CN109906354A

CN109906354A - 用于坐标测量机的一致性测试人工制品

Info

Publication number: CN109906354A
Application number: CN201780068028.0A
Authority: CN
Inventors: C·S·拉门多拉
Original assignee: Hexagon Metrology SpA
Current assignee: Hexagon Metrology SpA
Priority date: 2016-09-01
Filing date: 2017-08-31
Publication date: 2019-06-18
Also published as: US10648791B2; WO2018045189A1; EP3507570A1; US20180058840A1

Abstract

一种用于坐标测量机的测试人工制品包括已校准标准和凸背景照射表面。已校准标准、凸背景照射表面以及视觉传感器可相对于彼此定位，以便在视觉传感器的视场内产生已校准球体的剪影。由此，测试人工制品可以用于校准坐标测量机、和/或评定视觉传感器与另一个测量传感器之间的关联性。

Description

用于坐标测量机的一致性测试人工制品

优先权

本专利申请要求2016年9月1日提交的、标题为“Conformance Test Artifact,”并且以Charles Salvatore Lamendola为发明人的临时美国专利申请号62/382,546的优先权，此处通过引用将该申请的公开全文并入。

技术领域

本公开总体涉及坐标测量机，更具体地，涉及用于验证坐标测量机传感器的性能的系统和方法。

背景技术

坐标测量机(CMM)是用于准确测量种种不同类型的工件/对象的黄金标准。例如，CMM可以测量飞机发动机部件、外科手术工具以及机器零件的关键尺寸。精确且准确的测量帮助保证它们的基础系统(诸如在飞机部件的情况下为飞机)如规定的那样来操作。

一些对象被测量至优良的精度，诸如微米级。CMM的准确度可以部分取决于CMM的校准和用于测量的测量装置(例如，光学探头)的准确度。

CMM可以使用一种或更多种传感器来测量工件，诸如触觉传感器、非接触式传感器、光电传感器(例如，视频传感器)。校准CMM可以涉及使得CMM测量已知尺寸的校准人工制品，并且采取纠正步骤(例如，调节CMM和/或确定校正测量数据中的数学数据)来减小人工制品的测量值与已知尺寸之间的差异。

ISO10360-9标准创建了用于验证使用接触和非接触模式的多个探测系统的CMM的性能的具体过程。标准描述了将多个传感器的关联性的质量连同它们不同的操作条件(例如，如由腕部的关节限定的传感器的方位)一起分析，以评定处于不同腕部方位的不同传感器是否可以测量同一人工制品并报告在某一公差带内相关的、与该人工制品的尺寸、形式以及位置有关的数据。

对于触觉传感器，选择的人工制品传统上是已校准球体。

对于包括视频传感器的光传感器，作为测试人工制品的球体的选择将呈现包括照明挑战的独特的一组挑战。视频传感器例如通过检测由传感器的视场(FOV)看到的像素的灰度分析中的某一对比限定的边缘来操作。本质上，这种传感器通过“看”零件并选择零件示出黑白之间的某一对比的点来探测点。

发明内容

根据一个实施方式，一种用于校准视觉CMM的测试人工制品包括：底座，该底座被构造为倚靠在CMM的台上；和已校准标准，该已校准标准从底座悬置。在一个实施方式中，已校准标准是球体或半球，但在其他实施方式中，可以具有其他形状。

测试人工制品还包括凸背景照射表面，该凸背景照射表面相对于底座悬置。

在一些实施方式中，凸背景照射表面可定位为使得已校准标准在背景照射表面与视觉传感器之间，使得来自背景照射表面的光在从视觉传感器看时产生已校准球体的剪影。

在一些实施方式中，凸背景照射表面是反射的(并且可以是无源反射器)，并且通过朝向视觉传感器反射光产生剪影。作为示例，在一些实施方式中，光由视觉传感器生成并朝向凸背景照射表面传输。在一些实施方式中，凸背景照射表面是产生光的光源。

凸背景照射表面在一些实施方式中被构造为使得其位置可以相对于已校准标准可控地调节(即，它能可移动地定位)。进一步地，在一些实施方式中，凸背景照射表面在不相对于底座移动已校准标准的情况下能相对于已校准标准移动。

另选地或另外，一些实施方式包括被定位在底座与已校准标准之间的反射半球。例如，在一些实施方式中，反射半球在底座与已校准标准之间的固定位置中，使得正交于底座的线穿过反射半球和已校准标准。

另一个实施方式是一种照射用于与CMM一起使用的已校准标准的方法，CMM具有视觉传感器，该视觉传感器具有视场。方法包括以下步骤：用视觉传感器的视场定位已校准标准；将背景照射器定位为使得已校准标准在背景照射器与视觉传感器之间；以及照射背景照射器，以在视觉传感器的视场内产生已校准标准的剪影。

在一些实施方式中，已校准标准和背景照射器都从底座悬置，底座被构造为倚靠在CMM的台上。而且，在一些实施方式中，背景照射器可移动地从底座悬置，使得背景照射器在不相对于底座移动已校准标准的情况下可相对于已校准标准移动。

在一些实施方式中，背景照射器包括凸背景照射表面，并且照射背景照射器包括首先在凸背景照射表面相对于已校准标准处于第一位置时照射凸背景照射表面，随后在凸背景照射表面相对于已校准标准处于第二位置时照射凸背景照射表面。进一步地，在一些实施方式中，方法包括以下步骤：使用可移动腕部相对于已校准标准移动视觉传感器，使得在已经移动视觉传感器之后，已校准标准被定位在视觉传感器与背景照射器之间。

又一个实施方式包括一种评定由给定CMM使用的视觉传感器与由给定CMM使用的第二测量传感器的关联性的方法。方法包括以下步骤：向给定CMM提供测试人工制品，测试人工制品包括已校准球体和背景照射器这两者。在一些这种实施方式中，背景照射器是无源反射器。

方法包括以下步骤：将测试人工制品和视觉传感器定向为使得已校准球体在视觉传感器与背景照射器之间，使得背景照射器向视觉传感器产生已校准球体的剪影。方法然后包括以下步骤：用视觉传感器测量已校准球体，以产生第一组测量值；用第二测量传感器测量同一已校准球体，以产生第二组测量值；以及将第一组测量值与第二组测量值进行比较。第二测量传感器可以是第二视觉传感器或触觉传感器或非接触式传感器。

