扫描速度恒定的扫描探针的制作方法

专利名称：扫描速度恒定的扫描探针的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于扫描工件表面的方法和相关的装置。
背景技术：
已知有多种扫描方法，其中，机械探针被固定在机械的心轴上，其以直线
在針可能的方向(x， y， z)揭虹件的表面。在誠每条线之后，机械心 轴3 针移至离开所完成线的新位置，并沿着平行线而重复该移动。
现有技术中已知的这些方法的一个主要缺点在于由于覆盖表面的整个扫描 区域时整个机器需要向后和向前移动，所以它们对于扫描复杂的形状相当慢。 另外，由于负责定位表面检测设备的元件的质量大而产生的强惯性力，机器的 力口速和M3I会在观懂逝呈中产生误差。因此，惯性力所弓胞的弹性变形可负面 地影响测量。
为最小化惯性作用并因而保证更精确的结果，在EP1489377中已经引入了 '[I3I扫描装置。这些扫描装置仍然不适合于非直线运动。
还己知其它涉及探针旋转运动的扫描装置。相反，这些扫描方法非常适合 于球形或圆柱形的表面，但是不适合于平坦表面。US5895442描述了这种探针 的一个实例，基于存储的校正值而允许^圆柱形或者球形表面恒速扫描。
EP0402440公开了一种扫描装置，其更有效地处理带有更复杂轮廓的表面。 该装置允许根据常规轴(x， y， z)在线性运动上有另外的旋转自由度。该探针 由设置在测量机器头部上的触针组成，从而该头部包括可围绕两个正交轴旋转 的轴。触针可釆取任意方向，从而该尖端保持与待扫描表面接触。这样，可沿 着曲线路径更有效;t鹏行扫描，同时由于触针的轻质而最小化惯性作用。但是， 该装置未考虑电影效应，以便估计施加于探针上的力，因此精度不是最佳的。 另外，由于沿着扫描路径施加的摩擦力，该电影效应放大了探针尖端上的磨损。

发明内容
本发明的目标在于克服现有技术中的已知方案的局限性。
根据本发明，通过采用设置在坐标测量机器(CMM) 4的支架3上的扫描探针2以恒定扫描繊F。扫描工件1表面的方法而实现这些目标。该CMM包 括第一组第一组致动器6， 7， 8，用于沿着三个线性轴(x， y， z)移动支架， 并且支架3包括第二组致动器14， 17，用于i吏扫描探针2相对于所述支架3而 运动。CMM包括连接至该组致动器6， 7， 8， 14， 17的控制器33。 该方法包括如下步骤
(i) 确定扫描tt值；
(ii) 操作该组gC动器6， 7， 8， 14， 17，以便将探针尖端25定位成接 角據面1;
(iii) 操作第一组致动器6， 7， 8，以便g确定的轨迹36移动支架3; Gv) 操作第二组致动器14， 17，以便在支架3相对于表面相对运动的
同时产生扫描探针2相对于支架3的移动。
控制器33沿着扫描路径37而调整两组驱动装置6， 7， 8， l(t， 17的驱动， 以便至少在扫描路径37的部分40上维持扫描皿等于确定值「。。
本发明满足了扫描装置在测量领域的需要，其可例如通过摆动有效地扫描 所有鄉的表面，同时在齡观糧MI呈中有可能在齡扫描路径上维持非常高 的精度。恒扫描速度的特征3B1过在加速阶段减小由于更大的摩擦力所产生的 过热而舰探针的寿命。
所公开的扫描装置的另一个优点是一种简单的釆样过程，以提供离散点的 均匀分布，其坐标需要沿着扫描路径而在表面上测量。实际上，M简单地设 置规贝啲釆样时间间隔，将沿着扫描路径而均匀地散布这些点。


借助于对以，iJ给出并由附图描述的实施例的说明，将更好地理解本发明， 其中
图1示出了用于应用本发明的坐标测量机器和扫描装置；
图2示出了安装探针的横截面。
图3示出了扫描探针及其角位置的3D视图。
图4示出了探针所沿循的扫描路径的顶视亂并描述了繊向量组成。 图5解释了如何根据本发明的另一方面而进〗MJ变调整iilf呈。
