CN116045764A - 在位置确定设备中使用的表面感测装置和位置确定设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开了在位置确定设备中使用的表面感测装置和位置确定设备。表面感测装置(4)安装在坐标测量机的铰接探针头(7)上。装置(4)包括可以绕轴线(C)旋转的长形探针保持器(8)。长形感测模块(10)包括具有触针尖端(5)的表面光洁度或表面粗糙度探针。长形感测模块通过可调节关节接头(12)连接至探针保持器(8)。为了确定表面感测装置(4)的几何形状，通过使用单独的探针(32)探测沿探针保持器和感测模块的长度间隔开的点(44A，44B，46A，46B)来确定探针保持器(8)和感测模块(10)的取向，其中表面感测装置的几何形状包括触针尖端(5)的尖端法线(TN)以及拖动矢量(DV)。

Description

在位置确定设备中使用的表面感测装置和位置确定设备

本申请是分案申请，其原案申请是申请号为PCT/GB2018/050387、申请日为2018年2月13日的PCT申请并且于2019年8月14日进入中国国家阶段，申请号为201880011837.2，名称为“校准表面感测装置的方法、用于控制计算机的相应校准程序以及相应校准套件”。

技术领域

本发明涉及一种在位置确定设备或机器(比如坐标测量机(CMM)、扫描机、机床、或检查/测量机器人)中使用的表面感测装置。更具体地，本发明涉及这样的表面感测装置的校准。

背景技术

这样的位置确定设备或机器可以用于测量工件，并且通常包括相对于工件支撑在其上的工作台在三个坐标方向X、Y、Z上可移动的构件。通过机器上的换能器来测量构件在每个方向X、Y、Z上的运动。设置在可移动构件上的表面感测装置或探针产生指示其与待测工件表面之间的关系的信号。因此可以确定表面的位置。在替代性机器(例如某些类型的机床)中，工作台沿X和Y移动，可移动构件沿Z移动。

某些类型的接触探针(例如，触碰式触发探针和接触式扫描探针)进行三维动作。通常，它们可以在机器的换能器的X、Y、Z坐标系内的任何方向上接近工件表面，并且它们具有带有工件接触尖端的可偏转触针。在用这样的探针进行测量之前，通常执行一种称为“基准化(datuming)”的校准。这涉及将触针尖端接触基准表面(比如基准球体)，以便确定触针尖端在机器的X、Y、Z坐标测量系统中的可重复位置。

在柔性测量系统中，为了触及不同的工件表面，探针可以经由机动铰接头安装在CMM上，探针通过该机动铰接头可以绕两个相互正交旋转轴旋转。机器和机动铰接头可以在计算机控制下操作。

探针(或表面感测装置)可以是可更换的。不使用时，它们存储在存储架的相应存储端口中。当需要测量时，铰接头可以自动从存储架的存储端口拾取探针，并且之后将其放回存储端口中，所有这些都在计算机控制下进行。本申请人Renishaw plc以商标Autochange销售此类系统。为了使铰接头相对于存储架对准，Autochange存储架配有固定的触碰式触发探针。当安装存储架时，铰接头的表面会接触到存储架的探针。这在铰接头与存储架的端口之间建立了空间关系，以确保它们的对准。

美国专利号US 8006399(Wallace等人)和US 8468672(Wallace)描述了一种表面感测装置。为了触及不同的工件表面，表面感测装置经由铰接头安装在CMM上，该表面感测装置通过铰接头绕两个相互垂直的旋转轴线可旋转。表面感测装置可以包括对表面进行单向感测的表面光洁度探针，或者包括另一种类型的单向(单轴线)探针，例如光学探针(比如激光光斑或激光线探针)。为了使这种单向探针能够触及不同定向的表面，表面感测装置具有第三旋转轴线，该第三旋转轴线使表面感测装置能够手动旋转。第三旋转轴线可以与表面感测装置的大致纵向的轴线对齐，表面感测装置可以在横向于或偏离第三轴线的方向上对表面进行感测。可替代地，表面感测装置可以布置成与第三旋转轴线成一定角度。

