针对不同的环境输入要生成的拟合的阶次。在拟合可被视为用以提高信号可靠性的滤波的意义上，拟合还可以与用以提高信号可靠性的其它滤波一起使用。可以实现多个拟合，其中基于所测量到或所估计出的探测器速度来动态地识别最合适的拟合。
为了本说明书的目的，将使用线性(一阶)拟合，但显而易见，高阶拟合或方向依赖拟合也是可以的。可以通过使用所测量到的探测器挠度值进行线性回归来获得描述该拟合的方程的函数参数。所计算出的函数参数表示最小二乘估计，这意味着对探测器挠度的平方误差进行求和以计算函数参数。理论上，少至两个数据点就足以解决回归并生成描述拟合的方程的函数参数。然而，更多的数据点使得可以衰减存在于信号中的如测量噪声那样的干扰。可以在控制器上实现拟合过程，其中大部分计算是预先进行的或从外部进行的，并且仅实时地本地评价线性多项式。
图2示出根据本发明的一方面的测量传感器所用的高速接触检测器的处理。如图2所示，在S205中针对探测器特性来设置触发值。探测器特性可以是一维或多维的挠度，或者可以是利用接触检测器能够始终且准确地测量到的不同的探测器特性。在S210中，使探测器向着工件移动。在S215中，测量探测器特性，并且在S220中，对探测器特性的数据进行缓存。生成根据探测器移动所测量到的一系列探测器特性，从而生成描述拟合的方程。如果尚不存在用以创建期望拟合的探测器特性的足够测量值(S225＝“否”)，则随着探测器继续移动，处理返回至S215，并且在S215中再次测量探测器特性且在S220中对数据进行缓存。当然，即使在存在用以创建期望拟合的足够测量值的情况下，也可以继续测量探测器特性，从而例如创建更新后的拟合或验证为了描述拟合所生成的第一个方程。
如果创建了探测器特性的足够测量值(S225＝“是”)，则在S230中，基于所缓存的探测器特性的数据来创建线性或高阶拟合。然后，在S235中，将拟合方程的外推应用到触发值，并且在S240中计算直至达到触发值为止的预期时间或迭代次数。换句话说，拟合处理创建了与特性(在该示例中为挠度)-时间的标绘图上的线或曲线相对应的方程。使用为了描述拟合所生成的方程，计算/规划直到将达到阈值特性为止的时间。然后，在S245中针对预期时间生成触发。然后，在S250中，在所预期/计算/规划的时间处测量作为坐标测量机的实际目标的坐标。在S255中，停止探测器向着工件的相对移动，并且重新开始图2的处理以测量工件上的其它坐标点。图2的重新开始的处理是用以使探测器从另一角度和/或方向向着工件接近的移动，从而识别工件形状的其它坐标。在另一类似实施例中，可以使用具有诸如图2所示的步骤等的步骤的处理来进行分离动作，以识别何时满足阈值以确认出探测器与工件分离。
在图2所示的处理中，如果仅按间隔(即，时间间距)收集所选择的数据点，则该处理中的算法还可以计算预期点数，直到应给出触发为止。在探测器特性的数据的这种间隔收集中，针对每次时间迭代或例如空间移动，没有自动收集数据点。在这种情况下，即使由于间隔间距要求而不进行特性的测量，也可以利用控制器针对任何时间迭代或空间移动来生成触发。换句话说，该算法可以计算预期时间量或迭代(步骤)次数、直到应设置触发为止，然后甚至在间隔隔开处理中并非作为应进行特性测量的相应时刻其中之一的时刻也触发坐标测量。也就是说，可以对控制器进行编程，以在间隔定时中可以排定数据点的下一预计时间之前创建触发。在该触发时，如图2的S255那样，获取探测器的坐标。控制器等待所计算出的步骤(迭代)次数并且生成触发。
