专利名称：测量工件的装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种利用安装在坐标定位装置诸如坐标测量仪(CMM)、机 床、手动坐标测量臂和检查机器人上的马达化的扫描头部测量工件表面的方 法。
背景技术：
从国际专利申请公开WO90/07097知道，将马达化的扫描头部安装在坐 标测量仪上。马达化的扫描头部能让安装在马达化的扫描头部上的探针围绕 两个名义正交的轴线转动。该探针可以相对于这两条轴线成角度定位，同时置「、、'、；。 "、 、。。 八、。这种马达化的扫描头部提供了一种扫描灵活性更大的坐标定位仪，因为 马达化的扫描头部可以将探针定位在许多不同方位。该申请公开了测量顺序，其中坐标定位仪的简单运动与马达化的扫描头 部的运动相结合，测量形状规则的零件。例如，通过沿着中心线移动CMM 的主轴，同时马达化的扫描头部沿着环形轮廓移动探针尖端以产生螺旋移 动，由此来测量钻孔。该申请还公开了通过驱动CMM的X和Y方向马达以沿着环形路径移 动所述主轴，同时将Ml马达操作在偏压模式而M2马达操作在定位模式， 由此来测量锥体。偏压模式使得所述尖端保持与所述表面接触，同时围绕工 件驱动扫描头部。这是通过对于给定的输入电流向它们的转子输入基本上恒 定的扭矩来实现的。扫描诸如钻孔的特征的方法存在的缺陷在于，不适合较大的孔(即，如 果孔的半径大于探针长度)或者非常小的孔。此外，这种扫描方法由于可达 性的制约，并不总是可行。发明内容本发明提供一种利用安装在坐标定位装置的构件上的扫描头部上的表 面感测设备来测量表面轮廓的方法，其中可以操作坐标定位装置，在扫描头 部和表面轮廓之间产生相对运动，并且扫描头部包括驱动件，用来产生表面感测探头围绕两个轴的转动，该方法包括以下步骤驱动坐标定位装置，在所述构件和所述表面轮廓之间产生沿着弧形、环 形或螺旋形路径的相对运动；驱动扫描头部，使表面感测设备围绕所述一个或多个轴运动，使得导程 角(lead angle)名义上恒定；其中，坐标定位装置和扫描头部的运动同步。所述构件的弧形、环形或螺旋形运动可以围绕所述表面轮廓的轴线。所 述构件的弧形、环形或螺旋形运动可以围绕与所述表面轮廓的中心轴线成一 定的角度的轴线。所述构件的弧形、环形或螺旋形运动可以围绕这样的轴线， 该轴线行于所述表面轮廓的中心线但是从其偏移。优选所述坐标定位装置和扫描头部的运动随着时间增量而同步。所述表面感测设备进行振荡运动(即，摆动扫描)。可以选择的是，其 可以、执行线性扫描。优选的是，扫描头部围绕至少一个轴线的转动用来将所述表面感测设备 保持在其测量范围内。根据本发明的第二方面，提供一种计算机程序，其包括代码，所述代码 适配成在计算机上运行时执行所述方法。所述计算机程序优选设置在载体上，诸如CD、 USB棒或其他介质，所 述计算机程序装载到计算机中的时候，执行本发明。所述计算机程序也可以 直接从互联网上下载。本发明的第三方面，提供一种用来测量表面轮廓的装置，该装置包括 安装在坐标定位装置的构件上的扫描头部上的表面感测设备，可以操作所述 坐标定位装置，在扫描头部和表面轮廓之间产生相对运动，扫描头部包括驱 动件，用来产生表面感测设备围绕两个轴的转动；和计算机，该计算机执行 以下步骤驱动坐标定位装置，在所述构件和所述表面轮廓之间产生沿着弧形、环 形或螺旋形路径的相对运动；驱动扫描头部，围绕所述一个或多个轴移动表面感测设备，使得导程角名义上恒定；其中，坐标定位装置和扫描头部的运动同步。
