CN108871246A - 触摸触发探测器 - Google Patents

Abstract

触摸触发探测器。一种用于坐标测量机的触摸探测器，该坐标测量机具有处理器，该处理器被编程为每当多个位移信号中的一个位移信号超过相应的阈值时产生触发信号，该触发信号用信号通知探测器的触针与工件之间的接触。另外或另选地，基于对存储在缓冲器中的位移信号的多个样本的处理来产生延迟的触发。该处理器被编程为使探测器响应的各向异性最小化。此外，阈值可以在操作期间基于从CMM控制器接收的命令来修改。

Description

触摸触发探测器

技术领域

本发明在实施方式中涉及用于测量工件上的点的坐标的触摸探测器，该触摸探测器将与坐标测量机(CMM)或另一精确的坐标定位系统组合使用。

背景技术

触摸探测器在尺寸度量领域是已知的。在通常情况下，接触探测器(probe)可拆除地安装在坐标机的移动平台上，并且该机器被编程为通过为该任务而设置的探测件(feeler)使该触摸探测器与工件接触。该探测件通常由位于细长触针(stylus)顶端的精确的红宝石球体组成，并且当其触摸工件时，探测器触发指示发生了接触的电信号。该信号被发送到控制单元，该控制单元记录移动平台的瞬时位置并且计算在工件上的接触点的坐标。

扫描探测器用于沿着表面上的路径获取多个坐标点，该探测器在该表面上滑动而不失去接触。与触发器类似，其安装在坐标测量机上，但不是产生数字触发，而是产生偏转信号，其为探测件从其静止位置的偏转的度量。探测器可以以一、二或三个坐标轴来记录偏转。

在已知形式的触发器探测器中，例如如在EP0764827、US4270275或US6760977中，触针固定在支撑件上，该支撑件具有三个对称布置的径向销子，各径向销搁置在与探测器的主体一体地结合的两个球体上。这种构造由与六个独立接触点的均衡连接构成；因此准确地定义了触针相对于探测器的主体的相对位置。当销子中的一个升起离开其通常被搁置在的两个球体时，会产生触发信号，从而中断了两个球体之间的电接触。这些结构简单的探测器将可靠性和准确性组合，但受到很多限制。具体地，探测器对外力的灵敏度不是恒定的，而是根据其方向而变化，在与三个销子的方向相对应的横向(transverse)平面中呈现三个瓣，并且对轴向运动的灵敏性与对横向运动的灵敏性不同。灵敏性的这种变化对触摸触发的可重复性是不利的，因此对测量的质量是不利的。例如在EP1610087或DE3713415中描述的，改变销子的排布可以减小这种各向异性，但不会完全消除它。

欧洲专利申请EP0360853教导了一种传感器，其中用应变仪取代了电路，该应变仪对施加的力直接敏感。专利US8140287描述了通过合适的校正矩阵来校正这种构造的探测器的响应中的各向异性的方式。

在其他实施方式中，例如在文献US5435072和EP0415579中描述的探测器中，触针和被测量部件之间的接触由振动传感器或光学传感器来检测。

EP2629048提出了一种不同类型的触摸探测器，既可以用作触发器又可以用作扫描探测器，其中通过点光源在图像传感器上投射的光的分布变化来导出接触和偏转。US9157722描述了一种触摸探测器，其触发阈值响应于嵌入的加速度计的输出而被修改。

US7124514和US9618312公开了具有多个检测器的触摸探测器。这些装置是扫描探测器并且不产生触发信号。

发明内容

由于独立权利要求的特征，即用于对对象表面上的点的坐标的尺寸测量的触摸探测器，本发明提出了一种没有上述缺点并且表现出低或者不具有各向异性的触摸探测器，所述触摸探测器包括：固定构件，该固定构件具有连接元件，该连接元件用于将所述固定构件安装到坐标测量机的定位平台；触针保持件，该触针保持件弹性地连接到该固定构件并且包括基准元件；在该触针保持件上的触针；一个或更多个传感器，所述一个或更多个传感器被设置成响应于由所述触针与所述对象之间的接触引起的所述基准元件相对于所述固定构件的运动来产生位移信号或多个位移信号；数字处理器，所述数字处理器接收由一个或更多个传感器产生的位移信号或多个位移信号，所述处理器被编程以产生表示触针保持件在不同方向上的运动的多个有向位移信号，并当所述有向位移信号中的任一个的幅度超过对应阈值时，产生多个触发信号。

