CN105531563A - 测量方法 - Google Patents

Abstract

描述了一种利用诸如机床的坐标定位设备来测量物体的方法。该方法包括以接触触发模式操作该坐标定位设备以测量物体的表面上的一个或多个接触触发测量点(50；100；118)的位置的步骤。该坐标定位设备还被以扫描模式操作，以测量沿着物体的表面上的扫描路径的多个扫描测量点(52)的位置，该扫描模式的测量利用具有接触物体的触针(12)的扫描探头(4)来获得。然后计算出至少一个校正(Δi；V，R；Δr)，该至少一个校正描述接触触发模式的测量与扫描模式的测量之差。这样，利用接触触发测量来校正扫描测量。

Description

测量方法

本发明涉及利用包括扫描探头的坐标定位设备来测量物体，具体地，本发明涉及利用接触触发模式测量和扫描模式测量来测量物体的方法。

已知各种测量探头，这些测量探头能够与诸如机床、坐标测量机或者工业机器人之类的坐标定位设备一起使用。接触式测量探头典型地包括探头壳体、能够相对于探头壳体偏转的触针以及用于测量触针偏转的一个或多个传感器。

接触触发式探头(有时也称为数字式探头)是一种已知类型的测量探头。接触触发式探头仅起到开关的作用，并且触针从静止位置的偏转(例如，当触针尖端移动到与物体的表面接触时)导致发出触发信号。坐标测量设备测量接触触发式探针在发出触发信号的瞬间在机器坐标系中的位置(x，y，z)，由此允许(以合适的校准)测量物体的表面上的点的位置。接触触发式探针因此被重复地驱动成与物体的表面接触或脱离接触，以对物体进行逐点位置测量。

扫描探针(通常被称为模拟探针)是另一类型的测量探针。典型的模拟探针包括能够测量任何触针偏转的量值和方向的偏转式传感器。例如，模拟测量探针可以产生三个输出信号，这三个输出信号与触针尖端在三个相互正交的方向上的偏转相关。这允许例如在局部或探针(a，b，c)坐标系中连续地测量触针尖端相对于探针壳体的位置。将所测量的触针尖端位置(a，b，c)与扫描探针在机器坐标系内的已知位置(x，y，z)相结合允许在触针尖端沿着物体的表面上的路径移动或扫描时测量触针尖端的位置。这样，能够测量物体的表面上的很大数量的点。

接触触发式探针的优点在于它们能够提供高精度的接触触发模式测量，但是必须重复地使探针与正被测量的物体的表面接触或脱离接触是相对慢的过程。当扫描探针被沿着物体的表面上的路径驱动时，该探针允许收集许多扫描模式测量点，但是每个点的精度通常比利用接触触发模式测量能够实现的精度低。扫描探针尤其是当被设计成在恶劣的车床环境中提供高精度测量时的成本和复杂性还可能太高。

根据本发明的第一方面，提供了一种利用坐标定位设备来测量物体的方法，该方法包括以下按任何合适的顺序的步骤：

a)以接触触发模式操作该坐标定位设备，以测量该物体的表面上的一个或多个接触触发测量点的位置；

b)以扫描模式操作该坐标定位设备，以测量沿着该物体的表面上的扫描路径的多个扫描测量点的位置，利用具有接触物体的触针的扫描探头来获得该扫描模式的测量；以及

c)计算至少一个校正，其描述步骤(a)的接触触发模式的测量与步骤(b)的扫描模式的测量之差。

本发明因此包括利用以接触触发模式和扫描模式两种模式操作的坐标定位设备测量物体的方法。具体地，以接触触发模式使用该坐标定位设备来获得该物体的表面上的一个或多个接触触发测量点，并且还通过沿着该物体的表面上的扫描路径移动扫描探头的接触物体的触针以扫描模式使用该坐标定位设备来获得多个扫描测量点。

在接触触发模式中，该坐标定位设备使用测量探头来获得该物体的表面上的一个或多个接触触发测量点。如以上说明的，通过朝向物体的表面移动该测量探头直到获得与该物体的表面上的点的一定空间关系而获得接触触发测量点。在接触式接触触发测量探头具有可偏转触针的情况下，测量过程包括朝向表面移动测量探头直到触针和物体之间的接触造成触针的可检测的偏转为止。然后由测量探头发出触发信号以表示已与表面形成接触。在发出触发信号的瞬间测量探头在坐标定位设备内的位置允许以合适的校准来计算已由触针接触的物体的表面上的点(即，接触触发测量点)的位置。通过将触针重复地移动成与物体的表面上的不同点接触，可以获得多个这样的接触触发测量点。

