用於表面測量的裝置和方法
2023-05-29 07:14:46
專利名稱：用於表面測量的裝置和方法
技術領域：
本發明涉及一種用於測量表面特徵的裝置和方法，特別是通過形成所述表面的數位化圖像來測量表面特徵的裝置和方法。本發明還涉及一種使用活動連接探頭進行適應性掃描的方法，所述活動連接探頭能夠圍繞安裝在坐標定位機器上的兩個或多個軸線對表面感測設備進行定向，所述坐標定位機器
例如是坐標測量機器(CMM)、工具機、活動連接臂，等等。
背景技術：
根據常規操作，當製造出來工件之後，在坐標測量機器(CMM)上對其進行;險查，所述坐標測量機器具有軸，所述軸能夠在工具機的工作空間內在X、 Y和Z三個正交方向被驅動。所述軸可以攜帶測量探針，所述測量探針在檢測被檢查(例如通過測量探針的觸針與所述表面之間發生接觸而進行檢查)的工件的表面時產生信號。
常見地，CMM包括被編程以在工件上的各種位置讀取一系列坐標數據讀數的計算機，從而對工件的所需尺寸進行完整的檢查。然後能夠確定工件是否具有可接受的質量，或者是否應當拒絕該工件。
模擬(或掃描)接觸探針通常包括具有可偏轉觸針的外殼。所述觸針具有表面接觸末端，並且通過變換器測量其相對靜止位置的偏轉。使用觸針偏轉與CMM位置的組合來確定觸針末端的位置(因此確定觸針末端所接觸的表面上的點的坐標)。GB 1551218中描述了這種模擬探針。
已知可以將測量探針安裝在活動連接探頭上，所述探頭能夠使得測量探針的定向發生變化，所述測量探針通常是圍繞兩個或多個軸線定向。這種活動連接4笨頭在歐洲專利EP 0402440中有描述。所述活動連接探針能夠圍繞第一正交軸線和第二正交軸線旋轉。在所述活動連接探頭中設置馬達和變換器，從而使得測量探針能夠連續地圍繞所述活動連接探頭的旋轉軸線定位，
5從計算機得到位置反饋。
已經被證明難以使用常規技術進行測量的特徵是閥座。閥座由於其在內燃機中的使用因而在汽車工業中具有特別的重要性。錯誤安裝的閥門會影響發動機的效率，原因是閥盤和閥座之間的密封不良或者是閥座的位置影響閥門充分地開啟。在引起不當安裝的閥座的機械加工中存在四個主要因素。閥
座在閥體中的高度，這會阻礙閥門適當地開啟或關閉；閥座的形狀，如果閥座的形狀不是均勻的圓形，會阻礙良好配合併因此導致洩漏；閥座在閥體中的橫向位置的誤差，該因素會影響配合；以及閥座在閥體中的角度的誤差，該因素會導致僅僅在閥盤和閥座之間發生線接觸。
使用常規技術測量閥座是困難的且耗時的。通常，通過沿著從閥座頂部到閥座底部的四條線進行測量來常規地測量閥門，其中每條線繞閥座的周長間隔90度；這些測量使得能夠確定閥座的輪廓。通過在特定高度沿著環形測量路徑運動來使用導向器確定形狀和共中心性，從而測量閥座的周長。通常使用安裝在CMM的軸上的模擬接觸探針進行這些測量，缺點是測量速度比較慢。這些測量用於確定閥座的直徑是否在公差範圍內。然而，僅僅能夠獲得四條測量線的數據(即，不能獲得四條測量線之間的數據)。而且，由於測量點的分布，難以確定閥座的圓形(圓度)。
發明內容
本發明的第 一方面提供一種確定表面特徵的尺寸和位置的方法，所述方法包括以下步驟
(a) 從由表面特徵的表面測量結果獲得的多個數據點產生所述表面特徵的數位化圖像；
(b) 將所述數位化圖像與所述表面特徵的標稱圖像擬合；以及
(c) 確定所述數位化圖像與所述標稱圖像的偏差，由此確定所述表面特徵的尺寸、位置和形狀偏差中的至少一個。
通過使用安裝在坐標定位裝置上的表面感測設備，可以收集從所述特徵的表面測量結果獲得的多個數據點。所述表面感測設備可以包括測量探針，所述探針優選安裝在活動連接探頭上，所述探頭使得所述測量探針能夠圍繞兩個或多個軸線旋轉。所述表面感測設備優選是接觸探針。所述坐標定位裝
