用于校准扫描头部的装置和方法

专利名称：用于校准扫描头部的装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种用于校准扫描头部的装置和方法。具体地，本发明涉及一种用于
校准马达驱动的扫描头部中的测量标尺的装置和方法。
背景技术：
从国际专利申请No. W090/07097知道，可以将马达驱动的扫描头部安装在坐标测 量仪上。马达驱动的扫描头部能让安装在马达驱动的扫描头部上的触针围绕两个正交轴线 转动。所述触针可以关于这两条轴线成角度地定位，同时所述马达驱动的扫描头部可以借 助坐标定位仪定位在所述仪器的工作空间内的任何位置上。 这种马达驱动的扫描头部提供了一种扫描灵活性更大的坐标定位仪，因为马达驱 动的扫描头部可以将探头或触针定位在许多不同方位。 马达驱动的扫描头部能够使得安装在其上的探头、触针或其他设备围绕一个或多 个轴线转动。因此，所述马达驱动的扫描头部设有一个或多个变换器来测量围绕所述一个 或多个轴线的转动。这些变换器通常是编码器，包括测量标尺和读取头。为了进行精确测 量，对测量标尺进行校准。 国际专利申请W02006/114567公开了一种校准马达驱动的扫描头部内的编码器 或测量标尺的方法。所述马达驱动的扫描头部直接耦联至经校准的旋转台。所述扫描头部 围绕它的转动轴线之一转动，同时，所述扫描头部中的编码器读数与所述旋转台中的编码 器读数同时被记录下来。然后将来自扫描头部编码器的位置读数与经校准的旋转台位置读 数进行比较。 该方法的缺点在于，马达驱动的扫描头部必须与经校准的旋转台精确对准。
国际专利申请W02006/114567还公开了一种使用角度干涉仪来校准马达驱动的 扫描头部中的编码器的方法。将折射物体安装在位于角度干涉仪的光路中的扫描头部上。 所述扫描头部围绕它的转动轴线之一转动，同时，扫描头部编码器和干涉仪装置获取测量 结果。

发明内容
根据本发明第一方面，提供一种利用参照物体来校准位于扫描头部中的测量标尺 的方法，所述方法包括以下步骤 (i)使安装在所述扫描头部上的表面感测设备围绕所述扫描头部的至少一个轴线 转动，从而使所述表面感测设备相对于所述参照物体运动到多个不同的角度方位(angular orientation) s (ii)在步骤(i)的每个不同的角度方位，使用所述表面感测设备测量所述参照物
体的至少一个性能；以及 (iii)使用步骤(ii)中测量的所述参照物体的性能，建立针对所述扫描头部的至
少一个测量标尺的误差图或函数。
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本发明因此提供用于校准一个或多个测量标尺的方便技术，该技术测量所谓的有 源或马达驱动的扫描头部的一个或多个转动轴线的角度方位。具体地，所述方法涉及使表 面感测设备(例如，测量探头)围绕扫描头部的一个或多个轴线转动，进入多个不同的角度 方位。在每个这些不同的角度方位，使用表面感测设备测量参照物体的至少一个性能(例 如，参照物体的校准尺寸和/或物体特征的位置)。 对测得的性能进行分析，例如，比较测得的性能与参照物体的已知(例如，预定的 或校准的)性能或者分析参考物体的一个或多个固定位置特征的测量位置的变化，使得能 够针对一个或多个测量标尺建立误差图或函数。所述误差图或函数可以然后应用于使用扫 描头部进行的后面的测量，由此，减小或消除与测量扫描头部的转动方位相关联的一个或 多个测量标尺(例如，编码器)的任何误差。 与上述使用校准的旋转台的现有技术的校准方法相比，本发明的方法具有以下优 点不需要扫描头部的转动轴线与校准的旋转台的转动轴线精确对准。而且，在所述现有技 术方法中，不可能从完全与扫描头部的测量标尺相关的误差去巻积由于校准的旋转台与扫 描头部的转动轴线之间的偏心度所导致的误差。相对照，本发明提供了不存在这种偏心度 的方法，由此提供了不仅比已知技术能够更容易实施而且还能够提供改善的校准精度的校 准技术。 有利地，所述参照物体是具有至少一个校准(例如，已知的或精确地预先测量的) 性能的校准物体。然后步骤(iii)可以有利地包括从步骤(ii)测得的参照物体的性能与 参照物体的一个或多个校准性能之间的差异来建立误差图或函数。额外地或者择一地，可 以从在对性能进行测量的每个不同的角度方位处测得的性能(例如，物体的固定位置特征 的测量位置)的变化建立误差图或函数。 方便地，步骤(ii)包括在每次测量参照物体的性能期间使用扫描头部来使表面 感测设备围绕扫描头部的至少一个轴线转动。换句话说，在步骤(ii)中的每次测量期间优 选借助扫描头部使表面感测设备运动。有利地，在步骤(ii)中获得测量结果时提供的任何 扫描头部运动相比于步骤(i)中提供的用于将扫描头部放置在不同角度方位的运动，覆盖 更小的角度范围。例如，步骤(i)可以包括使表面感测设备围绕扫描头部的第一轴线转动， 每次转动步长为例如IO。，同时步骤(ii)的测量可以包括提供围绕扫描头部的一个或多 个轴线的转动，转动范围仅仅为几度或更小。还优选，在步骤(i)中选择使用的不同的角度 方位分布(例如，均匀分布)在正在被校准的扫描头部的至少一个转动轴线的可操作角度 范围内。 扫描头部可以安装到或者安装到坐标定位仪(例如，坐标测量仪)的活动臂或主 轴上，从而整个扫描头部可以相对于参照物体运动(例如，沿着X、 Y和Z轴线平移)。例 如，扫描头部可以包括可连接至坐标定位仪的活动臂的基体部分。有利地，步骤(ii)然后 可以包括在每次测量参照物体的性能期间仅提供扫描头部的基体部分的最小运动。例如， 步骤(ii)期间基体部分的运动可以限制到小于5厘米的运动，小于3厘米的运动，或者小 于1厘米的运动；优选地，提供不大于几毫米的运动。步骤(ii)还方便地包括在每次测量 参照物体的性能期间保持扫描头部的基体部分固定或基本上固定。使用扫描头部来在步骤
