專(zhuān)利名稱(chēng)：校準(zhǔn)方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于校準(zhǔn)設(shè)備的方法，該校準(zhǔn)設(shè)備包括安裝在機(jī)器上例 如機(jī)床上的測(cè)量探頭。具體而言，本發(fā)明涉及用于確定在這種設(shè)備中捕獲測(cè) 量探頭數(shù)據(jù)和機(jī)器位置數(shù)據(jù)的相對(duì)延遲的方法。
背景技術(shù)：
測(cè)量探頭是已知的，其具有用于接觸物體的觸針或者探針以及位于探頭 主體內(nèi)的換能器用于測(cè)量觸針相對(duì)于探頭主體的任何偏轉(zhuǎn)。這些測(cè)量探頭通
常稱(chēng)為"模擬"或者"掃描"探頭，這種測(cè)量探頭的一個(gè)例子描述在美國(guó)專(zhuān)利No. 4084323 ( McMurtry )。在使用中，掃描探頭的主體安裝到機(jī)器上，并且相對(duì) 于物體的表面運(yùn)動(dòng)，使得觸針掃描物體表面。對(duì)測(cè)量探頭換能器的輸出進(jìn)行 讀數(shù)(用于檢測(cè)觸針偏轉(zhuǎn))并且對(duì)機(jī)器的工作空間內(nèi)的探頭主體的位置進(jìn)行 讀數(shù)。結(jié)合掃描期間獲得的探頭偏轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)和機(jī)器位置數(shù)據(jù)，允許在整個(gè)掃描 中的非常多點(diǎn)處獲得工件表面的位置。
上面描述的類(lèi)型的模擬或者掃描探頭通常被布置成用于產(chǎn)生探頭偏轉(zhuǎn) 讀數(shù)流，該讀數(shù)流物體表面上的點(diǎn)相對(duì)于探頭殼體的位置的測(cè)量。應(yīng)當(dāng)理解， 這種測(cè)量探頭相當(dāng)程度不同于所謂的觸碰式探頭或者觸碰觸發(fā)式探頭，觸碰 式探頭或者觸碰觸發(fā)式探頭僅僅用作開(kāi)關(guān)并且在觸針偏轉(zhuǎn)超過(guò)某一閾值時(shí) 發(fā)送所謂的觸發(fā)信號(hào)。在觸碰觸發(fā)式探測(cè)系統(tǒng)中，觸發(fā)信號(hào)用來(lái)凍結(jié)攜帶探 頭的機(jī)器的測(cè)量刻度尺，由此允許當(dāng)偏轉(zhuǎn)超過(guò)閾值時(shí)找到探頭的位置。對(duì)于 觸碰式探頭，已知可以確定所謂的探頭延遲，其證明了事實(shí)在時(shí)間Tl物 理偏轉(zhuǎn)超過(guò)偏轉(zhuǎn)閾值的觸碰式探頭的觸針和在時(shí)間T2凍結(jié)的機(jī)器的刻度尺 之間存在時(shí)間延遲。用于確定觸碰式探頭延遲(T2-T1)的各種校準(zhǔn)技術(shù)是 已知的，例如，參見(jiàn)專(zhuān)利文獻(xiàn)GB232證5; EP420416和US5425180。
在專(zhuān)用的使用掃描探頭的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)器(CMM)中，來(lái)自機(jī)器的位置
編碼器的探頭位置信息和來(lái)自測(cè)量探頭的觸針偏轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)均被高速捕獲。探頭 偏轉(zhuǎn)和探頭位置數(shù)據(jù)可以因此容易地結(jié)合，以便幾乎實(shí)時(shí)產(chǎn)生物體坐標(biāo)測(cè)量。在美國(guó)專(zhuān)利US6810597中，描述了用于去除在這些設(shè)備中可能發(fā)生的各 種靜態(tài)和動(dòng)態(tài)誤差的校準(zhǔn)技術(shù)。美國(guó)專(zhuān)利US6810597還描述了用于確定纟笨頭 內(nèi)的任4可延遲(例如電子處理延遲)的方法，所述延遲可能延遲探頭偏轉(zhuǎn)數(shù) 據(jù)的產(chǎn)生。
還已知在標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)控機(jī)床的主軸中安裝掃描探頭。在這種機(jī)床中，數(shù)字 控制器(NC)從各個(gè)位置編碼器接收位置信息。機(jī)床位置信息(例如，主 軸位置的x， y, z測(cè)量)的主要目的是允許NC采用伺服控制反饋環(huán)路精確 控制機(jī)器運(yùn)動(dòng)。位置信息還可以通過(guò)NC輸出，并且與探頭(觸針偏轉(zhuǎn))測(cè) 量結(jié)合，來(lái)確定物體的坐標(biāo)測(cè)量。為了提供更好的機(jī)器位置和探頭測(cè)量的同 步，WO 2005/065884描述了一種主時(shí)鐘布置，其對(duì)于探頭偏轉(zhuǎn)和機(jī)器位置 數(shù)據(jù)產(chǎn)生共同的定時(shí)信號(hào)。

發(fā)明內(nèi)容
因此，根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種用于對(duì)設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)的方法， 所述設(shè)備包括安裝在機(jī)器上的測(cè)量探頭，所述機(jī)器能夠捕獲表示所述測(cè)量探 頭相對(duì)于一制品的位置的機(jī)器位置數(shù)據(jù)，所述測(cè)量探頭能夠捕獲表示一表面
相對(duì)于所述測(cè)量探頭的位置的探頭數(shù)據(jù)，所述方法包括如下步驟
(i) 以已知的速度相對(duì)于所述制品移動(dòng)所述測(cè)量探頭，同時(shí)捕獲探頭 數(shù)據(jù)和機(jī)器位置數(shù)據(jù)，所述測(cè)量探頭沿著一路徑移動(dòng)，所述路徑使得能夠捕 獲表示所述制品的表面上的兩個(gè)或者多個(gè)點(diǎn)相對(duì)于所述測(cè)量探頭的位置的 探頭數(shù)據(jù)；以及
(ii) 分析在步驟(i)中捕獲的機(jī)器位置數(shù)據(jù)和探頭數(shù)據(jù)，并且由此 確定捕獲探頭數(shù)據(jù)和機(jī)器位置數(shù)據(jù)的相對(duì)延遲。
因此提供了能夠用來(lái)建立設(shè)備中的所謂的系統(tǒng)延遲(即捕獲探頭數(shù)據(jù)和 機(jī)器位置數(shù)據(jù)的相對(duì)延遲)的方法，所述設(shè)備包括安裝在機(jī)器上的測(cè)量探頭。 該方法包括第一步驟(i)以已知的優(yōu)選基本上恒定的速度相對(duì)于所述制品 移動(dòng)所述測(cè)量探頭，同時(shí)從機(jī)床收集機(jī)器位置數(shù)據(jù)值并且從探頭收集探頭數(shù) 據(jù)值。該速度可以是已知的實(shí)際速度(例如測(cè)量的速度)或者是已知的要求 速度(即探頭被指示來(lái)移動(dòng)的速度)。在該第一步驟中，測(cè)量探頭被沿著掃 描路徑驅(qū)動(dòng)，該掃描路徑被選擇使得可以獲得表示所述制品的表面上的兩個(gè) 或者多個(gè)點(diǎn)相對(duì)于所述測(cè)量探頭的位置的探頭數(shù)據(jù)。
8如下面更詳細(xì)描述的，與產(chǎn)生機(jī)器位置數(shù)據(jù)和探頭數(shù)據(jù)有關(guān)的不同的延 遲(例如，由于測(cè)量探頭和機(jī)器電子中的不同的延遲)可以意味著在由機(jī)器 捕獲的機(jī)器位置數(shù)據(jù)值和由設(shè)備捕獲的探頭數(shù)據(jù)值之間存在相對(duì)延遲(所謂
的"系統(tǒng)延遲")。該系統(tǒng)延遲可以通過(guò)如下說(shuō)明更好的理解在一特定的時(shí) 間瞬時(shí)，探頭測(cè)量測(cè)量制品的表面上的單個(gè)點(diǎn)。例如，在接觸測(cè)量探頭具有 可偏轉(zhuǎn)的觸針的情況下，觸針在一個(gè)時(shí)間瞬時(shí)接觸制品的表面上的單個(gè)點(diǎn)。 在絕對(duì)時(shí)間的該一個(gè)時(shí)間瞬時(shí)，存在一定的(明確的)觸針偏轉(zhuǎn)，并且機(jī)器 將探頭保持在一定的(明確的)位置。在該時(shí)間瞬時(shí)觸針偏轉(zhuǎn)和機(jī)器位置的 結(jié)合產(chǎn)生了表面上單個(gè)點(diǎn)的精確位置。但是，對(duì)于實(shí)際系統(tǒng)，探頭捕獲觸針 偏轉(zhuǎn)信息所花費(fèi)的時(shí)間通常不同于機(jī)器捕獲與探頭位置有關(guān)的信息所花的 時(shí)間。由探頭和機(jī)器在相同的時(shí)間點(diǎn)捕獲的探頭數(shù)據(jù)和機(jī)器位置數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)于 稍微不同的測(cè)量絕對(duì)時(shí)間(因此不同的位置)。換句話說(shuō)，在由探頭捕獲的 探頭數(shù)據(jù)值和由機(jī)器捕獲的機(jī)器數(shù)據(jù)值存在相對(duì)(絕對(duì))時(shí)間延遲，這種延 遲這里稱(chēng)為系統(tǒng)延遲。