参照附图，现在将说明本发明的优选实施方式的示例，其中图l是坐标测量仪的立体图，该坐标测量仪包括本发明的扫描装置；图2是马达化的扫描头部的截面图；图3示出了扫描头部扫描较大的孔时的透视图；图4是位于小孔中的探针尖端的透视图；图5是图4中小孔的平面图；图6是扫描头部与凸台轴线对准时，被测量的凸台时的透视图；图7示出了带有螺旋扫描路径的图5所示的凸台；图8是通过安装在马达化的扫描头部上的探头测量的曲柄轴颈的截面图；图9A是贯穿凸轮轴一部分的截面图，示出了第一扫描轮廓； 图9B是贯穿凸轮轴一部分的截面图，示出了第二扫描轮廓； 图IO是贯穿柱状凹部的截面图；图11A-11C分别示出了根据传统技术的尺寸正确的孑L、尺寸较小的孔和 尺寸较大的孔的螺旋扫描轮廓；图12是计量系统每个轴的运动的指令速度对时间的曲线； 图13是示出了导程角的柱状凸台的平面图；和 图14是示出了倾斜角的柱状凸台的透视图。
具体实施方式
图1示出了安装在坐标测量仪(CMM)上的马达化的扫描头部。需要 测量的工件安装在CMM14的工作台12上，且马达化的扫描头部16安装到 CMM14的主轴18上。可以通过马达以已知方式相对于工作台沿着X、 Y、 Z方向驱动心轴。如图2所示，马达化的扫描头部16包括由基体或壳体20 形成的固定部件，该固定部件由轴22形式的移动部件支撑，所述轴可以围 绕轴线Al相对于壳体20转动。轴22固定到另一壳体24，该壳体24又支 撑轴26，可以通过马达M2围绕与轴线Al垂直的轴线A2相对于壳体24转动轴26。具有探针29的探头28安装到马达化的扫描头部，该探针具有工件接触 尖端30。这种布置使得该头部的马达M1、 M2可以围绕轴线A1或A2成角 度地定位工件接触尖端，并且CMM的马达可以将马达化的扫描头部线性定 位在CMM三维坐标空间内的任何地方，从而使〗果针尖端与扫描表面成预定 关系。线性位置变换器设置在CMM上，用来测量扫描头部的线性位移，而角 位置变换器Tl和T2设置在扫描头部中，用来测量探针围绕各轴线Al和 A2的角位移。在图1中所示的CMM中，通过让主轴沿着三个正交方向移动来实现主 轴和工件之间的相对运动。在另一种坐标定位装置中，可以通过主轴的运动、 安装工件的表面的运动(例如，工作台)或者它们的结合，来实现主轴和工 件之间的相对运动。探头具有可偏转的探针29,且探头中的变换器测量探针偏转量。探头可 以是二维的，例如感测沿着X和Y方向的偏转；或者是三维的，例如感测 沿着X、 Y和Z方向的偏转。可以选择的是，可以采用非接触式探头(例如， 光学、电容或电感探头)。在如图1所示的垂直臂CMM上，扫描头部16的Al轴线名义上与CMM 的Z轴线(沿着心轴18)平行。扫描头部可以围绕该轴线连续转动探头。 扫描头部的A2轴线正交于Al轴线。马达化的扫描头部可以将表面感测设备定位到不同的取向，而不需要重 新才交准该头部。CMM和扫描头部的位置受到控制编码的控制，所述控制编码设置在计 算机内，可以为硬件定制(bespoke)元件，即控制器或RC.。计算机可以进 行编程，以沿着测量路径移动CMM和扫描头部。特别适合用上述这种装置测量的一种特征是孔。传统上，沿着孔中心线 移动CMM主轴并环形旋转扫描头部从而为探针尖端产生螺旋轨迹，由此来 测量孔(正如WO卯/07097公开的那样)。但是，这种方法不适合较大的孔， 因为如果CMM主轴位于中心线上，而孔半径使得探针尖端无法到达孔表面。 在某些情况下，当CMM主轴处于中心线上，而探头到达所述表面所需的角 度是不现实的。在这种情况下，CMM主轴18随着扫描头部16转动而沿着环形94移动，正如图3所示。这样设置的优势在于，虽然需要CMM移动， 但是由于扫描头部运动而使其最小化了 。在本例中，探针尖端30围绕虚拟枢轴X转动。该虚拟枢转点并不像传 统孔扫描方法一样位于头部轴线的交点上，传统扫描方法中，头部保持在中 心线上。在本例中，探头导程角(lead angle )保持相对于所述表面发散(radial )。术语导程角和倾斜角参照图13和14解释，其中示出了借助探头28测 量柱状凸台40。图13是柱状凸台的平面图。探头纵轴线1和表面法线n之 间在行进方向d上的夹角为导程角。图14是图13所示柱状凸台的透视图。 探头纵轴线1和扫描平面内的表面法线n之间的夹角为倾斜角。