在扫描模式中，坐标定位设备使用具有接触物体的触针的扫描探头来测量沿着物体的表面上的扫描路径的多个点。换言之，扫描探头的触针的尖端与物体进行接触，然后沿着物体的表面上的路径移动(例如被推动或拖动)。当穿过物体的表面上的路径时收集扫描测量点。以扫描模式测量的物体是以接触触发模式测量的相同的物体。此外，该物体优选地在进行扫描模式测量和接触触发模式测量之间不移动；例如，在获得扫描模式的测量和接触触发模式的测量时，该物体可以在坐标定位设备的相同固定物或夹紧物中保持固定。还应注意的是，接触触发模式的测量和扫描模式的测量可以以任何合适的顺序获得；例如，可以首先执行接触触发模式的测量或扫描模式的测量。

在以接触触发模式和扫描模式测量物体之后，执行步骤(c)，步骤(c)包括计算至少一个校正，其描述接触触发模式的测量和扫描模式的测量之差。该至少一个校正因此描述以接触触发模式和扫描模式进行的测量之间的任何变化。如以下所说明的，该至少一个校正可以包括误差映射或函数，其描述在逐点的基础上以接触触发模式和扫描模式进行的位置测量之差。另选地，该至少一个校正可以描述该物体在坐标定位设备的坐标系内的测量位置和/或取向之差或者从以接触触发模式和扫描模式进行的位置测量确定的物体的特征的测量几何特性(例如，物体中形成的孔的测量半径)之差。

接触触发模式的测量的位置精度通常比扫描模式的测量更大。尽管扫描模式的测量可能是较低精确度的，但是它们通常是可重复的。因此在步骤(c)中计算出的至少一个校正可以用于校正扫描模式的测量。例如，该至少一个校正可以用于校正相同物体的随后的扫描模式的测量和/或名义上与该物体相同的另外物体的扫描模式的测量。这样，扫描模式的测量的精度可以得到改善，同时保持与扫描模式操作相关联的高速度测量的优点。

有利地，步骤(b)的扫描路径被布置成名义上穿过该一个或多个接触触发测量点。这样，该物体的表面上的相同或非常靠近地定位的点可以以接触触发模式和扫描模式两种模式被测量。至少一个校正因此可以有利地描述扫描测量点和接触触发测量点之间的位置偏差。

有利地，该方法包括利用步骤(c)的至少一个校正来校正步骤(b)的测量的步骤。如以下更详细地说明的，步骤(c)可以包括将在步骤(a)期间获得的少量的精确接触触发测量点与在步骤(b)中获得的一些扫描测量点进行对比，以产生至少一个校正。然后可以将在步骤(c)中计算出的校正应用于步骤(b)的所有扫描测量点。这样，利用在步骤(c)中确定的至少一个校正，可以从步骤(b)的测量产生高密度的精确性提高的测量点。

该方法可以用于测量单个物体。有利地，该方法应用于以下物体，该物体为一系列名义上相同的物体中的第一物体。例如，该物体可以是在旨在生产一系列名义上相同的部件的生产运行中制造的一个部件。该方法然后可以包括以扫描模式操作坐标定位设备来测量该一系列物体中的一个或多个另外物体的步骤。然后可以将在步骤(c)中计算出的至少一个校正应用于该一个或多个另外物体中的每个物体的扫描模式的测量。

至少一个校正可以以任何合适的方式描述接触触发模式的测量和扫描模式的测量之差。例如，至少一个校正可以描述扫描测量点和接触触发测量点之间的一个或多个位置偏差。有利地，至少一个校正包括误差映射或函数，该误差映射或函数限定在步骤(b)中获得的扫描测量点和在步骤(a)中获得的对应的接触触发测量点的位置之差。至少一个校正因此可以用于将多个扫描测量点中的一些或全部的位置校正成与接触触发测量点相对应。

如上所述，至少一个校正可以直接地限定扫描测量点和接触触发测量点之间的位置偏差。另选地，该校正可以描述该物体的源自于接触触发测量点的特性和该物体的源自于扫描测量点的对应特性之差。

有利地，步骤(a)包括利用该一个或多个接触触发测量点来确定该物体在该坐标定位设备的坐标系中的位置和取向中的至少一个。以接触触发模式对该物体的位置和/或取向的测量可以用作在切削物体之前在机床上的设定(setup)或基准(datuming)步骤。如以上所提及的，接触触发测量的获得与扫描模式的测量相比相对较慢；例如，可能要花费20至30秒来获得足够的接触触发点以建立物体在机器坐标系内的位置和取向。

步骤(b)然后可以包括利用扫描测量点来确定物体在坐标定位设备的坐标系中的位置和取向中的至少一个。换言之，利用扫描模式的测量能找到物体的相同的位置和/或取向。尽管扫描模式的测量过程是可重复的并且比接触触发模式的测量快(例如，扫描模式的测量扫描可能花费10秒以下)，但是被扫描的测量点很可能具有较低的精度。源自于此扫描模式的测量的位置/取向信息因此很可能与接触触发模式的位置和取向信息不同(例如，与之相比较低精确度)。