通過(guò)在以如上所述的方式捕獲數(shù)據(jù)期間以已知速度移動(dòng)測(cè)量纟笨頭，發(fā)現(xiàn) 可以通過(guò)第二步驟(ii)建立系統(tǒng)延遲，即分析捕獲的機(jī)器位置數(shù)據(jù)和探頭 數(shù)據(jù)。該分析步驟可例如包括當(dāng)掃描制品時(shí)監(jiān)控機(jī)器位置數(shù)據(jù)和探頭數(shù)據(jù)的 某些共同特性或者評(píng)價(jià)系統(tǒng)延遲對(duì)制品的某些測(cè)量的尺寸或者特性的影響。
還重要的是，應(yīng)當(dāng)注意，使用本發(fā)明的方法找到的系統(tǒng)延遲很大程度不 同于在觸碰觸發(fā)式探頭系統(tǒng)中建立的觸碰探頭延遲。如上所述，觸碰式探頭
相反，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)延遲時(shí)捕獲兩組測(cè)量(即機(jī)器位置數(shù)據(jù)和探頭數(shù)據(jù)) 之間的相對(duì)延遲。例如，考慮一種(接觸式)掃描探頭，其在一定的時(shí)間瞬 時(shí)T1具有一觸針，該觸針偏轉(zhuǎn)一定的量(a， b, c)并且位于空間中的位置 (x， y, z)。讀取機(jī)器刻度(即捕獲機(jī)器位置數(shù)據(jù))的第一延遲意味著對(duì)于 時(shí)間Tl的機(jī)器位置數(shù)據(jù)實(shí)際上在隨后的瞬時(shí)T2被捕獲。同樣，捕獲探頭偏 轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)的第二瞬時(shí)意味著對(duì)于時(shí)間Tl的探頭偏轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)實(shí)際上在隨后的瞬時(shí) T3被捕獲。根據(jù)本發(fā)明建立的系統(tǒng)延遲不是在時(shí)間T2捕獲機(jī)器位置數(shù)據(jù)和 實(shí)際測(cè)量時(shí)間Tl之間的延遲，也不是在時(shí)間T3捕獲探頭數(shù)據(jù)和實(shí)際測(cè)量時(shí) 間Tl之間的延遲。而根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)延遲提供捕獲機(jī)器位置數(shù)據(jù)和探頭 數(shù)據(jù)之間的相對(duì)延遲，即建立T2-T3。該系統(tǒng)延遲不是相對(duì)于實(shí)際測(cè)量時(shí)間(Tl)的延遲，可以看出，根據(jù)本發(fā)明確定的系統(tǒng)延遲很大程度不同于以前
在觸碰觸發(fā)式探頭系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的探頭延遲。
該機(jī)器可以方便地包括機(jī)床。有利的是，機(jī)床捕獲機(jī)器位置數(shù)據(jù)作為笛
卡爾(x， y， z)坐標(biāo)值的組。測(cè)量探頭可包括接觸式或者非接觸式(例如 光學(xué))測(cè)量探頭。有利的是，測(cè)量探頭是所謂的掃描或者模擬探頭，其具有 可偏轉(zhuǎn)的觸針。在這種情況性愛(ài)，捕獲的探頭數(shù)據(jù)有利地表示觸針偏轉(zhuǎn)，并 且可以包括笛卡爾(a, b， c)坐標(biāo)值的組。如果提供掃描探頭，步驟(i) 優(yōu)選包括使用所述機(jī)器來(lái)沿著如下路徑移動(dòng)所述測(cè)量探頭使得所述測(cè)量探 頭的觸針與所述制品的表面上的所述兩個(gè)或者多個(gè)點(diǎn)的每個(gè)接觸。
如果提供具有可偏轉(zhuǎn)的觸針的掃描探頭，則步驟(i)方便地包括在所述 觸針和所述制品的表面上的點(diǎn)首次建立接觸之后繼續(xù)相對(duì)于所述制品移動(dòng) 所述測(cè)量探頭一段限制的距離(直到到達(dá)觸針偏轉(zhuǎn)上限)。通過(guò)這種方式， 當(dāng)觸針尖端在制品表面的固定點(diǎn)不動(dòng)并且測(cè)量探頭主體朝著制品驅(qū)動(dòng)并且 離開(kāi)制品由此增加和然后減小觸針偏轉(zhuǎn)幅度時(shí)，收集探頭數(shù)據(jù)和^L器位置數(shù) 據(jù)。步驟(ii)可以有利地包括進(jìn)行外推或者其他合適的數(shù)學(xué)操作來(lái)計(jì)算所 述制品的表面上的兩個(gè)或者多個(gè)測(cè)量的點(diǎn)。如前面所描述的，外推過(guò)程可以 用來(lái)提供制品表面上的測(cè)量的點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)于零觸針偏轉(zhuǎn)。這里，這種過(guò)程稱(chēng) 為"外推到零"，并且提供被觸針在機(jī)器(例如x， y, z)坐標(biāo)接觸的制品的 表面上的點(diǎn)的測(cè)量位置。
可以使用當(dāng)探頭朝著制品移動(dòng)和/或移動(dòng)離開(kāi)制品時(shí)捕獲的探頭數(shù)據(jù)和 機(jī)器位置數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行外推。有利的是，使用當(dāng)探頭移動(dòng)離開(kāi)制品的表面時(shí)捕 獲的探頭數(shù)據(jù)和機(jī)器位置數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行外推。在這種情況下，測(cè)量的點(diǎn)不被任 何觸針彈跳或者當(dāng)觸針初始被驅(qū)動(dòng)與制品的表面接觸時(shí)可能存在的其他效 應(yīng)所影響。
應(yīng)當(dāng)理解，盡管當(dāng)使用掃描探頭時(shí)外推過(guò)程是優(yōu)選的，但是，其不是本 發(fā)明的必須的部分?？梢砸栽S多其他不同方式找到觸針接觸制品的表面的 點(diǎn)。例如，可以監(jiān)控何時(shí)探頭數(shù)據(jù)超過(guò)預(yù)定值，由此表示觸針已經(jīng)偏轉(zhuǎn)一定量。
如果提供接觸式測(cè)量探頭，所述測(cè)量探頭的觸針優(yōu)選從基本上垂直于所 述制品的局部表面的方向與所述制品的表面上的每個(gè)點(diǎn)接觸。這確保了基本 上所有的速度分量在測(cè)量期間垂直于制品表面，并且如果測(cè)量探頭在首次觸針接觸之后進(jìn)一步朝著制品移動(dòng)(例如用于進(jìn)行"外推到零"測(cè)量)則保持 觸針與制品上的相同點(diǎn)接觸。如果測(cè)量探頭從非正交方向接觸制品表面，則 正交速度分量可以容易地從已知的合成速度和探頭進(jìn)入方向來(lái)得出。
優(yōu)選的是，該方法的步驟(ii)包括使用所述探頭數(shù)據(jù)和所述機(jī)器位置
數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算所述制品的表面上的兩個(gè)或者多個(gè)測(cè)量的點(diǎn)的位置。通過(guò)適當(dāng)?shù)?接合探頭數(shù)據(jù)和機(jī)器位置數(shù)據(jù)來(lái)確定制品表面上的測(cè)量點(diǎn)。如果提供(接觸 式)掃描探頭，這可以采用前面描述的外推到零方法實(shí)現(xiàn)。或者，對(duì)于非接 觸式測(cè)量探頭，可以通過(guò)已知的技術(shù)結(jié)合探頭數(shù)據(jù)和機(jī)器位置數(shù)據(jù)。
優(yōu)選的是，步驟(i)中的所述制品的表面上的兩個(gè)或者多個(gè)點(diǎn)被選擇成 允許測(cè)量所述制品的至少一個(gè)尺寸。例如，點(diǎn)可以被選擇來(lái)允許球形制品的 直徑被測(cè)量。有利的是，所述制品的表面上的兩個(gè)或者多個(gè)點(diǎn)包括至少一對(duì) 相對(duì)的點(diǎn)。成對(duì)的相對(duì)點(diǎn)式在制品表面上的點(diǎn)，其可以通過(guò)沿著相同的路徑 在相反方向上移動(dòng)測(cè)量探頭來(lái)接觸。