另外，可以在探测器向着工件移动的途中并且在探测器从工件移开的途中使用控制系统所用的触发算法。也可以在接近和离开的这两种情况下使用控制系统所用的触发算法。如前面所述，基于根据针对探测器的缩回动作中的探测器特性的拟合所获得的外推定时，可以对触发进行设置，以在接触几乎为零正要离开时进行坐标测量。
因此，测量传感器所用的高速接触检测器针对用于测量探测器坐标的触摸触发信号实现了高度精确的结果。触摸触发信号是以高度可重复的方式以恒定挠度生成的，并且在工件的不同测量中针对探测器提供恒定的结果。通过基于相同移动中的先前测量值而并非基于为了满足阈值而实时地测量到并且确定出的特性的水平来设置时间或相应迭代次数，减少了伪触发的数量。测量传感器所用的高速接触检测器使实际(物理)探测器触发挠度和利用控制器的触摸触发信号的生成之间的任何延迟最小化，并且可以补偿恒定的信号或处理延迟。此外，可以通过不接受、或者忽略、丢弃或不使用由于针对触发所设置的时间或相应迭代次数之前的诸如振动等的噪声影响而从物理上产生的伪触发，来避免伪触发。
图6示出作为探测器特性可测量的并且以这里所述的方式所使用的类型的一系列渐进式挠度的一部分。左侧示出三角形探测器和垂直工件之间的相对接近，其中随着三角形探测器压抵工件，该探测器的角度增大。在所示的渐进的右侧，示出三角形探测器逐渐进入垂直工件。可以使用反映了探测器和工件之间的相对渐进接触的这些或其它挠度特性作为这里所述的探测器特性。
可以从针对相同工件的相同高速处理和探测器移动中的测量值来获取特性的先前测量值。因此，以这里所述的方式所设置的触发可以反映测量中的工件的特定参数和特性、测量所使用的高速接触检测器、处理装置、操作员所设置的拟合的顺序、以及设置触发的直接环境所特有的其它详情。
还可以通过使用固定的一个或多个时间窗来使延迟最小化，从而使得能够预先计算拟合的时间分量，并且在高速接触检测器正在工作时，帮助避免要求对该时间分量进行实时的本地处理。这将极大减少实时地施加于本地控制器的计算量和负荷，这将相应地得到更快的算法，从而可以特别用于诸如FPGA等的并行实时计算处理。另外，如这里所述，可以在无需明确计算逆矩阵的情况下，通过减少计算次数并缩短样本延迟，来实施该算法。
使用时间间距来测量特性可以帮助减少计算要求。时间间距是指收集数据点的方式，并且使得能够进行在可以获取样本的处理中针对各次或各次迭代没有获取样本的间隔采样。无时间间距的算法将单纯地收集所有可用的测量点，并且使用这些点来进行进一步的数据处理。利用时间间距的算法将按间隔获取数据点，例如，每次记录第10个可用的测量点。对于测量传感器所用的高速接触检测器所使用的算法，可以存在若干数据收集选项，其包括：
●1)使用所有点；
●2)使用按恒定间隔所选择的点的时间间距，从而允许例如使用滤波器来获取关注点周围的点的平均值的可能性；
●3)使用按不同间隔所选择的点的时间间距，从而允许获取关注点周围的点的平均值的可能性以及使用移位缓冲器始终包括最后测量点的可能性。
以下将说明使用所有数据点的算法的简化版本。之后，在时间间距使得可以在不会增大测量到的特性的数据的缓冲大小的情况下(因而在不会增加在线实时本地计算的情况下)使用较大的时间窗来进行噪声滤除时，说明了使用数据点之间的时间间距的算法。
A.利用固定时间间距的拟合
在利用固定时间间距的拟合中，算法使线性函数拟合至所测量到的挠度值(dmeas)。结果，描述探测器挠度的函数如此变为以下：
其中，θ0＝截距项(该拟合与y轴交叉的值)，以及
θ1＝拟合的斜率。
为了简化进一步的计算，将拟合参数矢量定义为如下：.