具有优势的是，在整个测量过程中保持导程角名义上恒定，以便于编程、 简化CMM路径(因为这样会导致恒定的角速度)、使得加速度变化率恒定 (提供更为平滑的扫描)以及建立尖端与表面之间的良好关系。探头可以超 前(即，提前于扫描头部)、滞后(即，落后于扫描头部)或者在至少一个 平面内保持与表面法线对准。在整个扫描过程中倾斜角可以变化。这样对于可达性等具有优势。传统 孔扫描方法也不适合非常小的孔。图4A示出了通过安装于扫描头部16上的探头28被测量出较小的垂直 孔84。探针尖端30与扫描头部错位可能导致探针尖端偏离中心，正如虚线 探针和尖端所示。如果探针尖端30位置沿着A2偏离中心，则扫描头部就不 能在X和Y这两个方向上操纵探针尖端以扫描所述孔。图4B是探针尖端、 主轴和小孔的平面图。扫描头部沿着X轴线偏移，从而将探针尖端定位在孔 的中心。通过围绕A2轴线转动探针尖端(沿着虚线所示的环形路径)，探针 尖端30可以接触孔的表面(如图虚线轮廓30，所示)。但是，驱动向量(12相 对于必须控制偏转(山向量沿着表面法线)的方向而言，并非处于理想的方 向，使得扫描无法进行。可以看出，沿着虚线路径围绕主轴移动探针尖端30, 正如传统方法那样，无法奏效。使用主轴沿着环形路径移动扫描头部，如箭头C所示，实现了新的合成 驱动向量R,其与孔表面相切并垂直于偏转控制向量。如果扫描头部围绕 Al轴线像遵循环形路径那样转动，则可以将A2轴线保持与表面法线对准， 允许调节偏转。正如较大孔的例子，探针尖端围绕并不位于轴线交点的虛拟枢轴转动。 该方法的优势在于，允许测量可达性受到限制的区域。图6示出了凸台74，将要测量其外表面。CMM的主轴42与凸台的中 心线对准。然后围绕Al轴线转动马达化的扫描头部16,则探针尖端30朝 向凸台顶部执行周边测量。但是，该方法的缺陷在于，不能进一步沿着凸台 重复进行，因为尖端30将不再能接触所述表面。图7示出了扫描凸台74的替代方法。在该实施例中，随着头部角度转 动，CMM主轴沿着环形路径C围绕凸台的轴线移动。CMM还可以沿着Z 方向移动，从而围绕凸台的周边表面形成螺旋形扫描路径。图8示出了曲柄轴颈104的截面图，该曲柄轴颈具有4个待测量的柱状 区革殳106、 108、 110、 114。传统方式难于测量部分108,因为直径较小的部 分106降低了可达性。在传统测量技术中，盘形探针通常用来测量部分108, 这样做的缺陷在于，需要更换探针的步骤，从该降低了生产能力。使用本发明，全部的部分106至112都可以测量，而不需要更换探针。 部分106和108从曲柄轴颈的端部114进行测量，只要探头长度足够长，能 到达部分108即可，并且从端部116来测量部分110和112。CMM主轴的运动和头部角度受到控制，以允许通过直径受限的部分106 而接触到部分108。 CMM主轴沿着环形迹线移动，同时调节头部角度，以 使探针尖端也在柱状部分108内周边周围沿着环形路径移动。这种运动有效 地形成探针围绕其旋转的虚拟枢轴。也可以控制主轴和头部的运动，以使虚 拟枢轴位于柱状部分106内，从而使得能在不发生碰撞的情况下接触部分 亂对于更为复杂的零件，CMM的环形路径必须围绕不同的轴线，而非探 针尖端的环形路径。图9A是穿过凸轮轴40—部分的截面图。内区段具有中 心线A，而外区段具有中心线B。为了围绕内径扫描，探针尖端30必须围 绕中心线A遵循一路径，而凸轮轴的形状导致了可达性问题并阻碍了主轴的 移动。如果探针尖端停留在单个平面内，则主轴围绕轴线D转动，该轴线D 偏离中心线A或B。从图9A中可以看出，主轴围绕其转动的轴线D相对于 中心线A和B成角度。可以选择的是，CMM主轴围绕凸轮轴40的一部分的中心线B沿着环 形路径移动，如图9B所示。在该示例中，随着主轴围绕环形路径移动，探头围绕Al轴线转过360° ，以使探针尖端随着扫描进展而与内径成发散。 通过调节头部相对于A2轴线的角度，可以将探针尖端保持在内径上。