如果步驟(i)中的所述制品的表面上的兩個(gè)或者多個(gè)點(diǎn)被選4奪成允許測(cè) 量所述制品的至少一個(gè)尺寸，步驟(ii)有利地包括通過(guò)將所述制品的至少 一個(gè)測(cè)量的尺寸與所述制品的已知的(例如預(yù)測(cè)量的)尺寸比較來(lái)計(jì)算所述 延遲。換句話說(shuō)，可以通過(guò)比較制品的測(cè)量的尺寸和制品的已知的尺寸來(lái)找 到系統(tǒng)延遲。這產(chǎn)生系統(tǒng)延遲，因?yàn)闇y(cè)量探頭的速度是已知的。
盡管可以獲得具有準(zhǔn)確已知的尺寸的制品，如果制品尺寸是未知的也可
以采用本發(fā)明的方法。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)有利地進(jìn)行步驟(i)多次，其中所 述測(cè)量探頭以多個(gè)不同的已知速度移動(dòng)。方便的是，每次重復(fù)步驟(i)在制 品表面上的至少兩點(diǎn)測(cè)量相同。應(yīng)當(dāng)注意，可以以各種方式進(jìn)行重復(fù)步驟(i )。 例如，當(dāng)以第一、第二以及隨后可能的速度移動(dòng)測(cè)量探頭時(shí)測(cè)量制品表面上 的第一點(diǎn)。以這些第一、第二以及隨后可能的速度測(cè)量制品表面上的第二點(diǎn)。 或者在以第二速度重復(fù)測(cè)量之前以第 一速度測(cè)量制品表面上的所有或者一 些點(diǎn)。換句話說(shuō)，具體的測(cè)量順序是不重要的，并且可以根據(jù)需要選擇來(lái)最 小化操作所使用的特定類(lèi)型的設(shè)備的校準(zhǔn)所需的時(shí)間。
有利的是，所述步驟(ii)包括確定在所述多個(gè)速度的每個(gè)時(shí)所述制品 的至少一個(gè)測(cè)量的尺寸。例如，對(duì)于多個(gè)已知測(cè)量速度的每個(gè)可以計(jì)算球體 的直徑。特別的是，步驟(ii)可以有利地包括從作為速度的函數(shù)的所述制 品的至少一個(gè)測(cè)量的尺寸的變化確定所述探頭數(shù)據(jù)和所述機(jī)器位置數(shù)據(jù)之間的延遲。優(yōu)選的是，從測(cè)量的尺寸相對(duì)于速度數(shù)據(jù)的梯度獲得所述延遲。 例如在上述例子中，這允許從作為測(cè)量探頭相對(duì)于球形制品的運(yùn)動(dòng)速度的函 數(shù)的測(cè)量的球體直徑的梯度確定系統(tǒng)延遲。重要的是，當(dāng)采用這種方法時(shí)制 品的實(shí)際尺寸不需要已知或者預(yù)測(cè)量。
制品可以是任何形狀，并且可以放置或者形成在機(jī)器工作空間中。有利 的是，所述制品包括球體、 一對(duì)平行板、或者立方體。如果提供^^形制品， 步驟(i )可以方便地包括捕獲表示所述制品的表面上的至少五個(gè)點(diǎn)的位置的 探頭數(shù)據(jù)。方便的是，測(cè)量球體上的五個(gè)點(diǎn)，這允許在最短的時(shí)間高精度測(cè) 量球體直徑。
取代確定制品表面上的測(cè)量的點(diǎn)，捕獲的機(jī)器位置數(shù)據(jù)和探頭數(shù)據(jù)可以 被分析來(lái)直接獲得系統(tǒng)延遲。有利的是，步驟(i)可以包括沿著允許沿制品 的表面輪廓的多個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量的路徑移動(dòng)測(cè)量探頭。特別的是，當(dāng)測(cè)量4罙頭 沿著測(cè)量路徑被驅(qū)動(dòng)時(shí)，可以捕獲大量(例如幾十個(gè)或者幾百個(gè))探頭數(shù)據(jù) 值和機(jī)器位置數(shù)據(jù)值。例如，可以捕獲至少十組或者至少百組這種數(shù)據(jù)值。 如果提供具有可偏轉(zhuǎn)的觸針的掃描探頭，測(cè)量探頭可以沿著使得觸針尖端沿 著制品表面掃面的路徑移動(dòng)。
方便的是，所述路徑在測(cè)量探頭移動(dòng)的方向上包括至少一個(gè)變化，可以 從機(jī)器位置數(shù)據(jù)和探頭數(shù)據(jù)中識(shí)別所述變化。有利的是，所述路徑在探頭移 動(dòng)的方向上包括多個(gè)變化，可以從機(jī)器位置數(shù)據(jù)和探頭數(shù)據(jù)中識(shí)別所述變 化。優(yōu)選以不同速度進(jìn)行多次表面輪廓掃描。每次掃描優(yōu)選使得測(cè)量探頭沿 著相同路徑但以不同速度移動(dòng)。
有利的是，步驟(ii)包括比較機(jī)器位置數(shù)據(jù)和探頭數(shù)據(jù)，以便建立它 們之間的延遲，所述比較包括迭代過(guò)程來(lái)最小化可從探頭數(shù)據(jù)和機(jī)器位置數(shù) 據(jù)識(shí)別的方向變化。換句話說(shuō)，機(jī)器位置數(shù)據(jù)和探頭數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)于探頭方向 的變化的變化被比較，并且數(shù)據(jù)組之間的區(qū)別通過(guò)迭代改變探頭數(shù)據(jù)和機(jī)器 位置數(shù)據(jù)組來(lái)最小化?；蛘?，可以釆用相關(guān)技術(shù)，例如探頭和機(jī)器位置數(shù)據(jù) 組可以相加在一起并且是用迭代過(guò)程最大化所產(chǎn)生的總和?？梢詫?duì)以不同測(cè) 量速度捕獲的機(jī)器位置和探頭數(shù)據(jù)并行進(jìn)行這種迭代過(guò)程。在這種情況下， 可以最小化所產(chǎn)生的誤差。這允許建立系統(tǒng)延遲，而實(shí)際上不需要計(jì)算制品 表面上的位置，但是如果需要可以進(jìn)行。
可以相對(duì)于固定的制品移動(dòng)測(cè)量探頭，可以相對(duì)于固定的測(cè)量探頭移動(dòng)制品，或者測(cè)量探頭和制品都是可以單獨(dú)移動(dòng)的。所需要的是知道測(cè)量探頭 和制品之間的相對(duì)速度，如上所述，已知速度可以是測(cè)量的速度或者需求的 速度。機(jī)器還可包括馬達(dá)或者其他促動(dòng)器，其提供制品和測(cè)量探頭之間的相 對(duì)運(yùn)動(dòng)。方便的是，該機(jī)器是機(jī)床，也就是說(shuō)，該機(jī)器能夠使用工具來(lái)切割 或者車(chē)削工件的部分。該機(jī)床可以包括數(shù)字控制器，其輸出可以從位置編碼
器或者類(lèi)似物獲得的機(jī)器位置數(shù)據(jù)。NC還可以控制測(cè)量探頭和制品之間的
相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
有利的是，測(cè)量探頭通過(guò)無(wú)線鏈路將所述探頭數(shù)據(jù)輸出到探頭接口。優(yōu)
選的是，采用計(jì)算機(jī)用來(lái)執(zhí)行該方法的步驟(ii)。例如，計(jì)算機(jī)可以接口連 接到機(jī)床的NC上，并且連接到遠(yuǎn)程探頭接口上，其通過(guò)無(wú)線鏈路與測(cè)量探 頭通信。
有利的是，機(jī)器位置數(shù)據(jù)和探頭數(shù)據(jù)以相對(duì)于主時(shí)鐘定時(shí)的時(shí)間間隔捕 獲。有根據(jù)本發(fā)明的方法確定的系統(tǒng)延遲是機(jī)器產(chǎn)生機(jī)器位置數(shù)據(jù)和測(cè)量探 頭產(chǎn)生探頭數(shù)據(jù)之間的相對(duì)延遲，即，該系統(tǒng)延遲時(shí)當(dāng)數(shù)據(jù)相對(duì)于主時(shí)鐘定 時(shí)的瞬時(shí)發(fā)生的延遲。任何隨后的延遲，包括與將數(shù)據(jù)報(bào)傳遞給計(jì)算機(jī)相關(guān) 的在數(shù)據(jù)相對(duì)于主時(shí)鐘定時(shí)后發(fā)生的可變延遲不會(huì)影響測(cè)量精度。有利的 是，主時(shí)鐘提供為機(jī)器的部件或者測(cè)量探頭系統(tǒng)的部件(例如位于探頭接口 中)。機(jī)器或者測(cè)量探頭系統(tǒng)的其他部分被有利地構(gòu)造成具有用于從主時(shí)鐘 接收定時(shí)信號(hào)的輸入。在專(zhuān)利文獻(xiàn)WO2005/065884中已經(jīng)更詳細(xì)描述了這 種主時(shí)鐘布置的設(shè)置和使用。
