本发明涉及校准尺寸测量设备的方法。本发明可用于校准坐标测量设备，例如坐标测量仪(cmm)、比较测量仪、机床、手动坐标测量臂和检查机器人。
背景技术：
在工件产生之后，已知会在坐标测量设备(例如cmm或比较测量仪)上检查工件，坐标测量设备具有可移动部件，该可移动部件支撑能在该机器的三维工作容积内驱动的探针。
cmm(或其它坐标测量设备)可以是所谓的笛卡尔(cartesian)仪，其中支撑探针的可移动部件经由三个串联连接的滑座而安装，该三个串联连接的滑座分别可在三个正交方向x、y、z上移动。这是“串联运动学”运动系统的实例。或者，测量设备可以是例如具有“并联运动学”运动系统的非笛卡尔仪，该“并联运动学”运动系统包括三个或六个可伸展支柱，每个可伸展支柱并联连接在可移动部件与相对固定的基底部件或框架之间。随后通过协调三个或六个支柱的相应伸展来控制可移动部件(因此以及探针)在x、y、z工作容积中的移动。在国际专利申请案wo03/006837和wo2004/063579中示出非笛卡尔仪的实例。
已知通过产生与坐标测量设备的x、y、z工作容积内的不同位置处经历的测量误差相关的误差映射或误差函数来校准此类坐标测量设备。此误差映射或误差函数接着用于校正对工件进行的测量。
我们的国际专利申请案wo2013/140118描述了一种方法，其中在正常生产使用期间，此类误差映射或误差函数随着测量设备测量标称相同工件系列而逐步积累。
在wo2013/140118中，第一系列标称相同工件包含一个已校准工件。通过比较该工件的测量值与其相应校准值来确定误差值。这些误差值不仅仅用于校正相同系列中另外的工件的测量值。这些误差值用于填充测量设备的误差映射或误差函数，该误差映射或误差函数接着可在测量其它不同工件时使用。
此外，不同于第一系列的后续的标称相同工件系列也包含已校准的工件。来自后续系列的这些已校准工件的测量值的误差值也用于另外填充测量设备的误差映射或误差函数。
wo2013/140118中所描述的方法的一个优点是，不必执行设备的全面校准以产生设备的整个工作容积上的误差映射，该产生过程通常是个耗时的操作，可能花上若干天。实际上，设备在其正常的日复一日用于测量工件期间随着时间推移而“习得”其误差映射。每当测量进一步校准的工件，从其得出的误差值用于进一步填充误差映射或误差函数。这改进了测量设备的校准。尽管如此，更进一步改进校准是存在问题的。
技术实现要素：
本发明提供一种进一步校准由初始误差映射或误差函数校准的尺寸测量设备的方法，
该方法包括：
测量该测量设备上的生产工件；
比较该生产工件的测量值与从该测量设备外部的源获得的用于该生产工件的校准值，以产生一个或多个误差值；
确定一个或多个经更新的误差映射或误差函数，该或该等误差映射或误差函数将误差值中的一些或全部与初始误差映射或函数中的全部或部分组合；
其特征在于：
确定该等经更新的误差映射或误差函数中的一个是否比初始误差映射或误差函数更好地校正测量误差；以及
如果确定误差映射或误差函数会给出更好校正，接着就选择该误差映射或误差函数以用于校正一个或多个另外的工件的测量值。
至少在优选实施例中，本发明的方法因此选择基于误差值的组合的误差映射或误差函数，而非盲目地将全部误差值并入误差映射或误差函数中。已确定误差值的组合会比可能的其它情况更好地校正误差。
生产工件可以是通过生产过程产生的第一系列标称相同工件中的一个。初始误差映射或误差函数可能已以常规方式执行，或可能已通过比较已校准工件的测量值与对应的校准值而产生。或其可能已通过根据本发明的方法的早先反复而产生。因此，设备可在其正常的日复一日用于测量工件期间随着时间推移而“习得”其误差映射。
可测量一个或多个另外的工件，且可使用选定的误差映射或误差函数来校正该或该等工件的测量值。一个或多个另外的工件可包含来自第一系列标称相同工件的生产工件。且/或该一个或多个另外的工件可包含来自通过生产过程产生的第二系列标称相同工件的生产工件，其不同于第一系列的工件。