一些实施方式还包括以下步骤：将测试人工制品和视觉传感器重新定向到一个或更多个另外位置(例如，第二位置、第三位置等)，使得已校准球体再次位于视觉传感器与背景照射器之间，使得背景照射器向视觉传感器产生已校准球体的剪影；以及第二次用视觉传感器测量已校准球体。

附图说明

实施方式的前述特征将通过参照以下详细描述来更容易地理解，详细描述参照附图来采取，附图中：

图1A示意性例示了CMM的实施方式；

图1B示意性例示了测量工件的CMM的测量传感器的实施方式；

图1C示意性例示了CMM的手动用户界面的实施方式；

图1D示意性例示了CMM的控制系统的实施方式；

图2A是已校准人工制品的一部分的实施方式的图片；

图2B是校准人工制品的一部分的实施方式的图片；

图2C示意性例示了校准人工制品的实施方式的一部分的剪影；

图3A示意性例示了具有一致性测试人工制品的测量系统的实施方式；

图3B示意性例示了光学测量装置的实施方式的灯环的实施方式；

图4A是一致性测试人工制品的实施方式的图片；

图4B示意性例示了一致性测试人工制品的实施方式；

图4C示意性例示了一致性测试人工制品的实施方式的另一个视图；

图4D示意性例示了一致性测试人工制品的实施方式的俯视图；

图4E示意性例示了一致性测试人工制品的实施方式的剖面图；

图4F示意性例示了一致性测试人工制品的另一个实施方式；

图4G示意性例示了一致性测试人工制品的另一个实施方式；

图5A是照相机处于第一腕部角度的一致性测试人工制品的实施方式的图片；

图5B是照相机处于第二腕部角度的一致性测试人工制品的实施方式的图片；

图6A是例示了将一致性测试人工制品用于校准CMM的方法的流程图；以及

图6B是例示了将一致性测试人工制品用于评定传感器的关联性的方法的流程图。

具体实施方式

各种实施方式通过提供一种装置来促进CMM的准确度的评定，该装置改进CMM的视觉传感器的评定，而且被构造为评定CMM的其他测量传感器。这例如不仅在测试并校准CMM中可以是有用的，还对于评定CMM的传感器的关联性可以是有用的。各种实施方式使得处于不同腕部方位的不同传感器能够测量同一人工制品并报告在某一公差带内相关地、与该人工制品的尺寸、形式以及位置有关的数据。一些实施方式还促进传感器性能的验证。

图1A至图1D示意性例示了可以根据例示性实施方式构造的坐标测量机100(下文中为“CMM 100”)。

如本领域技术人员所知的，CMM是被构造为测量工件180的一个或更多个特征的系统。图1B中示意性例示了工件180的例示性实施方式，并且该实施方式仅被包括为例示工件180可以具有的特征。通常，工件180具有指定形状，该指定形状具有指定尺寸，该指定形状可以被总称为工件180的“几何结构”181。工件180还可以具有表面，诸如平坦表面184和弯曲表面185。两个表面的相遇可以产生内角187、边缘182或角落183。而且，如领域中已知的，各表面可以具有物理特性，诸如波状188和/或表面光洁度189。工件180还可以具有腔186，该腔还可以是穿过工件180的缝隙。如本领域中已知的，腔186可以具有诸如宽度和深度的尺寸，这些尺寸则可以限定腔186的纵横比。

CMM底座

在图1A的例示性实施方式中，CMM 100包括具有台111的底座110。CMM 100的台111限定通常平行于地板101的平面的X-Y平面112、和正交于X-Y平面的Z轴、以及对应的X-Z平面和Y-Z平面。台111还限定台111上方的测量空间113的边界。在一些实施方式中，CMM 100包括被构造为保持一个或更多个测量传感器140的探头架115。CMM 100的可移动部可以移动到探头架115，并且将测量传感器140放置到探头架115中，和/或从探头架115去除另一个测量传感器140。

可移动部

CMM 100还具有可移动特征(共同标为120)，这些可移动特征被设置为相对于工件180移动并定向测量传感器140(并且在一些实施方式中，为多个这种装置)。如下面描述的，CMM 100的可移动特征被构造为沿一维(X轴；Y轴；或Z轴)、二维(X-Y平面；X-Z平面；或Y-Z平面)、或三维(由X轴、Y轴以及Z轴限定的体积)相对于工件180移动并定向测量传感器140。因此，CMM 100被构造为测量工件180上的一个或更多个点的位置或特征。

图1A的CMM 100被称为“桥式”CMM。桥式CMM 100的可移动特征120包括由腿121可移动地联接到底座110的桥123。桥123和腿121沿着Y轴相对于底座110能可控地移动。

为了促进腿相对于底座110的运动，腿221可以由一个或多个轴承128联接到底座110。如本领域中已知的，轴承可以是滚子轴承或空气轴承，这里仅给出几个例子。

可移动特征还包括可移动地联接到桥123的滑架125。滑架被构造为沿着桥123沿X轴可控地移动。滑架125沿着桥123的位置可以由可操作地联接到桥123的桥标尺124来确定。

心轴126可移动地联接到滑架125。心轴126被构造为沿Z轴可控地移动。心轴126沿Z轴的位置可以由可操作地联接到心轴126的桥标尺127来确定。测量传感器140可操作地联接到心轴126。因此，测量传感器140相对于测量空间113中的工件180能沿三个尺寸可控地移动。

在一些实施方式中，测量传感器140由铰接臂130可移动地联接到心轴126。例如，测量传感器140可以由可移动关节131可移动地联接到臂130。可移动关节131允许相对于臂130可控地调节测量传感器140的方位，向测量传感器140提供X轴、Y轴和/或Z轴的另外自由度。

在通常可以被称为“门式”CMM的其他实施方式中，腿121站立在地板101上，并且相对于地板101限定测量空间113。

在另一些实施方式中，测量传感器140固定到底座110(即，相对于底座不可移动)，并且台111能相对于测量传感器140沿一维、二维或三维移动。在一些坐标测量机中，台111还可以在X-Y平面中、或在Y-Z平面中、或在X-Z平面中或在与测量空间113相交的任意其他平面中可旋转。在这种实施方式中，CMM 100使工件180相对于测量传感器移动。

