專利名稱：對(duì)具有鉸接探頭的坐標(biāo)測(cè)量?jī)x進(jìn)行誤差補(bǔ)償?shù)姆椒?br> 技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種對(duì)鉸接探頭的測(cè)量誤差進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ鲢q接探頭可安裝在諸如坐標(biāo)測(cè)量?jī)x(CMM)(包括諸如三角架(tripod)和六角架(hexapod)這樣的平行儀器)這樣的坐標(biāo)定位裝置上，以及機(jī)床、手動(dòng)坐標(biāo)測(cè)量臂、例如工作檢查機(jī)器人的機(jī)器人和單軸儀器上。
背景技術(shù)：
生產(chǎn)出工件后，在諸如坐標(biāo)測(cè)量?jī)x(CMM)這樣的坐標(biāo)定位裝置上對(duì)其進(jìn)行檢查是通常慣例，所述坐標(biāo)測(cè)量?jī)x具有安裝有探針的可移動(dòng)臂件，探針能夠在儀器的工作容積范圍內(nèi)在三個(gè)正交方向X、Y、Z上受到驅(qū)動(dòng)。
探針的加速度造成坐標(biāo)測(cè)量?jī)x的動(dòng)態(tài)偏差，這又造成測(cè)量誤差。以低加速度進(jìn)行測(cè)量可減少這些測(cè)量誤差。然而隨著生產(chǎn)率需要的增加，要求CMM具有較高的生產(chǎn)能力和較高的檢查速度。隨著檢查速度的提高，探針在測(cè)量過(guò)程中具有較高的加速度，并導(dǎo)致系統(tǒng)具有較大的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)偏差。這就造成探針在X、Y、Z方向上的幾何位置讀數(shù)不準(zhǔn)。
我方早期專利US 4,333,238公開(kāi)了一種對(duì)由于探針加速度造成坐標(biāo)測(cè)量?jī)x的偏差進(jìn)行糾正的方法，它通過(guò)利用受探針?biāo)俣茸兓绊懙乃鼋Y(jié)構(gòu)上的檢測(cè)參數(shù)，例如加速計(jì)，從而確定產(chǎn)生測(cè)量信號(hào)時(shí)所述結(jié)構(gòu)(CMM)的動(dòng)態(tài)偏差。因而測(cè)量輸出可根據(jù)該儀器偏差而進(jìn)行調(diào)節(jié)。
美國(guó)專利No.4,991,304公開(kāi)了另一種糾正動(dòng)態(tài)偏差的方法，其中，利用坐標(biāo)測(cè)量?jī)x上的探針對(duì)一連串標(biāo)稱相同的工件進(jìn)行測(cè)量。以低速對(duì)第一工件進(jìn)行第一次探測(cè)，并以高速進(jìn)行第二次探測(cè)。根據(jù)高速測(cè)量和低速測(cè)量之間的差值計(jì)算出誤差值系列。利用這些誤差值對(duì)在后續(xù)工件上進(jìn)行的隨后的高速測(cè)量進(jìn)行糾正。
以上兩種現(xiàn)有技術(shù)方法允許對(duì)工件進(jìn)行高速測(cè)量，但其存在上限值，如果超過(guò)該上限值，則它們變得無(wú)法令人滿意。這可能是由于CMM在高加速度時(shí)變得不一致和/或不穩(wěn)定，或者是儀器不能獲得所需的加速度。
通過(guò)使用安裝在坐標(biāo)測(cè)量?jī)x上的高帶寬設(shè)備，便能夠克服上述限制。
美國(guó)專利No.5,189,806中公開(kāi)了這樣一種高帶寬設(shè)備，該專利敘述了一種能夠?qū)哂袃蓚€(gè)自由度的探針進(jìn)行定向的鉸接探頭，從而該探針能夠用于掃描工件表面這樣的操作中。
總體而言，這樣的探針包括具有相對(duì)固定的支座和旋轉(zhuǎn)部件的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，并在該旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上安裝有表面檢測(cè)設(shè)備，該旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可相對(duì)于支座圍繞探頭的軸線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。由馬達(dá)為該旋轉(zhuǎn)部件的旋轉(zhuǎn)提供動(dòng)力。并且，由馬達(dá)產(chǎn)生并作用到旋轉(zhuǎn)部件上的扭矩造成大小相同且相反的反扭矩，該反扭矩施加在固定支座上，進(jìn)而作用到支座上。