从属权利要求处理可能的实施方案变型例。

其他方面

另一种可能的独立的变型例涉及一种用于对象表面上的点的坐标的尺寸测量的触摸探测器，其中，微控制器被布置成产生延迟的触发信号，该延迟的触发信号由探测件与工件之间接触的时刻被推迟预定量。更具体地说，该探测器可以包括：固定构件，该固定构件具有连接元件，该连接元件用于将该固定构件安装到坐标测量机的定位平台；触针保持件，所述触针保持件弹性地连接到固定构件并且包括基准元件；在所述触针保持件上的触针；一个或更多个传感器，所述一个或更多个传感器被布置为响应于由所述触针与所述对象之间的接触引起的所述基准元件相对于所述固定构件的运动而产生位移信号或多个位移信号；数字处理器，所述数字处理器接收由所述一个或更多个传感器产生的位移信号或多个位移信号，所述处理器被编程为基于在多个时刻取得的位移信号或多个位移信号的多个样本产生触发信号，该触发信号用信号通知所述触针与所述对象之间的接触。

触摸探测器在这种情况下可以包括存储器或缓冲器，该存储器或缓冲器存储多个样本。处理器被编程以使用的位移信号或多个位移信号可以表示基准元件沿一个、两个或更多个独立轴线的相对运动。

多个样本可以被馈送到低通线性或非线性滤波器，例如移动平均(runningaverage)中值滤波器、IIR/FIR滤波器、Savitzky-Golay自适应滤波器，具体地具有比50Hz高的截止频率，优选地比100Hz高的截止频率。可以选择滤波器来衰减由已知噪声源产生的某些频率。处理器可以基于所计算的范数来确定是否产生触发，范数例如探测器顶端、探测器保持件、或位移矢量的位移的欧几里德范数。只有当预定数量的样本或连续样本超过阈值时，或者当位移信号或多个位移信号的两个连续样本或测量信号的两个连续样本超过第一阈值电平、相应地第二阈值电平，才可以产生触发。另选地，通过如由微处理器检测到的位移信号或多个位移信号中的特定信号形式的出现可以产生触发。

处理器可以被设置成生成延迟的触发信号，该延迟的触发信号从触针与对象之间的接触推迟了延迟间隔，可变的延迟间隔包括常数项和斜率相关项，所述斜率相关项在处理器中基于位移信号或多个位移信号的时间导数或测量信号的时间导数来计算。

生成延迟的触发可以包括信号与其自身的反转且延迟副本求和，以及将所得的和与可以为零的预定阈值进行比较，以生成延迟的触发信号。

触摸探测器可以被编程为基于在多个时刻采集的位移信号或多个位移信号的样本来确定禁止条件，并且在禁止条件为真时否决触发的生成，并且触摸探测器可以包括数据接口，该数据接口适于将在多个时刻采集的位移信号或多个位移信号的样本远程地上传到主机系统，该主机系统可以包括该数字处理器。样本的缓冲也可以在每次触发时被上传到主机系统。

附图说明

借助于实施方式的描述，将更好地理解本发明，实施方式以示例的方式给出并由附图示出，其中：

图1示意性地示出了根据本发明的触摸探测器的结构；

图2以示意框图例示了本发明探测器的成像单元和处理器；

图3例示了触发生成方法；

图4描绘了在不同的接近方向的三个不同接触中测量的探测器的偏转；

图5示意性地例示了本发明的探测器的部件的位移；

图6是自适应触发阈值的曲线图；

图7例示了触发生成的另一方法；

图8例示了补偿延迟的产生；

图9描绘了信号处理和触发产生的仿真；以及

图10描绘了当触摸探测器接近工件以与该工件接触然后离开时由该触摸探测器产生的信号。

具体实施方式

探测器的结构

图1示意性说明根据本发明的一个方面的触摸探测器的结构。探测器100包括探测件，该探测件在该示例中由细长触针45以及在其顶端的校准球体47组成。在本发明的体系中可以使用其他形式的探测件，例如球体47可以由盘替换，并且触针45不必须是直的，并且可以具有多个交叉的臂。