步骤(c)因此可以有利地包括计算至少一个校正，该至少一个校正限定如在步骤(a)中确定的位置和取向中的至少一个与如在步骤(b)中确定的位置和取向中的至少一个之差。该至少一个校正因此可以包括向量或偏移值，其描述物体的源自于接触触发模式的测量和扫描模式的测量的位置和/或取向之差。如以上概述的，该校正(例如，向量或偏移值)可以被应用于名义上与已用于建立校正的第一物体相同的另外物体的扫描模式的测量。这允许利用更快的扫描模式的测量来建立另外物体的位置和/或取向，但是精度(在校正之后)接近能够利用接触触发模式的测量获得的精度。

本发明还能够应用于测量物体的特征的几何特性。有利地，步骤(a)包括利用一个或多个接触触发测量点(或者更优选地多个此类接触触发测量点)来确定与物体的一个或多个特征相关联的至少第一参考几何特性。该第一参考几何特性例如可以包括与单个特征相关联的几何特性(例如，柱形孔的直径或正圆度)或者描述多个特征之间的关系的几何特性(例如，诸如两个表面的两个特征的斜度、平行度或者垂直度)。步骤(b)然后可以包括利用扫描测量点来确定与物体的一个或多个特征相关联的至少第一扫描几何特性，第一扫描几何特性与第一参考几何特性相对应。

然后步骤(c)可以在步骤(a)和(b)之后，该步骤(c)包括计算至少一个校正，该至少一个校正限定第一参考几何特性与第一扫描几何特性之差。例如，这可以包括将第一扫描几何特性与对应的第一参考几何特性相对比(即，将源自于接触触发模式的测量和扫描模式的测量的相同几何特性对比)，以获得第一特性校正。还应该注意的是，该第一特性校正描述了物体的被测量的一个或多个几何特性的差异，而不是物体的表面上的单独的扫描测量点和接触触发测量点的位置的偏差。

如以上概述的，本发明的方法可以包括利用坐标定位设备来测量一系列名义上相同的物体中的一个或多个另外物体的一个或多个特征。对于每个另外物体，可以采取扫描模式的测量，其允许另外的测量几何特性被确定，每个另外的测量几何特性也对应于第一参考几何特性。该方法然后可以包括将第一特性校正应用于每个另外的测量几何特性的步骤。换言之，利用第一特性校正，对于该系列物体中的每个另外物体可以产生校正过的几何特性。特征对比和校正技术已在先由本申请人在WO2011/107729中描述，该申请的全部内容通过引用结合于此。

本发明的方法可以利用包括扫描探头和分开的接触触发探头的坐标定位设备来实施。不同的探头可以以可互换的方式附接到坐标定位设备的中套管轴(quill)或主轴(spindle)，以能够如所需要的或当需要时以接触触发模式或者扫描模式操作。另选地，坐标定位设备的扫描探头可以是能够以扫描模式和接触触发模式两种模式操作的双重模式探头。在优选实施方式中，双重模式探头产生接触触发模式输出(例如，当触针偏转时改变状态的触发信号)和分开的扫描模式输出(例如，表示触针偏转的量值并且任选地表示触针偏转的方向的一个或多个信号)。另选地，由探头获得的偏转测量可以在与探头连接的相关联的控制器或接口中被处理，以提供接触触发输出。双重模式探头可以包括用于测量触针偏转的量值(并且任选地测量触针偏转的方向)的扫描传感器。双重模式探头可以使用扫描传感器或者单独的传感器，用于在以接触触发模式操作时感测触针偏转。可以有利地使用在US7086170中描述的类型的测量探头。

扫描探头可以包括允许测量触针偏转的量值和方向的传感器。例如，三个探头输出可以描述沿三个相互正交的方向(x，y和z)的偏转。另选地，可以由探头输出沿两个正交的方向(例如x和y)的偏转。

在一个实施例中，扫描模式的测量可以利用包括多方向单输出扫描探头的扫描探头来获得。多方向单输出扫描探头可以包括探头壳体和偏转传感器。触针可以相对于探头壳体偏转。有利地，触针可以相对于探头壳体在两个相互垂直的方向中的任何一个方向上或者在三个相互垂直的方向中的任何一个方向上偏转。偏转传感器可以产生单个输出值，它仅表示从静止位置的触针偏转的量值。以下描述这样的探头的其它的优选方面。