因此， 探针尖端测量所述内径，但是将不会保持在单个平面内。在该示例中，主轴 围绕其转动的轴线B与需要测量的特征的轴线A平行，但从其偏离。如果CMM主轴向上移动，形成螺旋运动，则能对凸轮轴部分进行柱状 测量。对于转过90。的类似部件，将相对于Al和A2轴线调节头部角度。 图10示出了特征42，诸如装配的齿轮箱中发现的特征，该特征具有柱 状凹部44，该凹部带有倾斜入口 46,该开口并不与柱状凹部的中心线E对 准。由于存在可达性问题，所以柱状凹部44的内表面无法借助图8所示的 方法进行扫描。为主轴的环形运动选择离轴枢轴F，从而解决可达性受限问 题。在本发明中，系统的五个轴(即，三个线性CMM轴和两个旋转头部轴) 同步。这样使得虚拟枢轴测量方法在整个测量路径上都有效。测量孔的非同步系统采用了安装在3轴CMM上的2轴扫描头部，参照 图IIA至IIC来描述该系统。为了实现螺旋运动，向CMM发出指令信号，控制每个轴的速度。向扫 描头部发出指令信号，限定探头尖端速度和所需圈数。图IIA示出了测量孔 52时形成的探头尖端螺旋运动50。但是，如果孔比预料地还要狭窄，则在 扫描结束前，扫描头部将转动三围，且仅通过CMM的线性运动来测量孔的 一部分。图11B示出了更为狭窄的孔54以及产生的螺旋运动56。如果孔比 预料地要宽阔，则在主轴转完三圈之前，CMM将移动主轴直到扫描结束。 图11C示出了较为宽阔的孔58以及产生的螺旋运动60。在本发明中，五个轴是同步的。图12示出了五个轴(X、 Y、 Z、 Al、 A2)(通过传统装置)扫描垂直孔时指令速度对时间的曲线。控制器按照时 间增量输出指令信号，保证CMM和扫描头部的运动同步。因此，如果某一 特征具有不同于预期的形状、尺寸或位置，则同步运动将保证CMM和扫描 头部的运动在扫描轮廓的长度范围内进行。在图12的示例中，X和Y方向 的指令速度为零，而Z方向的指令速度恒定，从而沿着Z轴中心线移动主轴。 在扫描头围绕Al轴线转动探头时，Al轴的指令电压恒定。Z方向和A1轴 两者都示出了速度在扫描开始和结束时斜坡式增大和减小。在开始扫描时，探头围绕A2轴线转动，将A2轴从孔的中心偏转到所述表面，而在扫描结 束时，相反动作。全部的实施例都公开了借助CMM的环形或螺旋运动以及扫描头部围绕 一个或两个轴的运动来测量零件。这种方法也适合于CMM的弧形运动。扫 描头部围绕两个轴的运动被驱动到所要求的角度。这样做的优势在于，速度 恒定以及在测量产品上限定测量路径。在传统技术中，扫描头部使用恒定扭 矩模式将探针尖端偏压抵靠表面。正是这种恒定扭矩导致了扫描头转动而非 指令信号。在测量零件的过程中，探头必须保持在其偏转范围(并且非接触式^:头必须保持在其工作范围)内。这是通过从扫描头部的预定动作偏移扫描头部 来实现的。扫描头部沿着目标向量伺服，将探头保持在其范围内。通常该目 标向量与所述平面正交。但是，影响因素诸如探头取向、摩擦或者保留在所需轮廓的需求可能会导致选择不同的目标向量。已知的零件数据、计算所得 尖端位置、用于向前预测的历史表面点等可以用来确定目标向量。以上实施例为了清楚而说明了线性扫描。但是，应该理解，本发明也适 用于摆动扫描和测量离散点。以上所述实施例全部适合在零件上规划测量路径。这种规划可以在线完 成，例如使用操作杆来控制扫描头部和CMM,从而在具有所期望的探针尖 端位置和头部角度的表面上获取离散点。这些离散点的数据可以存储在存储 器中和/或用来获得探针尖端、扫描头部和CMM主轴的测量路径。可以选择的是，可以离线规划测量路径，例如在CAD模型上规划。在 这种情况下，包括探针尖端路径、头部角度和主轴路径的测量轮廓在CAD 模型上选取。这些数据存储在存储器中和/或用来获取探针尖端、扫描头部和 CMM主轴的测量^各径。