專利名稱：掃描速度恒定的掃描探針的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于掃描工件表面的方法和相關(guān)的裝置。
背景技術(shù)：
已知有多種掃描方法，其中，機(jī)械探針被固定在機(jī)械的心軸上，其以直線
在針可能的方向(x， y， z)揭虹件的表面。在誠(chéng)每條線之后，機(jī)械心 軸3 針移至離開(kāi)所完成線的新位置，并沿著平行線而重復(fù)該移動(dòng)。
現(xiàn)有技術(shù)中已知的這些方法的一個(gè)主要缺點(diǎn)在于由于覆蓋表面的整個(gè)掃描 區(qū)域時(shí)整個(gè)機(jī)器需要向后和向前移動(dòng)，所以它們對(duì)于掃描復(fù)雜的形狀相當(dāng)慢。 另外，由于負(fù)責(zé)定位表面檢測(cè)設(shè)備的元件的質(zhì)量大而產(chǎn)生的強(qiáng)慣性力，機(jī)器的 力口速和M3I會(huì)在觀懂逝呈中產(chǎn)生誤差。因此，慣性力所弓胞的彈性變形可負(fù)面 地影響測(cè)量。
為最小化慣性作用并因而保證更精確的結(jié)果，在EP1489377中已經(jīng)引入了 '[I3I掃描裝置。這些掃描裝置仍然不適合于非直線運(yùn)動(dòng)。
還己知其它涉及探針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的掃描裝置。相反，這些掃描方法非常適合 于球形或圓柱形的表面，但是不適合于平坦表面。US5895442描述了這種探針 的一個(gè)實(shí)例，基于存儲(chǔ)的校正值而允許^圓柱形或者球形表面恒速掃描。
EP0402440公開(kāi)了一種掃描裝置，其更有效地處理帶有更復(fù)雜輪廓的表面。 該裝置允許根據(jù)常規(guī)軸(x， y， z)在線性運(yùn)動(dòng)上有另外的旋轉(zhuǎn)自由度。該探針 由設(shè)置在測(cè)量機(jī)器頭部上的觸針組成，從而該頭部包括可圍繞兩個(gè)正交軸旋轉(zhuǎn) 的軸。觸針可釆取任意方向，從而該尖端保持與待掃描表面接觸。這樣，可沿 著曲線路徑更有效;t鵬行掃描，同時(shí)由于觸針的輕質(zhì)而最小化慣性作用。但是， 該裝置未考慮電影效應(yīng)，以便估計(jì)施加于探針上的力，因此精度不是最佳的。 另外，由于沿著掃描路徑施加的摩擦力，該電影效應(yīng)放大了探針尖端上的磨損。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目標(biāo)在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的已知方案的局限性。
根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)采用設(shè)置在坐標(biāo)測(cè)量機(jī)器(CMM) 4的支架3上的掃描探針2以恒定掃描繊F。掃描工件1表面的方法而實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)。該CMM包 括第一組第一組致動(dòng)器6， 7， 8，用于沿著三個(gè)線性軸(x， y， z)移動(dòng)支架， 并且支架3包括第二組致動(dòng)器14， 17，用于i吏掃描探針2相對(duì)于所述支架3而 運(yùn)動(dòng)。CMM包括連接至該組致動(dòng)器6， 7， 8， 14， 17的控制器33。 該方法包括如下步驟
(i) 確定掃描tt值；
(ii) 操作該組gC動(dòng)器6， 7， 8， 14， 17，以便將探針尖端25定位成接 角據(jù)面1;
(iii) 操作第一組致動(dòng)器6， 7， 8，以便g確定的軌跡36移動(dòng)支架3; Gv) 操作第二組致動(dòng)器14， 17，以便在支架3相對(duì)于表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)的
同時(shí)產(chǎn)生掃描探針2相對(duì)于支架3的移動(dòng)。
控制器33沿著掃描路徑37而調(diào)整兩組驅(qū)動(dòng)裝置6， 7， 8， l(t， 17的驅(qū)動(dòng)， 以便至少在掃描路徑37的部分40上維持掃描皿等于確定值「。。