触针附接到触针保持件40。优选地但非必须地，触针和保持件之间的连接使得该触针可以根据需要容易地卸下并用另一个替换。在优选实施方式中，该触针磁性附接到保持件40。

探测器100的壳体62固定在定位平台95上，该定位平台95可以是坐标机的套筒，该坐标机根据CMM控制器30的指令而能够在空间中运动的坐标机。探测器100和定位平台95之间的连接可以采取各种形式，图1中表示的螺杆是其最常见的实现方式。

触针保持件40通过弹性构件35连接到固定构件62，使得当探测件触摸工件80时，保持件40将从其静止位置相对于固定构件62运动。探测器保持件的运动将由触摸47的位移的幅度和方向来确定。在侧向(lateral)接触中，保持件将旋转，并且在轴向接触时，保持件将轴向上升。

探测器光学地检测顶端的微小运动：当触针触摸并推压工件时，弹性元件35弯折并且保持件40从其标称静止位置三维地运动。保持件40承载了光学基准元件48，光学基准元件48与触针45相对并且在探测器内部，由成像装置73观察光学基准元件48的位置。在特定实施方式中，弹性元件35相对较硬，并且它们的形变通过设计而限制于几个微米。包括磁接触件和安全弹簧的安全机构在探测器不应变的情况下允许触针进一步倾斜。如果倾斜增加超出安全范围，触针将从探测器主体脱落。

传感器包括光学基准元件48和成像装置73。然而，也可以使用不同类型的传感器。例如，可以使用磁、霍尔效应、电容或电感传感器来测量触针顶端的三维位移。或者，可以使用多个线性编码器(光学、电感、电容或磁)或应变仪来沿不同方向测量测量位移。

优选地，基准元件是发光二极管(LED)48。触针顶端47的每次运动都产生LED48的相应运动。LED透过光学掩模76照射其上方的光学传感器电路73。

LED 48跟随触针相对于探测器主体的运动，使得触针的任何偏转都必然引起LED从其标称位置的位移。沿着探测器的轴线(我们将通常用z表示)的位移具有与沿着坐标x和y的横向运动不同的动能(kinematics)。弹性元件35起到横向运动(x，y)的支点(fulcrum)的作用，但是在轴向运动(z)不改变的情况下传递轴向运动(z)。因此，LED的轴向运动和探测器的顶端的轴向运动基本是相同的，但由于触针的长度于在LED和旋转中心之间的距离之比，横向运动将被缩放。

引入各向异性的另一个作用是触针的弯曲。细长触针在被侧向推挤时实际上是相当柔性的，而当接触力为轴向时则柔性小得多。其结果是，当顶端在横向平面(x，y)上偏转时，LED 48的对应偏转比上述简单几何推理所预测的小。这种作用通常可以忽略，但是如果触针45特别长或柔性时则会是相当可观的。

触摸探测器具有控制单元70，该控制单元70被编程以从图像确定并测量基准元件48相对于正常静止位置的运动，从中判断球体47是否已经触摸工件80，并且在这种情况下生成用于CMM控制器30的触发信号79。本申请人的专利申请EP2629048更详细描述了该配置。

图2示意性地例示了成像装置73和处理器70。在特定实施方式中，图像处理在两个分开的集成电路中执行。第一集成电路是包括被预编程的数字处理器71在内的ASIC 74，该数字处理器71包括相关单元和CORDIC数学和三角函数单元；以及在同一硅片上的图像传感器73。可编程微控制器72完成图像处理系统。但是，其他构造也是可能的。

ASIC 74处于与探测器的纵向轴线z正交的横向平面中，所述横向平面包括x和y方向。直接在LED 48上方的点利用十字标记。其通过观察由该LED透过周期性微透镜阵列76在表示为L和R的光电二极管的两个阵列上投影的照明图案来测量LED的微小运动。

左和右阵列在y上对齐并读出相同的y值。在另一方面，任一阵列上的x位置被视差移位了阵列之间的x间隔。这用于提取第三坐标z。

更具体地，ASIC 74中的预处理器71针对每个阵列计算照明图案在x和y上的位置。其生成数字值，所述数字值在被表示为(x_L,y_L)和相应的(x_R,y_R)的两个坐标表示相对于静止位置的、图案的位置。这些值由预处理器71以预定的速率实时连续地计算，预定的速率例如每25μs。

