CN85105104B - 用于多轴线测量设备的实时数据采集装置 - Google Patents

Abstract

从多轴线测量设备上收集数据用的一种实时数据收集装置包括激光干涉计，用来输出从测量设备各轴线来的位置测量数据。有一个探头可以产生作为偏移函数的输出信号。从激光干涉计和探头测得的数据按照数据采集信号同时进行收集。同时收集的数据输入到一个数据分析计算机中以便进行处理。

Description

用于多轴线测量设备的实时数据采集装置

本发明是关于精密测量装置，特别是关于从一台多轴线的自动测量设备上采集数据的实时数据采集装置。

精密测量设备，如穆尔特殊工具公司（Moore Special Tool Co，Inc，本发明的受让人）制造的万用测量设备是用来检查工件的各种尺寸的，所检查的工件包括航空和航天工业部门所用的精密机械零件。上述设备也在标准局和计量试验室里，用来精确测量小到百万分之一英寸的微小增量。

近年来，用基于计算机的坐标测量机在市场上迅速增加。随着价格低廉的微处理机的出现，已使上述系统的采用成为可能。在多数的这种系统中，是在设备的测量元件与数字显示装置之间配置一个微处理机式数据处理电路，数字显示装置把测量数据送给设备的操作者。这样做的结果是使坐标测量设备具有价格低廉的数字读出装置，并具有内部数据采集和分析的功能。在“美国机械师”（American Machinist），1982年10月第749期特刊第145-160页上刊登的乔治.夏菲尔（George Schaffer）的一篇文章，题为“从坐标测量设备上采集数据”（Taking The Measure of CMMS），在这篇文章中为这种坐标测量设备（“CMMS”）提供了一个很好的背景。

在一些测量工作中，特别是在要求测量精度非常高的情况下，希望在测量设备上采用模拟探头，以提供一个与其偏转成比例的精确的一定范围的线性输出信号。在使用这种装置时，探头相对于工件移动，直到与工件接触为止。把设备坐标读数与探头读数相加得出测量结果，这里，探头数据代表与测得的坐标数据的实际偏移，不过，为了得到精确的结果，测得的坐标数据和探头数据，必须是同时得到的。以往的坐标测量设备都不是精确的、实时的同时进行数据采集，而这是为这类设备使用者提供所需要的高精密度所必需的。本发明就是要提供一种可以同时从测量设备各条轴线，以及探头上采集或锁存数据的系统，以便得到高精度。

当探头接触到工件时，从数字式探头上采集数据的技术在过去已经使用。比如在一本会议录“（Proceedings of Southeastcon'80）（Nashville，Tennesee）（IEEE，1980年4月）”上，约翰安里斯和哈路得（John W.Ayres and Harold S.James）发表的一篇题为“用于XYZ坐标测量机的电接触探头”“（Eelctrical Touch Probe For XYZ Coordinate Measuring Machine）”的论文中介绍了这种技术。从数字式探头上测得的数据，直接显示出设备的坐标。因此，不存在模拟探头数据与各个设备坐标数据的同时读出问题。另外一项采集探头数据的技术发表在美国专利No3，551，649上，题为“位置测量系统”（Position Measuring System）。这里也没有提到同时读出各分立设备的坐标传感器和一个模拟探头来的数据。而是将数据定时，把各个探头测得的探头数据输入寄存器，每个探头的数据单独存储。在题为“表面探测装置”“（Surface Sensing Apparatus）”的美国专利No3481，042中公开了类似的装置，探头数据仅仅是从探头与工件接触时测得。

在美国专利No4，181，958中，发表了一个“多探头检测系统”的示意图，其多个探头的模拟输出信号，是依次采样、数字化和储存的。然后储存的信息由微处理机进行处理，所产生的数字信号是被选探头模拟输出信号的一个函数。与上述的其他文献一样，这项专利也没有揭示一种可以同时采集坐标测量数据和探头数据，以便得到高精度测量的系统。

