CN107743431A - 用于识别扫描路径的性质的探针数据分析 - Google Patents

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Abstract

描述了一种用于对由机床携带的扫描探针(4)收集的探针数据进行分析的方法。探针数据是随着机床使得扫描探针(4)相对于工件(6；40；140；240)沿着扫描路径(P1，P2，P3，P4，P5，Q1，Q2)移动或者扫描而收集的。该方法包括：根据所收集的探针数据的特性来识别由机床使用的扫描路径的性质的步骤。以这种方式，能够单独地根据探针数据来识别扫描路径，而无需从机床接收任何位置数据。

Description

用于识别扫描路径的性质的探针数据分析
本发明涉及使用由机床携带的扫描探针来测量物体。具体地，本发明涉及用于根据由扫描探针收集的探针数据来识别由机床使用的扫描路径的类型的方法。
各种各样的机床用于制造工件。还常见的是，使用多过程加工来制造工件，在多过程加工中，工件被装载到一系列不同的机床中，以切削工件的所要求的各个特征。还已知的是，将测量探针安装到机床的主轴中，以使得使用机床来测量工件的某些特征。这样的测量可以用于在进行加工之前确立工件的位置和/或切削刀具的尺寸，以确保在相对于工件的正确的位置上利用切削刀具执行加工操作。还可以执行测量以在经加工的工件从机床移除之前对其进行检查。这样的工件检查可以用于检验切削操作已经被正确地执行。
已知的是，使用主轴安装的扫描探针来测量工件表面上的各点，该扫描探针包括可偏斜触针并且具有用于测量局部(探针)坐标系中的触针偏斜的一个或多个传感器(transducer)。由扫描探针获得的触针偏斜测量通常被称为探针数据，并且测量到的、扫描探针在机床的坐标系内的位置通常被称为机器数据。在应用合适的校准因数之后，然后可以将机器数据和探针数据进行组合，以确立物体的表面上的各点的位置。在这样的测量过程期间生成的数据量通常太大，以至于机床处理器本身无法处理，并且因此通常使用与机床分开的外部处理系统(例如，单独的个人计算机)来执行数据分析。如美国专利No.7,970,488中描述的，由机床和扫描探针系统二者接收的定时同步信号可以确保探针数据和机器数据在被组合之前暂时匹配。
上述将机器数据与探针数据组合的过程通常要求机器数据和探针数据被传送给外部处理系统。一旦接收到，就对探针数据和机器数据进行处理，以计算工件的表面上的各点的位置。然后可以例如通过与标称值进行比较，来进一步分析这些表面位置测量结果。已经发现的是，对于不同类型的机床而言，将机器数据传送给外部处理系统所需要的时间可能变化很大，尤其是当已经收集到大量数据时。即使在接收到探针数据和机器数据之后，通常在执行必要的分析时存在进一步的延迟。这些延迟减少了机床可用于切削操作的时间量；即，增加了循环时间。即使增加了相对短的循环时间，也可能减少基于机床的过程的产量。
先前已经进行尝试，以避免将探针数据与机器数据进行组合的需求。例如，美国专利No.7,765,708描述了公差检查过程，在该过程中，可以沿着相对于物体的、基于物体的公差的路径来驱动测量探针(例如，扫描探针)。然后可以将在经过该路径时生成的探针数据与合适的临界值相比，并且如果打破临界值，则发出“超出公差”警告。也已经在美国专利No.7,970,488中描述了如何将探针数据与假设的机器数据(而不是使用由机床收集的机器数据)进行组合。然而，这些技术仍然要求外部处理系统具有关于路径(探针沿着该路径被驱动)的信息。如果的确可用，那么在典型的机床上设置的、用于将必要信息传送给外部处理系统的数据链路(例如，RS-232、文件轮询或者软件连接)可能难以配置。这样的数据链路也可能相对慢，从而对循环时间产生负面影响。
根据本发明的第一方面，提供了用于对由机床携带的扫描探针收集的探针数据进行分析的方法，探针数据是随着机床使得扫描探针相对于工件沿着扫描路径移动而收集的，其特征在于，该方法包括：根据所收集的探针数据的特性来识别由机床使用的扫描路径的性质的步骤。
本发明的方法由此包括：对从由机床携带(例如，在机床主轴中携带)的扫描探针收集的探针数据进行分析。扫描探针被配置为随着机床使得其相对于工件沿着扫描路径移动，测量工件的表面上的一系列点。如以下更详细地解释的，扫描探针可以是非接触式(例如，光、电感性、电容性)扫描探针或者具有工件接触触针的接触式扫描探针。在接触式扫描探针的情况下，可以设置可偏斜触针以及用于测量触针的偏斜的一个或多个偏斜传感器。为了收集探针数据，机床使得接触式扫描探针的触针与工件接触，并且使得其沿着工件的表面上的路径移动。偏斜传感器然后使得能够在经过沿着工件的表面的路径的同时测量触针尖端相对于探针壳体的位置。在优选的实施例中，扫描探针包括偏斜传感器，其可以测量任何触针偏斜的幅度和方向二者，以使得使用本发明的方法来分析的所收集的探针数据描述在探针(a,b,c)坐标系中的触针尖端偏斜。
可能已经使用机床收集了探针数据，该机床被编程为相对于工件沿着多个不同的扫描路径驱动扫描探针。例如，机床可以是利用一组已知的这类扫描路径来预先编程的，或者其可以是利用任何期望的扫描路径而编程的。本发明使得能够根据所收集的探针数据来识别扫描路径的性质，而无需从机床接收任何数据。具体地，本发明的方法包括：识别所收集的探针数据的特性，以使得能够识别扫描路径的性质。