本發(fā)明滿足了掃描裝置在測(cè)量領(lǐng)域的需要，其可例如通過(guò)擺動(dòng)有效地掃描 所有鄉(xiāng)的表面，同時(shí)在齡觀糧MI呈中有可能在齡掃描路徑上維持非常高 的精度。恒掃描速度的特征3B1過(guò)在加速階段減小由于更大的摩擦力所產(chǎn)生的 過(guò)熱而艦探針的壽命。
所公開(kāi)的掃描裝置的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是一種簡(jiǎn)單的釆樣過(guò)程，以提供離散點(diǎn)的 均勻分布，其坐標(biāo)需要沿著掃描路徑而在表面上測(cè)量。實(shí)際上，M簡(jiǎn)單地設(shè) 置規(guī)貝啲釆樣時(shí)間間隔，將沿著掃描路徑而均勻地散布這些點(diǎn)。


借助于對(duì)以，iJ給出并由附圖描述的實(shí)施例的說(shuō)明，將更好地理解本發(fā)明， 其中
圖1示出了用于應(yīng)用本發(fā)明的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)器和掃描裝置；
圖2示出了安裝探針的橫截面。
圖3示出了掃描探針及其角位置的3D視圖。
圖4示出了探針?biāo)匮膾呙杪窂降捻斠晛y并描述了繊向量組成。 圖5解釋了如何根據(jù)本發(fā)明的另一方面而進(jìn)〗MJ變調(diào)整iilf呈。
具體實(shí)施例方式
在圖l中公開(kāi)了根據(jù)本發(fā)明一雌實(shí)施例的坐標(biāo)觀憧機(jī)器4。這樣的機(jī)器4還稱為CMMo CMM 4包括,支架3的掃描探針2。支架3可沿^勤可線性方 向(Xi Y， Z)移動(dòng)，而掃描探針2相對(duì)于支架3具有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。在該 實(shí)例中，探針的旋轉(zhuǎn)軸分別為垂直的、水平的，但是可考慮到軸的其它組合(例 如，兩條獨(dú)立的正^7jC平軸，或者任何數(shù)量的旋轉(zhuǎn)軸，或者旋轉(zhuǎn)和線性自由度 的任意組合)。
根據(jù)該環(huán)境，CMM可竊幾種類型的測(cè)量探針，例如，包括但不排它的-如圖2所描述的接觸型探針，其中，對(duì)著測(cè)量表面而推動(dòng)接觸球，并且通
過(guò)考慮探針的偏斜而計(jì)算接觸點(diǎn)的坐標(biāo)，該坐標(biāo)由應(yīng)力計(jì)或其它合適的傳感器
給出；
激光探針(未顯示)，其中，探針將一條或多條激光光束照射至l康面上，并 給出g光路的距離；
光學(xué)探針，其基于' 成像設(shè)備或者機(jī)械顯示系統(tǒng)。
下面將特別參考第一種情形的接觸型探針2而進(jìn)行描述，其被C畫(huà)4沿掃 描路徑帶到接觸表面1的坐標(biāo)待測(cè)點(diǎn)。但是，該特征不是必要特征。對(duì)于非接 觸型探針，通過(guò)將探針對(duì)準(zhǔn)表面的坐標(biāo)待檢測(cè)的那些點(diǎn)而同樣地應(yīng)用本發(fā)明的 方法。通常，本發(fā)^^包括采用CMM將測(cè)量探針歸掃描路徑以恒定的速度帶到 和表面的坐標(biāo)待測(cè)點(diǎn)之間呈須糧關(guān)系的步驟。
下面，如圖1所描述的，參考Q1M的常規(guī)方位而使用方向"垂直"和"水 平"。但是，必須理解，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)而在這里使用這些方向，并不表示對(duì)本發(fā)明 的限制，本發(fā)明可以以其它類型的測(cè)量裝置以及任意地空間定位而被實(shí)施。
皿作為例子而在圖1中以電動(dòng)機(jī)6， 7， 8示意性地表示的第一組驅(qū)動(dòng)裝 置，支架3可在任意線性方向(X， Y， Z)上移動(dòng)。可3131合適的編碼器(未示 出)測(cè)量支架3相對(duì)于軸X, Y, Z的位置。m他，由C顧(在圖l中可見(jiàn))的 數(shù)雜制器33雜制和處理編碼器進(jìn)行的電動(dòng)機(jī)6， 7, 8的驅(qū)動(dòng)以及測(cè)量?？?制器還負(fù)責(zé)讀取編碼器的位置和測(cè)量探針的輸出，以及將該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)楸砻? 的點(diǎn)坐標(biāo)。
