用於重新校準坐標定位設備的方法

2023-06-09 20:56:31

專利名稱：用於重新校準坐標定位設備的方法
技術領域：
本發明涉及一種坐標定位設備，特別涉及ー種用於快速地重新校準坐標測量機器(CMM)的方法，所述坐標測量機器包括探針頭和測量探針。
背景技術：
已知各種類型的坐標定位設備，諸如坐標測量機器、工具機、エ業機器人等等。坐標定位設備通常包括傳感器，所述傳感器測量可移動平臺或主軸在所謂的機器(例如，X、Y、Z)坐標系統中的位置。測量探針附接至可移動平臺或主軸並且通過所述可移動平臺或主軸移動，應用所述測量探針測量物體表面上的點的位置。還經常期望藉助探針頭將測量探針安裝至坐標定位設備的平臺，所述探針頭允許相對於主軸調節測量探針的方位。尤其是，應用這種探針頭重新確定測量探針相對於平臺的方位這ー能力允許檢查物體的不同方位的表·面。用於坐標定位設備的一種已知類型的接觸式測量探針包括探針殼體和可偏轉觸針。典型地，所述探針殼體被安裝至坐標定位設備的可移動平臺或主軸並且移動以便使得觸針的尖端與待測量物體進行接觸。一旦接觸物體，觸針就相對於探針殼體偏離其所謂的未偏轉、停留或中立位置，並且這種觸針偏轉被合適的傳感器感測。這種類型的測量探針可以寬泛地分類為觸摸觸髮式探針或者掃描探針。每當觸針偏轉超過特定的闕值，觸摸觸髮式探針(也已知為數字或切換探針)就產生觸發信號。掃描探針(也已知為模擬探針)產生表示觸針偏離觸針中立位置的大小和方向的探針輸出數據；例如，掃描探針可以輸出觸針尖端偏轉在其自身局部(a、b、c)坐標系統中的測量值。不管是使用觸摸觸髮式探針還是掃描探針，都有必要建立與物體接觸的觸針尖端的點相對於機器坐標系統中的已知點的位置。換言之，當觸針尖端與物體接觸時，它的位置需要與在機器(x、y、z)坐標中具有已知位置的原點或其它點聯繫上。因此在將測量探針首次安裝至坐標定位設備上之後並且每當改變坐標定位設備的構造時，通常應用諸如校準球體等已知參考製品執行校準過程。這種校準過程提供一組校準數據，以備隨後位置測量期間使用。對於掃描探針和觸摸觸髮式探針，校準過程都涉及所謂的基準化或尖端判定步驟。所述基準化步驟建立基準數據，所述基準數據通常描述相對於機器坐標系統中的已知點觸針尖端中心的位置(當觸針處於其中立位置吋)。所述基準數據還描述了設置在觸針尖端處的球的半徑。對於掃描探針，校準過程(除了基準數據之外)還建立了所謂的探針變換矩陣，所述探針變換矩陣允許在局部探針坐標(a、b、c)系統中獲得的觸針偏轉測量值轉換或變換成機器坐標(X、Y、z)系統中的偏轉測量值。在W000/25087和W002/073128中詳細描述了用於校準掃描探針的方法的例子，包括計算探針變換矩陣。執行這種校準過程通常需要測量校準製品表面上的許多點，尤其是當建立用於掃描探針的探針變換矩陣時，這可能是ー個耗時的過程。上述各種校準過程產生了校準數據，所述校準數據只有對於它被獲得的測量探針的特定方位才有效。如果應用探針頭相對於平臺重新確定測量探針的方位，則有必要對於每個方位建立校準數據。這就顯著増加了校準所需的時間。例如，位於英國格洛斯特郡Wotton-Under-Edge的瑞尼斯豪公司所銷售的PHlO探針頭能夠被分度為720個可重複方位並且對於每個方位收集校準數據明顯是一件非常耗時的任務。雖然通常對於由分度探針頭提供的測量探針的每個方位獲得校準數據，但是已經發展了各種技術來減少執行校準所需的時間。例如，可以僅僅對將要在隨後測量中使用的測量探針的方位收集校準數據。這具有以下缺點，即如果要使用新的測量方位獲得測量值則必須進行新的校準過程。之前也已經描述了如何能夠通過在許多探針方位測量校準數據以及由所述被測量的校準數據推導出其它探針方位的校準數據，從而在某種程度上簡化以下任務，即對於應用分度頭的測量探針產生一組校準數據。例如，EP759534描述了對於測量探針的多個角度方位測量基準數據並且對於中間角度方位推導出基準數據。在W02006/114603中還概括了ー種方法，用於旋轉校準數據，諸如探針變換矩陣，其在ー個探針方位計算以用於另ー個探針方位。然而，推導校準數據的方法通常比直接測量方法精度低些。
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因此，可以看出，當使用探針頭時需要對於測量探針的多個方位獲得校準數據會增加實施校準過程所需的時間長度。雖然減少執行整個校準所需時間的方法是已知的，例如通過從其它校準數據推導ー些校準數據，但是這些方法仍然比較耗時並且在特定情形下可能引入不可接受程度的測量不精確性。在一些情況下，校準過程因此可能持續許多分鐘或者甚至許多小吋，並且使坐標定位設備脫機執行校準可能對於生產過程是破壞性的。如果發生意外情形(諸如機器碰撞，使得探針觸針折斷和/或探針頭不對準)則尤其是這種情況，以上意外情形要求在重新開始測量之前重新校準坐標定位設備。