該反扭矩能夠使系統(tǒng)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，尤其是能夠使安裝有探頭的坐標(biāo)定位儀的可動(dòng)臂件發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致儀器產(chǎn)生的測(cè)量值具有誤差。
諸如鉸接探頭這樣的高帶寬裝置具有這樣的優(yōu)點(diǎn)，即其能夠以高速對(duì)單獨(dú)特征(feature)進(jìn)行測(cè)量，從而降低坐標(biāo)測(cè)量?jī)x所需的加速度。然而，該裝置具有慣性，在以高速進(jìn)行加速時(shí)，必須反向施加作用力或動(dòng)量，以避免測(cè)量誤差。
國(guó)際專利申請(qǐng)No.WO01/57473公開(kāi)了一種鉸接探頭，其中，通過(guò)在軸承上安裝馬達(dá)定子，使其反向于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)而發(fā)生旋轉(zhuǎn)，從而對(duì)至少一個(gè)馬達(dá)進(jìn)行慣性平衡。將旋轉(zhuǎn)定子(spinning stator)連接到接地馬達(dá)(earth motor)另一后部的線圈組上，從而對(duì)旋轉(zhuǎn)定子(spinning stator)的速度進(jìn)行控制。這種對(duì)鉸接探頭進(jìn)行慣性平衡的方法具有這樣的缺點(diǎn)，即其增加了鉸接探頭的質(zhì)量、復(fù)雜度和成本，而僅僅補(bǔ)償了動(dòng)態(tài)扭矩誤差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種對(duì)使用坐標(biāo)定位裝置得出的測(cè)量值進(jìn)行誤差補(bǔ)償?shù)姆椒?，所述坐?biāo)定位裝置包括具有表面檢測(cè)設(shè)備的鉸接探頭，其中，所述表面檢測(cè)設(shè)備在測(cè)量過(guò)程中圍繞所述鉸接探頭的至少一個(gè)軸線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，所述方法包括下列步驟，所述步驟能夠以任何適當(dāng)?shù)捻樞蚺帕?a)確定所述裝置的整體或其部分的剛度；(b)確定在任一特定時(shí)刻的負(fù)載或與所述鉸接探頭施加的負(fù)載相關(guān)的一個(gè)或多個(gè)因素；(c)利用步驟(a)和(b)得出的數(shù)據(jù)，確定所述表面檢測(cè)設(shè)備處由所述負(fù)載造成的測(cè)量誤差。
該方法能夠?qū)τ捎陟o態(tài)負(fù)載和動(dòng)態(tài)負(fù)載造成的測(cè)量誤差進(jìn)行數(shù)學(xué)補(bǔ)償。動(dòng)態(tài)誤差由鉸接頭的運(yùn)動(dòng)引起。靜態(tài)誤差由鉸接探頭運(yùn)動(dòng)之外的因素引起，例如由探針作用在表面而引起的探針作用力。
所述剛度能夠定義為在施加到所述裝置的整體或其部分上的負(fù)載的作用下所具有的彈性特征。
所述負(fù)載可包括扭矩或線性作用力。
所述負(fù)載能夠利用例如位于安裝有探頭的結(jié)構(gòu)上的、諸如位于探頭內(nèi)部或外部的測(cè)力元件(load cell)或測(cè)扭矩元件(torque cell)直接測(cè)量。
可選擇的，利用對(duì)照表能夠?qū)ω?fù)載或一個(gè)或多個(gè)與負(fù)載有關(guān)的因素進(jìn)行測(cè)量或確定。其能夠典型的包括馬達(dá)中的電流或電壓、裝置某部分的加速度、速度或位置。這些參數(shù)可以是控制器所需值，或是在系統(tǒng)的一個(gè)或多個(gè)點(diǎn)處對(duì)其進(jìn)行測(cè)量。所述系統(tǒng)包括坐標(biāo)測(cè)量裝置、鉸接探頭、表面檢測(cè)設(shè)備、控制器和用于驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的動(dòng)力放大器。
所述表面檢測(cè)設(shè)備可包括諸如掃描式或接觸觸發(fā)式探針這樣的接觸式探針，或是諸如光學(xué)式、電容式或感應(yīng)式探針這樣的非接觸式探針。
在一個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)將負(fù)載施加到整個(gè)所述裝置或其部分上，并測(cè)量偏差，便可在步驟(a)中確定剛度。