在通常可以被称为“水平臂”CMM的其他实施方式中，桥123可移动地联接到底座110，以沿Z轴延伸，并且能沿着Y轴可控地移动。在这种CMM中，臂130能沿X轴可控地延伸，并且能沿Z轴可控地上下移动桥123。

在另一些实施方式中，臂130为铰接的。臂130的一端固定到底座110，并且臂130的远端能相对于测量空间113中的工件180沿一维、二维或三维相对于底座110移动。

传感器

在一些实施方式中，测量传感器140可以是触觉探头(如领域中已知的，被构造为通过将探头尖端接触到工件180来检测工件180上的点的位置)、非接触式探头(被构造为在不物理接触工件180的情况下检测工件180上的点的位置)(诸如本领域中已知的电容探头或电感探头)、或光学探头(被构造为光学地检测工件180上的点的位置)，这里仅给出几个例子。

在一些实施方式中，测量传感器140是“看到”工件180的视觉传感器。这种视觉传感器可以是具有光传感器(例如，电荷耦合装置)和一个或更多个镜头的照相机，并且能够聚焦在工件180或测量区域113上，并且被构造为捕捉并记录静止图像或视频图像。可以分析这种图像和/或这种图像内的像素，以定位工件180；确定工件的放置和/或方位；识别工件180；和/或测量工件180，这里仅给出几个例子。

在操作中，CMM 100通过相对于工件180移动测量传感器140测量工件180来测量工件180。

CMM 100的一些实施方式可以包括一个或多于一个照相机141，该照相机被构造为使得测量空间113在照相机141的视场内。另外，这种照相机141可以是测量传感器140。照相机141可以是数字照相机，该数字照相机被构造为捕捉测量空间113、CMM 100上的工件180和/或CMM 100周围的环境的静止图像和/或视频图像。这种图像可以是彩色图像、黑白图像、和/或灰度图像，并且照相机141可以输出这种图像，作为数字数据、离散像素或为模拟形式。

CMM 100的一些实施方式还可以包括环境传感器142，该环境传感器被构造为测量内部放置CMM的环境102的一个或更多个特性，并且一些实施方式可以具有多于一个这种环境传感器142。例如，环境传感器142可以被构造为测量CMM 100周围的大气的温度、压力或化学含量。环境传感器142还可以是运动传感器，诸如加速器或陀螺仪，该运动传感器被构造为测量例如由于CMM 100附近的人或对象的运动引起的CMM的振动。环境传感器142还可以是光检测器，该光检测器被构造为测量环境102中的环境光，该环境光例如可能干扰光传感器或视觉传感器的操作。在又一个实施方式中，环境传感器142可以是声音传感器，诸如麦克风，该声音传感器被构造为检测环境中的声音能量。

控制系统

CMM 100的一些实施方式包括控制系统150(或“控制器”或“控制逻辑”)，该控制系统被构造为控制CMM 100并处理由CMM获取的数据。图1C示意性例示了具有通过总线151电子通信的若干模块的控制系统150的实施方式。

通常，模块中的一些或全部可以实施在一个或更多个集成电路中，诸如ASIC、门阵列、微控制器或定制电路，并且模块中的至少一些可以实施在能够在计算机处理器157上执行的非暂时性计算机实施的代码中。

一些实施方式包括可以是如可从英特尔公司(Intel Corporation)购买的微处理器的计算机处理器157或处理器核心(诸如ARM核心)的实施方案，这里仅给出几个例子。计算机处理器157可以具有用于存储数据和/或计算机代码(包括用于实施控制系统操作和方法中的一些或全部的非暂时性指令)的板上非暂时性数字存储器(例如，RAM或ROM)。另选地或另外，计算机处理器157可以可操作地联接到用于存储这种计算机代码和/或控制数据的其他非暂时性数字存储器(诸如RAM或ROM)或可编程非暂时性存储电路。因此，控制器150的功能中的一些或全部可以实施在被构造为在计算机处理器157上执行的软件中。

控制系统150包括通信接口152，该通信接口被构造为经由通信链路176与CMM 100的其他部分或与外部装置(诸如计算机170)通信。为此，通信接口152可以包括各种通信接口，诸如以太网连接、USB端口或Firewire端口，这里仅给出几个例子。

控制系统150还包括传感器输入155，该传感器输入可操作地联接到一个或更多个传感器，诸如测量传感器140、照相机141或环境传感器142。传感器输入155被构造为从传感器接收电子信号，并且在一些实施方式中，使用数模(“D/A”)转换器(“DAC”)数字化这种信号。传感器输入155联接到控制系统150的其他模块，以向这种其他模块提供从传感器接收的(数字化)信号。

运动控制器153被构造为引起CMM 100的可移动特征中的一个或更多个的运动。例如，在计算机处理器157的控制下，运动控制器153可以向CMM 100内的一个或更多个马达发送电气控制信号，以使得CMM 100的可移动特征将测量传感器140移动至测量空间113内的各种点，并且在这种点处进行工件180的测量。运动控制器153可以响应于在存储模块156中存储或在计算机170中存储的测量程序、或响应于通过操作员使用手动控制器160进行的手动控制来控制这种运动，这里仅给出几个例子。

由CMM 100采取的测量可以存储在存储模块156中，该存储模块包括非暂时性存储器。存储模块156还被构造为存储例如用于要测量的工件180的规范；用于校准人工制品的规范；错误图；和/或可在计算机处理器157上可执行的非暂时性指令，这里仅给出几个例子。这种指令可以主要包括：指令，这些指令用于将CMM 100的可移动特征控制为测量工件180和/或校准人工制品；指令，这些指令用于分析测量数据；和/或指令，这些指令用于校正测量数据(例如，凭借错误图)。

测量分析器模块154被构造为处理从一个或更多个传感器(诸如测量传感器140和/或环境传感器142)接收的测量数据。在一些实施方式中，测量分析器模块154可以例如通过使用错误图修改测量数据来修正测量数据，和/或将测量数据与规范进行比较，例如以评定工件180与用于该工件180的规范之间的偏差。为此，管理分析器模块154如本领域中已知的可以是已编程数字信号处理器集成电路。

另选地或另外，一些实施方式将CMM 100与外部计算机(或“主机”)170联接。主机170具有诸如上述计算机处理器的计算机处理器、以及非暂时性计算机存储器174。存储器174被构造为保持能够由外部计算机170的处理器执行的非暂时性计算机指令，和/或被构造为存储非暂时性数据，诸如作为底座110上的对象180的测量的结果获取的数据。

