專利名稱：校準方法和設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于校準設備的方法，該校準設備包括安裝在機器上例 如機床上的測量探頭。具體而言，本發明涉及用于確定在這種設備中捕獲測 量探頭數據和機器位置數據的相對延遲的方法。
背景技術：
測量探頭是已知的，其具有用于接觸物體的觸針或者探針以及位于探頭 主體內的換能器用于測量觸針相對于探頭主體的任何偏轉。這些測量探頭通
常稱為"模擬"或者"掃描"探頭，這種測量探頭的一個例子描述在美國專利No. 4084323 ( McMurtry )。在使用中，掃描探頭的主體安裝到機器上，并且相對 于物體的表面運動，使得觸針掃描物體表面。對測量探頭換能器的輸出進行 讀數(用于檢測觸針偏轉)并且對機器的工作空間內的探頭主體的位置進行 讀數。結合掃描期間獲得的探頭偏轉數據和機器位置數據，允許在整個掃描 中的非常多點處獲得工件表面的位置。
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生探頭偏轉 讀數流，該讀數流物體表面上的點相對于探頭殼體的位置的測量。應當理解， 這種測量探頭相當程度不同于所謂的觸碰式探頭或者觸碰觸發式探頭，觸碰 式探頭或者觸碰觸發式探頭僅僅用作開關并且在觸針偏轉超過某一閾值時 發送所謂的觸發信號。在觸碰觸發式探測系統中，觸發信號用來凍結攜帶探 頭的機器的測量刻度尺，由此允許當偏轉超過閾值時找到探頭的位置。對于 觸碰式探頭，已知可以確定所謂的探頭延遲，其證明了事實在時間Tl物 理偏轉超過偏轉閾值的觸碰式探頭的觸針和在時間T2凍結的機器的刻度尺 之間存在時間延遲。用于確定觸碰式探頭延遲(T2-T1)的各種校準技術是 已知的，例如，參見專利文獻GB232證5; EP420416和US5425180。
在專用的使用掃描探頭的坐標測量機器(CMM)中，來自機器的位置
編碼器的探頭位置信息和來自測量探頭的觸針偏轉數據均被高速捕獲。探頭 偏轉和探頭位置數據可以因此容易地結合，以便幾乎實時產生物體坐標測量。在美國專利US6810597中，描述了用于去除在這些設備中可能發生的各 種靜態和動態誤差的校準技術。美國專利US6810597還描述了用于確定纟笨頭 內的任4可延遲(例如電子處理延遲)的方法，所述延遲可能延遲探頭偏轉數 據的產生。
還已知在標準的數控機床的主軸中安裝掃描探頭。在這種機床中，數字 控制器(NC)從各個位置編碼器接收位置信息。機床位置信息(例如，主 軸位置的x， y, z測量)的主要目的是允許NC采用伺服控制反饋環路精確 控制機器運動。位置信息還可以通過NC輸出，并且與探頭(觸針偏轉)測 量結合，來確定物體的坐標測量。為了提供更好的機器位置和探頭測量的同 步，WO 2005/065884描述了一種主時鐘布置，其對于探頭偏轉和機器位置 數據產生共同的定時信號。
發明內容
因此，根據本發明的第一方面，提供一種用于對設備進行校準的方法， 所述設備包括安裝在機器上的測量探頭，所述機器能夠捕獲表示所述測量探 頭相對于一制品的位置的機器位置數據，所述測量探頭能夠捕獲表示一表面
相對于所述測量探頭的位置的探頭數據，所述方法包括如下步驟
(i) 以已知的速度相對于所述制品移動所述測量探頭，同時捕獲探頭 數據和機器位置數據，所述測量探頭沿著一路徑移動，所述路徑使得能夠捕 獲表示所述制品的表面上的兩個或者多個點相對于所述測量探頭的位置的 探頭數據；以及
(ii) 分析在步驟(i)中捕獲的機器位置數據和探頭數據，并且由此 確定捕獲探頭數據和機器位置數據的相對延遲。
因此提供了能夠用來建立設備中的所謂的系統延遲(即捕獲探頭數據和 機器位置數據的相對延遲)的方法，所述設備包括安裝在機器上的測量探頭。 該方法包括第一步驟(i)以已知的優選基本上恒定的速度相對于所述制品 移動所述測量探頭，同時從機床收集機器位置數據值并且從探頭收集探頭數 據值。該速度可以是已知的實際速度(例如測量的速度)或者是已知的要求 速度(即探頭被指示來移動的速度)。在該第一步驟中，測量探頭被沿著掃 描路徑驅動，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 或者多個點相對于所述測量探頭的位置的探頭數據。
8如下面更詳細描述的，與產生機器位置數據和探頭數據有關的不同的延 遲(例如，由于測量探頭和機器電子中的不同的延遲)可以意味著在由機器 捕獲的機器位置數據值和由設備捕獲的探頭數據值之間存在相對延遲(所謂
的"系統延遲")。該系統延遲可以通過如下說明更好的理解在一特定的時 間瞬時，探頭測量測量制品的表面上的單個點。例如，在接觸測量探頭具有 可偏轉的觸針的情況下，觸針在一個時間瞬時接觸制品的表面上的單個點。 在絕對時間的該一個時間瞬時，存在一定的(明確的)觸針偏轉，并且機器 將探頭保持在一定的(明確的)位置。在該時間瞬時觸針偏轉和機器位置的 結合產生了表面上單個點的精確位置。但是，對于實際系統，探頭捕獲觸針 偏轉信息所花費的時間通常不同于機器捕獲與探頭位置有關的信息所花的 時間。由探頭和機器在相同的時間點捕獲的探頭數據和機器位置數據對應于 稍微不同的測量絕對時間(因此不同的位置)。換句話說，在由探頭捕獲的 探頭數據值和由機器捕獲的機器數據值存在相對(絕對)時間延遲，這種延 遲這里稱為系統延遲。
