CN109964098B - 坐标定位设备以及操作方法 - Google Patents

坐标定位设备以及操作方法 Download PDF

Info

Publication number
CN109964098B
CN109964098B CN201780071131.0A CN201780071131A CN109964098B CN 109964098 B CN109964098 B CN 109964098B CN 201780071131 A CN201780071131 A CN 201780071131A CN 109964098 B CN109964098 B CN 109964098B
Authority
CN
China
Prior art keywords
probe
axis
gain
head
orientation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201780071131.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109964098A (zh
Inventor
马丁·西蒙·里斯
托比·约翰·迈因
詹姆斯·阿尔希·沙巴尼
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Renishaw PLC
Original Assignee
Renishaw PLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Renishaw PLC filed Critical Renishaw PLC
Publication of CN109964098A publication Critical patent/CN109964098A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109964098B publication Critical patent/CN109964098B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B21/00—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant
    • G01B21/02—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant for measuring length, width, or thickness
    • G01B21/04—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant for measuring length, width, or thickness by measuring coordinates of points
    • G01B21/042—Calibration or calibration artifacts
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B21/00—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant
    • G01B21/02—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant for measuring length, width, or thickness
    • G01B21/04—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant for measuring length, width, or thickness by measuring coordinates of points
    • G01B21/045—Correction of measurements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B5/00—Measuring arrangements characterised by the use of mechanical techniques
    • G01B5/004—Measuring arrangements characterised by the use of mechanical techniques for measuring coordinates of points
    • G01B5/008—Measuring arrangements characterised by the use of mechanical techniques for measuring coordinates of points using coordinate measuring machines
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/18—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form
    • G05B19/401—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by control arrangements for measuring, e.g. calibration and initialisation, measuring workpiece for machining purposes
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/37—Measurements
    • G05B2219/37193—Multicoordinate measuring system, machine, cmm
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/39—Robotics, robotics to robotics hand
    • G05B2219/39019—Calibration by cmm coordinate measuring machine over a certain volume

Abstract

一种对接触式探针进行校准的方法，该接触式探针具有可偏转触针并且被配置用于提供至少一个指示该触针的偏转程度的信号，该接触式探针安装在坐标定位机上，该坐标定位机有助于该接触式探针围绕至少一个轴线重新取向。该方法包括：取得测量数据，该测量数据是利用围绕至少一个轴线定位在多个不同取向上的接触式探针获得的；以及根据测量数据确定至少一个增益变化模型，该增益变化模型对至少一个探针信号的增益的任何表观变化进行建模，该增益的任何表观变化取决于该接触式探针围绕至少一个轴线的取向。