主机170尤其可以是台式计算机、塔式计算机或膝上型计算机(诸如可从戴尔公司(Dell Inc.)购买的计算机)、甚至平板计算机(诸如可从苹果公司(Apple Inc.)购买的iPad^TM)。除了计算机存储器174之外，主机170还可以包括存储接口175，诸如USB端口或用于存储卡的插槽，该存储接口被构造为与非暂时性计算机可读介质联接并使得能够在计算机170与计算机可读介质之间传输计算机代码或数据等。

CMM 100与主机170之间的通信链路176可以是硬接线连接(诸如以太网电缆)或无线链路(诸如蓝牙链路或WiFi链路)。主机170例如可以包括在使用或校准期间控制CMM 100的软件，和/或可以包括被配置为处理在CMM 100的操作期间获取的数据的软件。另外，主机170可以包括被构造为允许用户手动操作CMM 100的用户界面。在一些实施方式中，CMM和/或主机170可以经由网络178联接到一个或更多个其他计算机，诸如服务器179。网络178可以是局域网、或因特网，这里举两个例子。

因为它们的相对位置由CMM 100的可移动特征100的动作来确定，所以CMM 100可以被认为具有台111和工件180的相对位置的知识。更具体地，计算机处理器157和/或计算机170控制并且存储与可移动特征的运动有关的信息。另选地或另外，一些实施方式的可移动特征包括传感器，这些传感器感测台111和/或测量传感器140的位置，并且向计算机222或150报告该数据。与CMM 100的台和/或测量传感器140的运动和位置有关的信息可以鉴于被参考为CMM 100上的点的一维(例如，X、Y、Z)、二维(例如，X-Y；X-Z；Y-Z)或三维(X-Y-Z)坐标系来记录。

手动用户界面

一些CMM还包括手动用户界面160。如图所示，手动用户界面160可以具有允许用户手动操作CMM 100的控制(例如，按钮；旋钮等)。界面160尤其还可以包括使得用户能够改变测量传感器140相对于工件180的位置的控制。例如，用户可以使用控制161沿X轴移动测量传感器140，使用控制162沿Y轴移动测量传感器，和/或使用控制163沿Z轴移动测量传感器。

如果测量传感器140是视觉传感器，或者如果CMM 100包括照相机141，那么用户可以使用控制165手动移动传感器140、照相机141或改变视觉传感器和/或照相机的视场。用户还可以使用控制166(该控制在一些实施方式中可以是可转动旋钮)聚焦视觉传感器和/或照相机141，并且使用控制167捕捉图像、或控制视频的记录。

照此，可移动特征可以响应手动控制，或者在计算机处理器157的控制下，以使台111和/或测量传感器140相对于彼此移动。因此，该结构被构造为从各种角度并且在各种位置中向测量传感器140呈现工件180。

准确度

CMM 100的操作准确度可以以若干准则为特征。例如，CMM 100的“可重复性”是其在短时间段内在相同条件(例如，相同测量器械；相同观察者；相同测量过程；CMM 100的相同位置和环境等)下准确重复同一工件180的测量值的能力的测量。CMM 100的可重复性可以被量化为在CMM 100重复地测量同一工件180的同一特性时由CMM 100取得的测量的变化。

测量的“再现性”指当在短时间段内在不同(即，不相同)条件下执行测量时在同一工件180的测量值之间的一致程度。测量的再现性的陈述包括测量值之间的差异的具体说明(例如，不同的测量原理；不同的观察者；不同的测量方法；不同的测量器械；CMM 100的不同位置和环境等)。测量的再现性可以被量化为由不同测量者使用同一CMM 100采取的同一工件180的同一特性的测量之间的变化。

一个测量传感器140与另一个测量传感器140的“关联性”指它们在除了使用不同的测量装置之外相同的条件下进行的同一工件180的各测量之间的不一致程度。例如，如果使用接触探头测量被校准工件180且随后在短时间段内由视觉传感器测量同一被校准工件180，则它们的各测量值理想地应相同，但实际上将不同。接触探头与视觉传感器之间的关联性的程度可以由它们的被校准工件180的各测量值的差异来量化。

校准

通常，CMM 100不时校准和重新校准。CMM 100的制造商、或所有者或操作员、CMM的所有者或操作员的顾客、或管制机构可以指定CMM 100以特定时间间隔来校准。另选地或另外，CMM 100的操作员可以响应于位置的变化、环境102(例如，温度；压力等)的变化、对机器的改变(例如，更换、或改变测量传感器140的类型)和/或已编程测量过程的变化(这里仅给出几个例子)来校准CMM 100。

通常，校准可以被描述为评定CMM 100的准确度的一个或更多个测度。通常，校准CMM 100包括使用CMM 100来测量基本上是具有已知高度准确尺寸的工件的已校准人工制品，并且将由CMM 100取得的测量值与这些已知尺寸进行比较。由CMM 100取得的测量值与已校准人工制品的已知尺寸之间的差异表示不准确性。

如果校准指示CMM 100满足所需的规范(例如，任意所识别的不准确性在指定公差内)，则执行校准的人例如可以向所有者或操作员提供证明CMM 100被校准的证书。

如果校准测量值指示不准确性，则技术人员可以调节CMM 100的一部分(包括其可移动特征中的一个或更多个)，使得减小或消除不准确性。另选地或另外，由CMM 100产生的随后测量数据可以用本领域中已知的方式来数学地调节，以抵消不准确性。

如由没有各种实施方式的益处的视觉传感器320看到的，图2A是为球体形式的已校准标准的图片，该已校准标准可以被称为已校准球体300。如本领域中为了校准CMM 100并为了评定多个探头的关联性而已知的，已校准标准是具有公知尺寸的装置。

应注意，这里的实施方式鉴于已校准球体300来例示并描述，但已校准球体300仅是已校准标准的例示性实施方式。已校准标准可以具有任意形状，条件是该形状可以产生如上所述的剪影。例如，已校准标准可以为正方形的、立方体的、椭圆的或长方形的，这里仅给出几个例子。

如图所示，已校准球体300有效地难以与其背景210区分，因此，对于校准CMM、验证光学传感器的性能、评定不同传感器的关联性或测量工件180不是有用的。

相反，图2B是根据各种实施方式的、针对背景220的已校准球体300的图片，并且图2C是根据各种实施方式的、针对背景220的已校准球体300的实施方式的示意图。如图2B和图2C所示，已校准球体300可容易地与背景220区分。更具体地，对于视觉传感器，已校准球体300的边缘302与背景220在视觉上是不同的，该边缘302作为在轮廓或剪影中看到的球体300的表面301。