(ii)期间提供表面感测设备的大部分或全部运动具有以下优点使坐标定位仪的位置(例 如，X、 Y和Z)测量结果的误差导致的参照物体的测量性能的任何误差最小化。
可以在步骤(ii)中测量参照物体的任何性能。可以在每个不同的角度方位测量 参照物体的相同性能或不同性能。有利地，步骤(ii)包括测量参照物体的至少一个校准尺 寸。例如，步骤(ii)可以包括(取决于所用的物体)测量球体半径、环规直径，或立方体尺 寸等等。步骤(ii)可以有利地包括测量参照物体的至少一个特征的位置。例如，可以使用 放置在多个不同的角度方位的表面感测设备测量单个特征的位置，或者当把表面感测设备 放置在多个不同的角度方位中的每一个时，可以测量多个特征中的其他特征的位置。
有利地，参照物体包括特征阵列或多个特征。优选地，特征阵列中的特征的相对位 置是已知的或经校准的。例如，事先已经使用高精度测量技术和/或高精度坐标定位仪对 所述特征的相对位置进行测量。在下面描述的优选实施方式中，参照物体可以包括球或其 他特征的阵列，所述球或其他特征位于围绕中心轴线的基本上不变的半径上并且围绕所述 中心轴线间隔基本上相同的角度距离。 如上所述，扫描头部可以包括基体部分，其可连接至或连接至坐标定位仪的活动 平台。如果所述方法中使用包括特征阵列的参照物体，则在步骤(i)中扫描头部的基体部 分可以方便地保持基本上固定。步骤(i)可以包括仅使用扫描头部来使表面感测设备相对 于特征阵列中的每个特征依次运动(即，围绕扫描头部的至少一个轴线转动)到操作性感 测方位。而且，如上所述，扫描头部的基体部分可以方便地在步骤(ii)的测量期间被保持 基本上固定或运动最小量。以此方式，当校准扫描头部的一个或多个测量标尺时，可以排除 与坐标定位仪相关联的任何位置误差。还可以在使用所述方法校准扫描头部时使用坐标定 位仪进行分配并且简单地使用夹具来将扫描头部保持在相对于参照物体的所需位置。
本发明的方法还可以使用包括单个特征的参照物体有利地实施。所述方法可以因 此使用已知类型的参照物体(例如具有已知半径的校准的球体)来实施，所述参照物体还 可以用在校准坐标定位仪的过程中的其他部分。例如，通常为校准的球体提供坐标定位仪， 用于校准这种仪器的标尺或检查校准结果。 如果使用被扫描头部转动到不同角度方位的表面感测设备来测量单个特征，优选 地，扫描头部连接至坐标定位仪的活动臂。例如，扫描头部的基体部分可以连接至坐标定位 仪的活动臂或主轴。步骤(i)还可以包括当表面感测设备运动到多个不同角度方位中的每 个方位时使扫描头部相对于参照物体运动的步骤。以此方式，表面感测设备可以形成相对 于参照物体的单个特征的多个表面感测关系。例如，从多个不同方向，表面感测设备可以与 校准(例如，已知的半径)的球体对准。 虽然使用包括单个(例如，校准的)特征的参照物体实施本发明的方法通常使 得需要在获取参照物体的所需测量结果之间使用坐标定位仪使扫描头部运动，但是，步骤 (ii)期间使用坐标定位仪来使扫描头部运动不是必需的或者至少是可以最小化的。因此， 步骤(ii)中进行的参照物体的测量可以基本上不使用与误差有关的任何坐标定位仪，特 别是如果步骤(ii)包括测量参照物体(例如，如果使用球体半径的测量结果)的特征的尺 寸的情况。 本发明的方法中所使用的参照物体可以包括一个特征或多个特征或者特征阵列。 如果提供多个特征或特征阵列，则这些特征可以具有相同或不同的类型。每个特征可以具 有能够容易地通过测量其表面上的多个点的位置来测量的尺寸，和/或每个特征可以具有 能够容易地通过测量其表面上的一个或多个点的位置来确定的位置。有利地，参照物体包括球体、环规、？L、凸台或立方体。本领域的技术人员应当认识到，可以提供多个其他特征。 任何类型的表面感测设备都可以安装到扫描头部。表面感测设备可以永久性地安 装到扫描头部(例如，与扫描头部一体地形成)，或者表面感测设备的至少一部分可以以可 释放的方式安装到扫描头部。表面感测设备可以是接触设备(例如具有可偏移触针的测量 探头)或非接触设备(例如，光学或电容测量探头)。这种类型的测量探头对本领域熟练技 术人员来说是已知的。 有利地，安装到扫描头部的表面感测设备包括(接触的或非接触的)扫描探头。优 选地，扫描探头是所谓的扫描测量探头或模拟测量探头，其具有可偏移触针和用于测量触 针偏移量的传感器。如果使用这种扫描探头，则步骤(ii)有利地包括在每个不同的角度方 位通过沿着参照物体表面上的路径进行扫描来测量参照物体的性能。