專利名稱：用于校準(zhǔn)掃描頭部的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于校準(zhǔn)掃描頭部的裝置和方法。具體地，本發(fā)明涉及一種用于
校準(zhǔn)馬達(dá)驅(qū)動的掃描頭部中的測量標(biāo)尺的裝置和方法。
背景技術(shù)：
從國際專利申請No. W090/07097知道，可以將馬達(dá)驅(qū)動的掃描頭部安裝在坐標(biāo)測 量儀上。馬達(dá)驅(qū)動的掃描頭部能讓安裝在馬達(dá)驅(qū)動的掃描頭部上的觸針圍繞兩個正交軸線 轉(zhuǎn)動。所述觸針可以關(guān)于這兩條軸線成角度地定位，同時所述馬達(dá)驅(qū)動的掃描頭部可以借 助坐標(biāo)定位儀定位在所述儀器的工作空間內(nèi)的任何位置上。 這種馬達(dá)驅(qū)動的掃描頭部提供了一種掃描靈活性更大的坐標(biāo)定位儀，因為馬達(dá)驅(qū) 動的掃描頭部可以將探頭或觸針定位在許多不同方位。 馬達(dá)驅(qū)動的掃描頭部能夠使得安裝在其上的探頭、觸針或其他設(shè)備圍繞一個或多 個軸線轉(zhuǎn)動。因此，所述馬達(dá)驅(qū)動的掃描頭部設(shè)有一個或多個變換器來測量圍繞所述一個 或多個軸線的轉(zhuǎn)動。這些變換器通常是編碼器，包括測量標(biāo)尺和讀取頭。為了進(jìn)行精確測 量，對測量標(biāo)尺進(jìn)行校準(zhǔn)。 國際專利申請W02006/114567公開了一種校準(zhǔn)馬達(dá)驅(qū)動的掃描頭部內(nèi)的編碼器 或測量標(biāo)尺的方法。所述馬達(dá)驅(qū)動的掃描頭部直接耦聯(lián)至經(jīng)校準(zhǔn)的旋轉(zhuǎn)臺。所述掃描頭部 圍繞它的轉(zhuǎn)動軸線之一轉(zhuǎn)動，同時，所述掃描頭部中的編碼器讀數(shù)與所述旋轉(zhuǎn)臺中的編碼 器讀數(shù)同時被記錄下來。然后將來自掃描頭部編碼器的位置讀數(shù)與經(jīng)校準(zhǔn)的旋轉(zhuǎn)臺位置讀 數(shù)進(jìn)行比較。 該方法的缺點在于，馬達(dá)驅(qū)動的掃描頭部必須與經(jīng)校準(zhǔn)的旋轉(zhuǎn)臺精確對準(zhǔn)。
國際專利申請W02006/114567還公開了一種使用角度干涉儀來校準(zhǔn)馬達(dá)驅(qū)動的 掃描頭部中的編碼器的方法。將折射物體安裝在位于角度干涉儀的光路中的掃描頭部上。 所述掃描頭部圍繞它的轉(zhuǎn)動軸線之一轉(zhuǎn)動，同時，掃描頭部編碼器和干涉儀裝置獲取測量 結(jié)果。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明第一方面，提供一種利用參照物體來校準(zhǔn)位于掃描頭部中的測量標(biāo)尺 的方法，所述方法包括以下步驟 (i)使安裝在所述掃描頭部上的表面感測設(shè)備圍繞所述掃描頭部的至少一個軸線 轉(zhuǎn)動，從而使所述表面感測設(shè)備相對于所述參照物體運(yùn)動到多個不同的角度方位(angular orientation) s (ii)在步驟(i)的每個不同的角度方位，使用所述表面感測設(shè)備測量所述參照物
體的至少一個性能；以及 (iii)使用步驟(ii)中測量的所述參照物體的性能，建立針對所述掃描頭部的至
少一個測量標(biāo)尺的誤差圖或函數(shù)。
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本發(fā)明因此提供用于校準(zhǔn)一個或多個測量標(biāo)尺的方便技術(shù)，該技術(shù)測量所謂的有 源或馬達(dá)驅(qū)動的掃描頭部的一個或多個轉(zhuǎn)動軸線的角度方位。具體地，所述方法涉及使表 面感測設(shè)備(例如，測量探頭)圍繞掃描頭部的一個或多個軸線轉(zhuǎn)動，進(jìn)入多個不同的角度 方位。在每個這些不同的角度方位，使用表面感測設(shè)備測量參照物體的至少一個性能(例 如，參照物體的校準(zhǔn)尺寸和/或物體特征的位置)。 對測得的性能進(jìn)行分析，例如，比較測得的性能與參照物體的已知(例如，預(yù)定的 或校準(zhǔn)的)性能或者分析參考物體的一個或多個固定位置特征的測量位置的變化，使得能 夠針對一個或多個測量標(biāo)尺建立誤差圖或函數(shù)。所述誤差圖或函數(shù)可以然后應(yīng)用于使用掃 描頭部進(jìn)行的后面的測量，由此，減小或消除與測量掃描頭部的轉(zhuǎn)動方位相關(guān)聯(lián)的一個或 多個測量標(biāo)尺(例如，編碼器)的任何誤差。 與上述使用校準(zhǔn)的旋轉(zhuǎn)臺的現(xiàn)有技術(shù)的校準(zhǔn)方法相比，本發(fā)明的方法具有以下優(yōu) 點不需要掃描頭部的轉(zhuǎn)動軸線與校準(zhǔn)的旋轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動軸線精確對準(zhǔn)。而且，在所述現(xiàn)有技 術(shù)方法中，不可能從完全與掃描頭部的測量標(biāo)尺相關(guān)的誤差去巻積由于校準(zhǔn)的旋轉(zhuǎn)臺與掃 描頭部的轉(zhuǎn)動軸線之間的偏心度所導(dǎo)致的誤差。相對照，本發(fā)明提供了不存在這種偏心度 的方法，由此提供了不僅比已知技術(shù)能夠更容易實施而且還能夠提供改善的校準(zhǔn)精度的校 準(zhǔn)技術(shù)。 有利地，所述參照物體是具有至少一個校準(zhǔn)(例如，已知的或精確地預(yù)先測量的) 性能的校準(zhǔn)物體。然后步驟(iii)可以有利地包括從步驟(ii)測得的參照物體的性能與 參照物體的一個或多個校準(zhǔn)性能之間的差異來建立誤差圖或函數(shù)。額外地或者擇一地，可 以從在對性能進(jìn)行測量的每個不同的角度方位處測得的性能(例如，物體的固定位置特征 的測量位置)的變化建立誤差圖或函數(shù)。 方便地，步驟(ii)包括在每次測量參照物體的性能期間使用掃描頭部來使表面 感測設(shè)備圍繞掃描頭部的至少一個軸線轉(zhuǎn)動。