图3A和图3B将一致性测试人工制品400的实施方式的部分的特征连同测量传感器140一起示意性地例示，该测量传感器在该实施方式中是视觉传感器320。视觉传感器320通过检测由传感器的视场(FOV)看到的像素的分析中的某一对比限定的边缘来操作。例如，视觉传感器320通过“看”被测量的零件(例如，人工制品)并选择零件示出已校准标准与其背景的颜色之间的某一(或最清晰的)对比的点来探测点。在例示性实施方式中，由视觉传感器320产生的图像为黑白或灰度的，或者被处理为黑白或灰度的。在这种实施方式中，对比出现在黑色部分(例如，已校准球体300的剪影)与其白色部分(例如，背景)之间。应注意，查看黑白或灰度的图像不是这里所述的方法和系统的要求。还可以使用已校准球体300与其背景相比可见的彩色图像。

一致性测试人工制品400包括已校准标准(在例示性实施方式中，为已校准球体300)，该已校准标准优选地具有低反射率表面，并且在优选实施方式中，具有无光表面。在一些实施方式中，已校准球体可以是具有无光表面的碳化钨。该材料允许视觉传感器320聚焦在已校准球体300上。该球体人工制品300是黑/深灰，并且在它被视觉传感器320独立观察时，传感器看到靠着黑色领域的黑色对象(例如参见图2A)。

已校准球体300被立柱311支撑。立柱311具有长度，并且可以为了促进对已校准球体300例如相对于背景照射器440和/或视觉传感器320的位置的改变而具有可变长度。类似地，由于相同原因，在一些实施方式中，立柱311是挠性的，并且可以弯曲或以其他方式改变其形状。

一致性测试人工制品400还包括背景照射器440。在一些实施方式中，背景照射器440是被构造为反射入射光的凸背景照射表面。凸背景照射表面尤其可以是球体的表面、椭圆的表面、或半球的表面，这里仅给出几个例子。背景照射表面的凸形状降低从该表面反射的光撞击在已校准球体300的表面的传感器面向部分上的风险。在其他实施方式中，背景照射表面可以是平坦的，甚至是凹的，但优选地被构造为不将光投射到已校准标准的传感器面向部分上。为此，背景照射表面440的形状可以取决于已校准标准300的形状。

在其他实施方式中，背景照射器440是光源，并且被构造为在已校准球体300背离视觉传感器320的半球306上产生光。在优选实施方式中，这种实施方式具有凸发光表面，以降低从背景照射器440发出的光撞击在已校准标准(例如，球体300)的表面的传感器面向部分上的风险。在其他实施方式中，发光表面可以是平坦的，甚至是凹的，但优选地被构造为不将光投射到已校准标准的传感器面向部分上。为此，背景照射器440的形状可以取决于已校准标准300的形状。

背景照射器440被照射器立柱441支撑。背景照射器立柱441具有长度，并且可以为了促进对背景照射表面440例如相对于已校准球体300和/或视觉传感器320的位置的改变而具有可变长度。类似地，由于相同原因，在一些实施方式中，背景照射器立柱441是挠性地，并且可以弯曲或以其他方式改变其形状。

照射器立柱441可以支撑在底座410(如下面描述的，该底座在一些实施方式中可以是圆盘传送带)中的立柱缝隙443中。在一些实施方式中，底座410包括多于一个立柱缝隙443，并且背景照射器440的位置可以通过将照射器立柱441从一个立柱缝隙443移动到另一个来改变。

如例如在图4F中示意性例示的，一些实施方式包括背景照射器440的两个或更多个单元。在这种实施方式中，立柱441可以布置在对应数量的立柱缝隙443中。

在一些实施方式中，已校准球体300可以与背景照射器440物理地分离，并且相对于背景照射器可独立移动。这向CMM 100的操作员提供已校准球体300和背景照射器440的选择和设置的灵活性。图4G中示意性例示了一个例示性实施方式，其中已校准球体300经由立柱311由底座312支撑，并且背景照射器440经由立柱441由底座442支撑。

在使用中，已校准球体300至少部分定位在视觉传感器320的视场内，并且优选地在背景照射器440与视觉传感器320之间。通常，背景照射器440可以被定位为使得背景照射器440的一部分对于视觉传感器320可视(即，在视觉传感器320的视场内，并且不被已校准球体300完全阻挡)，或者背景照射器440可以由已校准球体300对视觉传感器320隐藏。

在背景照射器440是凸背景照射表面的实施方式中，它反射入射光(330)。反射光中的一些(例如，部分331)在与视觉传感器320相反(背离视觉传感器)的那一侧撞击在已校准球体上，同时反射光中的一些(例如，部分332)撞击在视觉传感器320中的光传感器321上，所有这些导致光传感器321处的明显剪影(诸如例如图2B所示)。在一些实施方式中，凸背景照射表面不将光反射到已校准球体300面向视觉传感器320的半球上(305)，这可能使已校准球体300的图像失真。这是凸背景照射表面的凸(例如，球形)几何结构的直接结果，该凸背景照射表面在维持“传感器面向”半球(305)的“黑暗”的同时将光从已校准球体300后面反射到传感器。

在背景照射器440作为光源的实施方式中，背景照射器产生光，该光中的一些(在图3A中由光线331表示)撞击在已校准球体300上，并且光中的一些(在图3A中由光线332表示)到达视觉传感器320，以产生已校准球体300的剪影。

在一些实施方式中，视觉传感器320是视频传感器。而且，在一些实施方式中，视觉传感器320可以包括光源，诸如围绕光传感器321的灯环322(可以被称为“环形灯”)。这种实施方式可以包括围绕光传感器321的灯(325)的两个同心环(322、323)。因此，光源与视觉传感器关联，使得光源与光传感器321一起移动。更具体地，在图3B的实施方式中，光源联接到视觉传感器。在一些实施方式中，CMM的控制器可以用应用软件来控制环形灯(322、323)，以促进形成(提高)允许传感器检测边缘并探测点的人工制品400上的对比。例如，控制器150可以设置或改变何时照射环形灯(322或323)、照射强度和/或照射的光谱等。

