測量方法
【專利說明】測量方法
[0001]本發明涉及利用包括掃描探頭的坐標定位設備來測量物體，具體地，本發明涉及利用接觸觸發模式測量和掃描模式測量來測量物體的方法。
[0002]已知各種測量探頭，這些測量探頭能夠與諸如機床、坐標測量機或者工業機器人之類的坐標定位設備一起使用。接觸式測量探頭典型地包括探頭殼體、能夠相對于探頭殼體偏轉的觸針以及用于測量觸針偏轉的一個或多個傳感器。
[0003]接觸觸發式探頭(有時也稱為數字式探頭)是一種已知類型的測量探頭。接觸觸發式探頭僅起到開關的作用，并且觸針從靜止位置的偏轉(例如，當觸針尖端移動到與物體的表面接觸時)導致發出觸發信號。坐標測量設備測量接觸觸發式探針在發出觸發信號的瞬間在機器坐標系中的位置(x，y，z)，由此允許(以合適的校準)測量物體的表面上的點的位置。接觸觸發式探針因此被重復地驅動成與物體的表面接觸或脫離接觸，以對物體進行逐點位置測量。
[0004]掃描探針(通常被稱為模擬探針)是另一類型的測量探針。典型的模擬探針包括能夠測量任何觸針偏轉的量值和方向的偏轉式傳感器。例如，模擬測量探針可以產生三個輸出信號，這三個輸出信號與觸針尖端在三個相互正交的方向上的偏轉相關。這允許例如在局部或探針(a，b，c)坐標系中連續地測量觸針尖端相對于探針殼體的位置。將所測量的觸針尖端位置(a，b，c)與掃描探針在機器坐標系內的已知位置(x，y，z)相結合允許在觸針尖端沿著物體的表面上的路徑移動或掃描時測量觸針尖端的位置。這樣，能夠測量物體的表面上的很大數量的點。
[0005]接觸觸發式探針的優點在于它們能夠提供高精度的接觸觸發模式測量，但是必須重復地使探針與正被測量的物體的表面接觸或脫離接觸是相對慢的過程。當掃描探針被沿著物體的表面上的路徑驅動時，該探針允許收集許多掃描模式測量點，但是每個點的精度通常比利用接觸觸發模式測量能夠實現的精度低。掃描探針尤其是當被設計成在惡劣的車床環境中提供高精度測量時的成本和復雜性還可能太高。
[0006]根據本發明的第一方面，提供了一種利用坐標定位設備來測量物體的方法，該方法包括以下按任何合適的順序的步驟:
[0007]a)以接觸觸發模式操作該坐標定位設備，以測量該物體的表面上的一個或多個接觸觸發測量點的位置；
[0008]b)以掃描模式操作該坐標定位設備，以測量沿著該物體的表面上的掃描路徑的多個掃描測量點的位置，利用具有接觸物體的觸針的掃描探頭來獲得該掃描模式的測量；以及
[0009]c)計算至少一個校正，其描述步驟(a)的接觸觸發模式的測量與步驟(b)的掃描模式的測量之差。
[0010]本發明因此包括利用以接觸觸發模式和掃描模式兩種模式操作的坐標定位設備測量物體的方法。具體地，以接觸觸發模式使用該坐標定位設備來獲得該物體的表面上的一個或多個接觸觸發測量點，并且還通過沿著該物體的表面上的掃描路徑移動掃描探頭的接觸物體的觸針以掃描模式使用該坐標定位設備來獲得多個掃描測量點。
[0011]在接觸觸發模式中，該坐標定位設備使用測量探頭來獲得該物體的表面上的一個或多個接觸觸發測量點。如以上說明的，通過朝向物體的表面移動該測量探頭直到獲得與該物體的表面上的點的一定空間關系而獲得接觸觸發測量點。在接觸式接觸觸發測量探頭具有可偏轉觸針的情況下，測量過程包括朝向表面移動測量探頭直到觸針和物體之間的接觸造成觸針的可檢測的偏轉為止。然后由測量探頭發出觸發信號以表示已與表面形成接觸。在發出觸發信號的瞬間測量探頭在坐標定位設備內的位置允許以合適的校準來計算已由觸針接觸的物體的表面上的點(即，接觸觸發測量點)的位置。通過將觸針重復地移動成與物體的表面上的不同點接觸，可以獲得多個這樣的接觸觸發測量點。
[0012]在掃描模式中，坐標定位設備使用具有接觸物體的觸針的掃描探頭來測量沿著物體的表面上的掃描路徑的多個點。換言之，掃描探頭的觸針的尖端與物體進行接觸，然后沿著物體的表面上的路徑移動(例如被推動或拖動)。當穿過物體的表面上的路徑時收集掃描測量點。以掃描模式測量的物體是以接觸觸發模式測量的相同的物體。此外，該物體優選地在進行掃描模式測量和接觸觸發模式測量之間不移動;例如，在獲得掃描模式的測量和接觸觸發模式的測量時，該物體可以在坐標定位設備的相同固定物或夾緊物中保持固定。還應注意的是，接觸觸發模式的測量和掃描模式的測量可以以任何合適的順序獲得;例如，可以首先執行接觸觸發模式的測量或掃描模式的測量。
