專利名稱：用于優(yōu)化接觸式坐標定位裝置的測量周期的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種對坐標定位裝置所執(zhí)行的測量周期進行設(shè)定的方法，具體而言， 涉及這樣一種方法，其用來確定由包括測量探針的坐標定位裝置獲取的表面位置測量的最優(yōu)基準距。
背景技術(shù)：
公知諸如機床或坐標測量機(CMM)的坐標定位裝置。也公知各種用于這樣的坐標定位裝置的測量探針。例如，US4153998中所述的那類接觸式觸發(fā)測量探針包括一運動機構(gòu)，在該運動機構(gòu)中，當觸針接觸物體時，觸針保持架就離開探針本體中的相關(guān)底座。運動機構(gòu)離開底座也斷開了電路，從而產(chǎn)生觸發(fā)信號。也公知這樣的接觸式觸發(fā)探針，其中利用應(yīng)變儀等來測量觸針的撓變，而且在超過某一觸針撓變閾值時發(fā)出觸發(fā)信號。接觸式觸發(fā)探針發(fā)出的觸發(fā)信號表明已與物體接觸，這一信號與坐標定位裝置對探針位置進行的機器測量一起用于確定物體表面上的接觸點的位置。公知有多種策略或周期來利用坐標定位裝置所承載的接觸式觸發(fā)探針以獲取測量結(jié)果。其中包括所謂的一次接觸式測量周期，其中，驅(qū)動測量探針的觸針接近被測物體， 然后在發(fā)出觸發(fā)信號的時刻從測量探針的位置獲知裝置所測量的物體表面上的點的位置。 也公知兩次接觸式測量周期，其中在以相對低的速度進行測量之前，先以較高的速度對物體表面上的同一點進行初次測量以獲取該點的大概位置。上述類型的測量周期需要預(yù)先設(shè)定多個測量參數(shù)，例如探針的運動速度以及距離物體的基準距(在探針執(zhí)行測量之前就需要該基準距)。這些參數(shù)影響測量周期時間以及測量精度，并且通常是在機器試運行的過程中將這些參數(shù)設(shè)置為標準值，從而確保測量精度得以保護或者給定所需的測量周期時間。因為即使是同一廠商生產(chǎn)的同一型號的機器之間都會在特性上有很大的差別，所以已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通常在機器試運行過程中設(shè)定的標準測量參數(shù)也會導(dǎo)致性能不是最優(yōu)的。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種用來計算由包括測量探針的坐標定位裝置獲取的表面位置測量的最優(yōu)基準距的方法，其中，所述方法包括利用測得的所述坐標定位裝置的至少一個加速特性而計算最優(yōu)基準距的步驟。因而本發(fā)明提供一種為利用安裝在坐標定位裝置上的測量探針進行的測量計算最優(yōu)基準距的方法。如以下將更加詳細說明且本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的那樣，基準距是在對物體表面上的點的位置進行測量之前，測量探針(例如，接觸式測量探針的觸針尖端)與物體上該點之間的初始距離或間距。換言之，測量探針朝向物體上點的相對運動起始于(例如，從靜止開始)測量探針與物體上點之間的某一基準距。按照本發(fā)明的方法計算的最優(yōu)基準距為給定的測量精度水平提供最短的測量時間。根據(jù)本發(fā)明的方法，利用測得的所述坐標定位裝置的至少一個加速特性來計算最優(yōu)基準距。具體而言，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，不同的坐標定位裝置，即使是來自同一廠家同一型號的裝置，也會有顯著不同的加速特性。如上所述，安裝工程師使用適于所有可能裝置類型的標準化基準距，這導(dǎo)致廣泛使用以下基準距，這些基準距一般顯著長于確保必要測量精度所需的長度。本發(fā)明的方法使得可利用對坐標定位裝置加速特性的一次或多次測量來計算最優(yōu)的基準位置，從而可減少測量次數(shù)，而計量精度不會降低到所需水平之下。所述坐標定位裝置的所述至少一個加速特性可能在先已經(jīng)測量。例如，生產(chǎn)商在裝置開發(fā)、建造和/或校準期間可測量一個或多個加速特性。有利的是，所述方法包括測量所述坐標定位裝置的至少一個加速特性的步驟。可以以多種方式測量坐標定位裝置的加速特性。有利的是，測量所述坐標定位裝置的至少一個加速特性的步驟包括以下步驟測量第一時間間隔，該第一時間間隔對應(yīng)于所述坐標定位裝置的可移動部分以指令速度在已知間距的兩點之間運動所耗的時間。所述坐標定位裝置的所述可移動部分可例如包括所述坐標定位裝置的其上安裝有測量探針以相對于待測物體運動的部件。距離已知的所述兩點可包括起始點和終止點。所述方法從而可包括所述可移動部分在起始點從靜止(或某一速度)開始加速，和/或所述可移動部分在終止點減速到停止(或某一速度)。從而可看到，并非立即達到指令速度，這是因為可移動部分需要加速和/或減速。可利用任何合適的計時器來測量所述第一時間間隔。