图4A至图4E示意性例示了站立在CMM的台111上的一致性测试人工制品400的另一个实施方式。在该实施方式中，一致性测试人工制品400包括安装到圆盘传送带底座430的圆盘传送带410。已校准球体300由已校准球体立柱311和安装垫420从圆盘传送带410悬置，该安装垫在该实施方式中可去除地联接到圆盘传送带410。

背景照射器440从圆盘传送带悬置。在该实施方式中，背景照射器440处于大致与已校准球体300相同的高度处(相对于圆盘传送带)，但在一些实施方式中，背景照射器440的高度和/或已校准球体300的高度可经由各立柱441和311调节。

在一些实施方式中，圆盘传送带410可移动地联接到底座430，使得圆盘传送带440可以相对于底座430旋转，使得背景照射器440相对于台111移动，但已校准球体300相对于台111保持大致静止。为此，一些实施方式如图4A示意性例示的包括控制立柱450。控制立柱450可以充当辅助用户转动、移动或定向圆盘传送带410的把手。在其他实施方式中，控制立柱450是定位立柱，该定位立柱被构造为与圆盘传送带410紧密配合，并且相对于底座430将圆盘传送带410固定在固定位置中。为了改变圆盘传送带的位置，操作员松开或去除控制立柱450，将圆盘传送带移动至新位置，并且拧紧或重新安装定位立柱450。控制立柱450尤其可以包括定位螺钉。在其他实施方式中，控制立柱450是短钉，该短钉穿过圆盘传送带410中的缝隙411装配，并且与底座430中的对应缝隙431紧密配合。

图4D示意性例示了一致性测试人工制品400的实施方式，并且图4E示意性例示了一致性测试人工制品400沿着剖面A-A的横截面。

图5A是由视觉传感器320测量的一致性测试人工制品400的实施方式的图片。在该实施方式中，视觉传感器320由可移动关节131从心轴126悬置，该可移动关节可以被称为“腕部”510。在图5A中，视觉传感器沿着X轴来定向。

如图5A所示，来自视觉传感器320的光撞击背景照射器440的凸背景照射表面。如上面说明的，从凸背景照射表面反射的一些光被已校准球体300吸收，同时从凸背景照射表面反射的一些光到达视觉传感器320中的光传感器321，以形成已校准球体300的剪影。

在一些实施方式中，如果已校准球体300未定位在视觉传感器320与背景照射器440之间，则背景照射器440可以通过如上所述调节圆盘传送带410来移动，使得已校准球体330被定位在视觉传感器320与背景照射器440之间。

图5B是由以比图5A中的角度大的不同角度构造的视觉传感器320测量的一致性测试人工制品400的实施方式的图片。在该实施方式中，视觉传感器320在已校准球体300正上方(即，沿Z轴)。从凸垂直反射器445反射的一些光被已校准球体300吸收，同时从凸垂直反射器445反射的一些光到达视觉传感器320中的光传感器321，以形成已校准球体300的剪影。

图6A是例示了将一致性测试人工制品400的例示性实施方式用于使用视觉传感器320校准CMM 100的方法的流程图。除了已校准球体300的其他质量之外，如校准人工制品领域中已知的，已校准球体300具有精确的已知尺寸。

在步骤610处，方法包括相对于已校准球体300定向视觉传感器320，使得已校准球体300在视觉传感器320的视场内。这可以包括相对于已校准球体300移动视觉传感器320，和/或例如通过调节已校准球体立柱311的长度或形状相对于视觉传感器320移动已校准球体300。在优选实施方式中，没有来自背景照射器440的光撞击在已校准球体300面向视觉传感器320的侧305上。为此，在优选实施方式中，已校准球体300在背景照射器440与视觉传感器320之间。

步骤620包括捕捉已校准球体300的一个或更多个静止图像或视频图像。

在一些实施方式中，步骤630包括评定已校准球体300与其背景之间的对比。例如，步骤630可以包括评定在已校准球体300的剪影区别的锐度。

在一些实施方式中，步骤631包括调节一致性测试人工制品400和/或CMM 100的一个或更多个方面，以改善由视觉传感器320捕捉的图像。例如，一些实施方式通过调节背景照射器440的照射(例如，通过在背景照射器是无源反射器的实施方式中可控地调节灯325、或在背景照射器440是有源光源的实施方式中可控地调节背景照射器440本身的光输出)来提高对比。另选地或另外，一些实施方式改变视觉传感器320的位置或视觉传感器320看已校准球体300的角度。

在步骤635处，方法使用由视觉传感器320捕捉的已校准球体300的图像来将已校准球体300的测量值与已校准球体300的已知尺寸进行比较，并且将测量与已知尺寸之间的任意不符与在用于CMM 100和/或视觉传感器320和/或要测量的工件180的规范中指定的公差进行比较。

在步骤640处，方法可选地包括使用本领域中已知的方法对CMM进行调节。

可选地，在步骤640之后，方法可以使用同一一致性测试人工制品400重复之前的步骤。例如，一些实施方式在相对于视觉传感器320将测试人工制品400重新定向到第二位置(例如，第二腕部角度；例如参见图5A中的第一这种位置和图5B中的第二这种位置)之后重复步骤中的一些或全部。

图6B是例示了将一致性测试人工制品400的例示性实施方式用于评定多个传感器的关联性的方法的流程图。

步骤650包括以本领域中已知的方式或如上所述的校准CMM 100。在优选实施方式中，以下步骤使用不是用于校准步骤650中的同一人工制品的测试人工制品400来执行。

在校准CMM 100之后，方法的步骤660包括相对于已校准球体300定向视觉传感器320，使得已校准球体300在视觉传感器320的视场内。这可以包括相对于已校准球体300移动视觉传感器320，和/或例如通过调节已校准球体立柱311的长度或形状相对于视觉传感器320移动已校准球体300。在优选实施方式中，没有来自背景照射器440的光撞击在已校准球体300面向视觉传感器320的那一侧305上。为此，在优选实施方式中，已校准球体300在背景照射器440与视觉传感器320之间。