然而，该第三旋转轴线仅使表面能够以某些可能的取向被触及。还存在对这种表面感测装置的几何形状进行基准化或校准的问题。

发明内容

本发明提供了一种校准用于位置确定设备的表面感测装置的方法，该表面感测装置包括安装到该位置确定设备上的一个或多个长形构件以及经由该一个或多个长形构件安装到该设备上的表面感测元件，该方法包括通过单独的探针来探测该长形构件中的至少一个长形构件以确定其取向。

一个或多个长形构件中的一个长形构件中可以被连接至可枢转接头，从而其能够被设定在期望的角度。

单独的探针可以探测长形构件或多个长形构件的一个或多个侧面位置。可以通过相同的探针多次探测该长形构件。

可以存在第一长形构件和第二长形构件，并且该可枢转接头连接该第一长形构件和该第二长形构件，从而该第二构件能够被设定在相对于该第一构件的期望角度，该第一长形构件连接至该位置确定设备，并且该表面感测元件由该第二长形构件承载。

优选地，该探测的步骤包括通过该单独的探针来至少探测该第二长形构件，以确定其取向。该方法还可以包括通过单独的探针来探测该第一长形构件以确定其取向，以及接着确定该第二长形构件相对于该第一长形构件的角度。

适当地，该长形构件或每个长形构件在沿其长度间隔开的至少两个位置处被探测。优选地，在至少六个位置探测该长形构件或每个长形构件。这样可以更准确地指示该长形构件在空间中的取向和位置。

在优选的实施例中，表面感测装置是单向感测的装置，例如，表面光洁度或表面粗糙度探针。该表面感测元件可以是具有尖端的触针，该触针被安装成当该触针尖端在表面上被拖动时沿法线方向偏转、并且连接至换能器以测量该触针的偏转，从而确定表面光洁度或表面粗糙度。

该方法可以包括确定该触针尖端的法线方向和/或该尖端沿该表面被拖动的方向。这可以根据该一个或多个长形元件的取向确定。

该方法可以包括确定描述该触针尖端相对于该位置确定设备的位置的偏移。可以根据该一个或多个长形构件的取向和长度计算该偏移。替代地，可以通过用单独的探针在该触针尖端附近探测该表面感测装置来确定该偏移。

该表面感测装置可以包括旋转接头，该旋转接头被配置成使连接至该位置确定设备的该长形构件大致绕该长形构件的纵向轴线旋转。该方法可以包括确定该旋转轴线的取向(其可以不与长形构件的取向精确地重合)。该旋转接头可以具有用于使该长形构件旋转的马达。

该表面感测装置可以经由铰接头而安装到该位置确定设备上，该铰接头被配置成使该表面感测装置围绕两个相互正交的轴线旋转。该铰接头可以包括用于使该表面感测装置围绕该相互正交的轴线旋转的马达。

本发明还提供了一种用于位置确定设备的计算机控制器的程序，该程序被配置成用于执行上述方法中的任何方法。

本发明的另一方面提供了一种与位置确定设备一起使用的套件，该套件包括：表面感测装置，该表面感测装置包括用于安装到该位置确定设备的上一个或多个长形构件，经由该一个或多个细长构件安装到该设备的表面感测元件，以及被配置成用于执行上述方法中的任何方法程序。

本文讨论的程序可以设置在任何合适的机器可读介质上，机器可读介质包括存储盘、记忆棒、存储卡、或可以从其下载程序的本地或远程服务器。

附图说明

现在将参考附图通过举例来描述本发明的优选实施例，在附图中：

图1是安装在铰接探针头上的表面感测装置的等距视图；

图2示出了穿过图1的轴线A和B的截面；

图3是表面感测装置的几何形状的示意图；并且

图4至图7示出了安装在坐标测量机(CMM)上的表面感测装置和铰接探针头。

具体实施方式

图1示出了铰接探针头7，该铰接探针头7支撑表面感测装置4，用于使其绕两个相互正交的旋转轴线A、B旋转。图2示出了在轴线A、B所限定的平面中的贯穿铰接头7和表面感测装置4的截面图。