Description

坐标定位设备以及操作方法
本发明涉及一种坐标定位设备，具体地涉及一种操作坐标定位设备的方法。
已知有多种不同类型的比如坐标测量机、机床、工业机器人等坐标定位设备。坐标定位设备通常包括换能器，换能器在所谓的机器坐标系(例如CX、CY、CZ)中对可移动平台或套管轴的位置进行测量。使用测量探针来对物体表面上的点的位置进行测量，该测量探针附接至可移动平台或套管轴并通过该移动平台或套管轴四处移动。还经常期望通过探针的头部将测量探针安装到坐标定位设备的可移动平台/套管轴上，该探针的头部允许相对于平台/套管轴来调节测量探针的取向。具体地，使用这种探针的头部相对于平台/套管轴对测量探针进行重新取向的能力允许对物体的不同取向的表面进行检查。
一种已知类型的与坐标定位设备一起使用的接触式测量探针包括探针壳体和可偏转触针。通常，探针壳体被安装到坐标定位设备的可移动平台或套管轴上，并且移动以便使得触针的尖端与待测量物体接触。在接触物体时，触针偏离其所谓的“未偏转”、“静止”或“中性”位置，并且由适当的传感器对该触针偏转进行感测。这种类型的测量探针可以宽泛地分类为触摸触发式探针或模拟探针(也称为扫描探针)。每当触针偏转超过某个阈值时，触摸触发式探针(也称为数字或切换探针)就会产生触发信号。模拟探针产生了指示触针偏转远离触针的中性/静止位置的幅度/范围(可选地还有方向)的探针信号。例如，扫描/模拟探针可以包括一个或多个换能器，并且可以输出一个或多个指示触针偏转的信号。在一些探针中，探针信号可以是汇总偏转值，并且可以独立于方向/维度。在一些探针中，探针信号依赖于方向/维度。如果触针可以在不只一个维度上偏转，则可以为每个维度提供单独的信号。例如，探针信号可以指示在至少一个维度上、可选地在二维上、例如在三维上的偏转。这些维度可以相互正交。正如所理解的，术语“模拟”用来指探针提供指示触针的偏转程度的信号的事实、而不是描述探针的信号的类型/形式。相应地，正如所理解的，指示偏转程度的信号可以是模拟的或数字的形式。
对于扫描/模拟探针，有必要对探针进行校准，以便确定用于将探针信号转化/转换成空间测量值的所谓的转换模型。通常，这包括将探针信号转换成探针的局部坐标系(PX，PY，PZ)中的空间测量值。这还可以包括将探针信号转换成机器的坐标系(CX，CY，CZ)中的空间测量值，例如当探针安装在能够使探针围绕至少一个轴线旋转的定位设备上时。在WO00/25087、WO 02/073128、WO 2006/114603、WO 2012/004555中详细描述了用于对扫描探针进行校准的方法的实例，包括对探针转换矩阵进行计算。
如在WO 2006/114603中所解释的那样，如果探针安装在铰接式头部上并且在不同的取向上使用，则传统上针对每个取向执行校准过程。这样显著地增加了校准所需的时间。例如，由英国格洛斯特郡(Gloucestershire)沃顿安德埃奇(Wotton-Under-Edge)的雷尼绍公司(Renishaw plc)所销售的PH10探针的头部能够被分度成720个可重复的取向，并且针对每个取向收集校准数据显然是一项非常耗时的任务。
当探针安装在连续式头部上时，比如由英国格洛斯特郡沃顿安德埃奇的雷尼绍公司所销售的REVO探针的头部，针对所有可能的取向进行校准也是不现实的，因为这种连续式头部提供的不是离散数量的取向，而是仅受系统分辨率的限制的所谓的“接近无限”数量的取向。因此，WO 2006/114603提供了一种解决方案，其中在一个取向上确定探针转换矩阵，然后取决于探针的取向进行旋转。
本发明涉及一种改进的对接触式探针进行校准的方法。
根据本发明，提供了一种对接触式探针进行校准的方法，该接触式探针具有可偏转触针并且被配置用于提供至少一个指示触针的偏转程度的信号。接触式探针可以被安装在坐标定位机上，该坐标定位机有助于使接触式探针围绕至少一个轴线重新取向。该方法可以包括取得测量数据，该测量数据是利用围绕至少一个轴线定位在多个不同取向上的接触式探针获得的。该方法可以包括根据该测量数据确定增益变化模型，该增益变化模型对该至少一个探针信号的增益的任何表观变化进行建模，该增益的任何表观变化取决于该接触式探针围绕至少一个轴线的取向。正如所理解的，一个或多个探针信号的增益对一个或多个探针信号如何随探针偏转而变化(例如一个或多个探针信号的水平如何随探针偏转而变化)(例如在探针的坐标系中)进行量化。换句话说，该方法可以包括根据测量数据确定模型，该模型基于探针的取向而针对至少一个探针信号与触针尖端的偏转(例如远离其静止/零力位置)之间的关系的变化进行建模/校正。
发明人已经明确，至少一个探针信号的有效/表观增益可以取决于探针围绕至少一个轴线的取向而变化。例如，他们已经确认，针对探针围绕至少一个轴线的所有取向，给定的探针信号(例如给定的探针信号水平)不一定表示相同量的触针偏转和/或在相同探针方向上的偏转。以下将结合图2更详细地对这种异常进行说明。本发明通过确定一个或多个探测信号的增益的变化并生成用于对该变化进行建模的模型来补偿发明人确认的这种异常。然后，这样的模型可以用于对这种表观变化进行校正/补偿。
正如所理解的，由于探针提供了指示触针的偏转程度的信号(例如水平)，则它通常被称为模拟探针或扫描探针。正如所理解的，这与通常所称的“触摸触发”、“数字”或“切换型”探针形成对比，这些探针仅提供指示触针已经发生偏转(例如超过阈值)的信号。正如所理解的，如上所述，“模拟探针”中的术语“模拟”指的是探针提供指示触针偏转幅度/程度的信号的事实，并不限于仅仅提供数字“偏转/非偏转”信号。相应地，正如所理解的，术语“模拟”不是描述从探针发出的信号的形式。例如，从探针发出的用于指示偏转程度的信号可以是模拟的或数字的形式。
可选地，测量数据是在围绕至少一个轴线的至少一个取向的多个不同的触针偏转下获得的。可选地，对于围绕至少一个轴线的多个不同取向，测量数据是在多个不同的触针偏转下获得的。
接触式探针可以被配置用于至少提供第一探针信号和第二探针信号。可选地，该至少一个增益变化模型对至少第一和第二探针信号的增益的任何表观变化进行建模，该增益的任何表观变化取决于接触式探针围绕至少一个轴线的取向。取决于接触式探针的取向的第一探针信号的增益的表观变化可以不同于第二探针信号的变化。
可选地，定位机有助于接触式探针围绕至少两个轴线重新取向。可选地，至少两个轴线相互正交。该方法可以包括取得测量数据，该测量数据是利用围绕至少两个轴线定位在多个不同取向上的接触式探针获得的。该方法还可以包括根据所述测量数据确定至少一个增益变化模型，该增益变化模型对所述至少一个探针信号的增益的任何表观变化进行建模，该增益的任何表观变化取决于该接触式探针围绕至少两个轴线的取向。
可选地，至少一个轴线(接触式探针可以围绕其旋转)竖直地延伸。当存在至少两个轴线(接触式探针可以围绕其旋转)时，一个轴线可以竖直地延伸，而另一个可以水平地延伸。
可选地，测量数据包括在围绕至少一个轴线的第一取向上获得的第一组测量数据、以及在围绕至少一个轴线的第二取向上获得的至少一个第二组测量数据。可选地，至少一个第二组测量数据不如第一组测量数据全面。可选地，至少一个第二组测量数据是在比第一组测量数据更短的时间内获得的。可选地，与第一组测量数据相比，在获取至少一个第二组测量数据期间收集的测量数据/点更少。可选地，至少一个第二组测量结果是通过使接触式探针围绕至少一个轴线旋转地移动(即重新取向)来获得的。可选地，第一组测量结果是通过使接触式探针保持围绕固定的至少一个轴线的取向、并且使接触式探针和/或人工制品平移地移动来获得的。该方法可以包括至少使用至少一个所述第二组测量数据来确定一个或多个探针信号的增益如何取决于该接触式探针围绕至少一个轴线的取向而呈现变化。
该方法可以包括确定与取向无关的探针信号转换模型。该至少一个增益变化模型可以被配置用于使用与取向无关的探针信号转换模型来对所做的转换进行校正。该至少一个增益变化模型可以被描述为与取向相关的探针信号转换模型。与取向无关的探针信号转换模型可以根据利用接触式探针在围绕至少一个轴线的中的第一个轴线的多个不同取向上获得的测量结果来获得。与取向无关的探针信号转换模型可以是混合/合并的探针信号转换模型，其中它是根据在围绕至少一个轴线中的第一个轴线的多个不同取向上获得的测量结果来确定的。可选地，与取向无关的探针信号转换模型可以从前述更全面的测量中来导出。该至少一个增益变化模型可以根据在围绕至少一个轴线中的第二个轴线的至少一个其他取向上获得的测量结果来获得(根据这种情况，铰接式头部有助于接触式探针围绕至少两个轴线旋转)。用于确定至少一个增益变化模型的测量结果可能不如与取向无关的探针信号转换模型获得的那些测量结果全面。可选地，该至少一个增益变化模型由前述不太全面的测量结果确定。可选地，相比较获得用于与取向无关的探针信号转换模型的测量结果，用于确定至少一个增益变化模型的测量结果是在更少的时间内获得的。可选地，与用于确定与取向无关的探针信号转换模型相比，用于确定至少一个增益变化模型而收集的测量点较少。可选地，通过使接触式探针围绕至少一个轴线旋转来获得用于确定至少一个增益变化模型的测量结果。可选地，通过使接触式探针和人工制品相对平移地移动来获得用于确定与取向无关的探针信号转换模型的测量结果，其中接触式探针保持在围绕至少一个轴线的恒定角度取向上。
正如所理解的，测量数据可以是扫描的测量数据(例如通过沿着物体表面扫描接触式探针所获得的数据)。
确定至少一个增益变化模型可以包括：i)根据利用接触式探针在围绕至少一个轴线的多个不同取向上获得的测量结果(例如扫描结果)来提取度量(例如测量的位置、尺寸、直径、半径、椭圆度等)。确定至少一个增益变化模型可以进一步包括：ii)确定该度量如何随触针偏转而变化。这可以根据在至少一个触针偏转处或多个触针偏转处获得的测量数据来确定。确定至少一个增益变化模型可以进一步包括：iii)确定(在ii中确定的)该变化(例如其斜率)如何随着围绕至少一个轴线的不同取向而变化。