可以使用本发明的方法来识别扫描路径的任何合适的性质。所识别的、扫描路径的性质可以是扫描路径的一般类别；例如，可以查明扫描探针是否是沿着圆形扫描路径、线性扫描路径等而驱动的。替代地，可以识别扫描路径的更具体的性质。例如，可以识别圆形路径的类型(例如，钻孔或者凸台的圆形扫描)或者线性路径的长度。此外，所识别的性质可以是在收集探针数据时由机床使用的精确的扫描路径程序。该方法还可以包括识别由机床使用以用于收集探针数据的测量探针的性质(例如，接触式测量探针的触针的长度)。
此外，该方法可以包括：使用探针数据的任何合适的特性来识别扫描路径的性质。例如，该特性可以是接触式扫描探针在其经过扫描路径时的触针偏斜的方向的变化。该特性还可以是或者替代地是接触式扫描探针在其经过扫描路径时的触针偏斜的幅度的变化。在某个方向上的触针偏斜量还可以是合适的特性。如果探针数据是作为离散的数据集合提供的，那么在数据集合中包含的数据点的数量还可以是合适的特性。如以下解释的，机床甚至可以被编程为沿着扫描路径来驱动扫描探针，这些扫描路径包括扫描探针运动中的变化或者偏差(其将可识别的特性引入探针数据中)。例如，可以沿着包括信号段的扫描路径驱动扫描探针，信号段包括特性移动(例如，摆动、阶跃、停留等)，其提供探针数据中可以被识别的特性。在另外的例子中，测量探针沿着其移动的扫描路径还可以包括一个或多个“停留”时段，在该停留时段中，暂时地停止相对运动(即，测量探针因此暂时地停留在相对于工件的特定位置上)。
本发明的方法由此使得能够识别出扫描路径的性质，而无需来自机床的任何信息。该方法由此可以在处理器(例如，计算机)上执行，该处理器与机床分开并且仅从扫描探针接收探针数据。单独地根据探针数据来识别扫描路径的能力意味着：可以开始分析这样的探针数据，而无需等待来自机床的信息并且无需假设已经接收到来自某个扫描路径的探针数据。该过程可以减少与工件检查或者工件定位测量相关联的循环时间，从而增加机床的产量。这尤其在高产量、串行加工的应用等中是有利的，在这些应用中，即使较小程度地减少循环时间，也可以提供显著的成本节省。
识别扫描路径的性质的步骤可以涉及：识别扫描探针沿着其移动以生成探针数据的扫描路径的类型。有利地，识别扫描路径的性质的步骤包括：识别多个不同的扫描路径类型中的扫描路径类型。换言之，机床可以被编程为使得扫描探针沿着多个已知类型的扫描路径(例如，圆形路径、线形路径等)中的任何扫描路径移动。该方法然后可以涉及：针对使得能够从可以由机床使用的多个潜在类型的扫描路径中识别该类型的扫描路径的特性，来对探针数据进行分析。可以由机床使用的每种类型的扫描路径由此优选地被布置为生成具有可以与其它扫描路径类型区分开的特性的探针数据。
由此可以根据所收集的探针数据的特性来识别扫描路径的一般类别或者类型(而不是所使用的精确扫描路径)。应当注意的是，每种类型的扫描路径可以包括多个不同的扫描路径。例如，机床可以被编程为围绕属于圆形扫描路径类型的类别中的多个不同的圆形扫描路径(例如，不同的半径、中心等)来驱动扫描探针。在这样的例子中，可以对探针数据进行分析，以识别是否已经使用任何这样的圆形扫描路径生成探针数据。如果已经使用了这样的圆形扫描路径，那么使用适于对从圆形路径获得的探针数据的分析的技术对探针数据进行进一步分析是可以实现的。
有利地，识别所述扫描路径的性质的步骤包括：识别多个不同的扫描路径中的扫描路径。机床由此可以被编程为沿着多个不同的扫描路径来驱动扫描探针。不同扫描路径中的每个扫描路径可以生成具有可以相互区分开的特性的探针数据。换言之，可以由机床使用的每个扫描路径可以生成可与由该机床使用的所有其它扫描路径区分开的探针数据。以这种方式，由机床使用的精确的扫描路径是根据所收集的探针数据的特性而识别的扫描路径的性质。这使得能够执行被调整为针对特定扫描路径的数据分析。
所收集的探针数据的特性方便地包括探针数据的固有特性。固有特性可以与工件的特征或者多个特征的测量相关联。由机床使用的用于测量不同特征的不同扫描路径由此可以固有地产生具有可以相互区分开的特性的探针数据。如以上更详细地概述的，扫描探针可以包括具有可偏斜触针的接触式扫描探针。如下所述，固有特性然后可以包括触针偏斜的方向和/或在某个方向上的触针偏斜的幅度的变化。
在经过圆形或者大体上圆形的扫描路径(例如，以测量钻孔或者凸台)时，该扫描路径通常产生触针偏斜方向的旋转。在一个实施例中，机床可以被配置为在相对的方向上扫描钻孔和凸台。例如，可以在顺时针方向上扫描钻孔，而在逆时针方向上扫描凸台(反之亦然)。然后可以识别由于顺时针或者逆时针扫描路径导致的触针偏斜变化的差异，这进而使得能够确立是钻孔还是凸台正在被扫描。
在另一实施例中，可以根据触针偏斜的方向来识别来自物体的不同定向的表面的探针数据。例如，沿着物体的大体上扁平表面的线性扫描将导致某个方向上的触针偏斜，该方向取决于该表面的定向以及触针尖端与物体之间的摩擦或者阻力。与这样的线性扫描相关联的触针偏斜方向由此可以使得能够确立合适的表面定向。例如，根据探针数据，正被扫描的表面的定向可以被确立到大约20°以内。这使得能够对在扫描物体的不同表面时收集的探针数据(例如，从沿着矩形的四个不同的侧面的线形扫描收集的探针数据)进行区分。类似地，沿着物体的上表面的扫描可以产生在与沿着物体的侧表面的线形扫描不同的方向上的触针偏斜。所收集的探针数据的这些固有特性由此可以用于识别由机床使用的扫描路径的性质。