这种测量探头的示例是由德国的BlumNovotestGmbH销售的TC76-Digilog和TC64-Digilog探头。Digilog探头在测量触针偏转量的意义上是扫描探头，但是它们包括测量传感器，其仅允许测量触针偏转的量值(不测量触针偏转的方向)。这些探头因此是多方向的(即，触针尖端能够沿多个方向偏转)，但是它们仅提供与触针偏转的量值(不是方向)相关的单个输出。BlumDigilog探头，即TC76-Digilog和TC64-Digilog，因此是多方向单输出扫描探头的示例。这样的多方向单输出扫描探头的另一示例是由意大利的Marposs销售的G25探头。至今，这样的探头仅被用于公差检查或者仅需要低测量精度的应用。然而，本发明使得将这种探头用于更高精度的测量任务成为可能。

如果使用多方向单输出扫描探头，则可以通过将扫描探头的与触针偏转的量值相关的单个输出与描述多方向单输出扫描探头在机器坐标系中的位置的测量的或假定的机器坐标相结合，来计算出步骤(b)的测量点。每个扫描测量点的计算因此均可以使用假定的触针偏转方向。

坐标定位设备优选地包括机床。机床还可以包括用于从物体移除(切除)材料的一个或多个切削工具。以下描述的本发明的第二、第三、第四或第五方面的任何优选的或基本的特征可以应用于本发明的第一方面。

根据本发明的第二方面，提供了一种利用坐标定位设备测量物体的方法，该坐标定位设备包括多方向单输出扫描探头，该方法包括以下按任何合适的顺序的步骤：

a)确定物体的表面上的一个或多个参考点在坐标定位设备的机器坐标系中的位置；

b)利用多方向单输出扫描探头来测量沿着物体的表面上的扫描路径的多个测量点的位置，该扫描路被布置成穿过该一个或多个参考点或者在该一个或多个参考点附近；

c)从每个参考点和对应的测量点的位置之差计算至少一个校正。

本发明的第二方面因此提供了利用多方向单输出扫描探头来测量物体的改进后的方法。在步骤(a)中，确定物体的表面上的一个或多个参考点。例如，这可以包括以已知的方式对物体进行接触触发测量。步骤(b)涉及利用多方向单输出扫描探头沿着物体的表面上的扫描路径进行扫描。然后可以收集沿着该路径的多个(例如，数百个或数千个)测量点。扫描路径被布置成穿过步骤(a)的一个或多个参考点或者在该一个或多个参考点附近。在步骤(c)中，参考点和如在步骤(a)和(b)中测量的测量点之间的位置之差被用来产生一个或多个校正(例如呈校正数值、误差映射或者函数等的形式)。这些校正允许校正(例如偏移或者移位)在步骤(b)中收集的测量点，以考虑拖拽(drag)相关的因子。应注意的是，步骤(a)可以在步骤(b)之前或之后执行。然而，步骤(c)利用步骤(a)和(b)的结果并且因此在那些步骤之后执行。

有利地，该方法包括附加的步骤(d)，步骤(d)利用步骤(c)的至少一个校正来校正步骤(b)的测量点中的每个测量点，以提供多个校正过的测量点。以这种方式，提供校正过的测量点，其精确地限定表面(即，拖拽相关的误差减小)。

有利地，多方向单输出扫描探头包括探头壳体、可相对于探头壳体偏转的触针以及偏转传感器。优选地，偏转传感器产生单个输出值，其仅表示从静止位置的触针偏转的量值。这根据定义提供了单个输出探头。应注意的是，单个传感器输出可以被处理以提供多个信号。有利地，偏转传感器包括光学传感器。

多方向单输出扫描探头的触针可沿多个方向(即，沿一个以上的方向)偏转。优选地，触针可沿两个方向或者两个以上的方向偏转。为了避免引起疑惑，LVDT沿单个方向偏转和感测，因此不属于多方向的定义内。触针偏转的方向的数量因此超过偏转测量输出的数量。优选地，多方向单输出扫描探头是全方向的，从而使得触针可以相对于探头壳体沿三个相互垂直的方向中的任何一个或多个方向偏转。有利地，多方向单输出扫描探头仅测量触针偏转的量值(不测量方向)。

有利地，通过将扫描探头的与触针偏转的量值相关的单个输出与描述多方向单输出扫描探头的在机器坐标系中的位置的机器坐标相结合，来计算出步骤(b)的测量点。优选地，每个测量点的计算利用假定的触针偏转方向。在步骤(c)中计算出的至少一个校正优先地校正假定的触针偏转方向和实际的触针偏转方向之差。因此能够利用至少一个校正来补偿触针打滑或拖拽的效应，该效应与物体的表面和触针尖端之间的摩擦相关。

优选地，多个参考点沿着扫描路径分布，并且针对每个参考点计算校正。每个校正可以与扫描路径的节段相关联。然后每个校正可用于校正其相关联的节段的所有测量点。每个节段的范围优选地基于正被测量的物体的一个或多个名义特性。例如，节段可以通过参照所预想的表面特性或表面形状来限定。