例如，接触扫描探头 的触针尖端可以用于沿着参照物体的特征表面的路径进行追踪或扫描；扫描期间测得的触 针偏移数据可以用于确定沿着扫描路径的多个点的位置，由此可以确定所需的物体尺寸和 /或物体特征的位置。 在优选实施方式中，参照物体包括至少一个球体并且步骤(ii)包括，对于每个不 同的角度方位，沿着球体表面上的环形路径扫描以确定所述球体的半径和/或中心位置的 步骤。优选地，所述球体上的环形路径位于纬度30。和40°之间，例如位于35。。对于具 有已知半径的球体，这允许将被确定的球体中心位置在所有三个维度(x、y、z)上具有大约 相同的不确定度。 安装到扫描头部的表面感测设备可以方便地包括所谓的接触触发探头。接触触发 探头可以具有接触类型，其具有用于接触物体的可偏移触针。根据定义，接触触发探头不提 供触针偏移量的量度，而是当触针偏移超过特定的阈值时发出输出或触发信号。如果使用 接触触发探头，则步骤(ii)可以包括在每个不同的角度方位测量参照物体的表面上的多 个离散点。这些测得的表面点然后可以用于确定参照物体的特征的尺寸或位置。
使用上述方法校准的扫描头部可以包括所谓的有源头部或马达驱动的扫描头部。 具体地，本发明可以方便地用于校准马达驱动的双轴扫描头部的测量标尺，所述头部包括 可连接至坐标定位仪的固定部件或基体部分、能够相对于基体部分围绕第一轴线(Al)转 动的第一活动部件，以及能够相对于第一活动部件围绕第二轴线(A2)转动的用于保持表 面感测设备的第二活动部件。在这个实例中，所述方法的步骤(i)可以包括使表面感测设 备围绕第一轴线和/或第二轴线转动，从而使其与参照物体形成表面感测关系。所述方法 的步骤(ii)中需要的每个测量也可以通过使表面感测设备围绕第一轴线和/或第二轴线 转动来进行，从而测量参照物体的表面上的点的位置，所述位置对于确定参照物体的一个 或多个所需性能而言是必需的。扫描头部的每个转动轴线可以包括至少一个位置编码器， 其测量所述轴线的旋转位置并且因此包括正在被校准的测量标尺。 应当注意，如果使用具有两个或多个转动轴线的扫描头部，则能够使用本发明的 方法同时地或依次地校准每个轴线的测量标尺。而且，用于校准所述轴线之一的确切方法 可以与用于校准其他一个或多个轴线的方法相同或不同。例如，以下做法是合适的通过使 用第一参照物体的方法校准扫描头部的第一轴线的测量标尺，同时通过使用第二 (不同) 类型的参照物体的方法来校准扫描头部第二轴线的第二轴线的测量标尺。为每个转动轴线 选择的最佳校准方法因此取决于所使用的扫描头部的类型，以及，具体地，与正在被校准的
7扫描头部的一个或多个转动轴线相关的角度范围。 根据本发明的第二方面，提供一种用于坐标定位仪的扫描头部系统，其中所述扫 描头部系统储存使用上述方法计算的误差图或函数。所述扫描头部系统可以包括扫描头部 和控制接口。所述扫描头部或控制接口例如可以包括储存误差图或函数的电子存储器。
根据本发明的第三方面，提供一种使用包括多个校准特征的校准物体来校准扫描 头部的方法，所述方法包括以下步骤(i)使安装在所述扫描头部的表面感测设备围绕所 述扫描头部的至少一个轴线转动，从而使所述表面感测设备运动至与所述多个校准特征的 所选校准特征形成表面感测关系；(ii)使用所述表面感测设备测量所述校准物体的所选 校准特征的至少一个性能；(iii)使用至少一个其他所选校准特征重复步骤(i)和(ii); 以及(iv)从步骤(ii)中测量的所述校准物体的性能与所述校准物体的校准性能之间的差 异，确定所述扫描头部的至少一个测量标尺的误差图或函数。有利地，仅仅通过使扫描头部 围绕扫描头部的至少一个轴线转动来提供步骤(i)期间表面感测设备的运动。
根据本发明的第四方面，提供一种使用包括第一特征的参照物体来校准扫描头部 的方法，所述方法包括以下步骤(i)将安装在所述扫描头部的表面感测设备相对于所述 第一特征放置在第一角度方位；(ii)使用所述表面感测设备测量所述参照物体的所述第 一特征的性能；(iii)使用所述扫描头部来使所述表面感测设备围绕所述扫描头部的至少 一个轴线转动，从而所述表面感测设备采取相对于所述参照物体的所述第一特征的不同角 度方位；(iv)使用所述表面感测设备重新测量所述参照物体的所述第一特征的性能；以及 (v)从步骤(ii)和(iv)期间获得的所述参照物体的所述第一特征的测量性能，确定所述 扫描头部的至少一个测量标尺的误差图或函数。可以连续地多次重复步骤(iii)和(iv)。 扫描头部可以方便地安装在坐标定位仪的活动臂上，并且步骤(iii)还可以包括使用活动 臂来使扫描头部运动的步骤。 根据第五方面，本发明提供一种用于校准扫描头部的方法，所述方法包括以下步 骤(i)使用安装在所述扫描头部的表面感测设备来测量参照物体的性能；(ii)使用在不 同角度范围旋转的所述扫描头部的一个或多个转动轴线重复步骤(i)的测量；以及(iii) 从步骤(i)中获得的所述参照物体的测量性能，确定所述扫描头部的一个或多个转动轴线 的一个或多个测量标尺的误差图或函数。 