通過在以如上所述的方式捕獲數據期間以已知速度移動測量纟笨頭，發現 可以通過第二步驟(ii)建立系統延遲，即分析捕獲的機器位置數據和探頭 數據。該分析步驟可例如包括當掃描制品時監控機器位置數據和探頭數據的 某些共同特性或者評價系統延遲對制品的某些測量的尺寸或者特性的影響。
還重要的是，應當注意，使用本發明的方法找到的系統延遲很大程度不 同于在觸碰觸發式探頭系統中建立的觸碰探頭延遲。如上所述，觸碰式探頭
相反，根據本發明的系統延遲時捕獲兩組測量(即機器位置數據和探頭數據) 之間的相對延遲。例如，考慮一種(接觸式)掃描探頭，其在一定的時間瞬 時T1具有一觸針，該觸針偏轉一定的量(a， b, c)并且位于空間中的位置 (x， y, z)。讀取機器刻度(即捕獲機器位置數據)的第一延遲意味著對于 時間Tl的機器位置數據實際上在隨后的瞬時T2被捕獲。同樣，捕獲探頭偏 轉數據的第二瞬時意味著對于時間Tl的探頭偏轉數據實際上在隨后的瞬時 T3被捕獲。根據本發明建立的系統延遲不是在時間T2捕獲機器位置數據和 實際測量時間Tl之間的延遲，也不是在時間T3捕獲探頭數據和實際測量時 間Tl之間的延遲。而根據本發明的系統延遲提供捕獲機器位置數據和探頭 數據之間的相對延遲，即建立T2-T3。該系統延遲不是相對于實際測量時間(Tl)的延遲，可以看出，根據本發明確定的系統延遲很大程度不同于以前
在觸碰觸發式探頭系統中發現的探頭延遲。
該機器可以方便地包括機床。有利的是，機床捕獲機器位置數據作為笛
卡爾(x， y， z)坐標值的組。測量探頭可包括接觸式或者非接觸式(例如 光學)測量探頭。有利的是，測量探頭是所謂的掃描或者模擬探頭，其具有 可偏轉的觸針。在這種情況性愛，捕獲的探頭數據有利地表示觸針偏轉，并 且可以包括笛卡爾(a, b， c)坐標值的組。如果提供掃描探頭，步驟(i) 優選包括使用所述機器來沿著如下路徑移動所述測量探頭使得所述測量探 頭的觸針與所述制品的表面上的所述兩個或者多個點的每個接觸。
如果提供具有可偏轉的觸針的掃描探頭，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首次建立接觸之后繼續相對于所述制品移動 所述測量探頭一段限制的距離(直到到達觸針偏轉上限)。通過這種方式， 當觸針尖端在制品表面的固定點不動并且測量探頭主體朝著制品驅動并且 離開制品由此增加和然后減小觸針偏轉幅度時，收集探頭數據和^L器位置數 據。步驟(ii)可以有利地包括進行外推或者其他合適的數學操作來計算所 述制品的表面上的兩個或者多個測量的點。如前面所描述的，外推過程可以 用來提供制品表面上的測量的點，其對應于零觸針偏轉。這里，這種過程稱 為"外推到零"，并且提供被觸針在機器(例如x， y, z)坐標接觸的制品的 表面上的點的測量位置。
可以使用當探頭朝著制品移動和/或移動離開制品時捕獲的探頭數據和 機器位置數據來進行外推。有利的是，使用當探頭移動離開制品的表面時捕 獲的探頭數據和機器位置數據來進行外推。在這種情況下，測量的點不被任 何觸針彈跳或者當觸針初始被驅動與制品的表面接觸時可能存在的其他效 應所影響。
應當理解，盡管當使用掃描探頭時外推過程是優選的，但是，其不是本 發明的必須的部分。可以以許多其他不同方式找到觸針接觸制品的表面的 點。例如，可以監控何時探頭數據超過預定值，由此表示觸針已經偏轉一定量。
如果提供接觸式測量探頭，所述測量探頭的觸針優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點接觸。這確保了基本 上所有的速度分量在測量期間垂直于制品表面，并且如果測量探頭在首次觸針接觸之后進一步朝著制品移動(例如用于進行"外推到零"測量)則保持 觸針與制品上的相同點接觸。如果測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入方向來得出。
優選的是，該方法的步驟(ii)包括使用所述探頭數據和所述機器位置
數據來計算所述制品的表面上的兩個或者多個測量的點的位置。通過適當地 接合探頭數據和機器位置數據來確定制品表面上的測量點。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現。或者，對于非接 觸式測量探頭，可以通過已知的技術結合探頭數據和機器位置數據。
優選的是，步驟(i)中的所述制品的表面上的兩個或者多個點被選擇成 允許測量所述制品的至少一個尺寸。例如，點可以被選擇來允許球形制品的 直徑被測量。有利的是，所述制品的表面上的兩個或者多個點包括至少一對 相對的點。成對的相對點式在制品表面上的點，其可以通過沿著相同的路徑 在相反方向上移動測量探頭來接觸。