在另一實(shí)施例中，以下述方式在步驟(a)中確定剛度測(cè)量尺寸已知的物體，同時(shí)測(cè)量施加到整個(gè)裝置或其部分上的負(fù)載；其中整個(gè)裝置或其部分發(fā)生的偏差根據(jù)所述物體的已知尺寸和測(cè)量尺寸之間的差值加以確定；并且其中根據(jù)負(fù)載和偏差得出剛度。
在另一實(shí)施例中，所述表面檢測(cè)設(shè)備為具有工件接觸觸針的接觸式探針，其中以如下方式在步驟(a)中確定剛度對(duì)接觸式探針進(jìn)行定位，從而使觸針與尺寸已知的物體的表面相接觸；當(dāng)施加不同的探針作用力時(shí)，讀取表面的測(cè)量讀數(shù)；其中，根據(jù)已知尺寸和測(cè)量尺寸之間的差值確定整個(gè)裝置或其部分的偏差；并且其中根據(jù)施加的作用力和偏差得出剛度。
在另一實(shí)施例中，所述表面檢測(cè)設(shè)備為具有工件接觸觸針的接觸式探針，并且其中以如下方式在步驟(a)中確定剛度對(duì)接觸式探針進(jìn)行定位，從而使觸針與尺寸已知的物體的表面相接觸；當(dāng)探針尖端與所述表面保持接觸時(shí)，使探針尖端發(fā)生振動(dòng)；當(dāng)以不同的探針頻率和加速度進(jìn)行振動(dòng)時(shí)，讀取所述表面的測(cè)量讀數(shù)；其中，根據(jù)已知尺寸和測(cè)量尺寸之間的差值確定整個(gè)裝置或其部分的偏差；并且其中根據(jù)加速度和偏差得出剛度。
根據(jù)所述裝置的系統(tǒng)變量，能夠確定在步驟(b)中與所述負(fù)載相關(guān)的一個(gè)或多個(gè)因素。例如，施加到鉸接探頭中至少一個(gè)馬達(dá)上的電流，或者是來(lái)自鉸接探頭的位置測(cè)量設(shè)備的測(cè)量數(shù)據(jù)的二次微分。
可選擇的，通過(guò)使用外部設(shè)備，例如扭矩儀或加速計(jì)，能夠確定在步驟(b)中與負(fù)載相關(guān)的一個(gè)或多個(gè)因素。
在一個(gè)實(shí)施例中，測(cè)量誤差由安裝有鉸接探頭的坐標(biāo)定位裝置的結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)造成，且所述方法可包括確定表面檢測(cè)設(shè)備測(cè)量路徑相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)的偏移量這樣的步驟，其中該偏移量用于計(jì)算測(cè)量誤差。
由結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)造成的測(cè)量誤差基本上與(Lcosφ)δθ成比例，其中L表示從鉸接探頭的基準(zhǔn)點(diǎn)到表面檢測(cè)設(shè)備的測(cè)量路徑之間的距離，φ表示表面檢測(cè)設(shè)備和垂直于安裝有鉸接探頭的結(jié)構(gòu)軸線的軸線之間的夾角，δθ表示結(jié)構(gòu)的角偏量。對(duì)于接觸式探針而言，L表示表面檢測(cè)設(shè)備的尖端與旋轉(zhuǎn)中心之間的距離。
本發(fā)明的第二方面提供一種坐標(biāo)定位裝置，其包括具有表面檢測(cè)設(shè)備的鉸接探頭，其中所述表面檢測(cè)設(shè)備能夠圍繞鉸接探頭的至少一根軸線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，且已知整個(gè)裝置或其部分的剛度；該裝置設(shè)置有確定與由鉸接探頭在任一特定時(shí)刻所施加的負(fù)載相關(guān)的一個(gè)或多個(gè)因素的設(shè)備；并且其中，坐標(biāo)定位裝置包括處理器，所述處理器適于利用整個(gè)裝置或其部分的已知?jiǎng)偠龋⒏鶕?jù)已確定的與負(fù)載相關(guān)的一個(gè)或多個(gè)因素，從而確定表面探測(cè)裝置上由負(fù)載造成的測(cè)量誤差。
所述處理器能夠位于例如坐標(biāo)定位裝置的控制器中或PC中。典型的，該處理器包括微控制器。


下面結(jié)合實(shí)例并參照附圖，說(shuō)明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。
圖1為坐標(biāo)測(cè)量?jī)x的透視圖；圖2為鉸接探頭的剖面圖；圖3為安裝在坐標(biāo)測(cè)量?jī)x臂件上的鉸接探頭的透視圖；圖4所示曲線圖用于說(shuō)明扭矩T和Z向柱體角偏量δθ之間的關(guān)系；圖5所示曲線圖用于說(shuō)明以高速和低速?gòu)拇怪笨撰@得的測(cè)量數(shù)據(jù)；圖6為鉸接探頭的探針尖端與校準(zhǔn)球體相接觸的平面圖；圖7為用于說(shuō)明線性力和角向力的鉸接探頭的側(cè)視圖。
