CN112902899A - 用于操作坐标测量机的方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于操作坐标测量机(CMM)的方法，所述坐标测量机CMM包括CMM控制系统、表面扫描探头、以及探头测量定时子系统，该方法包括：操作CMM控制系统以在可预测的时间输出测量同步触发信号；操作探头测量定时子系统以确定所述可预测的时间，并确定探头工件测量采样周期的当前持续时间；操作探头测量定时子系统以确定预触发提前时间；操作探头测量定时子系统以开始探头工件测量采样周期的当前实例和确定探头工件测量的相关联的当前实例；操作CMM控制系统以在下一个可预测的时间输出当前的测量同步触发信号，并锁存与当前的测量同步触发信号相关联的CMM位置坐标值的当前集合；以及操作表面扫描探头以输出探头工件测量的当前实例。

Description

用于操作坐标测量机的方法
本申请是申请日为2017年6月23日、申请号为201710485296.4、发明名称为“用于操作坐标测量机的方法”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本公开涉及精密计量学，更具体地，涉及在坐标测量机中使用的探头中的信号。
背景技术
坐标测量机(CMM)能够获取被检查工件的测量。美国专利第8,438,746号(’746专利)中描述的一个示例的现有技术CMM包括用于测量工件的探头、用于移动探头的移动机构以及用于控制移动的控制器，在此通过引用并入其全部内容。美国专利第6,971,183号和第6,487,785号中也描述了使用机械接触探头的CMM，在此通过引用并入其全部内容。美国专利第7,652,275号中描述了包括表面扫描探头的CMM，在此通过引用并入其全部内容。如其中所公开的，诸如机械接触探头或非接触光学探头的扫描探头可以跨越工件表面扫描。
在使用扫描探头的各种CMM中，测量同步触发信号触发来自CMM标尺(scale)或编码器(例如，线性和旋转标尺或编码器)的测量，其追踪扫描探头在机器坐标系统中的全部位置和方向(例如，其基准位置)，以及触发来自扫描探头的局部表面测量。扫描探头测量是在局部坐标系统中，其参考(或测量相对于)扫描探头基准。已知在测量同步触发信号锁存CMM标尺时的时间和与扫描探头的定时或信号采样周期有关的时间之间可能存在延迟或偏离。偏离可能来自于信号采集延迟、信号处理延迟(包括模拟到数字的转换)以及信号传输延迟等。当这样的定时不符存在时，CMM标尺测量数据和扫描探头测量数据不能组合为准确的测量。美国专利第8,438,746号(’746专利)是一个现有技术参考，其详细描述了该问题以及各种现有技术解决方案，在此通过引用并入其全部内容。如’746专利中所描述的，现有技术解决方案包括发送全局触发信号到所有CMM的子系统，和/或精确地检测并校准各种子系统中的各种延迟，和/或“添加时间戳”和/或调整来自各种子系统的测量数据。’746专利也指出，当各种子系统包括局部数字电子器件和处理时，典型的CMM系统中可用的有限数目的布线可能阻止提供专用线或通道用于每个所需的定时信号。因此，可能增加解码和/或信号传输的成本和/或复杂性。’746专利指出，即使在处理了所有上述问题以后，在时钟周期内各个数字子系统中的局部时钟的相位可能不一致。’746专利公开了除测量触发信号外提供同步信号。同步信号用于相位同步各种局部时钟。触发信号定义触发各种子系统的测量值获取的瞬时，各种子系统然后以时间量化的方式获取它们的测量。然而，’746专利中公开的方法以及其他CMM中测量同步的现有技术方法依然留有关于系统改造兼容性(例如，对于新探头)、有限的用于扫描探头的电气连接(例如，在铰接的探头连接接头处)，以及关于“智能探头”中的处理选项的短处。希望CMM扫描探头测量数据同步的进一步的改进和选择。
发明内容
提供本概要以简化的形式介绍选择的概念，下面在具体实施方式中进一步对其描述。这一概要不打算识别要求保护的主题的关键特征，也不打算用作确定要求保护的主题的范围的帮助。