因此，本发明提供一种使用校准物体来校准扫描头部的方法，所述方法包括以下 步骤(i)使用安装在所述扫描头部的表面感测设备来测量所述校准物体并且提供第一测 量校准性能；(ii)使所述表面感测设备围绕所述扫描头部的至少一个轴线转动，以改变所 述表面感测设备相对于所述校准物体的角度方位；(iii)使用所述表面感测设备来测量所 述校准物体并且提供第二测量校准性能；以及(iv)通过将所述第一测量校准性能和所述 第二测量校准性能与所述校准物体的已知校准性能进行比较，得到所述扫描头部的误差图 或函数。 本发明还提供一种使用包括一个或多个校准球体的校准物体来校准扫描头部中 的测量标尺的方法，所述方法包括以下步骤(a)使安装在所述扫描头部的表面感测设备 围绕所述扫描头部的一个轴线转动，从而使所述表面感测设备运动与至少一个球体在相对 于所述至少一个球体的不同角度上对准；(b)在所述扫描头部的每个位置，使用所述表面 感测设备测量所述至少一个球体；(c)将从测量结果确定的所述至少一个球体的测量尺寸
8与它们的校准尺寸进行对比；以及(d)从球体的测量尺寸和校准尺寸之间的差异，建立误 差图或函数。优选地，所述尺寸包括至少一个球体的球体中心或球体半径中的至少之一。所 述至少一个球体可以包括单个球体。其还可以包括围绕中心轴线布置成环形或弧形的球体 阵列。 本文中还描述了校准物体，其包括基体；以及安装在基体上的特征阵列，所述特 征围绕中心轴线布置，所述特征之间具有基本上相等的角距离(angular distance)并且位 于距离中心轴线相等的半径上。优选地，所述特征是球体。所述特征可以布置成弧形或环 形。本文中还描述了使用这种校准物体校准扫描头部中的测量标尺的方法，所述方法包括 以下步骤(a)将扫描头部的转动轴线与校准物体的中心轴线对准；(b)使安装在扫描头部 上的表面感测设备围绕中心轴线转动，从而使表面感测设备与所述特征对准；(c)使用表 面感测设备测量所述特征；(d)对于校准物体上的其他特征重复步骤(b)和(c) ;(e)将所 述特征的测量位置与它们的校准位置进行比较；以及(f)从所述特征的测量位置和校准位 置之间的差异，建立误差图或函数。优选地，所述特征包括球体。优选地，测量所述特征的 步骤包括测量所述球体的中心。测量所述特征的步骤可以包括获得所述特征的一个或多个 离散测量结果或者扫描所述特征的表面。 本发明还提供一种使用包括校准球体的校准物体来校准扫描头部中的测量标尺 的方法，所述方法包括以下步骤(a)使安装在所述扫描头部上的表面感测设备围绕所述 扫描头部的一个轴线转动，从而使所述表面感测设备与所述球体在相对于所述球体的不同 角度上对准；(b)在不同的扫描头部位置处，使用所述表面感测设备测量所述球体；(C)将 从测量结果确定的所述球体的尺寸与它们的校准尺寸进行比较；以及(d)从所述球体的测 量尺寸和校准尺寸之间的差异，建立误差图或函数。


下面将结合附图描述本发明的优选实施方式的实例，其中 图1示出根据本发明的包括扫描仪器的坐标测量仪的正视图； 图2示出马达驱动的扫描头部的截面图； 图3示出球体校准物体的环； 图4示出测量球体校准物体的环的扫描头部和测量探头； 图5示出图3和图4的校准物体的球体； 图6示出球体校准物体的圆弧； 图7示出测量球体校准物体的圆弧的扫描头部和测量探头； 图8示出用于校准物体的方法； 图9示出测量校准球体的扫描头部；以及 图10示出相对于校准球体位于两个位置的扫描头部。
具体实施例方式
图1示出安装在坐标定位仪上的马达驱动的扫描头部，所述坐标定位仪例如是坐 标测量仪(C匪)。需要测量的工件10安装在C匪14的工作台12上，且马达驱动的扫描头部 16安装到C匪14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。可以使用其他类型的坐标定位仪，例如机床、手动C匪或者机器人臂。
如图2所示，马达驱动的扫描头部16包括由基体或壳体20形成的固定部件，所述 固定部件支撑轴22形式的活动部件，所述轴22可以借助马达M1围绕轴线Al相对于壳体 20转动。轴22固紧到另外的壳体24，所述另外的壳体24又支撑轴26，轴26可以借助马达 M2围绕轴线A2相对于壳体24转动，所述轴线A2与轴线Al垂直。 表面感测设备安装到马达驱动的扫描头部，在该实例中，是具有触针29的探头28
安装到马达驱动的扫描头部，所述触针29具有工件接触尖端30。这种布置使得所述扫描头
部的马达Ml、 M2可以围绕轴线Al或A2成角度地对工件接触尖端进行定位，并且C匪的马
达可以将马达驱动的扫描头部线性定位在C匪三维坐标空间内的任何地方，从而使触针尖
端与正在被扫描的表面成预定关系。在该实例中，马达M1和M2是直接驱动的，这使得这些
马达能够对于来自控制机的命令做出快速响应。也可以使用其他类型的驱动布置。 线性位置变换器设置在C匪上，用来测量扫描头部的线性位移，而角度位置变换
器Tl和T2设置在扫描头部中，用来测量触针围绕各轴线Al和A2的角度位移。 图2中所示的探头是扫描探头，其具有可偏转的触针29，且探头中的变换器测量
触针偏转量。还可以使用接触触发探头，这种探针检测触针何时发生偏移但是不能检测偏
移的程度。或者，可以使用非接触探头，例如光学探头、电容探头或电感探头。 控制器或PC15向C匪14和扫描头部16提供驱动信号，并且接收来自C匪、扫描头
部和测量探头中的变换器的输入。 扫描头部内的变换器Tl和T2通常是编码器，其包括旋转测量标尺和读取头。为