本发明还提供执行上述方法的软件程序、并有此类软件程序的用于尺寸测量设备的控制器，以及编程有此类软件程序的尺寸测量设备。软件程序可记录在例如光盘或存储器装置等机器可读媒体上，或存储在远程服务器上以供下载。
如本说明书中论述的“误差映射”可以包含例如用于校正后续测量值的值的查找表。
附图说明
现将参考附图通过举例描述本发明的优选实施例，附图中：
图1示出具有使用并联运动学的运动系统的比较测量仪的可操作部分；
图2和图3是图1的机器的两个优选的校准方法的流程图；以及
图4是给出图2和图3的方法的部分的更多细节的流程图。
具体实施方式
图1示出坐标测量设备的部分。该设备是本申请人瑞尼斯豪公司(renishawplc)在商标equator下出售的比较测量仪10。该比较测量仪包括通过并联运动学运动系统连接到可移动平台32的固定平台30。在本实例中，并联运动学运动系统包括在固定平台与可移动平台之间并联起作用的三个支柱34。三个支柱34穿过三个相应致动器36，该等支柱可以通过该等致动器伸展和回缩。每个支柱34的一端通过全方位可枢转接合件安装到可移动平台32，并且致动器36同样以全方位可枢转方式安装到固定平台30。
每个致动器36都包括用于伸展和回缩支柱的电动机，以及测量相应支柱34的伸展的变换器。在每个致动器36中，变换器可以是包括刻度和读头的编码器，其具有用于读头的输出的计数器。每个电动机和变换器形成由控制器或计算机8控制的相应伺服环路的部分。
并联运动学运动系统还包括也在固定平台与可移动平台之间并联起作用的三个被动抗旋转装置38、39。每个抗旋转装置包括铰接到固定平台30的刚性板39，和以全方位可枢转方式连接在刚性板39与可移动平台32之间的平行间隔开的一对杆38。抗旋转装置协作以限制可移动平台32在所有三个旋转自由度中的移动。因此，可移动平台32被限制为仅以三个平移自由度x、y、z移动。通过要求支柱34的合适伸展，控制器/计算机8可以产生任何所需的x、y、z移位或可移动平台的x、y、z定位。
在我们的第5,813,287号美国专利(麦克默特里(mcmurtry)等人)中描述此类并联运动学运动系统的操作原理。这是(具有三个伸展支柱34的)三脚架机构的实例。可以使用例如具有三脚或六脚并联运动学机构的其它运动系统。
三个致动器的变换器结合在一起形成位置测量系统。这里通过控制器或计算机8中的合适计算来确定可移动平台32相对于固定平台30的x、y、z位置。技术人员已知这些计算。然而，如同所有测量设备，由位置测量系统如此确定的位置会有误差。下文论述用于针对这些误差校准位置测量系统的方法。
通常，模拟探针16安装在机器的可移动平台32上，该模拟探针具有带有工件接触尖端22的可偏转触控笔20，但可以使用其它类型的探针(包含接触触发式探针)。机器相对于工作台12上的工件14移动探针16，以便实行对工件特征的测量。通过来自伺服系统中的变换器的计算结合模拟探针16的输出得出工件表面上的点的x、y、z位置。这全由控制器/计算机8控制。或者，通过接触触发式探针，指示探针已接触工件表面的信号使根据来自变换器的输出而计算出的x、y、z位置值定格，并且计算机对工件表面的坐标进行读取。必要时，对于在正常生产使用期间的测量操作，例如机器人(未示出)等自动构件可以将来自生产运行的一连串大体上相同的工件中的每一个放置在工作台上的至少标称地相同的位置和定向中。
图1的并联运动学测量设备仅是可用于本发明的测量机器类型的一个实例。其它实例包含具有串联运动学运动系统的测量设备，例如具有可在xyz方向上正交移动的三个串联连接的滑座的常规笛卡尔cmm。这可由计算机控制或手动地操作。另一可能的串联运动学机器是检查机器人或手动关节式臂，其中多个关节式臂部件由多个旋转式接合部串联连接。无论使用哪个类型的机器，其通常放置在车间环境中，以便检查来自自动化制造过程的生产工件。