如果步驟(i)中的所述制品的表面上的兩個或者多個點被選4奪成允許測 量所述制品的至少一個尺寸，步驟(ii)有利地包括通過將所述制品的至少 一個測量的尺寸與所述制品的已知的(例如預測量的)尺寸比較來計算所述 延遲。換句話說，可以通過比較制品的測量的尺寸和制品的已知的尺寸來找 到系統延遲。這產生系統延遲，因為測量探頭的速度是已知的。
盡管可以獲得具有準確已知的尺寸的制品，如果制品尺寸是未知的也可
以采用本發明的方法。已經發現可以通過有利地進行步驟(i)多次，其中所 述測量探頭以多個不同的已知速度移動。方便的是，每次重復步驟(i)在制 品表面上的至少兩點測量相同。應當注意，可以以各種方式進行重復步驟(i )。 例如，當以第一、第二以及隨后可能的速度移動測量探頭時測量制品表面上 的第一點。以這些第一、第二以及隨后可能的速度測量制品表面上的第二點。 或者在以第二速度重復測量之前以第 一速度測量制品表面上的所有或者一 些點。換句話說，具體的測量順序是不重要的，并且可以根據需要選擇來最 小化操作所使用的特定類型的設備的校準所需的時間。
有利的是，所述步驟(ii)包括確定在所述多個速度的每個時所述制品 的至少一個測量的尺寸。例如，對于多個已知測量速度的每個可以計算球體 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的所述制 品的至少一個測量的尺寸的變化確定所述探頭數據和所述機器位置數據之間的延遲。優選的是，從測量的尺寸相對于速度數據的梯度獲得所述延遲。 例如在上述例子中，這允許從作為測量探頭相對于球形制品的運動速度的函 數的測量的球體直徑的梯度確定系統延遲。重要的是，當采用這種方法時制 品的實際尺寸不需要已知或者預測量。
制品可以是任何形狀，并且可以放置或者形成在機器工作空間中。有利 的是，所述制品包括球體、 一對平行板、或者立方體。如果提供^^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點的位置的 探頭數據。方便的是，測量球體上的五個點，這允許在最短的時間高精度測 量球體直徑。
取代確定制品表面上的測量的點，捕獲的機器位置數據和探頭數據可以 被分析來直接獲得系統延遲。有利的是，步驟(i)可以包括沿著允許沿制品 的表面輪廓的多個點進行測量的路徑移動測量探頭。特別的是，當測量4罙頭 沿著測量路徑被驅動時，可以捕獲大量(例如幾十個或者幾百個)探頭數據 值和機器位置數據值。例如，可以捕獲至少十組或者至少百組這種數據值。 如果提供具有可偏轉的觸針的掃描探頭，測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。
方便的是，所述路徑在測量探頭移動的方向上包括至少一個變化，可以 從機器位置數據和探頭數據中識別所述變化。有利的是，所述路徑在探頭移 動的方向上包括多個變化，可以從機器位置數據和探頭數據中識別所述變 化。優選以不同速度進行多次表面輪廓掃描。每次掃描優選使得測量探頭沿 著相同路徑但以不同速度移動。
有利的是，步驟(ii)包括比較機器位置數據和探頭數據，以便建立它 們之間的延遲，所述比較包括迭代過程來最小化可從探頭數據和機器位置數 據識別的方向變化。換句話說，機器位置數據和探頭數據的對應于探頭方向 的變化的變化被比較，并且數據組之間的區別通過迭代改變探頭數據和機器 位置數據組來最小化。或者，可以釆用相關技術，例如探頭和機器位置數據 組可以相加在一起并且是用迭代過程最大化所產生的總和。可以對以不同測 量速度捕獲的機器位置和探頭數據并行進行這種迭代過程。在這種情況下， 可以最小化所產生的誤差。這允許建立系統延遲，而實際上不需要計算制品 表面上的位置，但是如果需要可以進行。
可以相對于固定的制品移動測量探頭，可以相對于固定的測量探頭移動制品，或者測量探頭和制品都是可以單獨移動的。所需要的是知道測量探頭 和制品之間的相對速度，如上所述，已知速度可以是測量的速度或者需求的 速度。機器還可包括馬達或者其他促動器，其提供制品和測量探頭之間的相 對運動。方便的是，該機器是機床，也就是說，該機器能夠使用工具來切割 或者車削工件的部分。該機床可以包括數字控制器，其輸出可以從位置編碼
器或者類似物獲得的機器位置數據。NC還可以控制測量探頭和制品之間的
相對運動。
有利的是，測量探頭通過無線鏈路將所述探頭數據輸出到探頭接口。優
選的是，采用計算機用來執行該方法的步驟(ii)。例如，計算機可以接口連 接到機床的NC上，并且連接到遠程探頭接口上，其通過無線鏈路與測量探 頭通信。