铰接探针头7分别包括第一壳体构件1和第二壳体构件2。第一壳体构件1被适配成用于附接至位置确定设备，例如附接至如图4所示的CMM的可移动臂26。CMM使臂26在三个线性维度X、Y、Z上移动。如图2所示，壳体构件1容纳马达M1以用于实现第一轴件20绕第一轴线A的角位移。第二壳体构件2附接至第一轴件20，第二壳体构件容纳马达M2以用于实现第二轴件22绕第二轴线B的角位移。表面感测装置4附接至第二轴件22以随其旋转。在计算机控制器3中的程序的控制下在X、Y、Z方向上驱动CMM，计算机控制器还控制马达M1、M2绕轴线A、B的运动。

表面感测装置4包括长形探针保持器8，该长形探针保持器大致沿着横向于轴线B并与之相交的轴线C延伸。长形探针保持器经由壳体9附接至铰接头7。壳体9包含马达M3，该马达同样被计算机控制器3中的程序控制而使探针保持器8绕轴线C旋转。

为了能够更换不同类型或构型的表面感测装置，壳体9具有已知类型的运动联接接头6，表面感测装置4的保持器8通过该运动联接接头可以附接至壳体9并且可以从其上拆下。当不使用时，表面感测装置可以存储在存储架30的端口34中，如图4中的4A处所示。在计算机控制器3中的程序的控制下，通过CMM臂26和铰接头7的移动自动进行表面感测装置的更换。当重新附接表面感测装置4时，运动接头6确保其相对于壳体9可以重复地定位，使得每次更换表面感测装置时不需要重复下面所描述的校准。运动接头6包括磁体(未示出)，该磁体在使用时将表面感测装置保持就位。

表面感测装置4包括长形感测模块10，该长形感测模块包含表面光洁度或表面粗糙度传感器。模块10通过关节接头12可枢转地附接至保持器8。这使得模块能够在测量任务之前相对于保持器8手动地定向到期望设定角度。然后，关节接头12通过摩擦而固持被设定在该角度处的模块，或者接头可以具有紧固螺钉。为了触及工件的不同表面，在测量任务期间，模块10的取向可以在程序控制下通过马达M3绕轴线C旋转而进一步改变。

包含在模块10中的表面光洁度或粗糙度传感器可以是已知类型，例如，如上述美国专利号US 8006399和US 8468672中所述的。通常，表面光洁度或粗糙度传感器包括呈针或触针5形式的表面感测元件，该表面感测元件具有表面感测尖端，该表面感测尖端与待测的表面不规则性相比较小。表面感测尖端可以相对于滑块14(图3)横向于长形感测模块10偏转。在使用中，在计算机控制器3中的程序的控制下，滑块和触针尖端通过CMM臂26的X、Y、Z运动或通过铰接头7的旋转在表面上被拖动。触针5连接到模块10中的换能器，以测量触针的与表面正交的所得偏转，从而指示其表面光洁度或表面粗糙度。结果被发回计算机3并在计算机中处理。

保持器8和感测模块10可以设置为多种不同的构型，以适应各种测量任务。例如，它们可以设置为不同的长度，或者图3中的虚线10A示出模块10的外端部可以成角度，以便更好地触及待测表面。还可以提供不同类型的滑块以适应不同类型的测量。

感测模块10包括运动联接接头16，该运动联接接头以已知的方式提供“超行程”。这允许模块10的外端抵抗弹簧(未示出)的作用而偏转，以在其意外地朝向工件移动太远并撞到工件时保护其免受损坏。运动接头16可重复地定位模块的外端，使得它在被移出而不与工件接触之后返回到相同的位置。由于不需要可拆卸或可更换，因此接头16可以比运动接头6更简单。接头可以包括弹簧挠曲件，该弹簧挠曲件通常将模块的外端保持抵靠止动件。