微控制器72读取值(x_L,y_L)、(x_R,yR)，并生成通知CMM触针已经触摸工件的触发信号。为此，微控制器内部地计算3D坐标x,y,z：

·x通过将左值和右值相加来获得；

·y取等于y_L(y_R，或平均也可以)；

·z由x_L和x_R之间的差给出。

优选地，预处理器71和微控制器被设置成使得x,y,z的值直接以公共合适的单位提供，例如以纳米为单位。然而，如果不是这种情况，则微控制器72可以被编程以引入必要的转换。

每当有新的值可用时，即以预处理器71所定义的速率或以不同的速率，可以重复x,y,z的计算。重要的是，微控制器包括用于存储x,y,z信号的多个样本的存储器区域72.4。该存储器区域可以被设置成环形缓冲器，其以规定的时间间隔存储LED 48的位置。例如，存储器区域在x、y和z上具有128个样本的深度，存储大约3ms持续时间的数据。该存储器区域用于对信号进行滤波或对触发时刻进行时间移位，如稍后将要描述的，但也可以在每次触摸之后传送到CMM控制器30，从而允许基于x,y,z上的偏差曲线来离线地校正接触点的坐标。

在另选实施方式中，嵌入在探测器中的微控制器可以通过将位移数据存储在合适的缓冲器中来简单应对，该位移数据被传送到起到主机系统的作用的CMM控制器30，并且触发的计算在主机系统中进行。

方向无关的触发

通过创建有向触发信号，如图3所示，获得与接近方向近似无关的触发。图5例示了位移的几何。接触沿着位移矢量移动LED 48，该位移矢量的分量x，y，z在任何时刻对于微控制器都是已知的。处理器计算偏差的轴向分量和横向分量：d_a＝|z|以及其为二维矢量(x,y)的欧几里得范数。其中，这些中的每个与单独的阈值进行比较：t_a针对轴向偏差，以及t_t针对横向偏差。当d_a≥t_a或d_t≥t_t时，触发信号被发送给CMM。通过选择合适的阈值可以减少预先行程的变化。使用长的触针，t_a将被选择为逐渐大于t_t。优选地，CMM控制器30向探测器微控制器72传达触针的长度。通过这种方法，可以使预先行程对于侧向接触和轴向接触而言相当；但是，对于倾斜角，预先行程将较大。

图4描绘了在探测件47和球形基准主体之间的三次不同触摸中随着时间而变化的偏差d。曲线230对应于轴向接触，其中，探测器沿“z”方向向下运动并且LED 48和触针顶端47移动相同的量。曲线210是侧向接触期间的位移：探测件47在包含基准球体的中心在内的水平面内运动，由于以上提到的触针尖端和LED之间的杠杆臂，偏离曲线要浅的多。曲线220代表中间的倾斜接近。当曲线跨过水平阈值线d＝t_t时，在点305处生成横向触发，而当偏差跨过线d＝t_a时，在稍后时刻306生成轴向触发。

预先行程的横向分量的一部分归因于不被光学传感器测量的触针的弯曲。对于长的触针，由于弯曲而导致的预先行程可以比针对刚性触针的预先行程占优，其依赖于后者的材料和几何形状。为了补偿该弯曲，可以比例地增大针对轴向触发t_a的阈值，以使预先行程与横向的相等。

在优选的变型例中，为了使预先行程更统一，阈值中的至少一个的值不是恒定的，而是由处理器基于有向位移的值来计算的，例如，可以根据d_a的值来选择t_t的值，当d_a接近t_a时逐渐变小，如图6所例示。另外，在这种变型例中，探测器微控制器72可以根据arctanθ＝d_t/d_a计算接近角θ(方位)，并且根据θ来减小阈值t_t。

如从图4可见，位移信号不平滑并且受噪声影响。除了传感器系统的噪声，CMM的振动和诸如“接触反弹”等作用也会在位移信号中引入波动，这转而导致误触发。为了保持触发阈值尽可能低，对于准确的接触检测，必须通过其他方式消除误触发。例如，可以使用位移的移动平均或指数平滑(分别在轴向方向和横向方向上)来测量噪声电平，并且如果该噪声电平超出预设阈值则否决触发。通过要求两个或更多个连续位移测量结果高于阈值，可以消除由尖峰造成的误触发。

