專利名稱：探針的校準的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種校準用于坐標定位機器的探針的方法。
背景技術：
坐標定位機器例如是坐標測量機器、機床和活動連接的測量臂，坐標 定位機器包括能夠彼此相對運動的臂和平臺?？梢栽谶@種機器上設置探針， 用于檢測工件。探針通?？梢允菙底痔结樆蚰M探針。
為了能夠將探針用作檢測設備，必須首先校準探針。探針校準的第一 方面是相對于安裝有探針的機器來識別探針接觸尖端。這可以稱作基準化
(datuming)或鑒定(qualification)。在檢測過程中，安裝有探針的機器被 驅動朝向工件運動。
對于數字探針，與表面的接觸導致探針信號的狀態發生變化(從0到1, 或反之亦然)，發射觸發信號并鎖存機器輸出。機器的鎖存位置連同尖端鑒 定信息能夠用于識別工件的位置。
在模擬探測系統中，當觸針尖端接觸工件時觸針發生偏轉，探針中的 測量變換器產生代表觸針沿三個正交坐標軸的偏轉的輸出，所述三個正交 坐標軸可以稱作探針的a、 b和c軸。這些輸出和尖端鑒定(信息)能夠一 起用于識別工件的位置。當與表面接觸時，探針信號發生變化，例如，數 值逐漸增大。 一旦信號超過臨界值，認為已經發生接觸。臨界值設定為使 得由于機器振動導致的假觸發的影響最小。為了確定在哪里發生接觸，必
須將信號強度的變化與機器軸的運動相關聯。 一種方法是通過監測探針的 電壓輸出并使用校準矩陣將電壓輸出與沿三個機器軸的運動相關聯來校準
該系統。
因而，對于數字探針，唯一需要的就是尖端鑒定或基準化方法。但是， 對于模擬探針，必須將探針的輸出信號與機器軸的運動相關聯，這需要其 他校準方法。該校準方法涉及基準化步驟和解算(resolve)校準矩陣。這 形成了探針校準的第二方面。
一種鑒定或基準化方法是使設置在機器上的球體在至少四個不同的周 向位置接觸觸針，由此確定觸針尖端的中心。
國際專利申請No. WO00/25087中描述了 一種對4莫擬探針進行校準的 方法，其中在機器上安裝校準人工制品。探針被驅動朝向所述制品運動， 例如沿機器的其中一個軸運動，直至探針測量設備的輸出超過預定值(臨 界值)的增量表明已經與所述制品表面發生接觸。在已經證實觸針接觸后， 獲得一組機器x、 y、 z和探針a、 b、 c坐標數據。機器繼續運動，直至機 器運動超過所證實的接觸點達選定距離，獲得另一組x、 y、 z和a、 b、 c 數據。
記錄位于三個軸上的探針測量變換器的a、 b、 c輸出的變化并將其與 沿每個機器軸的機器測量設備的變化相關聯。在其他兩個正交方向上重復 這個過程，所述其他兩個正交方向可以是其他兩個機器軸。從上述幾組數 據，對于該特定探針方位，能夠建立探針轉換矩陣，該矩陣將a、 b、 c軸 上的探針輸出與機器的x、 y、 z坐標系統相關聯。能夠通過將相關的4罙針 輸出乘以相關的矩陣項而得到探針偏轉的相關機器軸分量。
國際專利申請No. WO02/073128中描述了對模擬探針進行校準的替代 方法。
經常希望使探針相對于機器重新定向，從而能夠檢測工件的不同定向 的表面。探針可以在探針頭上定向，所述探針頭可以是分度類型的，此時 探針能夠重新定向到多個離散的位置，或者所述探針頭可以是連續類型的， 此時任何角定向都是可能的。
影響可重新定向探針的測量結果的準確性的因素有很多。這些因素包 括機器誤差例如軸的垂直度、彎曲和直線度誤差；探針頭誤差，包括彎曲 和定位；以及探針和觸針誤差，包括彎曲。彎曲誤差可能部分由重力引起， 部分由動力例如加速引起。
通常，當對測量探針進行分度時，必須對于探針的各個方位相對于機 器軸進行校準，從而確定觸針尖端的正確位置，即，實施重新基準化或重 新鑒定方法。而且，如果探針是模擬變換器，則必須對每個探針頭位置(或 方位)實施上述校準方法和基準化步驟，在所述校準方法中對于特定的探 針方位建立校準矩陣。由于實施該方法以獲得一個這樣的矩陣需要幾分鐘