对从类似的扫描路径收集的探针数据进行区分，并非总是可能的。例如，在从沿着物体的同一表面上的两条并行的线的扫描收集的探针数据集合之间进行区分，这通常将是不可能的。所收集的探针数据的特性由此可以包括探针数据的变化，这种变化通过将一个或多个变化引入扫描路径中而提供以使得能够识别出扫描路径。换言之，机床的扫描路径可以适应于将可以被识别的特性引入所得到的探针数据中，并且由此使得能够识别出扫描路径的性质。该特性由此可以人工地引入，而不是针对某种类型的测量而收集的探针数据的固有特性。当然，还将认识到的是，探针数据的人工引入的和固有的特征可以一起用于使得能够识别出扫描路径的性质。
有利地，由机床使用的扫描路径包括：产生具有可识别特性的探针数据的至少一个信号段。例如，扫描路径可以包括初始信号段，在该初始信号段中，沿着使得特性特征被引入到所收集的探针数据中的路径来驱动探针。信号段可以方便地在测量的触针偏斜中引入阶跃(steps)，其对关于扫描路径的信息进行编码。例如，可以由信号段对二进制码字进行编码。如果机床是利用多个不同的潜在扫描路径来编程的，那么每个扫描路径可以包括不同的信号段(例如，不同的二进制码字)，其使得能够通过本发明的方法来识别扫描路径。执行探针数据分析方法的处理器还可以存储关于可能发生的信号段的信息；例如，其可以存储关于与不同的扫描路径相关联的码字的信息。
扫描探针可以被布置为输出探针数据的连续流。可以将探针数据的该流从扫描探针，经由探针接口传递给外部处理器(例如，计算机)。由此可以在探针数据仍然在被收集的同时开始对来自扫描路径的探针数据的分析。所收集的探针数据可以包括：在机床向扫描探针发出开始收集探针数据的指令与发出停止收集探针数据的指令之间收集的离散的数据点集合。换言之，探针数据可以包括在探针启用指令与探针禁用指令之间收集的离散的数据点集合，探针启用指令和探针禁用指令由机床发给扫描探针。可以由机床在每个扫描路径开始和结束时将这些启用和禁用指令发给扫描探针。以这种方式，可以在已经针对每个扫描路径收集到探针数据集合之后，将探针数据集合传递给外部处理器。由此可以在已经收集到针对扫描路径的所有探针数据之后，开始对来自该扫描路径的探针数据的分析。方便地，所收集的探针数据的特性可以包括：数据点集合内的数据点的数量。扫描路径的性质由此可以由所收集的探针数据的量来识别。例如，这可以使得较长的校准扫描路径能够与简单的工件定位或者工件检查扫描路径区分开。
所收集的探针数据的特性还可以包括在扫描路径的“停留”时段(即，扫描路径的一部分)期间收集的数据点集合内的数据点的数量；在该扫描路径的一部分期间由测量探针收集探针数据但是测量探针相对于物体的运动被暂时停止(即，因此标称探针偏斜不改变)。扫描路径的停留时段可以发生在探针随后沿着物体的表面被驱动之前。在一个实施例中，机床可以被编程为在测量数据的收集之前、期间和/或之后的一时间段内停留。停留由此可以被视为将可识别的特性引入所收集的探针数据中。在一个例子中，机床可以被编程为使得不同的扫描路径包括不同持续时间的停留(例如，1秒、1.5秒、2秒等的停留)。停留时段的持续时间随后可以用作所收集的探针数据的特性，其识别由机床使用的扫描路径的性质。在一个实施例中，停留时段的持续时间可以用于识别用于收集探针数据的测量探针的触针的长度。
如上所解释的，可以根据在测量探针静止时收集的数据点的数量来识别停留时段的持续时间。如果要以这种方式使用停留的持续时间，那么还可以执行初始配置过程，在该过程期间，在命令机床执行某个持续时间的停留(例如，延长的停留时段)时收集探针数据。在该已知的持续时间的停留时段期间收集的数据点的数量使得能够计算在指示机床在某个时间段内停留时应当预期的数据点的数量。
该方法可以包括识别扫描路径的一个性质。例如，该方法可以包括使用所收集的探针数据的特性来查明是否已经使用圆形扫描路径。然后将扫描路径的性质简单地限定为圆形或者非圆形。替代地，该方法可以包括根据所收集的探针数据的不同特性来识别多个不同的扫描路径的性质。换言之，可以根据所收集的探针数据来识别多个不同的性质(例如，至少三个不同的性质、至少五个不同的性质等)。该方法由此可以用于识别用于连续地测量部件的不同特征的多个扫描路径中的每个扫描路径的性质。有利地，由此随着机床使得扫描探针相对于工件沿着多个扫描路径移动，来收集探针数据。然后可以根据从多个扫描路径中的每个扫描路径收集的探针数据的特性，来识别每个扫描路径的性质。这使得能够改变检查工件的特征的次序(例如，通过对机床重新编程)，而无需还对用于分析所收集的探针数据的处理器重新编程。
在已经识别出扫描路径的性质之后，可以相应地调整对探针数据的随后分析。由此可以执行对探针数据进行分析以提取测量信息的另外的步骤，其中，对探针数据执行的分析的类型是根据所识别的、扫描路径的性质而确定的。例如，如果探针数据被识别为是根据圆形扫描路径生成的，那么随后可以使用适于圆形扫描路径的过程来分析探针数据(例如，以确认圆形特征具有在某个公差带内的圆度)。
通过合适地分析探针数据而找出的测量信息可以包括工件定位或者工件检查信息。例如，可以执行工件定位过程，该工件定位过程包括将所获得的探针数据与在物体被放置(例如，固持)在机床内的标称位置和方位的情况下将预期的探针数据进行比较。然后，在所收集的探针数据与标称(预期)探针数据之间的任何差可以用于生成一个或多个作业偏移校正。可以将这些作业偏移校正提供给机床。作业偏移校正可以使得能够在随后的加工操作期间将工件从其标称位置和方位的任何偏差考虑在内(即，校正)。换言之，机床的NC可以使用作业偏移校正来更新加工过程中使用的作业偏移。