具體實(shí)施例方式
圖1所示為安裝在坐標(biāo)測(cè)量?jī)x(CMM)上的鉸接掃描頭。鉸接探頭10安裝在CMM 8的垂直延伸伸長(zhǎng)件或Z向柱體12的底端。Z向柱體12受到諸如空氣軸承14的軸承的支撐，以在Z向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，軸承14與支架16集成在一起，支架16又由橫梁18進(jìn)行支撐，以在X方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。橫梁18由安裝在平臺(tái)22上的導(dǎo)軌20進(jìn)行支撐，以在Y方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。因而鉸接探頭10可定位在所述儀器工作容積內(nèi)的X、Y和Z向的任何位置。控制器向CMM和鉸接探頭發(fā)出指令，以將鉸接探頭和安裝在其上的探針定位在任何期望位置內(nèi)?？刂破鬟€可接收來(lái)自CMM、鉸接探頭和探針的反饋信息。
如圖2所示，鉸接掃描探頭10包括由基部或外殼30形成的固定部分，所述基部或外殼30對(duì)成形為軸32的可動(dòng)部分進(jìn)行支撐，所述軸32在馬達(dá)M1作用下，可相對(duì)于外殼30圍繞軸A1旋轉(zhuǎn)。所述軸固定至另一外殼34上，該外殼34又對(duì)軸36進(jìn)行支撐，軸36在馬達(dá)M2的作用下，可相對(duì)于外殼34圍繞垂直于軸Al的軸A2旋轉(zhuǎn)。
探針38安裝在鉸接掃描探頭10上，且其具有帶有工件接觸尖端40的觸針39。這樣的配置使得探頭的馬達(dá)M1、M2能夠圍繞軸A1或A2對(duì)工件接觸尖端40進(jìn)行角定位，CMM(未示出)的馬達(dá)能夠在CMM的三維坐標(biāo)框架內(nèi)的任何地方對(duì)鉸接探頭進(jìn)行線性定位，以使觸針尖端與被掃描表面具有預(yù)定關(guān)系。
線性位置轉(zhuǎn)換器(未示出)配置在CMM上，用于測(cè)量鉸接探頭的線性位移，角位置轉(zhuǎn)換器T1和T2配置在鉸接探頭10上，用于測(cè)量觸針30分別圍繞軸A1和A2的角位移。
在探針觸針39的加速過(guò)程中，鉸接探頭向系統(tǒng)施加扭矩。尤其是在對(duì)諸如孔這樣的特定輪廓進(jìn)行測(cè)量的過(guò)程中，觸針可能會(huì)圍繞軸A1發(fā)生振動(dòng)而產(chǎn)生扭矩。
測(cè)量誤差的實(shí)例之一是CMM(或其它等同類型的坐標(biāo)定位裝置)的主軸(quill)扭轉(zhuǎn)。另一實(shí)例是鉸接頭的彎曲和扭轉(zhuǎn)。典型的，CMM的Z向柱體由具有較高剛度的花崗巖制成。然而，用于支撐Z向柱體并允許其在Z向移動(dòng)的軸承14靠近定位在一起。這些軸承的定位允許Z向柱體圍繞Z軸發(fā)生一些旋轉(zhuǎn)。這樣，當(dāng)鉸接探頭向Z向柱體施加扭矩時(shí)，就可能使所述柱體圍繞Z軸發(fā)生一些旋轉(zhuǎn)。由于軸承較低的扭轉(zhuǎn)剛度是造成Z向柱體滾動(dòng)的主要原因，從而柱體在Z向的位置對(duì)滾動(dòng)量?jī)H有很小的影響。
然而，在由諸如鋁這樣具有較低扭轉(zhuǎn)剛度材料制成的Z向柱體中，結(jié)構(gòu)剛度將隨Z向柱體的高度而發(fā)生變化。剛度測(cè)量可在用于部件測(cè)量的Z向柱體高度處進(jìn)行?？蛇x擇的，可測(cè)量Z向柱體不同高度處的剛度，從而建立剛度和Z向柱體高度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。這便允許在測(cè)量值之間進(jìn)行插值。
參看圖3，Z向柱體12的旋轉(zhuǎn)量δθ在觸針尖端40的位置上形成誤差δx。
在所述方法的第一步驟中，確定整個(gè)系統(tǒng)或系統(tǒng)一部分的剛度。在本實(shí)施例中，確定Z向柱體12的旋轉(zhuǎn)剛度。這可通過(guò)向Z向柱體施加扭矩并且測(cè)量角偏量θ而得以完成。例如，可使用滑輪系統(tǒng)向Z向柱體均勻施加已知扭矩，同時(shí)使用角干涉儀或其它角測(cè)量裝置來(lái)測(cè)量Z向柱體的旋轉(zhuǎn)。這便能夠確定主軸端部以上度量系統(tǒng)的剛度測(cè)量?？蛇x的，主軸以上的度量系統(tǒng)的剛度可從儀器類型而獲知。
一旦確定整個(gè)或部分系統(tǒng)的剛度，則進(jìn)行位置測(cè)量，同時(shí)對(duì)與鉸接頭所施加負(fù)載相關(guān)的一個(gè)或多個(gè)因素進(jìn)行記錄。