在使用之前，表面感测装置4的几何形状被校准或基准化。在长形感测模块10已经在关节接头12处被手动设定到期望角度之后执行校准，该角度可以使用量角器近似地设定。校准在来自控制计算机3的程序控制下执行。校准确定了几何形状的若干方面，如图3所示：

·旋转轴线C相对于CMM的坐标系X、Y、Z的方向和原点。还可以确定轴线C的斜度和跳动。

·长形保持器8的轴线40。这可以例如相对于轴线C确定。(应当理解，由于制造公差，轴线40将不会与轴线C精确地重合。在图3中，为了说明的目的，这一点被夸大了。)

·长形感测模块10的轴线42，给出了轴线40、42在关节12处的交点K以及这些轴线之间的角度θk的更准确测量。

·矢量TN(尖端法线)，该矢量描述尖端5的偏转方向(其在随后的测量期间应该与被测表面的法线对齐)。

·矢量DV(拖动矢量)，描述尖端5沿着被测表面拖动的方向。图3示出了这个拖动矢量是在感测模块10的纵向方向上，但是如果打算进行侧向扫描，则可以相对于感测模块侧向地计算拖动矢量(作为纵向矢量的补充或替代)。

·尖端5相对于轴线C的原点C0的偏移TO(尖端偏移)。

校准可以确定上面列出的所有的各个几何方面或者单独地或以任何组合确定这些几何方面中的任一个几何方面，以适合要执行的测量任务。

现在将更详细地描述该校准。

如图4至图7所示，提供单独的触碰式触发探针32，该触碰式触发探针具有可偏转触针36。探针32相对于CMM或其他位置确定设备固定。适当地，它可以固定在存储架30上。为了将表面感测装置4的测量值链接到CMM的坐标测量系统，接触式触发探针32应该已经合意地在CMM坐标系中被基准化。这可以通过用保持在可移动臂26上的参考探针探测其触针的尖端来完成，如本领域技术人员已知的。

在表面感测装置4的校准期间，在控制计算机3中的校准程序的控制下，表面感测装置的保持器8和模块10(预先设定在关节接头12的期望角度下)在各种位置和取向下与接触式触发探针32的可偏转触针36接触，如例如图5、图6和图7所示。该接触使得触针36偏转，并使得触碰式触发探针向计算机控制器3发出触发信号。

优选地，这些对抵单独的接触式触发探针30的接触，是通过首先使铰接头7绕其轴线A和轴线B旋转而使表面感测装置4沿期望方向定向来执行的。然后，通过在其X、Y、Z轴线上驱动CMM，使表面感测装置沿线性方向X、Y、Z移动。在接收到每个触发信号时，控制计算机3冻结CMM的X、Y、Z位置传感器的读数，该读数指示保持器8或模块10上的已经作出接触的点的X、Y、Z坐标。

以下测量均在铰接头7的轴线A和轴线B保持在单一取向的情况下进行。

更具体地参考图3，轴线C被驱动到选定的取向，例如，使得长形保持器8和感测模块10大致位于Y-Z平面中。然后，CMM在其X、Y、Z轴线上被驱动，以使长形保持器8在点44A、44B处与接触式触发探针32接触。适当地，这些点位于保持器8的侧面。取得每个点的X、Y、Z坐标的读数。在沿着长形保持器的长度间隔开的至少两个位置44A、44B处取得这些点。由此确定轴线40的方向。优选总共取至少6个点，因为这使得能够精确地确定限定保持器8的圆柱体，并因此确定其轴线40的方向。

为了确定旋转轴线C的方向及其原点C0，现在操作马达M3以使表面感测装置绕轴线C旋转到两个或更多个其他取向。例如，两个其他取向可以与Y-Z平面成120°。在每个取向上重复上述在点44A、44B处取得读数的过程。这给出了轴线40在绕轴线C的三个取向中的每一个取向上的方向，这使得能够计算旋转轴线C的方向和原点，并且计算长形保持器8的轴线40相对于轴线C的角度。还可以计算轴线C的斜度和跳动。