換句話說，在步驟(ii)中的每次測量期間優(yōu) 選借助掃描頭部使表面感測設(shè)備運(yùn)動。有利地，在步驟(ii)中獲得測量結(jié)果時提供的任何 掃描頭部運(yùn)動相比于步驟(i)中提供的用于將掃描頭部放置在不同角度方位的運(yùn)動，覆蓋 更小的角度范圍。例如，步驟(i)可以包括使表面感測設(shè)備圍繞掃描頭部的第一軸線轉(zhuǎn)動， 每次轉(zhuǎn)動步長為例如IO。，同時步驟(ii)的測量可以包括提供圍繞掃描頭部的一個或多 個軸線的轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動范圍僅僅為幾度或更小。還優(yōu)選，在步驟(i)中選擇使用的不同的角度 方位分布(例如，均勻分布)在正在被校準(zhǔn)的掃描頭部的至少一個轉(zhuǎn)動軸線的可操作角度 范圍內(nèi)。 掃描頭部可以安裝到或者安裝到坐標(biāo)定位儀(例如，坐標(biāo)測量儀)的活動臂或主 軸上，從而整個掃描頭部可以相對于參照物體運(yùn)動(例如，沿著X、 Y和Z軸線平移)。例 如，掃描頭部可以包括可連接至坐標(biāo)定位儀的活動臂的基體部分。有利地，步驟(ii)然后 可以包括在每次測量參照物體的性能期間僅提供掃描頭部的基體部分的最小運(yùn)動。例如， 步驟(ii)期間基體部分的運(yùn)動可以限制到小于5厘米的運(yùn)動，小于3厘米的運(yùn)動，或者小 于1厘米的運(yùn)動；優(yōu)選地，提供不大于幾毫米的運(yùn)動。步驟(ii)還方便地包括在每次測量 參照物體的性能期間保持掃描頭部的基體部分固定或基本上固定。使用掃描頭部來在步驟
(ii)期間提供表面感測設(shè)備的大部分或全部運(yùn)動具有以下優(yōu)點使坐標(biāo)定位儀的位置(例 如，X、 Y和Z)測量結(jié)果的誤差導(dǎo)致的參照物體的測量性能的任何誤差最小化。
可以在步驟(ii)中測量參照物體的任何性能?？梢栽诿總€不同的角度方位測量 參照物體的相同性能或不同性能。有利地，步驟(ii)包括測量參照物體的至少一個校準(zhǔn)尺 寸。例如，步驟(ii)可以包括(取決于所用的物體)測量球體半徑、環(huán)規(guī)直徑，或立方體尺 寸等等。步驟(ii)可以有利地包括測量參照物體的至少一個特征的位置。例如，可以使用 放置在多個不同的角度方位的表面感測設(shè)備測量單個特征的位置，或者當(dāng)把表面感測設(shè)備 放置在多個不同的角度方位中的每一個時，可以測量多個特征中的其他特征的位置。
有利地，參照物體包括特征陣列或多個特征。優(yōu)選地，特征陣列中的特征的相對位 置是已知的或經(jīng)校準(zhǔn)的。例如，事先已經(jīng)使用高精度測量技術(shù)和/或高精度坐標(biāo)定位儀對 所述特征的相對位置進(jìn)行測量。在下面描述的優(yōu)選實施方式中，參照物體可以包括球或其 他特征的陣列，所述球或其他特征位于圍繞中心軸線的基本上不變的半徑上并且圍繞所述 中心軸線間隔基本上相同的角度距離。 如上所述，掃描頭部可以包括基體部分，其可連接至或連接至坐標(biāo)定位儀的活動 平臺。如果所述方法中使用包括特征陣列的參照物體，則在步驟(i)中掃描頭部的基體部 分可以方便地保持基本上固定。步驟(i)可以包括僅使用掃描頭部來使表面感測設(shè)備相對 于特征陣列中的每個特征依次運(yùn)動(即，圍繞掃描頭部的至少一個軸線轉(zhuǎn)動)到操作性感 測方位。而且，如上所述，掃描頭部的基體部分可以方便地在步驟(ii)的測量期間被保持 基本上固定或運(yùn)動最小量。以此方式，當(dāng)校準(zhǔn)掃描頭部的一個或多個測量標(biāo)尺時，可以排除 與坐標(biāo)定位儀相關(guān)聯(lián)的任何位置誤差。還可以在使用所述方法校準(zhǔn)掃描頭部時使用坐標(biāo)定 位儀進(jìn)行分配并且簡單地使用夾具來將掃描頭部保持在相對于參照物體的所需位置。
本發(fā)明的方法還可以使用包括單個特征的參照物體有利地實施。所述方法可以因 此使用已知類型的參照物體(例如具有已知半徑的校準(zhǔn)的球體)來實施，所述參照物體還 可以用在校準(zhǔn)坐標(biāo)定位儀的過程中的其他部分。例如，通常為校準(zhǔn)的球體提供坐標(biāo)定位儀， 用于校準(zhǔn)這種儀器的標(biāo)尺或檢查校準(zhǔn)結(jié)果。 如果使用被掃描頭部轉(zhuǎn)動到不同角度方位的表面感測設(shè)備來測量單個特征，優(yōu)選 地，掃描頭部連接至坐標(biāo)定位儀的活動臂。例如，掃描頭部的基體部分可以連接至坐標(biāo)定位 儀的活動臂或主軸。步驟(i)還可以包括當(dāng)表面感測設(shè)備運(yùn)動到多個不同角度方位中的每 個方位時使掃描頭部相對于參照物體運(yùn)動的步驟。以此方式，表面感測設(shè)備可以形成相對 于參照物體的單個特征的多個表面感測關(guān)系。例如，從多個不同方向，表面感測設(shè)備可以與 校準(zhǔn)(例如，已知的半徑)的球體對準(zhǔn)。 雖然使用包括單個(例如，校準(zhǔn)的)特征的參照物體實施本發(fā)明的方法通常使 得需要在獲取參照物體的所需測量結(jié)果之間使用坐標(biāo)定位儀使掃描頭部運(yùn)動，但是，步驟 (ii)期間使用坐標(biāo)定位儀來使掃描頭部運(yùn)動不是必需的或者至少是可以最小化的。因此， 步驟(ii)中進(jìn)行的參照物體的測量可以基本上不使用與誤差有關(guān)的任何坐標(biāo)定位儀，特 別是如果步驟(ii)包括測量參照物體(例如，如果使用球體半徑的測量結(jié)果)的特征的尺 寸的情況。 本發(fā)明的方法中所使用的參照物體可以包括一個特征或多個特征或者特征陣列。 如果提供多個特征或特征陣列，則這些特征可以具有相同或不同的類型。每個特征可以具 有能夠容易地通過測量其表面上的多個點的位置來測量的尺寸，和/或每個特征可以具有 能夠容易地通過測量其表面上的一個或多個點的位置來確定的位置。有利地，參照物體包括球體、環(huán)規(guī)、？L、凸臺或立方體。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，可以提供多個其他特征。 