本发明的方法可以由任何适当的处理器来执行。处理器可以设置在扫描探针内、在与扫描探针相关联的接口内或者在机床内。有利地，根据所收集的探针数据的特性来识别由机床使用的扫描路径的性质的步骤是在机床外部的处理器上执行的。处理器可以包括个人计算机等。外部处理器可以连接到探针接口。可以在扫描探针与探针接口之间提供无线链路(例如，光或者无线)。在处理器与机床之间可以不设置任何数据链路。替代地，可以在处理器与机床之间设置低速数据链路。处理器可以将信息提供给机床，以对切削指令进行更新等。
可以在该方法中使用任何扫描探针。扫描探针可以是非接触式(例如，光、电容性、电感性)扫描探针。扫描探针可以是接触式扫描探针。可以设置具有可偏斜触针的接触式扫描探针。触针可以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方向上可相对于扫描探针的壳体偏斜。至少一个传感器然后可以设置在扫描探针内以用于测量触针的偏斜量。扫描探针可以包括仅可以测量触针偏斜的幅度(不是方向)的传感器；即，扫描探针可以包括多方向、单输出扫描探针。例如，扫描探针可以包括由德国波龙科技(Blum-Novotest)有限公司制造的TC76-Digilog或者TC64-Digilog扫描探针或者由意大利马波斯(Marposs)公司售卖的G25型探针。扫描探针可以包括可以测量任何触针偏斜的幅度和方向二者的传感器。例如，模拟测量探针可以生成三个输出信号，其与触针尖端在三个相互正交的方向上的偏斜相关。由英国Wotton-Under-Edge的瑞尼斯豪股份有限公司制造的SPRINT(OSP-60)探测系统是这样的扫描探针的例子。
应当注意的是，为了完整性，如本文描述的扫描探针(其有时也可以被称为模拟探针)与所谓的接触触发式探针是不同的。有时被称为数字探针的接触触发式探针简单地充当开关。探针触针从静止位置的偏斜(例如，当使得触针尖端移动到与物体的表面接触时)导致发出触发信号，其被提供给机床的跳过输入。在触发信号被发出的时刻，机床测量接触触发式探针在机器坐标系(x,y,z)中的位置，从而使得能够测量物体的表面上的单个点的位置(在适当的校准的情况下)。由此，将接触触发式探针重复地驱动进入和离开、接触物体的表面，以进行物体的逐点位置测量。由此，接触触发式探针与扫描探针是不同的，这是因为它们不允许在沿着工件的表面上的路径进行扫描时对探针数据的收集。本发明的方法仅适用于扫描(而非接触触发)测量。
根据本发明的第二方面，提供了计算机程序，其包括在合适的计算机上执行时实现以上描述的方法的指令。
本发明还扩展到计算机程序产品，其包括在由计算机执行时使得计算机执行上述方法的指令。计算机程序产品可以包括数据载体、存储介质、计算机可读介质(例如，非暂时性计算机可读介质)或者信号(例如，暂时性介质)等。
该方法还方便地扩展到对机床进行编程和/或指示以沿着扫描路径驱动扫描探针。例如，该方法可以包括：对机床的控制器进行编程以实现用于扫描探针的扫描路径的初始步骤，该扫描路径产生具有可以根据其来识别该扫描路径的性质的特性的探针数据。还可以执行对机床进行编程以实现多个不同的扫描路径的步骤。还可以根据以上描述的技术中的任何技术，结合探针数据分析来对机床进行编程。
根据本发明的第二方面，提供了用于对由机床携带的扫描探针收集的探针数据进行分析的装置，该探针数据是随着机床使得扫描探针相对于工件沿着扫描路径移动而收集的，其特征在于，该装置包括：处理器，其从所收集的探针数据的特性来识别由机床使用的扫描路径的性质。该装置还可以包括扫描探针。该装置还可以包括用于扫描探针的接口。该装置还可以包括机床。机床可以被编程为沿着产生探针数据的扫描路径驱动扫描探针，该探针数据具有可以根据其来识别扫描路径的性质的特性。该装置可以实现上述方法的任何方面。
根据本发明的另外的方面，提供了一种用于对由机床携带的扫描探针收集的探针数据进行分析的方法，该探针数据是随着机床使得扫描探针相对于工件沿着扫描路径移动而收集的，该方法包括：单独地使用所收集的探针数据来识别由机床使用的扫描路径的性质的步骤。该方法可以包括上述装置和方法的任何方面。
根据本发明的另外的方面，提供了一种用于确定针对安装在机床内的工件的一个或多个作业偏移校正的机床设置方法。该方法可以包括如下的步骤：a)使用机床，相对于工件沿着预定义的扫描路径驱动扫描探针，该工件已经被放置在机床内的标称位置上。可以执行如下的步骤b)：在扫描探针沿着扫描路径被驱动的同时，从扫描探针收集指示工件的表面相对于扫描探针的位置的探针数据。步骤c)可以包括：将所获得的探针数据与在物体被放置在标称位置和方位上的情况下将预期的探针数据进行比较，以生成用于提供给机床的一个或多个作业偏移校正。方便地，步骤(c)包括根据所获得的探针数据的特性来识别由机床使用的扫描路径的性质的步骤。该方法还可以包括上述装置和方法的任何方面。