在進(jìn)行校準(zhǔn)以便建立系統(tǒng)延遲之后，當(dāng)結(jié)合機(jī)器位置數(shù)據(jù)和探頭數(shù)據(jù)時(shí) 可以使用計(jì)算的系統(tǒng)延遲值。例如，在計(jì)算位置信息之前，機(jī)器位置數(shù)據(jù)或 者探頭數(shù)據(jù)的定時(shí)可以變改變或者偏移?；蛘?，測(cè)量纟笨頭或者機(jī)器中的一個(gè) 可以被布置成提供對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)延遲的數(shù)據(jù)捕獲延遲。通過(guò)這種方式，機(jī)器位 置和探頭數(shù)據(jù)的將來(lái)捕獲沒(méi)有與其有關(guān)的相對(duì)系統(tǒng)延遲。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種設(shè)備，其包括測(cè)量探頭，其用于捕 獲表示一表面相對(duì)于所述測(cè)量探頭的位置的探頭數(shù)據(jù)；機(jī)器，其用于捕獲表 示所述測(cè)量探頭相對(duì)于一位于所述機(jī)器的工作區(qū)域中的制品的位置的機(jī)器 位置數(shù)據(jù)；控制器，其包括校準(zhǔn)裝置，所述校準(zhǔn)裝置用于以已知的速度相對(duì) 于所述制品移動(dòng)所述測(cè)量探頭，同時(shí)捕獲探頭數(shù)據(jù)和機(jī)器位置數(shù)據(jù)，所述校 準(zhǔn)裝置沿著一路徑移動(dòng)所述測(cè)量探頭，所述路徑使得能夠捕獲表示所述制品
13的表面上的兩個(gè)或者多個(gè)點(diǎn)相對(duì)于所述測(cè)量探頭的位置的探頭數(shù)據(jù)，其中， 所述控制器包括分析器，所述分析器用于確定所捕獲的探頭數(shù)據(jù)和機(jī)器位置 數(shù)據(jù)之間的相對(duì)延遲。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供一種用于對(duì)設(shè)備進(jìn)行;艮準(zhǔn)的方法，所述i殳 備包括安裝在機(jī)器上的測(cè)量探頭，所述機(jī)器能夠捕獲表示所述測(cè)量探頭相對(duì) 于一制品的位置的機(jī)器位置數(shù)據(jù)，所述測(cè)量探頭能夠捕獲表示一表面相對(duì)于
所述測(cè)量探頭的位置的探頭數(shù)據(jù)，所述方法包括如下步驟(i)當(dāng)以已知的 速度相對(duì)于制品移動(dòng)所述測(cè)量探頭時(shí)捕獲探頭數(shù)據(jù)和機(jī)器位置數(shù)據(jù)，當(dāng)所述 測(cè)量探頭相對(duì)于制品沿著能夠提供表示所述制品的表面上的兩個(gè)或者多個(gè) 點(diǎn)相對(duì)于所述測(cè)量探頭的位置的探頭數(shù)據(jù)的路徑移動(dòng)時(shí)，所述探頭數(shù)據(jù)和機(jī) 器位置數(shù)據(jù)以在一直的時(shí)間間隔被捕荻；以及(ii) 分析在步驟(i)中捕 獲的機(jī)器位置數(shù)據(jù)和探頭數(shù)據(jù)，并且由此確定捕獲的探頭數(shù)據(jù)和才幾器位置數(shù) 據(jù)的相對(duì)延遲。有利的是，步驟(i)中使用的機(jī)器位置數(shù)據(jù)值和探頭數(shù)據(jù)值 相對(duì)于主時(shí)鐘定時(shí)。
還可以提供 一種計(jì)算機(jī)程序，其用于執(zhí)行上面描述方法。還可以提供 一種計(jì)算機(jī)程序承載器，其承載這種計(jì)算機(jī)程序。
根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供一種用于對(duì)設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)的方法，所述設(shè) 備包括安裝在機(jī)器上的測(cè)量探頭，所述機(jī)器能夠捕獲表示所述測(cè)量探頭相對(duì) 于一制品的位置的機(jī)器位置數(shù)據(jù)，所述測(cè)量探頭能夠捕獲表示一表面相對(duì)于 所述測(cè)量探頭的位置的探頭數(shù)據(jù)，所述方法包括如下步驟(i)以已知的速 度相對(duì)于所述制品移動(dòng)所述測(cè)量探頭，同時(shí)捕獲探頭數(shù)據(jù)和機(jī)器位置數(shù)據(jù)， 所述測(cè)量探頭沿著一路徑移動(dòng)，所述路徑使得能夠捕獲表示所述制品的表面
上的至少一個(gè)點(diǎn)相對(duì)于所述測(cè)量探頭的位置的探頭數(shù)據(jù)，所述路徑還在^:頭
移動(dòng)方向上包括至少 一個(gè)變化，可以從機(jī)器位置數(shù)據(jù)和探頭數(shù)據(jù)識(shí)別所述變 化；以及(ii)比較在步驟(i)的掃描期間捕獲的機(jī)器位置數(shù)據(jù)和探頭數(shù) 據(jù)，并且由此確定捕獲的機(jī)器位置數(shù)據(jù)和探頭數(shù)據(jù)的相對(duì)時(shí)間延遲。


以下將通過(guò)參照附圖示例性地描述本發(fā)明。其中
圖1顯示了安裝在機(jī)床的主軸中的掃描探頭；
圖2顯示了如何使用五個(gè)表面位置測(cè)量來(lái)確定球形校準(zhǔn)制品的直徑；
圖3顯示出了 一種替代的校準(zhǔn)制品； 圖4顯示了以多個(gè)不同的測(cè)量速度獲取的球體直徑數(shù)據(jù)； 圖5顯示出了用于掃描球體以找到系統(tǒng)延遲的掃描路徑； 圖6顯示了采用如圖5所示的路徑掃描球體時(shí)產(chǎn)生的機(jī)器位置數(shù) 據(jù)和探頭數(shù)據(jù)；
圖7顯示出了圖6所示的機(jī)器和探頭數(shù)據(jù)的徑向誤差；以及 圖8顯示出了驅(qū)動(dòng)探頭到表面上和離開(kāi)表面時(shí)獲取的機(jī)器和探頭 數(shù)據(jù)如何可以用來(lái)計(jì)算探頭/機(jī)器時(shí)間延遲。
具體實(shí)施例方式
參照?qǐng)D1,示出了安裝在機(jī)床的主軸2中的掃描探頭4?？梢酝ㄟ^(guò)各種 驅(qū)動(dòng)馬達(dá)(沒(méi)有顯示出來(lái))使得該主軸2沿著X, Y， Z機(jī)床軸相對(duì)于固定 基底6移動(dòng)。也可以采用位置編碼器或者類(lèi)似物(沒(méi)有示出)來(lái)精確測(cè)量主 軸(x， y， z方向)的定位。數(shù)字控制器(NC) 8輸出移動(dòng)(X， Y， Z)信 號(hào)到驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，并且也從位置編碼器接收位置信息信號(hào)(x， y, z)。以一種 已知的方式，NC可以因此提供主軸在機(jī)床的工作區(qū)域內(nèi)的精確的伺服控制 的運(yùn)動(dòng)。NC8可通過(guò)應(yīng)用程序接口 (API) IO進(jìn)行編程。
模擬或者掃描探頭4包括探頭主體12，探頭主體12可使用標(biāo)準(zhǔn)類(lèi)型的 可釋放連接器連接到機(jī)床的主軸2上。尖端具有觸針球16的工件接觸觸針 14從探頭主體12伸出。模擬探頭4測(cè)量觸針14的尖端相對(duì)于纟笨頭主體12 的任何偏轉(zhuǎn)，這些測(cè)量在所謂的探頭幾何系統(tǒng)(a， b, c)中進(jìn)行。探頭4 還包括光發(fā)送器/接收器部分18，其與位于機(jī)床附近的遠(yuǎn)程探頭接口 20的相 對(duì)應(yīng)的接收器/發(fā)送器部分通信。探頭偏轉(zhuǎn)(a， b, c)數(shù)據(jù)可以在需要時(shí)因 此通過(guò)無(wú)線通信鏈路輸出到接口。例如，可以在探頭接口 20請(qǐng)求時(shí)通過(guò)探 頭發(fā)送探頭偏轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)。