可选地，该方法可以包括随后使用接触式探针以对人工制品进行测量。该至少一个增益变化模型可以用于将探针的至少一个探针信号转换成空间/位置值。这可以包括根据增益变化模型来确定校正因子。变化因子可以应用于探针的至少一个信号和/或应用于根据该信号确定的(暂时/临时)空间测量值。空间值可以是相对值(例如相对于在坐标定位机的坐标系中的预定点的位置)。空间测量值可以表示触针偏转的程度。空间测量值可以是偏转测量值。空间测量值可以是绝对值(例如在探针或坐标定位机的坐标系内的绝对点)。增益变化模型可以用于补偿对于由接触式探针获得的后续测量结果的任何表观变化(取决于取向的至少一个探针信号的增益的变化)。增益变化模型可以用作转换模型的一部分(例如用于将探针信号转换成探针和/或坐标定位机的坐标系中的空间测量结果)。转换模型可以被描述成总体转换模型(overarching transformation model)。转换模型可以被配置用于施加旋转(取决于接触式探针围绕至少一个轴线的取向)，使得对所确定的空间值进行取向以便位于坐标定位机的坐标系中。
可选地，(多个)所确定的空间测量值与其他位置信息相结合，以便确定触针尖端在坐标定位机的坐标系中的绝对位置。例如，其他位置信息可以从一个或多个(例如线性和/或旋转的)位置编码器中导出，位置编码器被设置和配置用于确定安装有接触式探针的坐标定位设备的一个或多个可相对移动的部分的相对位置。
坐标定位机可以包括提供至少一个旋转轴线的铰接式头部。铰接式头部可以包括连续扫描式铰接式头部。正如所理解的，连续扫描式铰接式头部有助于在(例如安装在其上的探针)围绕至少一个轴线(可选地围绕至少两个轴线)重新取向期间进行位置测量。正如所理解的，这与分度头形成对比，该分度头具有限定数量的取向，其中分度头在执行测量之前必须进行固定或“分度”(例如锁定)。铰接式头部可以安装在移动结构上，该移动结构有助于头部例如在至少一个维度上、可选地在至少两个维度上、例如在三个线性维度上(该线性维度可以例如相互垂直)进行平移运动。运动结构可以包括至少一个线性导轨，可选地包括至少两个线性导轨、例如三个线性导轨，它们可以相互正交，并且可以串联布置。
正如所理解的，模型可以包括数学模型。模型可以包括例如函数、矩阵和/或查找表。相应地，例如，该至少一个增益变化模型可以包括至少一个函数。该至少一个增益变化模型可以包括至少一个矩阵。该至少一个增益变化模型可以包括查找表。使用至少一个增益变化模型可以包括在查找表中的数值之间进行插值。
该方法可以包括至少确定第一增益变化模型，该第一增益变化模型对至少一个探针信号的增益的表观对称变化进行建模，该增益的表观对称变化取决于接触式探针围绕至少一个轴线的取向。该方法可以包括确定第二增益变化模型，该第二增益变化模型对至少一个探针信号的增益的表观不对称变化进行建模，该增益的表观不对称变化取决于接触式探针围绕至少一个轴线的取向。
正如所理解的，并且如以下更详细地解释的，在围绕轴线的取向上取得的测量结果的参考可以指实际取向或标称取向。
正如所理解的，测量数据可以是空间/位置测量数据。测量数据可以指人工制品，例如校准制品，例如校准球体。测量数据可以包括位置测量结果(例如关于人工制品的表面)。测量数据可以包括点位置数据。测量数据可以包括关于人工制品的维度数据。测量数据可以从人工制品的扫描中获得(例如，通过沿着人工制品的表面对接触式探针的触针进行扫描，而不是通过在多个离散点处触碰表面来获得多个单一点测量结果)。测量数据可以包括至少一个单一点测量结果，可选地包括多个单一点测量结果。
正如所理解的，取得测量数据可以包括接收/检索(历史)测量数据(例如先前测量的)。可选地，取得测量数据可以包括对坐标定位设备进行操作以致使接触式探针对人工制品进行检查(例如与人工制品进行交互以便获取测量数据)。该方法可以包括从接触式探针的(多个)输出中导出测量数据。可以通过使接触式探针围绕至少一个轴线移动来对人工制品进行检查。可以通过使接触式探针保持围绕固定的至少一个轴线的取向、并且使接触式探针和/或人工制品平移地移动来对人工制品进行检查。
坐标定位机可以是坐标测量机(coordinate measuring machine，CMM)。坐标定位机可以是机床设备。坐标定位设备可以包括笛卡尔或非笛卡尔定位设备。
接触式探针可以是本领域中已知的尖端感测探针。接触式探针可以包括换能器，该换能器还被配置用于检测触针的倾斜、还可以检测触针的弯曲。这可以通过位于探针主体远侧(例如靠近或位于触针尖端处)的光学元件来进行，其相对位置可以被感测。例如，接触式探针可以包括光学换能器系统。该光学换能器系统可以包括光源和检测器，该光源用于产生(例如在触针内部)朝向触针尖端引导的光束，该检测器相对于光束定位以接收光束并产生指示触针尖端的侧向(和/或纵向)位移的信号(例如，如US 6633051和/或WO2006114627中所述)。
正如所理解的，以上结合本发明的第一方面描述的特征适用于以下描述的本发明的其他方面，反之亦然。
根据本发明的另一方面，提供了一种将来自接触式探针的至少一个探针信号转换成空间测量值的方法。接触式探针可以安装在坐标定位机的铰接式头部上(例如连续扫描式铰接式头部)，其有助于在使用接触式探针收集测量结果期间接触式探针围绕至少一个轴线重新取向。该方法可以包括使用至少一个探针信号增益变化校正因子将所述探针信号转换成空间测量值，该至少一个探针信号增益变化校正因子取决于该接触式探针围绕至少一个轴线的取向。
转换步骤还可以包括施加旋转，使得所确定的空间测量值被取向为以便位于定位机的坐标系中。
根据本发明的另一方面，提供了一种对接触式(模拟)探针进行校准的方法，该接触式(模拟)探针具有可偏转触针并且被配置用于提供至少一个指示触针偏转程度的信号。接触式探针可以安装在坐标定位机上，该坐标定位机有助于使接触式探针围绕至少一个轴线重新取向。该方法可以包括确定用于根据测量数据将探针信号转换成(例如在探针的坐标系中的)空间测量结果的共用/混合/合并的探针信号转换模型，该测量数据是利用围绕至少一个轴线定位在多个不同取向上的接触式探针获得的。这与根据仅在一个取向上获得的测量结果来确定探针信号转换模型形成对比。探针信号转换模型可以是与取向无关的探针信号转换模型(因为它没有采用接触式模拟探针围绕至少一个轴线的取向作为输入)。该方法可以包括使用共用/混合/合并的探针信号转换模型以将探针信号转换成用于接触式探针围绕至少一个轴线的取向范围的空间测量结果。例如，该方法可以包括利用在不同的第一取向和第二取向上的接触式探针来接收探针信号，并且使用相同的共用/混合/合并的探针信号转换模型将这些探针信号转换成空间测量结果。空间测量结果可以是在探针的坐标系中的。增益变化模型(例如，如上所述)可以用于对取决于接触式探针的取向的探针信号的增益的表观变化进行补偿。
本申请还描述了一种对接触式(模拟)探针进行校准的方法，该接触式(模拟)探针具有可偏转触针并且被配置用于响应于远离静止位置的触针的偏转而提供一个或多个探针信号，该接触式探针安装在坐标定位机上，该坐标定位机有助于接触式探针围绕至少一个轴线重新取向，该方法包括：对于围绕至少一个轴线的第一取向，执行第一测量过程以便获得第一组测量结果；并且对于至少一个其他取向执行另一个不太全面或不太耗时的测量过程。测量结果可以用于确定探针增益变化模型。例如，第一组测量结果可以用于确定与取向无关的探针信号转换模型。例如，第二组测量结果可以用于确定探针增益变化模型。
根据本发明的另一方面，提供了包括定位设备的设备，该定位设备包括其上安装有接触式(模拟)探针的铰接式头部。铰接式头部可以被配置成有助于接触式探针围绕至少一个轴线重新取向。该设备可以包括至少一个控制器或处理器装置，其被配置用于根据任何上述方法进行操作。控制器/处理器装置可以包括被配置用于根据任何上述方法进行操作的至少一个模块(例如电子或软件模块)。
根据本发明的另一方面，提供了一种计算机程序(例如计算机程序产品)，该计算机程序包括在由至少一个处理器装置执行时致使至少一个处理器装置执行任何上述方法的指令。根据本发明的另一方面，提供了一种计算机可读介质或数据载体，该计算机可读介质或数据载体包括在由至少一个处理器装置执行时使得至少一个处理器装置执行任何上述方法的指令。
现将参考以下附图，仅通过举例来描述本发明的实施例，在附图中：
图1示出安装有接触式探针的坐标测量机的示意等距视图；
图2a和图2b示意性地展示了针对取决于围绕轴线的取向的给定触针偏转的探针信号的变化；
图3展示了根据本发明的用于对接触式模拟探针进行校准的示例过程；
图4展示了用于确定探针信号转换模型的示例过程；
图5展示了用于确定用于对取决于围绕轴线的取向的探针信号增益的任何表观变化进行建模的模型的示例过程；
图6展示了可以在其中使用根据本发明的模型的示例过程；
图7a和图7b示意性展示了根据图4的步骤202至步骤206的对校准制品进行测量的接触式模拟探针；
图8a示出了示意性地展示取得测量读数的位置CX、CY的图示；
图8b示出了当A＝0°且B＝0°时在图8a中识别的每一个测量点处记录的探针的触针偏转信号(p，q)；
图8c示出了当A＝0°且B＝90°时在图8a中识别的每一个测量点处记录的探针的触针偏转信号(p，q)；
图9展示了针对不同的标称A头部角度和不同的触针偏转，校准球体的测量直径比照触针偏转；
图10a示意性地展示了探针信号增益如何针对A轴角度30°、45°、60°和90°而变化的曲线图；
图10b示意性地展示了探针信号增益如何随A轴角度和B轴角度而变化；
图11示意性地展示了校准球体在标称A轴角度30°(以及标称B轴角度0°)下发生的扫描；