在本實(shí)施例中，鉸接探頭所施加的負(fù)載可通過(guò)多種不同方式得以確定?？赏ㄟ^(guò)讀取系統(tǒng)變量進(jìn)行確定，例如，如果探頭馬達(dá)為直接驅(qū)動(dòng)式馬達(dá)，可通過(guò)測(cè)量馬達(dá)中的電流而確定扭矩。如果馬達(dá)不是直接驅(qū)動(dòng)式，則能夠通過(guò)傳動(dòng)裝置而測(cè)量電流。所述傳動(dòng)裝置可包括，例如，皮帶滑輪系統(tǒng)或齒輪組。其它的系統(tǒng)變量包括加速度需求量或控制器反饋。
所述負(fù)載還可通過(guò)使用鉸接探頭中的轉(zhuǎn)換器(圖3中的T1)而得以確定?？蓪?duì)來(lái)自轉(zhuǎn)換器的讀數(shù)進(jìn)行二次微分，以確定鉸接探頭的加速度。如果底軸的慣性已知為給定量φ，從而能夠確定鉸接探頭所施加的扭矩。在齒輪驅(qū)動(dòng)的情況下，通過(guò)對(duì)來(lái)自連接到鉸接頭馬達(dá)上的轉(zhuǎn)速儀的速度進(jìn)行一次微分，從而可確定加速度。然后，可如上所述那樣計(jì)算扭矩。
還可利用系統(tǒng)外部或內(nèi)部的記錄設(shè)備確定負(fù)載。實(shí)例為測(cè)扭矩元件或測(cè)力元件，其既可放置在Z向柱體和鉸接探頭之間，也可放置在探頭結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，從而直接測(cè)量鉸接探頭施加到結(jié)構(gòu)上的負(fù)載。還可使用加速計(jì)。在慣性已知的情況下，加速計(jì)等同于測(cè)扭矩元件，如前一段所述，但其所覆蓋的頻率范圍不同。
利用該方法，便可能生成例如關(guān)于作用到Z向柱體的扭矩范圍的數(shù)據(jù)，以及相應(yīng)的Z向柱體的角偏量。
圖4所示為扭矩T和Z向柱體角偏量δθ的曲線圖。根據(jù)胡克定律，δθ＝T/k，其中k為旋轉(zhuǎn)剛度。一旦k已知，便能夠利用該等式校正所有的未來(lái)測(cè)量值。
在圖3所示情況中，誤差由Z向柱體的扭轉(zhuǎn)造成，觸針尖端40位置中的誤差δx由圍繞Z向柱體12的Z向的旋轉(zhuǎn)量δθ造成。觸針尖端位置中的誤差δz由圍繞鉸接探頭A2軸的旋轉(zhuǎn)量δφ造成。對(duì)于其觸針尖端與工件相接觸的接觸探針而言，測(cè)量誤差的數(shù)量與觸針尖端40相對(duì)于諸如鉸接探頭10的A1軸此類的基準(zhǔn)點(diǎn)的偏移量R成比例。偏移量R＝Lcosφ，其中L為觸針39的長(zhǎng)度，φ為觸針與水平面的夾角。
在非接觸式探頭的情況下，例如光學(xué)式、電容式或感應(yīng)式探頭，L為基準(zhǔn)點(diǎn)和測(cè)量點(diǎn)之間的距離。測(cè)量點(diǎn)可包括例如光學(xué)式探頭的焦點(diǎn)。
因此，測(cè)量誤差δx為δθLcosφ，其中δθ為利用作用到Z向柱體上的扭矩而計(jì)算出的Z向柱體的角誤差。
角偏量δθ可如上所述那樣利用施加的扭矩而計(jì)算得出，或者利用所映射的鉸接探頭的對(duì)照表加以確定。
下面對(duì)確定系統(tǒng)剛度的一種可選方法進(jìn)行說(shuō)明。利用所述系統(tǒng)對(duì)校準(zhǔn)樣品進(jìn)行掃描，所述校準(zhǔn)樣品如基準(zhǔn)球(datum ball)或環(huán)規(guī)(ringgauge)，從而利用實(shí)驗(yàn)方法記錄測(cè)量誤差。如上所述，利用測(cè)扭矩元件或加速計(jì)，并通過(guò)測(cè)量直接驅(qū)動(dòng)式馬達(dá)的電流或利用鉸接探頭轉(zhuǎn)換器的測(cè)量數(shù)據(jù)，對(duì)探頭施加到系統(tǒng)上的負(fù)載進(jìn)行測(cè)量。樣品的測(cè)量尺寸和其已知尺寸之間的差值為測(cè)量誤差δθ。如上所述，所施加扭矩和誤差δθ之間的關(guān)系可用于通過(guò)胡克定律而確定旋轉(zhuǎn)剛度k，或生成用于對(duì)照表的數(shù)據(jù)。在該方法中，整個(gè)系統(tǒng)(即CMM和鉸接探頭)的剛度得以確定。
就最好結(jié)果而言，當(dāng)φ＝0°時(shí)掃描校準(zhǔn)部分。這可以產(chǎn)生最大的扭矩，從而在降低測(cè)量噪音方面產(chǎn)生最好的結(jié)果。
一旦系統(tǒng)剛度得以確定，可對(duì)工件進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)確定一個(gè)或多個(gè)與在任何特定時(shí)刻由鉸接探頭所施加負(fù)載相關(guān)的因素(如扭矩、馬達(dá)電流等)，從而能夠如前述那樣計(jì)算測(cè)量誤差。