例如， 所述坐標定位裝置的計時器可用來對所述第一時間間隔的時間段進行計時。有利的是，所述方法還包括比較所述第一時間間隔和第二時間間隔的步驟，該第二(例如，理論的或測量的)時間間隔對應(yīng)于以等于所述指令速度的恒定速度在已知間距的所述兩點之間運動所耗的時間。換言之，以恒定速度在所述兩點之間行進所需的時間與在還進行加速和/或減速情況下所需時間進行比較。在所述兩點之間行進所耗的實際時間 (即，所述第一時間間隔)將長于所述第二時間間隔，這是由于所述可移動部分的加速和/ 或減速。所述第一和第二時間間隔之間的差給出了對坐標定位裝置加速性能的一個測量。 換言之，可通過對空間中兩點之間的實際運動進行計時，并將這一時間與沒有加速度地在這兩點之間運動所耗時間進行比較，從而得到所述坐標定位裝置的加速區(qū)。作為上述方式的替代方式，也可通過比較第一時間間隔和第二時間間隔來得到加速特性，其中，所述第一時間間隔是利用第一指令速度所耗費的時間間隔，所述第二時間間隔是利用(不同的)第二指令速度進行類似的運動而測量所得的時間間隔。所述兩個或更多個不同速度運動之間的加速的不同給出了對加速特性的量度。換言之，可在兩個或更多個不同速度或進給速率下測量完成這一運動所耗費的時間，以此建立至少一個加速特性。應(yīng)指出的是，在測量時間間隔時，所述測量探針可安裝在也可不安裝在所述坐標定位裝置的所述可移動部分上。而且，對所述坐標定位裝置的加速特性的測量可就在計算所述最優(yōu)基準距的步驟之前，或者是在研發(fā)、建造或校準機器的過程中進行。還應(yīng)指出的是，這里所使用的加速特性這一術(shù)語包括加速和減速效應(yīng)。對于一個坐標定位裝置而言，可測量多個加速特性。例如，對于每一機器軸線而言可單獨地測量一加速區(qū)。利用本發(fā)明的方法計算的最優(yōu)基準距會取決于所需的測量精度。例如，如果需要較低精度的表面位置測量，則在隨后的表面位置測量過程中可接受存在少量的機器加速。 然而，優(yōu)選的是，計算最優(yōu)基準距，從而使得在獲取表面位置測量的過程中，測量探針和被測物體之間的相對速度大致恒定。測量探針和被測物體之間的相對運動可由測量探針的運動和/或物體的運動提供。優(yōu)選的，所述測量探針由坐標定位裝置的可移動部分(例如，軸筒或主軸)承載，并運動至與靜止物體接觸。計算最優(yōu)基準距的步驟從而有利地包括計算最優(yōu)基準距的步驟，其確保測量探針在隨后獲取表面位置測量的過程中以大致恒定速度運動。除了所述至少一個加速特性之外，計算最優(yōu)基準距的步驟還可考慮其他因素或分量。例如，可以通過增加加速特性距離分量與其他距離分量而形成最優(yōu)基準距。便利的是， 計算最優(yōu)基準距的步驟包括計及待獲取表面位置測量的點的估計或名義位置中的任何不確定性。換言之，如果已知待探測的表面的名義位置在一定的公差之內(nèi)，則在計及這一不確定性的最優(yōu)基準距中可包括有公差距離分量。該公差分量有助于確保以恒定速度對處在限定誤差范圍內(nèi)的任何表面進行測量。對于某些坐標定位裝置而言，用于從靜止加速或減速至給定速度的時間是恒定的。對于其他裝置而言，加速是以恒定的比率進行的。從而優(yōu)選的是，針對在隨后的表面位置測量中將要使用到的給定速度或進給速率來計算最優(yōu)基準距。有利的是，本方法包括針對多個測量速度中的每個測量速度計算最優(yōu)基準距的步驟。例如，本方法可包括計算第一進給速率下的第一最優(yōu)基準距的步驟，以及針對至少一個其他進給速率計算至少一個其他最優(yōu)基準距的另一步驟。如上所述，可針對將用于表面位置測量的每一進給速率單獨地計算最優(yōu)基準距。 可選的是，可針對至少兩個進給速率來計算最優(yōu)基準距，并(例如通過插值技術(shù))用其來建立其他速度下的最優(yōu)基準距。有利的是，本方法可包括從在多個測量速度或進給速率下計算的最優(yōu)基準距中推導(dǎo)出函數(shù)或關(guān)聯(lián)關(guān)系，該函數(shù)或關(guān)聯(lián)關(guān)系使得可為一系列測量速度估計最優(yōu)基準距。該方法可用于任何類型的測量探針；例如，測量探針可根據(jù)需要為接觸式或非接觸式探針。有利的是，坐標定位裝置的測量探針包括接觸式觸發(fā)探針，其具有可撓變的、接觸工件的觸針。具有可撓變觸針的常用接觸式觸發(fā)探針具有超程限制。所述超程限制為在測量探針機構(gòu)的某一部件或觸針受到機械破壞之前，觸針能受到的最大變形。該超程限制可包括一安全邊際，且通常由探針生產(chǎn)商限定。有利的是，本方法還包括計算最大測量速度或進給速率的步驟，其可用于在不超出探針的所述超程限制的情況下進行表面位置測量。換言之， 可確定從觸針與表面接觸到坐標定位裝置使測量探針完全停止之間的各種延遲，且這些延遲可用于建立最大進給速率，該最大進給速率能用來確保不超出接觸式觸發(fā)探針的超程限制。