可以通过进行普通的最小二乘回归来解析地求出两个拟合参数的数值，使得如下：
其中：
并且
在上述表达式(5)中，ti表示获取到3D探测器挠度的测量值dmeas(ti)的时间点i。
传统上，为了求出拟合参数，将需要评价每次重新计算拟合参数所用的方程，并且这些计算将包括若干矩阵乘法并且取矩阵的逆，这在计算上通常开销很大。由于(例如针对探测器的用以获得探测器坐标的每次移动)相对频繁地更新诸如这里所述等的高速处理中的拟合，因此存在减少在线计算而不会对坐标测量机所使用的本地装置造成过重负担的益处。这可以通过在具有表示当前时间点的t＝0的移动时间窗中获取测量值来进行。此外，可以通过以样本而非秒(即，迭代-特定时间)为单位表示时间值来提高计算的数值精度。该处理不依赖于固定样本频率。
可以针对应用于方程(5)的以上所述的移动时间窗来获得恒定的X矩阵：
其中，n是用于确定拟合参数的数据点的数量。由于X现在是常数，因此可以预先计算出方程(4)的左部，使得通过以下给出拟合参数的矢量：
其中，以下矩阵是仅依赖于数据点的数量n的常数2×n矩阵：
Mfit＝(XTx)-1XT (8)
由于上述方程中的X是固定的并且仅依赖于拟合所使用的数据点的数量(n)这一事实，因此M矩阵可以是预先确定的而不是由坐标测量机实时地或本地确定的。本质上，可以将在线计算缩减为针对如下形式的两个线性多项式的评价：
00＝Mfit(1，1)·y(t0)+Mfit(1，2)·y(t-1)+…+Mfit(1，n)·y(t-(n-1))
θ1＝Mfit(2，1)·y(t0)+Mfit(2，2)·y(t-1)+…+Mfit(2，n)·y(t-(n-1))
其中，Mfit(1,j)和Mfit(2,j)表示拟合矩阵Mfit的列j的元素。因而，用于计算描述针对测量特性的拟合的方程的处理适合进行利用FPGA的并行硬件乘法器和加法器的评价。
对于Mfit的元素的推导，首先按照如下计算来自方程(8)的矩阵求逆：
2×2矩阵的逆矩阵是通过以下给出的：
由此，通过以下给出XTX矩阵的行列式：
同时通过以下给出伴随矩阵：
使用这些结果，可以如下简化M的表达式：
其中：
并且
因而：
在继续描述没有将各个数据点添加至缓冲器的拟合之前，针对图3来说明用于生成直到达到阈值为止的时间的整个处理。在图3中，在S305中，可以预先计算点被按照固定值间隔开的拟合矩阵Mfit中的列j的表示，并且将这些表示设置为拟合处理的时间分量。另外，在S325中预先计算触发水平Strigger。在S310中，针对一个或多个特定时间或迭代来测量探测器挠度特性，并且在S315中对由此得到的数据进行缓存。在S320中，根据所缓存的数据和矩阵(M)来生成拟合矢量θ。在S330中使用拟合矢量θ和触发水平Strigger来计算直到达到该触发水平为止的点数ρ。在S335中获得触发延迟补偿并且在S340中应用该触发延迟补偿，以对生成触发时的恒定的信号或处理延迟进行补偿，然后在S345中针对作为所计算出的测量点数+触发延迟补偿的时间的ρ*生成触发。在S350中，触发坐标的测量。尽管没有示出，但可以在每当在S310中获得新的探测器挠度测量值时重复该处理，由此计算新的触发时间。
如这里所述，使用S310中所获得的并且在S315中缓存的挠度值来获得在这里所述的处理中将测量坐标的触发时间。在了解到还可以将与探测器和工件之间的渐进式接触一致地改变的其它相似特性描述为探测器特性的情况下，在本说明书中将挠度值从广义上描述为探测器特性。
B.利用参数时间间距的拟合
在描述以上利用固定时间间距的拟合时，假定在每个实际采样时刻均将数据点添加至测量缓冲器。因此，实际可以使用的时间窗的长度受到目标硬件的性能的限制。限制性的硬件因素包括诸如针对各样本等可以进行的相乘次数等的存储器大小和处理能力。然而，如前面所述，可以通过每次仅将第n个数据点添加至缓冲器而在无需增加存储器要求的情况下增加测量窗的时间长度。这具有现在将说明的拟合参数的计算的含义。