了提供良好的精确性，优选对这些变换器中的每一个或者两者进行校准。 图3示出用于校准扫描头部16内的编码器的参照物体或校准物体40。校准物体
40包括具有中心轴线44的基体和特征阵列，在这种情况下，所述特征是围绕中心轴线安装
的球体46。每个球体46经由杆48安装在基体42上。这些球体以基本上相等的距离彼此
角度间隔。 下面将结合图4和图5描述使用校准物体来校准扫描头部中的Al轴线的编码器 的方法。图4示出表面感测设备，在该情况下，表面感测设备是测量探头28，其安装在扫描 头部16上。 在第一步骤中，马达驱动的扫描头部16与校准物体40的中心轴线44对准(S卩，A1 轴线与中心轴线对准)，并且调节Al头部角度从而使测量探头28进入所需角度，例如90。 校准物体40的中心轴线可以通过测量三个球体来确定。 然后调节Al头部角度从而使表面感测设备16与待测量的第一球体46对准。该
对准使得表面感测设备28在中心轴线44之间对准并且与球体46的中心对准。 下面将描述确定球体例如球体46的中心的方法。以已知的方式通过获得球体表
面上的点的足够多的测量结果来确定球体的中心。可以通过例如使用接触触发测量探头获
得多个离散测量结果来获得表面的多个测量结果。还可以通过使用扫描测量探头(接触的
或非接触的)扫描表面来获得表面的多个测量结果。例如，可以沿着球体表面上的路径来
驱动接触扫描探头的触针。 在测量球体的过程中，优选借助扫描头部尽可能多地提供表面感测设备的所需运 动。具体地，优选将坐标定位仪(在该情况下是C匪)的运动限制到仅仅几个毫米，从而C匪的运动不影响测量质量。 如果测量结果是离散点，例如使用接触触发探头，C匪在X、 Y和Z方向上运动和/
或头部在Al和A2轴线上运动，从而使表面感测尖端运动至正确的位置。 可以仅仅使用扫描头部的运动来扫描环形轮廓，或者可以使用扫描头部的环形运
动来扫描螺旋型轮廓，同时还使用C匪来使扫描头部沿着直线运动。以此方式，能够建立沿
着球体表面上的扫描路径的多个点。 如果使用环形轮廓扫描，已经发现，当环形轮廓定位在约35t:的纬度并且采用固 定半径R的情况下，得到最好的结果。然后可以使用假定球体半径为常数的球体最佳拟合 过程确定三个维度(x、y、z)上的球体中心。 图5示出位于球体46上、讳度为46的环形轮廓50以及固定半径R。
如上所述，当使用单个扫描圆环测量球体时，发现所述圆环的纬度对所确定中心 的三个坐标(x、y、z)的质量有影响。如果被扫描的圆环处于赤道上，则XY坐标受到严格限 制但是中心Z坐标的准确性非常差。如果被扫描的圆环距离两极很近，则Z坐标的准确性 良好但是XY位置的准确性变差。存在使得圆环数据实现球体中心的XY坐标的准确性和Z 坐标的准确性之间的最佳折衷的位置。在介于30°和40°之间的纬度下，三个坐标的准确 性大约相等并且XY中心的质量仍然是非常好的。已经发现在大约35。的纬度下得到了最 佳结果。使用蒙特卡罗(Monte Carlo)模拟技术确定该最佳折衷，所述模拟技术考虑到在 球体上的数据分布来研究系统噪音对特定最佳拟合的影响。 校准物体40具有局部坐标系统。平面提供局部坐标系统的主要方向并且通过与 球体46的中心最佳拟合来限定，其中选择一个球体为参照物。局部坐标系统的第二方向由 最佳拟合的圆环的中心来确定。在所述局部坐标系统中，每个球体中心具有一组圆柱体坐 标(R、H、T，其中R =半径，H =高度，并且T =角坐标)。在所述局部坐标系统中，T提供校 准物体的角度校准。 —旦通过表面感测设备(例如，使用上述方法)测量所述球体，使马达驱动的扫描 头部围绕A1轴线旋转，从而使表面感测设备邻近下一个球体定位。以相同的方式依次测量 参照物体的每个球体，提供每个球体的测量球体中心位置。 —旦已经测量了所述物体上的所有球体，可以将球体中心的测量数据与经校准的 球体中心位置进行比较，使用它们之间的差异来校准用于测量A1轴线的转动位置的编码 器。可以通过建立误差图或误差函数，例如正弦波或多项式函数来进行该校准。
也可以使用相似的方法校准A2轴线的编码器。图6示出能够用来校准A2轴线的 校准物体60。所述校准物体与图3所示的校准物体相似，但是基体62以90°安装在底座 63上并且是弧形的而不是环形的。相似地，球体66围绕中心轴线64呈弧形分布。图7示 出具有安装在其上的测量探头28的马达驱动的扫描头部16，所述测量探头被定位用于测 量校准物体60。对球66进行定位，使得A2头部角度可以在其整个工作范围内活动，所述工 作范围例如是从(TC至120。C或者从-120。C至+120°C。 在校准常规操作中，对扫描头部16进行定位，使其A2轴线与校准物体的中心轴线 64对准。使用A1轴线可以容易地进行该对准。调节A2头部角度，从而使得表面感测设备 28依次定位在每个球66附近，从而以与上述相似的方式获得球体中心位置的合适的测量结果。