由于支架3的大部分元件非常重，所以在圖4中進(jìn)一步示出的支架3所沿 循的車腿36 為線性的，或者至/丄，寺征是低加il7jC平，以減小慣性作用。
和支架3相反，探針2由輕Mt才料制成。雖然支架3被定位戯且略地確定 掃描區(qū)域并且沿著優(yōu)選為直線的軌跡36移動(dòng)，但是探針2旨在使得掃描在表面1上提供更多的參照點(diǎn)以M標(biāo)測(cè)量方面更為有效。為實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，探針2可橫 向移至線性軌跡36的瞬時(shí)方向，同時(shí)相對(duì)于支架3稍微旋皆運(yùn)動(dòng)。這些旋轉(zhuǎn)運(yùn) 動(dòng)例如可以為擺動(dòng)。它們被第二組驅(qū)動(dòng)裝置14， 17驅(qū)動(dòng)，其目標(biāo)一方面在于根 據(jù)相應(yīng)的軸而確定角速度",，"2，但另一方面在于施加力矩T,， T2,以便允許 如11 作時(shí)接觸表面1。，為球形的探針25尖端因此可保持與掃描表面1接 觸，同時(shí)以隨后在該文獻(xiàn)中定義的恒定速度Vs進(jìn)行掃描。探針25尖端和待掃描 表面1之間的接觸力F被定義為由表面施力瞎探針尖端25上的反作用力。也在 圖1中描述的接觸力因此與同表面1的接觸點(diǎn)正切的表面垂直。
圖2示出了將探針2設(shè)置在支架3上以及如何被第二組驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)而運(yùn) 動(dòng)的截面圖。,地，該第二組驅(qū)動(dòng)裝置由兩個(gè)致動(dòng)器14、 17組成。第一致動(dòng) 器14沿著Z軸驅(qū)動(dòng)中心軸， 選為電動(dòng)機(jī)。探針頭24裝配在軸底部上，從 而固定探針2并將其旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳,探針2。相應(yīng)于該軸所獲得的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的角 3Ut還稱為w,。
探針頭部24被設(shè)計(jì)為探針2還可圍繞另一條軸而自由旋轉(zhuǎn)，借此，織二 軸與第一軸(在該實(shí)例中為Z軸)正交，但是其在平面上的方向取決于中心軸 的位置。第二致動(dòng)器17沿著i亥第二軸驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并且也優(yōu)選為電動(dòng)機(jī)。相 應(yīng)于該軸所獲得的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的角M還稱為"2。
在該實(shí)例中，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，劍門(mén)假定電動(dòng)機(jī)14， 17的兩條軸在空間20中 匯集于一點(diǎn)，即使不一定總是如此。本領(lǐng)域技術(shù)人員將可理解，劍門(mén)的推導(dǎo)和 本發(fā)明的方法同樣適用于一般情況。該點(diǎn)20為兩個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的中心，并且當(dāng)支 架3以恒定的線'M^運(yùn)動(dòng)時(shí)，可標(biāo)伽利略參考系的中心。由于點(diǎn)20沿車tt 36的坐標(biāo)是已知的，如圖3進(jìn)一步所述的，所以探針23的長(zhǎng)度允許確定探針 25尖端和兩條軸20的交點(diǎn)之間的接觸點(diǎn)位置，并因此依次獲得接觸點(diǎn)的絕對(duì)坐 標(biāo)。