發明內容
根據本發明的第一方面，提供了一種用於重新校準坐標定位設備的方法，所述坐標定位設備包括平臺、測量探針以及用於相對於平臺重新確定測量探針方位的探針頭，所述方法包括對於坐標定位設備獲得校準數據組的步驟，所述校準數據組包括對於測量探針的多個方位的基準數據，所述基準數據包括對於測量探針的第一名義方位的第一基準數據，其中，在對坐標定位設備的幹擾之後，所述方法包括更新校準數據組的步驟，其特徵在於，所述更新校準數據組的步驟包括以下步驟應用坐標定位設備獲得ー個或多個位置測量值；由所述ー個或多個位置測量值計算第一校正，所述第一校正描述在對坐標定位設備的幹擾之後第一基準數據的任何變化；以及應用所述第一校正更新對於測量探針的多個不同方位的基準數據。本發明因此包括用於更加快速地重新校準坐標定位設備的方法，所述坐標定位設備包括支撐測量探針的鉸接探針頭。首先，獲取ー組校準數據，已經以通常方式對於所述坐標定位設備建立所述校準數據。尤其是，所述校準數據組包括對於測量探針的第一名義方位的第一基準數據以及對於測量探針的另外方位的另外基準數據。對於包括具有球形觸針尖端的可偏轉觸針的測量探針，對於每個不同方位的基準數據可以包括信息，該信息描述(未偏轉)觸針尖端的中心相對於機器坐標系統中的普通點或固定點的位置。在坐標定位設備已經受到幹擾或者某種破壞(諸如使得設備不對準和/或折斷探針觸針的意外的機器碰撞，從而必須更換觸針)之後，更新校準數據組。代替以前必須要進行的獲取完全新的ー組校準數據，本發明的方法包括獲取ー個或多個位置測量值(例如，測量校準製品或者其它特徵的位置)以及從這些位置測量值計算第一校正，所述第一校正描述了第一基準數據中的任何改變。換言之，進行位置測量，以便確定由於對設備的幹擾而產生的對於第一測量探針方位的第一基準數據的任何改變或變化。因此，所述第一校正描述了在校準期間確定的第一校準數據與在實施重新校準過程時確定的新的第一校準數據之間的差異。然後應用第一校正(選擇地與以下描述的其它校正數據一起使用)來更新對於測量探針的ー個或多個其它方位的基準數據。例如，所述第一校正可以包括特定的位置移動或偏移矢量，然後使用所述位置移動或偏移矢量來更新對於測量探針的其它方位的基準數據。對於具有觸針的接觸式探針(所述觸針具有エ件接觸觸針球)，所述第一校正可以包括描述觸針球的表觀半徑改變的數值。因此本發明具有以下優點相比較完整的校準過程，可以相對快地建立所述第一偏移，同時能夠提供ー組(校正過的)校準數據，該校準數據對於隨後的測量足夠精確。該方法還可以用於任何初始的、完整的校準過程並且已經發現該方法顯著增加了在機器碰撞之後的重新校準的速度，從而減少了機器停エ的時間並因此減少了對生產過程的破壞。
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支撐測量探針的平臺優選可以在坐標定位設備的工作空間中移動。例如，平臺可以包括主軸，主軸能夠沿著三個彼此正交(例如X、Y、Z)的機器軸線移動。例如通過設置在機器軸線的每ー個上的位置編碼器測量平臺在機器坐標系統中的位置。測量探針優選具有參考測量點，諸如位於測量探針的本體上的點或者相對於測量探針的本體位於特定固定位置的點。然後通過測量探針在局部坐標系統中獲得位置測量值並且該位置測量值與在局部坐標系統中具有不變位置的參考測量點聯繫。所述參考測量點可以限定測量探針的局部坐標系統的原點。所述第一基準數據有利地包括矢量或者其它位置數據，所述矢量或者其它位置數據對於測量探針的第一名義方位描述了測量探針的參考測量點相對於機器坐標系統中的點的位置。機器坐標系統中的所述點可以例如是以下點，其隨著平臺一起移動並且因此是已知的或者與機器坐標系統中的已知或限定點(例如原點)具有特定關係。有利地,所述第一校正包括第一偏移或第一偏移矢量，所述第一偏移或第一偏移矢量描述了對於測量探針的第一名義方位，測量探針的參考測量點相對於機器坐標系統中的點的變化。換言之，所述第一校正可以描述矢量的改變或變化，所述矢量描述了測量探針的參考測量點相對於機器坐標系統中的點的位置。已經發現，為了良好的近似，對於測量探針的第一方位所計算的第一偏移可以(在合適的旋轉之後)應用於測量探針的之前已經被校準的所有其他方位。