利用本發(fā)明計算的最優(yōu)基準距可存儲在坐標測量裝置中，以隨后在獲取表面位置測量中使用。在計算最優(yōu)基準距之后，本方法有利地包括利用所述最優(yōu)基準距對物體進行一個或多個表面位置測量的附加步驟。換言之，測量探針可從空間中與待測表面相距該最優(yōu)標準距的初始點朝向該表面運動。如以下將詳細描述的那樣，可利用一次接觸式或兩次接觸式探測策略或測量周期來實現(xiàn)獲取表面位置測量的過程。對于兩次接觸式測量周期而言，第一次接觸用于提供估計的或概略的表面位置，而第二次接觸利用最優(yōu)基準距獲取表面位置測量。在這樣的兩次接觸式測量周期中，在每一表面位置測量之前優(yōu)選要對物體表面上的大致同一點進行初始測量。有利的是，在第一測量速度下進行表面位置測量(即，第二次接觸)，而在第二測量速度下進行初始測量(即，第一次接觸)。優(yōu)選的是，所述第二測量速度高于所述第一測量速度。這樣，高速的第一次接觸運動用來快速地尋找物體表面上的點的大概位置。測量探針然后運動至最優(yōu)基準距，并(例如，在較低速度下)進行第二次接觸運動，以精確地測量表面上點的位置。應(yīng)指出的是，在兩次接觸式測量周期中，第一次接觸測量(其通常在較高速度下執(zhí)行)可包括表面測量中的主要誤差或不確定性。這可能包括由于數(shù)控器響應(yīng)時間的任何不確定性引起的誤差，從而對于較慢掃描時間的控制器而言尤為顯著。對于包括數(shù)控器的坐標定位裝置而言，計算最優(yōu)基準距的步驟優(yōu)選包括計及數(shù)控器響應(yīng)時間的任何不確定性。具體而言，最優(yōu)基準距優(yōu)選要計及控制器響應(yīng)時間的不確定性對在測量周期的第一次接觸期間所獲取的估計表面位置的影響。例如，最優(yōu)基準距可包括這樣的距離分量，其對應(yīng)于由于控制器響應(yīng)時間的不確定性而帶來的表面上待測點的估計位置誤差。優(yōu)選的是，坐標定位裝置包括數(shù)控器，且所述方法包括評估該數(shù)控器響應(yīng)時間的不確定性的步驟。該不確定性可用于計算以上針對兩次接觸式策略所述的距離分量。有利的是，以這樣的方式獲得的數(shù)控器響應(yīng)時間中的不確定性可用于選擇合適的探測策略(例如，一次接觸式策略或兩次接觸式策略)，以用來對物體進行表面位置測量。本發(fā)明的方法可在諸如機床或?qū)Ｓ米鴺藴y量機(CMM)的任何坐標定位裝置上執(zhí)行。有利的是在包括數(shù)控機床的坐標定位裝置上執(zhí)行本方法，該數(shù)控機床具有其內(nèi)可拆卸地容納有測量探針的主軸。本發(fā)明也延伸到一種計算機程序，該計算機程序在計算機(例如，通用計算機或數(shù)控器)上運行時執(zhí)行上述方法。也可根據(jù)本發(fā)明提供一種被編程以執(zhí)行本方法的計算機 (例如，通用計算機或數(shù)控器)。也可提供用于存儲這樣的程序的計算機存儲載體(例如， 光盤)。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，一種坐標定位裝置包括用于獲取表面位置測量的測量探針，其中，所述坐標定位裝置包括處理器，該處理器用于計算待由所述坐標位置裝置獲取的表面位置測量的最優(yōu)基準距，所述處理器利用測得的所述坐標定位裝置的至少一個加速特性計算所述最優(yōu)基準距。根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供一種方法，該方法用于對在包括測量探針的坐標定位裝置上的受保護定位運動的最大速度進行計算，其中，所述方法包括利用測得的所述坐標定位裝置的至少一個加速特性計算所述最大速度的步驟。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解的那樣，受保護的定位運動是這樣一種定位運動，其是在坐標定位裝置使測量探針運動且同時監(jiān)測該探針的觸發(fā)或信號線的情況下進行的定位運動。受保護的定位運動從而可包括作為測量周期的一部分而執(zhí)行的運動，或者是在測量之前或之后為了使探針運動到理想位置而執(zhí)行的運動。有利的是，坐標定位裝置包括具有超程限制的測量探針。在這一實施例中，受保護定位運動的最大速度為在物體被接觸且探針的運動停止的情況下確保不超過該超程限制而能采用的最大速度。還可提供一種坐標定位裝置，其包括用于獲取表面位置測量的測量探針，其中，所述坐標定位裝置包括處理器，該處理器用于計算利用所述測量探針進行受保護定位運動的最大速度，其中所述處理器利用測得的所述坐標定位裝置的至少一個加速特性來計算所述最大速度。根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供一種用于為包括數(shù)控器的坐標定位裝置選擇測量策略的方法，其中，所述方法包括確定所述數(shù)控器的響應(yīng)時間中的不確定性的步驟。換言之， 可建立對時間不確定性的測量，所述時間是數(shù)控器響應(yīng)于從測量探針接收的觸發(fā)信號而采用的時間。