如果确信轴线40与旋转轴线C重合(在期望的公差内)，则可以不必在两个或更多个其它取向上重复轴线40的确定。

方便地，现在可以数学地设定旋转轴线B的偏移(轴线B的零位置)，使得当轴线B在零位置时，旋转轴线C(如上所确定)位于由轴线A和轴线B限定的平面中。这简化了未来的测量。

接下来，在轴线C的马达M3处于上述取向之一(例如，最后测量的一个)的情况下，以与上述相同的方式(适当地在模块的侧面)，在长形感测模块10上取得点46A、46B。这些点与点44A、44B类似地应该优选地沿着模块10的长度处于两个间隔开的位置，并且优选地总共取得至少六个点，以便精确地确定限定模块10的圆柱体。这给出了感测模块10的轴线42的方向。知晓了所选取向上的轴线40和42，可以直接计算它们在关节接头12处的交点K以及这些轴线之间的角度θk的准确值。

然而，尽管偏好于两个间隔位置处的六个点46A、46B，但是可以使用更少的点。例如，如果足够准确地知道相对于轴线C的原点C0到点K的长度L1，则可以根据例如结合沿着模块10在一个位置处的三个点46B来确定轴线42。在这种情况下，该确定是基于点46B和点K沿着模块10的长度间隔开的事实的。

此外，根据长形保持器8和模块10的标称设计长度L1、L2以及点K和关节角度θk，现在也可以直接计算尖端5相对于轴线C原点C0的尖端偏移TO的近似值。根据关节角度θk和标称长度L1、L2，可以计算尖端法线TN和拖动矢量DV的值。如果期望在表面上侧向扫描感测模块10，则可以计算与矢量DV成90°的适当拖动矢量(以及或代替纵向矢量DV)。当然，如果感测模块具有替代的几何构型(例如由虚线10A示出)，则应考虑这个替代几何形状的角度和长度的标称值。

在随后的测量期间，上述校准值使得尖端5能够与复杂形状的工件的表面上的期望位置接触并且进行测量，所有这些都在程序控制下自动进行，而保持器8或感测模块10的部分不会与工件的其他表面碰撞或撞击。该程序可以基于工件的CAD数据来编写，而无需使用操纵杆控制器来手动定位表面感测装置。例如，这在诸如狭槽之类的狭窄位置或者工件具有内部盲空间的情况(其中不可能看到表面感测装置以便用操纵杆对其进行手动定位)下是有用的。

可能期望获得尖端偏移TO的更准确的值，以便将尖端5精确地定位在待测表面上的点处，并且更精确地确定表面形貌。在这种情况下，可以在感测模块10在尖端5附近的端部(nose)上取得三个或更多个另外的点48。图3中示出了两个这样的点48，另一个点是隐藏的，因为它应该在端部的不同表面上。这些点精确地定位端部的位置和取向，并且尖端5的位置可以根据尖端相对于感测模块的端部的标称设计几何形状的知识来确定。

本发明不必获得所有上述校准。例如，可以确定仅一些校准是重要的，例如尖端法线TN、拖动矢量DV和/或尖端偏移TO，它们影响后续测量的准确性，而不仅仅是在不碰撞或撞击的情况下定位表面感测装置的能力。在存在更大的碰撞或撞击风险的其他情况下，通过准确地确定轴线40、42和/或关节接头12的位置K和角度θk来确定表面感测装置的几何形状可能更重要。

如上所述，所有上述校准测量都是在铰接头7的轴线A和轴线B保持在单一方向的情况下进行的。然而，可能期望在轴线A和轴线B的其他取向上重复它们，例如如图5、图6和图7中所示。例如如果表面感测装置的长形保持器8和/或长形感测模块10在从图5的竖直位置移动到图6的水平位置时由重力引起下垂，则可能是这种情况。每个位置处的校准可以校准下垂。