有利的是，機器位置數據和探頭數據以相對于主時鐘定時的時間間隔捕 獲。有根據本發明的方法確定的系統延遲是機器產生機器位置數據和測量探 頭產生探頭數據之間的相對延遲，即，該系統延遲時當數據相對于主時鐘定 時的瞬時發生的延遲。任何隨后的延遲，包括與將數據報傳遞給計算機相關 的在數據相對于主時鐘定時后發生的可變延遲不會影響測量精度。有利的 是，主時鐘提供為機器的部件或者測量探頭系統的部件(例如位于探頭接口 中)。機器或者測量探頭系統的其他部分被有利地構造成具有用于從主時鐘 接收定時信號的輸入。在專利文獻WO2005/065884中已經更詳細描述了這 種主時鐘布置的設置和使用。
在進行校準以便建立系統延遲之后，當結合機器位置數據和探頭數據時 可以使用計算的系統延遲值。例如，在計算位置信息之前，機器位置數據或 者探頭數據的定時可以變改變或者偏移。或者，測量纟笨頭或者機器中的一個 可以被布置成提供對應于系統延遲的數據捕獲延遲。通過這種方式，機器位 置和探頭數據的將來捕獲沒有與其有關的相對系統延遲。
根據本發明的第二方面，提供一種設備，其包括測量探頭，其用于捕 獲表示一表面相對于所述測量探頭的位置的探頭數據；機器，其用于捕獲表 示所述測量探頭相對于一位于所述機器的工作區域中的制品的位置的機器 位置數據；控制器，其包括校準裝置，所述校準裝置用于以已知的速度相對 于所述制品移動所述測量探頭，同時捕獲探頭數據和機器位置數據，所述校 準裝置沿著一路徑移動所述測量探頭，所述路徑使得能夠捕獲表示所述制品
13的表面上的兩個或者多個點相對于所述測量探頭的位置的探頭數據，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據和機器位置 數據之間的相對延遲。
根據本發明的第三方面，提供一種用于對設備進行;艮準的方法，所述i殳 備包括安裝在機器上的測量探頭，所述機器能夠捕獲表示所述測量探頭相對 于一制品的位置的機器位置數據，所述測量探頭能夠捕獲表示一表面相對于
所述測量探頭的位置的探頭數據，所述方法包括如下步驟(i)當以已知的 速度相對于制品移動所述測量探頭時捕獲探頭數據和機器位置數據，當所述 測量探頭相對于制品沿著能夠提供表示所述制品的表面上的兩個或者多個 點相對于所述測量探頭的位置的探頭數據的路徑移動時，所述探頭數據和機 器位置數據以在一直的時間間隔被捕荻；以及(ii) 分析在步驟(i)中捕 獲的機器位置數據和探頭數據，并且由此確定捕獲的探頭數據和才幾器位置數 據的相對延遲。有利的是，步驟(i)中使用的機器位置數據值和探頭數據值 相對于主時鐘定時。
還可以提供 一種計算機程序，其用于執行上面描述方法。還可以提供 一種計算機程序承載器，其承載這種計算機程序。
根據本發明的第四方面，提供一種用于對設備進行校準的方法，所述設 備包括安裝在機器上的測量探頭，所述機器能夠捕獲表示所述測量探頭相對 于一制品的位置的機器位置數據，所述測量探頭能夠捕獲表示一表面相對于 所述測量探頭的位置的探頭數據，所述方法包括如下步驟(i)以已知的速 度相對于所述制品移動所述測量探頭，同時捕獲探頭數據和機器位置數據， 所述測量探頭沿著一路徑移動，所述路徑使得能夠捕獲表示所述制品的表面
上的至少一個點相對于所述測量探頭的位置的探頭數據，所述路徑還在^:頭
移動方向上包括至少 一個變化，可以從機器位置數據和探頭數據識別所述變 化；以及(ii)比較在步驟(i)的掃描期間捕獲的機器位置數據和探頭數 據，并且由此確定捕獲的機器位置數據和探頭數據的相對時間延遲。
以下將通過參照附圖示例性地描述本發明。其中
圖1顯示了安裝在機床的主軸中的掃描探頭；
圖2顯示了如何使用五個表面位置測量來確定球形校準制品的直徑；
圖3顯示出了 一種替代的校準制品； 圖4顯示了以多個不同的測量速度獲取的球體直徑數據； 圖5顯示出了用于掃描球體以找到系統延遲的掃描路徑； 圖6顯示了采用如圖5所示的路徑掃描球體時產生的機器位置數 據和探頭數據；
圖7顯示出了圖6所示的機器和探頭數據的徑向誤差；以及 圖8顯示出了驅動探頭到表面上和離開表面時獲取的機器和探頭 數據如何可以用來計算探頭/機器時間延遲。
具體實施例方式
參照圖1,示出了安裝在機床的主軸2中的掃描探頭4。可以通過各種 驅動馬達(沒有顯示出來)使得該主軸2沿著X, Y， Z機床軸相對于固定 基底6移動。也可以采用位置編碼器或者類似物(沒有示出)來精確測量主 軸(x， y， z方向)的定位。數字控制器(NC) 8輸出移動(X， Y， Z)信 號到驅動馬達，并且也從位置編碼器接收位置信息信號(x， y, z)。以一種 已知的方式，NC可以因此提供主軸在機床的工作區域內的精確的伺服控制 的運動。NC8可通過應用程序接口 (API) IO進行編程。
模擬或者掃描探頭4包括探頭主體12，探頭主體12可使用標準類型的 可釋放連接器連接到機床的主軸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測量觸針14的尖端相對于纟笨頭主體12 的任何偏轉，這些測量在所謂的探頭幾何系統(a， b, c)中進行。探頭4 還包括光發送器/接收器部分18，其與位于機床附近的遠程探頭接口 20的相 對應的接收器/發送器部分通信。探頭偏轉(a， b, c)數據可以在需要時因 此通過無線通信鏈路輸出到接口。例如，可以在探頭接口 20請求時通過探 頭發送探頭偏轉數據。