任何類型的表面感測設(shè)備都可以安裝到掃描頭部。表面感測設(shè)備可以永久性地安 裝到掃描頭部(例如，與掃描頭部一體地形成)，或者表面感測設(shè)備的至少一部分可以以可 釋放的方式安裝到掃描頭部。表面感測設(shè)備可以是接觸設(shè)備(例如具有可偏移觸針的測量 探頭)或非接觸設(shè)備(例如，光學(xué)或電容測量探頭)。這種類型的測量探頭對本領(lǐng)域熟練技 術(shù)人員來說是已知的。 有利地，安裝到掃描頭部的表面感測設(shè)備包括(接觸的或非接觸的)掃描探頭。優(yōu) 選地，掃描探頭是所謂的掃描測量探頭或模擬測量探頭，其具有可偏移觸針和用于測量觸 針偏移量的傳感器。如果使用這種掃描探頭，則步驟(ii)有利地包括在每個不同的角度方 位通過沿著參照物體表面上的路徑進(jìn)行掃描來測量參照物體的性能。例如，接觸掃描探頭 的觸針尖端可以用于沿著參照物體的特征表面的路徑進(jìn)行追蹤或掃描；掃描期間測得的觸 針偏移數(shù)據(jù)可以用于確定沿著掃描路徑的多個點的位置，由此可以確定所需的物體尺寸和 /或物體特征的位置。 在優(yōu)選實施方式中，參照物體包括至少一個球體并且步驟(ii)包括，對于每個不 同的角度方位，沿著球體表面上的環(huán)形路徑掃描以確定所述球體的半徑和/或中心位置的 步驟。優(yōu)選地，所述球體上的環(huán)形路徑位于緯度30。和40°之間，例如位于35。。對于具 有已知半徑的球體，這允許將被確定的球體中心位置在所有三個維度(x、y、z)上具有大約 相同的不確定度。 安裝到掃描頭部的表面感測設(shè)備可以方便地包括所謂的接觸觸發(fā)探頭。接觸觸發(fā) 探頭可以具有接觸類型，其具有用于接觸物體的可偏移觸針。根據(jù)定義，接觸觸發(fā)探頭不提 供觸針偏移量的量度，而是當(dāng)觸針偏移超過特定的閾值時發(fā)出輸出或觸發(fā)信號。如果使用 接觸觸發(fā)探頭，則步驟(ii)可以包括在每個不同的角度方位測量參照物體的表面上的多 個離散點。這些測得的表面點然后可以用于確定參照物體的特征的尺寸或位置。
使用上述方法校準(zhǔn)的掃描頭部可以包括所謂的有源頭部或馬達(dá)驅(qū)動的掃描頭部。 具體地，本發(fā)明可以方便地用于校準(zhǔn)馬達(dá)驅(qū)動的雙軸掃描頭部的測量標(biāo)尺，所述頭部包括 可連接至坐標(biāo)定位儀的固定部件或基體部分、能夠相對于基體部分圍繞第一軸線(Al)轉(zhuǎn) 動的第一活動部件，以及能夠相對于第一活動部件圍繞第二軸線(A2)轉(zhuǎn)動的用于保持表 面感測設(shè)備的第二活動部件。在這個實例中，所述方法的步驟(i)可以包括使表面感測設(shè) 備圍繞第一軸線和/或第二軸線轉(zhuǎn)動，從而使其與參照物體形成表面感測關(guān)系。所述方法 的步驟(ii)中需要的每個測量也可以通過使表面感測設(shè)備圍繞第一軸線和/或第二軸線 轉(zhuǎn)動來進(jìn)行，從而測量參照物體的表面上的點的位置，所述位置對于確定參照物體的一個 或多個所需性能而言是必需的。掃描頭部的每個轉(zhuǎn)動軸線可以包括至少一個位置編碼器， 其測量所述軸線的旋轉(zhuǎn)位置并且因此包括正在被校準(zhǔn)的測量標(biāo)尺。 應(yīng)當(dāng)注意，如果使用具有兩個或多個轉(zhuǎn)動軸線的掃描頭部，則能夠使用本發(fā)明的 方法同時地或依次地校準(zhǔn)每個軸線的測量標(biāo)尺。而且，用于校準(zhǔn)所述軸線之一的確切方法 可以與用于校準(zhǔn)其他一個或多個軸線的方法相同或不同。例如，以下做法是合適的通過使 用第一參照物體的方法校準(zhǔn)掃描頭部的第一軸線的測量標(biāo)尺，同時通過使用第二 (不同) 類型的參照物體的方法來校準(zhǔn)掃描頭部第二軸線的第二軸線的測量標(biāo)尺。為每個轉(zhuǎn)動軸線 選擇的最佳校準(zhǔn)方法因此取決于所使用的掃描頭部的類型，以及，具體地，與正在被校準(zhǔn)的
7掃描頭部的一個或多個轉(zhuǎn)動軸線相關(guān)的角度范圍。 根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種用于坐標(biāo)定位儀的掃描頭部系統(tǒng)，其中所述掃 描頭部系統(tǒng)儲存使用上述方法計算的誤差圖或函數(shù)。所述掃描頭部系統(tǒng)可以包括掃描頭部 和控制接口。所述掃描頭部或控制接口例如可以包括儲存誤差圖或函數(shù)的電子存儲器。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供一種使用包括多個校準(zhǔn)特征的校準(zhǔn)物體來校準(zhǔn)掃描 頭部的方法，所述方法包括以下步驟(i)使安裝在所述掃描頭部的表面感測設(shè)備圍繞所 述掃描頭部的至少一個軸線轉(zhuǎn)動，從而使所述表面感測設(shè)備運(yùn)動至與所述多個校準(zhǔn)特征的 所選校準(zhǔn)特征形成表面感測關(guān)系；(ii)使用所述表面感測設(shè)備測量所述校準(zhǔn)物體的所選 校準(zhǔn)特征的至少一個性能；(iii)使用至少一個其他所選校準(zhǔn)特征重復(fù)步驟(i)和(ii); 以及(iv)從步驟(ii)中測量的所述校準(zhǔn)物體的性能與所述校準(zhǔn)物體的校準(zhǔn)性能之間的差 異，確定所述掃描頭部的至少一個測量標(biāo)尺的誤差圖或函數(shù)。有利地，僅僅通過使掃描頭部 圍繞掃描頭部的至少一個軸線轉(zhuǎn)動來提供步驟(i)期間表面感測設(shè)備的運(yùn)動。
