用于補償cmm接觸式測頭的三角形行為的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明總體上涉及用于利用坐標(biāo)測量機(CMM)的接觸式測頭借助于有關(guān)該接觸式測頭的三角形(lobing)行為的信息來補償測量的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]通常的做法是，在制造完成后在諸如坐標(biāo)測量機(CMM)的坐標(biāo)定位設(shè)備上檢查工件，以便檢查預(yù)定物體參數(shù)的正確性，如物體的尺寸和形狀。
[0003]在常規(guī)的3D坐標(biāo)測量機中，測頭座(probe head)被支承以沿三個相互垂直的軸(沿方向X、Y、Z)移動。由此，可以將測頭座引導(dǎo)至坐標(biāo)測量機的測量空間的空間中的任一任意點，并且可利用由測頭座所攜帶的測量傳感器(測頭)來測量所述物體。
[0004]在該機器的簡單形式中，與每一個軸平行安裝的合適的變換器能夠確定測頭座和所設(shè)置的測頭相對于該機器基部的位置，并因此確定該物體上的被該測頭接近的測量點的坐標(biāo)。為了提供測頭座的可移動性，典型的坐標(biāo)測量機可以包括設(shè)置測頭座的框架結(jié)構(gòu)以及用于使框架結(jié)構(gòu)的框架組件彼此相對移動的驅(qū)動裝置。
[0005]為了測量表面變化，已知基于使用觸覺傳感器和光學(xué)傳感器的測量原理二者。
[0006]—般來說，為提供具有高測量精度的坐標(biāo)測量機，坐標(biāo)測量機的框架結(jié)構(gòu)因此通常被設(shè)計成具有高靜態(tài)剛性。為了實現(xiàn)剛性且堅硬的機器設(shè)計，框架結(jié)構(gòu)或框架結(jié)構(gòu)的至少一部分通常由諸如花崗巖的石頭制成。除了像熱穩(wěn)定性和良好的阻尼特性的所有正面效果以外，花崗巖或其它剛性材料還使得機器和可移動框架部件十分沉重。另一方面，大的重量還需要用于恰當(dāng)加速的大力量。
[0007]然而，減小重量是有關(guān)坐標(biāo)測量機設(shè)計的主要話題，好像構(gòu)建機器組件一樣，包括更小重量(和更小剛性)更快定位的相應(yīng)組件可以通過使更少的力影響坐標(biāo)測量機來實現(xiàn)。另一方面，因減小剛性和機器組件的(更快)移動而造成的機器振動和扭轉(zhuǎn)的影響隨著這些部件的重量減小而增加。由此，所得出的測量值的不確定性和由這種變形和振動而出現(xiàn)的誤差因此增加。因此，特別是考慮到重量縮減，而且對于常規(guī)機器來說，準(zhǔn)確的誤差處理是重要方面。
[0008]對于兩種方法(重量和輕量)來說，需要相應(yīng)CMM的初始校準(zhǔn)過程，特別是用于確定相應(yīng)系統(tǒng)的靜態(tài)和可重復(fù)性誤差。為了保持穩(wěn)定和準(zhǔn)確的測量需求，優(yōu)選地，由于考慮到隨著時間影響測量系統(tǒng)的外部影響，例如，環(huán)境參數(shù)(溫度、濕度等)的改變或機械沖擊，因而這種校準(zhǔn)要按限定間隔執(zhí)行。
[0009]CMM的校準(zhǔn)可以提供對模型的改進，所述模型描述特定條件下CMM的靜態(tài)和/或動態(tài)行為。由此，當(dāng)前校準(zhǔn)參數(shù)可以被用于實現(xiàn)所限定的模型，以便更精確地(并且適于當(dāng)前條件地)描述CMM的行為。