在該方法的一個(gè)變型中，由動(dòng)態(tài)負(fù)載形成的整個(gè)或部分系統(tǒng)的剛度也可按下述方法加以確定。首先以低速對(duì)非校準(zhǔn)樣品進(jìn)行掃描，然后再以高速進(jìn)行掃描。在進(jìn)行低速掃描時(shí)，由于加速度很小，從而可以忽略圍繞Z向柱體的Z向旋轉(zhuǎn)而造成的測(cè)量誤差。誤差δθ為高速測(cè)量和低速測(cè)量所得測(cè)量值之間的差值。
圖5所示為對(duì)小型垂直孔的掃描測(cè)量值，其通過(guò)沿該孔的中心線移動(dòng)CMM的主軸而得，同時(shí)鉸接探頭使觸針圍繞中心線旋轉(zhuǎn)。實(shí)線50代表低速掃描，虛線52代表高速掃描。高速掃描的測(cè)量值就尺寸而言是正確的，但其形狀曲線已發(fā)生發(fā)生了旋轉(zhuǎn)。這是由于鉸接探頭的運(yùn)動(dòng)所施加的扭矩造成的。
參照?qǐng)D6，下面說(shuō)明確定整個(gè)系統(tǒng)或部分系統(tǒng)的剛度的第三種方法。在該方法中，探頭的觸針尖端40抵靠到校準(zhǔn)樣品上，例如校準(zhǔn)球體54。在測(cè)量扭矩和角偏量δθ的同時(shí)，觸針尖端和樣品之間的作用力逐漸增加。扭矩可通過(guò)上述實(shí)施例中所述方法進(jìn)行測(cè)量。角偏量δθ根據(jù)校準(zhǔn)樣品表面位置的已知值和測(cè)量值之間的差值加以確定。如上述實(shí)施例所述，根據(jù)扭矩和角偏量δθ之間的關(guān)系確定剛度。
在該方法中，可利用剛性探針和觸針或具有較高剛度的探針和觸針來(lái)獲得剛度?？蛇x擇的，可使用標(biāo)準(zhǔn)探針，并推算結(jié)果。
在該實(shí)施例的一個(gè)變型中，探針和樣品之間的作用力隨著探頭在某一頻率范圍內(nèi)發(fā)生的振動(dòng)而發(fā)生變化，同時(shí)探針尖端與樣品表面保持接觸。在振動(dòng)期間，測(cè)量樣品的加速度和尺寸。如上所述，如果慣性已知，則可通過(guò)加速度而確定扭矩和隨后由探頭施加的作用力。如上所述，根據(jù)校準(zhǔn)樣品表面位置的已知值和測(cè)量值之間的差值確定偏差，并根據(jù)作用力和偏差之間的關(guān)系確定剛度。
利用這些方法，便能夠確定由探頭施加扭矩而造成的觸針尖端的誤差δx，因而，便能夠糾正圍繞Z向柱體的Z向旋轉(zhuǎn)而造成的誤差。因此，該發(fā)明能夠?qū)y(cè)量誤差進(jìn)行數(shù)學(xué)補(bǔ)償。
如上所述，一旦確定了剛度，便能夠利用該剛度來(lái)確定所記錄數(shù)據(jù)的測(cè)量誤差，所述記錄數(shù)據(jù)與在測(cè)量過(guò)程中任一特定時(shí)刻獲得的由鉸接探頭所施加的負(fù)載有關(guān)。
該方法可用于對(duì)整個(gè)或部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行糾正。例如，可以確定整個(gè)系統(tǒng)(CMM和鉸接探頭)的剛度?？蛇x擇的，可分別確定不同部分的剛度，并且將其組合而得到系統(tǒng)的總彈性比率k。剛度還可僅對(duì)于系統(tǒng)中最具影響力的部分(僅以CMM為例)確定所述剛度。
如圖7所示，鉸接探頭的某些運(yùn)動(dòng)可能會(huì)形成作用在主軸上的扭矩和線性作用力。探針的質(zhì)量M將產(chǎn)生與探針加速度(a)成比例的線性作用力F。由于F＝kδx，其中F為作用力，k為剛度，δx為主軸的線性位移，從而如果已知主軸的剛度，便可確定線性位移。線性作用力可根據(jù)如重力這樣的外部作用力或根據(jù)探針質(zhì)量圍繞鉸接探頭一個(gè)或多個(gè)軸線的加速度而得出。
該方法能夠?qū)τ捎阢q接探頭產(chǎn)生的負(fù)載而造成的測(cè)量誤差進(jìn)行糾正。如上所述，這些負(fù)載包括扭矩和線性作用力。所述方法對(duì)動(dòng)態(tài)誤差和靜態(tài)誤差進(jìn)行補(bǔ)償。
由于能夠?qū)τ蛇@些高速測(cè)量造成的動(dòng)態(tài)測(cè)量誤差進(jìn)行數(shù)學(xué)補(bǔ)償，從而所述方法能夠獲得高速測(cè)量值。而且，由于可以對(duì)動(dòng)態(tài)誤差進(jìn)行數(shù)學(xué)補(bǔ)償，從而可使用非慣性平衡探頭。這樣便可以降低探頭的成本、復(fù)雜度和重量。