还在本文中描述了一种用于对由机床携带的扫描探针收集的探针数据进行分析的方法。探针数据优选地是随着机床控制扫描探针相对于工件的移动而收集的。扫描探针优选地被配置为在使得其相对于工件沿着扫描路径移动的同时收集探针数据。该方法优选地包括根据所收集的探针数据的特性来识别性质的步骤。例如，可以根据所收集的探针数据来识别测量探针的性质(例如，触针长度、探针类型等)。替代地或者另外，可以根据所收集的探针数据来识别机床的性质。替代地或者另外，可以根据所收集的探针数据来识别扫描路径的性质。在优选的实施例中，该方法包括对机床进行编程，以将可以被识别以及用于识别性质的特性或者特征(例如，信号段、停留时段等)引入到探针数据中。可以在这样的方法中使用还在本文其它地方描述的特征(单独地或者组合地)中的任何特征。
现在将参照附图，仅通过举例的方式来描述本发明，其中；
图1示出携带主轴安装的扫描探针的机床，
图2示出工件定位技术，
图3示出工件检查技术，
图4a-4c示出将信号段引入扫描路径以促进扫描路径识别，
图5示出线形扫描表示，以及
图6示出圆形扫描表示。
参照图1，示意性地示出具有固持扫描探针4的主轴2的机床。
机床包括电动机(未示出)，其用于使得主轴2在机床的作业区域内相对于位于工件固持器7上的工件6移动。使用编码器等以已知的方式来准确地测量主轴在机床的作业区域内的位置；这样的测量提供了在机器坐标系(x,y,z)中限定的主轴位置数据(本文中被称为“机器数据”)。机床的计算机数字控制器(CNC)8控制主轴2在机床的作业区域内的移动，并且还接收描述主轴位置(x,y,z)的机器数据。
扫描探针4包括使用标准的可拆除工具柄连接而附接到机床的主轴2的探针主体或者壳体10。探针4还包括从壳体突出的工件接触触针12。红宝石触针球14设置在触针12的尖端处，以用于接触相关联的工件6。触针尖端可以相对于探针壳体10偏斜，并且探针主体10内的传感器系统测量触针在局部或者探针坐标系(a,b,c)中的偏斜。由扫描探针获得的触针偏斜数据在本文中被称为“探针数据”。探针4还包括发射器/接收器部16，其与远程探针接口18的对应接收器/发射器部进行通信。以这种方式，在无线通信链路上将来自扫描探针4的探针数据(即，a、b、c数据值)发送给接口18。还提供通用计算机20，以从探针接口18接收探针数据。本示例中的扫描探针4和接口18可以包括如由英国格洛斯特郡Wotton-Under-Edge的瑞尼斯豪(Renishaw)股份有限公司制造的SPRINT测量探针系统。
在使用时，CNC 8运行沿着某个路径驱动扫描探针的部分程序；该路径通常被称为刀具路径，但是因为携带了扫描探针，而不是切削刀具，所以其更适当地被称为扫描路径。随着沿着扫描路径驱动扫描探针，获得探针数据(即，描述触针偏斜的a、b、c数据值)以及机器数据(即，描述扫描探针在机器坐标系中的位置的x、y、z值)。
对于某些机床而言，计算机20可以接收探针数据和机器数据以进行分析。在合适的校准等之后，可以对探针数据和机器数据进行组合，以提供限定工件的表面上的各点的位置的一系列测量结果。如在美国专利No.7,970,488中描述的，可以使用常用的定时信号将这样的数据集合方便地对齐。当要求对高价值、复杂零件(例如，涡轮叶片等)的高准确度测量时，这样的布置是合适的，这是因为传送和处理大量数据所花费的时间是可接受的。然而，对一些各种应用而言，快速测量循环时间是关键的。例如，在高产量加工应用中的工件定位和/或工件检查。现在将更具体地描述这样的工件定位和工件检查技术的例子。
参照图2，现在将描述使用参照图1描述的机床装置的工件定位测量过程的简单例子。在加工之前，通常使用工件定位过程来准确地定位机器体积中的工件。在该例子中描述的工件是顺序地装配到固定件上的一系列标称相同的工件中的一个。工件几何结构的改变与固定件的可重复性相组合使得机器坐标系中的实际工件位置轻微改变。因此，在加工之前需要对工件进行定位，以使得在相对于工件的正确的位置处利用切削刀具执行加工。
图2中示出的工件40包括大体上矩形的金属块，其被放置在机床的床身上的固定件42中。虽然固定件42的使用意味着以毫米的准确度来获知块的位置，但是要对工件40执行的随后的加工(例如，切削)操作需要以更大的准确度找出其位置和角度对准。
通过机床的CNC 8找出工件定位和角度对准，使得扫描探针4沿着第一、第二和第三扫描路径移动。第一扫描路径使得扫描探针的触针尖端沿着物体的长边缘44上的第一路径(P1)移动。第二扫描路径使得扫描探针的触针尖端沿着物体的短边缘46上的第二路径(P2)移动。第三扫描路径使得扫描探针的触针尖端沿着物体的上表面48上的第三路径(P3)移动。可以使得扫描探针沿着这些扫描路径中的每个路径以高速移动(例如，使用快速移动)。因此，可能在少到一至三秒内经过第一、第二和第三扫描路径中的每个扫描路径。
扫描探针4被启用以便在使得触针沿着第一、第二和第三扫描路径移动的同时收集探针数据。具体地，CNC 8可以被编程为在每个扫描路径开始时向扫描探针4(经由探针接口18)发送“启用”信号，以及在每个扫描路径结束时向扫描探针4发送“禁用”信号。随着使扫描探针沿着第一、第二和第三扫描路径移动，由此可以生成与测量的触针偏斜相关的第一、第二和第三探针数据集合。紧接着在接收到用于相关的扫描路径的“禁用”指令之后，可以将这些第一、第二和第三探针数据集合从扫描探针4经由探针接口18分别传递给计算机20。执行对这样的探针数据的生成和传输，而无需从机床交互或者接收数据，并且因此可以非常快速地执行探针数据到计算机20的传送。这应当与从机床接收机器数据或者其它信息形成对比，从机床接收机器数据或者其它信息可能是慢的(例如，由于慢的数据链路)或者在由CNC 8执行程序的某些时间段期间根本不可能。