如專利文獻WO2005/065884中描述的，主時鐘22可以設置在NC8中。 可以通過API以由主時鐘限定的時間間隔捕獲和輸出來自于機床的位置編 碼器產生的信號的位置測量。通過這種方式，形成了以已知時間間隔捕獲的 片幾器位置數據(x, y, z)的列表組。來自NC的主時鐘22的定時或者同步 信號也傳遞給探頭接口 20。也以由主時鐘22限定的時間間隔獲得了探頭偏轉數據(a， b， c)。以所述時間間隔捕獲的探頭偏轉數據的列表組通過探頭 接口 20輸出。
盡管探頭偏轉(a， b， c)和機器位置(x， y， z)數據值優選在相同的 時間瞬時捕獲，這也不是必須的。例如，探頭偏轉數據的收集率可以不同于 機器位置數據。在該例子中，主時鐘為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探頭接口和NC提供共同的定時信號。
計算機24從API10接收機器位置數據，并且從:探頭接口 20接收探頭偏 轉數據。由于機器位置測量(x， y， z)和探頭偏轉測量(a， b， c)都相對 于對主時鐘22有時間標記，這些測量可以通過計算才幾24結合來4是供被掃描 的表面的坐標位置測量。如果獲得不同時間間隔的數據值，可以對于探頭偏 轉數據或者機器位置數據組中的一個進行內插，以便臨時將其與另 一數據組 對準。使用用于限定探頭偏轉和機器位置數據的定時的共同時鐘的優點在 于，其使得系統對于從NC和探頭接口道計算機24的數據傳送的相對速度 不敏感。因此克服了不能從當前可獲得的NC實時獲取位置數據。
主時鐘技術的使用確保了計算的機器位置(x, y， z)和探頭偏轉(a, b， c)數據值不會被在分別將數據組從NC和探頭接口傳送到PC中存在的 各種延遲的影響。但是，還是存在于捕獲機器位置和探頭偏轉值有關的相對 延遲。例如，NC可以花幾毫秒來從計算來自編碼信號的機器位置數據，而 探頭接口可能僅僅花幾微妙來詢問測量探頭并且接收更新的探頭偏轉數據。 因此，可以看出，盡管機器和探頭接口可以以已知的時間點(例如相對于主 時鐘定時)來捕獲機器位置和探頭偏轉值，這些值可能實際上與測量的稍微 不同的實時有關。換句話說，盡管機器位置和探頭偏轉數據值可以以由共同 的時鐘限定的時間間隔讀取(即獲取)，在產生機器位置和探頭偏轉測量上 還是存在相對延遲。這里，該延遲稱為"系統延遲"，下面將描述4艮據本發明 的用于確定該系統延遲的各種方法。
此時，方便的是，應當理解，盡管當采用圖l所示類型的設備時優選探 頭偏轉和機器位置數據組相對于共同的時鐘定時，但是不是對于所有類型的
設備都如此。例如，探頭接口和NC可以包含單獨的高精度的時鐘，其在長 的時間段保持同步。或者，可以設置用于監控兩個不同時鐘的相對計時的裝 置。此外，如果機器位置和探頭偏轉數據到達處理器而沒有任何種類的延遲 (例如從N C或者數據傳送裝置)，主時鐘的使用是不必要的。參照圖1和2 ,描述用于采用已知直徑的球體計算系統延遲的方法。
如圖1所示，直徑為d的球體3 O放置在機器的工作空間中。如圖2 a 所示，測量探頭4然后沿著機器的x軸驅動，使得觸針球1 6接觸球體3 0 的表面上的第一點(P 1 )。測量探頭在與球體表面的接觸建立之后沿著x 軸驅動短距離，例如直到探頭已經到達其預定的最大觸針偏轉。然后倒轉才果 頭方向，隨著探頭以已知的基本上恒定的速度(S 1 )從球體移動離開，都 相對于主時鐘具有時間標記的一系列探頭偏轉(a, b, c)和機器位置(x， y， z)數據值被捕獲。
通過計算機2 4結合探頭和機器位置數據值。具體而言，計算機2 4進 行"外推到零，，的計算，以便找到球體表面上的測量的點M 1 。如前面其他地 方描述的(例如U S 6 8 1 0 5 9 7 )，外推到零技術要求當觸^"與帶測量 的表面上的點接觸時將探頭偏轉數據作為機器位置的函數分析。然后可以進 行外推以便確定觸針接觸表面時的機器位置，但仍為零觸針偏轉。采用外推 到零技術意味著測量的點Ml基本上不被觸針或者機器扭轉所影響。應當理 解，用于外推到零計算中的測量優選是當探頭移動離開球體(即當觸針與表 面脫離接觸)時進行的。這種探頭偏轉測量不會遭受彈跳或者振動效果，這 種效果會降低當驅動觸針到表面上時所獲取的偏轉測量。
盡管外推到零技術可以用來從掃描探頭獲得高精度的表面位置數據，但 是，應當理解，該方法可以采用替代的技術來確定測量點M 1 。例如，專利 文獻U S 6 8 1 0 5 9 7中描述的類型的內插技術可以被采用。可選擇的 是，當探頭偏轉數據超過一定閾值時簡單的觸發信號可以被發送。
如圖2 b所示，測量過程重復四次，探頭觸針被驅動與球體的點P 2 , P 3 , P4, P5接觸。進一步的外推到零的計算產生測量點M2， M3， M4和M5。 所有的測量Ml-M5進行時探頭被以相同的(已知)速度Sl驅動離開球體表 面.