如以下將更加詳細描述的那樣，可利用不同的基準距和/或測量速度對物體表面上的同一點進行多次測量而實現(xiàn)這一點。這一系列測量的不確定性為數(shù)控器響應(yīng)時間的不確定性提供了測量。以這樣的方式獲得的數(shù)控器響應(yīng)時間的不確定性可用于選擇合適的探測策略，以用于進行物體表面位置測量。例如，如果數(shù)控器在較高速度下運行(即，具有較低的響應(yīng)時間不確定性)，則可執(zhí)行所謂的一次接觸式探測策略。如果數(shù)控器為較低速度(即，其具有較高的響應(yīng)時間不確定性)，則可執(zhí)行所謂的兩次接觸式探測策略，其中，在每次表面位置測量之前，先對物體表面上的大致同一點進行初始測量。在這樣的兩次接觸式測量中，表面位置測量優(yōu)選在第一測量速度下進行，而初始測量在第二測量速度下進行，所述第二測量速度高于所述第一測量速度。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種使得由包括測量探針的坐標定位裝置獲取的表面位置測量最優(yōu)化的方法，其中，所述方法包括測量所述坐標定位裝置的至少一個加速度特性的步驟。


下面將參照附圖僅以示例的方式描述本發(fā)明，附圖中圖1為承載有測量探針的坐標定位裝置的示意圖，其中該測量探針具有可撓變的觸針。圖2示出了機床探測系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)。圖3示出了導(dǎo)致探針超行程的各種因素。圖4示出了存在于一類機床上的加速區(qū)。圖5示出了機器加速期間獲取的測量是如何導(dǎo)致測量誤差的。圖6示出了兩次接觸式探測程序。圖7a和圖7b示出了如何可通過測量機器的加速區(qū)來建立加速距離。圖8示出了圖7a和圖7b的機器的加速區(qū)。圖9示出了動態(tài)誤差的概念。圖10示出了利用非最優(yōu)的兩次接觸式探測策略的測量周期的速度。圖11比較了根據(jù)本發(fā)明的最優(yōu)兩次接觸式探測策略與一次接觸式策略的測量速度。圖12示出了在一次接觸式探測策略中，誤差隨著進給速率而增加。圖13示出了使用較高進給速率時的速度穩(wěn)定效應(yīng)。
具體實施例方式參見圖1，其示出了由主軸2保持接觸式觸發(fā)探針4的機床。該機床包括諸如一個或多個電機8的公知裝置來使主軸2在機床的工作區(qū)域中相對于位于工件座7上的工件6運動。利用編碼器等以公知的方式精確測量主軸在機器的工作區(qū)域內(nèi)的位置；這樣的測量提供在機器坐標系(x，y，z)中定義的主軸位置數(shù)據(jù)。數(shù)控器 (NC) 20控制主軸2在機床的工作區(qū)內(nèi)的運動，并從各個編碼器接收有關(guān)主軸位置的信息。 NC20可包括前端計算機，或者可與這樣的計算機交互。接觸式觸發(fā)探針4包括利用標準的可拆卸柄狀連接器附連到機床主軸2上的探針本體10。探針4還包括從殼體伸出來的工件接觸觸針12。觸針球14設(shè)置在觸針12的遠端，用于與相關(guān)的工件6接觸。當觸針的撓變超出給定的閾值時，接觸式觸發(fā)探針4產(chǎn)生所謂的觸發(fā)信號。探針4包括無線發(fā)送器/接收器部16，其用于將觸發(fā)信號傳送到遠程探針接口 18的對應(yīng)無線接收器/發(fā)送器部。該無線鏈路例如可以為RF或光纖。NC20(經(jīng)由接口 18)接收主軸位置(x，y，ζ)數(shù)據(jù)和觸發(fā)信號，并在接收到觸發(fā)信號的時刻記錄下表觀主軸位置數(shù)據(jù)(x，y，z)。這樣，在進行適當?shù)男屎?，即可測量諸如工件6的物體的表面上的點的位置。如圖2示意性示出的那樣，可以認為裝配到機床上的探測系統(tǒng)包括5個組成部分。 這5個組成部分包括測量探針組件30、探針接口 32 (其包括探針發(fā)送系統(tǒng)和其與CNC系統(tǒng) 36的接口)、機床34、CNC控制系統(tǒng)36以及駐留在CNC控制系統(tǒng)36上的探針控制軟件38。 這些組成部分中的每個組成部分都影響著探測系統(tǒng)的度量性能以及任何給定測量或探測周期的時長。利用上述探測系統(tǒng)執(zhí)行的任何測量周期中的關(guān)鍵事件是觸發(fā)器。測量探針30的觸針與物體表面上的點的接觸使得探針接口 32中產(chǎn)生一變化，這一變化被發(fā)送到CNC控制器36。以下將參照圖3更加詳細描述的這一過程在操作員看來是瞬時發(fā)生的。但實際上， 其包括一系列不連續(xù)的步驟，這些步驟最終形成由CNC控制器36處理的觸發(fā)信號。參見圖3，其示出了通常的接觸式觸發(fā)探測序列的各個階段。在測量過程中，向著待測物體42的表面驅(qū)動探針。在第一時刻A，觸針尖端40與物體表面上的點接觸。在測量過程的該第一階段，探針繼續(xù)朝向物體運動，而觸針進一步撓變。