圖3示出了如何獲得探針尖端25的絕對(duì)坐標(biāo)。其由探針相應(yīng)于旋轉(zhuǎn)軸的角 位置a， 0確定。將球面坐標(biāo)(L， a, 0)簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)換為線性坐標(biāo)(X， Y， Z) 產(chǎn)生了絕對(duì)坐標(biāo)。探針2在任意方向(a ， 9 )上的定向產(chǎn)生了更大的掃描自 由度，這是由于它允許在不失去與具有多個(gè)有角表面1的工件接觸的條件下進(jìn) 行掃描，同時(shí)探針頭24簡(jiǎn)單地、歸線性車爐36移動(dòng)。另外，和大重量的支架3 相比，帶動(dòng)輕質(zhì)觸針2時(shí)可減小慣性作用。探針尖端25的絕對(duì)坐標(biāo)沿著掃描路徑37移動(dòng)，該路徑由探針尖端25和表面1之間的所有接觸點(diǎn)組成。在本發(fā)明 的tffi實(shí)施例中，將絕對(duì)坐標(biāo)44存儲(chǔ)在存^^g中。圖4示出了平坦表面(x， y)上可能的掃描路徑，并解釋了探針尖端25上 速度向量的組成。由虛線表面g待掃描表面l;,這里包括在平面(x， y) 中但是可g三維空間(x, y， z)。支架3的軌跡36為線性的虛線，其可指向 ttf可方向。探針的固有移動(dòng)^支架3沿軌跡36的移動(dòng)決定了探針25尖端所 沿循并且同時(shí)測(cè)量點(diǎn)90所沿循的掃描路徑37。重要的是注意在接觸型探針的情 況下，測(cè)量點(diǎn)90對(duì)應(yīng)于探針25尖端和待測(cè)量表面1之間的接觸點(diǎn)，但是如果 本發(fā)明應(yīng)用于非接觸型測(cè)量系統(tǒng)，例如光學(xué)探針，貝懷必是這種情況。盡管圖2 僅僅示出了該路徑在兩維中的投影，但是該路徑不限于某平面，并且還可根據(jù) 待測(cè)量對(duì)象的曲率和形m過(guò)三維空間。為保,度向量26的值在探針尖端25水平上恒定，兩個(gè)成皿度向量， 即一方面為支架的速度向量V以及另一方面為探針尖端25相對(duì)于支架相對(duì)運(yùn)動(dòng) 的相對(duì)速度向量Vr，必須M31向量組成而提供恒定的值，或者至少提供在一定 近似范圍內(nèi)恒定的值，從而加職較小并且摩擦力不會(huì)過(guò)快磨損探針25尖端， 而慣性力仍然可忽略。探針相對(duì)運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)參照系中心被選為圖2的點(diǎn)20，其 也示出在圖4的頂視圖上。但是，坐標(biāo)的其它選擇也是可能的。對(duì)圖4示出的平坦表面而言，由向量Vr^領(lǐng)懂點(diǎn)相對(duì)于支架3中心20的 相對(duì),。假定在該實(shí)例中角度a根據(jù)預(yù)定的運(yùn)動(dòng)法則(^a (t)而變，而角 度e是固定的。由恒定量^ =/< v//7 "J給出中心20和接觸點(diǎn)90之間的7jC平距離。因此，接觸點(diǎn)90相對(duì)于中心20的坐標(biāo);^》由下式給出<formula>formula see original document page 8</formula>而相對(duì)速度向量K相應(yīng)的水平分量t和^由下式給出2) <formula>formula see original document page 8</formula>為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，以平行于X軸的頭部3的路徑36為頭部3的移動(dòng)速度。這樣，直接概括出頭部3的運(yùn)動(dòng)完全由其x坐標(biāo)& 和相對(duì)速度r :^v^描述。測(cè)量點(diǎn)90相對(duì)于測(cè)量對(duì)象的絕對(duì)速度K具有如下分量3) <formula>formula see original document page 8</formula>要求接觸點(diǎn)f"。 二 k的絕對(duì)速度度定引入了 & GJ和ff ";之間的關(guān)系4) 甸=VK2-i 2cos2(a) ci2 - /fei"(Wci在這里，右邊的部分是完全已知的。方程(4)是容易數(shù)值積分的A W 的單獨(dú)變量的普通微分方程，對(duì)于任何給定組的參數(shù)^ A " W，假定滿足下 面的不等式5) ,李os(a)爿否則方程(4)沒(méi)有實(shí)數(shù)解。這一點(diǎn)符合K值必須足夠大以符合探針的角擺 動(dòng)所施加的，的事實(shí)。可觀測(cè)到，在某些情況下，方程(4)可提供其中K W :^/^改變符號(hào) 的解決方案，其對(duì)應(yīng)于機(jī)器頭部3的前后運(yùn)動(dòng)。但是在許多情況下，有利的是 相應(yīng)于a振蕩幅度和速度而選擇K值，以獲得相同意義的頭部運(yùn)動(dòng)來(lái)減小振蕩 和聽(tīng)。