图12示意性地展示了校准球体在标称A轴角度90°(以及标称B轴角度0°)下发生的扫描；
图13提供了用于将探针信号转换成在坐标测量机的坐标系中的偏转尖端位置的示例函数；以及
图14提供了用于将探针信号转换成偏转尖端位置的另一示例函数。
参考图1，示出定位设备1，该定位设备包括以坐标测量机(“CMM”)2的形式的移动结构。
CMM 2包括支撑框架12的基座10，该框架进而固持套管轴14。马达(未示出)被设置成用于使套管轴14沿着三个相互正交的轴线CX、CY和CZ移动。套管轴14固持铰接式头部16，该铰接式头部在本实施例中是连续扫描式铰接式头部，比如可从雷尼绍公司获得的REVO铰接式头部。正如所理解的，连续扫描头使得其上安装的装置能够围绕至少一个轴线以基本上任何角度取向，并且通常被描述为提供接近无限数量的角度取向。此外，围绕连续扫描头的轴线的测量装置的取向可以在测量期间(例如，对于接触式探针，在接触式探针与被检查的物体接触并获取比如触针偏转信号等测量信息时)改变。相比之下，分度头具有离散数量的限定(“分度”)位置，在该位置处安装在分度头上的测量装置可以被锁定。利用分度头，测量装置的取向可以改变，但不能在采集测量数据的过程中改变。
铰接式头部16具有附接至套管轴14的基座部分20、中间部分22、以及探针保持部分24。基座部分20包括用于使中间部分22围绕第一旋转轴线B旋转的第一马达(未示出)。中间部分22包括第二马达(未示出)，该第二马达用于使探针保持部分24围绕基本上垂直于第一旋转轴线的第二旋转轴线A旋转。尽管未示出，但在铰接式头部16的可移动部分之间还可以设置轴承。此外，尽管未示出，但可以提供测量编码器，以用于测量基座10、框架12、套管轴14与铰接式头部16的部件的相对位置，以便可以确定测量探针4相对于位于基座10上的工件8的位置。正如所理解的，这些测量值可以用于确定未偏转的触针尖端9的位置，该位置用于以下更详细地描述的函数。
探针4安装在套管轴14上(在本实施例中通过铰接式头部16)。在所描述的实施例中，探针4是接触式探针(例如所谓的模拟/扫描探针)。它包括探针主体5和可偏转触针7(具有接触式尖端9)。在所描述的实施例中，探针4(例如使用运动学安装件)可拆卸地安装在探针保持部分24上。在所描述的实施例中，可以通过使用设置在探针主体5和探针保持部分24上或其中的相应磁体(未示出)而使探针4由探针保持部分24固持。探针4可以可自动安装至位于CMM的移动体积中的探针存放架(未示出)或从该探针存放架上移除。
铰接式头部16允许探针4相对于套管轴14旋转。特别地，在所描述的实施例中，它使得探针4能够相对于套管轴14围绕两个旋转自由度进行定位。由铰接式头部16提供的两个旋转自由度和CMM 2的三个线性(CX，CY，CZ)平移轴的组合允许探针4在五个自由度上移动/定位。
定位设备1还包括控制器26，用于(例如通过比如操纵杆6等输入装置手动地、或例如在检查程序的控制下自动地)控制CMM 2的操作。可以提供显示装置18，以用于帮助使用者与控制器26交互。控制器26可以是例如专用电子控制系统和/或可以包括个人计算机。
在当前实施例中，探针是所谓的“尖端感测”探针，其中对触针尖端的偏转进行直接检测。在US 6633051和US 7847955中描述了这种探针的实例，这些专利的内容通过援引而并入。如那些文献中所述，尖端感测探针可以例如通过具有光学换能器系统来实施，该光学换能器系统包括光源和检测器，该光源产生(例如在触针内部)朝向触针尖端引导的光束，该检测器被定位成接收光束并产生指示触针尖端侧向位移的信号。反射器元件(比如反射镜或回复反射装置)可以被定位于或朝向触针的靠近触针尖端的端部(例如位于或在触针尖端附近)，用于将光束反射回一个或多个传感器(例如可以位于探针主体中或在触针的靠近探针主体的端部处)。尖端感测探针不太容易受到由探针触针的无意弯曲(例如由于重量/下垂/重力/惯性)导致的误差的影响，因为任何这种弯曲都会被感测到。尽管如此，正如所理解的，本发明适用于其他类型的探针，包括非尖端感测探针。在这种情况下，在使用已知技术的情况下，如果需要的话，可能必须将比如下垂等其他已知因素考虑在内。
应注意，图1仅提供CMM 2的最高级描述。可以在其他地方找到对此设备的更完整的描述；例如，参见EP 0402440，其全部内容以应用方式并入本文中。
在工件8的测量期间，探针4的接触尖端9通过坐标CMM的X轴、Y轴、Z轴(即，CX、CY、CZ)的运动和/或通过铰接式头部围绕A轴和/或B轴的旋转而与工件8接触。这样导致探针的触针7和尖端9偏转。一个或多个换能器(未示出，但是在本实施例中它们位于探针主体5中)感测这种远离其静止位置的偏转，并且提供一个或多个指示偏转程度的信号。例如，可以提供电压信号。在本实施例中，提供三个单独的信号(例如p、q、r)，其响应于在不同方向上(例如在接近但不必相互正交的方向上)的偏转。正如所理解的，探针的输出通常不会与CMM的坐标系对齐。正如所理解的，信号可以与偏转成线性比例或不成线性比例。
为了利用探针信号(p、q、r)，需要将其转换成空间测量值。这涉及使用转换模型。在本实施例中，这包括将探针信号(p、q、r)转化/转换成表示探针在探针的局部坐标系(PX、PY、PZ)中偏转的空间测量结果。正如所理解的，探针的输出可能与探针的局部坐标系不对齐，甚至可能不会彼此正交。正如还可以理解的，探针的局部坐标系(PX、PY、PZ)独立于CMM的坐标系(CX、CY、CZ)，并且由于探针可以围绕旋转轴线旋转，因此探针的局部坐标系随其旋转。相应地，必要时测量值可以旋转到CMM 2的坐标系(CX、CY、CZ)中，以便能够确定偏转触针尖端9在CMM 2的坐标系CX、CY、CZ空间中的位置。
例如，可以如以下等式(1)所示来确定CMM的坐标系中的偏转尖端位置：
Figure BDA0002062183810000141
其中，(TX、TY、TZ)是偏转尖端位置，(UX、UY、UZ)是探针的未偏转尖端位置(从系统和头部几何形状得知)，并且(DX、DY、DZ)是已确定的触针偏转，以下将更详细地进行描述。所有这些值都在CMM的坐标系(CX、CY、CZ)中。
可以如以下等式(2)所示来确定CMM的坐标系(DX、DY、DZ)中的触针偏转：
Figure BDA0002062183810000151
其中(PX、PY、PZ)是在探针的局部坐标系中确定的触针偏转，以下将更详细地进行描述。等式2中示出的另外两个矩阵使已确定的触针偏转基于探针围绕A轴和B轴的角度而旋转到CMM的坐标系中。
如目前已知的，有必要转化/转换探针的信号p、q、r，以确定在探针的局部坐标系(PX、PY、PZ)中的探针偏转，例如，使用比如在等式(3)中示出的转换模型：
Figure BDA0002062183810000152
其中kPx1、kPy1等是根据在特定头部角度下执行的标准的已知校准例程所确定的常数(例如，如WO 2006/114603中所述)。这是线性转换模型，但是正如所理解的，并不一定是这种情况，例如可以使用非线性转换模型。
然而，如上所述，已经发现了在探针信号(p、q、r)与触针尖端的偏转之间的关系取决于探针围绕A轴和B轴的取向而变化。已经发现，即使围绕竖直轴线(例如本实施例中的B轴)旋转、甚至当探针被直接向下引导时也存在该变化。
在图2a和图2b中展示了这种异常(即触针偏转信号(p、q、r)与触针尖端偏转之间的关系的变化)。在图2a中，探针4被定位在围绕铰接式头部的A轴和B轴的第一角度取向上，例如，A＝0°且B＝0°。然后致使触针尖端在探针的“PX”维度上偏转1mm，在示出的实例中该维度在该点处与CMM的“CX”维度对齐。这种偏转可以通过使CMM的套管轴14沿着CMM的CX维度移动(并因此使铰接式头部16和探针4移动)1mm来实现，以便驱动触针尖端9垂直进入工件。相应地，触针尖端9偏转的量等于CMM运动的程度，即1mm。如图所示，这样会产生p＝1V、q＝0.1V和r＝0.05V的探针信号。较小的q读数和r读数可以是由于在探针设置中的缺陷(例如(多个)换能器与触针的轻微错位)或由于探针被配置成使得p、q和r与探针的PX、PY和PZ坐标系不完全对齐。
然后探针围绕B轴旋转90°(参见图2b)，然后重复相同的步骤。也就是说，致使触针尖端9在探针的“PX”维度上偏转1mm，在该点处该维度刚好与CMM的“CY”维度对齐。这可以通过使CMM的套管轴14沿着CMM的CY维度移动(并因此使铰接式头部16和探针4移动)1mm来实现，以便驱动触针尖端9垂直进入工件。如图所示，这样会产生p＝0.9V、q＝0.07V和r＝0.04V(“V”＝伏特)的触针偏转信号。
如图所示，对于相同的触针偏转，在相同的探针维度中，提供了不同的触针偏转信号(即经历不同的p、q和/或r输出)。这意味着，对于所有取向而言，由p输出的1V与探针的“PX”维度中的相同偏转量无关。
另一种展示这种异常的方式如下。对于第一取向(例如A＝0°且B＝0°)而言，通过使套管轴沿着第一轴线(例如沿着CX轴线)移动来驱动触针尖端9垂直进入工件，直到输出了阈值p信号水平(例如p＝1V)，并且对套管轴沿着CX轴线在初始接触点与实现阈值信号的点之间行进的距离进行记录。然后，将探针旋转到新的取向(例如A＝0°且B＝90°)，并且再次重复该过程，尽管这次是通过套管轴沿着CY轴线的运动来完成的。我们的发明人已经明确，在达到阈值p信号水平(p＝1V)之前，套管轴行进的距离是取决于取向而变化的。相应地，例如，在p＝1V之前在CX维度上行进的距离(因此当B＝0°时在探针的“PX”维度上的触针偏转)可以是1mm，而在p＝1V之前在CY维度上行进的距离(因此当B＝90°时探针的“PX”维度上的触针偏转)可以是1.1mm。
无论哪种方式，正如所理解的，取决于探针取向，探针信号中似乎存在误差，这样将最终得到从那些探针信号获得的空间测量值。这种表观探针误差将导致从其获得的空间测量结果的误差。