[0010]通常，根據(jù)校準(zhǔn)過程得出所謂的補償圖(compensat1n map)，其中，該圖提供對通過測量物體的測量點而獲取的每一個測量值的補償。這種圖可以被設(shè)計為一種查找表，即，對于每一個坐標(biāo)來說或者對于CMM的每一個軸的限定坐標(biāo)步驟來說，提供對應(yīng)補償值，并且用補償值替換原始測量值。另選地，確定指定的方程，并且將該方程應(yīng)用至所測量的位置值以計算對應(yīng)的修正值，由此提供一種補償圖。
[0011]對于誤差處理來說，示例性地，EP 1559990公開了一種坐標(biāo)測量系統(tǒng)和修正在坐標(biāo)測量機中測量的坐標(biāo)、在將具有不同重量的部件安裝在該坐標(biāo)測量機上時測量幾何誤差的方法。補償參數(shù)根據(jù)每零件重量的測量結(jié)果得出并存儲。與要測量的零件的重量相對應(yīng)的補償參數(shù)被恰當(dāng)?shù)刈x出，以修正要測量零件的測得的坐標(biāo)。
[0012]作為另一示例，EP 1687589公開了一種在具有包括表面檢測裝置的萬向測頭座的坐標(biāo)測量機中進行誤差補償?shù)姆椒?。該表面檢測裝置在測量期間圍繞萬向測頭座的至少一個軸旋轉(zhuǎn)。該方法包括以下步驟:確定該裝置的整體或部分的剛性；確定與萬向測頭座在任何特定時刻施加的載荷相關(guān)的一個或更多個因素；以及確定由該載荷在表面感測裝置處造成的測量誤差。
[0013]而且，可以考慮該類型的測頭和要被用于測量的每一個測頭對自身(由于探針組裝中的給定變化)的附加影響。下面，討論用于進行觸覺測量的接觸式測頭。
[0014]圖la示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)已知的典型接觸觸發(fā)式測頭100。測頭100包括具有測頭尖端101的接觸部件，該接觸部件用于接觸要測量的物體并確定該物體處的接觸點的對應(yīng)位置坐標(biāo)。像圖la的接觸觸發(fā)式測頭通常與坐標(biāo)測量機(CMM) —起用于估計根據(jù)測頭尖端與物體表面接觸所指示的軸的位置。示出了切換傳感器。探針被接合至三腳架結(jié)構(gòu)，所述三腳架結(jié)構(gòu)的三個圓柱形臂102由三對十字狀圓柱支承。這是一種作用于彈簧的運動機構(gòu)，由此將探針恢復(fù)至原始位置。
[0015]如果探針接觸到物體并由此相對于其初始位置偏斜，則通過該柱狀結(jié)構(gòu)提供信號，并且指示該偏斜以及對物體的接觸具有該偏斜。
[0016]圖lb示出了如圖la所示測頭的典型誤差行為。由于測頭的機械設(shè)計，因而觸發(fā)力在所有方向上并不恒定，而且由于探針的彎曲是力的直接作用，因而所獲得的準(zhǔn)確度因此也顯得不均勻。這種誤差被典型地稱作“三角形(lobing)誤差”。這里，針對三個方向的探測誤差接近或直至5 μ m。
[0017]這種測頭的設(shè)計和它們的三角形誤差的行為已經(jīng)例如根據(jù)Marek Dobosz和AdamWozniak 的“CMM touch trigger probes testing using a reference axis，，，Precis1nEngineering 29 (2005)281 - 289,或者根據(jù) A.Wozniak, M.Dobosz 的“Metrologicalfeasibilities of CMM touch trigger probes.Part 1:3D theoretical model of probepretravel ” , Measurement 34 (2003) 273 - 286 而獲知。