过去已经制造过使用激光干涉测量术的精密测量系统，用来进行多轴线测量。这种装置的一例是题为“单干涉计多轴线激光测量系统”（Single Interferometer Multiple Axis Laser Measuring System）所述的美国专利No3，661，463。不过，在这项专利中所说明的测量设备上，也没有设置探头用来测量激光系统所测得坐标的微小偏差。

提供一种测量精度能达到百万分之一英寸的多轴线自动测量设备是很有好处的。在这种设备上将利用一个模拟探头与其他传感器（如激光干涉计等）一起来测量每一轴线上的数据，以得到每一轴线上的读出误差。为了保证测量精度，从探头来的数据和从传感器来的数据，应同时采集，以便由相应的数据处理部分读出。实际上，这样一种设备将周期性地从探头和传感器取得数据“抽点打印”，以便对所要求的测量数据进行实时采集。

本发明就是关于这样的一种测量设备。

授于Herzog的美国专利第4，587，622号中公开了减少导轨误差对测量精确性影响的坐标测量系统。该系统包括一个带有托架的桥路而可在X、Y和Z方向移动的工件接触探头，和一个载运该探头的主轴。在工件接触探头的测量过程中，坐标值Xm、Ym、Zm是在各点与该工件接触时测得的，并借助于来自探头的脉冲而传入一计算机。Xm、Ym和Zm值是在计数器中通过加上已知的X、Y、Z的托架位置的增量信号而产生的。

然而，在例如要扫描的实物轮廓是均匀的，或在一相当大区域上只有少许变化的这一类运用场合中，使用美国专利第4，587，622号的系统会产生过多的坐标数据。其实只有少数的点是需要用来记录这样一个目的物的轮廓的。

因此，控制某一要扫描的实物的测量点数目也可能是有好处的。

本发明的一个目的是要提供一种手动控制以选择测量点。

本发明的另一个目的是让操作员能设计限定测量点之间距离的增量数据。

本发明还有另一个目的是要提供控制测量点的辅助时钟。

按照本发明，将用一个实时数据采集装置采集来自多轴线测量设备的数据，该装置包括传感器装置，用来从测量设备的至少一个轴线上输出位置测量数据。这个传感器装置可以包括（例如）一个激光干涉计。测量设备的每一轴线可以采用不同的激光干涉计。提供的测量探头，具有产生作为探头偏离函数的输出信号装置。测量探头可以是这么一种型式的，它可以产生指示不同维度上的探头偏离量的输出信号。还配有几个装置，可以同时采集随数据采集信号而来的传感器和探头的数据。另外，还有若干装置可以把同时从传感器和探头那里采集来的数据，送入一台数据分析计算机中。

数据采集装置可以包括时钟装置，用来发出周期性的数据采集脉冲，以实现周期性的数据采集操作程序。还可以有一个装置用来封闭时钟装置，同时有一个手动开关装置，用来产生一个数据采集信号。采用这种方法，测量设备的操作者，便可以在时钟装置被阻断的情况下从外部操纵数据采集过程。另外一种方法是所有的数据采集过程都由设备操作者在外部进行的，在这种情况下，就没有必要用时钟产生数据采集脉冲了。

数据采集还可以根据沿测量设备的任何一条轴线或者几条轴线上移动距离的增量来触发。可以备有一种装置使设备操作者能够按照所需要的特殊情况，来选择这样的距离参数。比如，操作者可以要求测量设备的X轴线上每隔十分之一英寸的增量就采集一次数据。在这种“距离模式”的操作中，时钟装置被阻断。

测量探头可以是产生模拟输出信号的模拟型探头。在这情况下，本发明的装置还要包括一个模-数转换器，还要有一个对数据采集信号的敏感装置，以便触发这个模-数转换器，把来自探头的模拟信号转换成数字信号。还可以配有一个装置用来在模拟信号转换成数字信号以后产生一个数据准备信号。