因此，C醒的控制器可實(shí)時(shí)或者在掃描前計(jì)算探針頭3的路徑，髓該路徑 的移動(dòng)速度并非嚴(yán)格恒定，而是由上述方程(4)給出。這樣，探針2的測(cè)ft^ 端25將g曲線路徑37掃描表面上的一系列點(diǎn)，由探針2和頭部3的運(yùn)動(dòng)組 成產(chǎn)生，在接觸型探針的情況下相應(yīng)于接觸點(diǎn)，測(cè)量點(diǎn)90沿著該路徑以恒定速度kl =《移動(dòng)。當(dāng)然不可能以無(wú)限精度施加嚴(yán)格恒定的速度。由于機(jī)器和算法柳艮制，在 真實(shí)情況下，點(diǎn)90的真實(shí)鵬將受某些誤差影響。這種情況下，可以如J)WCMM編程，以便在某種定義公差內(nèi)維^3i度kl恒定。某些瞎況下，特別是在探針2快速擺動(dòng)時(shí)，方程(4)將產(chǎn)生艦CMM動(dòng) 態(tài)極限的Xh(t)^ii^。例如，有可能在探針2振蕩的翻轉(zhuǎn)點(diǎn)附近不能保i疏度 的恒定。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，可對(duì)CMM編程以處理該局限性。例如，在 區(qū)域41或者在掃描路徑的選擇部分40內(nèi)可保瓶度恒定，其中不艦C畫(huà) 的動(dòng)態(tài)極限，并且允許其在該區(qū)域或，些部分之外變化。根據(jù)本發(fā)明的該優(yōu)選實(shí)施例，有可能很容易沿著掃描路徑40的部分以恒定 的掃描速度kl對(duì)坐標(biāo)44規(guī)則;M樣。僅僅需要將時(shí)間間隔選擇為相等，從而 所采樣的坐標(biāo)44沿著掃描路徑37相，布。借助于該掃描方法，從而容易獲 得在正確的選擇邊界值和釆樣時(shí)間間隔M時(shí)待測(cè)量點(diǎn)的有效分布?？蓪⑺鶞y(cè)量 的坐標(biāo)44存儲(chǔ)在不工作時(shí)的控制器的存儲(chǔ)器中。在本發(fā)明的雌實(shí)施例中，不僅將速度維持瞎定，而且將施加于探針2尖 端的偏轉(zhuǎn)力F維持恒定，以便使沿著掃描路徑37測(cè)量的坐標(biāo)盡可能地準(zhǔn)確。為此，雖然在掃描路徑37部分上由第一電動(dòng)機(jī)14將角速度16c^維持直定，但是 將第二電動(dòng)機(jī)17設(shè)置為恒定力矩T2。雖然沒(méi)有描述下面的變形實(shí)施例，但是也 可能維持第一電動(dòng)機(jī)14的力矩Tl恒定，以及第二電動(dòng)機(jī)17的角速變0>219恒 定。該可能性適舒相對(duì)于探針的旋轉(zhuǎn)軸具有不同方位的表面。雖然任何附圖都沒(méi)有描述該特征，但是可將加鵬計(jì)^A探針2中，從而 可須懂該速度以及將繊度與本發(fā)明盡力保持恒定的值相比較。盡管如此，可 提供反饋特征，與在文獻(xiàn)中所公開(kāi)的校正特征無(wú)關(guān)。戰(zhàn)實(shí)例示出了如何對(duì)C醒編程以便使探針的尖端25沿循掃描路徑(或者 可選擇地，以非接角鵬探針測(cè)量點(diǎn)90),同時(shí)保持恒定的鄉(xiāng),掃描^^。| = 很清楚，本發(fā)明可延伸至以變化的掃描艦沿著路徑掃描，該3I^I循預(yù)定的 驗(yàn)剖面I+Va (t)。盡管前面的實(shí)例涉及非常簡(jiǎn)單的情形，但是本發(fā)明的方法可延伸至一般表 面上的三維復(fù)雜路徑。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選三維實(shí)施例，利用反向運(yùn)動(dòng)學(xué)變換預(yù)先計(jì)算或者實(shí)時(shí)計(jì) 算作為X、 Y、 Z、 "、 e軸位置的C畫(huà)軸參數(shù)，以便^f盾一般的三維^^上的 掃描路徑37，其以恒定速度d-K進(jìn)行，或者根據(jù)變形例，遵循預(yù)定的皿剖 面+Va (t)。假定由所有自由度位置的值確定CMM狀態(tài)。對(duì)于圖1和2表示的機(jī)器而言， 因此由機(jī)器的所辯由位置給出完整的配置，該軸包括線性軸X、 Y、 Z和旋轉(zhuǎn)軸 "、P。這些參數(shù)的^^且合都對(duì)應(yīng)探針2的一個(gè)預(yù)定，以及一個(gè)測(cè)量點(diǎn)90。 