CN1303398C - 校准扫描系统的方法 - Google Patents

Abstract

一种在坐标定位设备上测量物体的方法。在坐标定位设备上放置一个第一物体，用工件接触探针测量第一物体以创建测量数据。在多个触针弯曲量或探针力下收集测量数据。对于第一物体表面上的多个点，外插测量数据到与零触针弯曲量或零探针力对应的数据。根据测量数据和外插数据创建误差函数或图。然后用已知的触针弯曲量或已知的探针力测量后面的物体，并且使用误差函数或图对这些测量进行误差修正。

Description

校准扫描系统的方法

技术领域

本发明涉及一种校准扫描系统的方法。应该把本说明书中的扫描系统理解为机器和探针的组合，它们在一起能够用来扫描物体从而得到关于物体尺寸、形状或表面轮廓的信息。

背景技术

例如，机器可以是坐标测量机器(CMM)、机床或机器人等，探针则是具有与工件接触的触针的测量探针。一种机器具有用来在名义上是正交的三个方向上(称为X、Y和Z轴)测量机器零件移动的测量装置，一种探针包括用来产生输出的测量传感器，而输出则表示在名义上是正交的三个方向上(称为a、b和c轴)触针的尖端相对于探针的移动。尽管使用术语“模拟探针”，但对a、b和c轴的输出既可以是模拟的也可以是数字的。

在已知的系统中，探针、机器结构和工件的不必要的弯曲都会引起测量误差。由探针触针弯曲引起的误差在整个机器空间内是一样的，因此可以用探针校准来补偿。例如机器空心轴弯曲和机器中的桥结构的扭转可以引起机器结构中弯曲所造成的误差，并且这种误差在整个机器空间内是变化的。例如随着悬臂梁的增加就会增加这些误差。在测量时，由于探针向物体施加力所造成的物体弯曲可能会引起要测量物体中的误差。

通过使用校准球等校准制造物能够对机器工作空间中零件的测量误差进行校准。但是通常校准制造物不会和要测量的零件位于机器工作空间中的相同位置，而是位于一侧。因此在校准制造物处确定出的测量误差与零件上的测量误差不同。

修正机器由加速引起的误差的方法是已知的。在欧洲专利No.318557中描述了一种这样的方法。在这个方法中，现以相对低的速度测量一批名义上一样的零件中的第一个零件，记录零件上很多数据点的位置测量结果。随后以相对较高的速度重复测量操作，记录相同数据点位置的测量结果。在修正表中把测量结果的任何差别记录为误差。

随后以相对较高的速度对所有零件进行测量，对每个零件上的相应点位置进行测量，使用前面记录的误差对这些测量结果修正由于机器加速引起的误差。

在WO00/62015中披露了另一种修正误差的方法。在这个方法中，驱动安装在坐标测量机器上的探针的触针使之在与物体表面垂直的方向上与物体表面接触，直到达到预定的触针弯曲量为止。然后在同时记录机器测量装置和探针测量传感器的输出的同时反转机器。对环绕物体表面的所选数据点重复这一过程。外插每个数据点的测量结果从而确定当探针偏转量是零时会得到的测量结果。这个外插值与探针刚刚接触表面时对应。

然后以低速、预定的触针弯曲量扫描物体。记录在数据点处初始测量和这次扫描之间的差别。

以同样的触针弯曲量和较高的速度重复进行扫描，直到高速扫描与初始测量之间的记录差别和低速扫描与初始测量之间的差别之间的变化超过给定的允许范围为止。落在这个允许范围内的最后那个速度就是最大扫描速度。把在数据点处的位置误差图和与扫描速度、具体的制造物、具体的CMM、探针、触针结构等相关的数据都存储起来。这样能够通过对这个图进行插值得到在径向之间一些角度下的径向误差，在这些角度中已经得到了径向的实际数据(即数据点)。