在使用中，图1中的控制器或计算机8含有使探针16扫描工件14的表面的程序。或者，对于接触触发式探针，该程序使接触触发式探针在足以获得所需检查操作的工件所需的所有尺寸和形式的多个不同点处接触工件表面。此控制器/计算机还可以用于运行控制下文将描述的校准方法的程序。
将参考图1的比较测量仪10描述校准方法，但可对例如上文所提及的串联运动学机器等其它测量设备执行相同的方法。
图2示出此类校准方法的第一实例。机器10具有通过初始校准得出的初始误差映射或误差函数，该初始校准在步骤40中以常规方式执行。这可以是在机器安装在用户场址处之前或期间由机器制造商执行的基本步骤。因为该步骤可能不是用户执行的方法的部分，因此将步骤40以虚线示出。然而，也有可能由用户在安装机器之后执行此初始校准。
对于步骤40中的常规初始校准，通常该机器用于在机器的工作容积中的多个位置处对尺寸上已校准的参考标准进行多次测量。优选地以能够追溯到合适的国家标准或iso标准的方式来校准参考标准。这些标准例如可以是环规、基准球、例如量棒或步距规等量规块、直尺等。或可使用另一校准加工品，例如包括安装到杆或柄上的底板固定件的数个球体的“球林”。这些球体是精确球面，具有准确地已知的尺寸，并且它们安装成以准确地已知的相互关系在三个维度中间隔开。固定件被放置在坐标测量设备的工作容积中，并且使用设备移动探针来测量球体。通过与球体的已知尺寸和间隔的比较，这产生在散布于机器的部分或全部x、y、z工作容积中的点网处发生的测量误差的粗略映射。还有可能按照常规使用可伸缩球杆仪或激光干涉仪作为参考标准来进行测量。
步骤40中的初始误差映射包括通过比较机器的工作容积内的各种位置处的此类测量值与对应的参考标准已知校准值而得出的第一误差值。或者，可从此类误差值得出初始误差函数。初始误差映射(和本说明书中论述的其它误差映射)可产生为查找表，该查找表指示机器的工作容积中的给定x、y、z坐标位置的x、y和/或z方向上的误差。举例来说，误差函数可以是能够实现对给定x、y、z坐标位置的x、y和/或z方向上的误差的计算的多项式函数。
初始校准不必到达高精确度，并且该初始校准可能未覆盖机器的工作容积内的所有位置。以下步骤的目的是进一步校准机器，从而改进误差映射或误差函数。
在步骤42中，将已校准工件放置在机器10的工作台12上，如图1中的14处所示。该已校准工件是从接收的第一系列标称相同工件中的一个，该第一系列将作为检查过程的部分而在机器上测量。例如，第一系列中的工件可能是用于汽车内燃机的连杆(连接杆)。
适当地，对第一系列的已校准工件(例如连杆)的校准可能已通过测量其所有所需尺寸而予以执行，其所有所需尺寸将例如在单独的更精确坐标测量仪(cmm)上进行检查。这产生针对工件的一组校准值。更精确cmm可以位于实验室环境中，而图1的机器10可能位于生产现场，靠近制造工件的机床或其它生产机器。
在步骤42中的测量期间，在机器10上再次以常规方式通过使探针16绕工件移动来测量已校准工件(例如连杆)的所有待检查尺寸。这样产生对应于校准值的一组原始测量值。在步骤44中，将原始测量值与对应的校准值比较，从而产生第二组误差值。原始测量值(来自步骤42)和第二误差值(步骤44)均由计算机或控制器8存储。
应了解，工件的校准可在已在步骤42中在机器10上测量该工件之后而非之前发生。这样仍产生校准值，该校准值与步骤44中的原始测量值比较，从而产生第二组误差值。
在步骤46中，第二误差映射或误差函数产生自在步骤40和步骤44中存储的第一和第二误差值中的一些或全部的组合。或者，如果初始校准产生误差函数且无初始误差映射可用，则误差值就可以从误差函数合成并且与第二误差值中的一些或全部组合。如技术人员已充分理解的，可运用算法来清除误差值中的离群值或对一些值进行平均或加权。
在实践中，可能需要产生不仅仅是此类第二误差映射或误差函数的单个例项，还要产生多个另外的误差映射或误差函数。这些在步骤46中从可用误差值中的一些或全部的多个不同组合来产生。