另外，參數(shù)X、 Y、 Z、 "、 ^還決定了探針2的方位。機(jī)驗(yàn)數(shù)和測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo) 之間的對(duì)應(yīng)通常被表示為向前的運(yùn)動(dòng)學(xué)變換。一般地，特別是當(dāng)所考慮的機(jī)器包括旋轉(zhuǎn)自由度時(shí)，向前的運(yùn)動(dòng)學(xué)不是內(nèi) 射對(duì)應(yīng)，即可J131機(jī)驗(yàn)數(shù)的幾種組合而獲得觀懂點(diǎn)的一個(gè)相同位置。這樣， 在數(shù)學(xué)意義上該FK變換并非嚴(yán)格可逆。但就于澳糧點(diǎn)90的給定位置，可在 幾種可能中計(jì)算提供該觀懂點(diǎn)的參數(shù)X、 Y、 Z、 "、 ^的組合。其恭示為反向 運(yùn)動(dòng)運(yùn)算，或者簡(jiǎn)單:N^為IK。根據(jù)機(jī)器特性，己知幾種進(jìn)行反向運(yùn)動(dòng)學(xué)變換的方法。雖然已知直接的倒 置方法，但是反向運(yùn)動(dòng)學(xué)常常被看作和用作最小化問(wèn)題，意,IK變換等價(jià)于 找到最小化探針尖端和期望革巴位置之間距離的機(jī)器參數(shù)的組合。當(dāng)位移較小以及封閉的解決方案可作為起始點(diǎn)時(shí)，以及當(dāng)運(yùn)動(dòng)可以分解為一系列小的連續(xù)位 移時(shí)，這一點(diǎn)常常是有利的，對(duì)后面的情形也是如此。因?yàn)榭稍试S對(duì)方案施加額外的限制，所以反向運(yùn)動(dòng)學(xué)變換的內(nèi)在不清楚是有利的。例如，對(duì)本發(fā)明的CMM而言，將可采用一種反向運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算，新 僅使測(cè)量探針處于選擇的湖糧點(diǎn)，而且維持探針2相對(duì)于工件表面的慨斜恒定。 在最小化應(yīng)用中，可通過(guò)向最小化函數(shù)中添加損失因子以考慮探針?lè)轿欢鴮?shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。因?yàn)閷?duì)接觸型探針和非接觸型探針而言，測(cè)量誤差都取決于探針的角度， 所以對(duì)探針?lè)轿坏目刂剖怯欣?。如果采用了例如光學(xué)探針，則有利的是使光 束與測(cè)量表面垂直。根據(jù)本發(fā)明的變形例，CMM控制器^探針2將沿循的掃描路徑37。其 可以為外部輸入，例如由操作員或者更高級(jí)的控制藤所提供的路徑，或者可根 據(jù)環(huán)境由控制器在內(nèi)部產(chǎn)生。對(duì)應(yīng)于待測(cè)量的工件剖面，掃描路徑37為完全的 三維曲線。如圖5所示，將掃描路徑37細(xì)分為部分61。在該實(shí)例中，所有的部分61 具有相同的長(zhǎng)度M，因?yàn)檫@可簡(jiǎn)化本發(fā)明算法的應(yīng)用；但是該特征并非必要。 iMi也，該細(xì)分61足夠小，以便將路徑37近似為連續(xù)的直線段。 ^分61對(duì)應(yīng)一個(gè)起始點(diǎn)和一個(gè)待到達(dá)的終點(diǎn)。CMM使得探針2處于 第一部分的起始點(diǎn)Po，其對(duì)應(yīng)軸參數(shù)(Xo、 Yq、 Zq、 "。、 o的某起始設(shè)定。 控制器通過(guò)IK運(yùn)算獲得一組對(duì)應(yīng)相同部分端點(diǎn)P,的參數(shù)(X,、 Y,、 Z。",、 m。控制器然后產(chǎn)生指令，使CMM的致動(dòng)^^確定的時(shí)間間隔At內(nèi)將軸參 數(shù)從(Xo、 Yo、 Zo、"。、 )改為(X,、 Y!、 Z,、 ff,、 P》。因此，探針2在時(shí)間At內(nèi)從Po移到Pi。該方法然后對(duì)點(diǎn)P2、 &等等重復(fù)。由于上面所示出的本發(fā)明的方法，探針2以恒定速度ld = AlMt掃描路 徑37。駄法允許探針以恒^3t度沿循鋭的與須懂對(duì)象形狀有關(guān)的三維路徑。 