然後可以應用第一偏移更新用於ー個或多個不同方位的基準數據。以這種方式，之前獲取的一組校準數據可以被調節以便補償由於幹擾而造成的探針參考測量點的第一偏移或變化。由坐標定位設備的平臺所支撐的測量探針可以是接觸式測量探針或者非接觸式(例如光學、電容、電感等等)測量探針。優選地，測量探針包括探針殼體。探針殼體可以包括用於將測量探針緊固至探針頭的連接件(例如螺紋凹進或突起)。測量探針優選包括觸針，所述觸針具有大致球形的觸針尖端或球體。觸針可以從相對於探針殼體限定的中立位置偏轉。有利地，當觸針處於中立位置時這種測量探針的參考測量點包括球形觸針尖端的中心。因此計算第一校正的步驟包括測量球形觸針尖端中心的表觀位置相對於之前在校準過程中建立的球形觸針中心位置的偏移。有利地，每個測量探針方位的基準數據包括觸針尖端半徑值。因此計算第一校正的步驟可以包括確定觸針尖端半徑相對於之前在校準過程中建立的半徑的改變。在對坐標定位設備的幹擾之後執行更新校準數據組的步驟。所述幹擾可以包括影響或者可能影響設備的校準的任何事件或破壞。因此所述幹擾可以包括測量探針意外地撞到エ件、所述設備被運輸或者被重新定位以及操作環境的改變等等。所述幹擾還可以造成不對準或者鉸接探針頭相對於其所安裝的平臺的運動(例如旋轉或平移)。如果設置接觸式探針，則幹擾便利地包括更換測量探針的觸針。例如，這種更換是由於觸針的斷裂(例如機器碰撞)或磨損引起的。優選地，這種觸針更換步驟包括用名義相同的觸針(例如具有相同製造商的零件號和名義尺寸的觸針)更換測量探針的觸針。觸針可以應用螺釘螺紋連接附接至測量探針。坐標定位設備可以包括校準製品。有利地，校準製品的位置是已知的。應當注意，具有已知位置的校準製品可能不是意味著已知校準製品離坐標定位設備的特定零件的物·理距離(例如，單位是釐米)。在校準製品的位置已經被定義為固定點或原點並且應用坐標定位設備獲得的所有隨後位置測量值均與所述固定點或原點聯繫或關聯這一意義上，該位置可以是已知的。例如，已經通過校準製品的測量建立校準數據組，並且校準製品可以隨後保持固定至設備的相同的(因此已知的)位置。換言之，校準製品可以自從校準過程起就保持固定至設備的相同的位置。校準製品的位置還可以通過應用不同的測量構造測量這個製品而已知。例如，坐標定位設備可以包括一個或多個附加測量探針，所述ー個或多個附加測量探針沒有受幹擾的影響並且因此仍然提供位置的已校準測量值。如果已知校準製品的位置，則應用坐標定位設備獲取ー個或多個位置測量值的步驟優選包括將測量探針放置在第一名義方位並且測量校準製品的第一表觀位置。然後可以通過校準製品的第一表觀位置與校準製品的已知(例如，已校準)位置之間的差計算所述第一校正。因此第一校正可以包括描述校準製品的位置的表觀變化的位置差或矢量。在以上例子中，校準製品的位置的所述表觀變化因此描述了在幹擾之後測量探針的參考測量點(例如，觸針尖端)的位置的改變。如果已知校準製品的位置，則應用坐標定位設備獲取ー個或多個位置測量值的步驟可以進ー步包括將測量探針放置在至少ー個另外的名義方位(例如，至少第二名義方位)並且測量校準製品的至少ー個另外的表觀位置(例如，至少第二表觀位置)。然後可以通過對於所述至少ー個另外的測量探針方位校準製品的所述至少ー個另外的表觀位置(例如，所述至少ー個第二表觀位置)與校準製品的已知位置之間的差來計算至少ー個另外的校正(例如，至少ー個第二校正)。可以通過第一校正與所述至少ー個另外的校正來方便地計算平均校正。然後優選應用所述平均校正來更新對於測量探針的多個不同方位的基準數據。以這種方式，可以對於測量探針的多個名義方位計算多個校正(例如，偏移矢量)，並且這些校正的平均值用來校正對於測量探針的多個不同方位的基準數據。當已經確定或者可以假設不存在由於對坐標測量設備的幹擾而引起的探針頭相對於平臺的顯著運動(例如平移/旋轉)吋，以這種方式方便地計算平均校正。