尽管以上实例展示了关于B轴位置的表观触针偏转行为的变化，但是已经发现表观触针偏转行为的变化也可以随A轴位置而变化。
因此，除了将探针信号(p、q、r)转化/转换成表示探针在探针的局部坐标系中(PX、PY、PZ)(并且可选地将结果旋转到CMM 2的坐标系(CX、CY、CZ)中)的偏转的空间测量结果以外，本实施例的方法还基于探针的取向对探针信号(p、q、r)与触针尖端的偏转之间的关系中的变化进行校正。
推测这种变化主要是由于设备(例如CMM 2和/或铰接式头部16)的刚度特性引起的。当将力施加到触针尖端9时，触针7将相对于探针主体5偏转，这将会被探针的换能器检测到。然而，也会有一些铰接式头部16和/或CMM 2结构的未被转换的偏转，这将取决于所施加的力的方向和量级。这种未转化的偏转与在触针偏转测量中的等效误差是不可区分的。
将参考图3至图14来对克服该误差的示例技术进行说明。该技术涉及确定一个或多个探针信号与触针远离其静止/零力位置之间的关系的变化、并且生成用于对其进行建模的模型。在该特定实例中，将模型并入到总体转换模型中(其用于将探针信号转化/转换成维度测量值)，从而对(多个)偏转信号与触针在围绕铰接式头部轴线的不同取向上的偏转之间的关系的差异进行补偿。
图3提供了确定探针4的这种转换模型的过程100的最高级流程图。该方法在使探针4归零的可选步骤102开始。这是模拟/扫描探针的标准公知过程，由此当探针位于自由空间中时(即当探针处于静止/未偏转位置时)对探针的换能器信号进行测量。
在步骤103，通过使用探针4进行一些测量来找到位于CMM的测量体积中的校准制品30。在此阶段，可以使用默认转换模型将探针信号转换成位置测量结果。
在步骤104，找到探针信号转换模型。这将参考图4更详细地进行说明。
然后，在步骤106，确定校正模型，该校正模型对探针信号与触针偏转之间的关系如何随铰接式头部角度而变化进行描述。这将参考图5更详细地进行说明。
然后，可以随后使用在步骤104确定的探针信号转换模型和在步骤106确定的校正模型(这出于本发明的目的，它们一起可以被称为“转变模型”)以便将触针偏转信号转换成准确的空间测量值，例如，如以下参考图6更详细地描述的。
参考图4，示出了用于找到探针信号转换模型的示例过程200。该过程在步骤202开始，人工制品(在这种情况下是校准制品30)在此以第一铰接式头部角度(例如，在本实施例中，A＝0°且B＝0°)进行测量。在本实施例中，步骤202的测量操作包括通过使套管轴14在触针尖端抵靠球体32偏置的情况下以圆圈方式围绕球体32平移地移动来执行校准制品的球体32的扫描(例如围绕赤道34)(参见图7a)。利用不同的触针偏转(不同的测量力)重复该扫描。此外，可以在多个扫描方向上执行扫描，例如，如WO 02/073128中所述。
步骤202的测量操作还包括取得在球体周围间隔开的点测量(例如四点测量)，例如在图7a中指示的点36处。每个点测量包括将触针尖端9垂直推入球体32中，以便致使在触针偏转的范围上获得触针偏转信号，例如标称地在50μm(微米)与200μm(微米)之间。
图8a、图8b和图8c示意性地展示了在步骤202获得的测量的示例结果。图8a示出了示意性地展示取得测量读数的位置CX、CY的图示。每个点表示取得一次测量读数的位置。如可以看到的，扫描涉及使CMM 2的套管轴14以圆圈方式移动，并且触摸点(在图8a中由区域36’突出显示)涉及使套管轴14以标称的直线方式移动进入和离开球体32。图8a的图示对B＝0°和B＝90°两者都有效。
图8b示出了当A＝0°且B＝0°时在图8a中识别的测量点中的每个点处记录的探针的触针偏转信号(p、q)。由于CMM 2的套管轴14以圆圈方式移动，并且由于球体赤道34的轮廓是圆形的，因此可以预期与探针的“q”信号相对地绘制的其“p”信号的轮廓也是圆形的。然而，如图8b中所示，与q相对的p的轮廓是椭圆形的，并且在这种情况下，长轴沿着p轴线延伸。这是由于针对p和q的探测信号行为存在表观差异(例如，在这种情况下，并且如图所示，针对给定偏转，p似乎比q更敏感/提供更大的信号)。
在步骤204，然后确定是否需要在不同的头部角度下进行测量。在本实施例中，将在两个不同的头部角度下获得测量结果，尽管可以在更多的头部角度下获得测量结果(并且可以使用角度A和角度B的任意组合)。相应地，在步骤206，对铰接式头部16进行操作，以便将探针重新取向到第二铰接式头部角度(例如，在本实施例中，A＝0°、B＝90°)。然后重复步骤202，使得在第二铰接式头部角度(在图7b中展示)下重复上述测量(例如两次扫描和四点测量)。如上所述，图8a的图示同样适用于展示在扫描和点测量期间在取得测量结果的点处的套管轴14的CX、CY位置。
图8c示出了当A＝0°且B＝90°时在图8a中识别的每一个测量点处记录的探针的触针偏转信号(p，q)。可以看出，与q相对的p的轮廓如在图8b中所示的椭圆形，但是与图8b相比可以看出，长轴已经旋转了90°(并且在这种情况下，长轴沿着图8c中的q轴延伸)。如图所示，不同于当A＝0°且B＝0°时的情况，在这种情况下，对于给定偏转，q似乎比p更敏感/提供更大的信号。
相应地，可以看出，在由探针获得的测量中似乎存在误差。探针信号行为似乎取决于探针的方向而不同。换句话说，探测信号的增益取决于取向而呈现变化。然而，还可以看出，由于误差不随探针一起旋转，因此可以推导出误差可能源于机器的结构。
在步骤204，然后确定在该阶段不需要进行进一步的测量，并且因此过程进行到步骤208。在步骤208，使用最小二乘最佳拟合优化过程来确定探针信号转换模型。例如，参考以下等式(4)，未偏转尖端位置Ux、Uy、Uz位置是已知的，探针的信号p、q、r是已知的，头部角度A和头部角度B是已知的，并且已知触针尖端位置Tx、Ty、Tz应该都位于球体的表面上。相应地，优化过程(例如迭代过程)、比如最小二乘最佳拟合优化过程可以用于推导以下等式(4)中所示的空白3x 3矩阵的值，其将导致在B＝0°且B＝90°的情况下获得的测量结果尽可能地接近球体表面。
Figure BDA0002062183810000201
然后，该矩阵可以用作探针信号转换模型。例如，示例矩阵可以类似于以上等式(3)中所示的矩阵，例如：
Figure BDA0002062183810000202
然而，在这种情况下，由于探针信号转换模型是根据在多个不同取向上获得的测量结果来确定的，探针信号转换模型可以被描述为“平均的”、“混合的”、“合并的”或“优化的”探针信号转换模型(而在等式(3)中，已经根据仅在一个头取向上获得的测量结果来确定矩阵)。可选地，探针信号转换模型可以被描述为“共用”探针信号转换模型，因为它是根据多个不同取向来确定的、并且随后被用作针对多个不同取向的共用转换模型。正如所理解的，该探针信号转换模型是与取向无关的信号转换模型的实例。不会将探针围绕任何轴线的取向作为输入参数。
正如所理解的，通过在适当的不同头部角度下取得测量结果，CMM效果在探针坐标系中可以平均为零。
正如所理解的，取得测量结果的顺序对于本发明而言并不重要。例如，并不是在第一铰接式头部角度下执行所有测量并且随后在第二铰接式头部角度下执行所有测量，而是在第一铰接式头部角度和第二铰接式头部角度下(或者如果有两个以上的头部角度，则为全部)获得测量结果可能是交叉进行的。
另外，不必在每个不同的铰接式头部角度下获得相同的测量结果。例如，可能要获得针对四个不同铰接式头部角度的数据(例如A＝0°且B＝0°、45°、90°和135°)，并不是针对每个铰接式头部角度执行扫描测量，而是可能仅针对四个铰接式头部角度中的两个头部角度执行扫描测量(同时，例如，仍然对所有四个铰接式头部角度执行点测量)。
正如所理解的，代替那些上述测量或除此以外，可以获得其他类型的测量结果。例如，可以执行校准制品表面的螺旋扫描。此外，尽管在所述实施例中在不同的触针偏转/力下获得测量结果，但是不必在不同的触针偏转/探针力下获得测量结果。例如，在每个头部角度下可以只执行一次扫描。在这种情况下，可以对增益的形式进行假设，例如是线性的并且穿过0点，或者例如具有假想的非线性形式。这样能够识别一些误差，尽管不可能确信已经绘出了探针信号增益误差。替代性地，在多个触针偏转/探针力下的测量结果可以在一些(例如一个)头部角度下获得，但是不能在其他头部角度下获得。
参考图5，示出了用于确定校正模型的示例过程300，该校正模型描述了取决于头部角度的探针信号与触针偏转之间的关系的变化。该过程在步骤302通过对CMM 2进行操作以在多个不同的触针偏转下对校准球体32(具有给定头部角度)进行扫描而开始。例如，这可以包括以给定标称A头部角度(例如A＝30°)围绕球体32的表面扫描一圈(参见图11)。在本实施例中，通过使探针围绕铰接式头部的旋转轴线旋转来执行扫描。如图所示，由于球体30和触针尖端9具有半径，所以探针需要绕着A轴旋转，并且因此A实际上不是处于30°。然而，围绕着A轴的角度为30°，其中线38在铰接式头部的旋转点与发生扫描的圆40的中心之间延伸，并且因此A被描述为标称地处于30°。正如还可以理解的，由于探针与校准制品的相对比例，探针被示出为围绕A旋转的量在附图中被过分放大了。另外，正如所理解的，并不是通过使探针围绕铰接式头部的一个或多个轴线旋转来执行扫描，而是可以通过使用CMM的X、Y和Z轴而使套管轴14平移地移动来执行扫描。在这种情况下，头部的A轴可能真正处于30°。
在至少两种不同的触针偏转(例如两种不同的探针力)下执行相同的扫描，并且在这种情况下是在四种不同的触针偏转下执行相同的扫描。如将理解的，情况不一定是这样。例如，可以仅在一种触针偏转下执行测量。例如，在将来的测量仅在该触针偏转下获得的情况下和/或在可以对关于增益的变化进行假设(例如线性变化回零)的情况下，这种情况尤其如此。