工件定位过程的目的是为了在尽可能短的时间内收集和分析与工件位置相关的测量信息。然后将测量过程的结果(例如，与任何需要的方位或者角度校正相关的数据)提供给CNC 8，以使得相应地调整切削过程。虽然等待计算机20从机床接收信息的任何延迟可能仅是几秒或者几分之一秒，但是当短循环时间是关键因素时，这仍然可能是显著的。
如上所解释的，先前已经在美国专利No.7,765,708中提出，单独地对探针数据执行分析，从而避免对从机床向外部计算机传送机器数据的需求。然而，这仍然需要处理系统具有接收的探针数据的一些知识，以使得能够相应地处理探针数据。仅等待来自NC的关于扫描路径的信息可能引入对于工件定位应用而言显著的延迟。此外，从某些(例如，较旧或者较低规格)机床访问这样的信息是不可能的。
还应当注意的是，由瑞尼斯豪股份有限公司生产的Productivity+CNC插件系统具有利用一对匹配程序对CNC机床以及外部探测和处理系统进行预先编程的能力。CNC包含用于进行测量的程序，而外部编程系统包含用于分析该测量的程序。在这种情况中，用户必须确保这对匹配的程序在可能发生的任何设计改变过程中保持匹配。这可能提出逻辑挑战，并且可能导致失配的测量和分析程序，这是不期望的。
还已知的是，使用由CNC运行的“主”源程序执行定位测量。该主程序是用于控制CNC的移动的程序，但是其还将数据以及关于如何分析该数据的指令传送到执行必要分析的外部处理系统(不像CNC，其具有对大量数据进行复杂分析的计算能力)。该系统运行良好，但是可能在机床上的循环时间方面表现出用于传送数据的显著开销，尤其在使用诸如RS-232、文件轮询或者具有慢更新速率的软件连接的技术的情况下。
本发明的方法避免了在测量过程期间从CNC 8接收任何消息的需求(虽然可能仍然提供一些数据(如果需要的话))。相反，计算机20使用所收集的探针数据的特性来识别扫描路径的性质。在图2示出的例子中，将扫描探针的(a,b,c)轴与机床的(x,y,z)轴在标称上对齐。由此可以通过触针偏斜的方向，将扫描路径P1、P2和P3相互区分开。具体地，探针数据将显示出分别主要沿着扫描路径P1、P2和P3的b轴、a轴和c轴的触针偏斜。因此，在该简单的例子中，可以根据其来识别扫描路径的性质的探针数据的特性是触针偏斜的主要方向。因此可以利用可以单独地使用探针数据来确定测量下的特征的决策算法，来对计算机20进行编程。为了便于处理，计算机20可以假设其接收的任何探针数据与扫描路径P1、P2和P3中的一个扫描路径相关。
由此，本发明可以使用由机床的CNC运行的单个主程序来实现，但是并不需要与外部处理单元(即，本例子中的计算机20)的任何通信来限定分析目的。因此，减少了循环时间中用于通信的开销。以这种方式，扫描探针的使用可以显著地减少用于测量工件的循环时间，这是期望的，因为其增加了机器用于切削的可用性，并且因此使得能够在给定时间段中生产更大数量的工件。另外的益处是系统的部署变得更加容易，因为需要进行较少的配置来建立通信。
参照图3，将描述本发明的工件检查过程。工件检查通常用于在从机床移除完成的工件之前检验该工件的状态。虽然工件检查或者“机器上检验”(OMV)利用机床上的额外的循环时间(即，以测量工件)，但是当原本将变成废料的工件在机器上被识别出来并被矫正时，这将意味着所有过程上循环时间的总体的净节省。
图3示出工件140，其包括被放置在机床的床身上的固定件42中的大体上矩形的金属块。可能已经使用以上参照图2描述的技术，在由机床执行某些加工(即，金属切削)操作之前，确定了工件140的位置。执行的加工操作包括在工件140中钻圆形孔142，以及将材料从工件140的上表面148移除。
可以执行后加工检查测量，以检验已经从上表面148移除正确量的材料，以及圆形孔142具有正确的直径和圆度。机床由此可以使得扫描探针沿着第四和第五扫描路径移动，以检验加工操作。第四扫描路径使得扫描探针的触针尖端沿着工件140的上表面148上的第四路径(P4)在直线上移动。第五扫描路径使得扫描探针的触针尖端沿着第五路径(P5)以圆周运动移动，第五路径追踪围绕圆形孔142的内表面的路径。随着使扫描探针沿着第四和第五扫描路径移动，由此可以生成与测量的触针偏斜相关的第四和第五探针数据集合。
将第四和第五探针数据集合传递到计算机20。计算机20对探针数据进行分析，以查明数据是从线形扫描(例如，如果探针数据具有关于触针偏斜在扫描期间在基本相同的方向上在幅度上改变的特性)还是孔扫描(例如，如果探针数据具有关于触针偏斜在扫描期间旋转的特性)得到的。这使得能够识别出扫描路径的性质(即，其是涉及线形扫描还是孔扫描)。
在探针数据的特性已经用于识别扫描路径性质(例如，在该例子中，是线形扫描还是孔扫描)之后，可以相应地处理探针数据。在线形扫描的情况下，命令扫描探针沿着工件的表面上的路径移动，其中，触针相对于标称工件表面被偏斜已知且预定义的量。由此可以沿着表面上的线来计算材料状况(例如，与标称表面相比，实际表面的位置偏移)。还可以计算角度特性。应当注意的是，由于沿着表面的进给速率是未知的，所以角度特性可以被表示为例如在时间上经过的每秒的度数。还可以通过将探针数据拟合为函数来计算形状误差。可以对该分析的结果记录日志(例如，将其存储在机床之外的系统上)，以用于质量控制目的，或者可以将其发送回CNC以作为偏移应用以及用于随后的加工动作。