首先，现在将以样本为单位表示的时间间距(s)视为算法的参数。如果s＝1，则如上所述矩阵X和矢量相同。然而，针对s的更高值，这两者变为如下：
并且
接着，由此得到的Mfit可以以与针对前一部分的固定时间间距的方法类似的方式来推导。
利用这些方程，推导拟合矩阵Mfit中的列j的表示，并且这些表示可以用于前面所述的相同线性多项式，从而(除当前在使用参数时间间距时不包括每个数据点的时间窗以外)获得斜率和偏移的线性参数。
在确定了拟合参数之后，可以对拟合进行外推以预测在下一样本期间是否将与触发阈值水平交叉。这有助于确保在特性测量的下一时刻或迭代超过最佳坐标测量点的时间的情况下不会错过最佳坐标测量点。截距项θ0表示当前滤波后的探测器挠度，而斜率项θ1给出针对各样本的拟合的挠度的变化。结果，通过以下来获得时间点tnp(即，当前时刻之后的np)的挠度值的预测结果(dpred)。
在控制单元具有10个样本的输入-输出延迟的示例中，使用至少10个样本的预测范围。因此，触发生成的规则变为如下。
如果θ0+10·θ1≥触发水平，则触发＝1 (19)
这表明：在(当前挠度+针对各样本的预期挠度变化乘以10个样本延迟)将大于触发水平的情况下，在下一采样时间或迭代之前要生成触发。
这里所述的处理中所考虑的另一因素是为了将噪声衰减至合理准确的预测结果而使用的测量点数。可以通过调查最小均方差拟合对预测方差的影响来计算窗口数。如果假定测量信号示出被以N(0,σ2)为特征的正态分布白噪声所污染的实际探测器挠度，则通过以下给出由此得到的LMS拟合的方差：
其中，
通过以上方程，可以得出如下结论：在n增大的情况下，由此得到的方差减小。如此选择数据点的数量，以使得由此得到的方差低于期望的1。在图5中，示出假定噪声水平为σ2＝1.1111·10-9mm2的示例拟合的方差。水平线表示目标预测方差为6.9444·10-11mm2。从图5可以看出，需要至少74个测量到的特性点以实现期望的噪声衰减。
这里所述的控制单元可以执行软件指令。可以将T矩阵用于一个特定探测器以基于探测器信号A、B、C来计算X、Y、Z前端位移。考虑到如这里所述的偏移，根据所测量到的探测器的挠度值来获得拟合参数矢量。然后，使用拟合参数矢量来通过这里所述的处理生成触发时间。在所计算出的触发时间，获取探测器的坐标，并且使探测器停止。使用具有74个以上的数据点的图5的示例，控制单元所执行的软件指令将使接触检测器对探测器和工件之间的接触进行74次以上的测量。然后，使用接触特性测量值来创建拟合，然后该拟合将接触特性测量值满足阈值的时间规划成提前。然后，考虑到任何预期的处理或信令延迟，将满足阈值的时间设置为用于进行坐标测量的触发时间。
尽管已经参考若干典型实施例说明了测量传感器所用的高速接触检测器，但应当理解，已使用的词语是用于描述和例示的词语，而非用于进行限制的词语。在没有背离测量传感器所用的高速接触检测器的各方面的范围和精神的情况下，可以在如当前陈述和修改的权利要求书的范围内进行改变。尽管这里已参考特定部件、材料和实施例说明了测量传感器所用的高速接触检测器，但测量传感器所用的高速接触检测器并不意图局限于所公开的细节；相反，测量传感器所用的高速接触检测器扩展至诸如在所附权利要求书的范围内等的在功能上等同的所有结构、方法和用途。
根据本发明的方面，一种用于使用接触检测器来测量工件的方法，包括以下步骤：使所述接触检测器向着工件相对移动；多次测量随着所述接触检测器与所述工件的接触而发生改变的所述接触检测器的特性；根据多次测量到的特性并且使用计算机的处理器来外推所述接触检测器的特性将满足预定阈值时的规划时间；设置用以在所述规划时间测量所述工件的坐标的触发；以及基于所设置的触发，在所述规划时间触发对所述工件的坐标的测量。
根据本发明的另一方面，所述方法还包括以下步骤：基于获取到满足所述预定阈值的特性的测量值的时间，来丢弃该测量值。
根据本发明的又一方面，获取到所述特性的测量值的时间是在所述规划时间之前，并且丢弃所述特性的测量值的原因是所述特性的测量值是在所述规划时间之前获取到的。