在步骤670处，方法使用视觉传感器320捕捉已校准球体300的一个或更多个图像。

在步骤680处，方法使用本领域中已知的方法评定已校准球体300的所捕捉图像，以产生第一组关联性测量值。

一些实施方式还评定已校准球体300及其背景之间的对比，该评定可以包括评定已校准球体300的剪影区别的锐度。这种实施方式包括步骤681，该步骤包括调节一致性测试人工制品400和/或CMM 100的一个或更多个方面，以改善由视觉传感器320捕捉的图像。例如，一些实施方式通过调节背景照射器440的照射(例如，通过可控地调节在背景照射器是无源反射器的实施方式中的灯325、或在背景照射器440是有源光源的实施方式中的背景照射器440本身的光输出)来提高对比。另选地或另外，一些实施方式改变视觉传感器320的位置或视觉传感器320看已校准球体300的角度。

在一些实施方式中，步骤680包括相对于视觉传感器320将测试人工制品400重新定向到第二位置(例如，第二腕部角度；例如参见图5A中的第一这种位置和图5B中的第二这种位置)，并且第二次用视觉传感器测量已校准标准。

在步骤685处，方法用第二测量传感器140测量已校准球体300，以产生第二组关联性测量。已校准球体300是由视觉传感器320在步骤680中测量的同一个已校准球体。

第二测量传感器140可以是另一个视觉传感器，或者可以是触觉探头、非接触式探头、或光学探头，这里仅给出几个例子。在优选实施方式中，仅CMM 100在步骤680与685之间的差异是测量传感器140的变化。在一些实施方式中，步骤680包括通过将视觉传感器320放置在探头架115上并用来自探头架115的第二测量传感器140代替它来将视觉传感器320交换为第二测量传感器140。在一些实施方式中，步骤685在步骤680之前执行。

然后在步骤690处，方法使用第一组测量值和第二组测量值来使用领域中已知的方法评定视觉传感器320和第二传感器140的关联性。例如，步骤690可以包括将由视觉传感器取得的已校准球体300的测量值与由第二测量传感器140取得的同一已校准球体300的测量值进行比较，以评定这种测量值之间的差异。

另选地，在一些实施方式中，在步骤685处，方法用同一视觉传感器320但从不同角度(例如参见图5A和图5B)第二次测量已校准球体300，以产生第二组关联性测量值。实际上，在一些实施方式中，步骤685将已校准球体300测量多于两次(例如，三次；四次；五次)。在这种实施方式中，步骤690评定视觉传感器320与其本身的关联性。测量传感器140与其本身的关联性可以被称为传感器的“自关联性”。

作为评定关联性的一部分，一些实施方式将该关联性与标准进行比较。例如，用于关联性的指定标准可以出现在用于CMM 100的规范中或用于工件180的规范中或用于要对工件180执行的测量的规范中。在一些实施方式中，如果关联性不满足指定标准，则方法可以包括纠正动作，诸如改变一个或更多个传感器140或校准和/或调节传感器140或CMM 100的其他零件。

以下是这里所用的一些附图标记的列表：

100：坐标测量机；

101：地板；

102：环境；

110：底座；

111：台；

112：平面；

113：测量空间；

115：架；

120：可移动特征；

121：桥腿；

122：台标尺；

123：桥；

124：桥标尺；

125：滑架；

126：心轴；

127：心轴标尺；

128：轴承；

130：臂；

131：可移动关节；

132：旋转编码器；

140：测量传感器；

141：照相机；

142：环境传感器；

150：控制系统；

151：总线；

152：通信接口；

153：运动控制器；

154：测量分析器；

155：传感器输入；

156：存储器；

157：计算机处理器；

160：用户界面；

161：X轴控制；

162：Y轴控制；

163：Z轴控制；

165：照相机运动控制；

166：照相机聚焦控制；

167：照相机记录控制；

170：主机；

171：屏幕；

172：键盘；

173：鼠标；

174：计算机存储器；

175：存储接口/通信端口；

176：通信链路；

178：网络；

179：服务器；

180：工件；

181：几何结构；

182：边缘；

183：角落；

184：平坦表面；

185：弯曲表面；

186：腔；

187：内角；

188：波状；

189：表面光洁度；

210：暗背景；

220：被照射背景；

300：已校准球体；

301：已校准球体在轮廓中的表面；

302：在剪影中看到的已校准球体的表面的边缘；

305：已校准球体面向视觉传感器的半球；

306：已校准球体背离视觉传感器的半球；

311：已校准球体立柱；

312：已校准球体底座；

320：光学测量装置或视频传感器；

321：光学传感器；

322：灯的内环；

323：灯的外环；

330：来自光测量装置的光线；

331：被反射到已校准球体的光线；

332：被反射到光学测量装置的光线；

400：一致性测试人工制品；

410：圆盘传送带；

411：圆盘传送带中的缝隙；

420：安装垫；

430：圆盘传送带底座；

431：底座中的缝隙；

440：背景照射器；

441：背景照射器立柱；

442：背景照射器底座；

443：背景照射器安装缝隙；

445：垂直反射器；

450：端口、定位短钉或螺钉

510：腕部

定义。如本说明书和任意附图中使用的，以下术语应具有所指示的意义，除非上下文另外需要：

“剪影”是使得对象的外围可与其背景光学地区分的对象的图像。例如，暗球体针对亮背景的剪影将表现为圆，该圆的外边缘揭示球体的外围。

如果对象的表面反射入射光但对象不生成光，则对象具有作为“无源反射器”的表面。

“已校准球体”是具有固定已知尺寸的球体。已校准球体例如在校准CMM中可以是有用的。

各种实施方式可以至少部分用任意传统计算机编程语言来实施。例如，一些实施方式可以用程序化程序语言(例如，“C”)或用面向对象的编程语言(例如，“C++”)来实施。本发明的其他实施方式可以被实施为预配置的独立硬件元件和/或预编程硬件元件(例如，专用集成电路(ASIC)、可编程门阵列(例如，FPGA)以及数字信号处理器集成电路(DSP))或其他相关部件。

在另选实施方式中，所公开的设备和方法(例如，参见上述各种流程图)可以被实施为用于与计算机系统一起使用的计算机程序产品。这种实施方案可以包括一系列计算机指令，该一系列计算机指令固定在有形非暂时性介质上，诸如计算机可读介质。该系列计算机指令可以具体实施这里之前关于系统描述的功能的所有或一部分。例如，一些实施方式可以通过处理器(例如，微处理器集成电路；数字信号处理器集成电路)执行在存储器中存储的指令或受这些指令控制来实施。存储器可以为适于存储控制软件或其他指令和数据的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、闪存或任意其他存储器或其组合。