静止位置处的x，y，z位置的移动长期平均也用于限定静止时传感器的基准位置。具体地，这种平均补偿了传感器中长期漂移，其例如由于温度变化而引起。从样本中减去该平均值以计算传感器的位移。在检测到触发时的接触时段期间停止该平均，以维持最后基准位置，并且当接触结束时恢复该平均。

探测器微控制器70可以应用较复杂的滤波器，例如，IIR或FIR或中值滤波器，其使用存储在存储器中的顺序测量结果。此外，可以将不同的滤波器参数应用于每个测量方向，以将轴向方向以及横向方向上的不同的振动模式考虑在内，所述滤波器参数诸如系数或截止频率。通常，针对轴向振动的频率比横向的高。

优选地，触发信号由嵌入在触摸探测器中的微控制器70生成，并且通过连接件65(图1)被传送到CMM控制器30。连接件65还向探测器提供电力。然后，可以将本发明的探测器用作传统机电触发探测器的直接替代，而在CMM中几乎没有变化或没有变化。微控制器可以被设置成通过减小沿着导线79流动的电流达预设的持续时间，其模拟机电开关的打开，来用信号通知触发。在另一个变型例中，探测器保持件的位移信号被存储在探测器中的缓冲器中并且在每次触发之后被上传到主机CMM以被处理。

一个另选的触发产生可以基于LED从其静止位置的绝对位移，该绝对位移通过欧几里得范数来计算，该欧几里得范数在微处理器中被实时计算。

连接性和预先计算

连接件65还直接或通过探测器接口(未示出)从CMM控制器30向探测器发送数字数据。在这种情况下，触摸探测器包括能够从CMM控制器接收指令和数据以及向CMM控制器发送指令和数据的合适的通信接口。简单的协议(诸如，1线(1-wire))可以用于将触发参数，诸如阈值，以及滤波器参数发送输给探测器微控制器。参数对于所使用的每种类型的触针而言是预先确定的，并且考虑触针的长度、刚度和几何(例如，直的或“星”形的)。触发参数，具体地阈值，也可以在CMM的操作期间被修改。例如，在CMM从一个测量点快速移动到下一测量点期间，CMM发出信号(通常称为“阻尼”或“正在阻尼”)，该信号可以被传送给探测器微控制器，这转而增大阈值以避免误触发。通过连接件65中的电流的不同持续时间的下降，可以将阻尼时段的开始和结束用信号通知给微控制器。可选地，CMM控制器还可以向探测器微控制器用信号通知以降低阈值来以提高在低接近速度下的测量的准确性。

当探测器分析触针在不同方向例如轴向方向和横向方向上的位移时，应用于每个方向的滤波器的截止频率和参数优选地可以单独设置。

在优选实施方式中，探测器微处理器可以访问永久存储器(例如，闪存)，该永久存储器存储了针对触针的多个长度和构造(即，触针为直的、钩状、还是星形)的预先计算的横向和轴向阈值(t_t和t_a)。永久存储器还可以包括针对每个触针组合的其他触发参数，其中包括滤波器的参数。

存储在永久存储器中的阈值和参数与微控制器的固件一起可以是工厂加载的、在软件维护中升级、从CMM控制器上传或以任何适当的方式修改。

优选地，预先计算的阈值和参数被组织成类似查找表的索引结构，以便于取得。在测量过程开始时，用户在CMM管理软件中指示附接到探测器的触针的长度的类型，或者如果系统允许，则CMM管理软件自动得到该信息。CMM管理软件将配置命令发送到探测器。该命令可以用遍历控制器装置的多个层，如：主CMM控制器、探测器接口、以此类推，并且最终通过1线接口或其他等同的简单协议传送到探测器微控制器。有利地，配置命令可以不完整地指定阈值和参数，而是如果在探测器的永久存储器中有预先计算的合适的值，则通过其索引来识别它们。