可提供一个寄存器，用来存储从传感器和探头采集来的数据。与这个寄存器一起的还有根据数据准备信号把储存的数据传送到数据分析计算机的装置。

此外，还有一个装置，它在数据传送给数据分析计算机以后，按照预定的算法来处理寄存器中数据。比如从传感器和探头来的数据，可以被转换为浮点数据，以便传送给数据分析计算机。此外，还可以有一个装置，在把寄存器中的数据进行处理后，用易懂的形式在一个显示器上显示出来，这个显示器与多轴线测量设备相连接，数据也正是从这个设备上采集来的。

现对附图简要说明如下：

图1 是一台可依照本发明的方法进行实时数据收集的多轴线测量设备以及与其相联系的组成部分的方块图。

图2 是为用于本发明的数据采集计算机的一个实施例框图。

图3 是实时数据采集计算机的数据采集装置的另一个实施例的方框图。

图4 是图3所示数据采集计算机实施例所采用的数据锁存选择程序的流程图。

本发明提供一个从多轴线测量设备10进行实时数据采集的装置，如图1所示。在这个实施例中，测量设备具有5条轴线，即X，Y，Z，A和C。坐标X，Y，Z，都用大家熟悉的激光干涉测量术进行测量。激光干涉计产生的射频（RF）信号，被输入至逻辑框12中，并从这里送到一个激光器接口14上。激光器接口14具有各种功能，包括射频（RF）信号的补偿，以及把从激光干涉计接收到的数据进行英制和米制（公制）间的转换。可采用的激光干涉计的一种就是由休利特.帕克卡尔德公司（Hewlett Packard Corp，）出售的型号为HP-5501的干涉计。激光器接口14可以包括一个由休利特.帕克卡尔德公司（Hewlett Packard Corp，）制造的型号为HP-10740A的连接器。

从测量设备的回转台（A轴线）得来的数据输入一个转换器16中，把A轴线的数据变成A四倍于B的格式（A quad B format）。指示标准状态的数据（C轴线）从测量设备10输入到一个编码器18中，该编码器将C轴线数据变成A四倍于B的数据（A quad Bdata）。从激光器接口14（X、Y、Z轴线）、转换器16（A轴线）以及编码器18（C轴线）来的A四倍于B的数据（The A quad B data）被输入到实时数据采集计算机34中。图1中的方框36表示输入到实时数据收集计算机34中的数据包括了从X、Y、Z、A和C各条轴线上所测得的坐标。

在本发明所用的测量设备上，使用一个探头20，在与所测工件相接触时进行指示。探头20最好是一个模拟探头，它可以提供一个与其偏转成比例的、精确的、有限范围的、线性输出信号。与探头20相联的电子设备给实时数据采集计算机34输出一个二进制编码的十进制（BCD）信号。这个二进制编码的十进制信号（BCD）数据相当于一个探头输出信号。其数值为探头偏转的函数。图1中所示的探头20是一个三度空间探头，方框35表示这三个尺寸中的每一个数据被输入到数据采集计算机34中。一个供选择的数据准备信号，可以从探头20，经电线46输出，其目的将在下面叙述。如果有这个数据准备信号的话，它被输入到数据采集计算机34中，如图1所示。

测量设备10的机械运动是由一台数字控制器22控制的，这个控制器通过数据总线44与测量设备10以常规方式相连接。可以通过电线48给数字控制器22提供一个探头事故信号，如果探头20已达到最大偏转值的话，使测量设备的移动停下来。X、Y、Z，A和C数据从实时数据采集计算机34输入数字控制器22中，如图中方框38所示。这个数据形成一个控制回路，数字控制器22用这个控制回路22来保证测量设备部件的适当的移动量。

在数据采集计算机34上接有一个图象显示器终端32，可以把数据采集计算机处理过的数据，用易懂的形式显示给测量设备10的操作者。这种数据显示可以表示出测量设备10所测出的数据。