還可以利用第一校正和所述至少ー個另外的校正來確定是否存在由於對坐標定位設備的幹擾而引起的探針頭相對於平臺的旋轉和/或平移。尤其是，可以應用所述第一校正和所述至少ー個另外的校正來估計任何頭旋轉和/或平移的大小，從而表示上述平均校正(或者甚至只是第一校正)是否適於校正對於測量探針的多個不同方位的基準數據。所述方法可以包括以下另外的步驟通過所述第一校正和所述至少ー個另外的校正來計算頭運動校正以便說明探針頭相對於平臺的任何這種旋轉和/或平移。這種頭運動校正可以用來更新對於多個不同方位的基準數據。以這種方式，可以選擇測量探針的多個名義方位以便對於觸針斷裂、頭旋轉和/或頭平移計算單獨的校正(例如校正矢量)。還可以應用具有未知位置的校準製品來實施本發明。例如，在對坐標定位設備的幹擾之後可以將校準製品放置在設備上，以便更新校準數據組。優選地但不是必須地，這個校準製品與用來建立校準數據組的校準製品放置在名義相同的位置上或者在估計位置上。在這個例子中，校準製品的(未知)位置的誤差優選與第一基準數據的改變分離。這可以通過應用坐標定位設備(其中測量探針放置在至少三個不同的名義方位中)獲取ー個或多個位置測量值而實現。然後對於測量探針的至少三個不同名義方位的每ー個測量校準製品的表觀位置，並且由校準製品的所述至少三個表觀位置計算第一校正。該技術將在下面更詳·細地描述。校準製品可以是任何已知類型。有利地，校準製品包括球體。對於球形的校準製品，測量校準製品的位置的每ー個步驟便利地包括測量球體表面上的多個點並且由其計算球體中心的位置。雖然以上描述了校準製品，但是應當注意，可以通過對被檢查零件進行測量而替換地執行重新校準過程。例如，在幹擾之後可以重新測量被檢查零件上的點以便獲得第一校正。探針頭可以包括任何已知類型的探針頭。所述探針頭可以包括鉸接探針頭。所述探針頭可以人工地致動和/或發動。探針頭優選允許測量探針相對於平臺圍繞ー個或多個旋轉軸線或者更優選地圍繞兩個或多個旋轉軸線旋轉。在優選實施例中，探針頭允許測量探針圍繞兩個正交旋轉軸線旋轉。測量探針和探針頭可以包括能彼此附接的分離的單元。替換地，測量探針可以與探針頭一體化。有利地，探針頭包括分度探針頭，所述分度探針頭允許測量探針相對於平臺採取多個名義可重複的分度方位。換言之，探針頭可以允許測量探針分度成多個名義位置。這種分度探針的ー個例子是上述瑞尼斯豪PHlO探針頭。如果提供分度探針頭，則校準數據組優選包括對於測量探針相對於平臺的多個或所有分度方位的基準數據。這種基準數據可以對於每個名義方位已經分別測量，或者對於名義方位的子集測量並且對於其他方位推導出這種基準數據。在這個例子中，測量探針的第一名義方位優選包括其中一個分度位置並且對於其它分度位置將所述第一校正應用於基準數據。便利地，測量探針通過所謂的連續或主動探針頭附接至平臺。所述連續探針頭便利地允許測量探針在預定角度範圍內自由地旋轉或放置到任何方位。優選地，所述連續探針頭包括至少ー個編碼器，用於測量測量探針的方位。在測量之前，測量探針的方位可以被設置並且固定，或者探針可以在測量(例如掃描)過程期間被重新確定方位。這種主動或連續探針頭的例子是由瑞尼斯豪公司生產的所謂REVO (註冊商標)探針頭。如上所述，對於多個不同的測量探針方位應用第一校正更新基準數據。優選地，對於包含在校準數據組中的所有不同測量探針方位應用第一校正來更新基準數據。應用第一校正對於測量探針的多個不同方位更新基準數據的步驟優選包括應用旋轉函數(例如旋轉矩陣)以便對於測量探針的不同方位將第一校正應用到基準數據上。例如，對於第一測量探針方位計算的第一校正可以旋轉至不同的測量探針方位。替換地，對於不同方位的基準數據可以旋轉至第一方位、應用第一校正進行校正並且然後旋轉回到原始方位。有利地，只有當預期對於之前的校準數據組有小的改變時(例如由於用名義相同的觸針更換觸針)才應用所述方法。優選地，所述方法被用來說明被測量球體中心的變化，所述變化比由於初始校準過程而發生的球體中心的變化小很多。例如，當預期被測量球體中心移動(例如由於觸針更換)不超過I毫米時(更優選不超過500微米，更優選不超過200微米，更優選不超過100微米，更優選不超過50微米)可以應用所述方法。用在該方法中的測量探針可以包括觸摸觸髮式探針。每當觸摸觸髮式探針的觸針 偏轉時它就發出所謂的觸發信號。替換地，測量探針可以包括掃描或模擬探針。掃描或模擬探針輸出其局部坐標系統中的觸針偏轉測量值。如果提供掃描或模擬探針，則校準數據組優選包括至少ー個探針變換矩陣，用於將在測量探針的局部坐標系統中獲得的觸針偏轉測量值轉換到機器坐標系統中。可以對於測量探針相對於平臺的每個可能的方位或者可能方位的子集便利地設置單獨的探針變換矩陣。可以應用已計算的第一校正來校正每個探針變換矩陣。優選地，更新校準數據組的步驟不包括更新探針校準矩陣。獲取校準數據組的步驟可以包括測量或者計算校準數據組。有利地，獲取校準數據組的步驟包括獲取之前確定的校準數據組。例如，所述校準數據組可以從與坐標定位設備關聯的電子儲存器或其它數據儲存區域獲取。可以或者已經可以應用合適的校準技術確定校準數據組。