该方法的步骤(a)可以包括利用任何已知的技术来测量物体上的参考点(即，离散点)。优选的是，该步骤包括利用坐标定位设备来进行测量。该方法的步骤(a)因此可以有利地包括利用接触触发探头(例如，与多方向单输出扫描探头不同的探头)测量一个或多个参考点，这由坐标定位设备执行。优选地，多方向单输出扫描探头也能够以接触触发模式操作，并且步骤(a)包括利用以接触触发模式操作的多方向单输出扫描探头来测量一个或多个参考点。优选地通过将探头沿着与表面法线方向具有已知关系的方向驱动到物体的表面中来进行接触触发测量。优选地，通过将探针沿着表面法线方向驱动到物体的表面中来进行接触触发测量。因此在接触触发测量中能够避免触针滑动的效应。可以有利地采用以上所述类型的Blumdigilog探针。如果利用接触触发测量过程，则可以实施执行接触触发校准过程的初始步骤。

该坐标定位设备可以包括任何这样的设备。优选地，该坐标定位设备包括机床。

根据本发明的第三方面，提供了一种利用坐标定位设备测量物体的方法，该坐标定位设备包括测量探头，该测量探头是能够以扫描模式或者接触触发模式操作的多方向单输出扫描探头，该方法包括利用物体的通过以接触触发模式使用测量探头获得的测量来校正物体的通过以扫描模式使用测量探头获得的测量的步骤。本发明的第一或第二方面的任何优选的或基本的特征可以被应用于本发明的该第三方面。

根据本发明的第四方面，提供了一种利用坐标定位设备来测量物体的方法，该坐标定位设备包括具有可偏转触针的多方向单输出扫描探头，该方法包括当触针沿着物体的表面上的路径扫描时计算触针偏转的方向的步骤，其中，通过将物体上的如由多方向单输出扫描探头测量的一个或多个点的位置与那一个或多个点的已知位置进行对比，来计算触针偏转的方向。本发明的第一、第二或第三方面的任何优选的或基本的特征可以被应用于本发明的该第四方面。

根据本发明的第五方面，提供了一种利用坐标定位设备来测量物体的方法，该坐标定位设备包括扫描探头，该扫描探头包括可偏转触针和偏转传感器，该偏转传感器产生仅表示触针偏转的量值的单个输出值，该方法包括以下按任何合适的顺序的步骤：a)确定物体的表面上的一个或多个参考点在坐标定位设备的机器坐标系中的位置；b)利用扫描探头来测量沿着物体的表面上的扫描路径的多个测量点的位置，扫描路径被布置成穿过一个或多个参考点或者在一个或多个参考点附近；c)从每个参考点和对应的测量点的位置之差计算至少一个校正。本发明的第一、第二、第三或第四方面的任何优选的或基本的特征可以被应用于本发明的该第五方面。

本发明还延伸到布置成实施本文所述的各种方法的设备。

本发明还延伸到构造成实施根据本发明的第一、第二、第三或第四方面的方法的设备。

现在将参照附图仅通过示例描述本发明，在附图中：

图1示出了包括测量探头的坐标定位设备；

图2示出了多方向单输出测量探头；

图3示出了在触针偏转的方向上的拖拽效应；

图4示出了参考点和所获得的测量点；

图5示出了针对扫描路径的不同节段可以如何提供不同的校正；

图6示出了提供物体设定校正；以及

图7示出了特征校正的使用。

参照图1，示出了一种机床(machinetool)(其是坐标定位设备的一个示例)，该机床具有主轴(spindle)2，该主轴2固持着多方向单输出扫描探头4。

该机床包括已知的装置，诸如一个或多个马达(未示出)，用于相对于定位在机床的工作区域内的工件固持件7上的工件6移动主轴2。利用编码器等以已知的方式精确地测量主轴在机器的工作区域内的位置，这样的测量提供了限定在机器坐标系中的主轴位置数据(x，y，z)。机床的数字控制器(NC)8控制主轴2在机床的工作区域内的运动并且还接收与主轴位置(x，y，z)相关的反馈。

多方向单输出扫描探头4包括探头主体或壳体10，该探头主体或壳体10利用标准的可释放工具柄连接而附接到机床的主轴2。探头4还包括从壳体突出的工件接触触针12。在触针12的尖端处设置有红宝石触针球14，用于接触相关联的工件6。触针尖端能够相对于探针壳体10沿任何方向偏转(即，其可以沿a、b或c方向中的任何一个或多个方向偏转)，但是探针主体10内的传感器仅产生单个输出信号(R)，该单个输出信号的量值与触针尖端远离原位置或静止位置偏转的量值相关。

探针4还包括发射器/接收器部分16，该发射器/接收器部分16与远程接口18的相应的接收器/发射器部分通信。以这种方式，来自探头4的探头偏转量值数据(R)通过无线通信链路输出。来自机床的NC8的主轴位置数据(x，y，z)和由探头接口18收集的探头偏转量值数据(R)被传送到机床的前端计算机20。计算机20然后能够将主轴位置数据(x，y，z)与探头偏转量值数据(R)相结合。