的時間，因此要完成整個校準過程可能需要進行數小時。
在歐洲專利No. 759534中，通過使用來自當前位置位于其間的兩個位 置的基準數據推斷當前尖端位置來簡化重新基準化步驟。雖然該方法得到 了簡化，但是使用該方法仍然必須獲得多個基準讀數。
或者，對于連續探針頭，可以設置編碼器，其提供探針的實際角位置。 但是，仍然必須建立探針和觸針之間的關系。因此，仍然要在每個方位或 多個(如果進行推斷)方位對探針進行基準化。
上述基準化步驟適用于在遠離尖端的位置感測偏轉的這一類型的觸 針，例如通過應變儀或光學裝置來感測偏轉。但是，對于在尖端轉換尖端 位置的接觸式探針系統，只需要在持續監測尖端位置時在一個方位進行尖 端鑒定。對于第二種類型的與模擬探針一起使用的觸針，仍然必須對于每 個方位都建立校準矩陣。
探針校準的第三方面是檢測和校正與測量系統的運動相關的慣性誤 差。已知可以通過在探針中設置加速計來補償所述動態誤差，由此能夠確 定動態偏轉。美國專利4，333，238和6，412，329中7>開了這種補償方法的實 例。
發明內容
本發明包括一種校準探針的方法，所述探針安裝在機器上且具有帶工 件測量尖端的觸針，所述方法包括
對于探針的第一方位，計算探針的校準信息；以及
使所述校準信息旋轉一定角度，以獲得當探針相對于第一方位以所述 角度定向時的探針校準信息。
本發明的第二方面包括一種校準探針的方法，所述探針安裝在機器上 且具有帶工件測量尖端的觸針，所述探針可以相對于機器相對重新定向， 所述方法包括
在相對于機器軸的某個探針方位，計算探針的校準信息；
在測量過程中，記錄探針和機器軸輸出以及相對于機器軸的探針方位；
基于所述相對于機器軸的探針方位旋轉所述校準信息；以及
將經旋轉的校準信息應用于探針輸出。
校準信息優選包括以下一個或多個關聯探針和機器軸系統的校準矩 陣；建立探針軸和機器軸系統以及尖端位置之間的關系的基準數據；慣性
矩陣；以及關聯探針頭的軸和機器軸的矢量。
因此，本發明的新的方面如下所述。探針頭/探針/觸針系統僅僅需要在 一個方位上進行完全校準，例如在垂直方位上校準。這可以包括在人工制 品例如基準球體上進行測量。在該方位上得到將探針a、 b、 c軸轉換成枳^ 器x、 y、 z軸的校準矩陣，從而能夠將探針測量值和機器測量值相加而得 到在工件表面上測量的點的坐標。該矩陣還可以校正探針的誤差，例如才笨 針變換器的非直線性和垂直度誤差。如果需要，可以按照常規做法，在該 方位上對觸針尖端進行鑒定(基準化)。
接著，將探針頭重新定向到在工件上進行測量或掃描"t乘作所需的位置 上。不是在該新的方位上重新校準，而是旋轉上述剛剛得到的校準矩陣， 例如借助可以存儲在機器控制器中的程序進行旋轉，從而與所推斷的新的 尖端位置相匹配。由此將該方位上的探針的新軸a、 b、 c轉換成機器的x、 y、 z軸。
任選地，可以在所述新方位，例如抵靠基準^求體，對觸針尖端進4亍重 新鑒定。應當注意到，這是比在所述新方位完全重新確定校準矩陣更簡單、 耗時更短的操作。如可能的情況，如果觸針尖端在所述新方位處發生偏轉， 例如由于重力下垂引起偏轉，則所述重新鑒定使得能夠比僅僅使用活動連 接頭的變換器更加準確地確定方位和/或尖端位置。也可以更加準確地確定 校準矩陣所需的旋轉量。
并非在每個方位進行重新基準化，本發明能夠與歐洲專利No. 759534目。
同樣，可以在探針的許多其他所需方位獲得測量結果，不需要進行完 全的重新校準，僅僅通過再次旋轉探針校準矩陣以適應新方位即可。
對于 一些探針系統，能夠借助計算機程序或軟件旋轉以前獲得的校準 矩陣，例如對于EP360853、 WO00/60310和共同未決的申請GB0508388.6 中描述的探針，使用光學手段確定觸針尖端相對于探針或探針頭的實際位
除了將探針和機器軸系統相關聯，可能還需要將探針頭的軸與機器軸 相關聯，因為探針頭的軸無法沿機器軸對齊排列。因此，在優選實施方案 中，建立探針頭的軸和機器軸之間的關系，且另外沿得到的矢量旋轉探針矩陣。