[0018]現(xiàn)今，在大多數(shù)使用案例中，三角形誤差被視為在所有方向上恒定，這是一種相當(dāng)強的限制。使用幾乎完美的參照球體作為要測量的參照體以供校準(zhǔn)，并且圍繞該參照球體的赤道、在參照球體的北極附近(而且，有時在其間的一些其它位置)測量幾個點。接著，假定所收集的點處于完美的球體上，并且使用二次回歸來計算所測量的參照球體的直徑。當(dāng)參照球體的直徑如此提供時，可以在此基礎(chǔ)上利用下面公式容易地計算探針直徑:
[001 9] Dstyius D measured sphere ^reference sphere
[0020]然而，在接觸觸發(fā)式測頭行為針對所有接觸方向絕對均勻的情況下，該方程是完美的，但這不是真實世界的情況。作為上述方法的結(jié)果，計算值Dstylus被用于所有隨后的測量，但隨著測頭的三角形行為隨著接觸物體的方向而改變，即，相對于測頭接觸物體的角，不存在可用的精確的方向相關(guān)補償?shù)臏y量值。換句話說，利用用于確定該球體的半徑的回歸并且利用這種近似值導(dǎo)致大部分錯誤補償測量。
[0021]而且，三角形效應(yīng)可以利用更準(zhǔn)確的觸發(fā)系統(tǒng)的測頭類型(例如，基于壓電部件)來減小。然而，這種測頭比上面描述所涉及的常用簡單測頭類型昂貴得多。
[0022]要被視為要補償?shù)目赡苷`差的另一方面涉及接觸式測頭與要測量的物體103的表面之間的接觸點。事實上，探針尖端101與要測量表面之間的精確接觸點是未知的。該軟件僅假定在開始接觸時，探針運動(速度矢量105)垂直于表面。在機動模式(利用電機驅(qū)動CMM)下，當(dāng)使用工件的CAD模型時，這可以相當(dāng)準(zhǔn)確地實現(xiàn)，但在手動模式下或者該工件具有相對較大的幾何誤差或者其在CMM上的位置和取向未精確獲知時，用于測量點的精確接觸點不準(zhǔn)確。
[0023]為了更好理解，圖2示出了所述行為，其中，表示了“考慮的接觸點110”和“真實接觸點111”兩者。速度矢量105示出在撞擊表面之前的探針方向，而力矢量示出在開始接觸時的工件反應(yīng)。
[0024]可以看出，由于精確接觸點未被修正，因而，當(dāng)探針尖端101未完美地垂直接觸表面時，產(chǎn)生了附加誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0025]由于上述問題，因而本發(fā)明的目的是提供一種用于更準(zhǔn)確地補償由接觸式測頭的上述三角形行為所導(dǎo)致的測量誤差的方法。
[0026]本發(fā)明的構(gòu)思是提出一種補償這種典型的三角形誤差以在相同成本下達到較高準(zhǔn)確度的方法。
[0027]另一目的是提供一種用于在接觸要測量的物體時確定接觸式測頭的真實接觸點的改進方法，其優(yōu)選地與補償三角形效應(yīng)相組合。
[0028]這些目的通過實現(xiàn)獨立權(quán)利要求書的特征來實現(xiàn)。按另選或有利方式進一步開發(fā)本發(fā)明的特征在相關(guān)專利權(quán)利要求書中進行了描述。
[0029]本發(fā)明涉及一種用于利用包括接觸式測頭的坐標(biāo)測量機來補償與要測量的物體處的期望的測量點的測量有關(guān)的測量誤差的方法。特別是在校準(zhǔn)所提供的接觸式測頭的序列內(nèi)，所述方法包括以下步驟:
[0030]?在所述坐標(biāo)測量機的測量空間中的已知位置處設(shè)置已知形狀和尺寸的三維參照體；
[0031].在所參照體處限定要測量的多個參照點；
[0032].根據(jù)所述多個參照點沿限定的接觸方向利用所述接觸式測頭接觸所述參照體，并由此確定所述多個參照點的位置；以及
[0033].至少基于所述參照體的已知形狀和尺寸(特別地，另外基于所述參照體的已知位置)以及所述參照點的確定的位置，導(dǎo)出所述接觸式測頭的三角形誤