无论在线(即，利用操作杆)还是离线(例如，在CAD模型上)建立 测量路径，测量路径数据都转化为指令编码，在测量零件时，这些指令编码 向CMM和扫描头部发送位置指令编码，以跟随期望的测量路径。虽然上述实施方式描述了采用接触式探针，但是这些扫描方法还适合用 于非接触式探针，例如光学、电感或电容探针。对于光学探针，例如，表面 上的光斑可以认为等同于触针尖端位置。对于电感或电容探针，偏移量可以 认为等同于触针尖端位置。对于接触式和非接触式探针两者，触针尖端有效地作为枢转点，触针可以围绕该枢转点定向，并且仍然测量相同的坐标位置。虽然上述实施例描述了扫描头部安装在CMM上，但是本发明还适合于 安装在其他类型的坐标定位仪诸如机床上的扫描头部。虽然在说明书中釆用 了术语主轴，但是该构件一般也称为Z方向柱或心轴。虽然采用了术语扫描 头部，但是该扫描头部适合于获取离散测量点以及进行扫描。
权利要求
1.一种利用安装在坐标定位装置的构件上的扫描头部上的表面感测设备来测量表面轮廓的方法，其中，可以操作坐标定位装置，以在扫描头部和表面轮廓之间产生相对运动，并且扫描头部包括驱动件，用来产生表面感测探头围绕两个轴的转动，所述方法包括以下步骤驱动坐标定位装置，以在所述构件和所述表面轮廓之间产生沿着弧形、环形或螺旋形路径的相对运动；驱动扫描头部，以使所述表面感测设备围绕一个或多个轴运动，使得导程角名义上恒定；其中，所述坐标定位装置和扫描头部的运动同步。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述构件的弧形、环形或 螺旋形运动围绕所述表面轮廓的轴线。
3. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述构件的弧形、环形或 螺旋形运动围绕与所述表面轮廓的中心轴线成一定的角度的轴线。
4. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述构件的弧形、环形或 螺旋形运动围绕平行于所述表面轮廓的中心轴线但是从所述中心轴线偏移 的轴线。
5. 如前述权利要求任一项所述的方法，其特征在于，所述坐标定位装 置和扫描头部的运动随着时间增量而同步。
6. 如前述权利要求任一项所述的方法，其特征在于，所述表面感测设 备进行振荡运动。
7. 如前述权利要求任一项所述的方法，其特征在于，扫描头部围绕至 少一个轴的转动用来将所述表面感测设备保持在其测量范围内。
8. —种计算机程序，其包括代码，所述代码适配成在计算机上运行时 执行权利要求1至5任一项所述的方法。
9. 一种用来测量表面轮廓的装置，该装置包括安装在坐标定位装置 的构件上的扫描头部上的表面感测设备，可以操作所述坐标定位装置，以在 扫描头部和表面轮廓之间产生相对运动，扫描头部包括驱动件，用来产生表 面感测设备围绕两个轴的转动；和计算设备，该计算设备执行以下步骤驱动坐标定位装置，以在所述构件和所述表面轮廓之间产生沿着弧形、环形或螺旋形路径的相对运动；驱动扫描头部，以使表面感测设备围绕所述一个或多个轴运动，使得导程角名义上恒定；其中，坐标定位装置和扫描头部的运动同步。
全文摘要
一种利用安装在坐标定位装置的构件上的扫描头部上的表面感测设备测量表面的方法和装置。可以操作坐标定位装置，以在扫描头部和表面轮廓之间产生相对运动，并且扫描头部包括驱动件，用来产生表面感测探头围绕一个或多个轴的转动。驱动该坐标定位装置，以在所述构件和所述表面轮廓之间产生沿着环形路径的相对运动，并驱动扫描头部，围绕所述一个或多个轴移动表面感测设备，使得所述表面感测设备保持导程角名义上恒定。坐标定位装置和扫描头部的运动同步。
文档编号G01B21/04GK101405563SQ200780010012
公开日2009年4月8日 申请日期2007年3月23日 优先权日2006年3月23日
发明者凯维恩·巴里·乔纳斯, 史蒂文·保罗·亨特, 哈立德·马穆尔, 若弗雷·麦克法兰 申请人:瑞尼斯豪公司