这个方法的缺点是收集数据点这一步骤很花费时间。

发明内容

本发明提供一种在坐标定位设备上测量物体的方法，该方法包括以下步骤，这些步骤可以以任何合适的顺序排列：

在坐标定位设备上放置一个第一物体；

用工件接触探针测量所述的第一物体以创建第一物体的测量数据，在多个触针弯曲量或探针力下收集测量数据；

对于所述的第一物体表面上的多个点，外插测量数据到与零触针弯曲量或零探针力对应的数据；

根据所述的测量数据和外插数据创建误差函数或图；

在已知的触针弯曲量或已知的探针力下测量后面的物体；

和使用误差函数或图对所述的后面物体的测量进行误差修正。

术语测量包括使用扫描探针或接触触发探针进行测量。

已知的触针弯曲量或探针力可以是已知的恒定弯曲量或力，也可以是已知的变化弯曲量或力。

优选用工件接触探针测量第一物体的步骤包括扫描第一物体。

第一物体可以是一系列基本相同的零件中的一个零件，或者是一个制造物，它具有与那些要测量的一系列零件近似的特征。

优选在测量第一物体时以低速进行每次测量。因此误差图是对测量力误差的度量。

在第一个实施例中，以低速测量第一物体，并且进一步包括以下步骤：

以高速用工件接触探针测量所述的第一物体，以创建第一物体的测量数据，探针具有已知的触针弯曲量或已知的探针力；

比较与低速时零触针弯曲量或零探针力对应的外插测量数据和高速时的测量数据；

其中从测量数据创建的误差函数或图与高速时的测量数据相关；

和其中在所述高速下以已知的触针弯曲量或已知的探针力测量后面的物体。

在第二个实施例中，以高速测量第一物体并且进一步包括以下步骤：

根据在所述高速下以预定的触针弯曲量或探针力得到的测量数据和在高速下外插到零的数据之间的差别创建第一误差函数或图；

在低速用工件接触探针测量所述的第一物体，以创建第一物体的测量数据，

把第一误差函数或图应用到使用所述预定的触针弯曲量或已知探针力在低速测量过程中所创建的测量数据上；

其中所述的误差函数或图包括第二误差函数或图，第二误差函数或图与在所述的预定已知的触针弯曲量或已知的探针力下高速测量过程中得到的测量数据和与在所述的低速与零触针弯曲量或零探针力对应的测量数据之间的差别相关；

和其中在高速、以已知的触针弯曲量或已知的探针力测量后面的物体。

本发明的第二个方面提供一种在坐标定位设备上测量物体的方法，该方法包括以下步骤：

在坐标定位设备上放置一个第一物体；

用工件接触探针在低速测量所述的第一物体以创建第一物体的测量数据，在多个触针弯曲量或探针力下收集测量数据；

对于所述的第一物体的表面上的多个点，外插测量数据到与所述的低速下零触针弯曲量或零探针力对应；

用工件接触探针在高速测量所述的第一物体以创建第一物体的测量数据，探针具有已知的触针弯曲量或已知的探针力；

比较与低速时零触针弯曲量或零探针力对应的外插测量数据和高速时的测量数据；

根据对测量数据的比较创建误差函数或图；

在已知的触针弯曲量或已知的探针力以高速测量后面的物体；

和使用误差函数或图对所述的后面物体的测量进行误差修正。

误差函数或图与测量力误差和由探针高速移动所造成的动态误差对应。

本发明的第三个方面提供一种在坐标定位设备上测量物体的方法，该方法包括以下步骤，这些步骤可以以任何合适的顺序排列：

(a)在坐标定位设备上放置一个第一物体；

(b)用工件接触探针在高速测量所述的第一物体以创建第一物体的测量数据，在多个触针弯曲量或探针力下收集测量数据；

(c)对于所述的第一物体的表面上的多个点，把从步骤(b)得到的测量数据外插到与在高速下零触针弯曲量或零探针力对应的数据；

(d)根据步骤(b)中得到的测量数据和步骤(c)中在所述的高速外插到零的数据创建测量力误差和触针弯曲量或探针力之间关系的第一误差函数或图；

(e)用工件接触探针在低速测量所述的第一物体以创建第一物体的测量数据，探针具有已知的触针弯曲量或已知的探针力；

(f)把步骤(d)的第一误差函数或图应用到在步骤(e)的测量过程中创建的测量数据上，从而确定第一物体与低速时零触针弯曲量或零探针力对应的测量数据；

(g)创建和在高速下已知的触针弯曲量或探针力得到的测量数据与在步骤(f)中所确定的在所述低速下零触针弯曲量或零探针力对应的测量数据之间的关系相关的第二误差函数或图；