如專(zhuān)利文獻(xiàn)WO2005/065884中描述的，主時(shí)鐘22可以設(shè)置在NC8中。 可以通過(guò)API以由主時(shí)鐘限定的時(shí)間間隔捕獲和輸出來(lái)自于機(jī)床的位置編 碼器產(chǎn)生的信號(hào)的位置測(cè)量。通過(guò)這種方式，形成了以已知時(shí)間間隔捕獲的 片幾器位置數(shù)據(jù)(x, y, z)的列表組。來(lái)自NC的主時(shí)鐘22的定時(shí)或者同步 信號(hào)也傳遞給探頭接口 20。也以由主時(shí)鐘22限定的時(shí)間間隔獲得了探頭偏轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)(a， b， c)。以所述時(shí)間間隔捕獲的探頭偏轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)的列表組通過(guò)探頭 接口 20輸出。
盡管探頭偏轉(zhuǎn)(a， b， c)和機(jī)器位置(x， y， z)數(shù)據(jù)值優(yōu)選在相同的 時(shí)間瞬時(shí)捕獲，這也不是必須的。例如，探頭偏轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)的收集率可以不同于 機(jī)器位置數(shù)據(jù)。在該例子中，主時(shí)鐘為NC的一部分。但是，其可以替代地 位于探頭接口中，或者可以從外部源對(duì)探頭接口和NC提供共同的定時(shí)信號(hào)。
計(jì)算機(jī)24從API10接收機(jī)器位置數(shù)據(jù)，并且從:探頭接口 20接收探頭偏 轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)。由于機(jī)器位置測(cè)量(x， y， z)和探頭偏轉(zhuǎn)測(cè)量(a， b， c)都相對(duì) 于對(duì)主時(shí)鐘22有時(shí)間標(biāo)記，這些測(cè)量可以通過(guò)計(jì)算才幾24結(jié)合來(lái)4是供被掃描 的表面的坐標(biāo)位置測(cè)量。如果獲得不同時(shí)間間隔的數(shù)據(jù)值，可以對(duì)于探頭偏 轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)或者機(jī)器位置數(shù)據(jù)組中的一個(gè)進(jìn)行內(nèi)插，以便臨時(shí)將其與另 一數(shù)據(jù)組 對(duì)準(zhǔn)。使用用于限定探頭偏轉(zhuǎn)和機(jī)器位置數(shù)據(jù)的定時(shí)的共同時(shí)鐘的優(yōu)點(diǎn)在 于，其使得系統(tǒng)對(duì)于從NC和探頭接口道計(jì)算機(jī)24的數(shù)據(jù)傳送的相對(duì)速度 不敏感。因此克服了不能從當(dāng)前可獲得的NC實(shí)時(shí)獲取位置數(shù)據(jù)。
主時(shí)鐘技術(shù)的使用確保了計(jì)算的機(jī)器位置(x, y， z)和探頭偏轉(zhuǎn)(a, b， c)數(shù)據(jù)值不會(huì)被在分別將數(shù)據(jù)組從NC和探頭接口傳送到PC中存在的 各種延遲的影響。但是，還是存在于捕獲機(jī)器位置和探頭偏轉(zhuǎn)值有關(guān)的相對(duì) 延遲。例如，NC可以花幾毫秒來(lái)從計(jì)算來(lái)自編碼信號(hào)的機(jī)器位置數(shù)據(jù)，而 探頭接口可能僅僅花幾微妙來(lái)詢問(wèn)測(cè)量探頭并且接收更新的探頭偏轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)。 因此，可以看出，盡管機(jī)器和探頭接口可以以已知的時(shí)間點(diǎn)(例如相對(duì)于主 時(shí)鐘定時(shí))來(lái)捕獲機(jī)器位置和探頭偏轉(zhuǎn)值，這些值可能實(shí)際上與測(cè)量的稍微 不同的實(shí)時(shí)有關(guān)。換句話說(shuō)，盡管機(jī)器位置和探頭偏轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)值可以以由共同 的時(shí)鐘限定的時(shí)間間隔讀取(即獲取)，在產(chǎn)生機(jī)器位置和探頭偏轉(zhuǎn)測(cè)量上 還是存在相對(duì)延遲。這里，該延遲稱(chēng)為"系統(tǒng)延遲"，下面將描述4艮據(jù)本發(fā)明 的用于確定該系統(tǒng)延遲的各種方法。
此時(shí)，方便的是，應(yīng)當(dāng)理解，盡管當(dāng)采用圖l所示類(lèi)型的設(shè)備時(shí)優(yōu)選探 頭偏轉(zhuǎn)和機(jī)器位置數(shù)據(jù)組相對(duì)于共同的時(shí)鐘定時(shí)，但是不是對(duì)于所有類(lèi)型的
設(shè)備都如此。例如，探頭接口和NC可以包含單獨(dú)的高精度的時(shí)鐘，其在長(zhǎng) 的時(shí)間段保持同步?；蛘撸梢栽O(shè)置用于監(jiān)控兩個(gè)不同時(shí)鐘的相對(duì)計(jì)時(shí)的裝 置。此外，如果機(jī)器位置和探頭偏轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)到達(dá)處理器而沒(méi)有任何種類(lèi)的延遲 (例如從N C或者數(shù)據(jù)傳送裝置)，主時(shí)鐘的使用是不必要的。參照?qǐng)D1和2 ,描述用于采用已知直徑的球體計(jì)算系統(tǒng)延遲的方法。
如圖1所示，直徑為d的球體3 O放置在機(jī)器的工作空間中。如圖2 a 所示，測(cè)量探頭4然后沿著機(jī)器的x軸驅(qū)動(dòng)，使得觸針球1 6接觸球體3 0 的表面上的第一點(diǎn)(P 1 )。測(cè)量探頭在與球體表面的接觸建立之后沿著x 軸驅(qū)動(dòng)短距離，例如直到探頭已經(jīng)到達(dá)其預(yù)定的最大觸針偏轉(zhuǎn)。然后倒轉(zhuǎn)才果 頭方向，隨著探頭以已知的基本上恒定的速度(S 1 )從球體移動(dòng)離開(kāi)，都 相對(duì)于主時(shí)鐘具有時(shí)間標(biāo)記的一系列探頭偏轉(zhuǎn)(a, b, c)和機(jī)器位置(x， y， z)數(shù)據(jù)值被捕獲。
通過(guò)計(jì)算機(jī)2 4結(jié)合探頭和機(jī)器位置數(shù)據(jù)值。具體而言，計(jì)算機(jī)2 4進(jìn) 行"外推到零，，的計(jì)算，以便找到球體表面上的測(cè)量的點(diǎn)M 1 。如前面其他地 方描述的(例如U S 6 8 1 0 5 9 7 )，外推到零技術(shù)要求當(dāng)觸^"與帶測(cè)量 的表面上的點(diǎn)接觸時(shí)將探頭偏轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)作為機(jī)器位置的函數(shù)分析。然后可以進(jìn) 行外推以便確定觸針接觸表面時(shí)的機(jī)器位置，但仍為零觸針偏轉(zhuǎn)。采用外推 到零技術(shù)意味著測(cè)量的點(diǎn)Ml基本上不被觸針或者機(jī)器扭轉(zhuǎn)所影響。應(yīng)當(dāng)理 解，用于外推到零計(jì)算中的測(cè)量?jī)?yōu)選是當(dāng)探頭移動(dòng)離開(kāi)球體(即當(dāng)觸針與表 面脫離接觸)時(shí)進(jìn)行的。這種探頭偏轉(zhuǎn)測(cè)量不會(huì)遭受彈跳或者振動(dòng)效果，這 種效果會(huì)降低當(dāng)驅(qū)動(dòng)觸針到表面上時(shí)所獲取的偏轉(zhuǎn)測(cè)量。
盡管外推到零技術(shù)可以用來(lái)從掃描探頭獲得高精度的表面位置數(shù)據(jù)，但 是，應(yīng)當(dāng)理解，該方法可以采用替代的技術(shù)來(lái)確定測(cè)量點(diǎn)M 1 。例如，專(zhuān)利 文獻(xiàn)U S 6 8 1 0 5 9 7中描述的類(lèi)型的內(nèi)插技術(shù)可以被采用?？蛇x擇的 是，當(dāng)探頭偏轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)超過(guò)一定閾值時(shí)簡(jiǎn)單的觸發(fā)信號(hào)可以被發(fā)送。
如圖2 b所示，測(cè)量過(guò)程重復(fù)四次，探頭觸針被驅(qū)動(dòng)與球體的點(diǎn)P 2 , P 3 , P4, P5接觸。進(jìn)一步的外推到零的計(jì)算產(chǎn)生測(cè)量點(diǎn)M2， M3， M4和M5。 所有的測(cè)量Ml-M5進(jìn)行時(shí)探頭被以相同的(已知)速度Sl驅(qū)動(dòng)離開(kāi)球體表 面.