包括局部信号处理的扫描探头(其可以描述为“智能探头”)，可以包括在探头中提供的可调整的噪声滤波器和/或测量平均等。通过用以控制CMM和/或探头的程序指令，可以调整相关参数。例如，依赖于要求的测量具体特征的准确度，在工件的检查例程的执行期间的任何时间可以改变参数(例如，下载到探头)。当改变这样的参数时，固有地影响之前概述的延迟或定时偏离。一般而言，希望可以将这样的智能探头改造到更老的主机系统上，该主机系统没有预见到智能探头特征，并因此缺乏以灵活和易于使用的方式调整这些参数和/或补偿这样频繁变化的定时偏差的能力。此外，主机系统也可能缺乏信号线和/或数据传输协议，其可以支持’746专利等中公开的同步信号类型。因此，根据在这里公开的原理，希望可以在容易添加到主机CMM的探头测量定时子系统中补偿这样的定时偏差，包括由有意的参数变化导致的那些。在一些实施例中，探头测量定时子系统操作可以在探头内部的电路和连接到探头的外部电路之间划分。在另一些实施例中，探头测量定时子系统操作可以完全在探头内部的电路中实现。下面是这样的系统和方法的简要概述。
公开一种用于操作坐标测量机(CMM)的方法，所述坐标测量机包括CMM控制系统、通过输出探头工件测量测量工件表面的表面扫描探头、以及探头测量定时子系统。该方法包括：操作CMM控制系统以在可预测的时间输出测量同步触发信号；操作探头测量定时子系统以确定可预测的时间，并确定当前的探头工件测量采样周期的持续时间，在探头工件测量采样周期期间表面扫描探头获取与输出的探头工件测量的单个实例相关联的测量数据；操作探头测量定时子系统以确定预触发提前时间，其是探头工件测量采样周期的当前持续时间的一部分；操作探头测量定时子系统以在测量同步触发信号的下一个可预测的时间之前的预触发提前时间开始探头测量采样周期的当前实例，并确定探头工件测量的关联的当前实例；操作CMM控制系统以在下一个可预测的时间输出当前的测量同步触发信号并锁存与当前测量同步触发信号相关联的CMM位置坐标值的当前集合；并操作表面扫描探头以在与当前测量同步触发信号相关联的时间输出探头工件测量的当前实例，使得CMM控制系统将探头工件测量的当前实例与CMM位置坐标值的当前集合相关联。
公开另一种用于操作坐标测量机CMM的方法，所述坐标测量机CMM包括CMM控制系统、通过输出探头工件测量来测量工件表面的表面扫描探头、以及探头测量定时子系统，该方法包括：操作CMM控制系统以在可预测的时间输出测量同步触发信号；操作探头测量定时子系统以确定所述可预测的时间，并确定探头工件测量采样周期的当前持续时间，在探头工件测量采样周期期间表面扫描探头获取与输出的探头工件测量的单个实例相关联的测量数据；操作探头测量定时子系统以确定预触发提前时间，所述预触发提前时间是探头工件测量采样周期的当前持续时间的一部分；操作探头测量定时子系统以在测量同步触发信号的下一个可预测的时间之前的预触发提前时间开始探头工件测量采样周期的当前实例和确定探头工件测量的相关联的当前实例；操作CMM控制系统以在下一个可预测的时间输出当前的测量同步触发信号，并锁存与当前的测量同步触发信号相关联的CMM位置坐标值的当前集合；以及操作表面扫描探头以在与当前的测量同步触发信号相关联的时间输出探头工件测量的当前实例，使得CMM控制系统将探头工件测量的当前实例与CMM位置坐标值的当前集合相关联。
附图说明
图1是示出CMM的各种典型的组件的图；
图2是示出当耦合到CMM并提供X、Y和Z位置信号时扫描探头的各种元件的方框图；
图3是示出CMM的各种元件的方框图；
图4是示出图3的CMM的操作的时序图；以及
图5是示出操作CMM的方法的流程图。
具体实施方式
图1是示出CMM 100的各种典型的组件的图。CMM 100包括CMM控制系统110以及表面扫描探头120。CMM控制系统110包括操作单元111、控制CMM 100的移动的运动控制器112以及主机计算机113。操作单元111耦合到运动控制器112，并可以包括用于人工操作CMM100的操纵杆114。主机计算机113耦合到运动控制器112，并操作CMM 100，并处理工件W的测量数据。主机计算机113包括用于输入例如测量条件的输入装置116(例如，键盘等)，以及用于输出例如测量结果的输出装置117(例如，显示器、打印机等)。
CMM 100包括位于平板180上的驱动机构170，以及用于将扫描探头120附接到驱动机构170的附接部分124。驱动机构170包括x轴、y轴以及z轴滑动机构172、171以及173，分别用于三维地移动扫描探头120。附接在扫描探头120的末端的触针125包括接触部分126。触针125附接到扫描探头120的触针悬挂部分，其允许当接触部分126沿着工件W的表面的测量路径移动时，接触部分126自由地在三个方向改变它的位置。