[0013]在以接觸觸發模式和掃描模式測量物體之后，執行步驟(C)，步驟(C)包括計算至少一個校正，其描述接觸觸發模式的測量和掃描模式的測量之差。該至少一個校正因此描述以接觸觸發模式和掃描模式進行的測量之間的任何變化。如以下所說明的，該至少一個校正可以包括誤差映射或函數，其描述在逐點的基礎上以接觸觸發模式和掃描模式進行的位置測量之差。另選地，該至少一個校正可以描述該物體在坐標定位設備的坐標系內的測量位置和/或取向之差或者從以接觸觸發模式和掃描模式進行的位置測量確定的物體的特征的測量幾何特性(例如，物體中形成的孔的測量半徑)之差。
[0014]接觸觸發模式的測量的位置精度通常比掃描模式的測量更大。盡管掃描模式的測量可能是較低精確度的，但是它們通常是可重復的。因此在步驟(C)中計算出的至少一個校正可以用于校正掃描模式的測量。例如，該至少一個校正可以用于校正相同物體的隨后的掃描模式的測量和/或名義上與該物體相同的另外物體的掃描模式的測量。這樣，掃描模式的測量的精度可以得到改善，同時保持與掃描模式操作相關聯的高速度測量的優點。
[0015]有利地，步驟(b)的掃描路徑被布置成名義上穿過該一個或多個接觸觸發測量點。這樣，該物體的表面上的相同或非常靠近地定位的點可以以接觸觸發模式和掃描模式兩種模式被測量。至少一個校正因此可以有利地描述掃描測量點和接觸觸發測量點之間的位置偏差。
[0016]有利地，該方法包括利用步驟(C)的至少一個校正來校正步驟(b)的測量的步驟。如以下更詳細地說明的，步驟(C)可以包括將在步驟(a)期間獲得的少量的精確接觸觸發測量點與在步驟(b)中獲得的一些掃描測量點進行對比，以產生至少一個校正。然后可以將在步驟(C)中計算出的校正應用于步驟(b)的所有掃描測量點。這樣，利用在步驟(C)中確定的至少一個校正，可以從步驟(b)的測量產生高密度的精確性提高的測量點。
[0017]該方法可以用于測量單個物體。有利地，該方法應用于以下物體，該物體為一系列名義上相同的物體中的第一物體。例如，該物體可以是在旨在生產一系列名義上相同的部件的生產運行中制造的一個部件。該方法然后可以包括以掃描模式操作坐標定位設備來測量該一系列物體中的一個或多個另外物體的步驟。然后可以將在步驟(C)中計算出的至少一個校正應用于該一個或多個另外物體中的每個物體的掃描模式的測量。
[0018]至少一個校正可以以任何合適的方式描述接觸觸發模式的測量和掃描模式的測量之差。例如，至少一個校正可以描述掃描測量點和接觸觸發測量點之間的一個或多個位置偏差。有利地，至少一個校正包括誤差映射或函數，該誤差映射或函數限定在步驟(b)中獲得的掃描測量點和在步驟(a)中獲得的對應的接觸觸發測量點的位置之差。至少一個校正因此可以用于將多個掃描測量點中的一些或全部的位置校正成與接觸觸發測量點相對應。
[0019]如上所述，至少一個校正可以直接地限定掃描測量點和接觸觸發測量點之間的位置偏差。另選地，該校正可以描述該物體的源自于接觸觸發測量點的特性和該物體的源自于掃描測量點的對應特性之差。
[0020]有利地，步驟(a)包括利用該一個或多個接觸觸發測量點來確定該物體在該坐標定位設備的坐標系中的位置和取向中的至少一個。以接觸觸發模式對該物體的位置和/或取向的測量可以用作在切削物體之前在機床上的設定(setup)或基準(datuming)步驟。如以上所提及的，接觸觸發測量的獲得與掃描模式的測量相比相對較慢;例如，可能要花費20至30秒來獲得足夠的接觸觸發點以建立物體在機器坐標系內的位置和取向。
[0021]步驟(b)然后可以包括利用掃描測量點來確定物體在坐標定位設備的坐標系中的位置和取向中的至少一個。換言之，利用掃描模式的測量能找到物體的相同的位置和/或取向。盡管掃描模式的測量過程是可重復的并且比接觸觸發模式的測量快(例如，掃描模式的測量掃描可能花費10秒以下)，但是被掃描的測量點很可能具有較低的精度。源自于此掃描模式的測量的位置/取向信息因此很可能與接觸觸發模式的位置和取向信息不同(例如，與之相比較低精確度)。
[0022]步驟(C)因此可以有利地包括計算至少一個校正，該至少一個校正限定如在步驟(a)中確定的位置和取向中的至少一個與如在步驟(b)中確定的位置和取向中的至少一個之差。該至少一個校正因此可以包括向量或偏移值，其描述物體的源自于接觸觸發模式的測量和掃描模式的測量的位置和/或取向之差。如以上概述的，該校正(例如，向量或偏移值)可以被應用于名義上與已用于建立校正的第一物體相同的另外物體的掃描模式的測量。這允許利用更快的掃描模式的測量來建立另外物體的位置和/或取向，但是精度(在校正之后)接近能夠利用接觸觸發模式的測量獲得的精度。
[0023]本發明還能夠應用于測量物體的特征的幾何特性。有利地，步驟(a)包括利用一個或多個接觸觸發測量點(或