具体实施例方式
在图l中公开了根据本发明一雌实施例的坐标观憧机器4。这样的机器4还称为CMMo CMM 4包括,支架3的扫描探针2。支架3可沿^勤可线性方 向(Xi Y， Z)移动，而扫描探针2相对于支架3具有两个旋转自由度。在该 实例中，探针的旋转轴分别为垂直的、水平的，但是可考虑到轴的其它组合(例 如，两条独立的正^7jC平轴，或者任何数量的旋转轴，或者旋转和线性自由度 的任意组合)。
根据该环境，CMM可竊几种类型的测量探针，例如，包括但不排它的-如图2所描述的接触型探针，其中，对着测量表面而推动接触球，并且通
过考虑探针的偏斜而计算接触点的坐标，该坐标由应力计或其它合适的传感器
给出；
激光探针(未显示)，其中，探针将一条或多条激光光束照射至l康面上，并 给出g光路的距离；
光学探针，其基于' 成像设备或者机械显示系统。
下面将特别参考第一种情形的接触型探针2而进行描述，其被C画4沿扫 描路径带到接触表面1的坐标待测点。但是，该特征不是必要特征。对于非接 触型探针，通过将探针对准表面的坐标待检测的那些点而同样地应用本发明的 方法。通常，本发^^包括采用CMM将测量探针歸扫描路径以恒定的速度带到 和表面的坐标待测点之间呈须糧关系的步骤。
下面，如图1所描述的，参考Q1M的常规方位而使用方向"垂直"和"水 平"。但是，必须理解，为简单起见而在这里使用这些方向，并不表示对本发明 的限制，本发明可以以其它类型的测量装置以及任意地空间定位而被实施。
皿作为例子而在图1中以电动机6， 7， 8示意性地表示的第一组驱动装 置，支架3可在任意线性方向(X， Y， Z)上移动。可3131合适的编码器(未示 出)测量支架3相对于轴X, Y, Z的位置。m他，由C顧(在图l中可见)的 数雜制器33雜制和处理编码器进行的电动机6， 7, 8的驱动以及测量。控 制器还负责读取编码器的位置和测量探针的输出，以及将该数据转变为表面1 的点坐标。
由于支架3的大部分元件非常重，所以在图4中进一步示出的支架3所沿 循的车腿36 为线性的，或者至/丄，寺征是低加il7jC平，以减小惯性作用。
和支架3相反，探针2由轻Mt才料制成。虽然支架3被定位戯且略地确定 扫描区域并且沿着优选为直线的轨迹36移动，但是探针2旨在使得扫描在表面1上提供更多的参照点以M标测量方面更为有效。为实现这一点，探针2可横 向移至线性轨迹36的瞬时方向，同时相对于支架3稍微旋皆运动。这些旋转运 动例如可以为摆动。它们被第二组驱动装置14， 17驱动，其目标一方面在于根 据相应的轴而确定角速度",，"2，但另一方面在于施加力矩T,， T2,以便允许 如11 作时接触表面1。，为球形的探针25尖端因此可保持与扫描表面1接 触，同时以随后在该文献中定义的恒定速度Vs进行扫描。探针25尖端和待扫描 表面1之间的接触力F被定义为由表面施力瞎探针尖端25上的反作用力。也在 图1中描述的接触力因此与同表面1的接触点正切的表面垂直。
图2示出了将探针2设置在支架3上以及如何被第二组驱动装置驱动而运 动的截面图。,地，该第二组驱动装置由两个致动器14、 17组成。第一致动 器14沿着Z轴驱动中心轴， 选为电动机。探针头24装配在轴底部上，从 而固定探针2并将其旋转运动传,探针2。相应于该轴所获得的旋转运动的角 3Ut还称为w,。
探针头部24被设计为探针2还可围绕另一条轴而自由旋转，借此，織二 轴与第一轴(在该实例中为Z轴)正交，但是其在平面上的方向取决于中心轴 的位置。第二致动器17沿着i亥第二轴驱动旋转运动，并且也优选为电动机。相 应于该轴所获得的旋转运动的角M还称为"2。