接下来参照图2，更加详细地示出了多方向单输出扫描探头4。如以上所说明的，探头4包括触针偏转机构30，该触针偏转机构30允许触针尖端相对于探针壳体10沿任何方向偏转。还设置传感器(transducer)32以仅仅测量触针偏转的量。该布置意味着尽管能够测量触针偏转的量值(R)，但是来自传感器的单个输出信号不限定触针偏转的方向。因此单独地基于传感器32的输出不清楚触针尖端定位在哪里。在图2所示的示例中，如果触针尖端位于圆36上的任何地方，则在a，b平面内的触针尖端偏转将提供相同的R输出值。

接下来参照图3，考虑了多方向单输出扫描探针4的尖端沿着物体40的侧面以一定扫描速度扫描的示例。在触针尖端14和物体40之间不存在任何摩擦时，可以假定触针尖端14沿着表面法线方向n(在该简单示例中其与机床的y轴一致)偏转。然后可以假定触针偏转的方向并且由此唯一地计算出触针尖端位置。

然而，触针尖端14和物体40之间的不可避免的摩擦加上将尖端挤压成与表面接合的力的变化意味着在触针尖端14上存在拖拽效应。该拖拽造成触针尖端偏转的方向远离表面法线方向移位。例如，拖拽可以造成尖端位于图3中所示的位置14'。拖拽量不能从传感器32输出的测量值R来确定；即，拖拽效应不能与表面法线偏离变化分离，因为根据单个输出不具有足够的信息。此外，物体的表面摩擦可能会变化。例如，物体40可以包括第一区域42和第二区域44，其具有不同表面特性并且因此具有不同摩擦系数。

沿着扫描路径发生的拖拽的变化已经事先导致不能在精确地测量物体的表面上的点的位置的方法中使用多方向单输出扫描探头。

参照图4，将描述允许利用如上所述安装到机床的多方向单输出扫描探头扫描物体的方法。

首先利用以接触触发模式操作的多方向单输出扫描探头4测量诸如包括孔的块之类的物体。具体地，探头4可以布置成使得将来自传感器32的单个输出R与阈值对比并且当超出阈值时发出触发信号。然后可以用已知方式将触发信号馈送到机床控制器的跳跃式输入(skipinput)中，以允许进行接触触发操作。探头4因此可以以与常规接触触发探头等同的接触触发模式操作。具体地，探头4能够被驱动成与绕孔的内表面的周向的多个不同点接触。每当触针尖端与表面上的点接触时就发出触发信号，并且一旦接收到触发信号，探头4在机器坐标系中的位置(x，y，z)就被用来提供接触触发测量点。这些接触触发测量点可以被以高精度获取并且因此提供在机器坐标系中测得的在物体的表面上的少量的精确参考点50。本领域技术人员将理解需要必要的校准步骤等来进行这样的接触触发测量。

在获取参考点50之后，限定绕孔的周向扫描触针尖端14的驱动路径。该驱动路径被选择成使得触针尖端沿着孔的内表面上的扫描路径移动，优选地确保对于整个扫描保持与表面的接触。扫描路径被选择为穿过利用接触触发技术测得的参考点50或者在参考点50附近。当探头4沿着扫描路径扫描时，记录来自传感器32的输出R以及测量探头的x、y、z位置。触针偏转的量值R与测量探头的x、y、z位置相结合，以沿着扫描路径提供一系列测量点；该结合过程依赖于假定触针偏转将沿着表面法线或者相对于表面法线呈一定角度。该过程的结果是由图4中的实线52所示的大量测量点。

如以上所说明的，在扫描过程期间用于计算测量点的假定的触针偏转方向不太可能是正确的并且还很可能沿着扫描路径变化。因为利用假定的触针偏转方向所产生的误差导致在扫描期间所获得的测量点(即，被示出为实线的数千个测量点52)与利用接触触发测量所得到的参考点50不一致。该偏差的量值为了清楚起见在图中被大程度地夸大。

本发明包括将参考点50与在沿着扫描路径扫描时得到的对应测量点52进行对比。然后能够计算出描述测量点52从参考点50的偏离的校正(Δi)。这些校正(Δi)然后能够被应用于所有测量点52，以产生校正过的测量点54。该过程包括将每个校正(Δi)应用到相应参考点的附近的多个测量点。示出多个校正过的测量点54的实线然后穿过参考点50。以这种方式，能够看到，能够利用校正(Δi)来校正因假定一定触针偏转方向所产生的测量点52的误差，以提供限定内孔的形状的大量校正过的测量点54。