下面借助實施例并參考附圖描述本發明，其中:
圖1示出測量機器的示意圖2a和2b示出本發明的探針頭的側視圖3a和3b示出本發明的替代探針頭的側視圖4示出所推斷位置的示意性旋轉；
圖5a和5b示出角編碼器；以及
圖6a和6b示出分度探針的一部分。
具體實施例方式
圖1示出測量機器，在該實例中，所述測量機器是坐標測量機器或CMM 50。 CMM 50具有底座52和臺架54，臺架54可以沿x和y方向相對于底 座52運動。臺架54包括套管56，套管56可以沿z方向相對于臺架54運 動且具有吊在套管56上的測量設備58。在該實例中，測量設備58包括探 針頭60，探針頭60的一端與套管56連接，遠端與探針62連接。探針62 具有帶工件接觸尖端66的觸針64。
圖2a和2b示出套管10,其一端連接在坐標定位機器(未示出)上， 其遠端連接在探針頭12上。探針頭12繞軸D和E旋轉。探針頭12進一 步連接至探針14,所述探針14具有帶尖端18的觸針16。觸針16與工件 接觸時發生偏轉，該偏轉由探針感測。將該偏轉造成的探針輸出a、 b、 c 與機器輸出x、 y、 z合并，得到測量讀數。測量系統包括觸針偏轉的電測 量、感應測量、》茲測量、光學測量和電容測量。這種系統的實例在EP360853 中有描述。
圖3a和3b示出套管110,其一端連接在坐標定位機器(未示出)上， 其遠端連接在探針頭120上。探針頭120繞軸D和E旋轉。探針頭120進
一步連接至探針140,所述探針140具有帶尖端180的觸針160。在該實例 中，在觸針尖端感測觸針的偏轉。用光學手段測量觸針尖端的位置，觸4十 尖端與工件接觸使觸針彎曲，導致接收自觸針尖端的光發生變化。當來自 觸針尖端180的讀數達到預定水平時，將在該位置得到的探針輸出a、 b、 c 與機器輸出x、 y、 z合并，得到測量讀數。這種4笨測系統在國際專利申ifr WO00/60310中有描述。
為了使得到的任何測量結果都是準確的，需要對探針進行校準。在本 發明中，校準涉及多個步驟，校準能夠從已知方位推斷當前觸針位置。
許多實施方案都落入本發明的范圍。下面總結了這些實施方案并且給 予了更力口詳細的討i侖。
對于以下探針系統，其中，例如在如上參考圖3所述的接觸式光學系 統中，直接測量觸針尖端的位置，需要對于某個探針方位建立校準矩陣， 然后旋轉該矩陣一定角度以確定當探針以所述角度定向時探針的校準矩 陣。
在優選實施方案中，能夠快速實施重新定向方法，即在測量過程中實 施該方法。相比于探針頭方位相對于機器軸固定的情況，這對于探針頭用 作樞軸的情況是特別有用的，從而，探針頭的兩個軸提供觸針尖端的掃描 運動。在該實施方案中，建立并存儲校準矩陣，例如存儲在機器控制器中。 測量過程開始，在預定的時鐘計時之后，控制器向探針和機器詢問輸出讀 數和探針頭的角位置。角讀數使得控制器能夠將矩陣旋轉至給定的角位置， 將經旋轉的矩陣應用于探針輸出，然后，將得到的數字與機器輸出相加， 得到觸針尖端的準確位置并因此得到工件表面的準確位置。
對于以下探針系統，其中通過如上參考圖2所述的在遠離探針尖端的 位置感測偏轉，建立校準矩陣并使其旋轉一定角度從而確定當探針以所述 角度定向時探針的校準矩陣，來指示觸針尖端的位置，需要確定觸針尖端 的實際位置，即，必須在所述新位置對探針進行基準化或重新鑒定。這是 因為由于重力和/或其他動力效應造成的觸針彎曲的影響是未知的。
重新基準化的方法可以以多種方式實現，包括在每次重新定向探針頭 的時候實施基準化步驟；對于每個被訪問的新方位實施基準化步驟，并且 將該信息記錄在查詢表中，從而對于給定的探測系統，僅對每個方位基準
化一次；以及在幾個選定方位進行基準化，記錄結果并在測量數據之間進 行推斷。對于后一種方法，可以將基準數據記錄在查詢表中，進行內插且 將該數字應用于校準矩陣，或者查詢表能夠存儲解算數據(resolved data), 即，將基準數據應用于經旋轉的校準矩陣，然后將該解算數據用于內插步驟。