根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供一種使用包括第一特征的參照物體來校準(zhǔn)掃描頭部 的方法，所述方法包括以下步驟(i)將安裝在所述掃描頭部的表面感測設(shè)備相對于所述 第一特征放置在第一角度方位；(ii)使用所述表面感測設(shè)備測量所述參照物體的所述第 一特征的性能；(iii)使用所述掃描頭部來使所述表面感測設(shè)備圍繞所述掃描頭部的至少 一個軸線轉(zhuǎn)動，從而所述表面感測設(shè)備采取相對于所述參照物體的所述第一特征的不同角 度方位；(iv)使用所述表面感測設(shè)備重新測量所述參照物體的所述第一特征的性能；以及 (v)從步驟(ii)和(iv)期間獲得的所述參照物體的所述第一特征的測量性能，確定所述 掃描頭部的至少一個測量標(biāo)尺的誤差圖或函數(shù)?？梢赃B續(xù)地多次重復(fù)步驟(iii)和(iv)。 掃描頭部可以方便地安裝在坐標(biāo)定位儀的活動臂上，并且步驟(iii)還可以包括使用活動 臂來使掃描頭部運(yùn)動的步驟。 根據(jù)第五方面，本發(fā)明提供一種用于校準(zhǔn)掃描頭部的方法，所述方法包括以下步 驟(i)使用安裝在所述掃描頭部的表面感測設(shè)備來測量參照物體的性能；(ii)使用在不 同角度范圍旋轉(zhuǎn)的所述掃描頭部的一個或多個轉(zhuǎn)動軸線重復(fù)步驟(i)的測量；以及(iii) 從步驟(i)中獲得的所述參照物體的測量性能，確定所述掃描頭部的一個或多個轉(zhuǎn)動軸線 的一個或多個測量標(biāo)尺的誤差圖或函數(shù)。 因此，本發(fā)明提供一種使用校準(zhǔn)物體來校準(zhǔn)掃描頭部的方法，所述方法包括以下 步驟(i)使用安裝在所述掃描頭部的表面感測設(shè)備來測量所述校準(zhǔn)物體并且提供第一測 量校準(zhǔn)性能；(ii)使所述表面感測設(shè)備圍繞所述掃描頭部的至少一個軸線轉(zhuǎn)動，以改變所 述表面感測設(shè)備相對于所述校準(zhǔn)物體的角度方位；(iii)使用所述表面感測設(shè)備來測量所 述校準(zhǔn)物體并且提供第二測量校準(zhǔn)性能；以及(iv)通過將所述第一測量校準(zhǔn)性能和所述 第二測量校準(zhǔn)性能與所述校準(zhǔn)物體的已知校準(zhǔn)性能進(jìn)行比較，得到所述掃描頭部的誤差圖 或函數(shù)。 本發(fā)明還提供一種使用包括一個或多個校準(zhǔn)球體的校準(zhǔn)物體來校準(zhǔn)掃描頭部中 的測量標(biāo)尺的方法，所述方法包括以下步驟(a)使安裝在所述掃描頭部的表面感測設(shè)備 圍繞所述掃描頭部的一個軸線轉(zhuǎn)動，從而使所述表面感測設(shè)備運(yùn)動與至少一個球體在相對 于所述至少一個球體的不同角度上對準(zhǔn)；(b)在所述掃描頭部的每個位置，使用所述表面 感測設(shè)備測量所述至少一個球體；(c)將從測量結(jié)果確定的所述至少一個球體的測量尺寸
8與它們的校準(zhǔn)尺寸進(jìn)行對比；以及(d)從球體的測量尺寸和校準(zhǔn)尺寸之間的差異，建立誤 差圖或函數(shù)。優(yōu)選地，所述尺寸包括至少一個球體的球體中心或球體半徑中的至少之一。所 述至少一個球體可以包括單個球體。其還可以包括圍繞中心軸線布置成環(huán)形或弧形的球體 陣列。 本文中還描述了校準(zhǔn)物體，其包括基體；以及安裝在基體上的特征陣列，所述特 征圍繞中心軸線布置，所述特征之間具有基本上相等的角距離(angular distance)并且位 于距離中心軸線相等的半徑上。優(yōu)選地，所述特征是球體。所述特征可以布置成弧形或環(huán) 形。本文中還描述了使用這種校準(zhǔn)物體校準(zhǔn)掃描頭部中的測量標(biāo)尺的方法，所述方法包括 以下步驟(a)將掃描頭部的轉(zhuǎn)動軸線與校準(zhǔn)物體的中心軸線對準(zhǔn)；(b)使安裝在掃描頭部 上的表面感測設(shè)備圍繞中心軸線轉(zhuǎn)動，從而使表面感測設(shè)備與所述特征對準(zhǔn)；(c)使用表 面感測設(shè)備測量所述特征；(d)對于校準(zhǔn)物體上的其他特征重復(fù)步驟(b)和(c) ;(e)將所 述特征的測量位置與它們的校準(zhǔn)位置進(jìn)行比較；以及(f)從所述特征的測量位置和校準(zhǔn)位 置之間的差異，建立誤差圖或函數(shù)。優(yōu)選地，所述特征包括球體。優(yōu)選地，測量所述特征的 步驟包括測量所述球體的中心。測量所述特征的步驟可以包括獲得所述特征的一個或多個 離散測量結(jié)果或者掃描所述特征的表面。 本發(fā)明還提供一種使用包括校準(zhǔn)球體的校準(zhǔn)物體來校準(zhǔn)掃描頭部中的測量標(biāo)尺 的方法，所述方法包括以下步驟(a)使安裝在所述掃描頭部上的表面感測設(shè)備圍繞所述 掃描頭部的一個軸線轉(zhuǎn)動，從而使所述表面感測設(shè)備與所述球體在相對于所述球體的不同 角度上對準(zhǔn)；(b)在不同的掃描頭部位置處，使用所述表面感測設(shè)備測量所述球體；(C)將 從測量結(jié)果確定的所述球體的尺寸與它們的校準(zhǔn)尺寸進(jìn)行比較；以及(d)從所述球體的測 量尺寸和校準(zhǔn)尺寸之間的差異，建立誤差圖或函數(shù)。


下面將結(jié)合附圖描述本發(fā)明的優(yōu)選實施方式的實例，其中 圖1示出根據(jù)本發(fā)明的包括掃描儀器的坐標(biāo)測量儀的正視圖； 圖2示出馬達(dá)驅(qū)動的掃描頭部的截面圖； 圖3示出球體校準(zhǔn)物體的環(huán)； 圖4示出測量球體校準(zhǔn)物體的環(huán)的掃描頭部和測量探頭； 圖5示出圖3和圖4的校準(zhǔn)物體的球體； 圖6示出球體校準(zhǔn)物體的圓?。?圖7示出測量球體校準(zhǔn)物體的圓弧的掃描頭部和測量探頭； 圖8示出用于校準(zhǔn)物體的方法； 圖9示出測量校準(zhǔn)球體的掃描頭部；以及 圖10示出相對于校準(zhǔn)球體位于兩個位置的掃描頭部。
具體實施例方式
圖1示出安裝在坐標(biāo)定位儀上的馬達(dá)驅(qū)動的掃描頭部，所述坐標(biāo)定位儀例如是坐 標(biāo)測量儀(C匪)。需要測量的工件10安裝在C匪14的工作臺12上，且馬達(dá)驅(qū)動的掃描頭部 16安裝到C匪14的主軸18上?？梢酝ㄟ^馬達(dá)以已知方式相對于工作臺沿著X、Y、Z方向驅(qū)動心軸?？梢允褂闷渌愋偷淖鴺?biāo)定位儀，例如機(jī)床、手動C匪或者機(jī)器人臂。