可以已經直接測量校準數據組中的所有數值，或者已經從其它測量值推導出ー些數值。可以和更新的校準數據組一起儲存原始校準數據。優選應用原始校準數據組進行任何隨後的更新過程(例如，由於進一歩的幹擾)。根據本發明的第二方面，坐標定位設備包括平臺、測量探針和用於相對於平臺重新確定測量探針的方位的探針頭，其中所述設備包括控制器，該控制器儲存用於坐標定位設備的校準數據組，所述校準數據組包括對於測量探針的多個方位的基準數據，所述基準數據包括對於測量探針的第一名義方位的第一基準數據；其中，在對坐標定位設備的幹擾之後，控制器布置成應用坐標定位設備獲取ー個或多個位置測量值並且由其計算第一校正，所述第一校正描述在對坐標定位設備的幹擾之後第一基準數據的任何改變，控制器還被布置成應用第一校正更新對於測量探針的多個不同方位的基準數據。根據本發明的另外的方面，提供了ー種用於坐標定位設備的重新校準的方法，所述坐標定位設備具有能以多個方位放置的測量探針，所述方法包括以下步驟確定對於測量探針的第一方位的基準數據的改變以及應用基準數據的改變來更新對於測量探針的至少ー個不同方位的基準數據。根據本發明的另外方面，提供了一種用於重新校準坐標定位設備的方法，所述坐標定位設備包括支撐具有參考測量點的模擬測量探針的平臺，所述方法包括以下步驟(a)獲取ー組校準數據，所述校準數據包括利用相對於平臺處於第一名義方位的測量探針獲取的第一基準數據，所述第一基準數據描述了模擬測量探針的參考測量點相對於機器坐標系統中的已知點的位置，
其特徵在於，所述方法包括在對坐標定位設備的幹擾之後的以下步驟(b)利用相對於平臺放置在第一名義方位的測量探針進行至少ー個測量，並且由其計算測量探針的參考測量點與由步驟(a)的第一基準數據描述的之前確定的參考測量點之間的第一偏移，以及(C)應用在步驟(b)中建立的第一偏移校正步驟(a)的校準數據組，從而提供更新的校準數據組，所述更新的校準數據組被校正以說明幹擾對於坐標定位設備的影響。


下面將僅僅藉助例子並參考附圖來描述本發明，其中圖I顯示了包括觸摸觸髮式測量探針和分度頭的坐標測量機器；圖2顯示了圖I的CMM的幾何形狀；圖3顯示了由觸針更換引起的觸針尖端位置的偏移；圖4a至圖4c顯示了觸針更換、頭平移和頭旋轉的不同影響；以及圖5a至圖5e顯示了ー種方法，用於分別確定與由於觸針更換、頭平移和頭旋轉引起的觸針移動相關聯的矢量。
具體實施例方式參考圖I,顯示了坐標測量機器(CMM) 2形式的坐標定位設備。CMM2包括物體(例如エ件)能放置在其上的基座或工作檯4以及相對於基座4可沿著X和y方向移動的臺架
6。臺架6包括主軸8，主軸8可相對於臺架6沿著z方向移動。在CMM2的每個軸線上設置位置編碼器以便測量主軸在x、y和z方向的位置。因此在所謂的機器坐標(x、y、z)系統中進行主軸位置的測量。主軸8支撐分度探針頭10，諸如瑞尼斯豪公司的PHlO電動探針頭。分度探針頭10包括附接至主軸8的基座附接部和支撐具有可偏轉觸針14的掃描探針12的探針附接部。可以包括瑞尼斯豪SP25探針的掃描探針12包括內部傳感器，所述內部傳感器測量觸針14遠離所謂中立位置或停歇位置的任何偏轉。因此觸針14的任何偏轉由掃描探針12在其局部(探針)坐標(a、b、c)系統中測量。為了改進掃描複雜物體的能力，分度探針頭10允許掃描探針12相對於主軸圍繞正交軸線A和B旋轉並且鎖定在多個分度位置的任何ー個中。在瑞尼斯豪PHlO探針頭的情況下，探針可以分度到720個不同分度位置的任何ー個中。控制器16控制CMM的操作。因此在機器坐標(x、y、z)系統中測量主軸的位置，同時掃描探針12在其局部探針坐標(a、b、c)系統中測量觸針的偏轉。為了利用掃描探針12測量物體表面上的點在機器坐標系統中的位置，必須執行校準過程以建立設備的各種幾何關係。參照圖2，提供了矢量圖以顯示觸針尖端相對於CMM主軸的位置。機器矢量(M)相對於機器坐標系統中的固定點或原點(O)限定了探針頭上的任意點(h)的位置；因此當點(h)隨著主軸移動時，其位置在機器坐標系統中是已知的。點(h)與觸針尖端(t)的中心間隔開探針矢量(P)。探針矢量(P)包括基準矢量形式的基準數據，所述基準矢量描述當觸針位於其中立(即，未偏轉)位置時點(h)與觸針尖端(t)之間的位置差。對於掃描探針，探針矢量(P)還包括觸針偏轉矢量，其描述觸針尖端遠離中立位置的任何偏轉。如上所述，觸針尖端遠離停歇位置的偏轉的測量由掃描探針在局部或探針坐標(a，b，c)系統中提供；所謂的探針校準矩陣(C)因此被提供，其允許從探針坐標(a，b，c)系統轉換以提供機器(X，y, z)坐標中的觸針偏轉矢量。