图2是示出当通过附接部分224耦合到CMM 200并提供X、Y和Z位置信号时表面扫描探头220的各种元件的方框图。CMM 200包括CMM控制系统210。扫描探头220包括探头主体202，其并入触针悬挂部分207、触针位置检测部分211以及探头信号处理和控制部分270。触针悬挂部分207包括触针耦合部分242和触针运动机构209。触针耦合部分242刚性地耦合到触针226。触针运动机构209配置成使触针耦合部分242以及附接的触针226能够沿着轴向方向进行轴向运动，并使触针耦合部分242以及附接的触针226能够关于旋转中心进行旋转运动。在图2示出的实现中，表面扫描探头220是接触型表面扫描探头，其感测触针226的偏移的变化量。
如图2中所示出的，触针位置检测部分211包括光源配置217、旋转位置检测配置213以及轴向位置检测配置225。旋转位置检测配置213接收来自光源配置217的光，并输出X和Y位置信号。轴向位置检测配置225接收来自光源配置217的光，并输出Z位置信号。探头信号处理和控制部分270配置成接收X、Y和Z位置信号，并输出信号220S到CMM控制系统210，当接触部分沿着被测量的工件W的表面移动时，该信号指示触针耦合部分242和/或附接的触针226的接触部分的3D位置。在一些实现中，为了提供包括探头工件测量的信号220S到CMM控制系统210，探头信号处理和控制部分270可以配置成转换模拟X、Y和Z位置信号成数字值并平均多个X、Y和Z位置值的样本。探头信号处理和控制部分270也可以配置成接收来自CMM控制系统210的关于如何处理X、Y和Z位置信号的命令。
在一些实现中，触针位置检测部分211可以与美国专利申请第14/973,431号中公开的触针位置检测部分相似，在此通过引用并入其全部内容。应当意识到触针检测部分211包括光学检测配置。然而，使用可替代的类型的检测配置的触针检测部分可以并入适合在根据在这里公开的原理配置并操作的CMM的表面扫描探头中。例如，触针检测部分可以使用电磁偏移传感器(例如，线性可变差动变压器传感器)或应变计。
图3是示出CMM 300的各种元件的方框图。CMM 300包括CMM控制系统310、通过输出探头工件测量321测量工件表面的表面扫描探头320、探头测量定时子系统330、CMM标尺340以及旋转接头编码器350。CMM控制系统可操作以在可预测的时间输出测量同步触发信号311。探头测量定时子系统330可操作以确定可预测的时间，并确定探头工件测量采样周期的当前持续时间，在其期间表面扫描探头320获取与输出探头工件测量321的单个实例相关联的测量数据。探头测量定时子系统330可操作以确定预触发提前时间，其是探头工件测量采样周期的当前持续时间的一部分。探头测量定时子系统330可操作以在测量同步信号311的下一个可预测的事件之前的预触发提前时间，开始探头工件测量采样周期的当前实例，并确定探头工件测量321的关联的当前实例。更具体地，通过输出预触发信号331到表面扫描探头320，探头测量定时子系统330开始探头工件测量采样周期的当前实例。CMM控制系统310可操作以在下一个可预测的时间输出当前的测量同步触发信号311，并锁存与当前的测量同步触发信号相关联的CMM位置坐标值360的当前集合。CMM位置坐标值360的每个集合包括来自CMM标尺340的CMM标尺值361以及来自旋转接头编码器350的旋转接头编码值362。表面扫描探头320可操作以在与当前的测量同步触发信号相关联的时间输出探头工件测量321的当前实例，使得CMM控制系统310将探头工件测量321的当前实例与CMM位置坐标值360的当前集合相关联。
如果采样周期与测量同步触发信号311的实例在同一时间开始，则探头工件测量321的对应的实例将包括由从采样周期的起点开始表面扫描探头320已经移动的距离导致的误差分量。因此，通过根据预触发提前时间开始探头测量采样周期的当前实例，这里描述的CMM 300的配置以及操作方法特别地适合减轻这一误差分量。
在各种实现中，探头测量定时子系统330可以部分地或全部地位于表面扫描探头320中。在一些实现中，所有或部分的探头测量定时子系统330可以位于接近于CMM控制系统310。在一些实现中，探头测量定时子系统330可以位于连接到CMM控制系统310的可互换的卡片中。在一些实现中，可互换的卡片可以具体地与特别是表面扫描探头320的模型或特别是表面扫描探头320的至少一个相关联。