数据采集计算机34，还与一台数据分析计算机24相连，后者可以储存大量的测量数据，并且具有复杂的数据处理功能以便分析来自测量设备10的数据。数据分析计算机24能够支持（例如）象计算机辅助设计与计算机辅助制造（CAD-CAM）这样的特点，如方框26所示。一个操作员输入盘28可以使测量设备的操作员，通过数据分析计算机24与测量设备进行联系，而数据分析计算机24又通过双向数据总线42与数字式控制器22相连。在数据分析计算机24上，还可以接一个绘图器30用来把计算机24所进行的数据处理结果记录下来。

现在参看图2，实时数据采集计算机34是用方框表示的。与图1一样，由逻辑框36所示的。X、Y、Z，A和C轴线的数据，被输入到实时数据采集计算机34。同样，如逻辑框35所示的，探头数据被输入到数据采集计算机34中，从X、Y、Z，A和C轴线来的数字数据被输入到计数器50中。从探头20来的数字数据被输入到计数器52。锁存器54可以根据数据采集或者锁存信号，同时收集从X、Y、Z、A和C轴线来的及从探头来的数据。所采集的数据储存在寄存器56中，以便随后处理。数据采集过程可以由一个周期地产生数据采集脉冲的内部时钟来操纵，也可以由一个距离触发信号来操纵，当设备的一个轴线或几个轴线移动一个预定距离增量时，这个触发信号便发出一个数据采集脉冲，数据采集过程，还可以由一个外部手动开关来操纵。测量设备的操作者也可以用手动开并来操作数据采集过程。

数据采集的三种方式分别用图2中的时钟60，距离触发开关61和一个外部开关62来表示外部开关与一个锁存方式开关58相连。当使用内部数据采集方式时，从时钟60发出的脉冲通过锁存方式开关58，接到锁存器54上。当数据收集操作使用距离触发方式时，由距离触发开关61产生的数据采集信号通过锁存方式开关58接到锁存器54上。当使用外部开关操纵方式时，由手动开关62发出的数据采集信号，通过锁存方式开关58与锁存器54相连。由实时数据采集计算机锁存数据的结果，实际上是一旦出现数据采集信号便从测量设备10得到的数据中取出一个“抽点打印”。由于同时收集从测量设备各条轴线的传感器来的数据和从探头来的数据，所以可以保证非常高的精确度。在数据采集的任何时刻，测量设备操作者可以确信从X、Y、Z、C和A各个轴线上测得的数据和从探头测得的数据是在完全相同的时间采集的。这种方法可以得到以往自动测量设备所无法得到的精度。

一旦数据被锁存到寄存器56中后，就可以用大家熟悉的相应电路系统64读出这些数据。数据采集计算机34可以执行多种处理功能，如图2中所标的“过程A”和“过程B”。由过程A的处理机76可产生一个读出信号并通过电线75输入到读出电路系统64，以完成读操作。同样，处理过程B的处理机72可以通过电线71发出一个读出信号使读出电路系统64从寄存器56读出数据。如图2所示，处理过程A可以为数据分析计算机24提供数据，如逻辑框82所示。所用的数据缓冲器78在传送至数据分析计算机24时，暂时储存从测量设备10来的数据。处理过程B可以用来从寄存器56中读出的测量数据以易懂的形式显示在一个与测量设备10相联的显示器上。一个与处理过程B相联的显示缓冲器74可以在传送至一个图形卡80和图像显示终端或可对比监视器时（如逻辑框86所示），暂时储存要显示的数据。

由电路系统64从寄存器56读出的数据可以在数据送至数据分析计算机24时，按照预先确定的算法进行处理。同样，寄存器56中的数据可以在监视器上显示以前，按照预先确定的算法进行处理。

处理来自寄存器56的数据所用的预定算法，可以（例如）把数据转换成浮点格式，如逻辑框66所示。该数据也可为提供坐标转换而被处理，如图中逻辑框68所示。逻辑框70所表示的其他功能还可以用大家熟悉的预定算法来提供。