在该实例中，为简单起见，劍门假定电动机14， 17的两条轴在空间20中 汇集于一点，即使不一定总是如此。本领域技术人员将可理解，劍门的推导和 本发明的方法同样适用于一般情况。该点20为两个旋转运动的中心，并且当支 架3以恒定的线'M^运动时，可标伽利略参考系的中心。由于点20沿车tt 36的坐标是已知的，如图3进一步所述的，所以探针23的长度允许确定探针 25尖端和两条轴20的交点之间的接触点位置，并因此依次获得接触点的绝对坐 标。
图3示出了如何获得探针尖端25的绝对坐标。其由探针相应于旋转轴的角 位置a， 0确定。将球面坐标(L， a, 0)简单转换为线性坐标(X， Y， Z) 产生了绝对坐标。探针2在任意方向(a ， 9 )上的定向产生了更大的扫描自 由度，这是由于它允许在不失去与具有多个有角表面1的工件接触的条件下进 行扫描，同时探针头24简单地、歸线性车爐36移动。另外，和大重量的支架3 相比，带动轻质触针2时可减小惯性作用。探针尖端25的绝对坐标沿着扫描路径37移动，该路径由探针尖端25和表面1之间的所有接触点组成。在本发明 的tffi实施例中，将绝对坐标44存储在存^^g中。图4示出了平坦表面(x， y)上可能的扫描路径，并解释了探针尖端25上 速度向量的组成。由虚线表面g待扫描表面l;,这里包括在平面(x， y) 中但是可g三维空间(x, y， z)。支架3的轨迹36为线性的虚线，其可指向 ttf可方向。探针的固有移动^支架3沿轨迹36的移动决定了探针25尖端所 沿循并且同时测量点90所沿循的扫描路径37。重要的是注意在接触型探针的情 况下，测量点90对应于探针25尖端和待测量表面1之间的接触点，但是如果 本发明应用于非接触型测量系统，例如光学探针，贝怀必是这种情况。尽管图2 仅仅示出了该路径在两维中的投影，但是该路径不限于某平面，并且还可根据 待测量对象的曲率和形m过三维空间。为保,度向量26的值在探针尖端25水平上恒定，两个成皿度向量， 即一方面为支架的速度向量V以及另一方面为探针尖端25相对于支架相对运动 的相对速度向量Vr，必须M31向量组成而提供恒定的值，或者至少提供在一定 近似范围内恒定的值，从而加職较小并且摩擦力不会过快磨损探针25尖端， 而惯性力仍然可忽略。探针相对运动的坐标参照系中心被选为图2的点20，其 也示出在图4的顶视图上。但是，坐标的其它选择也是可能的。对图4示出的平坦表面而言，由向量Vr^领懂点相对于支架3中心20的 相对,。假定在该实例中角度a根据预定的运动法则(^a (t)而变，而角 度e是固定的。由恒定量^ =/< v//7 "J给出中心20和接触点90之间的7jC平距离。因此，接触点90相对于中心20的坐标;^》由下式给出<formula>formula see original document page 8</formula>而相对速度向量K相应的水平分量t和^由下式给出2) <formula>formula see original document page 8</formula>为简单起见，以平行于X轴的头部3的路径36为头部3的移动速度。这样，直接概括出头部3的运动完全由其x坐标& 和相对速度r :^v^描述。测量点90相对于测量对象的绝对速度K具有如下分量3) <formula>formula see original document page 8</formula>要求接触点f"。 二 k的绝对速度度定引入了 & GJ和ff ";之间的关系4) 甸=VK2-i 2cos2(a) ci2 - /fei"(Wci在这里，右边的部分是完全已知的。方程(4)是容易数值积分的A W 的单独变量的普通微分方程，对于任何给定组的参数^ A " W，假定满足下 面的不等式5) ,李os(a)爿否则方程(4)没有实数解。这一点符合K值必须足够大以符合探针的角摆 动所施加的，的事实。