如圖2所示，馬達(dá)驅(qū)動的掃描頭部16包括由基體或殼體20形成的固定部件，所述 固定部件支撐軸22形式的活動部件，所述軸22可以借助馬達(dá)M1圍繞軸線Al相對于殼體 20轉(zhuǎn)動。軸22固緊到另外的殼體24，所述另外的殼體24又支撐軸26，軸26可以借助馬達(dá) M2圍繞軸線A2相對于殼體24轉(zhuǎn)動，所述軸線A2與軸線Al垂直。 表面感測設(shè)備安裝到馬達(dá)驅(qū)動的掃描頭部，在該實例中，是具有觸針29的探頭28
安裝到馬達(dá)驅(qū)動的掃描頭部，所述觸針29具有工件接觸尖端30。這種布置使得所述掃描頭
部的馬達(dá)Ml、 M2可以圍繞軸線Al或A2成角度地對工件接觸尖端進(jìn)行定位，并且C匪的馬
達(dá)可以將馬達(dá)驅(qū)動的掃描頭部線性定位在C匪三維坐標(biāo)空間內(nèi)的任何地方，從而使觸針尖
端與正在被掃描的表面成預(yù)定關(guān)系。在該實例中，馬達(dá)M1和M2是直接驅(qū)動的，這使得這些
馬達(dá)能夠?qū)τ趤碜钥刂茩C(jī)的命令做出快速響應(yīng)。也可以使用其他類型的驅(qū)動布置。 線性位置變換器設(shè)置在C匪上，用來測量掃描頭部的線性位移，而角度位置變換
器Tl和T2設(shè)置在掃描頭部中，用來測量觸針圍繞各軸線Al和A2的角度位移。 圖2中所示的探頭是掃描探頭，其具有可偏轉(zhuǎn)的觸針29，且探頭中的變換器測量
觸針偏轉(zhuǎn)量。還可以使用接觸觸發(fā)探頭，這種探針檢測觸針何時發(fā)生偏移但是不能檢測偏
移的程度。或者，可以使用非接觸探頭，例如光學(xué)探頭、電容探頭或電感探頭。 控制器或PC15向C匪14和掃描頭部16提供驅(qū)動信號，并且接收來自C匪、掃描頭
部和測量探頭中的變換器的輸入。 掃描頭部內(nèi)的變換器Tl和T2通常是編碼器，其包括旋轉(zhuǎn)測量標(biāo)尺和讀取頭。為
了提供良好的精確性，優(yōu)選對這些變換器中的每一個或者兩者進(jìn)行校準(zhǔn)。 圖3示出用于校準(zhǔn)掃描頭部16內(nèi)的編碼器的參照物體或校準(zhǔn)物體40。校準(zhǔn)物體
40包括具有中心軸線44的基體和特征陣列，在這種情況下，所述特征是圍繞中心軸線安裝
的球體46。每個球體46經(jīng)由桿48安裝在基體42上。這些球體以基本上相等的距離彼此
角度間隔。 下面將結(jié)合圖4和圖5描述使用校準(zhǔn)物體來校準(zhǔn)掃描頭部中的Al軸線的編碼器 的方法。圖4示出表面感測設(shè)備，在該情況下，表面感測設(shè)備是測量探頭28，其安裝在掃描 頭部16上。 在第一步驟中，馬達(dá)驅(qū)動的掃描頭部16與校準(zhǔn)物體40的中心軸線44對準(zhǔn)(S卩，A1 軸線與中心軸線對準(zhǔn))，并且調(diào)節(jié)Al頭部角度從而使測量探頭28進(jìn)入所需角度，例如90。 校準(zhǔn)物體40的中心軸線可以通過測量三個球體來確定。 然后調(diào)節(jié)Al頭部角度從而使表面感測設(shè)備16與待測量的第一球體46對準(zhǔn)。該
對準(zhǔn)使得表面感測設(shè)備28在中心軸線44之間對準(zhǔn)并且與球體46的中心對準(zhǔn)。 下面將描述確定球體例如球體46的中心的方法。以已知的方式通過獲得球體表
面上的點的足夠多的測量結(jié)果來確定球體的中心?？梢酝ㄟ^例如使用接觸觸發(fā)測量探頭獲
得多個離散測量結(jié)果來獲得表面的多個測量結(jié)果。還可以通過使用掃描測量探頭(接觸的
或非接觸的)掃描表面來獲得表面的多個測量結(jié)果。例如，可以沿著球體表面上的路徑來
驅(qū)動接觸掃描探頭的觸針。 在測量球體的過程中，優(yōu)選借助掃描頭部盡可能多地提供表面感測設(shè)備的所需運(yùn) 動。具體地，優(yōu)選將坐標(biāo)定位儀(在該情況下是C匪)的運(yùn)動限制到僅僅幾個毫米，從而C匪的運(yùn)動不影響測量質(zhì)量。 如果測量結(jié)果是離散點，例如使用接觸觸發(fā)探頭，C匪在X、 Y和Z方向上運(yùn)動和/
或頭部在Al和A2軸線上運(yùn)動，從而使表面感測尖端運(yùn)動至正確的位置。 可以僅僅使用掃描頭部的運(yùn)動來掃描環(huán)形輪廓，或者可以使用掃描頭部的環(huán)形運(yùn)
動來掃描螺旋型輪廓，同時還使用C匪來使掃描頭部沿著直線運(yùn)動。以此方式，能夠建立沿
著球體表面上的掃描路徑的多個點。 如果使用環(huán)形輪廓掃描，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)環(huán)形輪廓定位在約35t:的緯度并且采用固 定半徑R的情況下，得到最好的結(jié)果。然后可以使用假定球體半徑為常數(shù)的球體最佳擬合 過程確定三個維度(x、y、z)上的球體中心。 圖5示出位于球體46上、諱度為46的環(huán)形輪廓50以及固定半徑R。
如上所述，當(dāng)使用單個掃描圓環(huán)測量球體時，發(fā)現(xiàn)所述圓環(huán)的緯度對所確定中心 的三個坐標(biāo)(x、y、z)的質(zhì)量有影響。如果被掃描的圓環(huán)處于赤道上，則XY坐標(biāo)受到嚴(yán)格限 制但是中心Z坐標(biāo)的準(zhǔn)確性非常差。如果被掃描的圓環(huán)距離兩極很近，則Z坐標(biāo)的準(zhǔn)確性 良好但是XY位置的準(zhǔn)確性變差。存在使得圓環(huán)數(shù)據(jù)實現(xiàn)球體中心的XY坐標(biāo)的準(zhǔn)確性和Z 坐標(biāo)的準(zhǔn)確性之間的最佳折衷的位置。在介于30°和40°之間的緯度下，三個坐標(biāo)的準(zhǔn)確 性大約相等并且XY中心的質(zhì)量仍然是非常好的。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在大約35。的緯度下得到了最 佳結(jié)果。使用蒙特卡羅(Monte Carlo)模擬技術(shù)確定該最佳折衷，所述模擬技術(shù)考慮到在 球體上的數(shù)據(jù)分布來研究系統(tǒng)噪音對特定最佳擬合的影響。 校準(zhǔn)物體40具有局部坐標(biāo)系統(tǒng)。