图4是示出CMM 300的操作的时序图400。如图4中所示，CMM控制系统310在触发时段tsync输出包括重复的测量同步触发信号311的信号310S。在一些实现中，触发时段tsync可以在200μs到1000μs的范围内。如之前关于图3所描述的，通过经双向信号通信330S输出预触发信号331到表面扫描探头320，探头测量定时子系统330开始探头工件测量采样周期(例如，采样周期322A或采样周期322B)的当前实例。表面扫描探头320在响应于预触发信号331开始的探头工件测量采样周期期间，生成包括模拟到数字转换(ADC)触发322的信号320S1。基于在工件测量采样周期期间采样的数据，表面扫描探头320输出包括探头工件测量321的信号320S2到CMM控制系统310。探头测量定时子系统330也配置成经由双向信号通信330S，输出对应于探头工件测量321的数据时钟信号332到CMM控制系统310。如之前概述的，探头测量定时子系统330可以部分地或全部地驻留在表面扫描探头320中。在各种实施例中，关于双向信号通信330S描述的定时或时钟信号可以来自于位于扫描探头320的内部或外部的探头测量定时子系统330的一部分。
在一些实现中，操作探头测量定时子系统330以确定可预测的时间可以包括：在触发时段tsync输入重复的测量同步触发信号311到探头测量定时子系统330，并确定测量同步触发信号311的定时。在一些实现中，操作探头测量定时子系统330以在测量同步触发信号311的下一个可预测的时间之前的预触发提前时间开始探头测量采样周期的当前实例可以包括：在之前的测量同步触发信号311之后的时间开始探头测量采样周期的当前实例，所述之前的测量同步触发信号对应于测量同步触发信号311的下一个可预测的时间之前的预触发提前时间。
如图4中所示，表面扫描探头320在探头工件测量采样周期tsamp期间，获取与输出的探头工件测量的单个实例相关联的测量数据。在一些实现中，可以操作探头测量定时子系统以确定预触发提前时间tlead，其大约是探头工件测量采样周期tsamp的当前持续时间的一半。这导致测量同步触发信号311，其大约在采样周期(例如，采样周期322A或采样周期322B)的中央。
可以如下确定预触发提前时间tlead。通过在测量同步触发信号311的下一个可预测的时间之前的预触发提前时间tlead输出预触发信号331到表面扫描探头320，探头测量定时子系统330可以开始探头工件测量采样周期的当前实例。在单个探头工件测量采样周期(例如，采样周期322A或采样周期322B)期间，表面扫描探头320可以以采样定时间隔tcyc获取n个样本。在图4中示出的实现中，n是8。表面扫描探头320可以在预触发信号331的实例后，以总系统延迟tlat开始探头工件测量采样周期的实例。预触发提前时间然后可以通过表达式确定：
Figure BDA0002907096990000071
在一些实现中，采样定时间隔tcyc可以在5μs到7μs的范围内，并且总系统延迟tlat可以在1μs到2μs的范围内。预触发提前时间tlead可以在1μs到200μs的范围内。
在图4中示出的实现中，控制系统310在对应的测量同步信号311后以数据延迟tdatdelay接收探头工件测量321。表面扫描探头320在预触发信号331的实例后，在对应于延迟tdelay的时间开始输出探头工件测量。每个预触发信号331的实例对应于触发宽度ttrigwid，其是预触发信号331的实例的宽度。表面扫描探头320在传输时间tid内输出探头工件测量321到CMM控制系统310。数据延迟然后可以通过表达式确定：
tdatdelay＝ttrigwid+tdelay+tid-tlead 式(2)
在一些实现中，触发宽度ttrigwid可以在200μs到300μs的范围内，延迟tdelay可以在5μs到350μs的范围内，以及传输时间tid可以在25μs到35μs的范围内。
图5是示出用于操作CMM的方法的流程图500。CMM包括CMM控制系统，通过输出探头工件测量测量工件表面的表面扫描探头，以及探头测量定时子系统。
在方框510，操作CMM控制系统以在可预测的时间输出测量同步触发信号。
在方框520，操作探头测量定时子系统以确定可预测的时间，并确定探头工件测量采样周期的当前持续时间，在探头工件测量采样周期期间扫描探头获取与单个输出的探头工件测量相关联的测量数据。
在方框530，操作探头测量定时子系统以确定预触发提前时间，其是探头工件测量采样周期的当前持续时间的一部分。