在实践中，第二误差映射或误差函数可能给出比步骤40的初始误差映射或函数更好或更差的结果。即，当使用第二误差映射或误差函数校正测量值时，结果可能比使用第一误差映射或误差函数校正时更精确或不如其精确。同样，如果存在多个另外的误差映射或误差函数，一个误差映射或误差函数可能给出比另一个更好的结果。
因此，在步骤48中，确定误差映射或误差函数中的哪个(哪些误差值组合)给出最好结果。这在下文参考图4更详细地描述。
选择因此确定的误差映射或误差函数以随后用于测量生产工件(步骤50)。举例来说，将来自第一系列标称相同生产工件(例如连杆)的另外的工件放置在机器10的工作台12上(图1)。这些工件未被校准，但其待检查尺寸仅使用探针16进行测量，从而给出对应的原始测量值。接着通过应用选定的误差映射或误差函数来校正原始测量值。还有可能使用选定的误差映射或误差函数来校正例如用于汽车内燃机的活塞等不同工件的测量值。
如在步骤52处指示，当需要制造并检查一些不同系列的标称相同工件(例如用于汽车内燃机的活塞或曲轴)时，则重复步骤42到步骤50。就如在步骤42中，校准并测量新系列中的一个工件，并且将原始测量值存储在计算机8中。通过比较这些原始测量值与校准值(步骤44)，产生另外的误差值。通过将这些误差值中的一些或全部与来自任一先前误差映射或函数的误差值组合，产生另外的误差映射或误差函数(步骤46)。在步骤48中，作出关于哪个误差映射或误差函数应该用于对生产工件的进一步检查的选择，如下文参考图4所描述。这个选择可以从任一可用误差映射或函数进行选择，包含来自步骤40的初始映射或函数，以及在步骤46中使用来自各种工件的误差值的组合所产生的映射或函数。
应注意，另外的误差映射或误差函数将优选地组合来自每个位置或定向的误差值中的一些或全部，以便最大化机器的工作容积的覆盖范围。接着在步骤48中测试这另外的误差映射或误差函数以查看其是否给出更好的结果以及是否应选择以供进一步使用。
上文图2的方法从机器的常规初始校准开始(步骤40)。参考图3，现将描述不需要常规初始校准的方法。该方法也可与图2方法组合使用以实现对机器的误差映射或误差函数的后续改进。
图3的步骤80和步骤82类似图2的步骤42和步骤44。在步骤80中，将已校准工件(例如连杆)放置在机器10的工作台12上。如上文关于图2所描述，该工件(例如连杆)已校准，现在机器10上测量该工件，从而给出原始测量值。在步骤82中将这些原始测量值与对应的校准值比较，从而产生第一组误差值。原始测量值(步骤80)和第一误差值(步骤82)均由计算机或控制器8存储。
在步骤84中，从第一组误差值的组合产生机器10的第一误差映射或误差函数。这可接着形成初始误差映射或误差函数，其将以与图2的步骤40的误差映射或函数相当的方式使用。如果这是机器的第一次校准，那么所有误差值都可以使用。如果已经存在先前的常规初始校准，那么可从仅使用误差值中的一些的组合来形成第一误差映射或函数，如同图2的步骤46。如先前，可运用算法来清除误差值中的离群值，或对一些值进行平均或加权。
接着，在步骤86中，随着工件的制造，方法继续到对第一系列标称相同工件(例如连杆)的其余部分进行正常的生产测量。这些工件未被校准，但其待检查尺寸仅在图1的机器10上进行测量，从而给出对应的原始测量值。接着通过应用在步骤中84产生的误差映射或误差函数来校正这些原始测量值。
在某一将来时间，需要使用机器10来测量不同的第二系列标称相同生产工件。例如，第二系列的工件可能是用于汽车内燃机的活塞。将来自第二系列的已校准工件(例如活塞)放置在机器10的工作台12上。以与上文相同的方式，通过测量待在例如单独的更精确cmm上检查的所有所需尺寸来校准该工件，从而产生一组校准值。
在步骤88中，在机器10上再次测量第二系列的已校准工件(例如活塞)的所有待检查尺寸，从而产生对应于校准值的一组原始测量值。在步骤90中，将原始测量值与对应的校准值比较，从而产生第二组误差值。如先前，原始测量值(步骤88)和误差值(步骤90)均由计算机或控制器8存储。再次如先前，对工件(例如活塞)的校准可在机器10上的测量之后而非之前发生。