应当理解，上述几何校准与可以执行的感测模块10中的换能器的任何校准是分开的。

本发明的上述优选实施例涉及接触型的表面光洁度探针或表面粗糙度探针，其具有在待测表面上拖动的触针。然而，本发明可以与接触式和非接触式的其他表面感测装置一起使用。例如，本发明可以与非接触式光学表面光洁度探针和表面粗糙度探针一起使用。本发明还可以与触碰式触发探针和接触式扫描探针一起使用。其他非接触式探针包括例如光学探针、电容探针、以及电感探针。光学探针包括激光光斑和激光线探针。

本发明特别适用于单轴线探针，比如光学探针和表面光洁度探针或表面粗糙度探针。这是因为对于这些类型的探针，尤其是围绕纵向轴线(在上述实施例中为轴线C)的旋转大大增加了探针可以触及的表面的数量。围绕这个轴线的旋转对于激光线探针也特别有用，因为可以围绕表面感测装置的轴线(如上所述的第三轴线)旋转。

Claims (9)

1.一种在位置确定设备中使用的表面感测装置(4)，所述表面感测装置包括：第一长形构件(8)和第二长形构件(10)，所述第一长形构件和所述第二长形构件能够安装至所述位置确定设备；以及表面感测元件，所述表面感测元件能够经由所述第一长形构件和所述第二长形构件安装至所述位置确定设备，其中，可枢转接头连接所述第一长形构件和所述第二长形构件，使得所述第二长形构件能够被设定在相对于所述第一长形构件的期望角度，所述第一长形构件连接至所述位置确定设备，并且所述表面感测元件由所述第二长形构件承载，其中，所述表面感测装置是单向感测的装置。

2.根据权利要求1所述的表面感测装置，其中，所述表面感测装置是表面光洁度或表面粗糙度探针。

3.根据权利要求2所述的表面感测装置，其中，所述表面感测元件是具有尖端的触针(5)，所述触针被安装成当所述触针(5)尖端在表面上被拖动时沿法线方向偏转、并且连接至换能器以测量所述触针(5)的偏转，从而确定表面光洁度或表面粗糙度。

4.根据前述权利要求中任一项所述的表面感测装置，其中，所述表面感测装置(4)包括旋转接头，所述旋转接头被配置成使连接至所述位置确定设备的所述第一长形构件和所述第二长形构件大致绕所述第一长形构件的纵向轴线(C)旋转。

5.根据权利要求4所述的表面感测装置，其中，所述旋转接头具有用于使所述长形构件旋转的马达(M3)。

6.根据任一前述权利要求所述表面感测装置，其中，所述表面感测装置(4)能够经由运动联接接头(6)自动地附接至所述位置确定设备并从所述位置确定设备拆卸。

7.根据任一前述权利要求所述表面感测装置，其中，所述表面感测元件包括运动联接接头(16)，所述运动联接接头提供超行程机制，所述超行程机制允许所述表面感测元件的外端抵抗弹簧的作用而偏转，以在所述表面感测元件意外地朝向所述工件行进太远并撞到所述工件时保护所述表面感测元件免受损坏，其中，所述运动接头(16)能够重复地定位所述表面感测元件的外端，使得所述外端在被移出而不与所述工件接触之后返回到相同的位置。

8.一种位置确定设备，所述位置确定设备包括根据任一前述权利要求所述的表面感测装置(4)，所述表面感测装置安装在所述位置确定设备上。

9.根据权利要求8所述的位置确定设备，其中，所述表面感测装置(4)经由铰接头(7)安装至所述位置确定设备，所述铰接头被配置成使所述表面感测装置(4)绕两条相互正交的轴线(A，B)旋转，其中，所述铰接头包括用于使所述表面感测装置绕所述相互正交的轴线旋转的马达(M1，M2)。

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