在第二時刻B，測量探針的觸針的撓變超過閾值。探針在與表面初步接觸到達到探針感測閾值這一過程中必須行走的距離稱為機械預(yù)行程。在公知類型的運動探針中，機械預(yù)行程是使觸針彎曲得足以存儲足夠的應(yīng)變能以剛好能克服復(fù)位彈簧的力從而將輥子抬離其輥座所需的距離。在所謂的應(yīng)變計探針中，觸針會一直彎曲，直到應(yīng)變計裝置記錄到應(yīng)變的變化超出了某一預(yù)設(shè)值為止。機械預(yù)行程是與探針硬件相關(guān)的，而不會在測量周期中隨著探針運動的速度變化。從而通常可通過適當?shù)男屎蛻?yīng)用軟件來“校準掉”機械預(yù)行程效應(yīng)。在機械預(yù)行程或第一階段之后開始的測量過程第二階段包括探針接口對已經(jīng)發(fā)生的機械觸發(fā)事件進行識別，并向CNC控制器發(fā)出觸發(fā)信號。機械觸發(fā)事件與向CNC發(fā)送觸發(fā)信號之間的延遲通常稱為接口響應(yīng)時間。換言之，接口在圖3所示的時刻C發(fā)出其觸發(fā)信號，在該時刻，探針仍然朝向物體運動，從而使觸針進一步撓變。應(yīng)注意的是，接口響應(yīng)時間通常包括與信號過濾相關(guān)聯(lián)的延遲。該信號過濾延遲是由于通常的探針接口持續(xù)地監(jiān)測相關(guān)測量探針的狀態(tài)并在測量探針與表面接觸時向CNC 系統(tǒng)發(fā)送觸發(fā)信號而造成的。然而，有些作用在觸針上的力(例如慣性力)會被接口錯誤地認為是表面接觸力。例如，如果以較大的探針加速度使用長的觸針，就很有可能產(chǎn)生瞬態(tài)觸針撓變，這會導(dǎo)致所謂的“偽觸發(fā)”(即，觸針實際上沒有與表面接觸而產(chǎn)生觸發(fā))。為了提高觸發(fā)信號的可靠性，通常探針接口被設(shè)置成將瞬態(tài)信號過濾掉，從而僅在預(yù)定的時間段(例如，0.01秒)內(nèi)超出撓變閾值信號水平的情況下，將觸發(fā)信號發(fā)送到控制器。在接口響應(yīng)時間中也存在與從探針向接口發(fā)送觸發(fā)事件相關(guān)的小的延遲成分；例如，在通常的光線傳送系統(tǒng)中，該延遲成分為0. 002秒，對于標準RF通信系統(tǒng)，該延遲成分為0. 01秒。盡管對于不同的測量系統(tǒng)，探針接口響應(yīng)時間會有很大不同，但是對于特定的設(shè)置其通常是恒定的，從而一般而言可校準消除該探針接口響應(yīng)時間。通常的探針觸發(fā)序列的第三階段為機器的CNC控制器識別并作用于從探針接口接收到的觸發(fā)信號的過程。CNC控制器從而在如圖3所示的時刻D作用于接收到的觸發(fā)信號(例如，通過暫停探針的運動)，在該時刻D，探針已進一步行進，從而增加了觸針的撓變。 CNC控制器引入的這一時間延遲通常稱為控制器響應(yīng)時間。盡管可通過適當?shù)男什僮鲗竞愣ǖ难舆t(例如，機械預(yù)行程效應(yīng)和探針接口響應(yīng)時間)進行補償，但是控制器響應(yīng)時間通常具有高度的不確定性。而且，不同廠家和不同類型的CNC控制器的控制器響應(yīng)時間會相差幾個量級。例如，從發(fā)出觸發(fā)信號到CNC 控制器能響應(yīng)于該信號采取動作之間的時間延遲可能短至4微秒或長至4毫秒，這取決于控制器的規(guī)格和控制器的選型。在低速端范圍內(nèi)，某些可商購的CNC控制器對輸入進行掃描。通常，這樣的CNC控制器在掃描時間內(nèi)對各輸入線的狀態(tài)進行檢測，還設(shè)置各輸出線的狀態(tài)。因此，每個周期中將對觸發(fā)信號輸入線以及所作用的狀態(tài)進行一次掃描，但是這是在從零到整個掃描時間之內(nèi)的某個不確定的時間點進行的。因此可認為掃描時間是一抖動。這樣的低速控制器的通常掃描時間或抖動約為1至4毫秒。在高速范圍內(nèi)，存在具有所謂的直接或高速跳躍中斷或輸入的NC控制器來接收觸發(fā)信號。在這樣的控制器中，探針觸發(fā)信號可直接連接至各軸線控制板，且?guī)缀跏窃诮邮盏接|發(fā)信號的瞬時鎖存或記錄當前的軸線位置。與軸線控制板的這種探針信號集成通常提供響應(yīng)時間或等待時間的量級為4微秒，且抖動可忽略。隨著控制器掃描時間的增加，與利用以一定速度或進給速率朝向物體前進的測量探針進行的測量相關(guān)的誤差也隨之增加。在直接或高速輸入的相關(guān)時滯為4微秒的機器上，即使在極高進給速率下，控制器響應(yīng)時間的效應(yīng)也是可忽略的，這是因為機器在該時間內(nèi)行進的距離是可忽略的。然而，人們發(fā)現(xiàn)在掃描時間較長的機器上，在以較高的進給速率進行測量時計量精度會顯著下降。如以下將更加詳細描述的那樣，本發(fā)明能提供最優(yōu)的兩次接觸式測量周期，即使在控制器的掃描時間較長的情況下，該兩次接觸式測量周期也具有較高的計量性能。