(h)在已知的触针弯曲量或已知的探针力下以高速测量后面的物体；

(i)使用在步骤(g)中创建的第二误差函数或图对在步骤(e)中得到的测量进行误差修正。

误差函数或图与测量力误差和由探针高速移动所造成的动态误差对应。

本发明的第四个方面提供一种在坐标定位设备上测量物体的方法，该方法包括以下步骤：

在坐标定位设备上放置一个第一物体；

用工件接触探针测量所述的第一物体以创建第一物体的测量数据，在多个探针力下收集测量数据；

对于所述的第一物体的表面上的多个点，外插测量数据到与零探针力对应；

创建误差函数或图；

在已知的探针力测量后面的物体；

和使用误差图对后面物体的测量进行误差修正。

在本发明的每个前述方面，第一物体可以包括一个制造物，该制造物具有已知形式的特征，而这些特征与后面物体上的特征对应，其中该方法包括比较所述的第一物体的外插到零的数据和它的已知形式这一步骤，从而创建机器和探针的几何误差函数或图。

附图说明

现在参考附图描述本发明的优选实施例，在附图中：

图1是安装在坐标测量机器上的模拟探针的示意图；

图2示意性地示出了围绕一个物体的几种不同的恒定触针弯曲量扫描；

图3示出了探针弯曲量和物体直径之间的关系；

图4示出了探针力和探针弯曲量之间的关系；

图5示出了径向误差和探针弯曲量之间的关系；

图6示意性地示出了静态修正矢量；

图7示意性地示出了围绕一个物体的几种不同的恒定力扫描；

图8-10示意性地示出了在测量力作用下弯曲的特征部分；

图11示出了具有较低刚度的特征部分的实际直径和测量直径；

图12示意性地示出了动态修正矢量；

图13示出了在本发明第二个实施例的方法中的扫描轮廓；

图14示出了图13的扫描轮廓的一部分；

图15示出了根据本发明第三个实施例正在测量的工件；

图16示意性地示出了围绕一个物体用正弦变化的触针弯曲量进行的扫描；

图17示意性地示出了围绕一个物体用单独一个正弦变化的触针弯曲量进行的扫描；和

图18示出了图17的扫描轮廓的一部分。

具体实施方式

在本发明的第一个步骤，产生对一个物体的测量力误差图。如图1所示，这通过把模拟探针10安装在坐标测量仪(CMM)(未示出)的空心轴12上来实现。模拟探针10具有可弯曲触针14，可弯曲触针14具有工件接触端16。要测量的物体18安装在CMM工作台20上并且机器空心轴12在环绕物体的路径上慢慢地驱动探针10。首先沿着一个路径在第一恒定探针弯曲量的条件下(如300μm)扫描物体18。然后沿着这条路径用随后的一个或更多个不同的探针弯曲量扫描这个物体。例如，第二次可以在探针弯曲量为200μm的条件下扫描零件，第三次在探针弯曲量为100μm的条件下扫描零件。图2示出了物体18和环绕物体18扫描第一次22、第二次24和第三次26得到的测量结果。因此物体18上的每个点就具有三个不同的测量点A、B、C，这三个测量点来自探针弯曲量不同的三次不同扫描。对于物体上的每个点，可以向后外插测量结果从而计算如果探针弯曲量是零的话所会得到的测量结果。图3示出了探针弯曲量和物体直径之间的关系。在探针弯曲是零时给出了物体的实际直径。外插到探针弯曲量是零这一步骤使得能够在没有实际测量误差的条件下确定探针弯曲量是零时的测量结果，实际测量误差是由探针力误差引起的。被动探针适合应用在这种方法中，这样的探针可以包括一个触针，触针可弯曲地靠着弹簧。