图5示出了可以如何对不同形状的表面58执行类似的过程。表面58可以被分成不同尺寸的节段62至62e以及在每个节段中利用接触触发测量过程所测量到的参考点60a至60e。这些节段可以基于表面轮廓或者表面抛光来选择；即表面可以被分成不同的节段，在这些节段中，很可能发生不同量的触针拖拽。表面58然后可以被扫描以产生多个测量点和利用相关的参考点60a至60e为每个节段计算出的校正。然后每个节段中的测量点可以利用该节段的校正被校正。

图6示出了如何可以利用接触触发模式的测量和扫描模式的测量找到机床的坐标系内的第一物体的位置和取向。具体地，示出了以接触触发模式得到的第一物体的多个接触触发测量点100。假定已知第一物体的标称形状，则接触触发测量点100允许在机床坐标系内限定第一物体的位置和取向。实线框102示出了如从接触触发测量点100确定的第一物体的位置。

然后可以利用扫描探头扫描第一物体，以产生多个(例如数千个)被扫描的测量点(这些测量点在图6中未被单独地示出)。可以通过沿着名义上穿过接触触发测量点100的扫描路径绕第一物体移动触针来执行扫描。然后被扫描的测量点可以用于单独地确定物体的位置(示出为虚线框104)。

然后计算如以接触触发模式和扫描模式测量的物体的位置和取向的差。在该示例中，向量V描述了第一物体的拐角处的位置移位，旋转值R描述了取向的差。当然，可以以任何合适的方式描述位置和取向的差。尽管示出了简单的二维示例，但还应注意到，这可以(并且通常将)以三维来执行。

接触触发模式的测量和扫描模式的测量之间的任何差很可能来自于扫描模式测量的误差。例如，这可能是由于在利用多方向单输出扫描探头时进行的假定。由值V和R限定的校正因此描述了第一物体的精确的接触触发模式的测量和不太精确的(但是可重复的)扫描模式的测量之差。

在计算了校正(即，值V和R)之后，将第一物体从机床移除，并且将名义上与第一物体相同的另外物体放置在机床上在名义上与第一物体相同的位置。例如，用于保持第一物体的固定物可以用于固持该另外物体。然后可以以扫描模式利用扫描探针扫描该另外物体。优选地，以与第一物体类似的方式(例如，利用相同的扫描路径、扫描速度等)扫描该另外物体。然后可以从所收集的扫描测量点得到该另外物体的位置和取向。然后可以利用在先确定的校正(即值V和R)来校正通过分析所扫描的测量点获得的该另外物体的位置和取向。以这种方式，校正该另外物体的位置和取向因扫描探针产生的误差。

图7示出了如何可以利用接触触发测量和扫描测量找到第一物体的特征的几何特性(即，半径)。具体地，在物体的孔的内表面上获取多个接触触发测量点118。利用对这些接触触发测量点118的分析(例如，利用最佳拟合方法)来确定孔的半径r1。然后可以利用以扫描模式操作的扫描探头重新测量第一物体的相同孔。例如，扫描探头的触针可以绕孔的内侧以圆形路径移动。可以利用对所扫描的测量点(为了清楚起见未示出)的分析(例如，利用最佳拟合方法)来测量孔的半径r2。因此半径r1和r2之差提供了半径校正因子(Δr)。

然后将第一物体从机床移除，并且以名义上与第一物体相同的另外物体代替。然后利用扫描探针以扫描模式扫描该另外物体。优选地，以与第一物体类似的方式(例如，利用相同的扫描路径、扫描速度等)扫描该另外物体。从扫描模式的测量确定该另外物体的孔的半径r3，然后通过应用在先确定的半径校正因子(Δr)来校正半径r3。因此获得该另外物体的孔的被校正过的半径。

尽管仅描述了简单的孔，但相同的方法可用于物体的一个或多个特征的任何一个或几个何特性。例如，参考几何特性可以包括与单个特征相关联的几何特性(例如，柱形孔的直径或正圆度)或者描述多个特征之间的关系的几何特性(例如，诸如两个表面的两个特征的斜度、平行度或者垂直度)。在WO2011/107729中描述了这样的几何特性的另外示例。

再次地，应记住以上示例仅是示意性的。尽管以上示例描述了多方向单输出扫描探针4的使用，但还可以使用任何类型的扫描探针。扫描探针优选地为具有可偏转的触针的接触式扫描探针。本领域技术人员应理解本发明可以被实施的不同方式。例如，进行测量的顺序(扫描之前进行接触触发)可以颠倒。该方法还可以被实施在机床之外的坐标定位设备上，诸如专用的坐标测量机(CMM)、机器人等。

Claims (20)