6置可以包括坐標測量機器(CMM)、工具機、非笛卡爾機器、活動連接臂、機器人臂或手動CMM。
產生數位化圖像的步驟優選在軟體中實施(即，藉助電腦程式)。優選地，在載體，例如CD、 USB棒或其他介質上提供所述電腦程式，當所述電腦程式被裝載到計算機上時其實施本發明。還可以從網際網路上直接下載所述電腦程式。
在步驟(b)中將所述數位化圖像與標稱圖像擬合的步驟優選藉助最佳擬合方法例如最小二乘方法進行。優選地，多個數據點所涉及的表面積大於所述表面特徵的表面積。所述數位化圖像的不同部分可以進而擬合到標稱圖像中。每個部分可以處於沿著所述表面特徵的中心線的不同位置上。
所述標稱圖像可以包括所述表面特徵的CAD圖像。
在步驟(c)中確定的所述數位化圖像與所述標稱圖像的偏差可以用於確定所述表面特徵在零件中的橫向位置、所述表面特徵在零件中的高度以及所述表面特徵在零件中的角度。這一偏差可以用於確定所述表面特徵的坐標或者用於確定所述表面特徵是否處於標稱數據的公差範圍內。
優選地，所述多個數據點獲自所述特徵的接觸式表面測量結果。
優選地，從螺旋測量輪廓收集所述表面測量結果。
本發明的第二方面提供一種用於確定表面特徵的尺寸和位置的電腦程式，所述電腦程式包括適於在計算機上執行時實施上述步驟的代碼。
本發明的第三方面包括一種用於掃描表面特徵的方法，所述表面特徵具有中心線和不一致的半徑，使用安裝在活動連接探頭上的表面感測設備進行掃描，所述活動連接探頭使得能夠繞兩個或多個軸線旋轉，所述活動連接探頭安裝在坐標定位裝置上，所述方法包括以下步驟
對所述坐標定位裝置進行編程，從而使所述活動連接探頭沿著所述表面輪廓的中心線運動；
對所述活動連接探頭進行編程，從而使所述表面感測設備在具有恆定半徑的圓環中運動；
確定在進行測量時所述測量探針是否處於其測量範圍內；以及
調整所述活動連接探頭的運動，使得所述表面感測設備以一定的角度定位從而保持其位於其測量範圍內。優選地，所述表面感測設備是測量探針。所述測量探針可以包括接觸測量探針，更優選地，包括模擬探針。
優選地，所述測量是接觸式測量。
本發明的第四方面提供一種用於掃描表面特徵的裝置，所述表面特徵具有中心線和不一致的半徑，使用安裝在活動連接探頭上的表面感測設備並且使用計算機進行掃描，所述活動連接探頭使得能夠繞兩個或多個軸線旋轉，
所述活動連接探頭安裝在坐標定位裝置上，所述計算機能夠執行以下步驟對所述坐標定位裝置進行編程，從而使所述活動連接探頭沿著所迷表面
輪廓的中心線運動；
對所述活動連接探頭進行編程，從而使所述表面感測設備在具有恆定半
徑的圓環中運動；
確定在進行測量時所述測量探針是否處於其測量範圍內；以及調整所述活動連接探頭的運動，使得所述表面感測設備以一定的角度定
位從而保持其位於其測量範圍內。
本發明的第五方面提供一種確定閥座的尺寸和位置的方法，所述方法包
括以下步驟
(a) 沿螺旋路徑測量閥座的表面；
(b) 從由閥座的表面測量結果獲得的多個數據點產生所述閥座的表面的數位化圖像；
(c) 將所述數位化圖像與所述閥座的表面的標稱圖像擬合。優選地，步驟(a)中的所述測量是接觸式測量。
在優選實施方式中，所述方法包括以下額外步驟確定所述數位化圖像與所述標稱圖像的偏差。所述偏差可以用於確定所述表面特徵的尺寸、位置和形狀偏差中的至少一個。