应当注意，在该实例中，围绕A2轴线校准的方法略微不同于用于A1轴线的方法。 当围绕A1轴线进行校准时，可以使用环形轮廓测量每个球体。所述环形轮廓需要围绕A1 和A2轴线两者的运动。但是，由于每个球体都具有相同的z坐标，所以测量每个球体需要 围绕A2轴线进行相同的运动。头部几何误差对每个球的角度位置的影响是相同的。因此， 这不会在校准结果中弓I起任何误差。 但是，当围绕A2轴线校准时，环形扫描也需要围绕A1和A2轴线两者的运动，但是 对于每个球而言，围绕Al和A2轴线的运动量不同。对于最下方的球体，用在Al轴线上的 运动范围较大，因此，头部几何误差对于每个球体的影响是不同的，对于最下方的球体是更 明显的。因此，为了进行精确测量，优选通过获得离散测量点来测量每个球体。但是，如果 对校准物体的测量时间过长，则热漂移会发生作用。这可以通过获得前面的三个或四个球 体的离散测量点并且然后扫描剩下的球体来克服，因为，用在A1轴线上的运动范围变得足 够小，以至于不会引起显著的误差。 以与对于A1轴线相同的方式，使用测量数据来建立误差图或函数。 在校准过程中，发现使用上述类型的球体校准物体的环具有几个优点。 在相对于一个编码器校准另一个编码器的常规方法中，在轴线之间对准是关键
的。任何偏心度都会产生一阶误差(first order error)(每转一圈具有一次波动)。使用
球体的环，通过在连接至所述物体的局部坐标系统中计算数据的分析结果，使一阶误差最
小化。如果存在偏心率，在角度a +误差处测量定位在角度a处的球，其中误差可以表示
为一阶函数，例如 误差=振幅Xsin(a +相位) 对于现有技术的编码器/编码器校准，误差直接包括在该校准中。但是，使用本发 明的借助球体的环的方法，仅仅角度a和a+误差之间的编码器误差的变化影响校准。编 码器误差通常具有低的变化速率；因此引入的误差非常小，这表明了不需要精确地配置本 发明方法中的对准的原因。 优选地，校准物体中的球体的尺寸使得测量过程中C匪误差的变化非常小。在该 实例中，球体具有8毫米的直径。在这么小的范围内，C匪误差通常是可以忽略的。
还应当注意，对球体的环进行分析提供比编码器/编码器校准更多的信息。使 用局部圆柱体坐标系统能够去掉影响角坐标(即，编码器误差)、纬度坐标以及半径变化 的头部误差，所述纬度坐标相应于头部轴线对准的变化(即，轴线Al的冲击误差(swash error))，且所述半径变化相应于包括物体的热变化的物体球体位置的半径变化。因此，球 体的环能够从物体的热变化以及测量设置的偏心率去掉角度测量结果。这还允许测量校准 轴线的冲击误差。 应当注意，当以阻止引起物体的中心轴线的位置发生位移的任何热膨胀作用的方 式将物体安装到C匪的台上时，如上所述去掉热变化。例如，可以在物体上设置三个球，这 三个球与设置在C匪的所述台上的三个径向延伸的v型凹槽配合。这些球和v型凹槽优选 设置成大约分开12(TC。以此方式，物体的任何热膨胀导致球的位置发生径向位移，但是物 体的中心轴线的位置不发生位移。 可以使用几种方法对上述方法中使用的校准物体进行校准。例如，校准的C匪可 以用于测量每个球体的位置，从这些结果计算圆柱体的坐标，校准的C匪还可以用于测量
12相对于对物体进行定位的三个球体，球体的圆环的中心位置。通过使用具有高的精确度的 校准的CMM，能够获得物体的具有高精确度的测量结果。 还能够通过自校准的方法对校准物体进行校准。下面结合图8A至图8D来描述该 方法，在图8A至图8D中，为了清楚，所示的校准物体70仅具有四个球体71 、72、73、74。物 体74限定四个角度步长(Al至A4)，通过角度测量(Ml至M4)来测量所述角度步长。物体 转动四次，每次转动9(TC，如图8A至图8D中所示。 物体的每个角度步长不是精确的，因此将角度步长写成标称值加上校正值的形 式<formula>formula see original document page 13</formula>
其中&是实际步长，A是标称角度步长，并且&是校正值。 测量过程不能避免误差，每个测量值可以写成标称值加上校正值的形式 <formula>formula see original document page 13</formula> 其中M工是实际测量值，M是标称测量值，并且mi是校正值。 由于校正物体的圆形的，转动一圈准确地对应于36(TC。因此，物体校正值的总和
是0，而且测量校正值的总和是0。
<formula>formula see original document page 13</formula>
四个位置(Pl至P4)产生4X4个将每个物体误差和每个测量误差关联在一起的 测量结果。下面的矩阵表示了所有关联关系<formula>formula see original document page 13</formula>
每一列的平均值不包含物体校正值，因此提供了测量校正值。每个对角线的平均 值不包含测量校正值，因此提供了物体校正值。 从独立的测量结果确定每个球体的中心位置，因此，通过应用统计规律，将许多独 立测量结果的平均值的偏差除以步长数的平方根。使用90球体环和0. 5微米的球体中心 测量结果重合性，校正物体和扫描头部的校正的偏差将是大约0.05微米。如果头部轴线的 交叉点与触针尖端之间的距离是250毫米，则这就等同于0. 05弧秒(arc second)。