可以用该信息产生零件的一个测量力误差图。如果以低速扫描零件，由于探针和机器具有非常小的加速度，这使得动态误差是可忽略不计的。

图4示出了探针力与探针弯曲量之间的关系。探针的作用范围遵循虎克定律，所以在探针力是零时，探针弯曲量也是零。

图5示出了径向误差和探针弯曲量之间的关系。点A、B、C分别对应于当探针弯曲量是100μm、200μm、300μm时的径向误差。利用这三个点外插到探针弯曲量是零的情况，就得到了零径向误差。一旦确定探针弯曲量和径向误差之间的函数关系，下面就可以利用这个函数把在任意探针弯曲量下(例如对于点P)的测量结果修正到零径向误差。由于探针弯曲量和径向误差之间存在线性关系，在给定探针弯曲量时用于修正测量结果的函数也是线性的。

另外测量力误差可以具有误差图的形式。它可以是查询表的形式，其中对于不同的触针弯曲具有不同的误差修正。这个误差图可以是多项式函数的形式。

图6示出了对扫描中的点的误差修正。扫描中的每个点都具有一个适用于一定触针弯曲量的不同径向修正38。如果在触针弯曲量为300μm时扫描下面的一个物体(图中用36表示)，可以使用测量力误差函数或图来把在这个触针弯曲量下得到的测量尺寸36修正到实际零件尺寸34，实际零件尺寸34与在弯曲量为0μm时扫描的零件对应。

这种方法不限于每次扫描都具有恒定弯曲量的情况，只要物体表面上的点具有与不同触针弯曲量对应的测量数据从而能够把这些测量数据外插到弯曲量为零的情况就行。例如，图16示出了环绕物体18在恒定弯曲量时得到的第一次扫描轮廓60和使用正弦变化的弯曲量时得到的第二次扫描轮廓62。因此物体表面上的每个点P1、P2、P3都具有在不同探针弯曲量时的两个测量结果。如上所述，这些测量数据可以外插到弯曲量为零的情况。

还能够在单独一次变化的扫描轮廓过程中收集足够的测量数据。图17示出了环绕物体18的单独一次扫描轮廓70，这个扫描轮廓70是通过使用正弦变化的触针弯曲量得到的。图18示出了扫描轮廓70的一部分。在一个小角度72内，扫描轮廓70含有许多在不同触针弯曲量时得到的数据点。假设在角度72范围内的表面变化(如零件的弯曲和表面的均匀性)较小，这些在角度72范围内、在不同触针弯曲量得到的数据点可以用于外插到零的计算。即使表面轮廓在角度72范围内有变化，只要能够假设该变化是线性的，这还是可能的。

另外，可以不在不同的探针弯曲量进行数次扫描物体，而是数次扫描物体在每次扫描时探针具有不同的恒定力。例如，第一次扫描物体时，可以保持触针和物体之间具有0.3N的恒定力。然后对物体进行恒定力为0.2N的第二次扫描和恒定力为0.1N的第三次扫描。每次这些扫描可以具有相同或不同的触针弯曲量。图7示出了物体18所具有的实际零件尺寸34和在不同恒定探针力的情况下扫描第一次28、第二次30和第三次32得到的测量尺寸。

和以前一样，对于物体表面上的一个点，有三组与不同探针力扫描对应的数据。可以向后外插这些数据从而能够确定在触针和工件之间没有力时测量得到的点(即零件的实际尺寸)。如上所述，利用外插到零这一技术，可以创建误差函数或图，它把在给定探针力时得到的测量结果与对给定点在零探针力时确定出来的正确测量结果联系起来。利用这个测量误差函数或图，在随后给定探针力的测量中，可以修正测量力误差。

类似于用上述方法，从单独一次变化探针力(如具有正弦形)的扫描中可以收集足够的数据以进行外插到零的计算。

这种方法适用在主动扫描探针中，其中使用机动机构控制和调节与要测量部件的接触力。

物体可以包括一系列要测量零件中的一个零件。这种情况下利用这个方法产生了这个零件的测量力误差图。另外的情况是，物体可以包括一个制造物，制造物具有与随后要测量的零件的特征部分对应的特征部分。例如，这些特征部分可以是球、环规、塞规等。使用制造物使得除了能够确定探针力测量误差以外，还能够确定几何误差。几何误差是机器和探针的误差，例如机器比例的非线性或机器轴不直等。由于已知制造物上特征部分的形式，所以可以用它们来修正机器和探针的几何误差。这可以通过比较制造物外插到零的数据和制造物的已知形式实现，并且产生几何误差图来修正随后的零件。