在步骤92中，第二误差映射或误差函数产生自在步骤82和步骤90中存储的误差值中的一些或全部的组合。如先前，必要时，例如在步骤82中未存储误差值的情况下，可从误差函数合成误差值。再次，可运用算法来清除误差值中的离群值，或对一些值进行平均或加权。如同在图2的步骤46中，可能需要从一些或全部可用误差值的多个不同组合产生多个另外的误差映射或误差函数。
如同在图2中，在实践中，这些第二或另外的误差映射或误差函数可以给出比在步骤84中产生的第一误差映射更好或更差的结果。即，结果可能比使用第一误差映射或误差函数校正时更精确或不如其精确。
因此，在步骤94中，确定误差映射或误差函数中的哪个会给出更好结果。对于图2中对应的步骤48，这在下文参考图4进行更详细描述。选择因此确定的误差映射或误差函数以随后用于测量生产工件。
接着，在步骤96中，随着工件的制造，方法继续到对第二系列标称相同工件(例如活塞)的其余部分进行正常的生产测量。如上，这些工件未被校准，但其待检查尺寸仅在图1的机器10上进行测量，从而给出对应的原始测量值。接着通过应用在步骤中94选定的误差映射或误差函数来校正这些原始测量值。
如在步骤98处指示，当需要制造并检查一些不同的第三或后续系列的标称相同工件(例如用于汽车内燃机的曲轴)时，则重复步骤88到步骤96。这样产生另外的误差映射或误差函数。在步骤94中，作出关于哪个误差映射或误差函数应该用于对生产工件的进一步检查的选择，如下文参考图4所描述。
在图2的步骤52和图3的步骤98处，推荐利用不同的已校准工件来重复程序。然而，有可能并非测量来自新系列的标称相同工件的不同已校准工件，而是重复对先前已校准工件的一些或全部待检查尺寸的测量，但该先前已校准工件定位于机器10上的不同位置和/或定向。举例来说，可在不同位置或定向再次对步骤42(图2)或步骤80(图3)中先前使用的已校准连杆进行测量。在步骤44或步骤90中对这样产生的另外的误差值进行存储，且其接着可用于产生另外的误差映射或误差函数(步骤46或步骤92)。应注意，另外的误差映射或误差函数将优选地组合来自每个位置或定向的误差值中的一些或全部，以便最大化机器的工作容积的覆盖范围。接着在步骤48或步骤94中测试这另外的误差映射或误差函数以查看其是否给出更好的结果以及是否应选择以供进一步使用。
在步骤46(图2)和步骤84以及步骤92(图3)中，从步骤40和步骤44或步骤82和步骤90中存储的一些或全部误差值的组合(可能包含从误差函数合成的误差值)来产生误差映射或误差函数。将有可能产生仅由所有可用误差值组合的误差映射或误差函数。然而，步骤48或步骤94处的确定的目的是寻找产生良好结果(对原始测量值的更精确校正)的误差值的组合，可能还清除多组误差值中的离群值。对此，期望从可用误差值的多个不同组合产生多个误差映射或误差函数。对于每个误差映射或函数，从仅包括一些可用误差值的不同子集得到组合。初始或第一误差映射(或从初始或第一误差函数合成)的误差值可仅与步骤44或步骤90中产生的第二误差值中的一些组合。或来自初始/第一误差映射的仅一部分的误差值可与第二误差值中的一些或全部组合。
因此，步骤48或步骤94中发生的确定可从由误差值的多个不同组合产生的多个此类误差映射或误差函数中进行选择。如果足够的计算能力和时间可供使用，将有可能从误差值的所有可能组合产生误差映射或误差函数并进行使用。或者，为了节省计算资源，可以选择性地选择组合，例如，优选在机器的工作容积中发生大部分测量的中心区中具有更密集误差值分布(和/或较低误差值)的组合。
图4示出可在图2的步骤48处或图3的步骤94中使用的方法，以便确定两个或更多个误差映射或误差函数中的哪个应选择用于进一步生产测量。