合成尖端位置矢量(Q)限定觸針尖端(t)的中心在機器坐標系統中的位置，並因此通過結合機器矢量(M)和探針矢量(P)而提供。與待測量物體接觸的球形觸針尖端還具有有限半徑(r)，其也是已知的並且在合適的時候以已知方式被考慮在內。在應用CMM測量物體之前，已知進行一系列校準測量以便建立校準數據，所述校準數據對於應用CMM獲取測量值是必須的。通常，這種校準測量涉及掃描校準製品(諸如放置在CMM的平臺上的校準球)的表面。已知各種校準技術，但是任何校準過程的最終結果是ー組校準數據，其使得能夠確定在物體表面上的觸針尖端的接觸點。所述校準數據組的形式和/或格式可以改變，但是有必要包含以下信息，需要所述信息將從CMM編碼器獲得的位置(X，y, z)值與由測量探針輸出的傳感器(a，b, c)讀數結合起來以便建立被測量物體表面上的點在機器(X，y, z)坐標系統中的位置。校準過程中的一個步驟是所謂的探針判定或探針基準化。探針基準化是ー種過·程，通過該過程建立測量探針的參考測量點(例如，未偏轉觸針尖端的位置(t))相對於機器坐標系統中的已知點(例如，相對於機器坐標幾何系的原點(O)具有已知位置的頭上的點(h))的位置關係。例如，探針判定可以包含建立上述觸針偏轉矢量形式的基準數據。所述基準數據還包括涉及觸針球形尖端的半徑(r)的數值。校準過程的另ー個步驟是建立3X3探針校準矩陣，用於將在探針坐標(a，b, c)系統中測量的觸針偏轉轉換到機器坐標(x，y，z)系統中。還可以通過掃描校準製品(諸如球體)的表面發現探針矩陣，並且在W000/25087和W002/073128中概括了合適的技術，這兩篇文獻的內容以參考的方式包含在這裡。由W000/25087和W002/073128明顯可見，進行必要的測量以確定探針矩陣是ー個耗時的過程。另外必須記住，上述校準過程僅僅對於測量探針相對於CMM主軸的單個方位是有效的。換言之，如果探針頭將測量探針分度至另一位置，則它變得有必要對於那個位置建立校準數據。正如在EP759534中所描述的，可以在多個方位收集基準數據，並且對於中間方位推導基準數據。類似地，正如在W02006/114603中所描述的，諸如探針變換矩陣等校準數據可以在ー個或幾個方位上被計算並且被旋轉以便用於其他方位。雖然簡化了校準過程，但是這些技術具有降低測量精度的缺點，並且它還需要花費許多分鐘或小時來獲取測量值以及進行計算，這對於產生一組完整的校準數據是必要的。當交付使用CMM或新的測量探針時執行一次性的校準是耗時的，但是這個事件可以被預先計劃以便使它與生產日程匹配。而且，一旦被校準，CMM就能用來長時間地獲取測量值。然而，存在以下情況，即由於對機器的意外幹擾而突然需要CMM的重新校準，諸如造成觸針斷裂和/或探針頭不對準的碰撞。在這些情況下，操作者不得不使機器脫機以便執行重新校準過程，這對於確保保持計量性能是必要的。這能嚴重地破壞生產過程。本發明的發明人已經發現，代替執行完整的重新校準，可以在之前已校準的機器受到幹擾的情況下執行特別短的重新校準過程。例如，如果測量探針的觸針斷裂，則可以用新的(例如名義相同的)觸針代替斷裂的觸針。然後執行測量，以建立舊的(例如斷裂的)觸針與新的觸針的(未偏轉)觸針尖端中心位置之間的偏移。應用對於舊的(例如斷裂的)觸針所獲取的基準數據以及利用新的觸針所進行的新的測量來建立所述偏移，下面將更加詳細地進行描述。重要的是，不是必須對探針頭的每個分度位置建立這種偏移。事實上，已經發現在一個或者選擇地在幾個分度位置建立所述偏移就足夠了。然後應用所述偏移值來調節校準數據組以便產生更新的或已校正的校準數據組，這些校準數據組被用來利用新的觸針進行測量。參考圖3，參考圖I描述的掃描探針12被顯示為其(第一)觸針14附接其上。還以虛線顯示了第二、更新的觸針30。CMM被完全地校準，其中第一觸針14附接於掃描探針12的觸針支架。換言之，應用第一觸針14獲取ー組校準數據，包括對於測量探針的多個方位的每ー個的基準數據和探針變換矩陣，所述多個方位由分度探針頭提供。需要花費許多小時收集所述校準數據組，但是它允許以高水平的精度獲得隨後的測量值。在第一觸針14斷裂並移除之後(例如如果CMM碰撞)，將第二觸針30附接至測量 探針的觸針支架。第二觸針30與第一觸針14名義上相同，但是在第一觸針14的尖端(11)的中心與第二觸針30的尖端(t2)的中心之間具有偏移。(未偏轉)觸針尖端位置的該偏移是小的，但是它足以使測量精度降低至不可接受的水平。