通过估计生成横向触发所需的在X-Y平面中的横向位移，可以预先计算横向阈值。在该计算中包含了几何参数，如杠杆臂的长度和触针的侧向弯曲。然后计算与沿着Z轴的相当的位移对应的轴向阈值t_a。不要求侧向位移和轴向位移精确相等，因为这样会产生过大的轴向接触力，特别是对于较长的触针。其他阈值计算方法在本发明的体系中是可能的。

轴向阈值t_a可以在生产期间的探测器鉴定过程中或以规定的间隔被修改，从而将机械刚性和/或传感器灵敏性的变化考虑在内。通常，测量校准球体的表面上的足够的点集合，并且根据接触的方位和仰角来确定从拟合半径的偏差。阈值t_a可以被经验地修改，以改善在垂直接触中测量的误差。经调谐的阈值被存储在预先计算的阈值的表中，或者另选地，集体校正参数被存储在探测器的永久存储器中。

滤波

这样计算的偏差信号包括横向位移d_t、轴向位移d_a和欧几里得范数位移d_e以及捕捉保持件从其静止位置的微小运动的任何其他信号，其不可避免地受到电子和振动噪声的影响，通过考虑在不同时间取得的多个样本，例如通过数字滤波器，可以减轻该噪声。已经给出良好结果的简单滤波器由具有相同系数的4个连续样本的移动平均组成，但是其他滤波器，优选地具有在50Hz和100Hz之间的截止频率的滤波器是可能的并且可应用的。

存储器72.4中的顺序数据也可以用于对探测器操作进行质量检查。例如，围绕经滤波的均值的测量结果的分散程度可以指示噪声环境或不可靠的探测器操作。探测器微控制器70可以向CMM控制器发送标志了质量较差的数据的信号。

通过将可能经滤波的偏差信号d与预定阈值d₀进行比较获得第一级(即时)触发信号。机器在接触时刻与产生触发的时刻之间可以移动的距离或预先行程越短，CMM的测量就越精确。由于该原因，阈值d₀被选择为实践上尽可能低，但不能低到导致过多数量的由噪声引起的误触发。

触发时间补偿

优选地，本发明的探测器被设置成通过可变延迟来校正触发时刻以减小接触时刻和触发时刻之间的分散，该可变延迟是基于所存储的偏差值而针对每次触发计算的。图7以流程图例示了该过程，现在将参照图8描述计算补偿延迟的可能方法。

图8是图4中绘制的真实接触的理想化表示。表示了四个偏差曲线251，由于接触几何和接近速度，各具有不同的斜率。在每种情况下，偏差在同一时刻305超过第一级触发阈值，但是实际接触在相对于触发时间不同地提前的时刻201已经发生。探测器被编程以根据所存储的样本确定偏差的斜率并且依赖于该斜率计算可变延迟，使得最终触发在点301处被断言，点301在接触点201之后被推迟了固定量。可以以与微控制器72的计算资源兼容的各种方式确定延迟，例如通过偏差曲线的线性外插来估计接触时间201并且添加所确定的固定延迟。

该方法的优点是第一次接触和最终触发之间的延迟是恒定的，其与触针长度、方向和接近速度无关。因此，在触针的弯曲可被忽略的意义上，对于给定的接近速度，预先行程是恒定的，与触针长度和接近方向无关。

另选地，接近速度可以由CMM控制器30传送给探测器微控制器72，其相应地调节延迟。因此，为了避免过度的预先行程，针对较高的速度而缩短延迟。在另一另选方案中，CMM控制器30可以向探测器微控制器传送接近速度和触针长度这二者。使用这两个参数，微控制器72可以从偏差斜率提取接近角(方位)。计算出的延迟随后可以根据方位被调整，以将由于触针的弯曲而导致的预先行程考虑在内。

在本发明的另一变型例中，接触时刻201和最终触发301之间的可变延迟不是通过时间移位而是通过对信号进行整形操作来创建的，如参照图6和图7所解释的。

图9示出了整形操作，该整形操作由以下处理组成：创建初始偏差曲线251的延迟和反转副本253，然后将其与初始曲线251相加以获得相加后的波形257。相加后的波形257与预定触发电平进行比较，该预定触发电平可以为零。在这种情况下，由于预计该偏差会直线上升直到CMM停止为止，所以反转信号253被乘以固定增益因子，以允许相加后的波形257快速返回到零。然而如果由于先前的滤波步骤而使偏差曲线具有其他形状，则可以省略该缩放。