根据本发明的还一方面，多次测量到的特性的数据在进行所述特性的测量时被缓存，并且根据针对外推所述规划时间所用的规划方程的回归来对该数据进行拟合。
根据本发明的另一方面，所述方法还包括以下步骤：基于所述规划方程来确定直到所述规划时间为止测量所述特性的预期迭代次数。
根据本发明的又一方面，所述方法还包括以下步骤：在使用所述接触检测器测量所述工件之前，预先计算矩阵；以及在使用所述接触检测器测量所述工件的情况下，使用所述矩阵作为所述规划方程中的时间分量。在这方面，接触检测器所使用的矩阵可以是在接触检测处理之前并且使用与这里所述的控制器不同的装置所预先计算的。
根据本发明的还一方面，所述方法还包括以下步骤：使用多次测量到的特性的数据作为所述规划方程中的大小分量。
根据本发明的另一方面，所述特性包括基于与所述工件的接触的所述接触检测器的挠度。
根据本发明的又一方面，所述挠度是在多个维度中测量的，多次测量到的特性在进行测量时被缓存，并且根据针对外推所述规划时间所用的规划方程的多维回归来进行拟合，以及基于所述规划方程来确定直到所述规划时间为止测量所述特性的预期迭代次数。
根据本发明的还一方面，所述挠度是随时间的经过以大致恒定的速率逐渐增加的。
根据本发明的另一方面，在多次进行所述特性的测量期间，探测器以大致恒定的速度移动。
根据本发明的又一方面，所述方法还包括以下步骤：使估计发生处理延迟的处理时间作为偏移，以使得用以在所述规划时间测量所述工件的坐标的触发是比所述规划时间提前所述处理时间的量而发起的。
根据本发明的还一方面，所述方法还包括以下步骤：在外推所述规划时间时，使用比所述特性的所有可用测量值少的测量值。
根据本发明的另一方面，所述方法还包括以下步骤：在不基于所述规划时间之前发生的用以测量所述工件的坐标的触发而进行所述工件的坐标的测量的情况下，丢弃该触发。
根据本发明的又一方面，在多次测量所述接触检测器的特性时，使所述接触检测器以预定的恒定速度向着所述工件相对移动。
根据本发明的还一方面，所述方法还包括以下步骤：在基于所设置的触发在所述规划时间测量所述工件的坐标之后，使所述接触检测器缩回。
根据本发明的另一方面，所述方法还包括以下步骤：基于所设置的触发在所述规划时间识别所述接触检测器的坐标位置。
根据本发明的又一方面，使用针对所述接触检测器向着同一工件相对移动时所述接触检测器的不同测量值而动态改变的、根据针对外推所述规划时间所用的规划方程的回归而进行的拟合，来外推所述规划时间。
根据本发明的一方面，一种计算机设备，用于使用接触检测器来测量工件，所述计算机设备包括：存储器，用于存储指令；以及处理器，用于执行所述指令，其中，所述指令在由所述处理器执行的情况下，使所述处理器进行包括以下步骤的操作：使所述接触检测器向着工件相对移动；多次测量随着所述接触检测器与所述工件的接触而发生改变的所述接触检测器的特性；根据多次测量到的特性并且使用所述处理器来外推所述接触检测器的特性将满足预定阈值时的规划时间；设置用以在所述规划时间测量所述工件的坐标的触发；以及基于所设置的触发，在所述规划时间触发对所述工件的坐标的测量。
根据本发明的一方面，一种存储有计算机程序的有形计算机可读存储介质，所述计算机程序用于使用接触检测器来测量工件，所述计算机程序在由处理器执行的情况下，使计算机设备进行包括以下步骤的处理：使所述接触检测器向着工件相对移动；多次测量随着所述接触检测器与所述工件的接触而发生改变的所述接触检测器的特性；根据多次测量到的特性并且使用所述处理器来外推所述接触检测器的特性将满足预定阈值时的规划时间；设置用以在所述规划时间测量所述工件的坐标的触发；以及基于所设置的触发，在所述规划时间触发对所述工件的坐标的测量。
尽管计算机可读介质被示出为一个介质，但术语“计算机可读介质”包括诸如集中式或分布式数据库以及/或者存储一个或多个指令集的相关联高速缓冲存储器和服务器等的一个介质或多个介质。术语“计算机可读介质”还应包括能够存储、编码或携带供处理器执行的指令集或者使计算机系统进行这里所公开的方法或操作中的任一个或多个的任何介质。