下面将结合图9和图10描述本发明的用于校准马达驱动的扫描头部的编码器的 第二种方法。具体地，第二种方法使用呈单个球体形式的参照或校准物体，而不是使用上述 球体校准物体的环。 包括多个校准球体80的参照物体安装在坐标定位仪例如C匪的座12上。C匪的 马达驱动的扫描头部16定位在第一位置，调节头部角度Al和A2使得测量探头28被径向 引导朝向球体80的中心。如同借助球体校准物体的环那样，通过获得围绕球体表面的多个 测量点来测量球体。可以借助离散或扫描点来实现测量，所述离散或扫描点例如能够沿着 球体上的环形或螺旋型路径选取。可以仅使用扫描头部运动或者可以使用扫描头部运动和 一些(优选受限制的)C匪运动的组合来进行测量的常规操作。 在如上所述已经测量球体之后，借助C匪将马达驱动的扫描头部运动至新位置。 选择该新位置，使其与前面的位置相比，距离球体中心大约相等的径向距离，但是相对于球体处于不同的角度。除了提供C匪运动，扫描头部还用于使测量探头围绕扫描头部的A1轴 线转动，从而使得测量探头再次被朝向球体80的中心径向引导。现在以上述方式再次测量 球体，以确定另一个半径和/或球体中心值。在围绕球体的多个径向位置上重复该过程。
再次参见图IO，示出围绕校准球体80处于两个径向位置的扫描头部16和测量探 头28。在这些位置中的每一个位置上，测量球体，以确定半径和/或球体中心位置值。因 此，在围绕球体的多个不同位置上重复进行这些测量导致借助围绕A1轴线转动经过多个 (不同)角度位置的测量探头获得多个球体测量结果。因此，可以看出，借助扫描头部的编 码器测量的Al轴线的角度方位的任何误差会导致所测量的球体性能发生变化。因此，作为 所测量的A1轴线的角度方位的函数，球体性能的变化可以用于建立误差图或函数，其能够 校正所测量的角度方位。 在该技术中，应当注意，需要借助C匪和扫描头部运动来使扫描头部运动至围绕 球体的每个新位置，其中测量探头与球体的中心径向对准。因此，与测量C匪位置相关的任 何误差会对该方法的准确性造成影响，但是这取决于在不同位置上测量的球体性能。
如果在不同扫描头部位置中的每个位置上测量球体半径，则C匪误差的影响是非 常微小的并且通常可以忽略。这是因为，由于在每次球体测量过程中C匪只需要运动几个 毫米，因此与C匪相关的任何误差都不会显著地影响尺寸测量结果，例如球体半径；因此， 在每次球体测量过程中C匪误差有效地是恒定的。因此，在不同位置上测量的球体半径相 比于已知(校准的)球体半径的误差可以用于确定扫描头部中的编码器误差，不会受到C匪 中的任何误差的影响。因此，通过使用半径测量数据，可以使用不完美的C匪来校准扫描头 部，而不会影响校准精确度。例如，对于扫描头部的每个位置，可以将从测量结果确定的尺 寸数据与校准尺寸数据进行比较，并且以与前面实施方式中相同的方式使用两者的差值来 校准编码器。 如果在不同扫描头部位置中的每个位置上测量球体中心位置，则所述球体中心位 置会受到C匪中的误差的影响。由于C匪围绕球体画了一个大圆环，因此其几何误差(特别 是垂直度误差)会影响球体中心的测量位置以及因此影响测量标尺的校准精确度。因此， 可以看出，如果使用扫描头部测量参照物体位置(例如，球体中心位置)的变化，则优选使 用校准的C匪(来使C匪误差最小化)。 应当注意，尽管图IO示出的扫描头部在水平面上处于不同的位置以实现不同的 A1角度，但是，也可以使扫描头部在竖直平面上运动至不同位置，以实现不同的A2角度。以 此方式，能够校准与Al和A2轴线两者相关联的测量标尺。 虽然上述实例描述了对具有两个转动轴线的扫描头部的校准，但是，应当注意，使 用上述方法可以对具有单个转动轴线或两个转动轴线以上的扫描头部进行校准。还应当注 意，上述方法可以用于仅仅对具有多个轴线的扫描头部的一些转动轴线进行校准。还可以 使用本发明的不同方法来校准扫描头部的不同转动轴线；例如，可以使用基于球体校准物 体的环的方法来校准扫描头部的一个转动轴线，而使用基于单个校准球体的方法来校准相 同扫描头部的另一个轴线。
1权利要求
一种利用参照物体来校准位于扫描头部中的测量标尺的方法，所述方法包括以下步骤(i)使安装在所述扫描头部上的表面感测设备围绕所述扫描头部的至少一个轴线转动，从而使所述表面感测设备相对于所述参照物体运动到多个不同的角度方位；(ii)在步骤(i)的每个不同的角度方位，使用所述表面感测设备测量所述参照物体的至少一个性能；以及(iii)使用步骤(ii)中测量的所述参照物体的性能，建立所述扫描头部的至少一个测量标尺的误差图或函数。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述参照物体是具有至少一个校准性能的校准物体，其中步骤(iii)包括从步骤(ii)测得的所述参照物体的性能与所述参照物体的所述至少一个校准性能之间的差异来建立所述误差图或函数。
3. 根据前述权利要求任一项所述的方法，其中，步骤(ii)包括在每次测量所述参照物体的性能期间使用所述扫描头部来使所述表面感测设备围绕所述扫描头部的至少一个轴线转动。
4. 根据权利要求3所述的方法，其中，所述扫描头部包括可连接至坐标定位仪的活动臂的基体部分，其中步骤(ii)包括在每次测量所述参照物体的性能期间仅提供所述扫描头部的所述基体部分的最小运动。
