坐标测量装置的校准的制作方法

本发明涉及用于校准坐标测量装置的方法以及包括铰接头并且可以采用多个配置的坐标测量系统。

背景技术：

1、在若干工业过程中都使用坐标测量系统来通过感测所制造的工件的表面上的离散点来确定所述工件的几何形状(特别是形状和尺寸)。这些系统使用精确的定位平台使坐标探针与工件接触或接近工件，以感测表面上的点。需要接触工件的探针通常被称为接触式坐标探针，而需要接近工件而不接触工件的探针通常称为非接触式探针，并且经常使用光学检测。

2、坐标测量系统可以采取坐标测量系统、坐标测量机器人或坐标测量机(cmm)的形式以及用于装备诸如机床或添加打印机这样的生产机器或检测系统的测量解决方案或设备的形式。具体地说，坐标测量系统可以被配置或设计为沿着一个、优选地彼此正交的两个、三个或更多个平移轴移动精确定位平台。在一些配置中，坐标测量系统可以另外包括构成另一自由度的用于工件的转台。

3、接触式探针在这些应用中非常受欢迎。它们在触针的顶端具有一个非常精确的球体，并且当球体接触工件表面时生成电信号。例如控制处理器或数字电路形式的控制器每当存在接触时存储定位平台的位置(和转台的位置，如果存在的话)，并且从这些数据计算出接触点的坐标或沿着接触轨迹的连续点的坐标，如果坐标测量机是这样驱动的话。

4、一些接触式探针被设计用于支持工件轮廓的连续测量(也称为扫描)。在该配置中，控制器可以通过连续地记录定位平台的位置(例如，坐标)以及在工件扫描期间由接触式探针提供的接触数据，以几何方式推导出沿着工件表面上的路径的坐标。

5、还已知在坐标测量系统中使用非接触式探针作为坐标探针。这些探针包括光学距离传感器，光学距离传感器朝向工件表面发送光线，收集反(背)向散射光并且以例如但不仅是通过光干涉测量、通过三角测量或通过飞行时间之类的各种方式确定与工件的距离。与接触式探针相比，光学探针通常是定向的。至于接触式探针的情况，控制器可以使用定位平台的位置(例如，坐标)以及由非接触式探针提供的距离和范围数据以几何方式推导出工件上被照射点的坐标。

6、为了获得期望的坐标，控制器将由系统提供的瞬时或记录的数据转换成系统操作容积内的坐标，该数据尤其包括定位平台的坐标和坐标探针的位置和/或方位以及其运动学和结构数据(例如，接触式探针的接触球体的尺寸或光学探针的光轴的位置和方位)。为了提供精确系统所需的准确度和精确度二者(例如，在μm范围内操作)，必需在转换中考虑安装不准确性以及热膨胀。因此，通过校准过程来调节该变换，在该校准过程中将坐标测量系统和探针应用于其形状先验已知(例如，精确的球体)的人工制品。每当修改坐标系时，例如，当一个坐标探针改变为另一坐标探针时、定期地或在需要时，实行校准。

7、许多坐标测量系统都可以通过在定位平台和探针本身之间插置铰接探头来重新定向坐标探针，无论是接触式探针还是非接触式探针。该装置可以通过配置一个、两个、三个或多于三个的可旋转元件的角度来旋转探针。通常，铰接探头具有两个或三个旋转轴(最终一个与另一个正交)以覆盖大多数应用中所需的所有可能方位。许多探头具有两个转子，该两个转子一个接一个地处于具有正交旋转轴的串联配置中，并且为了简洁起见，本文献将主要参照该配置，但这不是本发明的实质特征。探头的旋转轴可以是连续的，在这种情况下，旋转角度由精密编码器读取，或者被分度，从而只允许一组离散的角度，例如，圆上的相互分开5°的72个位置。在分度探头中，通过精密加工的联轴器来确保角度的可重复性，并且可以通过电位计或通过简单的编码器读取位置。

8、铰接探头在测量复杂工件时是必不可少的，因为需要不同的方位来靠近所有所关注的点。然而，这些增加了坐标测量系统的校准难度。通常，需要对探头的每种可能配置进行不同的校准。即使使用插值，双轴系统的校准也可能过长并且可能大大降低机器的可用性。

9、例如从ep0759534中已知，通过确定存储了探针的一大组可能配置(方位和/或位置)的测量误差的误差图或表来校准坐标测量机。对于至少一些配置，可以用独立配置(或指标)校准(即，此后也称为“独立校准”或“模型无关校准”)来确定误差，而对于其余的配置，可以从这些独立校准中以数学方式进行误差的推断(例如，插值)。如在us4888877中公开的，还已知通过用通过校准数据的拟合确定的自适应参数建立设备的数学模型来校准坐标测量机。

10、通过用误差表校准，通过独立校准来分别确定表中的每个误差据认为是最精确的方法，但它不仅需要存储大量的数据，而且需要耗时的计算。数学模型试图用数量减少的方程和模型参数来捕获运动系统的复杂度，但在这样做时它们可能牺牲了一些准确度。