平面提供局部坐標(biāo)系統(tǒng)的主要方向并且通過與 球體46的中心最佳擬合來限定，其中選擇一個球體為參照物。局部坐標(biāo)系統(tǒng)的第二方向由 最佳擬合的圓環(huán)的中心來確定。在所述局部坐標(biāo)系統(tǒng)中，每個球體中心具有一組圓柱體坐 標(biāo)(R、H、T，其中R =半徑，H =高度，并且T =角坐標(biāo))。在所述局部坐標(biāo)系統(tǒng)中，T提供校 準(zhǔn)物體的角度校準(zhǔn)。 —旦通過表面感測設(shè)備(例如，使用上述方法)測量所述球體，使馬達(dá)驅(qū)動的掃描 頭部圍繞A1軸線旋轉(zhuǎn)，從而使表面感測設(shè)備鄰近下一個球體定位。以相同的方式依次測量 參照物體的每個球體，提供每個球體的測量球體中心位置。 —旦已經(jīng)測量了所述物體上的所有球體，可以將球體中心的測量數(shù)據(jù)與經(jīng)校準(zhǔn)的 球體中心位置進(jìn)行比較，使用它們之間的差異來校準(zhǔn)用于測量A1軸線的轉(zhuǎn)動位置的編碼 器?？梢酝ㄟ^建立誤差圖或誤差函數(shù)，例如正弦波或多項式函數(shù)來進(jìn)行該校準(zhǔn)。
也可以使用相似的方法校準(zhǔn)A2軸線的編碼器。圖6示出能夠用來校準(zhǔn)A2軸線的 校準(zhǔn)物體60。所述校準(zhǔn)物體與圖3所示的校準(zhǔn)物體相似，但是基體62以90°安裝在底座 63上并且是弧形的而不是環(huán)形的。相似地，球體66圍繞中心軸線64呈弧形分布。圖7示 出具有安裝在其上的測量探頭28的馬達(dá)驅(qū)動的掃描頭部16，所述測量探頭被定位用于測 量校準(zhǔn)物體60。對球66進(jìn)行定位，使得A2頭部角度可以在其整個工作范圍內(nèi)活動，所述工 作范圍例如是從(TC至120。C或者從-120。C至+120°C。 在校準(zhǔn)常規(guī)操作中，對掃描頭部16進(jìn)行定位，使其A2軸線與校準(zhǔn)物體的中心軸線 64對準(zhǔn)。使用A1軸線可以容易地進(jìn)行該對準(zhǔn)。調(diào)節(jié)A2頭部角度，從而使得表面感測設(shè)備 28依次定位在每個球66附近，從而以與上述相似的方式獲得球體中心位置的合適的測量結(jié)果。
應(yīng)當(dāng)注意，在該實例中，圍繞A2軸線校準(zhǔn)的方法略微不同于用于A1軸線的方法。 當(dāng)圍繞A1軸線進(jìn)行校準(zhǔn)時，可以使用環(huán)形輪廓測量每個球體。所述環(huán)形輪廓需要圍繞A1 和A2軸線兩者的運(yùn)動。但是，由于每個球體都具有相同的z坐標(biāo)，所以測量每個球體需要 圍繞A2軸線進(jìn)行相同的運(yùn)動。頭部幾何誤差對每個球的角度位置的影響是相同的。因此， 這不會在校準(zhǔn)結(jié)果中弓I起任何誤差。 但是，當(dāng)圍繞A2軸線校準(zhǔn)時，環(huán)形掃描也需要圍繞A1和A2軸線兩者的運(yùn)動，但是 對于每個球而言，圍繞Al和A2軸線的運(yùn)動量不同。對于最下方的球體，用在Al軸線上的 運(yùn)動范圍較大，因此，頭部幾何誤差對于每個球體的影響是不同的，對于最下方的球體是更 明顯的。因此，為了進(jìn)行精確測量，優(yōu)選通過獲得離散測量點來測量每個球體。但是，如果 對校準(zhǔn)物體的測量時間過長，則熱漂移會發(fā)生作用。這可以通過獲得前面的三個或四個球 體的離散測量點并且然后掃描剩下的球體來克服，因為，用在A1軸線上的運(yùn)動范圍變得足 夠小，以至于不會引起顯著的誤差。 以與對于A1軸線相同的方式，使用測量數(shù)據(jù)來建立誤差圖或函數(shù)。 在校準(zhǔn)過程中，發(fā)現(xiàn)使用上述類型的球體校準(zhǔn)物體的環(huán)具有幾個優(yōu)點。 在相對于一個編碼器校準(zhǔn)另一個編碼器的常規(guī)方法中，在軸線之間對準(zhǔn)是關(guān)鍵
的。任何偏心度都會產(chǎn)生一階誤差(first order error)(每轉(zhuǎn)一圈具有一次波動)。使用
球體的環(huán)，通過在連接至所述物體的局部坐標(biāo)系統(tǒng)中計算數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，使一階誤差最
小化。如果存在偏心率，在角度a +誤差處測量定位在角度a處的球，其中誤差可以表示
為一階函數(shù)，例如 誤差=振幅Xsin(a +相位) 對于現(xiàn)有技術(shù)的編碼器/編碼器校準(zhǔn)，誤差直接包括在該校準(zhǔn)中。但是，使用本發(fā) 明的借助球體的環(huán)的方法，僅僅角度a和a+誤差之間的編碼器誤差的變化影響校準(zhǔn)。編 碼器誤差通常具有低的變化速率；因此引入的誤差非常小，這表明了不需要精確地配置本 發(fā)明方法中的對準(zhǔn)的原因。 優(yōu)選地，校準(zhǔn)物體中的球體的尺寸使得測量過程中C匪誤差的變化非常小。在該 實例中，球體具有8毫米的直徑。在這么小的范圍內(nèi)，C匪誤差通常是可以忽略的。
還應(yīng)當(dāng)注意，對球體的環(huán)進(jìn)行分析提供比編碼器/編碼器校準(zhǔn)更多的信息。使 用局部圓柱體坐標(biāo)系統(tǒng)能夠去掉影響角坐標(biāo)(即，編碼器誤差)、緯度坐標(biāo)以及半徑變化 的頭部誤差，所述緯度坐標(biāo)相應(yīng)于頭部軸線對準(zhǔn)的變化(即，軸線Al的沖擊誤差(swash error))，且所述半徑變化相應(yīng)于包括物體的熱變化的物體球體位置的半徑變化。因此，球 體的環(huán)能夠從物體的熱變化以及測量設(shè)置的偏心率去掉角度測量結(jié)果。這還允許測量校準(zhǔn) 軸線的沖擊誤差。 應(yīng)當(dāng)注意，當(dāng)以阻止引起物體的中心軸線的位置發(fā)生位移的任何熱膨脹作用的方 式將物體安裝到C匪的臺上時，如上所述去掉熱變化。例如，可以在物體上設(shè)置三個球，這 三個球與設(shè)置在C匪的所述臺上的三個徑向延伸的v型凹槽配合。這些球和v型凹槽優(yōu)選 設(shè)置成大約分開12(TC。以此方式，物體的任何熱膨脹導(dǎo)致球的位置發(fā)生徑向位移，但是物 體的中心軸線的位置不發(fā)生位移。 可以使用幾種方法對上述方法中使用的校準(zhǔn)物體進(jìn)行校準(zhǔn)。例如，校準(zhǔn)的C匪可 以用于測量每個球體的位置，從這些結(jié)果計算圓柱體的坐標(biāo)，校準(zhǔn)的C匪還可以用于測量