1.一种利用坐标定位设备来测量物体的方法，该方法包括以下按任何合适的顺序的步骤：

a)以接触触发模式操作所述坐标定位设备，以测量所述物体的表面上的一个或多个接触触发测量点的位置；

b)以扫描模式操作所述坐标定位设备，以测量沿着所述物体的表面上的扫描路径的多个扫描测量点的位置，利用具有接触物体的触针的扫描探头来获得所述扫描模式的测量；以及

c)计算至少一个校正，其描述步骤(a)的所述接触触发模式的测量与步骤(b)的所述扫描模式的测量之差。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(b)的所述扫描路径被布置成名义上穿过所述一个或多个接触触发测量点。

3.根据前述任一权利要求所述的方法，该方法包括利用步骤(c)的所述至少一个校正来校正步骤(b)的测量的附加步骤。

4.根据前述任一权利要求所述的方法，其中，在步骤(a)和(b)中被测量的所述物体是一系列名义上相同的物体中的第一物体，所述方法包括以下步骤：以扫描模式操作所述坐标定位设备以测量所述一系列物体中的一个或多个另外物体；以及将在步骤(c)中计算出的所述至少一个校正应用于所述一个或多个另外物体中的每个物体的测量。

5.根据前述任一权利要求所述的方法，其中，所述至少一个校正包括误差映射或函数，所述误差映射或函数限定在步骤(b)中获得的所述扫描测量点和在步骤(a)中获得的对应的接触触发测量点的位置之差。

6.根据前述任一权利要求所述的方法，其中：

步骤(a)包括利用所述一个或多个接触触发测量点来确定所述物体在所述坐标定位设备的坐标系中的位置和取向中的至少一个；

步骤(b)包括利用所述扫描测量点来确定所述物体在所述坐标定位设备的坐标系中的位置和取向中的至少一个；以及

步骤(c)包括计算至少一个校正，其描述如在步骤(a)中确定的位置和取向中的至少一个与如在步骤(b)中确定的位置和取向中的至少一个之差。

7.根据前述任一权利要求所述的方法，其中：

步骤(a)包括利用所述一个或多个接触触发测量点来确定与所述物体的一个或多个特点相关联的至少第一参考几何特性；

步骤(b)包括利用所述扫描测量点来确定与所述物体的所述一个或多个特点相关联的至少第一扫描几何特性，所述第一扫描几何特性与所述第一参考几何特性相对应；以及

步骤(c)包括计算至少一个校正，其限定所述第一参考几何特性与所述第一扫描几何特性之差。

8.根据前述任一权利要求所述的方法，其中，所述坐标定位设备包括接触触发探头。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，所述坐标定位设备的所述扫描探头是能够以扫描模式和接触触发模式两种模式操作的双重模式探头。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述扫描探头产生接触触发模式输出和分开的扫描模式输出。

11.根据前述任一权利要求所述的方法，其中，利用包括多方向单输出扫描探头的扫描探头来获得所述扫描模式的测量。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述多方向单输出扫描探头还包括探头壳体和偏转传感器，所述触针可相对于所述探头壳体偏转，且所述偏转传感器产生仅表示从静止位置的触针偏转的量值的单个输出值。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述多方向单输出扫描探头包括触针，其可以相对于所述探头壳体沿至少两个相互垂直的方向偏转。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，通过将所述扫描探头的单个输出与机器坐标相结合来计算出步骤(b)的所述扫描测量点，所述单个输出与触针偏转的量值相关，所述机器坐标描述所述多方向单输出扫描探头在所述机器坐标系中的位置，其中，每个扫描测量点的计算均使用假定的触针偏转方向。

15.根据前述任一权利要求所述的方法，其中，所述坐标定位设备包括机床。

16.一种利用坐标定位设备测量物体的方法，所述坐标定位设备包括多方向单输出扫描探头，所述方法包括以下按任何合适的顺序的步骤：

a)确定所述物体的表面上的一个或多个参考点在所述坐标定位设备的机器坐标系中的位置；

b)利用所述多方向单输出扫描探头来测量沿着所述物体的表面上的扫描路径的多个测量点的位置，所述扫描路被布置成穿过所述一个或多个参考点或者在所述一个或多个参考点附近；

c)从每个参考点和对应的测量点的位置之差计算至少一个校正。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，该方法包括附加的步骤(d)，步骤(d)利用步骤(c)的所述至少一个校正来校正步骤(b)的所述测量点中的每个测量点，以提供多个校正过的测量点。

18.根据权利要求16或17所述的方法，其中，所述多方向单输出扫描探头是全方向的，从而使得所述触针可以相对于所述探头壳体沿三个相互垂直的方向偏转。

19.一种利用坐标定位设备测量物体的方法，所述坐标定位设备包括能够以扫描模式或者接触触发模式操作的测量探头，所述方法包括利用所述物体的通过以接触触发模式使用所述测量探头获得的测量来校正所述物体的通过以扫描模式使用所述测量探头获得的测量的步骤。

20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述方法包括使用包括多方向单输出扫描探头的测量探头。