然而，期望的是選擇與所用控制器最適應(yīng)的探測策略(例如，一次接觸式策略或兩次接觸式策略)。使用者可基于已知的控制器掃描時間自動選擇(例如，如下所述)或設(shè)定一次接觸式策略或兩次接觸式策略。具體而言，兩次接觸式測量策略可用于較慢(例如，毫秒)的控制器，而一次接觸式測量策略可用于高速(例如，微秒)的控制器。使用者只需對CNC控制器進行編程，以根據(jù)已知的CNC控制器掃描速度來執(zhí)行所需的策略。有利的是，可自動評估控制器的響應(yīng)時間?？赏ㄟ^對物體表面上的同一點的多次測量結(jié)果的重復(fù)性進行分析來實現(xiàn)這一點。例如，可采用相同的基準距，以多個不同的速度對同一點進行測量。替換地， 可采用多個不同的基準距，以單一的速度對同一點進行測量。對于較快的控制器，這些測量的重復(fù)性會很高，從而可識別這樣的控制器。于是可設(shè)定重復(fù)性或測量不確定性閾值(例如，10微米)，當測量不確定性低于這一閾值時執(zhí)行一次接觸式策略。參見圖4，其示出了承載有測量探針的機床主軸是如何在一定時間內(nèi)加速到一恒定速度或進給速率，或者在一定時間內(nèi)從一恒定速度或進給速率減速。換言之，如果CNC 控制器指令機床主軸開始以某一進給速率運動，其將花費一定量的時間來加速到給進給速率。主軸的這一加速/減速通常稱為機器的加速區(qū)。由CNC控制系統(tǒng)的生產(chǎn)商來設(shè)定決定機床加速和減速方式的控制算法。這些控制算法隨著機器構(gòu)造的不同而不同，而且在機器重新校準時也會發(fā)生改變。主要的CNC控制系統(tǒng)生產(chǎn)商，Siemens、Fanuc, Heidenhein和Missubishi都采用它們自己的專門邏輯算法和計算。然而，通常的情況是，機床通常不會以恒定的速率加速。例如，對于Fanuc和 Mitsubishi控制器而言，加速的速率設(shè)置成在預(yù)定時間(例如，0.06秒)內(nèi)達到編程的進給速率。因此，機床軸線在達到該編程進給速率之前行進的距離隨著進給速率的增加而線性增加。這如圖4所示，在圖4中示出了在第一進給速率lOOOmm/sec和第二進給速率 2000mm/sec的指令運行下速度隨時間的變化；第一和第二進給速度下的速度型分別由線 50和52示出。以下參照圖5描述在機器的加速區(qū)內(nèi)進行測量的不利影響。通常認為，所有的測量探針系統(tǒng)都需要校準。通常，這需要以隨后要在測量周期中使用的進給速率對已知表面進行探測。如上所述，CNC控制系統(tǒng)所記錄的物體表面上的點的位置與該點的實際位置之間存在差別。這一差別是由測量探針的機械預(yù)行程以及探針接口響應(yīng)時間引起的延遲造成的。這一差別也可認為是從觸針接觸物體到CNC控制系統(tǒng)接收到觸發(fā)信號之間的時間延遲。為便于理解，在以下對加速影響的描述中將忽略控制器響應(yīng)時間的不確定性。圖5示出了某一機床的典型速度-時間曲線60。對于給定的設(shè)置而言，與測量相關(guān)的由于機械預(yù)行程以及探針接口響應(yīng)時間而產(chǎn)生的時間延遲將是基本恒定的。為了從測量系統(tǒng)所獲取的測量中消除時間延遲的影響，要計算從觸針接觸物體的時刻Tp到探針接口發(fā)出觸發(fā)信號的時刻Ti這一時間段內(nèi)行進的距離A。這一距離A僅對特定的進給速率有效，可將其存儲起來，并可用于對以后所有的其他在該進給速率下測得的報告位置進行校正?，F(xiàn)在考慮在機器加速區(qū)內(nèi)進行的測量。隨著機器的加速，從觸針接觸物體的時刻Tp到發(fā)出觸發(fā)信號的時刻Ti之間的時間段內(nèi)測量探針行進的距離B將不同于距離A。換言之， 測量位置的校正量將為誤差C，而誤差C的量級取決于加速區(qū)中用于測量的那部分。因此可見，應(yīng)避免在測量探針處于加速區(qū)時獲取表面測量值。換言之，應(yīng)確保在觸針與物體表面接觸時，測量探針以恒定的速度運動，以此來保證精確的計量。如果測量周期開始于一靜止啟動，則測量探針應(yīng)定位在距離物體表面足夠遠的位置，這樣可在進行任何表面測量之前使測量探針加速到所需的恒定速率；距表面的這一初始距離稱為基準距，以下將參照圖6至圖9描述用以計算最優(yōu)基準距的方法。應(yīng)指出的是，具有可撓變觸針的接觸式測量探針會有所謂的超程限制。如果探針觸針的撓變超過了這一超程限制，就會給探針的撓變感測機構(gòu)帶來機械損壞，并且/或者會破壞觸針。可得知測量中使用的最大進給速率，這樣，在探針接觸到表面之后，可保證在達到超程限制之前使其停止運動?？赏ㄟ^計及觸發(fā)過程中的各種延遲(例如，參照圖3所描述的機械預(yù)行程、接口和控制器響應(yīng)時間)加上探針在CNC控制器的指令下減速到停止所需的時間來計算這一最大進給速率?，F(xiàn)在參照圖6，其示出了用于測量物體68的表面上的點的位置的所謂兩次接觸式測量周期。