11、us6134506描述了一种3d测量设备的校准程序，该校准程序需依赖于调节已存储在存储器中的先前校准参数。

12、us5526576描述了一种坐标测量机，该坐标测量机基于将要获得的测量准确度来加载与选定的多个探针配置关联的数据文件之一。

13、ep0759534描述了一种用于校准坐标测量机的可移动臂上的铰接探头的方法。该方法涉及在铰接探头的数量减少的离散方位的误差确定，其中，中间方位的误差是被线性推断的。

14、ep1405036b1描述了一种用于具有旋转/枢转接头的坐标测量装置的校准方法，其中，识别然后校准给定测量所需的探针的唯一位置和角位置。

15、严苛的坐标测量机用户需要准确的测量(在μm范围内)，用不同的测量配置(特别是探针及其延伸部)工作并且使用探针围绕工件具有许多不同方位和定位的测量计划。这些用户需要针对方位和工具的所有可能组合校准他们的设备，并且必须足够频繁地重复校准，以补偿不可避免的热漂移和工具容差。在这些情况下，花费在校准上的非生产性时间会大大增长。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供克服现有技术的缺点和限制的校准坐标测量机的方法。

2、根据本发明，这些目的通过所附权利要求的目的来实现，尤其是通过用于在定位平台和坐标探针之间具有铰接探头的坐标测量系统的校准方法来实现，该方法包括其中收集(特别是确定)定义铰接探头的模型的第一组模型参数的第一校准。第一校准涉及在使铰接探头呈现(例如，表现)第一组配置中的所有配置的同时测量关于铰接探头的几何数据。优选地，在第一校准结束时存储这样的第一组模型参数。在通常与第一校准分开且不同的第二校准中，将铰接探头安装在坐标测量系统上，连接到坐标探针，并且在使铰接探头呈现第二组配置中的所有配置的同时使用该组装测量其几何形状已知的校准人工制品，之后确定与第一组模型参数一起定义所述铰接探头与坐标探针的组装的模型的附加模型参数。然后，由坐标探针安装在铰接头上的坐标测量系统使用该模型来测量工件表面上的点的坐标。

3、第一校准也可以称为“工厂校准”或“不可变校准”，因为它常常是探头制造的一部分，并且它相对于坐标探针是不可知的，但这并不意味着第一校准不能在现场重复或在情况需要修改时进行修改。第二校准也可以称为“附加校准步骤”或“后校准步骤”。以下，铰接探头可以被简单地表示为“探头”，并且连接到探头的坐标探针也可以被简单地表示为“探针”。

4、从属权利要求涉及可以并入本发明的方法中但不是必需的重要且有用的特征，包括通过将铰接探头安装在校准坐标测量系统(特别是校准坐标测量机-cmm)中并且用校准坐标探针测量校准体来执行第一校准步骤，或者替代地，通过将铰接探头安装在诸如激光扫描仪、示踪器或干涉仪这样的测量设备的测量容积中来执行第一校准步骤。

5、其他要求保护的可选方面包括：第二组中的配置的数量少于第一组中的配置的数量，铰接探头中的旋转自由度数量可以是一个、两个、三个或不止三个，将第一组模型参数存储在物理上被包括在铰接头中的非易失性存储器中以及在后校准步骤之前坐标探针的一个或更多个改变。

6、由于第一校准与第二校准是不同的，前者可以方便地在工厂(即，铰接探头的制造地点)或测量系统的初始安装地(即，测量系统的安装或组装地点)进行，并且比后者广泛得多且耗时得多。第一校准可以涉及铰接探头的不止200个方位，例如，600至1000个不同方位，并且当使用校准人工制品(例如，校准球体)执行时可以持续两小时至四小时。第二校准可以涉及少得多的探头位置，通常仅六个或十二个，并且快得多。第一组配置可以比第二组大五十倍或更多。要注意，在某些特定情况或背景下，第一校准可以例如由约定的技术人员和/或客户在现场进行(或重复地进行)。

7、该方法可以包括对铰接探头的第三组配置进行选择性准确校准。该步骤可以包括针对这种第三组配置建立和记录定位平台的位置与坐标探针的参考点的位置之间的对应表。

8、在一个实施方式中，准确校准可以是第二校准步骤的一部分，即，当铰接探头被安装在坐标测量系统上并连接到坐标探针时，执行该步骤。该步骤可以与用于测量人工制品以确定附加模型参数的步骤顺序地(即，在该步骤之前或之后)或同时地执行。在顺序步骤的情况下，独立(individual)校准可以依赖于与确定附加模型参数所用的校准人工制品相同或不同的校准人工制品。

9、有利地，在测量阶段期间，当探头处于第三组配置时，组装的模型可以被通过选择性准确校准提供的校准数据(例如，用表中的信息)覆盖或校正。以这种方式，坐标测量系统使用表中的数据用于探针的一组受限制方位，而使用模型用于常见方位。这种方法可以为一组受限制方位提供改进的精度。