如果偏差d(t)通过线性斜坡来近似，并且延迟曲线253被推迟了时间δ317并且被乘以因子–a，则相加后的曲线257在由a/(1-a)·δ给出的时间301返回到零，其与原始信号251的斜率无关。这种生成不受斜率变化影响的被延迟的触发的方式不限于线性斜坡，而是适用于一大类的信号形状。在计算上，该操作不是特别繁琐，可以被实现为二阶FIR滤波器。在该变型例中，在触针的弯曲可被忽略的意义上，对于任何接近速度，预先行程再次与接近方向和触针长度无关。

前向和后向触发

根据本发明的另一方面，探测器可以生成两个接触触发：第一次为探测器接近工件以与其接触时，再一次为当它反向移开时。在两个触发时刻记录的CMM位置可以被取平均以获得较精确的接触点坐标。触发可以被时间补偿，正如前面部分所讨论的那样，或者不补偿。

图10例示了触发产生：随着时间而变化绘制了横向偏差。点表示在微处理器存储器中缓冲的顺序传感器位置。应该注意的是，该图作为示例呈现了横向偏差，但对于轴向分量也可以重复相同的情况。

当触针触摸工件时，偏差近似直线地增大，增大速率与接近速度成比例。在偏转超过横向触发值t_f的t＝T_f处产生触发。CMM记录在t＝T_f处的位置，减速至停止，并将其运动反向。通常，偏转在该时间段内是非线性的，并且当触针45相对于保持件40运动并且传感器基准丢失时可能是无效的。但是，当触针复位在保持件上时，传感器将继续记录偏转，其随着探测器移开而减小，如果回退速度比接近速度快，则可能具有较陡的斜率。在偏转再次跨过反向阈值的t＝T_r处生成第二(反向)触发，该反向阈值可以与图中所示的针对前向接近的阈值相同或者是另一预定的反向阈值。CMM再次地记录在t＝T_r处的位置，并沿着其编程路径继续而不减速。t＝T_f处和t＝T_r处的两个位置可以被取平均以获得较准确的接触点。

这种一个接触运动期间的双触发方法与在前向运动中测量同一点两次相当，但它快了两倍。如果触针没有正好在初始位置被复位在保持件上，则由于修改的传感器基准，因此前向位置和触发位置之间会出现偏移。然而，在所有测量结果中存在这样的偏移，因为触针在接触期间通常非固着。

偏移平均和补偿

在与工件接触期间，由相对于保持件，触针的提升和复位引起的传感器的静止位置的偏移可以达到几分之一微米。可以计算该偏移，例如通过将接触之前和接触之后的x，y，z测量结果的两个短期平均(例如，5-10个样本)进行比较。两个短期平均值之间的差是复位偏移的估计，并且可以被加到长期平均以补偿该误差，和/或用于诊断目的。

在附图中使用的附图标记

30 主机系统(CMM控制器)

35 暂停

40 触针保持件

45 触针

47 触摸

48 基准元件LED

62 固定支撑件

65 连接件(M8螺纹)

70 数字处理器

71 CORDIC

72 微控制器

72.4 存储器

72.6 数学逻辑单元

73 成像装置

74 ASIC

76 掩模

79 触发信号线

80 工件

90 桌子

95 定位平台

100 触摸探测器

105 触发产生例程

110 图像获取步骤

120 相关、插值、和视差步骤

122 偏差计算

125 数据存储

130 滤波步骤

135 整形步骤

14 与阈值比较

150 插入可变延迟的

160 产生触发信号

201 接触时刻

210 偏差、侧向(0°)接触

220 偏差、倾斜接触

230 偏差、轴向(90°)接触

251 偏差曲线

25 延迟间隔

271 接近触发

273 回退触发

301 触发

305 横向偏差曲线上的触发

306 轴向偏差曲线上的触发

317 反转信号的延迟

320 总触发延迟

Claims (17)