可观测到，在某些情况下，方程(4)可提供其中K W :^/^改变符号 的解决方案，其对应于机器头部3的前后运动。但是在许多情况下，有利的是 相应于a振荡幅度和速度而选择K值，以获得相同意义的头部运动来减小振荡 和聽。因此，C醒的控制器可实时或者在扫描前计算探针头3的路径，髓该路径 的移动速度并非严格恒定，而是由上述方程(4)给出。这样，探针2的测ft^ 端25将g曲线路径37扫描表面上的一系列点，由探针2和头部3的运动组 成产生，在接触型探针的情况下相应于接触点，测量点90沿着该路径以恒定速度kl =《移动。当然不可能以无限精度施加严格恒定的速度。由于机器和算法柳艮制，在 真实情况下，点90的真实鹏将受某些误差影响。这种情况下，可以如J)WCMM编程，以便在某种定义公差内维^3i度kl恒定。某些瞎况下，特别是在探针2快速摆动时，方程(4)将产生舰CMM动 态极限的Xh(t)^ii^。例如，有可能在探针2振荡的翻转点附近不能保i疏度 的恒定。根据本发明的另一方面，可对CMM编程以处理该局限性。例如，在 区域41或者在扫描路径的选择部分40内可保瓶度恒定，其中不舰C画 的动态极限，并且允许其在该区域或，些部分之外变化。根据本发明的该优选实施例，有可能很容易沿着扫描路径40的部分以恒定 的扫描速度kl对坐标44规则;M样。仅仅需要将时间间隔选择为相等，从而 所采样的坐标44沿着扫描路径37相，布。借助于该扫描方法，从而容易获 得在正确的选择边界值和釆样时间间隔M时待测量点的有效分布。可将所测量 的坐标44存储在不工作时的控制器的存储器中。在本发明的雌实施例中，不仅将速度维持瞎定，而且将施加于探针2尖 端的偏转力F维持恒定，以便使沿着扫描路径37测量的坐标尽可能地准确。为此，虽然在扫描路径37部分上由第一电动机14将角速度16c^维持直定，但是 将第二电动机17设置为恒定力矩T2。虽然没有描述下面的变形实施例，但是也 可能维持第一电动机14的力矩Tl恒定，以及第二电动机17的角速变0>219恒 定。该可能性适舒相对于探针的旋转轴具有不同方位的表面。虽然任何附图都没有描述该特征，但是可将加鹏计^A探针2中，从而 可须懂该速度以及将繊度与本发明尽力保持恒定的值相比较。尽管如此，可 提供反馈特征，与在文献中所公开的校正特征无关。战实例示出了如何对C醒编程以便使探针的尖端25沿循扫描路径(或者 可选择地，以非接角鹏探针测量点90),同时保持恒定的乡,扫描^^。| = 很清楚，本发明可延伸至以变化的扫描舰沿着路径扫描，该3I^I循预定的 驗剖面I+Va (t)。尽管前面的实例涉及非常简单的情形，但是本发明的方法可延伸至一般表 面上的三维复杂路径。根据本发明的优选三维实施例，利用反向运动学变换预先计算或者实时计 算作为X、 Y、 Z、 "、 e轴位置的C画轴参数，以便^f盾一般的三维^^上的 扫描路径37，其以恒定速度d-K进行，或者根据变形例，遵循预定的皿剖 面+Va (t)。假定由所有自由度位置的值确定CMM状态。对于图1和2表示的机器而言， 因此由机器的所辩由位置给出完整的配置，该轴包括线性轴X、 Y、 Z和旋转轴 "、P。这些参数的^^且合都对应探针2的一个预定，以及一个测量点90。 另外，参数X、 Y、 Z、 "、 ^还决定了探针2的方位。机驗数和测量点坐标 之间的对应通常被表示为向前的运动学变换。一般地，特别是当所考虑的机器包括旋转自由度时，向前的运动学不是内 射对应，即可J131机驗数的几种组合而获得观懂点的一个相同位置。这样， 在数学意义上该FK变换并非严格可逆。但就于澳糧点90的给定位置，可在 几种可能中计算提供该观懂点的参数X、 Y、 Z、 "、 ^的组合。其恭示为反向 运动运算，或者简单:N^为IK。根据机器特性，己知几种进行反向运动学变换的方法。