在箭頭70所示的第一步驟中，測量探針以一較高的進給速率從靜止起始位置向著物體68的表面加速。測量探針的觸針與物體的表面接觸，且觸針持續(xù)發(fā)生撓變，直到CNC 控制器報告收到探針觸發(fā)信息為止，然后，CNC控制器使測量探針停止運動。執(zhí)行該第一步驟是為了發(fā)現(xiàn)被測物體的表面，而不是為了提供精確的表面位置測量。在箭頭72所示的第二步驟中，反轉(zhuǎn)探針運動的方向，測量探針運動到基準位置 74。在箭頭76所示的第三步驟中，再次使測量探針的觸針接觸物體表面上的點，但是進給速率較低。盡管在圖6中以并排示出，但是應(yīng)指出的是，測量探針的觸針在第三步驟中接觸到的物體表面上的點大體上與在第一步驟中接觸到的物體表面上的點相同。該第二次較低速度的測量給出物體表面上的點的所需位置測量。在箭頭78所示的第四步驟中，測量探針運動離開表面，運動到下一測量的起始位置，或者運動到任何其他所需的位置。當然，可多次重復(fù)該方法以對物體表面上的多個點進行測量。第二步驟中用到的基準距決定著第三步驟中所獲取的測量速度和精度。如果該基準距過小，則有可能是在探針正在機床作用下加速到所需速度的過程中進行測量，從而會降低計量精度。相反地，如果該基準距過大，則在較低進給速率下使探針與物體表面接觸所需的時間會很長，從而增加了完成一個測量周期所需的時間，并因而降低了整體生產(chǎn)率。所有機床具有不同的特性，已發(fā)現(xiàn)，對于通常的探測系統(tǒng)而言，安裝工程師或最終用戶在設(shè)置基準距時會趨向于過于謹慎，以免影響計量。然而，這導(dǎo)致所執(zhí)行的兩次接觸式測量周期比實際所需要顯著地慢，從而不是最優(yōu)的。再次參照圖6，其示出了如何通過計及用于第二次接觸測量(即，用于在較低進給速度下執(zhí)行本發(fā)明的第三步驟的測量)的加速距離Dl以及在第一次接觸測量(即，在本方法的第一步驟中以較高進給速度執(zhí)行的測量)中對應(yīng)于CNC控制器響應(yīng)時間不確定性的距離D2來計算最優(yōu)基準距或位置74。也示出了隨著進給速率的變化而變化的動態(tài)區(qū)距離D3， 該動態(tài)區(qū)距離引起了物體表面上的點的測量位置的偏移，該偏移由于從觸針接觸到物體表面到NC控制器作用于所產(chǎn)生的觸發(fā)信號之間的時間延遲而產(chǎn)生；以上參照圖3描述了常見接觸式觸發(fā)探測規(guī)程中的產(chǎn)生這一(大致恒定的)延遲的各個階段。由于第二次接觸測量是在相對低的速度下進行的，從而針對該第二次測量的控制器響應(yīng)時間的不確定性很小， 從而能忽略；即，觸針接觸物體表面到NC控制器作用于所產(chǎn)生的觸發(fā)信號之間的時間延遲可以假定是大致恒定的。然而，用于較高進給速率的第一次接觸的距離D2計及了控制器響應(yīng)時間的不確定性。優(yōu)選地，對最優(yōu)基準距進行計算，以提供最快的測量周期時間，其中加速效應(yīng)不影響測量。然而，應(yīng)指出的是，如果僅要求較低的計量性能，則可設(shè)定一最優(yōu)基準距，該最優(yōu)基準距將加速效應(yīng)降低到提供所需測量精度的特定水平上。換言之，盡管這里所描述各種實施例描述的是獲取最高精度水平的測量，但是本方法也可用于獲取較低的、預(yù)定的測量精度。
以下參照圖7a、7b和8描述用于測量加速距離Dl的技術(shù)。具體而言，圖7b示出了測量探針測試運動的速度對時間的曲線圖，其中曲線下方的積分或面積等于運動距離Dc。 如從圖7b可以看到的那樣，在測試運動期間，測量探針被加速到已知的進給速率，然后減速到停止。圖7a示出了針對測量探針以恒定速度運行相同距離Dc的理論運動的速度對時間曲線。通過對如圖7b所示的實際測試運動進行計時，并將其與如圖7a所示的恒速運動 (即，沒有任何加速或減速)完成這一移動所需的時間進行比較，從而得出加速距離D1。從而可計算實際的運動時間iTa與恒速移動同一距離Dc所耗的理論時間Tc之間的時間差Td ； 這在圖8中示出。如圖8所示，加速/減速到恒定速度V是在時間段Td內(nèi)完成的。從而可通過下式計算加速距離Dl
權(quán)利要求
1.一種用來計算表面位置測量的最優(yōu)基準距的方法，所述表面位置測量待由包括測量探針的坐標定位裝置獲取，其中，所述方法包括利用所述坐標定位裝置的至少一個測得的加速特性計算最優(yōu)基準距的步驟。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其包括測量所述坐標定位裝置的至少一個加速特性的步驟。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，測量所述坐標定位裝置的至少一個加速特性的所述步驟包括以下步驟測量第一時間間隔，該第一時間間隔對應(yīng)于所述坐標定位裝置的可移動部分以指令速度在已知間距的兩點之間運動所耗的時間，其中在所述兩點之間的運動包括所述可移動部分的加速，以及比較所述第一時間間隔和第二時間間隔，該第二時間間隔對應(yīng)于以等于所述指令速度的大致恒定速度在已知間距的所述兩點之間運動所耗的時間。