在方框540，操作探头测量定时子系统以在测量同步触发信号的下一个可预测的时间之前的预触发提前时间开始探头工件测量采样周期的当前实例，并确定关联的探头工件测量的当前实例。
在方框550，操作CMM控制系统以在下一个可预测的时间输出当前的测量同步触发信号并锁存与当前测量同步触发信号相关联的CMM位置坐标值的当前集合。
在方框560，操作扫描探头以在与当前的测量同步触发信号相关联的时间输出探头工件测量的当前实例，使得CMM控制系统将探头工件测量的当前实例与CMM位置坐标值的当前集合相关联。
当已经图示并描述本公开的优选的实现时，基于本公开的图示并描述的特征的布置和操作的顺序中的大量变化对于本领域技术人员是显然的。可以使用各种可替代的形式完成在此公开的原理。此外，上述各种实现能够组合以提供进一步的各实现。所有在这一说明书中提到的美国专利和美国专利申请通过引用作为整体包含于此。如果需要使用各种专利和申请的概念以提供再进一步的实现，能够修改实现的各方面。
按照上面详细的描述，可以对各实现进行这些以及其他改变。一般来说，在下面的权利要求中，使用的术语不应当解释为将权利要求限制为在说明书和权利要求中公开的特定实现中，而应当解释为包括与这样给出的权利要求等同的全部范围一起的所有可能的实现。

Claims (10)

1.一种用于操作坐标测量机CMM的方法，所述坐标测量机CMM包括CMM控制系统、通过输出探头工件测量来测量工件表面的表面扫描探头、以及探头测量定时子系统，该方法包括：
操作CMM控制系统以在可预测的时间输出测量同步触发信号；
操作探头测量定时子系统以确定所述可预测的时间，并确定探头工件测量采样周期的当前持续时间，在探头工件测量采样周期期间表面扫描探头获取与输出的探头工件测量的单个实例相关联的测量数据；
操作探头测量定时子系统以确定预触发提前时间，所述预触发提前时间是探头工件测量采样周期的当前持续时间的一部分；
操作探头测量定时子系统以在测量同步触发信号的下一个可预测的时间之前的预触发提前时间开始探头工件测量采样周期的当前实例和确定探头工件测量的相关联的当前实例；
操作CMM控制系统以在下一个可预测的时间输出当前的测量同步触发信号，并锁存与当前的测量同步触发信号相关联的CMM位置坐标值的当前集合；以及
操作表面扫描探头以在与当前的测量同步触发信号相关联的时间输出探头工件测量的当前实例，使得CMM控制系统将探头工件测量的当前实例与CMM位置坐标值的当前集合相关联。
2.如权利要求1所述的方法，其中，操作探头测量定时子系统以确定预触发提前时间包括确定大约是探头工件测量采样周期的当前持续时间的一半的预触发提前时间。
3.如权利要求1所述的方法，其中CMM控制系统以触发频率输出重复的测量同步触发信号，并且操作探头测量定时子系统以确定可预测的时间包括：以触发频率输入重复的测量同步触发信号到探头测量定时子系统，以及确定重复的测量同步触发信号的定时。
4.如权利要求3所述的方法，其中操作探头测量定时子系统以在测量同步触发信号的下一个可预测的时间之前的预触发提前时间开始探头测量采样周期的当前实例包括：在之前的测量同步触发信号之后的时间开始探头测量采样周期的当前实例，所述之前的测量同步触发信号对应于测量同步触发信号的下一个可预测的时间之前的预触发提前时间。
5.如权利要求1所述的方法，其中探头测量定时子系统位于表面扫描探头中。
6.如权利要求1所述的方法，其中探头测量定时子系统位于CMM控制系统中。
7.如权利要求6所述的方法，其中探头测量定时子系统位于CMM控制系统中的可互换的卡片中。
8.如权利要求7所述的方法，其中所述可互换的卡片具体地与特别是表面扫描探头的模型或特别是表面扫描探头的至少一个相关联。
9.如权利要求1所述的方法，其中表面扫描探头是接触型表面扫描探头，其感测触针的偏移的变化量。
10.如权利要求1所述的方法，其中：
通过在测量同步触发信号的下一个可预测的时间之前的预触发提前时间tlead输出预触发信号到表面扫描探头，探头测量定时子系统开始探头工件测量采样周期的当前实例；
在单个探头工件测量采样周期期间，表面扫描探头以采样定时间隔tcyc获取n个样本；
CMM控制系统以总系统延时tlat从表面扫描探头接收数据；以及
通过表达式确定预触发提前时间tpresynch：
Figure FDA0002907096980000021
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