虽然已知直接的倒 置方法，但是反向运动学常常被看作和用作最小化问题，意,IK变换等价于 找到最小化探针尖端和期望革巴位置之间距离的机器参数的组合。当位移较小以及封闭的解决方案可作为起始点时，以及当运动可以分解为一系列小的连续位 移时，这一点常常是有利的，对后面的情形也是如此。因为可允许对方案施加额外的限制，所以反向运动学变换的内在不清楚是有利的。例如，对本发明的CMM而言，将可采用一种反向运动学计算，新 仅使测量探针处于选择的湖糧点，而且维持探针2相对于工件表面的慨斜恒定。 在最小化应用中，可通过向最小化函数中添加损失因子以考虑探针方位而实现这一点。因为对接触型探针和非接触型探针而言，测量误差都取决于探针的角度， 所以对探针方位的控制是有利的。如果采用了例如光学探针，则有利的是使光 束与测量表面垂直。根据本发明的变形例，CMM控制器^探针2将沿循的扫描路径37。其 可以为外部输入，例如由操作员或者更高级的控制藤所提供的路径，或者可根 据环境由控制器在内部产生。对应于待测量的工件剖面，扫描路径37为完全的 三维曲线。如图5所示，将扫描路径37细分为部分61。在该实例中，所有的部分61 具有相同的长度M，因为这可简化本发明算法的应用；但是该特征并非必要。 iMi也，该细分61足够小，以便将路径37近似为连续的直线段。 ^分61对应一个起始点和一个待到达的终点。CMM使得探针2处于 第一部分的起始点Po，其对应轴参数(Xo、 Yq、 Zq、 "。、 o的某起始设定。 控制器通过IK运算获得一组对应相同部分端点P,的参数(X,、 Y,、 Z。",、 m。控制器然后产生指令，使CMM的致动^^确定的时间间隔At内将轴参 数从(Xo、 Yo、 Zo、"。、 )改为(X,、 Y!、 Z,、 ff,、 P》。因此，探针2在时间At内从Po移到Pi。该方法然后对点P2、 &等等重复。由于上面所示出的本发明的方法，探针2以恒定速度ld = AlMt扫描路 径37。駄法允许探针以恒^3t度沿循鋭的与须懂对象形状有关的三维路径。 本领域技术人员还可通过相应地改变时间间隔或者获得一般的速度剖面k = Va (t)而将该方法延伸至非均匀部分的情形。imt也，K变换施加一些附加的期劉蹄lj,例如探针相对于工件表面的倾 角可沿路径37保持恒定。而且，最小化算法还可适用于im^转轴在那些线性 轴上的运动，以尽量减小振动和误差。当探针2扫描路径37时，C醒控伟i滕舰测量点60的坐标进行采样。例如 可相应于点P。、 P,、…或者在髓路径37上的其它位置实现这一点。如果以恒 定速率及时 行采样，则还可沿着路径37而均匀分配所产生的测量点。根据本发明的优选变形例，可在扫描时实时进行该方法。CMM控制器计算 IK变化并且在实际运动时对致动器产生指令。这一点允许改变路径37以沿循从 标称剖面的偏离，该标称剖面可从采样点60的坐标获得。但是根据其它的 例，可全部或者部分预先计算该运动。当在扫描路径37上测量的坐标44与理论坐标60不匹配时，用于调整速度 的反向运动学方法^ii合于即时校正速度。实际上，因为从坐标差一原始和 目标坐标一获得速度，并且因为在扫描时总是已知瞬时坐标，所以只要测量 坐标本身是准确的，在不工作时就容易并且能精确 行调整至任何期望的速 度值的计算。如果C固具有接触型扫描探针2，则必须将探针的倾角保持在非常窄柳艮度 内以保证可靠的测量。通常情况下，探针2的有用偏斜范围为大约lmm或更低。 这样的精确知识并非总是可能。在许多情况下(例如在生产线的质量控制步骤 中)，C醒的任务在于精确扫描可受大量误差影响的对象。为保证总是以足够的精度提供该坐标，可根据从已经观懂的点60的坐标以 及从探针中的倾謝专感器的输出产生的,M尝向量实时改变扫描路径37。这样， 对于倒可與虹件以及动^g描，扫描路径37始终在改变，以便尽可能维持倾 角恒定。