这个方法的优点是能够分开探针力测量误差和几何误差。例如当比较用300μm弯曲量扫描得到的测量数据和制造物的已知形式时，就不会有这个优点。在这种情况下探针力测量误差和几何误差会组合到一个校准中，不可能把它们分开。

这种分开修正测量力误差和几何误差的方法还具有以下优点，它考虑了由于正在被测量的物体弯曲所引起的误差。在测量刚性较小的物体和/或薄壁时，探针力可能会使得它们弯曲。

图8示出了要测量的特征部分50，它的刚度较小。当这个特征部分与探针10接触时，如图9和10所示，特征部分弯曲离开探针。特征部分的这种弯曲使得在力F下测量的直径显得比它的实际直径小。图11示出了特征部分的实际直径52和使用探针力F测量的直径54。与之类似，由于同一原因，环的内径会比它的实际直径大。在零探针弯曲或零探针力的情况下，特征部分不会具有弯曲。因此本发明的这种方法所创建的测量力误差函数或图利用外插到零这一步骤考虑了这些误差。

在本发明的第二步中，要确定系统的动态误差。例如加速引起的机器弯曲可以引起动态误差。一旦如上所述产生了测量力误差函数或图，就以高速扫描物体。和上面一样，既可以以恒定探针弯曲量也可以以恒定力来执行高速扫描。另外，优选以恒定速度执行高速扫描。把从该高速扫描得到的测量数据与和物体实际尺寸相关的测量力误差修正后的低速扫描相比较，其中测量力误差修正后的低速扫描用本发明第一步描述过的方法产生。通过比较高速扫描和测量误差修正后的低速扫描可以产生动态误差函数或图。这个动态误差图用来修正后面以高速进行的扫描。

由于动态误差函数把误差和弯曲量或力联系起来了，所以随后的扫描不需要与初始的高速扫描具有一样的触针弯曲量或探针力。但是，理想的是在随后的扫描中使用类似的高速。

图12示出了在高速扫描过程中得到的测量结果40和物体的实际尺寸42，实际尺寸42利用上述的测量力误差修正低速扫描产生。

动态误差图已经和测量力误差图或函数组合在一起创建了整体特征部分图。这通过把图6示出的、围绕零件的测量力误差修正矢量38和围绕零件的动态误差修正矢量加在一起来实现的，它们创建了图12示出的组合在一起的修正矢量44。

这个方法的优点在于当在不同的探针弯曲量或不同的力下扫描物体确定出测量误差时，物体表面上的每点的测量误差都是已知的。因此不需要插值。

在本发明的第二个实施例中，可以一起确定测量力误差和动态误差。现在参考图13和14描述这个方法。

在第一步，以低速(如10mm/s)、第一弯曲量(如200μm)扫描物体。图13示出了低速扫描的轮廓S1。然后沿着同样的路径以高速(如100mm/s)、第二弯曲量(如100μm)扫描物体。图13示出了高速扫描的轮廓F1。然后沿着同样的路径以高速100mm/s、第一弯曲量200μm扫描物体。图13示出了高速扫描的轮廓F2。

图14示出了围绕物体的扫描轮廓S1、F1和F2的一部分。F1和F2是以相同高速(100mm/s)、不同弯曲量(分别是100μm和200μm)扫描时得到的轮廓。通过外插到零弯曲量，能够确定出高速(100mm/s)、零弯曲量扫描时得到的物体轮廓。这个轮廓在图14中用HSZD示出。因此可以确定出F2扫描时弯曲量引起的误差。这个弯曲量误差在图14中用e₁表示。

当用同样的探针弯曲量(如200μm)执行扫描S1和F2时，可以把弯曲量误差e₁应用到扫描S1的轮廓上从而找到与低速、零弯曲量扫描对应的轮廓。这个轮廓在图14中用LSZD表示并且与物体表面对应。