下面參考以下附圖描述本發明的優選實施方式的實例圖1是閥體中的閥座的立體圖；圖2是圖1的閥座的側視橫截面圖；圖3是閥盤的側3見8圖4是安裝在坐標測量機器上的活動連接探頭的立體圖；圖5是活動連接探頭和測量探針的立體圖6是藉助安裝在活動連接探頭上的測量探針測量的閥座的示意圖；圖7是顯示確定表面特徵的尺寸和位置的步驟的流程圖；圖8是閥座的數位化數據的示意圖；以及圖9是閥座的圓錐形表面的側視橫截面圖。
具體實施例方式
圖1和圖2分別示出了閥座的立體圖和橫截面圖。圖3示出了用於插入閥座中的閥盤的側視圖。這些閥門具有例如汽車發動機的氣缸蓋中存在的類型。
閥座IO定位於閥體12中。所述閥座包括圓錐形表面14，所述圓錐形表面14限定閥體內的凹槽，其通向圓柱形孔16。所述閥盤18包括圓柱形杆20,所述圓柱形杆20的尺寸能夠緊密地安裝在閥座的圓柱形孔中。在所述圓柱形杆20的一端設置有盤構件22,所述盤構件22具有位於其周向表面上的圓錐形表面24。所述閥座和所述閥盤的盤構件具有相對應的圓錐形表面14和24,它們在所述閥盤被插入到閥座中時形成密封件。
為了使閥門能夠良好工作，需要在閥座和閥盤的圓錐形表面之間實現良好配合。但是，如果閥座的圓錐形表面的形狀或位置不正確，則密封質量會受到影響。例如，閥座的圓錐形表面可能會具有不正確的尺寸或者可能不是精確的圓形。可能已經在不正確的橫向位置或在不正確的高度機械加工了所述圓錐形表面，或者可能已經以不正確的角度機械加工了所述圓錐形表面。
圖4示出了用於根據本發明測量閥座的裝置。包含閥座的工件安裝在坐標定位裝置，例如坐標測量機器(CMM) 30上。CMM30具有臺32,在所述臺32上安裝有工件。Z柱相對於所述臺32可以在X、 Y和Z方向上運動，該運動由一系列託架36、 38和34實現，所述託架36、 38和34能夠分別在X、 Y和Z方向上運動，每個託架上都設有支承裝置、馬達和變換器(未示出)。
在CMM的Z柱34上安裝有活動連接〗笨頭40，所述活動連接探頭提供安裝在其上的表面感測設備例如測量探針的旋轉運動。參考圖5更加詳細地描述了所述活動連接探頭。
如圖5所示，所述活動連接掃描探頭40包括由安裝在Z柱34上的第一外殼42形成的固定部件。所述第一外殼42支承活動部件46，所述活動部件46可以藉助馬達(未示出)相對於所述第一外殼42繞軸線Al旋轉。活動部件44固定在第二外殼46上，所述第二外殼46進而支承軸48，所述軸48可以藉助馬達(未示出)相對於所述第二外殼46繞軸線A2旋轉，軸線A2基本上垂直於軸線Al。
表面感測設備在該實例中是接觸測量探針50,其安裝在所述活動連接探頭的軸48上。所述接觸測量#:針50上設有^:針外殼52和可偏轉觸針54,所述可偏轉觸針54具有工件接觸末端56。
上述布置使得所述活動連接探頭的馬達能夠將測量探針50的工件接觸末端56有角度地繞軸線A1或A2定位，並且CMM的馬達(未示出)能夠將所述活動連接探頭線性地定位在CMM的三維坐標框架內的任何位置，從而使觸針末端與正在被掃描的表面處於預定關係。
在CMM上設置有線性位置變換器(未示出)，用於測量所述活動連接探頭的線性位移，並且在所述活動連接探頭上設置角度位置變換器(未示出)，用於測量觸針圍繞各個軸線Al和A2的角度位移。所述測量探針上還設置有變換器，用於確定觸針的偏轉。
通過控制器來控制CMM和所述活動連接探頭的運動，所述控制器可以包括預約控制器(bespoke controller)或個人計算機(PC) 58。所述控制器發送驅動命令給CMM和活動連接探頭，從而驅動它們各自的馬達並由此對測量探針進行定位。
所述控制器從CMM、活動連接探頭和測量探針中的變換器接收反饋，使得其能夠確定探針末端的位置。'