本領(lǐng)域技術(shù)人員還可通過(guò)相應(yīng)地改變時(shí)間間隔或者獲得一般的速度剖面k = Va (t)而將該方法延伸至非均勻部分的情形。imt也，K變換施加一些附加的期劉蹄lj,例如探針相對(duì)于工件表面的傾 角可沿路徑37保持恒定。而且，最小化算法還可適用于im^轉(zhuǎn)軸在那些線性 軸上的運(yùn)動(dòng)，以盡量減小振動(dòng)和誤差。當(dāng)探針2掃描路徑37時(shí)，C醒控偉i滕艦測(cè)量點(diǎn)60的坐標(biāo)進(jìn)行采樣。例如 可相應(yīng)于點(diǎn)P。、 P,、…或者在髓路徑37上的其它位置實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。如果以恒 定速率及時(shí) 行采樣，則還可沿著路徑37而均勻分配所產(chǎn)生的測(cè)量點(diǎn)。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選變形例，可在掃描時(shí)實(shí)時(shí)進(jìn)行該方法。CMM控制器計(jì)算 IK變化并且在實(shí)際運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)致動(dòng)器產(chǎn)生指令。這一點(diǎn)允許改變路徑37以沿循從 標(biāo)稱剖面的偏離，該標(biāo)稱剖面可從采樣點(diǎn)60的坐標(biāo)獲得。但是根據(jù)其它的 例，可全部或者部分預(yù)先計(jì)算該運(yùn)動(dòng)。當(dāng)在掃描路徑37上測(cè)量的坐標(biāo)44與理論坐標(biāo)60不匹配時(shí)，用于調(diào)整速度 的反向運(yùn)動(dòng)學(xué)方法^ii合于即時(shí)校正速度。實(shí)際上，因?yàn)閺淖鴺?biāo)差一原始和 目標(biāo)坐標(biāo)一獲得速度，并且因?yàn)樵趻呙钑r(shí)總是已知瞬時(shí)坐標(biāo)，所以只要測(cè)量 坐標(biāo)本身是準(zhǔn)確的，在不工作時(shí)就容易并且能精確 行調(diào)整至任何期望的速 度值的計(jì)算。如果C固具有接觸型掃描探針2，則必須將探針的傾角保持在非常窄柳艮度 內(nèi)以保證可靠的測(cè)量。通常情況下，探針2的有用偏斜范圍為大約lmm或更低。 這樣的精確知識(shí)并非總是可能。在許多情況下(例如在生產(chǎn)線的質(zhì)量控制步驟 中)，C醒的任務(wù)在于精確掃描可受大量誤差影響的對(duì)象。為保證總是以足夠的精度提供該坐標(biāo)，可根據(jù)從已經(jīng)觀懂的點(diǎn)60的坐標(biāo)以 及從探針中的傾謝專感器的輸出產(chǎn)生的,M嘗向量實(shí)時(shí)改變掃描路徑37。這樣， 對(duì)于倒可與虹件以及動(dòng)^g描，掃描路徑37始終在改變，以便盡可能維持傾 角恒定。如果實(shí)時(shí)計(jì)算單獨(dú)步驟P。、 P,、…之間的過(guò)渡，則系統(tǒng)將仍然能夠以恒定速度kl沿著該路徑運(yùn)動(dòng)。因?yàn)閮A角的恒定還意,接觸力的恒定，所以當(dāng)用于接觸型掃描探針時(shí)，本發(fā)明的方法i^f共沿著三維掃描路徑37的恒定接觸力， 以恒定速度髓該路纟統(tǒng)動(dòng)或者根據(jù)選擇的驗(yàn)咅靦運(yùn)動(dòng)。如前所述，在一些清況下，DC變換可產(chǎn)生不可能的指令，例如超出CMM 的自然速度或者加速度極限的運(yùn)動(dòng)。這種情況下，不能完全以恒定速度沿著該 選擇路徑37運(yùn)動(dòng)。可對(duì)CMM編程以處理該瞎形，例如，可通過(guò)產(chǎn)生錯(cuò)誤以引 起操作員的注意、調(diào)用條件處理程序，或者解除，恒定的限制直到該算法可 再次收斂為止。
權(quán)利要求