现在把LSZD用作基准线。那么就确定出LSZD基准线与F2扫描之间的误差。这个误差在图14中用e₂标记。可以把误差e₂存储为修正图或函数。

现在就可以用与扫描F2对应的速度和弯曲量来测量后面的物体了，并且使用修正图或函数来修正。

这个方法可以不和弯曲量测量探针而和力测量探针一起使用。在和力测量探针一起使用时，在第一探针力下执行扫描S1和F2，在第二探针力下执行扫描F1。然后把两个高速扫描外插到零探针力以确定高速零探针力时的轮廓，这样可以确定出由F2扫描的力引起的误差。

既可以使用扫描探针也可以用接触触发探针来确定S1、F1和F2扫描过程中物体的测量结果。接触触发探针可以电加载从而在某个力下触发它。因此在S1和F2扫描过程中，在第一力下加载触发探针，在F1扫描过程中，在第二力下加载触发探针，这样两次高速扫描就能够外插到零探针力。

低速扫描S1不必和高速扫描F1具有相同的触针偏移量或探针力。这是由于触针弯曲量/探针力和测量误差之间的关系是通过高速扫描F1和F2确定的，这能够和低速下的任何触针弯曲量/探针力进行比较。

现在参考图15描述本发明的第三个实施例。驱动探针的触针10使之在垂直物体表面的方向上沿着路径46与物体18的表面保持接触，直到达到预定的触针力。沿着同一条路径在多个不同的预定触针力下重复这一步骤。使用沿着这条路径的测量数据向后外插就能够确定出触针和工件之间的力为零时所得到的测量点。这是名义物体测量结果。

围绕物体表面对所选择的数据点重复这一过程。使用从这些数据点的每个数据点得来的数据象上面所述那样创建误差图以修正随后的测量。在数据点之间的物体表面测量结果通过插值数据点之间的误差图来进行修正。

Claims (5)

1.一种在坐标定位设备上测量物体的方法，该方法包括以下步骤，这些步骤可以以任何合适的顺序排列：

在坐标定位设备上放置一个第一物体；

用工件接触探针测量所述的第一物体以创建第一物体的测量数据，在多个触针弯曲量或探针力下收集测量数据；

对于所述的第一物体表面上的多个点，外插测量数据到与零触针弯曲量或零探针力对应的数据；

根据所述的测量数据和外插数据创建一个误差函数或图；

在已知的触针弯曲量或已知的探针力下测量后面的物体；

和使用误差函数或图对所述的后面物体的测量进行误差修正。

2.根据权利要求1所述的方法，其中用工件接触探针测量第一物体的步骤包括扫描该第一物体。

3.根据任何一项前述权利要求的方法，其中以低速测量第一物体。

4.根据权利要求1的方法，其中以低速测量第一物体，并且进一步包括以下步骤：

用工件接触探针以高速测量所述的第一物体，以创建第一物体的测量数据，探针具有已知的触针弯曲量或已知的探针力；

比较与低速时零触针弯曲量或零探针力对应的外插测量数据和高速时的测量数据；

其中从测量数据创建的误差函数或图与高速时的测量数据相关；

和其中在高速下、以已知的触针弯曲量或已知的探针力测量后面的物体。

5.根据权利要求1的方法，其中以高速测量第一物体，并且进一步包括以下步骤：

根据在所述的高速、预定的触针弯曲量或探针力条件下的测量数据和在高速、外插到零的数据之间的差别创建第一误差函数或图；

在低速用工件接触探针测量所述的第一物体，以创建第一物体的测量数据，

把第一误差函数或图应用到在低速测量过程中所创建的测量数据上；

其中所述的误差函数或图包括一个第二误差函数或图，第二误差函数或图与在所述的预定已知的触针弯曲量或已知的探针力下高速测量过程中得到的测量数据和与在所述的低速下与零触针弯曲量或零探针力对应的测量数据之间的差别相关；

和其中在高速、以已知的触针弯曲量或已知的探针力测量后面的物体。

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