球體表面上的點的五個測量Ml-M5允許根據球體的數學特性以已知的 方式計算測量的球體的直徑d'。但是，任何系統延遲會偏移所有的測量 Ml-M5 —固定的量，其主要取決于(已知的)測量速度和(未知的)系統 延遲。假設機器位置數據相對于探頭偏轉數據延遲，則測量的球體直徑d' 比已知的球體直徑d更大，如圖2c所示。已知的和測量的球體直徑Ad可以 因此除以兩倍的測量速度S1來產生系統延遲值。盡管在五個點測量球體允許確定可靠的球體直徑值，可以采用多于五個 點或者少于五個點來確定球體直徑。例如，可以采用兩個或者更多測量點。 還應當注意，在該例子中在球體上測量的點(Pl-P5)被選擇純粹是為了數
學簡化。點Pl和P2被選擇使得探頭可以沿著X軸驅動，并且相關的觸針 偏轉僅僅沿著探頭的a軸。類似，點P3和P4沿著機器的Y軸被接近，觸針 僅僅圍繞其b軸偏轉。最后，點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。如果需要，可以測量球體上的任何點，所產生的機器位 置和探頭偏轉值根據結合的多軸值確定。類似，探頭和機器坐標系統不需要 如圖所示的對準。實際上，不同的坐標系統可以用于機器位置和探頭偏轉測 量，并且在數據處理期間隨后可以進行核實的變換。
盡管上述種類的球體提供了方便的制品，在該制品上進行系統延遲確定 方法，但是，可以采用很多其他替代的制品。實際上，具有已知尺寸的任何 制品可以;故采用。例如，制品可以是立體的，圓柱體的，鉆孔等。制品可以 根據需要放置到機床上，永久地連接到機床上或者甚至作為機床的一部分。
圖3示出了如何使用 一對間隔開已知間隙g的板40和42來執4亍該方法。 測量探頭可以沿著X軸載正向或者負向上驅動，使得在板40上的點Ql和 板42上的點Q2進行觸針接觸。對于兩個測量，測量探頭的速度是已知且恒 定的。采用對當觸針從表面回縮時獲取的數據進行外推到零技術(如上所 述)，可以計算兩個表面接觸點Nl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和計算的間隙值g'之間的差別可以與已知的測量 速度結合來確定系統延遲。
在上面給出的例子中，進行測量時的探頭移動式沿著與校準制品表面的 法向進行的。但是，探頭可以從非正交方向驅動到該表面。在這種情況下， 與該表面垂直的速度分量可以確定，并且用來估計系統延遲。這里給出的例 子還假定x， y, z機器位置值產生相同的延遲。對于某些類型的才幾器可能不 是這樣。該方法可以因此用于提供沿著不同的機器軸的制品尺寸的單獨的測 量。例如，可以采用成對的相對測量來單獨測量球體的直徑，其中探頭沿著 一定的軸移動。在這種例子中，對于x， y, z機器位置測量中的一個或者多 個可以單獨測量系統延遲。
參照圖2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際的。例如，制品的尺寸可能僅僅在某一溫度已知。但是，已經發現，以不同的速度測量可以使得不需要精確知道制品的尺寸。
如上面參照圖2描述的，球體直徑額可以/人球體表面上的五個測量點可 靠確定。在上面描述的例子中，所有這五個測量被進行時，探頭以已知的速 度(S1)移動。為了避免將測量的球體直徑與已知球體直徑比較的需要，可以
通過探頭以不同的(已知)速度移動測量多次球體直徑。例如，以速度Sl 在球體上接觸五次，可以用來獲得直徑值D1。以速度S2在球體上接觸五次 可以用來獲得直徑值D2。這可以重復多次，例如以速度S3,S4， S5，用來提 供測量直徑值D3，D4和D5。
如圖4所示，測量速度越大，計算球體直徑越大。這是由于當測量速度 增加時系統延遲對于計算球體直徑具有更大的比例效應。系統延遲是主要的 速度依賴變量，因此測量球體直徑的梯度和測量速度曲線提供了系統延遲。 此外，在途中的截距50也提供了靜態誤差值的測量。
上述方法采用多測量點來計算制品表面上的多個坐標，由此允許測量制 品的尺寸。以這種方式測量制品的尺寸(例如直徑，板間間隙等)意味著不 需要知道表面上的點的精確位置。還已經發現，可以根據機器位置數據和觸 針偏轉數據確定系統延遲，而不需要實際計算制品的表面上的任何點的位 置。下面參照圖5到8更詳細描述。
參照圖5，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 得在整個掃描中觸針保持與球體的表面接觸。在掃描過程中，探頭在具有第 一掃描半徑rl的^各徑和具有小于rl的第二掃描半徑r2的路徑之間移動。#皮 測量的球體表面是正圓，因此掃描路徑的不同半徑導致不同的觸針偏轉。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過程中，探頭沿著掃描半徑r2移動。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。
圖6示出了當測量探頭沿著圖5所示的掃描路徑通過時機床捕獲的機器 位置數據70和作為時間函數(時間相對于主時鐘測量)的觸針偏轉數據72。 兩個數據組的測量值被適當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，觸針偏轉數據領先機器位置數據一個值At，該值At對應于 系統延遲。