在特定非限制性的典型实施例中，计算机可读介质可以包括诸如存储卡等的固态存储器或者容纳一个或多个非易失性只读存储器的其它封装体。此外，计算机可读介质可以是随机存取存储器或其它易失性可重写存储器。另外，计算机可读介质可以包括诸如用以捕获诸如经由传输介质进行通信的信号等的载波信号的盘或带或其它存储装置等的磁光或光学介质。因此，本发明被视为包括可以存储数据或指令的任何计算机可读介质或其它等同物和替代介质。
尽管本说明书描述了在特定实施例中参考特定标准和协议可以实现的组件和功能，但本发明不限于这些标准和协议。这些标准由具有实质相同功能的更高效等同物周期性地取代。因此，具有相同或相似功能的替代标准和协议被视为等同物。
这里所述的实施例的例示意图提供针对各种实施例的结构的一般理解。这些例示并不意图用作这里所述的本发明的所有元件和特征的完整说明。本领域技术人员在浏览本发明时，许多其它实施例将是显而易见的。可以根据本发明利用并推导其它实施例，以使得可以在没有背离本发明的范围的情况下进行结构和逻辑的替代和改变。另外，这些例示仅是代表性的并且可能不是按比例绘制的。例示内的某些比例可能被放大，而其它比例可能被最小化。因此，本发明和附图应被视为例示性而非限制性的。
这里，本发明的一个或多个实施例可以由术语“发明”来单独和/或整体指代，这仅是为了简便而并不意图主动将本申请的范围局限于任何特定发明或发明性概念。此外，尽管这里已经例示和说明了特定实施例，但应当理解，可以用被设计成实现相同或相似目的的任何后续结构来替代所示的特定实施例。本发明意图涵盖各种实施例的任何及所有后续修正或变化。本领域技术人员在浏览本说明书时，上述实施例以及这里没有具体说明的实施例的组合将显而易见。
本发明的摘要部分是在其将不会用于解释或限制权利要求书的范围或含义的前提下提交的。另外，在上述具体实施例方式部分中，为了简化本发明的目的，可以将各种特征分组到一起或者在一个实施例中进行说明。本发明不应被解释为反映了要求保护的实施例需要比各权利要求中明确所述的特征更多的特征这一意图。相反，如所附权利要求书所反映的，发明性主题可以涉及比任何所公开的实施例的所有特征少的特征。因而，所附权利要求书被并入具体实施方式部分，其中各项权利要求单独定义要求保护的主题。
前述针对所公开的实施例的说明是为了使得本领域任何技术人员均能够进行或利用本发明而提供的。如此，以上所公开的主题应被视为例示性而非限制性的，并且所附权利要求书意图涵盖落在本发明的真实精神和范围内的所有这些修改、增强和其它实施例。因而，在法律所允许的最大范围内，本发明的范围应由所附权利要求书及其等同物的最宽允许解释来确定，并且不应由前述详细说明来限制或局限。

Claims (19)

1.一种用于使用接触检测器来测量工件的方法，包括以下步骤：
使所述接触检测器向着工件相对移动；
多次测量随着所述接触检测器与所述工件的接触而发生改变的所述接触检测器的特性；
根据多次测量到的特性并且使用计算机的处理器来外推所述接触检测器的特性将满足预定阈值时的规划时间；
设置用以在所述规划时间测量所述工件的坐标的触发；以及
基于所设置的触发，在所述规划时间触发对所述工件的坐标的测量。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，还包括以下步骤：
基于获取到满足所述预定阈值的特性的测量值的时间，来丢弃该测量值。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，
获取到所述特性的测量值的时间是在所述规划时间之前，并且丢弃所述特性的测量值的原因是所述特性的测量值是在所述规划时间之前获取到的。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，