所述活動連接探頭可以安裝在其他類型的坐標定位裝置上，例如安裝在工具機或者手動CMM的主軸上，或者安裝在機器人臂或活動連接臂上。所述坐標測量機器並不限於笛卡爾類型的機器，如圖4所示的，還可以是非笛卡爾類型，如國際專利申請WO 95/20747中所描述的。
使用WO 90/07097中公開的用於測量孔的技術，但是通過調整掃描以考慮不一致的半徑(即，圓錐形而不是圓柱形表面)來測量閥座的圓錐形表面。圖6示出了正在被圖4和圖5中示出的裝置掃描的豎直閥座的側視圖。
在第一步驟中，例如從CAD數據或從直接測量結果來確定閥座的中心 線和最大半徑。還測量剛好位於閥座上方和下方的閥座區域，因此在選^^最 大半徑時必須考慮這一點。
所述活動連接探頭的旋轉中心(即，軸線Al和A2的交叉點)與閥座 的中心線對齊。調節所述活動連接探頭的A2探頭角度(即，軸48繞軸線 A2的位置)，使得測量探針50的工件接觸末端56與閥座的內表面在剛好圓 錐形表面上方的位置發生接觸。可以調節所述活動連接探頭的Al探頭角度 (即，構件44繞軸線A1的位置)，從而使工件接觸末端56在圍繞閥座中心 線的環形路徑上運動。
通過在使工件接觸末端在圍繞軸線Al的環形路徑上運動的時候使活動 連接探頭沿中心線運動，對包括圓錐形表面的閥座的區域進行螺旋掃描。螺 旋輪廓的使用具有在單個掃描中進行測量的優點，並且該輪廓嗨得益於比 CMM的動態響應更高的活動連接糹笨頭的動態響應。
CMM和活動連接探頭的這種運動產生了沿圓柱形表面的螺旋掃描路 徑。但是，在掃描進行過程中對掃描進行調整，以適應正在測量的區域的實 際形狀(即，圓錐形表面)。
將所述測量探針保持在限定的測量範圍內，例如保持在限定的觸針偏轉 範圍內(例如，在40-50微米之間)。如果偏轉超出了所述範圍，則調整所 述活動連接探頭的探頭角度，以使偏轉回到其範圍內。以這樣的方式，對掃 描進行調整以適應表面形狀。
在圖6所示的實例中，調節A2探頭角度，以減小環形掃描的半徑，由 此使測量探頭保持在其限定觸針偏轉範圍之內。
對於水平閥座或者其他定向，對軸線Al和A2的組合進行調整，從而 使探頭保持在其測量範圍之內。
這種適應性掃描的方法具有下面的優點可以對簡單的掃描輪廓進行編 程(即，圓錐形表面)，並且在掃描過程中對掃描輪廓進行調整，從而適合 更為複雜的形狀，由此提供編程的便易性。
雖然上述實例描述了螺旋形掃描，但是所述掃描還可以包括一系列環形 掃描，其中所述活動連接探頭沿著中心線逐步地運動。這種適應性掃描的技術適合於其他表面特徵，例如鼻錐體。 使用上述測量系統的優點在於，由於所述活動連接探頭具有高的取樣速 率，因此所述測量系統使得能夠非常快速地產生具有高的點密度的測量數 據。還可以使用常規的測量技術來收集測量數據，但是獲得所需數量的數據 所需要的時間表明，這些方法是不實際的。
例如，通過上述方法，可以在不到四分鐘內測量12個閥座和36個閥門 導向器，然而，常規的技術將需要花費幾乎半個小時。
使用接觸測量探針具有以下優點數據點具有好的正確率並且具有針對 所測量區域的詳細細節，但是也可以使用非接觸測量探針，所述非接觸測量 探針例如是光學探針、電容探針或電感探針。
一旦已經收集了閥座的測量數據，就可以使用所述測量數據來確定閥座 的位置和/或尺寸，如參考圖7所描述的。
在第一步驟中，通過測量所述表面並由此收集多個數據點58來捕獲數 字化圖像。
所描述的收集測量數據的方法使得能夠產生所測量表面的數位化圖像， 該數位化圖像具有高的點密度。所述表面現在由一組離散的點來表示。
現在將所述數位化數據與具有所需形式和尺寸的形狀60擬合。對於閥 座實例，使用最小二乘方法將所述數位化數據與具有圓錐形表面的所需尺寸 的圓錐最佳擬合。所述圓錐形表面的所需尺寸可以從設計凝:據(例如，CAD 數據)中得知。還可以使用其他最佳擬合技術，例如Chebychev技術。