1. 一種方法，用于采用設(shè)置在坐標(biāo)測(cè)量機(jī)器(4)的支架(3)上的掃描探針(2)掃描工件(1)的表面，所述坐標(biāo)測(cè)量機(jī)器包括第一組致動(dòng)器(6，7，8)，以便沿著三個(gè)線性軸(x，y，z)移動(dòng)所述支架，所述支架(3)包括第二組致動(dòng)器(14，17)，用于致動(dòng)所述掃描探針(2)相對(duì)于所述支架(3)的移動(dòng)，所述坐標(biāo)測(cè)量機(jī)器還包括一個(gè)控制器，被設(shè)置成驅(qū)動(dòng)所述的兩組致動(dòng)器(6，7，8，14，17)，所述方法包括下述步驟(i)確定掃描速度(|Vα|)值；(ii)操作所述的第一和第二組致動(dòng)器(6，7，8，14，17)，以便將探針尖端(25)定位成接觸所述表面(1)；(iii)操作所述第一組致動(dòng)器(6，7，8)，以便沿著一確定的軌跡(36)移動(dòng)支架(3)；(iv)操作所述第二組致動(dòng)器(14，17)，以便在支架(3)相對(duì)于表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)產(chǎn)生所述的掃描探針(2)相對(duì)于支架(3)的移動(dòng)；由此，所述控制器(33)沿著一個(gè)掃描路徑(37)而調(diào)整所述兩組驅(qū)動(dòng)裝置(6，7，8，14，17)的驅(qū)動(dòng)，以便至少在所述掃描路徑(37)的部分(40)上維持掃描速度等于所述確定值|Vα|。
2. 根據(jù)，又利要求1的方法，所i^3描探針相對(duì)于支架的運(yùn)動(dòng)橫切所述, (36)的瞬時(shí)方向。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，所述掃描探針相對(duì)于支架的運(yùn)動(dòng)為擺動(dòng)。
4. 根據(jù)權(quán)禾腰求l的方法，所述控制器(33)進(jìn)行的調(diào)整是根據(jù)所述探針 (2)的角位置(22， 23)而進(jìn)行的。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，以這樣一種方式來(lái)操作第二組致動(dòng)器，該方式 使得維持探針(2)相對(duì)于待檢測(cè)工件(1)表面的傾角恒定。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，所述探針(2)為接觸型探針，并且其 中，以這樣一種方式操作所述第二組致動(dòng)器，該方式使得維持探針和待檢測(cè)工 件(1)之間的撤蟲(chóng)力(F)恒定。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中，所述探針為非接觸型光學(xué)探針。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，還包括沿著所述的掃描路徑(37)以規(guī)則的時(shí)間間隔(M)對(duì)坐標(biāo)采樣的步驟。
9. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，由所述控制器(33)實(shí)施的調(diào)整是根據(jù)至少一 種反向運(yùn)動(dòng)學(xué)變換而進(jìn)行的。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9的方法，所述至少一種反向運(yùn)動(dòng)學(xué)算法采用了等間隔 排布^^ 述掃描路徑(37)上的坐標(biāo)(60)。
11. —種用于執(zhí)行權(quán)利要求l的方法的計(jì)算,聘產(chǎn)品。
全文摘要
一種方法，用于采用設(shè)置在坐標(biāo)測(cè)量機(jī)器(CMM)4的支架3上的掃描探針2以恒定的掃描速度|V_a|來(lái)掃描工件1表面。該CMM包括第一組驅(qū)動(dòng)裝置(6，7，8)，以便沿著三個(gè)線性軸(x，y，z)移動(dòng)支架，并且支架3包括第二組驅(qū)動(dòng)裝置(14，17)，以便使掃描探針2相對(duì)于所述支架3以兩個(gè)自由度移動(dòng)。該方法包括連接至驅(qū)動(dòng)裝置組(6，14，17)的控制裝置33，以及用于存儲(chǔ)待掃描表面的理論剖面和坐標(biāo)的存儲(chǔ)裝置。
文檔編號(hào)G01B21/00GK101290212SQ20081009638
公開(kāi)日2008年10月22日 申請(qǐng)日期2008年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月18日
發(fā)明者B·彼特森, P·喬迪爾, S·努特, W·威爾科克斯 申請(qǐng)人:六邊形度量衡股份公司