參見圖2和圖3，在步驟(a)中，將探針頭的位置與機器坐標系統相 關聯。為了實現這一點，確定探針頭的軸D和E的相對位置，校準探針頭 的位置，使其與套管對齊。在步驟(b)中，將觸針的位置與機器坐標系統 相關聯。在一個位置處校準探針，通常使觸針尖端垂直向下指向DoE。。在 步驟(c)中，由(b)和(a)推斷探針的校準矩陣。在步驟(d)中，使 推斷位置相對于探針頭的軸D和E旋轉，以得到當前觸針位置。
確定探針頭的軸D和E的相對位置并且校準探針頭的位置使其與套管 對齊的步驟產生矢量，使校準矩陣沿該矢量旋轉，并且伴隨由于旋轉導致 的觸針方位的變化而造成的旋轉。
因此，本發明還提供了一種在坐標定位機器上校準探針的方法，包括 以下步驟
(a) 確定探針頭相對于機器的位置；
(b) 確定在某個方位上觸針尖端相對于機器的位置；
(c) 通過從(a)和(b )推斷觸針尖端和探針之間的關系產生校準矩陣；
以及
(d) 使用校準矩陣確定在當前方位上觸針尖端相對于機器的位置。 方程1以數學方式表示了上述內容
套管末端，尖端x[RotD]*<formula>formula see original document page 9</formula>
參見方程1和圖4:
H表示探針頭的中心，TipD,是觸針尖端相對于機器坐標系統的校準 位置。
由ADo和觸針尖端之間的距離以及對于掃描探針而言的偏轉矢量，確 定探針矢量。
為了相對于軸E確定探針頭和觸針尖端之間的關系，將探針矢量 ADoTipD犯乘以探針在軸E上的旋轉角度RotE,然后與對于軸D和E的旋轉 中心之間的距離相加。軸D的中心是H，軸E的中心是Aoo,它們的差值 用dDE表示。
為了確定在當前探針方位HTipDE處探針頭和觸針尖端之間的關系，將 HTipooE乘以探針在D軸上的旋轉角度RotD。
為了確定套管末端和觸針尖端之間的關系，將HTipDE乘以探針頭對齊矩陣。
確定探針頭的中心H的一種方法是選取四個測量點，所述四個測量點 建立探針頭的定向平面。第五個測量點限定H為原點的球體。
參見圖5a和圖5b，示出了編碼器200的立體圖，編碼器200包括具有 多個索引標記220的環210和讀取頭230。環210設置在探針頭的一個部件 上，讀取頭230設置在可相對運動的部件上。讀取頭230在探針頭旋轉時 計數索引標記。由于編碼器是預先校準的，因此對于該實例而言，Rofe和 RotE是已知的。
圖6a和圖6b示出分度頭機構300的一部分。額定地將多個球310彼 此分開地嵌入在機構300中。但是，不同球320, 330的中心之間的距離是 不同的，因此，必須校準每個索引位置，從而確定索引位置之間的真實角 距離以及RotD和RotE。在分度頭的協作部件上設置三個徑向分開的球或輥， 將它們定位于不同對的球310之間。
可以在觸針尖端或在探針內感測接觸觸針的偏轉。電容和感應系統可 以使用任意一種方法，^f茲系統和電系統在探針中感測偏轉，光學系統在觸 針尖端感測偏轉，所述光學系統例如本申請人在2005年4月26日提交的 共同未決的申請GB0508388.6中所描述的。
當在遠離尖端的位置感測偏轉時，必須考慮由于重力和/或其他動力導 致的觸針的松弛或下垂，因為這會影響觸針尖端的位置。為此，在探針頭
的相關方位，通過圍繞基準球體選取至少四個測量點來對觸針進行鑒定。
借助實例，如EP 360853中所示的，可以在活動連接揮:4十頭和觸4十上 進行校準。在該說明書中，觸針上的應變儀檢測由于觸針彎曲導致的觸針 尖端相對于探針的偏轉?；蛘撸梢栽诨顒舆B接頭、探針和觸針上進行校 準，如WO00/60310或上述共同未決的申請GB0508388.6中所描述的。在 這些情況中，光學傳感器使光束沿觸針傳播，從而確定由于觸針彎曲造成 的接觸工件的(或感測或測量工件的)觸針尖端相對于探針的偏轉。在每 種情況下，觸針彎曲可能是由多種力造成的，所述多種力例如是與工件表 面的接觸力、在工件掃描操作期間由于加速引起的慣性力，和/或重力下垂。