閥座由多個圓錐組成，並且單獨地對每個感興趣的圓錐進行擬合。
所述數位化數據包含來自閥座上方和閥座下方的數據，並且必須在擬合 之前或者在部分擬合過程之前去除多餘的數據。
結合圖8描述一種去除數據的方法。圖8示出了與所掃描區域的數位化 圖像有關的點雲數據(data cloud )。區域66中的數據是與閥座的圓錐形表面 有關的測量數據，然而，區域68和區域70中的數據是分別與閥座上方和閥 座下方的區域有關的測量數據。
選擇數據A的條帶，所述條帶包含橫切中心線72的點雲數據的一部分。 選擇所述條帶的高度h,使其略微小於閥座的圓錐形表面的高度。如上所述， 將數據A的這一條帶與圓錐進行擬合。通過使數據A的所述條帶沿中心線
1272向上運動，重複這一方法，使得數據的不同重疊條帶與所述圓錐擬合。圖 8示出了已經沿中心線向上運動的數據條帶B和數據條帶C。當數據條帶與 閥座的圓錐形表面相對應時(即，不是上方和下方的區域)，就實現了最佳 擬合。
一旦所述數位化圖像已經與所述表面特徵的標稱圖像擬合，就能夠確定 所述數位化圖像與所述標稱圖像的偏差64。這一數據將提供閥座在閥體內的 橫向位置以及閥座的圓錐形表面的角度。
可以使用閥座的圓錐形表面與標稱數據的對比結果來確定閥座是否處 於公差範圍之內。與用於測量閥座的常規技術不同，能夠獲得針對整個閥座 的數據，而不僅僅是閥座的某些區域的數據。
圖9示出了用於確定閥座是否在閥體內位於正確的高度的方法。使用最 佳擬合數據，在已知的高度h，從閥體內的固定表面確定直徑d的數值。將 直徑d的數值與該高度處的標稱直徑進行對比，並且確定所述直徑是否處於 公差範圍內。對於不同的h數值，可以重複上述操作。反過來，可以通過選 擇高度來進行上述操作，以匹配已知的直徑。
雖然上述實施方式描述了針對閥座的測量，但是本發明的使用數位化數
特徵。在其他應用中，對於測量面密封(face seal )，這是特別有用的方法。 對於表面特徵而言，不必具有如上所述的相對於中心線的對稱性，但是這的 確便於提高掃描速率。
雖然描述了位於坐標測量機器上的活動連接掃描探頭在收集測量數據 方面的用途，也可以使用其他的技術，但是，上述技術具有高速和高正確率 的優點。
與現有技術形成對照，這種方法具有下面的優點能夠收集感興趣的整 個區域的數據，其中在感興趣的區域上沿線性或環形路徑獲得離散的測量結 果。
1權利要求
1.一種確定表面特徵的尺寸和位置的方法，所述方法包括以下步驟(a)從由表面特徵的表面測量結果獲得的多個數據點產生所述表面特徵的數位化圖像；(b)將所述數位化圖像與所述表面特徵的標稱圖像擬合；以及(c)確定所述數位化圖像與所述標稱圖像的偏差，由此確定所述表面特徵的尺寸、位置和形狀偏差中的至少一個。
2. 根據權利要求1所述的方法，其中通過使用安裝在坐標定位裝置上的 表面感測設備來收集從所述表面特徵的表面測量結果獲得的多個數據點。
3. 根據權利要求2所述的方法，其中所述表面感測設備包括測量探針。
4. 根據權利要求2或3所述的方法，其中所述表面感測設備安裝在活動 連接探頭上，所述活動連接探頭使得測量探針能夠圍繞兩個或多個軸線旋 轉。
5. 根據權利要求3或4所述的方法，其中所述表面感測設備優選是接觸 探針。
6. 根據上述權利要求中任一項所述的方法，其中通過最佳擬合方法來實 施步驟(b)中的將所述數位化圖像與標稱圖像擬合的步驟。
7.根據上述權利要求中任一項所述的方法，其中所述多個數據點所涉及 的表面積大於所述表面特徵的表面積。