球體表面上的點(diǎn)的五個(gè)測(cè)量Ml-M5允許根據(jù)球體的數(shù)學(xué)特性以已知的 方式計(jì)算測(cè)量的球體的直徑d'。但是，任何系統(tǒng)延遲會(huì)偏移所有的測(cè)量 Ml-M5 —固定的量，其主要取決于(已知的)測(cè)量速度和(未知的)系統(tǒng) 延遲。假設(shè)機(jī)器位置數(shù)據(jù)相對(duì)于探頭偏轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)延遲，則測(cè)量的球體直徑d' 比已知的球體直徑d更大，如圖2c所示。已知的和測(cè)量的球體直徑Ad可以 因此除以兩倍的測(cè)量速度S1來(lái)產(chǎn)生系統(tǒng)延遲值。盡管在五個(gè)點(diǎn)測(cè)量球體允許確定可靠的球體直徑值，可以采用多于五個(gè) 點(diǎn)或者少于五個(gè)點(diǎn)來(lái)確定球體直徑。例如，可以采用兩個(gè)或者更多測(cè)量點(diǎn)。 還應(yīng)當(dāng)注意，在該例子中在球體上測(cè)量的點(diǎn)(Pl-P5)被選擇純粹是為了數(shù)
學(xué)簡(jiǎn)化。點(diǎn)Pl和P2被選擇使得探頭可以沿著X軸驅(qū)動(dòng)，并且相關(guān)的觸針 偏轉(zhuǎn)僅僅沿著探頭的a軸。類(lèi)似，點(diǎn)P3和P4沿著機(jī)器的Y軸被接近，觸針 僅僅圍繞其b軸偏轉(zhuǎn)。最后，點(diǎn)P5被沿著Z軸接近，并且使得探頭僅僅沿 著探頭的c軸偏轉(zhuǎn)。如果需要，可以測(cè)量球體上的任何點(diǎn)，所產(chǎn)生的機(jī)器位 置和探頭偏轉(zhuǎn)值根據(jù)結(jié)合的多軸值確定。類(lèi)似，探頭和機(jī)器坐標(biāo)系統(tǒng)不需要 如圖所示的對(duì)準(zhǔn)。實(shí)際上，不同的坐標(biāo)系統(tǒng)可以用于機(jī)器位置和探頭偏轉(zhuǎn)測(cè) 量，并且在數(shù)據(jù)處理期間隨后可以進(jìn)行核實(shí)的變換。
盡管上述種類(lèi)的球體提供了方便的制品，在該制品上進(jìn)行系統(tǒng)延遲確定 方法，但是，可以采用很多其他替代的制品。實(shí)際上，具有已知尺寸的任何 制品可以;故采用。例如，制品可以是立體的，圓柱體的，鉆孔等。制品可以 根據(jù)需要放置到機(jī)床上，永久地連接到機(jī)床上或者甚至作為機(jī)床的一部分。
圖3示出了如何使用 一對(duì)間隔開(kāi)已知間隙g的板40和42來(lái)執(zhí)4亍該方法。 測(cè)量探頭可以沿著X軸載正向或者負(fù)向上驅(qū)動(dòng)，使得在板40上的點(diǎn)Ql和 板42上的點(diǎn)Q2進(jìn)行觸針接觸。對(duì)于兩個(gè)測(cè)量，測(cè)量探頭的速度是已知且恒 定的。采用對(duì)當(dāng)觸針從表面回縮時(shí)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行外推到零技術(shù)(如上所 述)，可以計(jì)算兩個(gè)表面接觸點(diǎn)Nl和N2的位置，從其可以找到板間間隙值 g'。(已知的)板間間隙值g和計(jì)算的間隙值g'之間的差別可以與已知的測(cè)量 速度結(jié)合來(lái)確定系統(tǒng)延遲。
在上面給出的例子中，進(jìn)行測(cè)量時(shí)的探頭移動(dòng)式沿著與校準(zhǔn)制品表面的 法向進(jìn)行的。但是，探頭可以從非正交方向驅(qū)動(dòng)到該表面。在這種情況下， 與該表面垂直的速度分量可以確定，并且用來(lái)估計(jì)系統(tǒng)延遲。這里給出的例 子還假定x， y, z機(jī)器位置值產(chǎn)生相同的延遲。對(duì)于某些類(lèi)型的才幾器可能不 是這樣。該方法可以因此用于提供沿著不同的機(jī)器軸的制品尺寸的單獨(dú)的測(cè) 量。例如，可以采用成對(duì)的相對(duì)測(cè)量來(lái)單獨(dú)測(cè)量球體的直徑，其中探頭沿著 一定的軸移動(dòng)。在這種例子中，對(duì)于x， y, z機(jī)器位置測(cè)量中的一個(gè)或者多 個(gè)可以單獨(dú)測(cè)量系統(tǒng)延遲。
參照?qǐng)D2和3描述的方法依賴于已知的制品尺寸(例如球體直徑)。但 是，這不總是可行或者實(shí)際的。例如，制品的尺寸可能僅僅在某一溫度已知。但是，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，以不同的速度測(cè)量可以使得不需要精確知道制品的尺寸。
如上面參照?qǐng)D2描述的，球體直徑額可以/人球體表面上的五個(gè)測(cè)量點(diǎn)可 靠確定。在上面描述的例子中，所有這五個(gè)測(cè)量被進(jìn)行時(shí)，探頭以已知的速 度(S1)移動(dòng)。為了避免將測(cè)量的球體直徑與已知球體直徑比較的需要，可以
通過(guò)探頭以不同的(已知)速度移動(dòng)測(cè)量多次球體直徑。例如，以速度Sl 在球體上接觸五次，可以用來(lái)獲得直徑值D1。以速度S2在球體上接觸五次 可以用來(lái)獲得直徑值D2。這可以重復(fù)多次，例如以速度S3,S4， S5，用來(lái)提 供測(cè)量直徑值D3，D4和D5。
如圖4所示，測(cè)量速度越大，計(jì)算球體直徑越大。這是由于當(dāng)測(cè)量速度 增加時(shí)系統(tǒng)延遲對(duì)于計(jì)算球體直徑具有更大的比例效應(yīng)。系統(tǒng)延遲是主要的 速度依賴變量，因此測(cè)量球體直徑的梯度和測(cè)量速度曲線提供了系統(tǒng)延遲。 此外，在途中的截距50也提供了靜態(tài)誤差值的測(cè)量。
上述方法采用多測(cè)量點(diǎn)來(lái)計(jì)算制品表面上的多個(gè)坐標(biāo)，由此允許測(cè)量制 品的尺寸。以這種方式測(cè)量制品的尺寸(例如直徑，板間間隙等)意味著不 需要知道表面上的點(diǎn)的精確位置。還已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，可以根據(jù)機(jī)器位置數(shù)據(jù)和觸 針偏轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)確定系統(tǒng)延遲，而不需要實(shí)際計(jì)算制品的表面上的任何點(diǎn)的位 置。下面參照?qǐng)D5到8更詳細(xì)描述。
參照?qǐng)D5，示出了用于掃描球體的周邊的掃描路徑。選擇該掃描路徑使 得在整個(gè)掃描中觸針保持與球體的表面接觸。在掃描過(guò)程中，探頭在具有第 一掃描半徑rl的^各徑和具有小于rl的第二掃描半徑r2的路徑之間移動(dòng)。#皮 測(cè)量的球體表面是正圓，因此掃描路徑的不同半徑導(dǎo)致不同的觸針偏轉(zhuǎn)。特 別的是，還可以看出，在第一掃描部分60、第二掃描部分62和第三掃描部 分64過(guò)程中，探頭沿著掃描半徑r2移動(dòng)。第一、第二、第三掃描部分具有 增加的角度尺寸，并且被不同角度尺寸的第一掃描半徑部分散開(kāi)。
圖6示出了當(dāng)測(cè)量探頭沿著圖5所示的掃描路徑通過(guò)時(shí)機(jī)床捕獲的機(jī)器 位置數(shù)據(jù)70和作為時(shí)間函數(shù)(時(shí)間相對(duì)于主時(shí)鐘測(cè)量)的觸針偏轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)72。 兩個(gè)數(shù)據(jù)組的測(cè)量值被適當(dāng)成比例縮放以便于比較。從圖6的曲線中的階梯 變化可以看出，觸針偏轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)領(lǐng)先機(jī)器位置數(shù)據(jù)一個(gè)值A(chǔ)t，該值A(chǔ)t對(duì)應(yīng)于 系統(tǒng)延遲。
圖7示出了機(jī)器位置數(shù)據(jù)70和探頭偏轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)72之間的差異。該差異稱(chēng) 為徑向誤差。采用迭代優(yōu)化技術(shù)來(lái)找到時(shí)間延遲，其可以應(yīng)用于觸針偏轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)72來(lái)最小化徑向誤差。如圖5所示的不同尺寸的角部分的使用移除了優(yōu) 化過(guò)程中的任何退化，允許可靠的找到獨(dú)特的方案。發(fā)現(xiàn)最小平方和的最小 化過(guò)程適用于這種誤差最小化，但是已知多種其他數(shù)學(xué)技術(shù)(例如相關(guān)技術(shù) 等)可以操作類(lèi)似的功能。
