校準(zhǔn)方法和設(shè)備的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明描述了一種用于對(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）。
【專利說(shuō)明】校準(zhǔn)方法和設(shè)備
[0001]本專利申請(qǐng)是申請(qǐng)?zhí)枮?00880005998.7 (國(guó)際申請(qǐng)?zhí)枮镻CT/GB2008/000528)、 申請(qǐng)人:為“瑞尼斯豪公司”、發(fā)明名稱為“校準(zhǔn)方法和設(shè)備”的專利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]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)】
[0003]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)專利N0.4084323 (McMurtry)0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。
[0004]上面描述的類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)專利文獻(xiàn)GB2328025;EP420416 和 US5425180。
[0005]在專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)專利US6810597還描述了用于確定探頭內(nèi)的任何延遲(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。
[0006]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(NO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, ζ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】

[0007]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:
[0008](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
[0009](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。
[0010]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)。
[0011]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，這種延遲這里稱為系統(tǒng)延遲。
[0012]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)量探頭，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。
[0013]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，觸碰式探頭延遲(T2-T1)是超過(guò)預(yù)定閾值的觸針偏轉(zhuǎn)和機(jī)器刻度被凍結(jié)之間的延遲。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)TI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, ζ)。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。
[0014]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，ζ)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。
[0015]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)和機(jī)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。
[0016]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。
[0017]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。可以以許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。
[0018]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。
[0019]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)亟雍咸筋^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)?；蛘?，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)。
[0020]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。
[0021 ] 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)被選擇成允許測(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。
[0022]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型的設(shè)備的校準(zhǔn)所需的時(shí)間。
[0023]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。
[0024]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。如果提供球形制品，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。
[0025]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)量探頭沿著測(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)。
[0026]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)。
[0027]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?；蛘撸梢圆捎孟嚓P(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。
[0028]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)。
[0029]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。
[0030]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。在專利文獻(xiàn)W02005/065884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。
[0031]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?；蛘撸瑴y(cè)量探頭或者機(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。
[0032]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。[0033]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。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)。
[0034]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。
[0035]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。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0036]以下將通過(guò)參照附圖示例性地描述本發(fā)明。其中:
[0037]圖1顯示了安裝在機(jī)床的主軸中的掃描探頭；
[0038]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；
[0039]圖3顯示出了一種替代的校準(zhǔn)制品；
[0040]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)；
[0041]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；
[0042]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)；
[0043]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
[0044]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)施方式】
[0045]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似物(沒(méi)有示出)來(lái)精確測(cè)量主軸(X，1，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) 10進(jìn)行編程。
[0046]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)于探頭主體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)。
[0047]如專利文獻(xiàn)W02005/065884中描述的，主時(shí)鐘22可以設(shè)置在NC8中?？梢酝ㄟ^(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)間間隔捕獲的機(jī)器位置數(shù)據(jù)U，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。
[0048]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)。
[0049]計(jì)算機(jī)24從API 10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)算機(jī)24結(jié)合來(lái)提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)。
[0050]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，該延遲稱為“系統(tǒng)延遲”，下面將描述根據(jù)本發(fā)明的用于確定該系統(tǒng)延遲的各種方法。