在現有技術中，借助例如前面的段落中剛剛提到的活動連接頭和觸針， 常規做法是在將要使用的頭的每個方位上進行全面的校準。這樣做是耗時 的，已經意識到這樣做是不必要的。
與連接有探針頭的機器的運動相關的動態誤差不受探針頭的旋轉定位 的影響，且如上所述使用加速計能夠消除所述動態誤差。但是，對于特定 方位，能夠確定與探針相關的、由機器運動導致的且在探針頭方位上與機 器有關的動態誤差，然后使其旋轉并應用于新的方位。因此，能夠建立用 于所述測量系統的將探針與安裝有探針的機器相關聯的慣性矩陣，并能夠 以與校準矩陣同樣的方式使其旋轉。
因此，校準信息可以包括慣性矩陣，以上述與校準矩陣相同的方式旋 轉所述慣性矩陣。
上述校準方法適于與多種探針系統一起使用，所述探針系統包括掃描
和接觸觸發系統，其中在接觸點處或遠離接觸點處感測^:針和物體之間的 接觸。所述探針系統可以用在許多測量機器上，這些機器包括但不限于坐 標定位機器、車床、活動連接測量臂、非笛卡爾測量機器和機器人。
權利要求
1.一種校準探針的方法，所述探針安裝在機器上且具有帶工件測量尖端的觸針，所述方法包括對于探針的第一方位，計算探針的校準信息；以及使所述校準信息旋轉一定角度，以獲得當探針相對于第一方位以所述角度定向時的探針校準信息。
2. —種校準探針的方法，所述探針安裝在機器上且具有帶工件測量尖 端的觸針，所述探針可以相對于機器相對重新定向，所述方法包括在相對于機器軸的某個探針方位，計算探針的校準信息； 在測量過程中，記錄探針和機器軸輸出以及相對于機器軸的探針方位； 基于所述相對于機器軸的探針方位旋轉所述校準信息；以及 將經旋轉的校準信息應用于探針輸出。
3. 權利要求1或2的方法，其中，所述校準信息包括將探針頭的軸與 機器軸相關聯的矢量。
4. 上述權利要求中任一項的方法，其中，所述校準信息包括校準矩陣。
5. 上述權利要求中任一項的方法，其中，所述校準信息包括基準數據。
6. 上述權利要求中任一項的方法，其中，所述校準信息包括慣性矩陣。
7. 上述權利要求中任一項的方法，其中，在所述探針方位處對觸針尖 端進行基準化。
8. 權利要求7的方法，其中，將觸針尖端基準信息存儲在查詢表中。
9. 權利要求7或8的方法，其中，由在不同方位處得到的基準信息推 斷在所述方位處的觸針尖端位置。
10. 權利要求7的方法，其中，將用于某個方位的基準信息應用于經旋 轉的校準矩陣從而產生解算數據，并將解算數據存儲在查詢表中。
11. 上述權利要求中任一項的方法，其中，通過軟件/計算機程序實施 旋轉步驟。
12. 權利要求ll的方法，其中，將軟件/計算機程序存儲在機器的控制 器中。
13. 上述權利要求中任一項的方法，其中，在觸針尖端對觸針的偏轉進 行轉換。
全文摘要
本發明公開了一種校準探針(62)的方法，所述探針安裝在機器上且具有帶工件測量尖端(66)的觸針(64)，所述方法包括對于探針的第一方位，計算探針的校準信息；以及使所述校準信息旋轉一定角度，以獲得當探針相對于第一方位以所述角度定向時的探針校準信息。還公開了一種在測量過程中校準探針的方法。所述校準信息可以包括將探針頭的軸與機器軸相關聯的矢量；校準矩陣；基準數據；慣性矩陣?？梢栽谒鎏结樂轿惶帉τ|針尖端(66)進行基準化，或者由在不同方位處得到的基準信息推斷觸針尖端(66)?？梢酝ㄟ^軟件/計算機程序實施旋轉步驟，所述軟件/計算機程序可以存儲在機器的控制器中。
文檔編號G01C25/00GK101166953SQ200680013972
公開日2008年4月23日 申請日期2006年4月25日 優先權日2005年4月26日
發明者凱維恩·巴里·喬納斯, 瓊·路易斯·格熱西亞克, 若弗雷·麥克法蘭 申請人:瑞尼斯豪公司
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