參照?qǐng)D5到7描述的方法是有利的，因?yàn)槠湓谟?jì)算延遲時(shí)采用大量的觸 針和機(jī)器位置測(cè)量點(diǎn)。但是，也可以通過(guò)以已知的速度驅(qū)動(dòng)觸針與表面上的 單個(gè)點(diǎn)接觸并脫離接觸來(lái)確定延遲。
圖8示出了機(jī)器位置數(shù)據(jù)80和觸針偏轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)82，其中觸針被驅(qū)動(dòng)到表 面上的一個(gè)點(diǎn)然后從其回縮。以相同的已知速度進(jìn)行向內(nèi)和向外的動(dòng)作，由 此允許從機(jī)器位置和觸針偏轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)組的頂點(diǎn)的間隔建立系統(tǒng)延遲At。
特定的設(shè)置的系統(tǒng)延遲不可能隨著時(shí)間顯著改變。但是，可以根據(jù)需要 的頻率來(lái)進(jìn)行上述方法。例如，可以僅僅進(jìn)行一次上述描述的任何方法來(lái)在 首次機(jī)器設(shè)置期間、周期性地作為校準(zhǔn)例程的一部分、或者在進(jìn)行每組測(cè)量 之前計(jì)算系統(tǒng)延遲。找到系統(tǒng)延遲的頻率因此隨著特定的應(yīng)用而變化。
可以進(jìn)行上述方法，其中探頭偏轉(zhuǎn)和機(jī)器位置數(shù)據(jù)使用先前的系統(tǒng)延遲 值來(lái)校正，在這種情況下，該方法將確定由于先前系統(tǒng)延遲測(cè)量已經(jīng)引入的 任何額外的系統(tǒng)延遲。或者，當(dāng)進(jìn)行該方法時(shí)可以停用任何先前系統(tǒng)延遲補(bǔ) 償， 一般從零確定整個(gè)系統(tǒng)延遲。
最后，應(yīng)當(dāng)記住，上述實(shí)施方式僅僅是本發(fā)明的例子。本領(lǐng)域技術(shù)人員 可以對(duì)這些特定例子進(jìn)行各種變型。例如，上述描述的機(jī)床具有線性的相互 正交的移動(dòng)和測(cè)量軸，但是不是必須的。可以采用非笛卡爾機(jī)器(例如三角 或者六角形式的布置)。類(lèi)似地，在笛卡爾坐標(biāo)中，不需要探頭總是輸出觸 針偏轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)。此外，盡管上面描述了模擬測(cè)量探頭，該技術(shù)可以應(yīng)用于其他 形式的測(cè)量探頭。例如，該方法可以用于非接觸式(例如光學(xué))測(cè)量探頭或 者類(lèi)似物。
權(quán)利要求
1.一種用于對(duì)設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)的方法，所述設(shè)備包括安裝在機(jī)器上的測(cè)量探頭，所述機(jī)器能夠捕獲表示所述測(cè)量探頭相對(duì)于一制品的位置的機(jī)器位置數(shù)據(jù)，所述測(cè)量探頭能夠捕獲表示一表面相對(duì)于所述測(cè)量探頭的位置的探頭數(shù)據(jù)，所述方法包括如下步驟(i)以已知的速度相對(duì)于所述制品移動(dòng)所述測(cè)量探頭，同時(shí)捕獲探頭數(shù)據(jù)和機(jī)器位置數(shù)據(jù)，所述測(cè)量探頭沿著一路徑移動(dòng)，所述路徑使得能夠捕獲表示所述制品的表面上的兩個(gè)或者多個(gè)點(diǎn)相對(duì)于所述測(cè)量探頭的位置的探頭數(shù)據(jù)；以及(ii)分析在步驟(i)中捕獲的機(jī)器位置數(shù)據(jù)和探頭數(shù)據(jù)，并且由此確定捕獲探頭數(shù)據(jù)和機(jī)器位置數(shù)據(jù)的相對(duì)延遲。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述測(cè)量探頭是具有可 偏轉(zhuǎn)的觸針的掃描探頭，所述探頭數(shù)據(jù)表示所述觸針的偏轉(zhuǎn)，其中，步驟(i) 包括使用所述機(jī)器來(lái)沿著如下路徑移動(dòng)所述測(cè)量探頭使得所述測(cè)量探頭的 觸針與所述制品的表面上的所述兩個(gè)或者多個(gè)點(diǎn)的每個(gè)接觸。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，步驟(i)包括在所述觸 針和所述制品的表面上的點(diǎn)首次建立接觸之后繼續(xù)相對(duì)于所述制品移動(dòng)所 述測(cè)量探頭一段限制的距離，步驟(ii)包括進(jìn)行外推來(lái)計(jì)算所述制品的表 面上的兩個(gè)或者多個(gè)測(cè)量的點(diǎn)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述兩個(gè)或者多個(gè)測(cè)量 的點(diǎn)來(lái)自于當(dāng)所述探頭移動(dòng)離開(kāi)所述制品的表面時(shí)捕獲的探頭數(shù)據(jù)和機(jī)器 位置數(shù)據(jù)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2到4中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于， 所述測(cè)量探頭的觸針從基本上垂直于所述制品的表面的方向與所述制品的 表面上的每個(gè)點(diǎn)接觸。
6. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，步 驟(ii)包括使用所述探頭數(shù)據(jù)和所述機(jī)器位置數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算所述制品的表面 上的兩個(gè)或者多個(gè)測(cè)量的點(diǎn)的位置。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，步驟(i)中的所述制品 的表面上的兩個(gè)或者多個(gè)點(diǎn)被選擇成允許測(cè)量所述制品的至少 一個(gè)尺寸。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述制品的表面上的兩 個(gè)或者多個(gè)點(diǎn)包括至少一對(duì)相對(duì)的點(diǎn)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7到8中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于， 步驟(ii)包括通過(guò)將所述制品的至少一個(gè)測(cè)量的尺寸與所述制品的已知的 尺寸比較來(lái)計(jì)算所述延遲。
10. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，步 驟(i)被進(jìn)行多次，其中所述測(cè)量探頭以多個(gè)不同的已知速度移動(dòng)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的方法，其特征在于，步驟(ii)包括確定在 所述多個(gè)速度的每個(gè)時(shí)所述制品的至少一個(gè)測(cè)量的尺寸。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，步驟(ii)包括從作為 速度的函數(shù)的所述制品的至少一個(gè)測(cè)量的尺寸確定所述探頭數(shù)據(jù)和所述機(jī) 器位置數(shù)據(jù)之間的延遲。
13. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，從測(cè)量的尺寸相對(duì)于 速度數(shù)據(jù)的梯度確定所述延遲。
14. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所 述制品包括球體。
15. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，步驟(i)包括捕獲表示所述制品的表面上的至少五個(gè)點(diǎn)的位置的探頭數(shù)據(jù)。
16. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，步 驟(i )包括沿著允許沿制品的表面輪廓的多個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量的路徑移動(dòng)測(cè)量探 頭，其中，所述路徑在測(cè)量探頭移動(dòng)的方向上包括至少一個(gè)變化，可以從機(jī) 器位置數(shù)據(jù)和探頭數(shù)據(jù)中識(shí)別所述變化。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，所述路徑在探頭移動(dòng) 的方向上包括多個(gè)變化，可以從機(jī)器位置數(shù)據(jù)和探頭數(shù)據(jù)中識(shí)別所述變化。
18. 根據(jù)權(quán)利要求16到17中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于， 以不同的速度多次執(zhí)行步驟(i)。
19. 根據(jù)權(quán)利要求16到18中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于， 步驟(ii)包括比較機(jī)器位置數(shù)據(jù)和探頭數(shù)據(jù)，以便建立它們之間的延遲， 所述比較包括迭代過(guò)程來(lái)最小化可從探頭數(shù)據(jù)和機(jī)器位置數(shù)據(jù)識(shí)別的方向 變化。
20. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，以 相對(duì)于主時(shí)鐘定時(shí)的時(shí)間間隔捕獲所述機(jī)器位置數(shù)據(jù)和探頭數(shù)據(jù)。
21. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所 述機(jī)器是機(jī)床，其包括輸出所述機(jī)器位置數(shù)據(jù)的數(shù)字控制器。
22. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所 述測(cè)量探頭通過(guò)無(wú)線鏈路將所述探頭數(shù)據(jù)輸出到探頭接口 。
23. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，計(jì) 算機(jī)用來(lái)執(zhí)行步驟(ii )。
24. —種設(shè)備，其包括測(cè)量探頭，其用于捕獲表示一表面相對(duì)于所述測(cè)量探頭的位置的探頭數(shù)據(jù)；機(jī)器，其用于捕獲表示所述測(cè)量探頭相對(duì)于一位于所述機(jī)器的工作區(qū)域 中的制品的位置的機(jī)器位置數(shù)據(jù)；控制器，其包括校準(zhǔn)裝置，所述校準(zhǔn)裝置用于以已知的速度相對(duì)于所述 制品移動(dòng)所述測(cè)量探頭，同時(shí)捕獲探頭數(shù)據(jù)和機(jī)器位置數(shù)據(jù)，所述校準(zhǔn)裝置 沿著一路徑移動(dòng)所述測(cè)量探頭，所述路徑使得能夠捕獲表示所述制品的表面 上的兩個(gè)或者多個(gè)點(diǎn)相對(duì)于所述測(cè)量探頭的位置的探頭數(shù)據(jù)，其中，所述控制器包括分析器，所述分析器用于確定所捕獲的探頭數(shù)據(jù) 和機(jī)器位置數(shù)據(jù)之間的相對(duì)延遲。
25. —種用于對(duì)設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)的方法，所述設(shè)備包括安裝在機(jī)器上的測(cè) 量探頭，所述機(jī)器能夠捕獲表示所述測(cè)量探頭相對(duì)于一制品的位置的機(jī)器位 置數(shù)據(jù)，所述測(cè)量探頭能夠捕獲表示一表面相對(duì)于所述測(cè)量探頭的位置的探 頭數(shù)據(jù)，所述方法包括如下步驟(i) 當(dāng)以已知的速度相對(duì)于制品移動(dòng)所述測(cè)量探頭時(shí)捕獲探頭數(shù)據(jù)和 機(jī)器位置數(shù)據(jù)，當(dāng)所述測(cè)量探頭相對(duì)于制品沿著能夠提供表示所述制品的表 面上的兩個(gè)或者多個(gè)點(diǎn)相對(duì)于所述測(cè)量探頭的位置的探頭數(shù)據(jù)的路徑移動(dòng) 時(shí)，所述探頭數(shù)據(jù)和機(jī)器位置數(shù)據(jù)以在一直的時(shí)間間隔被捕獲；以及(ii) 分析在步驟(i)中捕獲的機(jī)器位置數(shù)據(jù)和探頭數(shù)據(jù)，并且由此 確定捕獲的探頭數(shù)據(jù)和機(jī)器位置數(shù)據(jù)的相對(duì)延遲。
26. —種計(jì)算機(jī)程序，其用于執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法。
27. —種計(jì)算機(jī)程序承載器，其承載根據(jù)權(quán)利要求26所述的計(jì)算機(jī)程序。
28. —種用于對(duì)設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)的方法，所述設(shè)備包括安裝在機(jī)器上的測(cè) 量探頭，所述機(jī)器能夠捕獲表示所述測(cè)量探頭相對(duì)于一制品的位置的機(jī)器位 置數(shù)據(jù)，所述測(cè)量探頭能夠捕獲表示一表面相對(duì)于所述測(cè)量探頭的位置的探 頭數(shù)據(jù)，所述方法包括如下步驟(i )以已知的速度相對(duì)于所述制品移動(dòng)所述測(cè)量探頭，同時(shí)捕獲探頭 數(shù)據(jù)和機(jī)器位置數(shù)據(jù)，所述測(cè)量探頭沿著一路徑移動(dòng)，所述路徑使得能夠捕 獲表示所述制品的表面上的至少一個(gè)點(diǎn)相對(duì)于所述測(cè)量探頭的位置的探頭 數(shù)據(jù)，所述路徑還在探頭移動(dòng)方向上包括至少一個(gè)變化，可以從機(jī)器位置數(shù)據(jù)和探頭數(shù)據(jù)識(shí)別所述變化；以及(ii)比較在步驟(i)的掃描期間捕獲的機(jī)器位置數(shù)據(jù)和探頭數(shù)據(jù)， 并且由此確定捕獲的機(jī)器位置數(shù)據(jù)和探頭數(shù)據(jù)的相對(duì)時(shí)間延遲。
全文摘要
描述了一種用于對(duì)設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)的方法，所述設(shè)備包括安裝在機(jī)器上的測(cè)量探頭(4)。所述機(jī)器能夠捕獲表示所述測(cè)量探頭的位置的機(jī)器位置數(shù)據(jù)(x，y，z；70；80)，所述測(cè)量探頭能夠捕獲表示一表面相對(duì)于所述測(cè)量探頭(4)的位置的探頭數(shù)據(jù)(a，b，c；72；82)。測(cè)量探頭(4)可以是具有可偏轉(zhuǎn)的觸針(14)模擬探頭或者掃描探頭。該方法的第一步驟包括以已知的速度相對(duì)于制品(30；40；42)移動(dòng)所述測(cè)量探頭(4)，同時(shí)捕獲探頭數(shù)據(jù)(a，b，c；72；82)和機(jī)器位置數(shù)據(jù)(x，y，z；70；80)。特別的是，所述測(cè)量探頭(4)沿著一路徑移動(dòng)，所述路徑使得能夠捕獲表示所述制品的表面上的兩個(gè)或者多個(gè)點(diǎn)相對(duì)于所述測(cè)量探頭(4)的位置的探頭數(shù)據(jù)(a，b，c；72；82)。該方法的第二步驟包括分析機(jī)器位置數(shù)據(jù)(x，y，z；70；80)和探頭數(shù)據(jù)(a，b，c；72；82)，并且從這些數(shù)據(jù)確定捕獲探頭數(shù)據(jù)和機(jī)器位置數(shù)據(jù)的相對(duì)延遲(即所謂的系統(tǒng)延遲)。
文檔編號(hào)G01B21/02GK101622513SQ200880005998
公開(kāi)日2010年1月6日 申請(qǐng)日期2008年2月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月22日
發(fā)明者亞歷山大·坦南特·薩瑟蘭, 約翰·查爾斯·烏爾德 申請(qǐng)人:瑞尼斯豪公司