5. 根据权利要求4所述的方法，其中，步骤(ii)包括在每次测量所述参照物体的性能期间保持所述扫描头部的所述基体部分固定。
6. 根据前述权利要求任一项所述的方法，其中，步骤(ii)包括测量所述参照物体的至少一个校准尺寸。
7. 根据前述权利要求任一项所述的方法，其中，步骤(ii)包括测量所述参照物体的至少一个特征的位置。
8. 根据前述权利要求任一项所述的方法，其中，所述参照物体包括特征阵列、正在被校准的特征的相对位置。
9. 根据权利要求8所述的方法，其中，所述扫描头部包括可连接至坐标定位仪的活动臂的基体部分，其中所述扫描头部的所述基体部分在步骤(i)期间保持基本固定。
10. 根据前述权利要求1至7任一项所述的方法，其中，所述参照物体包括单个特征。
11. 根据权利要求io所述的方法，其中，所述扫描头部连接至坐标定位仪的活动臂，其中步骤(i)还包括当所述表面感测设备运动到多个不同角度方位中的每个方位时使所述扫描头部相对于所述参照物体运动的步骤。
12. 根据前述权利要求任一项所述的方法，其中，所述参照物体包括球体、环规、？L、凸台或立方体中的至少之一。
13. 根据前述权利要求任一项所述的方法，其中，安装到所述扫描头部的所述表面感测设备包括扫描探头，并且步骤(ii)包括在每个不同的角度方位通过沿着所述参照物体表面上的路径进行扫描来测量所述参照物体的性能。
14. 根据权利要求13所述的方法，其中，所述参照物体包括至少一个球体，并且步骤(ii)包括，对于每个不同的角度方位，沿着所述球体表面上的环形路径进行扫描以确定所述球体的半径和/或中心位置的步骤。
15. 根据前述权利要求任一项所述的方法，其中，安装到所述扫描头部的所述表面感测设备包括接触触发探头，并且步骤(ii)包括在每个不同的角度方位测量所述参照物体的表面上的多个离散点。
16. —种用于坐标定位仪的扫描头部系统，其中所述扫描头部系统储存使用根据前述权利要求任一项所述的方法计算的误差图或函数。
17. —种使用包括多个校准特征的校准物体来校准扫描头部的方法，所述方法包括以下步骤(i) 使安装在所述扫描头部的表面感测设备围绕所述扫描头部的至少一个轴线转动，从而使所述表面感测设备运动至与所述多个校准特征的所选校准特征形成表面感测关系；(ii) 使用所述表面感测设备测量所述校准物体的所选校准特征的至少一个性能；(iii) 使用至少一个其他所选校准特征重复步骤(i)和(ii);以及(iv) 从步骤(ii)中测量的所述校准物体的性能与所述校准物体的校准性能之间的差异，建立所述扫描头部的至少一个测量标尺的误差图或函数。
18. 根据权利要求17所述的方法，其中，仅仅通过使所述扫描头部围绕所述扫描头部的至少一个轴线转动来提供步骤(i)期间所述表面感测设备的运动。
19. 一种使用包括第一特征的参照物体来校准扫描头部的方法，所述方法包括以下步骤(i) 将安装在所述扫描头部的表面感测设备相对于所述第一特征放置在第一角度方位；(ii) 使用所述表面感测设备测量所述参照物体的所述第一特征的性能；(iii) 使用所述扫描头部来使所述表面感测设备围绕所述扫描头部的至少一个轴线转动，从而使得所述表面感测设备采取相对于所述参照物体的所述第一特征的不同角度方位；(iv) 使用所述表面感测设备重新测量所述参照物体的所述第一特征的所述性能；以及(v) 从步骤(ii)和(iv)期间获得的所述参照物体的所述第一特征的测量性能，建立所述扫描头部的至少一个测量标尺的误差图或函数。
20. 根据权利要求19所述的方法，其中，所述扫描头部安装在坐标定位仪的活动臂上，并且步骤(iii)还包括使用所述活动臂来使所述扫描头部运动的步骤。
21. —种用于校准扫描头部的方法，所述方法包括以下步骤(i) 使用安装在所述扫描头部的表面感测设备来测量参照物体的性能；(ii) 使用旋转不同角度范围的所述扫描头部的一个或多个转动轴线重复步骤(i)的测量；以及(iii) 从步骤(i)中获得的所述参照物体的测量性能，建立所述扫描头部的所述一个或多个转动轴线的一个或多个测量标尺的误差图或函数。
全文摘要
本发明描述一种利用参照物体(40；60；80)来校准位于马达驱动的活动连接的扫描头部(16)中的角度测量标尺的方法。所述方法包括使安装在扫描头部(16)上的表面感测设备例如扫描探头(28)围绕扫描头部(16)的至少一个轴线(A1，A2)转动，从而使所述表面感测设备相对于参照物体(40；60；80)运动到多个不同的角度方位。然后进行在每个不同的角度方位使用所述表面感测设备测量参照物体(40；60；80)的至少一个性能的步骤。然后使用测量的参照物体(40；60；80)的性能和参照物体(40；60；80)的任选地已知的或校准的性能，建立扫描头部的至少一个测量标尺的误差图或函数。所述方法可以包括使用坐标定位仪例如坐标测量仪(14)来使扫描头部(16)运动。参照物体(40；60；80)可以包括单个特征或特征阵列(46；66)。
文档编号G01B21/04GK101711343SQ200880021104
公开日2010年5月19日 申请日期2008年6月18日 优先权日2007年6月21日
发明者琼-路易斯·格热西亚克, 詹姆斯·阿尔希·沙巴尼 申请人:瑞尼斯豪公司