在本發明的當前例子中，測量探針被放置在第一名義方位(例如，探針頭的分度位置的所選擇ー個)，其中在之前的校準過程期間應用第一觸針14收集第一基準數據。該第一基準數據描述了在基準化過程期間所確定的尖端位置tl。然後可以建立尖端位置tl和t2之間的偏移，例如以下面兩種方法中的任ー種。在第一例子中，應用在機器坐標系統中具有已知位置的校準製品(諸如球體)確定尖端位置的偏移。所述校準球體可以已經在初始校準過程期間固定至CMM並且在隨後的測量期間保持在合適位置。因此在初始校準期間建立的球體中心的位置S是已知的。替換地，當需要時將校準製品放置在CMM上，並且通過應用具有校準(該校準沒有受到對CMM幹擾的影響)的不同的測量探針和/或觸針組合進行測量，從而球體中心位置變得已知。例如，CMM的測量探針可以是模塊化類型，其包括保持模塊和觸針模塊。可以提供各種觸針模塊(例如，具有不同的觸針構造、長度、彈簧カ等等)，它們在可重複的位置分別附接至保持模塊。對於這種模塊化測量探針，必須對於每個觸針模塊組合執行単獨的校準過程。如果其中ー個觸針模塊需要被更換或者重新構造(例如由於斷裂的觸針)，則可以使用校準對其仍然有效的另ー個觸針模塊來建立球體中心的位置。這就允許在在初始校準之後從機器移除校準製品並且只有在將要執行重新校準過程時才將校準製品放置在CMM上(優選放置在與校準期間被使用的位置名義相同的位置上)。應當注意，如果由於幹擾(碰撞等)探針頭不對準，這將影響安裝在其上的所有探針的校準，從而如果球體中心是未知的，通常有必要應用下面描述的替換的重新校準過程，該過程不需要知道實際球體位置。在簡單的例子中，已知的或校準的球體中心位置(S)與表觀的或再測量的球體中心位置(C)的關係如以下表達式所示C-P,{'II
し fVxrrrni ^I り其中Peurent是當前校準(S卩，之前應用舊的已斷裂的觸針執行的校準)的探針矢量，Preal是實際的或真實的探針矢量(即，與新觸針關聯的未知的探針矢量)。接著等式(1)，Preal由下式給出
權利要求
1.一種用於重新校準坐標定位設備的方法，所述坐標定位設備包括平臺、測量探針和用於相對於所述平臺重新確定所述測量探針的方位的探針頭， 所述方法包括獲得用於所述坐標定位設備的校準數據組的步驟，所述校準數據組包括對於測量探針的多個方位的基準數據，所述基準數據包括對於測量探針的第一名義方位的第一基準數據， 其中，在對所述坐標定位設備的幹擾之後，所述方法包括更新所述校準數據組的步驟，其特徵在於，所述更新校準數據組的步驟包括以下步驟 應用所述坐標定位設備獲得ー個或多個位置測量值； 由所述ー個或多個位置測量值計算第一校正，所述第一校正描述在對所述坐標定位設備的所述幹擾之後第一基準數據的任何改變，以及 應用所述第一校正更新對於所述測量探針的多個不同方位的基準數據。
2.根據權利要求I所述的方法，其中所述平臺能沿著機器坐標系統移動並且所述測量探針具有參考測量點，其中 所述第一基準數據包括矢量，所述矢量描述對於所述測量探針的第一名義方位所述測量探針的所述參考測量點相對於所述機器坐標系統中的點的位置；以及 所述第一校正包括第一偏移矢量，所述第一偏移矢量描述對於所述測量探針的第一名義方位所述測量探針的所述參考測量點相對於所述機器坐標系統中的點的變化。
3.根據權利要求2所述的方法，其中，所述測量探針包括探針殼體和具有大致球形觸針尖端的觸針，其中所述觸針能從中立位置偏轉，並且當所述觸針處於所述中立位置時所述測量探針的所述參考測量點包括所述球形觸針尖端的中心。
4.根據權利要求3所述的方法，其中，對所述坐標定位設備的幹擾包括更換所述測量探針的所述觸針。
5.根據前面任何一項權利要求所述的方法，其中，所述坐標定位包括已知位置的校準製品，並且所述應用坐標定位設備獲得ー個或多個位置測量值的步驟包括將所述測量探針放置在所述第一名義方位並且測量所述校準製品的第一表觀位置，其中通過所述校準製品的所述第一表觀位置與所述校準製品的所述已知位置之間的差來計算所述第一校正。
6.根據權利要求5所述的方法，其中，所述應用坐標定位設備獲得ー個或多個位置測量值的步驟包括將所述測量探針放置在至少ー個另一名義方位並且測量所述校準製品的至少ー個另ー表觀位置，其中通過所述校準製品的所述至少ー個另ー表觀位置與所述校準製品的所述已知位置之間的差來計算至少ー個另一校正，其中通過所述第一校正與所述至少ー個另一校正來計算平均校正，應用所述平均校正來更新對於所述測量探針的多個不同方位的基準數據。