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中，計算最優(yōu)基準距的所述步驟包括計算一最優(yōu)基準距，該最優(yōu)基準距確保測量探針在隨后獲取表面位置測量的過程中將以大致恒定的速度運動。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中，計算所述最優(yōu)基準距的所述步驟包括計及要獲取表面位置測量的點的估計或名義位置中的任何不確定性。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，包括針對多個測量速度中的每個測量速度計算最優(yōu)基準距的步驟。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，包括從在所述多個測量速度下計算的所述最優(yōu)基準距中推導(dǎo)出函數(shù)或關(guān)聯(lián)關(guān)系的步驟，該函數(shù)或關(guān)聯(lián)關(guān)系使得可為一系列的測量速度估計最優(yōu)基準距。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中，所述坐標定位裝置的測量探針包括具有可撓變觸針的接觸式觸發(fā)探針。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述接觸式觸發(fā)探針具有超程限制，而且所述方法包括計算最大測量速度的步驟，該最大測量速度可用于在不超出所述超程限制的情況下進行表面位置測量。
10.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，包括利用所述最優(yōu)基準距對物體進行一次或多次表面位置測量的附加步驟。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，在每一表面位置測量之前對物體表面上大致相同的點進行初始測量，其中，在第一測量速度下進行所述表面位置測量，在第二測量速度下進行所述初始測量，所述第二測量速度高于所述第一測量速度。
12.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中，所述坐標定位裝置包括數(shù)控器，且所述方法包括評估所述數(shù)控器響應(yīng)時間的不確定性的步驟。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，計算所述最優(yōu)基準距的所述步驟包括計及所述數(shù)控器的響應(yīng)時間的任何不確定性。
14.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中，所述方法用在坐標定位機上，該坐標定位機包括數(shù)控機床，該數(shù)控機床具有其中能可拆卸地容納測量探針的主軸。
15.一種計算機程序，該計算機程序在計算機上運行時執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法。
16.一種坐標定位裝置，其包括用于獲取表面位置測量的測量探針，其中，所述坐標定位裝置包括處理器，該處理器用于計算待由所述坐標位置裝置獲取的表面位置測量的最優(yōu)基準距，所述處理器利用所述坐標定位裝置的至少一個測得的加速特性計算所述最優(yōu)基準距。
17.一種計算在包括測量探針的坐標定位裝置上的受保護定位運動的最大速度的方法，其中，所述方法包括利用所述坐標定位裝置的至少一個測得的加速特性計算所述最大速度的步驟。
18.一種用于為包括數(shù)控器的坐標定位裝置選擇測量策略的方法，其中，所述方法包括確定所述數(shù)控器的響應(yīng)時間的不確定性的步驟。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種用于計算由包括測量探針(4)的坐標定位裝置獲取的表面位置測量的最優(yōu)基準距(74)的方法。所述坐標定位裝置可包括機床，所述測量探針(4)可包括具有可撓變觸針(12)的接觸式觸發(fā)探針。所述方法包括利用測得的所述坐標定位裝置的至少一個加速特性計算最優(yōu)基準距(74)的步驟。這樣，可優(yōu)化測量周期時間。
文檔編號G05B19/401GK102282441SQ201080004977
公開日2011年12月14日 申請日期2010年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月20日
發(fā)明者德里克·馬歇爾, 戴維·約翰·羅杰斯, 瓊·馬克·賈卡洛內(nèi) 申請人:瑞尼斯豪公司