12相對于對物體進(jìn)行定位的三個球體，球體的圓環(huán)的中心位置。通過使用具有高的精確度的 校準(zhǔn)的CMM，能夠獲得物體的具有高精確度的測量結(jié)果。 還能夠通過自校準(zhǔn)的方法對校準(zhǔn)物體進(jìn)行校準(zhǔn)。下面結(jié)合圖8A至圖8D來描述該 方法，在圖8A至圖8D中，為了清楚，所示的校準(zhǔn)物體70僅具有四個球體71 、72、73、74。物 體74限定四個角度步長(Al至A4)，通過角度測量(Ml至M4)來測量所述角度步長。物體 轉(zhuǎn)動四次，每次轉(zhuǎn)動9(TC，如圖8A至圖8D中所示。 物體的每個角度步長不是精確的，因此將角度步長寫成標(biāo)稱值加上校正值的形 式<formula>formula see original document page 13</formula>
其中&是實際步長，A是標(biāo)稱角度步長，并且&是校正值。 測量過程不能避免誤差，每個測量值可以寫成標(biāo)稱值加上校正值的形式 <formula>formula see original document page 13</formula> 其中M工是實際測量值，M是標(biāo)稱測量值，并且mi是校正值。 由于校正物體的圓形的，轉(zhuǎn)動一圈準(zhǔn)確地對應(yīng)于36(TC。因此，物體校正值的總和
是0，而且測量校正值的總和是0。
<formula>formula see original document page 13</formula>
四個位置(Pl至P4)產(chǎn)生4X4個將每個物體誤差和每個測量誤差關(guān)聯(lián)在一起的 測量結(jié)果。下面的矩陣表示了所有關(guān)聯(lián)關(guān)系<formula>formula see original document page 13</formula>
每一列的平均值不包含物體校正值，因此提供了測量校正值。每個對角線的平均 值不包含測量校正值，因此提供了物體校正值。 從獨(dú)立的測量結(jié)果確定每個球體的中心位置，因此，通過應(yīng)用統(tǒng)計規(guī)律，將許多獨(dú) 立測量結(jié)果的平均值的偏差除以步長數(shù)的平方根。使用90球體環(huán)和0. 5微米的球體中心 測量結(jié)果重合性，校正物體和掃描頭部的校正的偏差將是大約0.05微米。如果頭部軸線的 交叉點與觸針尖端之間的距離是250毫米，則這就等同于0. 05弧秒(arc second)。
下面將結(jié)合圖9和圖10描述本發(fā)明的用于校準(zhǔn)馬達(dá)驅(qū)動的掃描頭部的編碼器的 第二種方法。具體地，第二種方法使用呈單個球體形式的參照或校準(zhǔn)物體，而不是使用上述 球體校準(zhǔn)物體的環(huán)。 包括多個校準(zhǔn)球體80的參照物體安裝在坐標(biāo)定位儀例如C匪的座12上。C匪的 馬達(dá)驅(qū)動的掃描頭部16定位在第一位置，調(diào)節(jié)頭部角度Al和A2使得測量探頭28被徑向 引導(dǎo)朝向球體80的中心。如同借助球體校準(zhǔn)物體的環(huán)那樣，通過獲得圍繞球體表面的多個 測量點來測量球體。可以借助離散或掃描點來實現(xiàn)測量，所述離散或掃描點例如能夠沿著 球體上的環(huán)形或螺旋型路徑選取?？梢詢H使用掃描頭部運(yùn)動或者可以使用掃描頭部運(yùn)動和 一些(優(yōu)選受限制的)C匪運(yùn)動的組合來進(jìn)行測量的常規(guī)操作。 在如上所述已經(jīng)測量球體之后，借助C匪將馬達(dá)驅(qū)動的掃描頭部運(yùn)動至新位置。 選擇該新位置，使其與前面的位置相比，距離球體中心大約相等的徑向距離，但是相對于球體處于不同的角度。除了提供C匪運(yùn)動，掃描頭部還用于使測量探頭圍繞掃描頭部的A1軸 線轉(zhuǎn)動，從而使得測量探頭再次被朝向球體80的中心徑向引導(dǎo)?，F(xiàn)在以上述方式再次測量 球體，以確定另一個半徑和/或球體中心值。在圍繞球體的多個徑向位置上重復(fù)該過程。
再次參見圖IO，示出圍繞校準(zhǔn)球體80處于兩個徑向位置的掃描頭部16和測量探 頭28。在這些位置中的每一個位置上，測量球體，以確定半徑和/或球體中心位置值。因 此，在圍繞球體的多個不同位置上重復(fù)進(jìn)行這些測量導(dǎo)致借助圍繞A1軸線轉(zhuǎn)動經(jīng)過多個 (不同)角度位置的測量探頭獲得多個球體測量結(jié)果。因此，可以看出，借助掃描頭部的編 碼器測量的Al軸線的角度方位的任何誤差會導(dǎo)致所測量的球體性能發(fā)生變化。因此，作為 所測量的A1軸線的角度方位的函數(shù)，球體性能的變化可以用于建立誤差圖或函數(shù)，其能夠 校正所測量的角度方位。 在該技術(shù)中，應(yīng)當(dāng)注意，需要借助C匪和掃描頭部運(yùn)動來使掃描頭部運(yùn)動至圍繞 球體的每個新位置，其中測量探頭與球體的中心徑向?qū)?zhǔn)。因此，與測量C匪位置相關(guān)的任 何誤差會對該方法的準(zhǔn)確性造成影響，但是這取決于在不同位置上測量的球體性能。