如果实时计算单独步骤P。、 P,、…之间的过渡，则系统将仍然能够以恒定速度kl沿着该路径运动。因为倾角的恒定还意,接触力的恒定，所以当用于接触型扫描探针时，本发明的方法i^f共沿着三维扫描路径37的恒定接触力， 以恒定速度髓该路纟统动或者根据选择的驗咅腼运动。如前所述，在一些清况下，DC变换可产生不可能的指令，例如超出CMM 的自然速度或者加速度极限的运动。这种情况下，不能完全以恒定速度沿着该 选择路径37运动。可对CMM编程以处理该瞎形，例如，可通过产生错误以引 起操作员的注意、调用条件处理程序，或者解除，恒定的限制直到该算法可 再次收敛为止。
权利要求
1. 一种方法，用于采用设置在坐标测量机器(4)的支架(3)上的扫描探针(2)扫描工件(1)的表面，所述坐标测量机器包括第一组致动器(6，7，8)，以便沿着三个线性轴(x，y，z)移动所述支架，所述支架(3)包括第二组致动器(14，17)，用于致动所述扫描探针(2)相对于所述支架(3)的移动，所述坐标测量机器还包括一个控制器，被设置成驱动所述的两组致动器(6，7，8，14，17)，所述方法包括下述步骤(i)确定扫描速度(|Vα|)值；(ii)操作所述的第一和第二组致动器(6，7，8，14，17)，以便将探针尖端(25)定位成接触所述表面(1)；(iii)操作所述第一组致动器(6，7，8)，以便沿着一确定的轨迹(36)移动支架(3)；(iv)操作所述第二组致动器(14，17)，以便在支架(3)相对于表面相对运动的同时产生所述的扫描探针(2)相对于支架(3)的移动；由此，所述控制器(33)沿着一个扫描路径(37)而调整所述两组驱动装置(6，7，8，14，17)的驱动，以便至少在所述扫描路径(37)的部分(40)上维持扫描速度等于所述确定值|Vα|。
2. 根据，又利要求1的方法，所i^3描探针相对于支架的运动横切所述, (36)的瞬时方向。
3. 根据权利要求l的方法，所述扫描探针相对于支架的运动为摆动。
4. 根据权禾腰求l的方法，所述控制器(33)进行的调整是根据所述探针 (2)的角位置(22， 23)而进行的。
5. 根据权利要求1的方法，以这样一种方式来操作第二组致动器，该方式 使得维持探针(2)相对于待检测工件(1)表面的倾角恒定。
6. 根据权利要求1的方法，其中，所述探针(2)为接触型探针，并且其 中，以这样一种方式操作所述第二组致动器，该方式使得维持探针和待检测工 件(1)之间的撤虫力(F)恒定。
7. 根据权利要求l的方法，其中，所述探针为非接触型光学探针。
8. 根据权利要求l的方法，还包括沿着所述的扫描路径(37)以规则的时间间隔(M)对坐标采样的步骤。
9. 根据权利要求l的方法，由所述控制器(33)实施的调整是根据至少一 种反向运动学变换而进行的。
10. 根据权利要求9的方法，所述至少一种反向运动学算法采用了等间隔 排布^^ 述扫描路径(37)上的坐标(60)。
11. —种用于执行权利要求l的方法的计算,聘产品。
全文摘要
一种方法，用于采用设置在坐标测量机器(CMM)4的支架3上的扫描探针2以恒定的扫描速度|V_a|来扫描工件1表面。该CMM包括第一组驱动装置(6，7，8)，以便沿着三个线性轴(x，y，z)移动支架，并且支架3包括第二组驱动装置(14，17)，以便使扫描探针2相对于所述支架3以两个自由度移动。该方法包括连接至驱动装置组(6，14，17)的控制装置33，以及用于存储待扫描表面的理论剖面和坐标的存储装置。
文档编号G01B21/00GK101290212SQ20081009638
公开日2008年10月22日 申请日期2008年4月17日 优先权日2007年4月18日
发明者B·彼特森, P·乔迪尔, S·努特, W·威尔科克斯 申请人:六边形度量衡股份公司