工件定位和检查技术的以上例子仅为了辅助理解本发明。对于要求非常高速检查或者工件定位的组件类型，已经发现在以下三种特征类型之间进行区分通常将是充分的：i)线形(提供材料状况、角度偏移和形状)，ii)圆形特征(提供材料状况、位置偏移和形状)，以及(iii)平面(提供材料状况、角度偏移和形状)。另外，可能存在出于其它原因生成的探针数据(其将区别于针对上述特征生成的探针数据)。例如，可以识别以下各项：(iv)探针校准刀具路径(其中，在随后的测量之前，已知特征被测量以及用于使探针的输出线性化)以及(v)用于自由形状的表面测量的原始数据。为了辅助识别，可以向CNC 8提供预定义的程序集合，该预定义的程序集合可以驱动刀具路径(即，扫描路径)来测量某些特征。这些程序可以是固定的，这意味着它们不会针对每个工件而改变。例如，可以从机床被预先编程以进行测量的预定义的特征集合来推断所测量的特征。
参照图4a-4c，将描述可以如何通过调整扫描路径来将性能特征引入探针数据中。具体地，已经发现在一些情况中，可能难以通过单独地分析探针数据来在某些特征类型之间区分开。例如，可能期望的是在标称圆形与标称椭圆形之间进行区分，因为失真的椭圆形可能被误解为圆形，反之亦然。还可能存在在工件的两个区域上的线形扫描之间进行区分的需求。在这些情况中，CNC机床刀具路径中用于测量的一些或者全部刀具路径可以被修改以便提供额外的“信号模式”。除了由单独地测量相关特征导致的触针偏斜之外，还提供该信号模式。
图4a示出具有固定到机床的床身的上表面148的工件240。如上所述，可以使用由机床的主轴携带的扫描探针来测量工件。在上表面148上扫描两条线性路径。第一线性扫描路径使得扫描探针的触针尖端沿着第一路径Q1以直线移动，并且第二线性路径使得扫描探针的触针尖端沿着第二路径Q2以直线移动。
第一路径Q1包括初始信号段S1，之后是测量段M1。第二路径Q2包括初始信号段S2，之后是测量段M2。
图4b示出扫描探针在其沿着第一线性扫描路径被驱动时被命令的z高度。可以看出，在测量段M1期间维持恒定的z高度，但是在初始信号段S1中设置z高度方面的两个阶跃(即，引起朝向表面的扫描探针运动以及离开表面的扫描探针运动)。在扫描探针沿着第一线性扫描路径被驱动时从扫描探针收集第一探针数据集合。
图4c示出扫描探针在其沿着第二线性扫描路径被驱动时的被命令的z高度。可以看出，在测量段M2期间维持恒定的z高度，但是在初始信号段S1中设置较低的z高度(即，使得扫描探针进一步进入表面)。在扫描探针沿着第二线性扫描路径被驱动时从扫描探针收集第二探针数据集合。
虽然测量段M1和M2产生不具有固有特性(使得它们能够相互区分开)的探针数据，但是信号段S1和S2产生具有不同的(可区别的)特性的探针数据。具体地，取决于扫描探针是沿着信号段S1还是S2被驱动，沿着扫描探针的c轴的触针偏斜包括双重阶跃或者单个阶跃。对探针数据的与扫描的初始信号段相关联的c轴偏斜特性的分析由此使得能够识别出扫描路径的性质(即，是经过第一路径Q1还是经过第二路径Q2)。
应当注意的是，来自信号段的探针数据可以包括有用的测量数据(即，用于提供工件的某种测量的数据)，或者其可以包括仅用于识别扫描路径的数据。虽然示出初始信号段，但是信号段可以设置在扫描路径结束处或者在扫描路径的中间部分内。
现在将参照图5和图6来描述对探针数据集合进行分析以识别该数据是在线形扫描还是圆形扫描期间收集的算法。该算法被布置为仅基于由扫描探针收集的(触针偏斜)数据来识别扫描的类型(即，线形还是圆形)。算法的输入是GML PointSet，其包含在CNC上运行的测量代码的单个段中的ENABLE ON(启用)与ENABLE OFF(禁用)指令之间收集的所有探针数据。这些状态位将指示由黑盒(black box)生成的错误标志。
该算法涉及以下步骤：
第一步骤包括对输入的探针数据集合进行修整，以从开始或者结尾移除任何不良数据(例如，在触针接触表面之前收集的未偏斜的点)。实际扫描的开始(以及结束)被看作是由第一(或者最后)系列的SCAN_START_CONSECUTIVE_POINTS(＝20)连续的偏斜的非不良点指示的。
第二步骤包括将基本过滤应用于经修整的探针数据集合。这是移动的平均过滤，其不参考任何表面标称的方向(其还不是已知的)。
第三步骤包括识别经过滤的数据点的任何主要的(overriding)方向。这通过识别经过滤的数据的最大连续子序列来实现，其中，所有偏斜在相同的Cartesian(笛卡尔)方向上。当识别该主要方向时，跳过任何不良的数据点。如果主要的方向是正Z，那么我们在表面的顶部上具有线形扫描。
如果在第三步骤中没有发现扫描探针已经在正Z上偏斜，那么执行第四步骤，其包括识别偏斜部分中的点是否形成围绕z轴的圆形(这在以下更详细地描述)。如果它们是这样，那么可以推断可以存在圆形扫描，否则其是线形扫描。在圆形的情况下，线围绕z轴进行的方向使得能够检测其是内圆还是外圆。具体地，逆时针圆表示外圆，而顺时针圆表示内圆。
如果第四步骤识别出线形，那么第五步骤假设标称偏斜已经被识别为第三步骤中找出的主要的方向。如果其是内圆或者外圆，那么基于扫描中的第一个偏斜的有效点的最大笛卡尔分量，来识别起始点。