[0051]此時(shí)，方便的是，應(yīng)當(dāng)理解，盡管當(dāng)采用圖1所示類型的設(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)于所有類型的設(shè)備都如此。例如，探頭接口和N C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。[0052]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。
[0053]如圖1所示,直徑為d的球體30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16接觸球體30的表面上的第一點(diǎn)(P I)。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)探頭方向，隨著探頭以已知的基本上恒定的速度(S I)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。
[0054]通過(guò)計(jì)算機(jī)24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)24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 I。如前面其他地方描述的(例如U S6810597)，外推到零技術(shù)要求當(dāng)觸針與帶測(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)M I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。
[0055]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 I。例如，專利文獻(xiàn)U S 6810597中描述的類型的內(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。
[0056]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M1-M5進(jìn)行時(shí)探頭被以相同的(已知)速度SI驅(qū)動(dòng)離開(kāi)球體表面.[0057]球體表面上的點(diǎn)的五個(gè)測(cè)量M1-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M1-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SI來(lái)產(chǎn)生系統(tǒng)延遲值。
[0058]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)(P1-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。
[0059]盡管上述種類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被采用。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。
[0060]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)行該方法。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)NI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。
[0061]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，1，Z機(jī)器位置值產(chǎn)生相同的延遲。對(duì)于某些類型的機(jī)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，1，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。
[0062]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。
[0063]如上面參照?qǐng)D2描述的，球體直徑額可以從球體表面上的五個(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(SI)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SI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。
[0064]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。
[0065]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。
[0066]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的路徑和具有小于rl的第二掃描半徑r2的路徑之間移動(dòng)。被測(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)。
[0067]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。
[0068]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)可以操作類似的功能。
[0069]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。
[0070]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。
[0071]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。
[0072]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?；蛘?，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。
[0073]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)量探頭或者類似物。
【權(quán)利要求】
1.一種校準(zhǔn)設(shè)備的方法，所述設(shè)備包括安裝在機(jī)器上的測(cè)量探頭，所述機(jī)器被布置成捕獲表示所述測(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)量探頭是具有可偏轉(zhuǎn)的觸針的模擬探頭或掃描探頭，其布置成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)，所述路徑在探頭移動(dòng)的方向上還包括至少一個(gè)變化，能夠從機(jī)器位置數(shù)據(jù)和探頭數(shù)據(jù)中識(shí)別所述變化；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。
2.根據(jù)權(quán)利要求1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，能夠從機(jī)器位置數(shù)據(jù)和探頭數(shù)據(jù)中識(shí)別所述變化。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(ii)采用迭代優(yōu)化技術(shù)來(lái)比較所述機(jī)器位置數(shù)據(jù)和探頭數(shù)據(jù)以便確定所述相對(duì)時(shí)間延遲。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，步驟(ii)包括采用迭代過(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)別的方向變化之間的差別。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，通過(guò)迭代改變所述探頭數(shù)據(jù)和機(jī)器位置數(shù)據(jù)組之間的相對(duì)延遲，來(lái)最小化所述機(jī)器位置數(shù)據(jù)和探頭數(shù)據(jù)組之間的差。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述迭代過(guò)程包括最小平方和的最小化過(guò)程。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所·述的方法，其特征在于，步驟(ii)包括采用相關(guān)過(guò)程。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述探頭數(shù)據(jù)和機(jī)器位置數(shù)據(jù)組相加在一起并且使用迭代過(guò)程最大化所產(chǎn)生的總和。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(i)被以不同速度進(jìn)行多次。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，步驟(ii)包括對(duì)以不同測(cè)量速度捕獲的機(jī)器位置數(shù)據(jù)和探頭數(shù)據(jù)并行進(jìn)行迭代過(guò)程。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述機(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。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述制品包括球體。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述機(jī)器是機(jī)床，所述機(jī)床包括數(shù)字控制器，其輸出機(jī)器位置數(shù)據(jù)。
14.根據(jù)權(quán)利要求1至13中任意一項(xiàng)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。
15.—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)，所述路徑在探頭移動(dòng)的方向上包括至少一個(gè)變化，能夠從機(jī)器位置數(shù)據(jù)和探頭數(shù)據(jù)中識(shí)別所述變化； 其中，所述控制器比較所捕獲的機(jī)器位置數(shù)據(jù)和探頭數(shù)據(jù)，并且由此確定捕獲所述機(jī)器位置數(shù)據(jù)和探頭數(shù) 據(jù)的相對(duì)時(shí)間延遲。
【文檔編號(hào)】G05B19/404GK103822603SQ201410049556
【公開(kāi)日】2014年5月28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】約翰·查爾斯·烏爾德, 亞歷山大·坦南特·薩瑟蘭 申請(qǐng)人:瑞尼斯豪公司