在图3中所示的另外一种实施例中，实时数据采集计算机34，可以同时收集从X、Y、Z、A和C传感器（如激光干涉计）和一个多维模拟探头来的数据。如图2所示X、Y、Z、A和C数据输入到数据采集计算机34中，用逻辑框36表示。同样，探头数据也输入到数据采集计算机34中，用逻辑框35表示。在图3锁存X、Y、Z、A和C数据的机理是和图2中相同的。不过，在从模拟探头上采集数据时，必须提供一个模拟-数字转换器88。由于模拟-数字转换不是立即实现的，因此在从寄存器56中读出数据以前，必须有一段时间来完成这种转换。于是，模拟-数字转换器88（可以安装在一个模拟探头中，该探头与测量设备10一起使用）要在电线92上提供一个数据准备信号，使读出电路90动作在模拟-数字的转换业已完成并且转换的数据已经储存到寄存器56中以后，才从寄存器56中读出数据。当备有一个内部（时钟）或外部（手动操作开关）脉冲加到锁存方式开关58时，模拟-数字转换器88会立即对探头测得的数据取样并开始模-数转换。与此同时，X、Y、Z、A和C数据被采集并锁存在寄存器56中。在所采集的探头数据被转换并储存到寄存器56中以后，转换器88便发出一个数据准备信号，使电路90动作，从寄存器56中读出数据。该读出数据从电线94输出，并按图2所述的同样方式进行处理。

图4是数据采集计算机34在选择用内部（即用时钟脉冲或距离激发脉冲），还是用外部锁存操作时，所使用的程序流程图。这个程序也能适应模拟探头，因为它可以做到：只有在收到数据准备脉冲以后，才能读出数据。这个程序由逻辑框100开始，并且在逻辑框102上确定是否使用内部锁存的方式。如果不是，则在逻辑框104上启动外部锁存（即用手动开关）。在这里，内部时钟对锁存操作将不产生任何作用。

如果在逻辑框102上确定采用内部锁存的方式，控制就会到达逻辑框106，如果采用时钟脉冲操作，则使内部时钟锁存动作，如采用距离激发方式来操作数据采集，则使距离激发程序动作。接着，控制到达逻辑框108，在此确定是否已出现一个数据采集脉冲（内部锁存脉冲或者外部锁存脉冲）。如果没有，则控制便在逻辑框108不断地重复，直到收到脉冲为止。一旦出现脉冲，控制便到达逻辑110，并从X、Y、Z、A和C轴线的传感器以及探头那里同时采集数据。

在逻辑框112上，确定是否使用一个发出数据准备信号的探头。如果用这个探头的话，控制将通到逻辑框114，并且确定是否已经收到一个数据准备脉冲。控制在逻辑框114不断重复，直到收到脉冲为止。一旦收到数据准备脉冲时，控制从逻辑框114通到116，在此，数据采集计算机的中央处理单元中断，表示数据已采集到，因此可以从寄存器56读出数据了。在没有使用数据准备信号的情况下，控制将直接从逻辑框112通到逻辑框116上。该程序在逻辑框118结束。

在采用距离激发方式来进行数据采集时，要有一个软件例行程序，它使设备的操作者可以规定任何一条或X、Y、Z、A和C各条轴线上的距离增量。由操作者将该距离增量的数据储存到适当的存贮器中：它可以存到实时数据采集计算机34中，可以存到数据分析计算机24中，也可以存到数字控制器22中。测量设备沿X、Y、Z、A和C轴线的移动随时都被跟踪，每当储存在存贮器中的距离增量被通过，就会发出一个数据采集脉冲。当测量设备继续移动一个储存的距离增量时，就会再发出一个数据采集脉冲，用这种方式，操作者就可以对装置进行设定，每当一个轴线或n个轴线上通过一给定距离时就会自动地采集一次数据。

现在可以认为本发明提供了一种新颖而奇特的实时数据采集装置，用来从多轴线测量设备上收集数据。可以自动地连续测量，测量精确度是以往自动坐标测量设备（CMM）所达不到的。测量设备上装有传感器用来从至少一条轴线上输出位置测量数据，并且装有一个测量探头，探头具有产生作为探头偏转函数的输出信号装置，从传感器和探头上测得的数据可以同时进行收集，因此可以保证非常高的精确度。这些数据可以在数据分析计算机上依次进行分析，并且/或可以在与测量设备相联的显示器上显示出来。

Claims (34)

1、测量物体尺寸用的一种多轴线设备，其特征在于它包括：

一测量探头，具有产生一个随探头的偏转而变化的输出信号用的装置;

在多个方向上移动所说测量探头用的装置，以便所说测量探头接触所说物体;

在所说探头接触所说物体时，传感所说探头位置用的传感装置;

产生周期性的数据采集信号用的时钟装置;

在选定的时间为禁止所说数据采集信号产生而阻断所说时钟装置用的装置;

在所说时钟装置被阻断时产生另一采集信号用的手动操纵开关装置;

响应所说时钟装置的所说数据采集信号和所说开关装置的所说数据采集信号而同时采集来自所说传感装置的位置数据和来自所说探头的偏转数据用的装置;以及

为确定所说物体上至少一点的位置而处理采集到的位置数据和偏转数据用的装置。

2、根据权利要求1的设备，其特征在于它还包括：

输入距离增量数据用的装置;以及

当所说传感装置检测到相应于所说距离增量数据的位置变化时，产生一数据采集信号用的装置。

3、根据权利要求1中所提出的一种设备，其中的所说传感装置提供数字式数据，表征所说探头的位置，而所说测量探头输出一模拟信号，表征所说探头的偏转，该设备的特征在于，它还包括信号转换装置，用以将所说模拟探头信号转换为等值的数字式数据和禁止该采集装置，一直到所说信号完全转换为止的信号转换装置。

4、根据权利要求1的设备，其特征在于所说传感装置从多个不同轴线输出位置测量数据，而所说探头产生的输出信号表征多个不同方向中的探头偏转值。

5、根据权利要求4的设备，其特征在于所说传感装置包括激光干涉仪。

6、一种多轴线测量设备，其特征在于该设备包括：

X、Y和Z轴;

沿各自的所说轴线测量尺寸用的传感装置;

一个测量探头，该探头具有产生一个随探头偏转而变化的输出信号;以及

一个为实时采集和将来自所说传感装置和测量探头的数据进行处理用的微计算机，所说微计算机包括：

产生周期性的数据采集信号以产生周期性的数据采集操作用的时钟装置;

从产生的数据采集操作阻断所说时钟装置用的装置;

产生一数据采集信号，从而在所说时钟装置因产生数据采集操作而被阻断时使一数据采集操作能从外界加以实现的手动操纵开关装置;

响应一数据采集信号而同时采集来自所说传感装置的尺寸数据和来自所说探头的偏转数据用的装置;以及

将来自该传感装置和探头装置的被采集的数据同时输送到一数字分析计算机用的装置。

7、根据权利要求6的设备，其特征在于该设备还包括：

输入距离增量数据用的装置;以及

当所说传感装置检测到沿一或多个所说轴线、符合由所说距离增量数据所建立的条件的位置测量数据的变化时产生一数据采集信号用的装置。

8、根据权利要求6的设备，其中所说测量探头产生一模拟输出信号，其特征在于所说设备还包括：

一个由模拟到数字的转换器;以及

响应一数据采集信号而触发所说转换器以将一来自所说探头的模拟信号转换为一数字信号的装置。

9、根据权利要求8的设备，其特征在于该设备还包括：

在完成一模拟到数字的转换后产生一数据就绪信号用的装置。

10、根据权利要求6的设备，其特征在于所说探头产生的输出信号表征多个不同方向中的探头偏转值。

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