該方法并不限用于垂直臂式坐標(biāo)定位儀。例如，它還適用于水平臂式坐標(biāo)定位儀。
該發(fā)明適于對(duì)其它儀器的誤差進(jìn)行補(bǔ)償。在這種情況下，鉸接探頭安裝在等同于CMM主軸的安裝結(jié)構(gòu)上。來(lái)自鉸接探頭的扭矩產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，該扭轉(zhuǎn)從安裝結(jié)構(gòu)傳遞給儀器度量結(jié)構(gòu)的其余部分。
例如，鉸接探頭可安裝在檢查機(jī)器人的遠(yuǎn)端上，所述檢查機(jī)器人例如可包括具有多個(gè)鉸接連接部的機(jī)器人臂。典型的，機(jī)器人臂的遠(yuǎn)端包括腕關(guān)節(jié)連接部，還帶有可圍繞其縱軸旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)，鉸接探頭可安裝在該腕關(guān)節(jié)連接部上。這種方法允許鉸接探頭產(chǎn)生的扭矩由腕關(guān)節(jié)連接部進(jìn)行補(bǔ)償。通過(guò)對(duì)機(jī)器人臂其它部分的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行映射，從而可對(duì)整個(gè)系統(tǒng)中由鉸接探頭產(chǎn)生的扭矩進(jìn)行補(bǔ)償。
權(quán)利要求
1.一種對(duì)使用坐標(biāo)定位裝置得出的測(cè)量值進(jìn)行誤差補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ鲎鴺?biāo)定位裝置包括具有表面檢測(cè)設(shè)備的鉸接探頭，其中，所述表面檢測(cè)設(shè)備在測(cè)量過(guò)程中圍繞所述鉸接探頭的至少一個(gè)軸線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，所述方法包括下列步驟，所述步驟能夠以任何適當(dāng)?shù)捻樞蚺帕?a)確定整個(gè)所述裝置或其部分的剛度；(b)確定在任一特定時(shí)刻的負(fù)載或與所述鉸接探頭所施加負(fù)載相關(guān)的一個(gè)或多個(gè)因素；(c)利用步驟(a)和(b)得出的數(shù)據(jù)，確定所述表面檢測(cè)設(shè)備處由所述負(fù)載造成的測(cè)量誤差。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述負(fù)載包括扭矩。
3.如前面任一權(quán)利要求所述的方法，其中所述負(fù)載包括線性作用力。
4.如前面任一權(quán)利要求所述的方法，其中所述表面檢測(cè)設(shè)備為接觸式探針。
5.如權(quán)利要求1-3中任一權(quán)利要求所述的方法，其中所述表面檢測(cè)設(shè)備為非接觸式探針。
6.如前面任一權(quán)利要求所述的方法，其中通過(guò)向整個(gè)所述裝置或其部分施加負(fù)載，并測(cè)量偏差，從而在步驟(a)中確定剛度。
7.如權(quán)利要求1-5中任一權(quán)利要求所述的方法，其中通過(guò)下述方法在步驟(a)中確定剛度測(cè)量尺寸已知的物體，同時(shí)測(cè)量施加到整個(gè)所述裝置或其部分上的負(fù)載；其中，根據(jù)所述物體的已知尺寸和測(cè)量尺寸之間的差值確定整個(gè)所述裝置或其部分的偏差；以及其中，根據(jù)所述負(fù)載和所述偏差得出剛度。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中以低速對(duì)所述物體進(jìn)行測(cè)量，從而確定所述物體的已知尺寸。
9.如權(quán)利要求1-5中任一權(quán)利要求所述的方法，其中所述表面檢測(cè)設(shè)備為具有工件接觸觸針的接觸式探針，其中通過(guò)下述方法在步驟(a)中確定剛度對(duì)所述接觸式探針進(jìn)行定位，從而使所述觸針與尺寸已知的物體的表面相接觸；在施加不同的探針作用力時(shí)，獲取所述表面的測(cè)量讀數(shù)；其中，根據(jù)所述已知尺寸和測(cè)量尺寸之間的差值確定整個(gè)所述裝置或其部分的偏差；以及其中，根據(jù)施加的作用力和所述偏差得出剛度。