本领域技术人员应理解，这种计算机指令可以用多种编程语言来编写，用于与许多计算机架构或操作系统一起使用。此外，这种指令可以存储在任意存储装置(诸如半导体、磁、闪存、光或其他存储装置)中，并且可以使用任意通信技术(诸如光、红外、微波或其他传输技术)来传输。

这种计算机程序产品尤其可以作为可移动介质来分发，附有已打印的文档或电子文档(例如，现成软件)、(例如在系统ROM或固定硬盘上)预加载有计算机系统、或在网络(例如，因特网或万维网)上从服务器或电子公告栏分发。实际上，一些实施方式可以在软件即服务模型(“SAAS”)或云计算模型中实施。当然，本发明的一些实施方式可以被实施为软件(例如，计算机程序产品)和硬件这两者的组合。本发明的又一些实施方式被完全实施为硬件或完全实施为软件。

虽然上述讨论公开了各种示例性实施方式，但应明显的是，本领域技术人员可以在不偏离本发明的真正范围的情况下进行将实现本发明的一些优点的各种修改。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种用于校准视觉CMM的测试人工制品，所述测试人工制品包括：

底座，该底座被构造为倚靠在所述CMM的台上；

已校准标准，该已校准标准从所述底座悬置；

凸背景照射表面，该凸背景照射表面相对于所述底座悬置，以能定位为使得所述已校准标准在所述背景照射表面与视觉传感器之间，使得来自所述背景照射表面的光在从所述视觉传感器看时产生所述已校准标准的剪影。

2.根据权利要求1所述的测试人工制品，其中，所述凸背景照射表面包括半球。

3.根据权利要求1所述的测试人工制品，其中，所述凸背景照射表面包括球体。

4.根据权利要求1所述的测试人工制品，其中，所述凸背景照射表面是反射的，并且通过朝向所述视觉传感器反射光产生所述剪影。

5.根据权利要求4所述的测试人工制品，其中，所述光由所述视觉传感器生成并朝向所述凸背景照射表面传输。

6.根据权利要求1所述的测试人工制品，其中，所述凸背景照射表面在不相对于所述底座移动所述已校准标准的情况下能相对于所述已校准标准移动。

7.根据权利要求1所述的测试人工制品，其中，所述凸背景照射表面能相对于所述已校准标准可移动地定位。

8.根据权利要求1所述的测试人工制品，该测试人工制品还包括反射半球，该反射半球被定位在所述底座与所述已校准标准之间。

9.根据权利要求1所述的测试人工制品，其中，所述凸背景照射表面是无源反射器。

10.根据权利要求1所述的测试人工制品，该测试人工制品还包括反射半球，该反射半球处于所述底座与所述已校准标准之间的固定位置中，使得正交于所述底座的线穿过所述反射半球和所述已校准标准。

11.一种照射用于与CMM一起使用的已校准标准的方法，所述CMM具有视觉传感器，该视觉传感器具有视场，所述方法包括以下步骤：

用所述视觉传感器的视场定位所述已校准标准；

将背景照射器定位为使得所述已校准标准在所述背景照射器与所述视觉传感器之间，所述背景照射器包括凸背景照射表面和凹背景照射表面中的一者；以及

照射所述背景照射器，以在所述视觉传感器的视场内产生所述已校准标准的剪影。

12.根据权利要求11所述的照射已校准标准的方法，其中，所述已校准标准和所述背景照射器都从底座悬置，所述底座被构造为倚靠在所述CMM的台上。

13.根据权利要求12所述的照射已校准标准的方法，其中，所述背景照射器能移动地从所述底座悬置，使得所述背景照射器在不相对于所述底座移动所述已校准标准的情况下能相对于所述已校准标准移动。

14.根据权利要求11所述的照射已校准标准的方法，其中，所述背景照射器包括凸背景照射表面，并且照射所述背景照射器包括首先在所述凸背景照射表面相对于所述已校准标准处于第一位置时照射所述凸背景照射表面，随后在所述凸背景照射表面相对于所述已校准标准处于第二位置时照射所述凸背景照射表面。

15.根据权利要求14所述的照射已校准标准的方法，该方法还包括以下步骤：使用可移动腕部相对于所述已校准标准移动所述视觉传感器，使得在已经移动所述视觉传感器之后，所述已校准标准被定位在所述视觉传感器与所述背景照射器之间。

16.一种评定由给定CMM使用的视觉传感器与由所述给定CMM使用的第二测量传感器的关联性的方法，所述方法包括以下步骤：

向所述给定CMM提供测试人工制品，所述测试人工制品包括：

已校准球体；和

背景照射器，所述背景照射器包括凸背景照射表面和凹背景照射表面中的一者；

将所述测试人工制品和所述视觉传感器定向为使得所述已校准球体在所述视觉传感器与所述背景照射器之间，使得所述背景照射器向所述视觉传感器产生所述已校准球体的剪影；

用所述视觉传感器测量所述已校准球体，以产生第一组测量值；

用所述第二测量传感器测量同一个所述已校准球体，以产生第二组值；以及

将所述第一组测量值与所述第二组测量值进行比较。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述背景照射器是无源反射器。

18.根据权利要求16所述的方法，该方法还包括以下步骤：

将所述测试人工制品和所述视觉传感器重新定向到第二位置，使得所述已校准球体再次在所述视觉传感器与所述背景照射器之间，使得所述背景照射器向所述视觉传感器产生所述已校准球体的剪影；以及

第二次用所述视觉传感器测量所述已校准球体，以产生第二组测量值；以及

使用所述第一组测量值和所述第二组测量值量化所述视觉传感器的自关联性。

19.根据权利要求16所述的方法，其中，所述第二测量传感器是第二视觉传感器。

20.根据权利要求16所述的方法，其中，所述第二测量传感器从由触觉传感器和非接触式传感器构成的组选择。

说明或声明(按照条约第19条的修改)

原权利要求11和16进行了修改以指明所述背景照射器包括凸背景照射表面和凹背景照射表面中的一者。这样的形状减少了来自背景照射器的光不期望地撞击在已校准标准(例如已校准球体)的传感器面向表面上的风险。修改了原权利要求18以指明该方法获取第二组测量值，并且使用所述第一组测量值和所述第二组测量值量化所述视觉传感器的自关联性。权利要求的项数没有增减，也没重新编号。

Claims