多次测量到的特性的数据在进行所述特性的测量时被缓存，并且根据针对外推所述规划时间所用的规划方程的回归来对该数据进行拟合。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，还包括以下步骤：
基于所述规划方程来确定直到所述规划时间为止测量所述特性的预期迭代次数。
6.根据权利要求4所述的方法，其中，还包括以下步骤：
在使用所述接触检测器测量所述工件之前，预先计算矩阵；以及
在使用所述接触检测器测量所述工件的情况下，使用所述矩阵作为所述规划方程中的时间分量。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，还包括以下步骤：
使用多次测量到的特性的数据作为所述规划方程中的大小分量。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，
所述特性包括基于与所述工件的接触的所述接触检测器的挠度。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，
所述挠度是在多个维度中测量的，
多次测量到的特性在进行测量时被缓存，并且根据针对外推所述规划时间所用的规划方程的多维回归来进行拟合，以及
基于所述规划方程来确定直到所述规划时间为止测量所述特性的预期迭代次数。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，
所述挠度是随时间的经过以大致恒定的速率逐渐增加的。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，
在多次进行所述特性的测量期间，探测器以大致恒定的速度移动。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，还包括以下步骤：
使估计发生处理延迟的处理时间作为偏移，以使得用以在所述规划时间测量所述工件的坐标的触发是比所述规划时间提前所述处理时间的量而发起的。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，还包括以下步骤：
在外推所述规划时间时，使用比所述特性的所有可用测量值少的测量值。
14.根据权利要求1所述的方法，其中，还包括以下步骤：
在不基于所述规划时间之前发生的用以测量所述工件的坐标的触发而进行所述工件的坐标的测量的情况下，丢弃该触发。
15.根据权利要求1所述的方法，其中，
在多次测量所述接触检测器的特性时，使所述接触检测器以预定的恒定速度向着所述工件相对移动。
16.根据权利要求1所述的方法，其中，还包括以下步骤：
在基于所设置的触发在所述规划时间测量所述工件的坐标之后，使所述接触检测器缩回。
17.根据权利要求1所述的方法，其中，还包括以下步骤：
基于所设置的触发在所述规划时间识别所述接触检测器的坐标位置。
18.根据权利要求1所述的方法，其中，
使用针对所述接触检测器向着同一工件相对移动时所述接触检测器的不同测量值而动态改变的、根据针对外推所述规划时间所用的规划方程的回归而进行的拟合，来外推所述规划时间。
19.一种计算机设备，用于使用接触检测器来测量工件，所述计算机设备包括：
存储器，用于存储指令；以及
处理器，用于执行所述指令，
其中，所述指令在由所述处理器执行的情况下，使所述处理器进行包括以下步骤的操作：
使所述接触检测器向着工件相对移动；
多次测量随着所述接触检测器与所述工件的接触而发生改变的所述接触检测器的特性；
根据多次测量到的特性并且使用所述处理器来外推所述接触检测器的特性将满足预定阈值时的规划时间；
设置用以在所述规划时间测量所述工件的坐标的触发；以及
基于所设置的触发，在所述规划时间触发对所述工件的坐标的测量。
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