圖7示出了機器位置數據70和探頭偏轉數據72之間的差異。該差異稱 為徑向誤差。采用迭代優化技術來找到時間延遲，其可以應用于觸針偏轉數據72來最小化徑向誤差。如圖5所示的不同尺寸的角部分的使用移除了優 化過程中的任何退化，允許可靠的找到獨特的方案。發現最小平方和的最小 化過程適用于這種誤差最小化，但是已知多種其他數學技術(例如相關技術 等)可以操作類似的功能。
參照圖5到7描述的方法是有利的，因為其在計算延遲時采用大量的觸 針和機器位置測量點。但是，也可以通過以已知的速度驅動觸針與表面上的 單個點接觸并脫離接觸來確定延遲。
圖8示出了機器位置數據80和觸針偏轉數據82，其中觸針被驅動到表 面上的一個點然后從其回縮。以相同的已知速度進行向內和向外的動作，由 此允許從機器位置和觸針偏轉數據組的頂點的間隔建立系統延遲At。
特定的設置的系統延遲不可能隨著時間顯著改變。但是，可以根據需要 的頻率來進行上述方法。例如，可以僅僅進行一次上述描述的任何方法來在 首次機器設置期間、周期性地作為校準例程的一部分、或者在進行每組測量 之前計算系統延遲。找到系統延遲的頻率因此隨著特定的應用而變化。
可以進行上述方法，其中探頭偏轉和機器位置數據使用先前的系統延遲 值來校正，在這種情況下，該方法將確定由于先前系統延遲測量已經引入的 任何額外的系統延遲。或者，當進行該方法時可以停用任何先前系統延遲補 償， 一般從零確定整個系統延遲。
最后，應當記住，上述實施方式僅僅是本發明的例子。本領域技術人員 可以對這些特定例子進行各種變型。例如，上述描述的機床具有線性的相互 正交的移動和測量軸，但是不是必須的。可以采用非笛卡爾機器(例如三角 或者六角形式的布置)。類似地，在笛卡爾坐標中，不需要探頭總是輸出觸 針偏轉數據。此外，盡管上面描述了模擬測量探頭，該技術可以應用于其他 形式的測量探頭。例如，該方法可以用于非接觸式(例如光學)測量探頭或 者類似物。
權利要求
1.一種用于對設備進行校準的方法，所述設備包括安裝在機器上的測量探頭，所述機器能夠捕獲表示所述測量探頭相對于一制品的位置的機器位置數據，所述測量探頭能夠捕獲表示一表面相對于所述測量探頭的位置的探頭數據，所述方法包括如下步驟(i)以已知的速度相對于所述制品移動所述測量探頭，同時捕獲探頭數據和機器位置數據，所述測量探頭沿著一路徑移動，所述路徑使得能夠捕獲表示所述制品的表面上的兩個或者多個點相對于所述測量探頭的位置的探頭數據；以及(ii)分析在步驟(i)中捕獲的機器位置數據和探頭數據，并且由此確定捕獲探頭數據和機器位置數據的相對延遲。
2. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述測量探頭是具有可 偏轉的觸針的掃描探頭，所述探頭數據表示所述觸針的偏轉，其中，步驟(i) 包括使用所述機器來沿著如下路徑移動所述測量探頭使得所述測量探頭的 觸針與所述制品的表面上的所述兩個或者多個點的每個接觸。
3. 根據權利要求2所述的方法，其特征在于，步驟(i)包括在所述觸 針和所述制品的表面上的點首次建立接觸之后繼續相對于所述制品移動所 述測量探頭一段限制的距離，步驟(ii)包括進行外推來計算所述制品的表 面上的兩個或者多個測量的點。
4. 根據權利要求3所述的方法，其特征在于，所述兩個或者多個測量 的點來自于當所述探頭移動離開所述制品的表面時捕獲的探頭數據和機器 位置數據。
5. 根據權利要求2到4中任一項權利要求所述的方法，其特征在于， 所述測量探頭的觸針從基本上垂直于所述制品的表面的方向與所述制品的 表面上的每個點接觸。
6. 根據前述權利要求中任一項權利要求所述的方法，其特征在于，步 驟(ii)包括使用所述探頭數據和所述機器位置數據來計算所述制品的表面 上的兩個或者多個測量的點的位置。
7. 根據權利要求6所述的方法，其特征在于，步驟(i)中的所述制品 的表面上的兩個或者多個點被選擇成允許測量所述制品的至少 一個尺寸。
8. 根據權利要求6所述的方法，其特征在于，所述制品的表面上的兩 個或者多個點包括至少一對相對的點。
9. 根據權利要求7到8中任一項權利要求所述的方法，其特征在于， 步驟(ii)包括通過將所述制品的至少一個測量的尺寸與所述制品的已知的 尺寸比較來計算所述延遲。
10. 根據前述權利要求中任一項權利要求所述的方法，其特征在于，步 驟(i)被進行多次，其中所述測量探頭以多個不同的已知速度移動。
11. 根據權利要求IO所述的方法，其特征在于，步驟(ii)包括確定在 所述多個速度的每個時所述制品的至少一個測量的尺寸。
12. 根據權利要求11所述的方法，其特征在于，步驟(ii)包括從作為 速度的函數的所述制品的至少一個測量的尺寸確定所述探頭數據和所述機 器位置數據之間的延遲。
13. 根據權利要求11所述的方法，其特征在于，從測量的尺寸相對于 速度數據的梯度確定所述延遲。
14. 根據前述權利要求中任一項權利要求所述的方法，其特征在于，所 述制品包括球體。
15. 根據前述權利要求中任一項權利要求所述的方法，其特征在于，步驟(i)包括捕獲表示所述制品的表面上的至少五個點的位置的探頭數據。