在步骤304，然后确定是否需要在不同的头部角度处进行测量。在本实施例中，测量结果将在四个不同的标称A轴线角度下获得(30°、45°、60°和90°；参见图12，针对A＝90°)。相应地，在步骤306，对铰接式头部16进行操作，以便将探针重新取向到下一个标称A轴头部角度。然后，如上所述针对新的标称头部角度重复步骤302。该循环继续进行，直到在步骤304确定不需要在不同的头部角度下进行进一步的测量。
然后，过程300的控制进行到步骤308，在此确定触针偏转信号增益如何随头部角度而呈现变化。步骤308(以下面将更详细地解释其示例方法)可以示意性地概括为：i)根据每个扫描来提取度量(例如所测量的直径、半径、椭圆度)；ii)确定该度量如何随触针偏转/力而变化；iii)并且随后确定(在ii中所确定的)该变化的斜率如何随头部角度而变化。
例如，使用等式(4)的矩阵，在图5的扫描过程期间所获得的探针信号被转换成位置测量结果。然后对每次扫描的位置测量结果进行分析，以确定球体32的测量直径。这是针对每个头部角度下每个触针偏转而完成的。为了便于展示，图9中示出了针对不同的标称A头部角度和不同的触针偏转的情况下测得的与触针偏转相对的球体直径。如可以看到的，在该示例中，对于任何给定的头部角度，球体32的测量直径随触针偏转而增加。正如所理解的，与这些点拟合的每条线的梯度表示针对每个头部角度的表观探测信号增益。如图所示，每个头部角度具有不同的梯度，并且因此具有不同的表观增益。这说明探针信号的增益随头部角度而呈现变化。换句话说，如通过该实例所示，探针信号与触针偏转程度之间的关系随头部角度而变化。
图10a示意性地示出了针对A头部角度30°、45°、60°和90°的梯度/增益值的曲线图。表观增益变化可以用函数表示。例如，取决于头部围绕A轴的角度的表观增益变化可以通过以下等式(5)中列出的函数来建模：
Gxy＝k1+k2sin(A)+k3cos(A) (5)
其中，k1、k2和k3是被选择为与测量增益拟合的常数(例如使得该函数描述了图10a中示出的与测量增益拟合的线)。
然后，这可以被并入到矩阵中，该矩阵可以在测量期间用于补偿增益的表观变化。例如，以下等式(6)展示了示例性的转换模型，除了等式(3)中示出的转换模型之外，该转换模型还包括矩阵，该矩阵针对不同的头部角度下的探针信号的增益的表观变化进行建模并且可以用于对其进行补偿：
Figure BDA0002062183810000231
正如所理解的，与Gxy是函数相反，其替代地可以是查找表。相应地，可以通过查找表来对表观增益变化进行建模。如果需要的话，可以使用查找表的插值来填充/确定未被直接测量的值。
为了便于参考，图13中展示了扩展形式的等式(1)，其结合上述对表观增益变化进行建模矩阵从而对探针信号与触针在不同头部角度下的偏转之间的关系的变化进行补偿。图13还分解并标记了多种不同的矩阵，以解释其目的以便帮助理解。
在上述的实施例中，假设增益是线性的(并且因此例如直线被示出为与图9中的点拟合)。然而，正如所理解的，不一定是这种情况，并且增益可以是非线性的(在这种情况下，与点拟合的线可以是弯曲的)。
等式(5)的函数仅真正代表了角度B，在该角度下对在不同的角度A下进行的扫描进行测量。可以假设取决于角度A的表观增益变化在所有角度B下都是相同的，或者可以预测表观增益变化如何随角度B而变化。然而，如果优选的是不进行假设/预测，则也可以针对关于角度B的变化进行考虑和建模。在这种情况下，如以上所述的图5、图11、图12的过程可以针对不同的(标称)角度B进行重复，由此找到针对不同的角度A和角度B的增益。图10b示意性地展示了梯度/增益可能如何随角度A和角度B而变化，其中这些点表示针对不同的角度A和角度B所确定的增益。这种变化可以用函数来表示。例如，取决于角度A和角度B的表观增益变化可以通过以下等式(7)中列出的函数来进行建模：
Gxy＝kA1+kA2sin(A)+kA3cos(A) (7)
其中：
kA1＝kB11+kB12sin(2B)+kB13cos(2B)
kA2＝kB21+kB22sin(2B)+kB23cos(2B)
kA3＝kB31+kB32sin(2B)+kB33cos(2B)
并且其中，kBij是被选择为与测量增益拟合的常数(例如对图10b中所示的与测量增益拟合的表面进行描述的函数)。
正如所理解的，以上Gxy函数只是示例函数。正如所理解的，也可以使用其他函数。
以上技术假设表观增益变化是对称的(例如Px和Py)。该方法可以被扩展为包括对增益变化的任何表观不对称性(例如Px和Py中的任何不对称性)进行描述的模型。例如，如果存在不对称性，则扫描将不是圆形的。例如，它们可以是近似椭圆形的，并且在这种情况下，尝试对表观增益变化的椭圆性质进行建模可能是有利的。相应地，可以确定扫描的椭圆度并对其建模，而不是简单地确定直径。图14示出附加矩阵可以用于针对任何表观不对称(例如椭圆形的)增益变化进行校正。
在这种情况下，除了确定多次触针偏转的扫描直径(或半径)以及确定其如何随触针偏转而变化以外，还可以确定其他度量。例如，度量可以是扫描的椭圆形状(其可以通过参数来描述)，并且以类似于上文实施例的方式，将必须确定椭圆形的形状如何随偏转而变化，并且该变化的斜率可以用于确定给定头部角度下的(图14中所示的不对称增益变化模型的)椭圆增益Ec Es。
Ec Es随头部角度的变化可以像以前一样建模。因此，正如所理解的，图14中所示的不对称的增益变化模型的Ec和Es各自可以是将头部角度A和/或B作为输入/变量的函数。例如，Ec和Es可以包括以下等式(8)和(9)中列出的函数：
Ec＝cA1+cA2sin(A)+cA3cos(A) (8)
其中
cA1＝cB11+cB12sin(2B)+cB13cos(2B)
cA2＝cB21+cB22sin(2B)+cB23cos(2B)
cA3＝cB31+cB32sin(2B)+cB33cos(2B)
以及
Es＝sA1+sA2sin(A)+sA3cos(A) (9)
其中
sA1＝sB11+sB12sin(2B)+sB13cos(2B)
sA2＝sB21+sB22sin(2B)+sB23cos(2B)
sA3＝sB31+sB32sin(2B)+sB33cos(2B)
并且其中CBij和SBij是被选择用于与椭圆形增益的测量变化拟合的常数。
正如所理解的，可以存在其他形状的变化(例如使得变化不是严格的椭圆形)，在这种情况下，可能需要略微不同的模型。
正如所理解的，图13的增益变化模型和图14的不对称的和对称的增益变化模型可以被描述为与取向相关的探针信号转换模型。它们将接触式模拟探针围绕铰接式头部的至少一个轴线(在这种情况下为两个轴线)的取向作为输入参数。
图6展示了在随后使用接触式模拟探针4收集测量点的过程中如何实际使用增益变化模型的示例过程400。该过程在步骤402开始，在该步骤期间使物体8和/或接触式模拟探针4移动，以便使触针7(特别是触针尖端9)与物体接触，从而导致触针偏转。接触式模拟探针响应于偏转而提供(多个)信号(在这种情况下是p、q、r信号)，这个或这些信号的水平指示偏转程度。正如所理解的，这个或这些信号可以是数字或模拟形式的。在步骤404，共用探针信号转换模型用于将信号转换成探针坐标系(Px、Py、Pz)中的空间测量结果。在步骤406，探针信号增益变化模型被用于应用增益变化校正因子，其取决于接触式模拟探针围绕铰接式头部的A轴和B轴的取向。相应地，这涉及将接触式模拟探针在提供探针信号的点处围绕A轴和B轴取向的角度馈送到模型中。这样随后给出了探针的坐标系(Px、Py、Pz)中的已经针对探针信号的增益的表观变化进行了补偿的空间测量结果。在步骤408，随后将空间测量结果旋转到CMM的坐标系中(例如使用图13和图14中所示的矩阵)。然后可以将其添加到未偏转尖端位置(这可以从系统和头部几何形状中得知，并且例如从安装在CMM的X轴、Y轴和Z轴上的线性位置编码器以及安装在铰接式头部上的旋转位置编码器中推导出来，使得可以确定铰接式头部的位置和取向)。
相应地，在通过沿着物体的表面对接触式模拟探针进行扫描获得测量结果、并且在其过程中接触式模拟探针4的取向围绕铰接探针的头部的轴线中的一个或多个轴线连续改变的实施例中，由增益变化模型应用的增益校正因子取决于该一个或多个轴线的角度而连续改变(例如随着围绕轴线的取向的连续改变而连续改变)。
通过具有针对初始探测信号转换的单独的矩阵(“共用”探测信号转换模型)和(不对称的和对称的)增益变化模型来对以上实施例进行说明，但是正如所理解的，并不一定是这种情况，并且它们可以由一个共用矩阵来提供。如上所解释的那样，并不是使用一个或多个矩阵，而是可以代替性地使用函数或查找表。
在上述实施例中，根据在多个不同取向下获得的测量结果来确定共用探针信号转换模型。正如所理解的，这种共用探针信号转换模型可以单独使用，而不需要附加的增益变化模型。相比于根据仅在一个取向下获得的测量结果来确定探针信号转换模型、并且随后假设相同的探针信号转换模型适用于其他取向(并且仅将空间测量值旋转到CMM的坐标系中)，这样做可能是有利的，因为可以使行为的变化平滑/平均。
上述实施例针对Px和Py进行校正。正如所理解的，同样的技术可以用于针对Pz进行校正。在这种情况下，沿探针Pz轴线的测量可以在不同的触针偏转下进行(例如通过利用探针“端对端”触碰校准制品)。
在所描述的实施例中，坐标定位机是串行CMM(即其中三个线性自由度由三个独立的正交运动轴线提供)。然而，正如所理解的，本发明也可以用于控制比如并行CMM、机器人手臂等其他类型的坐标定位机的运动。本发明不仅可以与专用CMM一起使用，还可以用于比如机床等其他类型的坐标定位机。另外，正如所理解的，本发明适合与比如极坐标定位机和球面坐标定位机等笛卡尔和非笛卡尔定位机一起使用。