现在将描述如何根据上述第四步骤对探针数据进行分析以评估其是由围绕圆形还是沿着线形的扫描路径得到的。具体地，在已经识别出扫描不是z偏斜(即，在第三步骤中)之后，以下条件用于识别扫描是圆形还是线形。将所有扫描点投射到X-Y平面。然后从经过滤的数据中的每个偏斜的非不良点到下一偏斜的非不良点绘制直线。然后找出由所得到的线围绕原点所对的角度。所对的角度是通过以下操作来高效地确定的：找出扫描中的第一点与最后的点之间的角度(其中，如果最后的点是从第一点围绕原点逆时针的，那么该角度是正的)，以及(a)针对整个线的从正y到负y跨越负x轴的每个直线段，加上2π，以及(b)针对从负y跨越到正y的每个这样的线段减去2π。如果该角度大于180度或者小于负180度，那么所得到的线分别是外圆或者内圆扫描。图6中示出圆分类。否则(例如，如果偏斜没有形成围绕z轴的圆)，那么其被识别为如图5所示的线形扫描。
应当记住的是，以上实施例是本发明的例子。本领域技术人员将知晓将根据本发明而可能的许多变型和替代方案。

Claims (18)

1.一种用于对由机床携带的扫描探针收集的探针数据进行分析的方法，所述探针数据是随着所述机床使得所述扫描探针相对于工件沿着扫描路径移动而收集的，其特征在于，所述方法包括：根据所收集的探针数据的特性来识别由所述机床使用的所述扫描路径的性质的步骤。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述识别所述扫描路径的性质的步骤包括：识别多个不同的扫描路径类型中的扫描路径类型。
3.根据前述任意一项权利要求所述的方法，其中，所述识别所述扫描路径的性质的步骤包括：识别多个不同的扫描路径中的扫描路径。
4.根据前述任意一项权利要求所述的方法，其中，所收集的探针数据的所述特性包括：所述探针数据的与所述工件的特征的测量相关的固有特性。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述扫描探针包括具有可偏斜触针的接触式扫描探针，并且所述固有特性包括触针偏斜的方向和/或触针偏斜的幅度的变化。
6.根据前述任意一项权利要求所述的方法，其中，所收集的探针数据的所述特性包括探针数据的变化，通过引入到所述扫描路径中的一个或多个变化提供所述探针数据的变化以使得所述扫描路径被识别。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，由所述机床使用的所述扫描路径包括：产生具有可识别特性的探针数据的至少一个信号段。
8.根据前述任意一项权利要求所述的方法，其中，所收集的探针数据包括：在所述机床向所述扫描探针发出开始收集探针数据的指令与发出停止收集探针数据的指令之间收集的离散的数据点集合。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所收集的探针数据的所述特性包括：所述数据点集合内的数据点的数量。
10.根据前述任意一项权利要求所述的方法，其中，探针数据是随着所述机床使得所述扫描探针相对于所述工件沿着多个扫描路径移动而收集的，其中，所述多个扫描路径中的每个扫描路径的性质是根据从每个扫描路径收集的所述探针数据的特性而识别的。
11.根据前述任意一项权利要求所述的方法，包括：对所述探针数据进行分析以提取测量信息的另外的步骤，其中，对所述探针数据执行的分析的类型是根据所识别的所述扫描路径的性质而确定的。
12.根据前述任意一项权利要求所述的方法，其中，所述根据所收集的探针数据的特性来识别由所述机床使用的所述扫描路径的性质的步骤是在所述机床外部的处理器上执行的。
13.根据前述任意一项权利要求所述的方法，其中，所述扫描探针包括具有可偏斜触针的接触式扫描探针、以及用于测量所述触针的偏斜量的至少一个传感器。
14.一种计算机程序，其包括在合适的计算机上被执行时实现根据前述权利要求中任一项所述的方法的指令。
15.一种用于对由机床携带的扫描探针收集的探针数据进行分析的装置，所述探针数据是随着所述机床使得所述扫描探针相对于工件沿着扫描路径移动而收集的，其特征在于，所述装置包括：处理器，其根据所收集的探针数据的特性，来识别由所述机床使用的所述扫描路径的性质。
16.一种用于对由机床携带的扫描探针收集的探针数据进行分析的方法，所述探针数据是随着所述机床使得所述扫描探针相对于工件沿着扫描路径移动而收集的，所述方法包括：单独地使用所收集的探针数据来识别由所述机床使用的所述扫描路径的性质的步骤。
17.一种用于确定针对在机床内安装的工件的一个或多个作业偏移校正的机床设置方法，所述方法包括以下步骤：
a)使用所述机床，相对于工件沿着预定义的扫描路径驱动扫描探针，所述工件已经被放置在所述机床内的标称位置上，
b)在所述扫描探针沿着所述扫描路径被驱动的同时，从所述扫描探针收集指示所述工件的表面相对于所述扫描探针的位置的探针数据，以及
c)将所获得的探针数据与在所述物体被放置在标称位置和方位上的情况下将预期的探针数据进行比较，以生成用于提供给所述机床的一个或多个作业偏移校正，
其中，步骤(c)包括根据所获得的探针数据来识别由所述机床使用的所述扫描路径的性质的步骤。
18.一种用于如上文参照附图大体上描述地对探针数据进行分析的方法。
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