8. 根據上述權利要求7所述的方法，其中進而將所述數位化圖像的不同 部分與標稱圖像擬合。
9. 根據上述權利要求中任一項所述的方法，其中使用在步驟(c)中確 定的所述數位化圖像與所述標稱圖像的偏差來確定以下至少之一所述表面 特徵在零件中的橫向位置、所述表面特徵在零件中的高度以及所述表面特徵 在零件中的角度。
10. 根據上述權利要求中任一項所述的方法，其中從對所述表面特徵的 接觸式表面測量結果獲得所述多個數據點。
11. 根據上述權利要求中任一項所述的方法，其中從螺旋測量輪廓收集所述表面測量結果。
12. —種用於確定表面特徵的尺寸和位置的電腦程式，所述計算機程 序包含代碼，當在計算機上執行所述代碼時，所述代碼適於實施根據權利要 求1-11中任一項所述的步驟。
13. —種確定閥座的尺寸和位置的方法，所述方法包括以下步驟(a) 沿螺旋路徑測量閥座的表面；(b) 從由閥座的表面測量結果獲得的多個數據點產生所述閥座的表面的 數位化圖像；(c) 將所述數位化圖像與所述閥座的表面的標稱圖像擬合。
14. 根據權利要求13所述的方法，其中在步驟(a)中的測量是接觸式 測量。
15. 根據權利要求13或14所述的方法，其包括以下額外步驟確定所 述數位化圖像與所述標稱圖像的偏差。
16. 根據權利要求15所述的方法，其包括以下步驟使用所述偏差來確 定所述表面特徵的尺寸、位置和形狀偏差中的至少一個。
17. —種用於掃描表面特徵的方法，所述表面特徵具有中心線和不一致 的半徑，使用安裝在活動連接探頭上的表面感測設備進行掃描，所述活動連 接探頭使得能夠繞兩個或多個軸線旋轉，所述活動連接探頭安裝在坐標定位 裝置上，所述方法包括以下步驟對所述坐標定位裝置進行編程，從而使所述活動連接探頭沿著所述表面 輪廓的中心線運動；對所述活動連接探頭進行編程，從而使所述表面感測設備在具有恆定半 徑的圓環中運動；確定在進行測量時所述測量探針是否處於其測量範圍內；以及調整所述活動連接探頭的運動，使得所述表面感測設備以一定的角度定 位從而保持其位於其測量範圍內。
18. 根據權利要求17所述的方法，其中所述表面感測設備是測量探針。
19. 根據權利要求17或18所述的方法，其中所述測量是接觸式測量。
20. —種用於掃描表面特徵的裝置，所述表面特徵具有中心線和不一致 的半徑，使用安裝在活動連接探頭上的表面感測設備並且使用計算機進行掃描，所述活動連接探頭使得能夠繞兩個或多個軸線旋轉，所述活動連接探頭 安裝在坐標定位裝置上，所述計算機能夠執行以下步驟對所述坐標定位裝置進行編程，從而使所述活動連接探頭沿著所述表面輪廓的中心線運動；對所述活動連接探頭進行編程，^v而使所述表面感測設備在具有恆定半徑的圓環中運動；確定在進行測量時所述測量探針是否處於其測量範圍內；以及 調整所述活動連接探頭的運動，使得所述表面感測設備以一定的角度定位從而保持其位於其測量範圍內。
全文摘要
一種用於確定表面特徵的尺寸和位置的方法，所述表面特徵例如是閥座。測量所述特徵的表面，例如藉助接觸式探針使用螺旋掃描路徑進行測量，並且使用從所述掃描獲得的多個數據點來產生數位化圖像。將所述數位化圖像與所述表面特徵的標稱圖像(例如，CAD數據)進行擬合。使用所述數位化圖像與所述標稱圖像之間的偏差來確定所述表面特徵的尺寸、位置和形狀偏差中的至少一個。
文檔編號G01B21/04GK101669009SQ200880013684
公開日2010年3月10日 申請日期2008年4月23日 優先權日2007年4月24日
發明者哈立德·馬穆爾, 瓊·路易斯·格熱西亞克 申請人:瑞尼斯豪公司