Claims (14)

1.一种对接触式模拟探针进行校准的方法，所述接触式模拟探针具有可偏转触针并且被配置用于提供至少一个指示所述触针的偏转程度的信号，所述接触式模拟探针安装在坐标定位机上，所述坐标定位机有助于所述接触式模拟探针围绕至少一个轴线重新取向，其中所述坐标定位机包括铰接式头部，所述接触式模拟探针安装在所述铰接式头部上，所述铰接式头部提供所述接触式模拟探针可以围绕其重新取向的所述至少一个轴线，所述方法包括：
取得测量数据，所述测量数据是利用围绕所述铰接式头部的至少一个轴线定位在多个不同取向上的接触式模拟探针获得的；以及
根据所述测量数据确定至少一个增益变化模型，所述增益变化模型对所述至少一个探针信号的增益的任何表观变化进行建模，所述增益的任何表观变化取决于所述接触式模拟探针围绕所述铰接式头部的至少一个轴线的取向,
其中所述至少一个探针信号的所述增益对所述至少一个探针信号如何随所述探针偏转而变化进行量化。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述测量数据是在围绕所述铰接式头部的至少一个轴线的至少一个取向的多个不同的触针偏转下获得的。
3.如权利要求2所述的方法，其中对于多个所述不同取向，测量数据是在多个不同的触针偏转下获得的。
4.如任一前述权利要求所述的方法，其中所述接触式模拟探针被配置用于提供至少第一探针信号和第二探针信号，并且其中所述至少一个增益变化模型对所述至少第一探针信号和第二探针信号的增益的任何表观变化进行建模，所述增益的任何表观变化取决于所述接触式模拟探针围绕所述铰接式头部的至少一个轴线的取向。
5.如任一前述权利要求所述的方法，其中所述坐标定位机有助于所述接触式模拟探针围绕所述铰接式头部的至少两个轴线重新取向，并且其中所述方法包括：
取得测量数据，所述测量数据是利用围绕所述铰接式头部的至少两个轴线定位在多个不同取向的所述接触式模拟探针获得的；以及
根据所述测量数据确定至少一个增益变化模型，所述增益变化模型对所述至少一个探针信号的增益的任何表观变化进行建模，所述增益的任何表观变化取决于所述接触式模拟探针围绕所述铰接式头部的至少两个轴线的取向。
6.如任一前述权利要求所述的方法，其中所述测量数据包括在围绕所述铰接式头部的至少一个轴线的第一取向上获得的第一组测量数据、以及在围绕所述铰接式头部的至少一个轴线的第二取向上获得的至少一个第二组测量数据，其中所述至少一个第二组测量数据不如所述第一组测量数据全面。
7.如权利要求6所述的方法，包括至少使用至少一个所述第二组测量数据来确定所述一个或多个探针信号的增益如何取决于所述接触式模拟探针围绕所述铰接式头部的至少一个轴线的取向而呈现变化。
8.如任一前述权利要求所述的方法，进一步包括确定与取向无关的探针信号转换模型。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述至少一个增益变化模型被配置用于对使用与取向无关的探针信号转换模型所做的转换进行校正。
10.如任一前述权利要求所述的方法，包括随后使用所述接触式模拟探针来测量人工制品，并且使用所述至少一个增益变化模型来将所述探针的至少一个探针信号转换成空间测量值。
11.如任一前述权利要求所述的方法，其中所述坐标定位机的所述铰接式头部包括提供所述至少一个轴线的连续扫描式铰接式头部，并且其中所述铰接式头部安装在有助于所述头部的平移运动的运动结构上。
12.如任一前述权利要求所述的方法，其中所述至少一个增益变化模型包括至少一个矩阵、至少一个函数和/或至少一个查找表。
13.如任一前述权利要求所述的方法，包括至少确定第一增益变化模型和第二增益变化模型，所述第一增益变化模型对所述至少一个探针信号的增益的表观对称变化进行建模，所述增益的表观对称变化取决于所述接触式模拟探针围绕所述铰接式头部的至少一个轴线的取向，所述第二增益变化模型对所述至少一个探针信号的增益的表观不对称变化进行建模，所述增益的表观不对称变化取决于所述接触式模拟探针围绕所述铰接式头部的至少一个轴线的取向。
14.一种将接触式模拟探针的至少一个探针信号转换成空间测量值的方法，所述接触式模拟探针具有可偏转触针、并且其中所述至少一个探针信号指示所述触针的偏转程度，其中所述接触式模拟探针安装在坐标定位机的铰接式连续扫描头上，其有助于在使用所述接触式模拟探针收集测量结果期间所述接触式模拟探针围绕所述铰接式连续扫描头的至少一个轴线重新取向，所述方法包括：
使用至少一个探针信号增益变化校正因子将所述探针信号转换成空间值，所述至少一个探针信号增益变化校正因子取决于所述接触式模拟探针围绕所述铰接式连续扫描头的至少一个轴线的取向，其中所述探针信号增益对所述至少一个探针信号如何随所述探针偏转而变化进行量化。
CN201780071131.0A 2016-11-16 2017-11-09 坐标定位设备以及操作方法 Active CN109964098B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP16275164.8 2016-11-16
EP16275164 2016-11-16
PCT/GB2017/053379 WO2018091867A1 (en) 2016-11-16 2017-11-09 Coordinate positioning apparatus and method of operation