10.如權(quán)利要求1-5中任一權(quán)利要求所述的方法，其中所述表面檢測(cè)設(shè)備為具有工件接觸觸針的接觸式探針，其中通過(guò)下述方法在步驟(a)中確定剛度對(duì)所述接觸式探針進(jìn)行定位，從而使所述觸針與尺寸已知的物體的表面相接觸；當(dāng)所述探針尖端與所述表面保持接觸時(shí)，使所述探頭發(fā)生振動(dòng)；當(dāng)以不同的探針頻率及其加速度進(jìn)行振動(dòng)時(shí)，獲取所述表面的測(cè)量讀數(shù)；其中，根據(jù)所述已知尺寸和測(cè)量尺寸之間的差值確定整個(gè)所述裝置或其部分的偏差，以及其中，根據(jù)所述加速度和偏差得出剛度。
11.如前面任一權(quán)利要求所述的方法，其中根據(jù)所述裝置的系統(tǒng)變量，確定在步驟(b)中與所述負(fù)載有關(guān)的一個(gè)或多個(gè)因素。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中根據(jù)施加到所述鉸接探頭中的至少一個(gè)馬達(dá)上的電流，確定在步驟(b)中與所述負(fù)載有關(guān)的一個(gè)或多個(gè)因素。
13.如權(quán)利要求11所述的方法，其中通過(guò)對(duì)來(lái)自所述鉸接探頭中的位置測(cè)量設(shè)備的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行二次微分，從而確定在步驟(b)中與所述負(fù)載有關(guān)的一個(gè)或多個(gè)因素。
14.如權(quán)利要求1-9中任一權(quán)利要求所述的方法，其中使用扭矩計(jì)或加速計(jì)，確定在步驟(b)中與所述負(fù)載有關(guān)的一個(gè)或多個(gè)因素。
15.如前面任一權(quán)利要求所述的方法，所述方法包括確定所述表面檢測(cè)設(shè)備測(cè)量路徑相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)的偏移量這樣的步驟，其中該偏移量用于計(jì)算所述測(cè)量誤差。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中在步驟(c)中確定的測(cè)量誤差基本上與(Lcosφ)δθ成比例，其中L表示從所述鉸接探頭的基準(zhǔn)點(diǎn)到所述表面檢測(cè)設(shè)備的測(cè)量路徑之間的距離，φ表示所述表面檢測(cè)設(shè)備和垂直于安裝有所述鉸接探頭的結(jié)構(gòu)的軸線的軸線之間的夾角，δθ表示所述結(jié)構(gòu)的角偏量。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中所述探針為接觸式探針，L表示所述表面檢測(cè)設(shè)備的尖端與旋轉(zhuǎn)中心之間的距離。
18.坐標(biāo)定位裝置，其包括具有表面檢測(cè)設(shè)備的鉸接探頭，其中所述表面檢測(cè)設(shè)備能夠圍繞所述鉸接探頭的至少一根軸線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，且已知整個(gè)所述裝置或其部分的剛度；所述裝置具有確定與所述鉸接探頭在任一特定時(shí)刻所施加負(fù)載相關(guān)的一個(gè)或多個(gè)因素的設(shè)備；并且其中，所述坐標(biāo)定位裝置包括處理器，所述處理器適于利用整個(gè)所述裝置或其部分的剛度，并根據(jù)已確定的與所述負(fù)載相關(guān)的一個(gè)或多個(gè)因素，從而確定所述表面探測(cè)設(shè)備上由所述負(fù)載造成的測(cè)量誤差。
全文摘要
一種對(duì)使用坐標(biāo)定位裝置得出的測(cè)量值進(jìn)行誤差補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ鲎鴺?biāo)定位裝置包括具有表面檢測(cè)設(shè)備的鉸接探頭。所述表面檢測(cè)設(shè)備在測(cè)量過(guò)程中圍繞所述鉸接探頭的至少一個(gè)軸線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。所述方法包括以下步驟確定整個(gè)所述裝置或其部分的剛度；確定在任一特定時(shí)刻與所述鉸接探頭所施加負(fù)載相關(guān)的一個(gè)或多個(gè)因素，并確定所述表面檢測(cè)設(shè)備處由所述負(fù)載造成的測(cè)量誤差。
文檔編號(hào)G01B5/00GK1882821SQ200480033606
公開(kāi)日2006年12月20日 申請(qǐng)日期2004年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月13日
發(fā)明者戴維·羅伯特·麥克默特里, 若弗雷·麥克法蘭, 凱維恩·巴里·喬納斯 申請(qǐng)人:瑞尼斯豪公司