在步骤60中，该方法获取在步骤42(图2)或在步骤80和步骤88(图3)中存储的已校准工件的原始测量值。该方法还获取第一误差映射或误差函数，即，初始误差映射或误差函数(图2)或已在步骤84(图3)中产生的误差映射或误差函数。该方法使用此误差映射或误差函数来校正原始测量值。在可能的情况下，优选地，对来自多于一个的已校准工件的原始测量值进行操作。或，如果原始测量值来自一个特定的已校准工件，可以使用完全或部分地从不同的已校准工件得出的误差映射或误差函数来校正该等原始测量值。
在步骤62中，评估在步骤60中执行的校正的精确度。这可通过计算校正结果与对应的校准值之间的一组残差来完成。
在步骤64和步骤66中，使用步骤46和步骤92中产生的误差映射或误差函数中的第二、不同误差映射或误差函数来重复步骤60和步骤62。这样给出评估第二误差映射或误差函数的精确度的一组残差。
如在步骤68处指示，可以针对步骤46和步骤92中产生的其它误差映射或函数来重复步骤64和步骤66，从而给出相应的另外多组残差。
接着，在步骤70中，作出关于所有测试的误差映射或误差函数中的哪个会给出最好结果的决策。这可以是由计算机或控制器8基于步骤62、66中哪一误差映射或误差函数给出最低残差而作出的自动决策。举例来说，可通过最小平方计算(即，确定哪一组残差具有最低平方和)来比较每个误差映射或函数的残差组。必要时，可使用加权最小平方法，例如将较大权重给予机器的工作容积中的中心区(在中心区中进行大部分测量)中的残差。
或者，步骤70可将步骤62、66中计算的残差例如作为计算机屏幕上的显示呈现给有技术的操作者，并且邀请他/她从已测试的误差映射或误差函数中选择优选的一个。这使操作者能够在选择误差映射或函数时考量其它因素。举例来说，误差映射或误差函数中的一个可能给出机器的整个工作容积上的略微较差的残差，但可能被选择，因为该误差映射或误差函数在进行大部分测量的中心区中具有较好残差。有可能存储多个误差映射或函数，并且随后取决于待测量的特定工件或工件系列的测量要求而选择其中合适的一个误差映射或函数。
如果残差将呈现给操作者，可将该残差处理为合适的形式以辅助操作者的选择。举例来说，残差可以呈现为“热图”(2d或3d图形表示，其中个体残差值表示为色彩，例如红色表示较大残差、黄色/橙色表示中等残差、绿色表示较小残差)。
可能已从机器的工作容积中的特定位置中的特定工件(例如，一个位置中的连杆、第二位置中的活塞和第三位置中的阀外壳)的测量值得出误差映射或误差函数。在此情况下，其热图可呈现为在相应位置中的相关工件的着色图形表示。如果操作者知道机器将在近期用于测量活塞和阀外壳两者，他/她可以决定选择提供两者可接受的折中方案的误差映射或误差函数，而非用于活塞的最佳误差映射/函数或用于阀外壳的最佳误差映射/函数。
最后，在步骤72中，选择所确定的误差映射或误差函数以用于在步骤50(图2)或步骤86、96(图3)中发生的将来生产测量中。
因此，在上文所描述的优选方法中，设备在其正常的日复一日用于测量工件期间随着时间推移而“习得”其潜在的误差映射或误差函数。误差映射或误差函数是基于已确定为比可能的其它情况更好地校正误差的误差值的组合。在用作比较测量仪期间，对特定工件与对应的已校准工件的比较在此潜在误差映射/函数的基础上发生。最终，操作者可对潜在误差映射/函数的精确度具有足够的信心，从而决定以坐标测量仪的传统方式使用机器来测量绝对坐标和尺寸，而非仅仅得到比较性测量的测量值。
上文所描述的优选方法可与我们的国际专利申请案第wo2013/021157、wo2013/140118或wo2014/181134号中描述的技术组合。那些技术产生依赖温度的误差映射或误差函数。同样，上文图2到图4中产生的误差映射或函数可取决于温度。举例来说，在步骤42、步骤80和步骤88中，可在图1的设备上测量已校准工件时测量已校准工件的温度。此温度值在步骤44、步骤82和步骤90中与对应的误差值一起存储。接着，在步骤46、步骤84和步骤92中，选择涉及相同或相似温度(在预定温度容限内)的误差值的组合。这样产生涉及相应的温度的一组误差映射或函数。当测量生产工件时，监测其温度，并且使用合适的误差映射或函数校正测量值。