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109964098A CN109964098A (zh) 2019-07-02
CN109964098B true CN109964098B (zh) 2022-10-14

Family

ID=57326336

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201780071131.0A Active CN109964098B (zh) 2016-11-16 2017-11-09 坐标定位设备以及操作方法

Country Status (5)

Country Link
US (1) US11402201B2 (zh)
EP (1) EP3542130B1 (zh)
JP (1) JP7105769B2 (zh)
CN (1) CN109964098B (zh)
WO (1) WO2018091867A1 (zh)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9557157B2 (en) * 2014-12-01 2017-01-31 Steven Eugene Ihlenfeldt Inertial dimensional metrology
EP3502611B1 (en) * 2017-12-21 2023-08-16 Hexagon Technology Center GmbH Machine geometry monitoring
CN113614485B (zh) * 2019-03-08 2023-10-31 格里森计量系统股份有限公司 使用单轴移动的非接触式传感器校准
CN111060049A (zh) * 2019-12-31 2020-04-24 广西玉柴机器股份有限公司 一种验证三坐标测量机工件坐标系转换稳定性的方法
DE102020204313A1 (de) 2020-04-02 2021-10-07 Carl Zeiss Industrielle Messtechnik Gmbh Verfahren zum Kalibrieren eines Schwenktasters
US11644299B2 (en) 2020-12-31 2023-05-09 Mitutoyo Corporation Inductive position sensor signal gain control for coordinate measuring machine probe
CN116100564B (zh) * 2023-04-12 2023-07-25 深圳广成创新技术有限公司 一种标定机械手的高精度标定方法及装置

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101166950A (zh) * 2005-04-25 2008-04-23 瑞尼斯豪公司 用于扫描工件表面的方法
CN101166951A (zh) * 2005-04-26 2008-04-23 瑞尼斯豪公司 扫描工件表面的方法
CN101432592A (zh) * 2006-04-26 2009-05-13 瑞尼斯豪公司 误差校准
CN101622513A (zh) * 2007-02-22 2010-01-06 瑞尼斯豪公司 校准方法和设备
DE102011008421A1 (de) * 2011-01-12 2012-07-12 Carl Zeiss Industrielle Messtechnik Gmbh Verfahren und Anordnung zum Kalibrieren von messwertgebenden Sensoren eines taktilen Koordinatenmessgerätes
EP2910895A1 (en) * 2014-02-21 2015-08-26 Mitutoyo Corporation Coordinate measuring machine and method for calculating correction matrix by coordinate measuring machine
CN105531563A (zh) * 2013-09-13 2016-04-27 瑞尼斯豪公司 测量方法

Family Cites Families (25)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB8908854D0 (en) 1989-04-19 1989-06-07 Renishaw Plc Method of and apparatus for scanning the surface of a workpiece
DE59510796D1 (de) 1994-05-27 2003-10-23 Zeiss Carl Koordinatenmessung an Werkstücken mit einer Korrektur des durch die Messkraft abhängigen Biegeverhaltens des Koordinatenmessgerätes
GB9517214D0 (en) 1995-08-23 1995-10-25 Renishaw Plc Calibration of an articulating probe head for a coordinating positioning machine
JP2000081328A (ja) * 1998-09-03 2000-03-21 Futec Inc 走行シート状物用測定方法
GB9823228D0 (en) 1998-10-24 1998-12-16 Renishaw Plc Method of calibrating analogue probes
GB9907644D0 (en) 1999-04-06 1999-05-26 Renishaw Plc Surface sensing device with optical sensor
GB9907868D0 (en) 1999-04-08 1999-06-02 Renishaw Plc Method of calibrating a scanning system
WO2002027268A1 (de) 2000-09-28 2002-04-04 Carl Zeiss Ermittlung von korrekturparametern einer dreh-schwenkeinheit mit messendem sensor (koordinatenmessgerät) über zwei parameterfelder
GB0106245D0 (en) 2001-03-14 2001-05-02 Renishaw Plc Calibration of an analogue probe
GB0126232D0 (en) 2001-11-01 2002-01-02 Renishaw Plc Calibration of an analogue probe
DE10237501A1 (de) * 2002-08-16 2004-03-04 Carl Zeiss Koordinatenmeßmaschine und Korrekturverfahren dafür
US7885777B2 (en) * 2005-04-26 2011-02-08 Renishaw Plc Probe calibration
GB0508388D0 (en) 2005-04-26 2005-06-01 Renishaw Plc Surface sensing device with optical sensor
JP5155533B2 (ja) * 2006-02-16 2013-03-06 株式会社ミツトヨ 補正プログラム、及び測定装置
GB0713639D0 (en) 2007-07-13 2007-08-22 Renishaw Plc Error correction
JP5192283B2 (ja) * 2008-05-13 2013-05-08 株式会社ミツトヨ 三次元測定機
JP5324510B2 (ja) * 2010-03-29 2013-10-23 株式会社ミツトヨ 真円度測定機
GB201013938D0 (en) 2010-08-20 2010-10-06 Renishaw Plc Method for recalibrating coordinate positioning apparatus
PL2543955T3 (pl) * 2011-07-06 2016-06-30 Hexagon Metrology Spa Sposób kalibracji modelu matematycznego współrzędnościowej maszyny pomiarowej, w celu kompensowania błędów dynamicznych spowodowanych odkształceniem
US10132622B2 (en) 2013-02-05 2018-11-20 Renishaw Plc Method and apparatus for measuring a part
GB201311600D0 (en) * 2013-06-28 2013-08-14 Renishaw Plc Calibration of a contact probe
CN106471334B (zh) 2014-04-23 2019-12-06 瑞尼斯豪公司 测量探头的校准
GB2529131B (en) * 2014-05-06 2019-06-05 Taylor Hobson Ltd Method and apparatus for characterising instrument error
CN104034228B (zh) * 2014-06-03 2017-05-10 海克斯康测量技术(青岛)有限公司 坐标机引导定位装置及其校准方法、定位方法
EP2998696B1 (en) * 2014-09-18 2021-01-06 Hexagon Technology Center GmbH Method for compensating lobing behaviour of a CMM touch probe

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101166950A (zh) * 2005-04-25 2008-04-23 瑞尼斯豪公司 用于扫描工件表面的方法
CN101166951A (zh) * 2005-04-26 2008-04-23 瑞尼斯豪公司 扫描工件表面的方法
CN101432592A (zh) * 2006-04-26 2009-05-13 瑞尼斯豪公司 误差校准
CN101622513A (zh) * 2007-02-22 2010-01-06 瑞尼斯豪公司 校准方法和设备
DE102011008421A1 (de) * 2011-01-12 2012-07-12 Carl Zeiss Industrielle Messtechnik Gmbh Verfahren und Anordnung zum Kalibrieren von messwertgebenden Sensoren eines taktilen Koordinatenmessgerätes
CN105531563A (zh) * 2013-09-13 2016-04-27 瑞尼斯豪公司 测量方法
EP2910895A1 (en) * 2014-02-21 2015-08-26 Mitutoyo Corporation Coordinate measuring machine and method for calculating correction matrix by coordinate measuring machine

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
An investigation into the dynamic performance of CMM scanning probes;Wozniak, A.;《5th International Conference Mechatronics 2004》;20041231;全文 *
三坐标测量机探针系统误差的研究;谢祖通;《计量与测试技术》;20090930;全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN109964098A (zh) 2019-07-02
JP7105769B2 (ja) 2022-07-25
US20200049498A1 (en) 2020-02-13
JP2019536032A (ja) 2019-12-12
US11402201B2 (en) 2022-08-02
WO2018091867A1 (en) 2018-05-24
EP3542130B1 (en) 2024-01-03
EP3542130A1 (en) 2019-09-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109964098B (zh) 坐标定位设备以及操作方法
EP2591310B1 (en) Method for recalibrating coordinate positioning apparatus
TWI424164B (zh) 差動校準
US7543393B2 (en) Method of calibrating a scanning system
US7131207B2 (en) Workpiece inspection method
EP1893942B9 (en) Apparatus and method for relocating an articulating-arm coordinate measuring machine
JP5192283B2 (ja) 三次元測定機
JP5706158B2 (ja) 表面センサオフセット
JP5998058B2 (ja) 座標位置決め装置を用いて得られる測定値の誤差の補正
JP5612386B2 (ja) 形状測定装置
EP1792139B1 (en) The use of surface measurement probes
US9151602B2 (en) Corrected ball diameter calculating method and form measuring instrument
JP2008275624A (ja) 座標測定方法および座標測定装置
Dickin et al. Mapping and correcting the distortion of 3D structured light scanners
JP6514041B2 (ja) 形状測定装置の制御方法
JP6786255B2 (ja) 形状測定方法、形状測定装置、およびデータ処理方法
JP2018128350A (ja) 位置検出装置、ステージ装置、および形状測定装置
Gurau et al. Laser Scanner-Based Robotic Coordinate Measuring Machine
Lombardi Compensation of CMM geometrical errors using Laser Tracer–the pilot experiment at a CMM manufacturer
CN117739890A (zh) 坐标测量装置的校准
JP2002107124A (ja) 表面形状測定系の系統誤差の決定方法および表面形状測定装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant