專利名稱：測(cè)量工件的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用安裝在坐標(biāo)定位裝置諸如坐標(biāo)測(cè)量?jī)x(CMM)、機(jī) 床、手動(dòng)坐標(biāo)測(cè)量臂和檢查機(jī)器人上的馬達(dá)化的掃描頭部測(cè)量工件表面的方 法。
背景技術(shù)：
從國(guó)際專利申請(qǐng)公開WO90/07097知道，將馬達(dá)化的掃描頭部安裝在坐 標(biāo)測(cè)量?jī)x上。馬達(dá)化的掃描頭部能讓安裝在馬達(dá)化的掃描頭部上的探針圍繞 兩個(gè)名義正交的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。該探針可以相對(duì)于這兩條軸線成角度定位，同時(shí)置「、、'、；。 "、 、。。 八、。這種馬達(dá)化的掃描頭部提供了一種掃描靈活性更大的坐標(biāo)定位儀，因?yàn)?馬達(dá)化的掃描頭部可以將探針定位在許多不同方位。該申請(qǐng)公開了測(cè)量順序，其中坐標(biāo)定位儀的簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)與馬達(dá)化的掃描頭 部的運(yùn)動(dòng)相結(jié)合，測(cè)量形狀規(guī)則的零件。例如，通過沿著中心線移動(dòng)CMM 的主軸，同時(shí)馬達(dá)化的掃描頭部沿著環(huán)形輪廓移動(dòng)探針尖端以產(chǎn)生螺旋移 動(dòng)，由此來(lái)測(cè)量鉆孔。該申請(qǐng)還公開了通過驅(qū)動(dòng)CMM的X和Y方向馬達(dá)以沿著環(huán)形路徑移 動(dòng)所述主軸，同時(shí)將Ml馬達(dá)操作在偏壓模式而M2馬達(dá)操作在定位模式， 由此來(lái)測(cè)量錐體。偏壓模式使得所述尖端保持與所述表面接觸，同時(shí)圍繞工 件驅(qū)動(dòng)掃描頭部。這是通過對(duì)于給定的輸入電流向它們的轉(zhuǎn)子輸入基本上恒 定的扭矩來(lái)實(shí)現(xiàn)的。掃描諸如鉆孔的特征的方法存在的缺陷在于，不適合較大的孔(即，如 果孔的半徑大于探針長(zhǎng)度)或者非常小的孔。此外，這種掃描方法由于可達(dá) 性的制約，并不總是可行。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供一種利用安裝在坐標(biāo)定位裝置的構(gòu)件上的掃描頭部上的表 面感測(cè)設(shè)備來(lái)測(cè)量表面輪廓的方法，其中可以操作坐標(biāo)定位裝置，在掃描頭 部和表面輪廓之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并且掃描頭部包括驅(qū)動(dòng)件，用來(lái)產(chǎn)生表面感測(cè)探頭圍繞兩個(gè)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，該方法包括以下步驟驅(qū)動(dòng)坐標(biāo)定位裝置，在所述構(gòu)件和所述表面輪廓之間產(chǎn)生沿著弧形、環(huán) 形或螺旋形路徑的相對(duì)運(yùn)動(dòng)；驅(qū)動(dòng)掃描頭部，使表面感測(cè)設(shè)備圍繞所述一個(gè)或多個(gè)軸運(yùn)動(dòng)，使得導(dǎo)程 角(lead angle)名義上恒定；其中，坐標(biāo)定位裝置和掃描頭部的運(yùn)動(dòng)同步。所述構(gòu)件的弧形、環(huán)形或螺旋形運(yùn)動(dòng)可以圍繞所述表面輪廓的軸線。所 述構(gòu)件的弧形、環(huán)形或螺旋形運(yùn)動(dòng)可以圍繞與所述表面輪廓的中心軸線成一 定的角度的軸線。所述構(gòu)件的弧形、環(huán)形或螺旋形運(yùn)動(dòng)可以圍繞這樣的軸線， 該軸線行于所述表面輪廓的中心線但是從其偏移。優(yōu)選所述坐標(biāo)定位裝置和掃描頭部的運(yùn)動(dòng)隨著時(shí)間增量而同步。所述表面感測(cè)設(shè)備進(jìn)行振蕩運(yùn)動(dòng)(即，擺動(dòng)掃描)。可以選擇的是，其 可以、執(zhí)行線性掃描。優(yōu)選的是，掃描頭部圍繞至少一個(gè)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)用來(lái)將所述表面感測(cè)設(shè)備 保持在其測(cè)量范圍內(nèi)。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種計(jì)算機(jī)程序，其包括代碼，所述代碼 適配成在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行時(shí)執(zhí)行所述方法。所述計(jì)算機(jī)程序優(yōu)選設(shè)置在載體上，諸如CD、 USB棒或其他介質(zhì)，所 述計(jì)算機(jī)程序裝載到計(jì)算機(jī)中的時(shí)候，執(zhí)行本發(fā)明。所述計(jì)算機(jī)程序也可以 直接從互聯(lián)網(wǎng)上下載。本發(fā)明的第三方面，提供一種用來(lái)測(cè)量表面輪廓的裝置，該裝置包括 安裝在坐標(biāo)定位裝置的構(gòu)件上的掃描頭部上的表面感測(cè)設(shè)備，可以操作所述 坐標(biāo)定位裝置，在掃描頭部和表面輪廓之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，掃描頭部包括驅(qū) 動(dòng)件，用來(lái)產(chǎn)生表面感測(cè)設(shè)備圍繞兩個(gè)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)；和計(jì)算機(jī)，該計(jì)算機(jī)執(zhí)行 以下步驟驅(qū)動(dòng)坐標(biāo)定位裝置，在所述構(gòu)件和所述表面輪廓之間產(chǎn)生沿著弧形、環(huán) 形或螺旋形路徑的相對(duì)運(yùn)動(dòng)；驅(qū)動(dòng)掃描頭部，圍繞所述一個(gè)或多個(gè)軸移動(dòng)表面感測(cè)設(shè)備，使得導(dǎo)程角名義上恒定；其中，坐標(biāo)定位裝置和掃描頭部的運(yùn)動(dòng)同步。


參照附圖，現(xiàn)在將說(shuō)明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式的示例，其中圖l是坐標(biāo)測(cè)量?jī)x的立體圖，該坐標(biāo)測(cè)量?jī)x包括本發(fā)明的掃描裝置；圖2是馬達(dá)化的掃描頭部的截面圖；圖3示出了掃描頭部掃描較大的孔時(shí)的透視圖；圖4是位于小孔中的探針尖端的透視圖；圖5是圖4中小孔的平面圖；圖6是掃描頭部與凸臺(tái)軸線對(duì)準(zhǔn)時(shí)，被測(cè)量的凸臺(tái)時(shí)的透視圖；圖7示出了帶有螺旋掃描路徑的圖5所示的凸臺(tái)；圖8是通過安裝在馬達(dá)化的掃描頭部上的探頭測(cè)量的曲柄軸頸的截面圖；圖9A是貫穿凸輪軸一部分的截面圖，示出了第一掃描輪廓； 圖9B是貫穿凸輪軸一部分的截面圖，示出了第二掃描輪廓； 圖IO是貫穿柱狀凹部的截面圖；圖11A-11C分別示出了根據(jù)傳統(tǒng)技術(shù)的尺寸正確的孑L、尺寸較小的孔和 尺寸較大的孔的螺旋掃描輪廓；圖12是計(jì)量系統(tǒng)每個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)的指令速度對(duì)時(shí)間的曲線； 圖13是示出了導(dǎo)程角的柱狀凸臺(tái)的平面圖；和 圖14是示出了傾斜角的柱狀凸臺(tái)的透視圖。
具體實(shí)施方式
圖1示出了安裝在坐標(biāo)測(cè)量?jī)x(CMM)上的馬達(dá)化的掃描頭部。需要 測(cè)量的工件安裝在CMM14的工作臺(tái)12上，且馬達(dá)化的掃描頭部16安裝到 CMM14的主軸18上?？梢酝ㄟ^馬達(dá)以已知方式相對(duì)于工作臺(tái)沿著X、 Y、 Z方向驅(qū)動(dòng)心軸。如圖2所示，馬達(dá)化的掃描頭部16包括由基體或殼體20 形成的固定部件，該固定部件由軸22形式的移動(dòng)部件支撐，所述軸可以圍 繞軸線Al相對(duì)于殼體20轉(zhuǎn)動(dòng)。軸22固定到另一殼體24，該殼體24又支 撐軸26，可以通過馬達(dá)M2圍繞與軸線Al垂直的軸線A2相對(duì)于殼體24轉(zhuǎn)動(dòng)軸26。具有探針29的探頭28安裝到馬達(dá)化的掃描頭部，該探針具有工件接觸 尖端30。這種布置使得該頭部的馬達(dá)M1、 M2可以圍繞軸線A1或A2成角 度地定位工件接觸尖端，并且CMM的馬達(dá)可以將馬達(dá)化的掃描頭部線性定 位在CMM三維坐標(biāo)空間內(nèi)的任何地方，從而使〗果針尖端與掃描表面成預(yù)定 關(guān)系。線性位置變換器設(shè)置在CMM上，用來(lái)測(cè)量掃描頭部的線性位移，而角 位置變換器Tl和T2設(shè)置在掃描頭部中，用來(lái)測(cè)量探針圍繞各軸線Al和 A2的角位移。在圖1中所示的CMM中，通過讓主軸沿著三個(gè)正交方向移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)主 軸和工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。在另一種坐標(biāo)定位裝置中，可以通過主軸的運(yùn)動(dòng)、 安裝工件的表面的運(yùn)動(dòng)(例如，工作臺(tái))或者它們的結(jié)合，來(lái)實(shí)現(xiàn)主軸和工 件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。探頭具有可偏轉(zhuǎn)的探針29,且探頭中的變換器測(cè)量探針偏轉(zhuǎn)量。探頭可 以是二維的，例如感測(cè)沿著X和Y方向的偏轉(zhuǎn)；或者是三維的，例如感測(cè) 沿著X、 Y和Z方向的偏轉(zhuǎn)。可以選擇的是，可以采用非接觸式探頭(例如， 光學(xué)、電容或電感探頭)。在如圖1所示的垂直臂CMM上，掃描頭部16的Al軸線名義上與CMM 的Z軸線(沿著心軸18)平行。掃描頭部可以圍繞該軸線連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)探頭。 掃描頭部的A2軸線正交于Al軸線。馬達(dá)化的掃描頭部可以將表面感測(cè)設(shè)備定位到不同的取向，而不需要重 新才交準(zhǔn)該頭部。CMM和掃描頭部的位置受到控制編碼的控制，所述控制編碼設(shè)置在計(jì) 算機(jī)內(nèi)，可以為硬件定制(bespoke)元件，即控制器或RC.。計(jì)算機(jī)可以進(jìn) 行編程，以沿著測(cè)量路徑移動(dòng)CMM和掃描頭部。特別適合用上述這種裝置測(cè)量的一種特征是孔。傳統(tǒng)上，沿著孔中心線 移動(dòng)CMM主軸并環(huán)形旋轉(zhuǎn)掃描頭部從而為探針尖端產(chǎn)生螺旋軌跡，由此來(lái) 測(cè)量孔(正如WO卯/07097公開的那樣)。但是，這種方法不適合較大的孔， 因?yàn)槿绻鸆MM主軸位于中心線上，而孔半徑使得探針尖端無(wú)法到達(dá)孔表面。 在某些情況下，當(dāng)CMM主軸處于中心線上，而探頭到達(dá)所述表面所需的角 度是不現(xiàn)實(shí)的。在這種情況下，CMM主軸18隨著掃描頭部16轉(zhuǎn)動(dòng)而沿著環(huán)形94移動(dòng)，正如圖3所示。這樣設(shè)置的優(yōu)勢(shì)在于，雖然需要CMM移動(dòng)， 但是由于掃描頭部運(yùn)動(dòng)而使其最小化了 。在本例中，探針尖端30圍繞虛擬樞軸X轉(zhuǎn)動(dòng)。該虛擬樞轉(zhuǎn)點(diǎn)并不像傳 統(tǒng)孔掃描方法一樣位于頭部軸線的交點(diǎn)上，傳統(tǒng)掃描方法中，頭部保持在中 心線上。在本例中，探頭導(dǎo)程角(lead angle )保持相對(duì)于所述表面發(fā)散(radial )。術(shù)語(yǔ)導(dǎo)程角和傾斜角參照?qǐng)D13和14解釋，其中示出了借助探頭28測(cè) 量柱狀凸臺(tái)40。圖13是柱狀凸臺(tái)的平面圖。探頭縱軸線1和表面法線n之 間在行進(jìn)方向d上的夾角為導(dǎo)程角。圖14是圖13所示柱狀凸臺(tái)的透視圖。 探頭縱軸線1和掃描平面內(nèi)的表面法線n之間的夾角為傾斜角。具有優(yōu)勢(shì)的是，在整個(gè)測(cè)量過程中保持導(dǎo)程角名義上恒定，以便于編程、 簡(jiǎn)化CMM路徑(因?yàn)檫@樣會(huì)導(dǎo)致恒定的角速度)、使得加速度變化率恒定 (提供更為平滑的掃描)以及建立尖端與表面之間的良好關(guān)系。探頭可以超 前(即，提前于掃描頭部)、滯后(即，落后于掃描頭部)或者在至少一個(gè) 平面內(nèi)保持與表面法線對(duì)準(zhǔn)。在整個(gè)掃描過程中傾斜角可以變化。這樣對(duì)于可達(dá)性等具有優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng) 孔掃描方法也不適合非常小的孔。圖4A示出了通過安裝于掃描頭部16上的探頭28被測(cè)量出較小的垂直 孔84。探針尖端30與掃描頭部錯(cuò)位可能導(dǎo)致探針尖端偏離中心，正如虛線 探針和尖端所示。如果探針尖端30位置沿著A2偏離中心，則掃描頭部就不 能在X和Y這兩個(gè)方向上操縱探針尖端以掃描所述孔。圖4B是探針尖端、 主軸和小孔的平面圖。掃描頭部沿著X軸線偏移，從而將探針尖端定位在孔 的中心。通過圍繞A2軸線轉(zhuǎn)動(dòng)探針尖端(沿著虛線所示的環(huán)形路徑)，探針 尖端30可以接觸孔的表面(如圖虛線輪廓30，所示)。但是，驅(qū)動(dòng)向量(12相 對(duì)于必須控制偏轉(zhuǎn)(山向量沿著表面法線)的方向而言，并非處于理想的方 向，使得掃描無(wú)法進(jìn)行。可以看出，沿著虛線路徑圍繞主軸移動(dòng)探針尖端30, 正如傳統(tǒng)方法那樣，無(wú)法奏效。使用主軸沿著環(huán)形路徑移動(dòng)掃描頭部，如箭頭C所示，實(shí)現(xiàn)了新的合成 驅(qū)動(dòng)向量R,其與孔表面相切并垂直于偏轉(zhuǎn)控制向量。如果掃描頭部圍繞 Al軸線像遵循環(huán)形路徑那樣轉(zhuǎn)動(dòng)，則可以將A2軸線保持與表面法線對(duì)準(zhǔn)， 允許調(diào)節(jié)偏轉(zhuǎn)。正如較大孔的例子，探針尖端圍繞并不位于軸線交點(diǎn)的虛擬樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)。 該方法的優(yōu)勢(shì)在于，允許測(cè)量可達(dá)性受到限制的區(qū)域。圖6示出了凸臺(tái)74，將要測(cè)量其外表面。CMM的主軸42與凸臺(tái)的中 心線對(duì)準(zhǔn)。然后圍繞Al軸線轉(zhuǎn)動(dòng)馬達(dá)化的掃描頭部16,則探針尖端30朝 向凸臺(tái)頂部執(zhí)行周邊測(cè)量。但是，該方法的缺陷在于，不能進(jìn)一步沿著凸臺(tái) 重復(fù)進(jìn)行，因?yàn)榧舛?0將不再能接觸所述表面。圖7示出了掃描凸臺(tái)74的替代方法。在該實(shí)施例中，隨著頭部角度轉(zhuǎn) 動(dòng)，CMM主軸沿著環(huán)形路徑C圍繞凸臺(tái)的軸線移動(dòng)。CMM還可以沿著Z 方向移動(dòng)，從而圍繞凸臺(tái)的周邊表面形成螺旋形掃描路徑。圖8示出了曲柄軸頸104的截面圖，該曲柄軸頸具有4個(gè)待測(cè)量的柱狀 區(qū)革殳106、 108、 110、 114。傳統(tǒng)方式難于測(cè)量部分108,因?yàn)橹睆捷^小的部 分106降低了可達(dá)性。在傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)中，盤形探針通常用來(lái)測(cè)量部分108, 這樣做的缺陷在于，需要更換探針的步驟，從該降低了生產(chǎn)能力。使用本發(fā)明，全部的部分106至112都可以測(cè)量，而不需要更換探針。 部分106和108從曲柄軸頸的端部114進(jìn)行測(cè)量，只要探頭長(zhǎng)度足夠長(zhǎng)，能 到達(dá)部分108即可，并且從端部116來(lái)測(cè)量部分110和112。CMM主軸的運(yùn)動(dòng)和頭部角度受到控制，以允許通過直徑受限的部分106 而接觸到部分108。 CMM主軸沿著環(huán)形跡線移動(dòng)，同時(shí)調(diào)節(jié)頭部角度，以 使探針尖端也在柱狀部分108內(nèi)周邊周圍沿著環(huán)形路徑移動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)有效 地形成探針圍繞其旋轉(zhuǎn)的虛擬樞軸。也可以控制主軸和頭部的運(yùn)動(dòng)，以使虛 擬樞軸位于柱狀部分106內(nèi)，從而使得能在不發(fā)生碰撞的情況下接觸部分 亂對(duì)于更為復(fù)雜的零件，CMM的環(huán)形路徑必須圍繞不同的軸線，而非探 針尖端的環(huán)形路徑。圖9A是穿過凸輪軸40—部分的截面圖。內(nèi)區(qū)段具有中 心線A，而外區(qū)段具有中心線B。為了圍繞內(nèi)徑掃描，探針尖端30必須圍 繞中心線A遵循一路徑，而凸輪軸的形狀導(dǎo)致了可達(dá)性問題并阻礙了主軸的 移動(dòng)。如果探針尖端停留在單個(gè)平面內(nèi)，則主軸圍繞軸線D轉(zhuǎn)動(dòng)，該軸線D 偏離中心線A或B。從圖9A中可以看出，主軸圍繞其轉(zhuǎn)動(dòng)的軸線D相對(duì)于 中心線A和B成角度?？梢赃x擇的是，CMM主軸圍繞凸輪軸40的一部分的中心線B沿著環(huán) 形路徑移動(dòng)，如圖9B所示。在該示例中，隨著主軸圍繞環(huán)形路徑移動(dòng)，探頭圍繞Al軸線轉(zhuǎn)過360° ，以使探針尖端隨著掃描進(jìn)展而與內(nèi)徑成發(fā)散。 通過調(diào)節(jié)頭部相對(duì)于A2軸線的角度，可以將探針尖端保持在內(nèi)徑上。因此， 探針尖端測(cè)量所述內(nèi)徑，但是將不會(huì)保持在單個(gè)平面內(nèi)。在該示例中，主軸 圍繞其轉(zhuǎn)動(dòng)的軸線B與需要測(cè)量的特征的軸線A平行，但從其偏離。如果CMM主軸向上移動(dòng)，形成螺旋運(yùn)動(dòng)，則能對(duì)凸輪軸部分進(jìn)行柱狀 測(cè)量。對(duì)于轉(zhuǎn)過90。的類似部件，將相對(duì)于Al和A2軸線調(diào)節(jié)頭部角度。 圖10示出了特征42，諸如裝配的齒輪箱中發(fā)現(xiàn)的特征，該特征具有柱 狀凹部44，該凹部帶有傾斜入口 46,該開口并不與柱狀凹部的中心線E對(duì) 準(zhǔn)。由于存在可達(dá)性問題，所以柱狀凹部44的內(nèi)表面無(wú)法借助圖8所示的 方法進(jìn)行掃描。為主軸的環(huán)形運(yùn)動(dòng)選擇離軸樞軸F，從而解決可達(dá)性受限問 題。在本發(fā)明中，系統(tǒng)的五個(gè)軸(即，三個(gè)線性CMM軸和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)頭部軸) 同步。這樣使得虛擬樞軸測(cè)量方法在整個(gè)測(cè)量路徑上都有效。測(cè)量孔的非同步系統(tǒng)采用了安裝在3軸CMM上的2軸掃描頭部，參照 圖IIA至IIC來(lái)描述該系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)螺旋運(yùn)動(dòng)，向CMM發(fā)出指令信號(hào)，控制每個(gè)軸的速度。向掃 描頭部發(fā)出指令信號(hào)，限定探頭尖端速度和所需圈數(shù)。圖IIA示出了測(cè)量孔 52時(shí)形成的探頭尖端螺旋運(yùn)動(dòng)50。但是，如果孔比預(yù)料地還要狹窄，則在 掃描結(jié)束前，掃描頭部將轉(zhuǎn)動(dòng)三圍，且僅通過CMM的線性運(yùn)動(dòng)來(lái)測(cè)量孔的 一部分。圖11B示出了更為狹窄的孔54以及產(chǎn)生的螺旋運(yùn)動(dòng)56。如果孔比 預(yù)料地要寬闊，則在主軸轉(zhuǎn)完三圈之前，CMM將移動(dòng)主軸直到掃描結(jié)束。 圖11C示出了較為寬闊的孔58以及產(chǎn)生的螺旋運(yùn)動(dòng)60。在本發(fā)明中，五個(gè)軸是同步的。圖12示出了五個(gè)軸(X、 Y、 Z、 Al、 A2)(通過傳統(tǒng)裝置)掃描垂直孔時(shí)指令速度對(duì)時(shí)間的曲線?？刂破靼凑諘r(shí) 間增量輸出指令信號(hào)，保證CMM和掃描頭部的運(yùn)動(dòng)同步。因此，如果某一 特征具有不同于預(yù)期的形狀、尺寸或位置，則同步運(yùn)動(dòng)將保證CMM和掃描 頭部的運(yùn)動(dòng)在掃描輪廓的長(zhǎng)度范圍內(nèi)進(jìn)行。在圖12的示例中，X和Y方向 的指令速度為零，而Z方向的指令速度恒定，從而沿著Z軸中心線移動(dòng)主軸。 在掃描頭圍繞Al軸線轉(zhuǎn)動(dòng)探頭時(shí)，Al軸的指令電壓恒定。Z方向和A1軸 兩者都示出了速度在掃描開始和結(jié)束時(shí)斜坡式增大和減小。在開始掃描時(shí)，探頭圍繞A2軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，將A2軸從孔的中心偏轉(zhuǎn)到所述表面，而在掃描結(jié) 束時(shí)，相反動(dòng)作。全部的實(shí)施例都公開了借助CMM的環(huán)形或螺旋運(yùn)動(dòng)以及掃描頭部圍繞 一個(gè)或兩個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)來(lái)測(cè)量零件。這種方法也適合于CMM的弧形運(yùn)動(dòng)。掃 描頭部圍繞兩個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)被驅(qū)動(dòng)到所要求的角度。這樣做的優(yōu)勢(shì)在于，速度 恒定以及在測(cè)量產(chǎn)品上限定測(cè)量路徑。在傳統(tǒng)技術(shù)中，掃描頭部使用恒定扭 矩模式將探針尖端偏壓抵靠表面。正是這種恒定扭矩導(dǎo)致了掃描頭轉(zhuǎn)動(dòng)而非 指令信號(hào)。在測(cè)量零件的過程中，探頭必須保持在其偏轉(zhuǎn)范圍(并且非接觸式^:頭必須保持在其工作范圍)內(nèi)。這是通過從掃描頭部的預(yù)定動(dòng)作偏移掃描頭部 來(lái)實(shí)現(xiàn)的。掃描頭部沿著目標(biāo)向量伺服，將探頭保持在其范圍內(nèi)。通常該目 標(biāo)向量與所述平面正交。但是，影響因素諸如探頭取向、摩擦或者保留在所需輪廓的需求可能會(huì)導(dǎo)致選擇不同的目標(biāo)向量。已知的零件數(shù)據(jù)、計(jì)算所得 尖端位置、用于向前預(yù)測(cè)的歷史表面點(diǎn)等可以用來(lái)確定目標(biāo)向量。以上實(shí)施例為了清楚而說(shuō)明了線性掃描。但是，應(yīng)該理解，本發(fā)明也適 用于擺動(dòng)掃描和測(cè)量離散點(diǎn)。以上所述實(shí)施例全部適合在零件上規(guī)劃測(cè)量路徑。這種規(guī)劃可以在線完 成，例如使用操作桿來(lái)控制掃描頭部和CMM,從而在具有所期望的探針尖 端位置和頭部角度的表面上獲取離散點(diǎn)。這些離散點(diǎn)的數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)在存儲(chǔ) 器中和/或用來(lái)獲得探針尖端、掃描頭部和CMM主軸的測(cè)量路徑。可以選擇的是，可以離線規(guī)劃測(cè)量路徑，例如在CAD模型上規(guī)劃。在 這種情況下，包括探針尖端路徑、頭部角度和主軸路徑的測(cè)量輪廓在CAD 模型上選取。這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中和/或用來(lái)獲取探針尖端、掃描頭部和 CMM主軸的測(cè)量^各徑。無(wú)論在線(即，利用操作桿)還是離線(例如，在CAD模型上)建立 測(cè)量路徑，測(cè)量路徑數(shù)據(jù)都轉(zhuǎn)化為指令編碼，在測(cè)量零件時(shí)，這些指令編碼 向CMM和掃描頭部發(fā)送位置指令編碼，以跟隨期望的測(cè)量路徑。雖然上述實(shí)施方式描述了采用接觸式探針，但是這些掃描方法還適合用 于非接觸式探針，例如光學(xué)、電感或電容探針。對(duì)于光學(xué)探針，例如，表面 上的光斑可以認(rèn)為等同于觸針尖端位置。對(duì)于電感或電容探針，偏移量可以 認(rèn)為等同于觸針尖端位置。對(duì)于接觸式和非接觸式探針兩者，觸針尖端有效地作為樞轉(zhuǎn)點(diǎn)，觸針可以圍繞該樞轉(zhuǎn)點(diǎn)定向，并且仍然測(cè)量相同的坐標(biāo)位置。雖然上述實(shí)施例描述了掃描頭部安裝在CMM上，但是本發(fā)明還適合于 安裝在其他類型的坐標(biāo)定位儀諸如機(jī)床上的掃描頭部。雖然在說(shuō)明書中釆用 了術(shù)語(yǔ)主軸，但是該構(gòu)件一般也稱為Z方向柱或心軸。雖然采用了術(shù)語(yǔ)掃描 頭部，但是該掃描頭部適合于獲取離散測(cè)量點(diǎn)以及進(jìn)行掃描。
權(quán)利要求
1.一種利用安裝在坐標(biāo)定位裝置的構(gòu)件上的掃描頭部上的表面感測(cè)設(shè)備來(lái)測(cè)量表面輪廓的方法，其中，可以操作坐標(biāo)定位裝置，以在掃描頭部和表面輪廓之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并且掃描頭部包括驅(qū)動(dòng)件，用來(lái)產(chǎn)生表面感測(cè)探頭圍繞兩個(gè)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，所述方法包括以下步驟驅(qū)動(dòng)坐標(biāo)定位裝置，以在所述構(gòu)件和所述表面輪廓之間產(chǎn)生沿著弧形、環(huán)形或螺旋形路徑的相對(duì)運(yùn)動(dòng)；驅(qū)動(dòng)掃描頭部，以使所述表面感測(cè)設(shè)備圍繞一個(gè)或多個(gè)軸運(yùn)動(dòng)，使得導(dǎo)程角名義上恒定；其中，所述坐標(biāo)定位裝置和掃描頭部的運(yùn)動(dòng)同步。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述構(gòu)件的弧形、環(huán)形或 螺旋形運(yùn)動(dòng)圍繞所述表面輪廓的軸線。
3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述構(gòu)件的弧形、環(huán)形或 螺旋形運(yùn)動(dòng)圍繞與所述表面輪廓的中心軸線成一定的角度的軸線。
4. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述構(gòu)件的弧形、環(huán)形或 螺旋形運(yùn)動(dòng)圍繞平行于所述表面輪廓的中心軸線但是從所述中心軸線偏移 的軸線。
5. 如前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述坐標(biāo)定位裝 置和掃描頭部的運(yùn)動(dòng)隨著時(shí)間增量而同步。
6. 如前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述表面感測(cè)設(shè) 備進(jìn)行振蕩運(yùn)動(dòng)。
7. 如前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，掃描頭部圍繞至 少一個(gè)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)用來(lái)將所述表面感測(cè)設(shè)備保持在其測(cè)量范圍內(nèi)。
8. —種計(jì)算機(jī)程序，其包括代碼，所述代碼適配成在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行時(shí) 執(zhí)行權(quán)利要求1至5任一項(xiàng)所述的方法。
9. 一種用來(lái)測(cè)量表面輪廓的裝置，該裝置包括安裝在坐標(biāo)定位裝置 的構(gòu)件上的掃描頭部上的表面感測(cè)設(shè)備，可以操作所述坐標(biāo)定位裝置，以在 掃描頭部和表面輪廓之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，掃描頭部包括驅(qū)動(dòng)件，用來(lái)產(chǎn)生表 面感測(cè)設(shè)備圍繞兩個(gè)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)；和計(jì)算設(shè)備，該計(jì)算設(shè)備執(zhí)行以下步驟驅(qū)動(dòng)坐標(biāo)定位裝置，以在所述構(gòu)件和所述表面輪廓之間產(chǎn)生沿著弧形、環(huán)形或螺旋形路徑的相對(duì)運(yùn)動(dòng)；驅(qū)動(dòng)掃描頭部，以使表面感測(cè)設(shè)備圍繞所述一個(gè)或多個(gè)軸運(yùn)動(dòng)，使得導(dǎo)程角名義上恒定；其中，坐標(biāo)定位裝置和掃描頭部的運(yùn)動(dòng)同步。
全文摘要
一種利用安裝在坐標(biāo)定位裝置的構(gòu)件上的掃描頭部上的表面感測(cè)設(shè)備測(cè)量表面的方法和裝置。可以操作坐標(biāo)定位裝置，以在掃描頭部和表面輪廓之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并且掃描頭部包括驅(qū)動(dòng)件，用來(lái)產(chǎn)生表面感測(cè)探頭圍繞一個(gè)或多個(gè)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)該坐標(biāo)定位裝置，以在所述構(gòu)件和所述表面輪廓之間產(chǎn)生沿著環(huán)形路徑的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并驅(qū)動(dòng)掃描頭部，圍繞所述一個(gè)或多個(gè)軸移動(dòng)表面感測(cè)設(shè)備，使得所述表面感測(cè)設(shè)備保持導(dǎo)程角名義上恒定。坐標(biāo)定位裝置和掃描頭部的運(yùn)動(dòng)同步。
文檔編號(hào)G01B21/04GK101405563SQ200780010012
公開日2009年4月8日 申請(qǐng)日期2007年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月23日
發(fā)明者凱維恩·巴里·喬納斯, 史蒂文·保羅·亨特, 哈立德·馬穆爾, 若弗雷·麥克法蘭 申請(qǐng)人:瑞尼斯豪公司