10、可以基于优选地包括容差和关系的工件的模型(例如，几何尺寸和容差-gd&t模型)来选择第三组配置，以选择用于最关键测量的方位。另选地或补充地，可以根据铰接探头在坐标测量系统上的安装(例如，的函数)(例如，铰接探头安装的方位)来选择方位和/或方位可以沿着旋转轴规则地间隔开。

11、本发明的另一方面涉及一种铰接探头，该铰接探头能通过一个近侧连接器连接到坐标测量系统的定位平台，并且通过远侧连接器连接到坐标探针，该铰接探头包括被编程为存储定义铰接探头模型的第一组模型参数的非易失性存储单元。优选地，探头例如借助提供快速且最终甚至自动的探头交换的专用接口以可移除方式连接到坐标测量系统的定位平台。一个示例是hexagon metrology提供的senmation通用传感器接口。优选地，非易失性存储单元具有用于至少两千个数字和/或逻辑值的容量。

12、本发明的其他方面涉及使得能够实现上述方法的坐标测量系统(特别是坐标测量机)。具体地说，本发明还涉及一种坐标测量系统，该坐标测量系统包括：定位平台；连接到定位平台的铰接探头以及以可移除方式连接到铰接探头的坐标探针，由此铰接探头可以呈现与坐标探针的各种方位对应的多个配置，并且其中，坐标测量系统被配置为：

13、-基于第一校准来收集(特别是获取)定义铰接探头的模型的第一组模型参数，在第一校准中，探头呈现第一组配置中的所有配置；

14、-在使探头呈现第二组配置中的所有配置的同时测量其几何形状已知的人工制品；

15、-基于人工制品的测量，确定附加模型参数，该附加模型参数与第一组模型参数一起定义铰接探头在具有坐标探针的坐标测量系统上的组装的模型；以及

16、-通过以下步骤测量工件：

17、使坐标探针与工件接触或毗邻工件，其中，铰接探头处于由坐标测量系统选择的配置中；并且

18、使用组装的模型，根据定位平台的位置的测量来确定工件表面上的点的坐标。坐标的确定另外可以使用由坐标探针提供的结果(例如，表示距离、方位和/或与工件表面的接触的信号或数据)。

19、本发明还涉及被配置为能够实现上述方法的以上实施方式的坐标测量系统，特别是坐标测量机的形式的坐标测量系统，如图1中例示的。

20、特别地，本发明还涉及一种坐标测量系统，该坐标测量系统包括：定位平台；连接到定位平台的铰接探头以及以可移除方式连接到铰接探头的坐标探针，由此铰接探头可以呈现与坐标探针的各种方位对应的多个配置，并且其中，坐标测量系统可以被配置为：

21、-基于第一校准收集(特别是获取)定义铰接探头的模型的第一组模型参数，在第一校准中，使探头呈现第一组配置中的所有配置；模型参数可以被记录在铰接探头、坐标测量系统(例如，控制器)的存储器中或能供坐标测量机访问的外部存储器(例如，另一坐标测量机、网络服务器、云服务器或云存储器)中。

22、-在使探头呈现第二组配置中的所有配置的同时测量其几何形状已知的人工制品；

23、-基于人工制品的测量，确定附加模型参数，该附加模型参数与第一组模型参数一起定义铰接探头在具有坐标探针的坐标测量系统上的组装的模型；以及

24、-通过选择铰接探头的期望配置，使坐标探针接触或毗邻工件，并且使用组装的模型根据定位平台的位置的测量确定工件表面上的点的坐标来测量工件。

25、在有利的实施方式中，坐标测量系统还被配置为独立校准铰接探头的第三组配置，其中，确定工件表面上的点的坐标包括当铰接探头的配置处于第三组配置时覆盖或校正组装的模型。

26、相对于本领域中已知的，本发明提供的优点在于，系统的校准不需要探索铰接头的可能配置的整个空间，而只需要在数学模型中捕获由铰接头和坐标探针构成的组件的运动。此外，由于已经在第一校准中捕获了铰接探头的模型，因此少量附加模型参数就足够了，并且现场(in-situ)校准快得多。

27、在第二校准中确定的模型参数主要描述探头如何安装在cmm中、坐标探针如何附接到探头，使用什么探针(例如，触针的长度等)，而第一组模型参数描述了诸如两个轴的相对位置、它们的正交缺陷、它们的固有误差等这样的铰接探头的自由度。该模型可以相当复杂并且需要许多模型参数，可能需要数百或数千个模型参数。

28、无论模型有多复杂，在某些情况下，用查找表进行模型无关校准可能带来优越准确度。本发明具有存储用于探针的重要方位的选定子集的这种查找表的变型。通过分析工件模型上的测量计划，可以先验地选择重要的方位。当探针处于这些重要方位中的一个方位时，使用查找表覆盖或校正模型。这种混合方法结合了短校准时间、重要方位的出色准确度以及测量系统所有可能配置的整体低误差。