1.一种用于对象表面上的点的坐标的尺寸测量的触摸探测器，该触摸探测器包括：

固定构件，该固定构件具有连接元件，该连接元件用于将所述固定构件安装到坐标测量机的定位平台；

触针保持件，该触针保持件弹性地连接到所述固定构件并且包括基准元件；

在所述触针保持件上的触针；

一个或更多个传感器，所述一个或更多个传感器被设置成响应于由所述触针与所述对象之间的接触而引起的所述基准元件相对于所述固定构件的运动来产生多个测量信号；

数字处理器，该数字处理器接收由所述一个或更多个传感器产生的测量信号，所述处理器被编程以产生表示所述触针保持件在不同方向上的运动的多个有向位移信号，并且当所述有向位移信号中的任一个有向位移信号的幅度超过对应阈值时，产生触发信号。

2.根据权利要求1所述的触摸探测器，其中，所述数字处理器被设置成产生表示所述触针保持件沿着所述探测器的总体上纵向的轴线的运动的轴向位移信号和表示所述触针保持件在与所述总体上纵向的轴线正交的方向上的运动的侧向位移信号，并且当所述轴向位移信号超过轴向阈值或者所述侧向位移信号超过与所述轴向阈值不同的侧向阈值时产生触发信号。

3.根据权利要求1所述的触摸探测器，其中，所述处理器被设置成基于所述有向位移信号或基于所述横向位移与所述轴向位移的比来计算至少一个阈值的值。

4.根据权利要求1所述的触摸探测器，所述触摸探测器包括存储器或缓冲器，所述存储器或所述缓冲器存储所述多个样本，其中，所述测量信号或所述位移信号的计算包括移动平均或低通滤波器，具体地，具有比50Hz高的截止频率的低通滤波器，优选地所述截止频率比100Hz高。

5.根据权利要求4所述的触摸探测器，其中，具有不同截止频率的独立的移动平均或低通滤波器被分别应用于每个测量方向。

6.根据权利要求1所述的触摸探测器，其中，测量信号或位移信号的计算包括范数，具体地欧几里德范数。

7.根据权利要求1所述的触摸探测器，其中，所述处理器被编程为当位移信号或测量信号的预定数量的连续样本超过预定阈值时产生触发信号，所述样本的所述预定数量是一个或超过一个。

8.根据权利要求1所述的触摸探测器，其中，所述处理器被编程为产生延迟的触发信号，所述延迟的触发信号从所述触针与所述对象之间的接触起延迟了延迟间隔。

9.根据权利要求8所述的触摸探测器，所述延迟间隔包括常数项和斜率相关项，该斜率相关项在所述处理器中基于所述位移信号或所述多个位移信号的时间导数或所述测量信号的时间导数来计算。

10.根据权利要求9所述的触摸探测器，其中，所述有向测量信号的计算包括信号与其自身的反转且延迟副本求和，以及将所得的和与预定阈值进行比较以产生延迟的触发信号，该预定阈值能够为零。

11.根据权利要求1所述的触摸探测器，其中，所述处理器被编程为基于在多个时刻采集的所述测量信号的样本或所述位移信号的样本来确定禁止条件，并且在所述禁止条件为真时否决触发的产生。

12.根据权利要求1所述的触摸探测器，所述触摸探测器包括数据接口，所述数据接口适于将在多个时刻采集的所述位移信号的样本或所述多个位移信号的样本上传到主机系统。

13.根据权利要求12所述的触摸探测器，其中，所述数字处理器位于所述主机系统中。

14.根据权利要求1所述的触摸探测器，所述触摸探测器包括缓冲器，所述缓冲器存储所述位移信号的样本或所述多个位移信号的样本的时间序列，所述缓冲器能够被编程为在每次触发之后将所述缓冲器的内容上传到主机系统。

15.根据权利要求1所述的触摸探测器，所述触摸探测器包括能够从CMM控制器接收指令的通信接口，所述触摸探测器被设置成响应于从所述CMM控制器接收的信号而在测量操作期间修改一个或多个阈值，可选地，所述信号包括索引，所述索引允许所述数字处理器在存储在所述触摸探测器的永久存储器中的数据结构中取得阈值。

16.根据权利要求1所述的触摸探测器，其中，所述数字处理器被设置成当所述有向位移中的任一个的幅度落入预定回退阈值之下时，在所述触发信号之后产生回退触发。

17.根据权利要求1所述的触摸探测器，其中，所述数字处理器能够操作地被设置成当所述探测器处于静止位置时计算所述测量信号中的至少一个的平均值。