7.根據權利要求5所述的方法，其中，所述應用坐標定位設備獲得ー個或多個位置測量值的步驟包括將所述測量探針放置在至少ー個另一名義方位並且測量所述校準製品的至少ー個另ー表觀位置，其中通過所述校準製品的所述至少ー個另ー表觀位置與所述校準製品的所述已知位置之間的差來計算至少ー個另一校正，其中應用所述第一校正和所述至少ー個另一校正來確定是否由於對所述坐標定位設備的幹擾已經存在探針頭相對於平臺的旋轉和/或平移。
8.根據權利要求7所述的方法，包括計算頭運動校正以說明探針頭相對於平臺的旋轉和/或平移的步驟，其中應用所述頭運動校正來更新對於多個不同方位的所述基準數據。
9.根據權利要求5至8中任意一項所述的方法，其中，之前通過測量所述校準製品建立所述校準數據組，自從所述校準過程起所述校準製品一直保持在相同的位置固定至所述設備。
10.根據權利要求I至4中任意一項所述的方法，其中，所述坐標定位設備包括位於未知位置的校準製品，並且所述應用坐標定位設備獲得ー個或多個位置測量值的步驟包括將所述測量探針放置在至少三個不同的名義方位並且對於所述測量探針的所述至少三個不同的名義方位的每ー個測量所述校準製品的表觀位置，其中通過所述校準製品的所述至少三個表觀位置計算所述第一校正。
11.根據權利要求5至10中任意一項所述的方法，其中，所述校準製品包括球體，並且測量所述校準製品的位置的每個步驟包括測量所述球體表面上的多個點並且由其計算所述球體中心的位置。
12.根據前面任意一項權利要求所述的方法，其中，所述探針頭包括分度探針頭，其允許所述測量探針相對於所述平臺採取多個名義可重複的分度方位。
13.根據權利要求I至11中任意一項所述的方法，其中，所述探針頭包括允許所述測量探針自由地旋轉到不同方位的連續探針頭，所述連續探針頭包括用於測量所述測量探針的方位的至少ー個編碼器。
14.根據前面任意一項權利要求所述的方法，其中，所述應用第一校正更新對於測量探針的多個不同方位的基準數據的步驟包括應用旋轉函數以便將第一校正應用於對於測量探針的不同方位的基準數據。
15.根據前面任意一項權利要求所述的方法，其中，所述測量探針包括模擬探針，並且所述校準數據組包括至少ー個探針變換矩陣，用於將在局部坐標系統中通過模擬探針獲得的測量值轉換成機器坐標系統中的測量值，其中所述至少ー個探針變換矩陣在更新所述基準數據的步驟期間保持不變。
16.根據權利要求I至14中任意一項所述的方法，其中，所述測量探針包括觸摸觸髮式探針。
17.根據前面任意一項權利要求所述的方法，其中，所述獲取校準數據組的步驟包括重新獲得之前確定的校準數據組。
18.—種坐標定位設備，包括平臺、測量探針以及用於相對於所述平臺重新確定所述測量探針的方位的探針頭，其中所述設備包括控制器，所述控制器儲存用於所述坐標定位設備的校準數據組，所述校準數據組包括用於所述測量探針的多個方位的基準數據，所述基準數據包括對於測量探針的第一名義方位的第一基準數據；其中在對所述坐標定位設備的幹擾之後，所述控制器被布置成應用所述坐標定位設備獲取ー個或多個位置測量值並且由其計算第一校正，所述第一校正描述在對坐標定位設備的幹擾之後第一基準數據的任何變化，所述控制器還被布置成應用所述第一校正更新對於所述測量探針的多個不同方位的所述基準數據。
19.ー種用於坐標定位設備的重新校準的方法，所述坐標定位設備具有能以多個方位放置的測量探針，所述方法包括以下步驟確定對於測量探針的第一方位的基準數據的改變，以及應用所述基準數據的改變來更新對於所述測量探針的至少ー個不同方位的基準數據。
全文摘要
描述了一種方法,用於在諸如觸針更換等幹擾之後重新校準坐標定位設備(2)。所述坐標定位設備包括平臺(8)、測量探針(12)以及用於相對於所述平臺(8)重新確定測量探針(12)的方位的探針頭(10)。對於坐標定位設備(2)獲得校準數據組，包括對於測量探針的多個方位的基準數據。所述基準數據至少包括對於測量探針的第一名義方位的第一基準數據。在對坐標定位設備(2)的幹擾之後，通過獲得一個或多個位置測量值並且從所述一個或多個位置測量值計算第一校正而更新所述校準數據組。所述第一校正描述了在幹擾之後第一基準數據的任何變化並且被用來更新對於測量探針(12)的多個不同方位的基準數據。還描述了相應的設備。
文檔編號G01B21/04GK102971605SQ201180032328
公開日2013年3月13日 申請日期2011年7月5日 優先權日2010年7月7日
發明者利奧·克里斯多福·薩默維爾 申請人:瑞尼斯豪公司