16. 根據前述權利要求中任一項權利要求所述的方法，其特征在于，步 驟(i )包括沿著允許沿制品的表面輪廓的多個點進行測量的路徑移動測量探 頭，其中，所述路徑在測量探頭移動的方向上包括至少一個變化，可以從機 器位置數據和探頭數據中識別所述變化。
17. 根據權利要求16所述的方法，其特征在于，所述路徑在探頭移動 的方向上包括多個變化，可以從機器位置數據和探頭數據中識別所述變化。
18. 根據權利要求16到17中任一項權利要求所述的方法，其特征在于， 以不同的速度多次執行步驟(i)。
19. 根據權利要求16到18中任一項權利要求所述的方法，其特征在于， 步驟(ii)包括比較機器位置數據和探頭數據，以便建立它們之間的延遲， 所述比較包括迭代過程來最小化可從探頭數據和機器位置數據識別的方向 變化。
20. 根據前述權利要求中任一項權利要求所述的方法，其特征在于，以 相對于主時鐘定時的時間間隔捕獲所述機器位置數據和探頭數據。
21. 根據前述權利要求中任一項權利要求所述的方法，其特征在于，所 述機器是機床，其包括輸出所述機器位置數據的數字控制器。
22. 根據前述權利要求中任一項權利要求所述的方法，其特征在于，所 述測量探頭通過無線鏈路將所述探頭數據輸出到探頭接口 。
23. 根據前述權利要求中任一項權利要求所述的方法，其特征在于，計 算機用來執行步驟(ii )。
24. —種設備，其包括測量探頭，其用于捕獲表示一表面相對于所述測量探頭的位置的探頭數據；機器，其用于捕獲表示所述測量探頭相對于一位于所述機器的工作區域 中的制品的位置的機器位置數據；控制器，其包括校準裝置，所述校準裝置用于以已知的速度相對于所述 制品移動所述測量探頭，同時捕獲探頭數據和機器位置數據，所述校準裝置 沿著一路徑移動所述測量探頭，所述路徑使得能夠捕獲表示所述制品的表面 上的兩個或者多個點相對于所述測量探頭的位置的探頭數據，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據 和機器位置數據之間的相對延遲。
25. —種用于對設備進行校準的方法，所述設備包括安裝在機器上的測 量探頭，所述機器能夠捕獲表示所述測量探頭相對于一制品的位置的機器位 置數據，所述測量探頭能夠捕獲表示一表面相對于所述測量探頭的位置的探 頭數據，所述方法包括如下步驟(i) 當以已知的速度相對于制品移動所述測量探頭時捕獲探頭數據和 機器位置數據，當所述測量探頭相對于制品沿著能夠提供表示所述制品的表 面上的兩個或者多個點相對于所述測量探頭的位置的探頭數據的路徑移動 時，所述探頭數據和機器位置數據以在一直的時間間隔被捕獲；以及(ii) 分析在步驟(i)中捕獲的機器位置數據和探頭數據，并且由此 確定捕獲的探頭數據和機器位置數據的相對延遲。
26. —種計算機程序，其用于執行根據權利要求25所述的方法。
27. —種計算機程序承載器，其承載根據權利要求26所述的計算機程序。
28. —種用于對設備進行校準的方法，所述設備包括安裝在機器上的測 量探頭，所述機器能夠捕獲表示所述測量探頭相對于一制品的位置的機器位 置數據，所述測量探頭能夠捕獲表示一表面相對于所述測量探頭的位置的探 頭數據，所述方法包括如下步驟(i )以已知的速度相對于所述制品移動所述測量探頭，同時捕獲探頭 數據和機器位置數據，所述測量探頭沿著一路徑移動，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點相對于所述測量探頭的位置的探頭 數據，所述路徑還在探頭移動方向上包括至少一個變化，可以從機器位置數據和探頭數據識別所述變化；以及(ii)比較在步驟(i)的掃描期間捕獲的機器位置數據和探頭數據， 并且由此確定捕獲的機器位置數據和探頭數據的相對時間延遲。
全文摘要
描述了一種用于對設備進行校準的方法，所述設備包括安裝在機器上的測量探頭(4)。所述機器能夠捕獲表示所述測量探頭的位置的機器位置數據(x，y，z；70；80)，所述測量探頭能夠捕獲表示一表面相對于所述測量探頭(4)的位置的探頭數據(a，b，c；72；82)。測量探頭(4)可以是具有可偏轉的觸針(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于制品(30；40；42)移動所述測量探頭(4)，同時捕獲探頭數據(a，b，c；72；82)和機器位置數據(x，y，z；70；80)。特別的是，所述測量探頭(4)沿著一路徑移動，所述路徑使得能夠捕獲表示所述制品的表面上的兩個或者多個點相對于所述測量探頭(4)的位置的探頭數據(a，b，c；72；82)。該方法的第二步驟包括分析機器位置數據(x，y，z；70；80)和探頭數據(a，b，c；72；82)，并且從這些數據確定捕獲探頭數據和機器位置數據的相對延遲(即所謂的系統延遲)。
文檔編號G01B21/02GK101622513SQ200880005998
公開日2010年1月6日 申請日期2008年2月18日 優先權日2007年2月22日
發明者亞歷山大·坦南特·薩瑟蘭, 約翰·查爾斯·烏爾德 申請人:瑞尼斯豪公司
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