如果在不同掃描頭部位置中的每個位置上測量球體半徑，則C匪誤差的影響是非 常微小的并且通常可以忽略。這是因為，由于在每次球體測量過程中C匪只需要運(yùn)動幾個 毫米，因此與C匪相關(guān)的任何誤差都不會顯著地影響尺寸測量結(jié)果，例如球體半徑；因此， 在每次球體測量過程中C匪誤差有效地是恒定的。因此，在不同位置上測量的球體半徑相 比于已知(校準(zhǔn)的)球體半徑的誤差可以用于確定掃描頭部中的編碼器誤差，不會受到C匪 中的任何誤差的影響。因此，通過使用半徑測量數(shù)據(jù)，可以使用不完美的C匪來校準(zhǔn)掃描頭 部，而不會影響校準(zhǔn)精確度。例如，對于掃描頭部的每個位置，可以將從測量結(jié)果確定的尺 寸數(shù)據(jù)與校準(zhǔn)尺寸數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，并且以與前面實施方式中相同的方式使用兩者的差值來 校準(zhǔn)編碼器。 如果在不同掃描頭部位置中的每個位置上測量球體中心位置，則所述球體中心位 置會受到C匪中的誤差的影響。由于C匪圍繞球體畫了一個大圓環(huán)，因此其幾何誤差(特別 是垂直度誤差)會影響球體中心的測量位置以及因此影響測量標(biāo)尺的校準(zhǔn)精確度。因此， 可以看出，如果使用掃描頭部測量參照物體位置(例如，球體中心位置)的變化，則優(yōu)選使 用校準(zhǔn)的C匪(來使C匪誤差最小化)。 應(yīng)當(dāng)注意，盡管圖IO示出的掃描頭部在水平面上處于不同的位置以實現(xiàn)不同的 A1角度，但是，也可以使掃描頭部在豎直平面上運(yùn)動至不同位置，以實現(xiàn)不同的A2角度。以 此方式，能夠校準(zhǔn)與Al和A2軸線兩者相關(guān)聯(lián)的測量標(biāo)尺。 雖然上述實例描述了對具有兩個轉(zhuǎn)動軸線的掃描頭部的校準(zhǔn)，但是，應(yīng)當(dāng)注意，使 用上述方法可以對具有單個轉(zhuǎn)動軸線或兩個轉(zhuǎn)動軸線以上的掃描頭部進(jìn)行校準(zhǔn)。還應(yīng)當(dāng)注 意，上述方法可以用于僅僅對具有多個軸線的掃描頭部的一些轉(zhuǎn)動軸線進(jìn)行校準(zhǔn)。還可以 使用本發(fā)明的不同方法來校準(zhǔn)掃描頭部的不同轉(zhuǎn)動軸線；例如，可以使用基于球體校準(zhǔn)物 體的環(huán)的方法來校準(zhǔn)掃描頭部的一個轉(zhuǎn)動軸線，而使用基于單個校準(zhǔn)球體的方法來校準(zhǔn)相 同掃描頭部的另一個軸線。
1權(quán)利要求
一種利用參照物體來校準(zhǔn)位于掃描頭部中的測量標(biāo)尺的方法，所述方法包括以下步驟(i)使安裝在所述掃描頭部上的表面感測設(shè)備圍繞所述掃描頭部的至少一個軸線轉(zhuǎn)動，從而使所述表面感測設(shè)備相對于所述參照物體運(yùn)動到多個不同的角度方位；(ii)在步驟(i)的每個不同的角度方位，使用所述表面感測設(shè)備測量所述參照物體的至少一個性能；以及(iii)使用步驟(ii)中測量的所述參照物體的性能，建立所述掃描頭部的至少一個測量標(biāo)尺的誤差圖或函數(shù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述參照物體是具有至少一個校準(zhǔn)性能的校準(zhǔn)物體，其中步驟(iii)包括從步驟(ii)測得的所述參照物體的性能與所述參照物體的所述至少一個校準(zhǔn)性能之間的差異來建立所述誤差圖或函數(shù)。
3. 根據(jù)前述權(quán)利要求任一項所述的方法，其中，步驟(ii)包括在每次測量所述參照物體的性能期間使用所述掃描頭部來使所述表面感測設(shè)備圍繞所述掃描頭部的至少一個軸線轉(zhuǎn)動。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述掃描頭部包括可連接至坐標(biāo)定位儀的活動臂的基體部分，其中步驟(ii)包括在每次測量所述參照物體的性能期間僅提供所述掃描頭部的所述基體部分的最小運(yùn)動。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，步驟(ii)包括在每次測量所述參照物體的性能期間保持所述掃描頭部的所述基體部分固定。
6. 根據(jù)前述權(quán)利要求任一項所述的方法，其中，步驟(ii)包括測量所述參照物體的至少一個校準(zhǔn)尺寸。
7. 根據(jù)前述權(quán)利要求任一項所述的方法，其中，步驟(ii)包括測量所述參照物體的至少一個特征的位置。
8. 根據(jù)前述權(quán)利要求任一項所述的方法，其中，所述參照物體包括特征陣列、正在被校準(zhǔn)的特征的相對位置。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述掃描頭部包括可連接至坐標(biāo)定位儀的活動臂的基體部分，其中所述掃描頭部的所述基體部分在步驟(i)期間保持基本固定。
10. 根據(jù)前述權(quán)利要求1至7任一項所述的方法，其中，所述參照物體包括單個特征。
11. 根據(jù)權(quán)利要求io所述的方法，其中，所述掃描頭部連接至坐標(biāo)定位儀的活動臂，其中步驟(i)還包括當(dāng)所述表面感測設(shè)備運(yùn)動到多個不同角度方位中的每個方位時使所述掃描頭部相對于所述參照物體運(yùn)動的步驟。
12. 根據(jù)前述權(quán)利要求任一項所述的方法，其中，所述參照物體包括球體、環(huán)規(guī)、？L、凸臺或立方體中的至少之一。
13. 根據(jù)前述權(quán)利要求任一項所述的方法，其中，安裝到所述掃描頭部的所述表面感測設(shè)備包括掃描探頭，并且步驟(ii)包括在每個不同的角度方位通過沿著所述參照物體表面上的路徑進(jìn)行掃描來測量所述參照物體的性能。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述參照物體包括至少一個球體，并且步驟(ii)包括，對于每個不同的角度方位，沿著所述球體表面上的環(huán)形路徑進(jìn)行掃描以確定所述球體的半徑和/或中心位置的步驟。
15. 根據(jù)前述權(quán)利要求任一項所述的方法，其中，安裝到所述掃描頭部的所述表面感測設(shè)備包括接觸觸發(fā)探頭，并且步驟(ii)包括在每個不同的角度方位測量所述參照物體的表面上的多個離散點。
16. —種用于坐標(biāo)定位儀的掃描頭部系統(tǒng)，其中所述掃描頭部系統(tǒng)儲存使用根據(jù)前述權(quán)利要求任一項所述的方法計算的誤差圖或函數(shù)。
17. —種使用包括多個校準(zhǔn)特征的校準(zhǔn)物體來校準(zhǔn)掃描頭部的方法，所述方法包括以下步驟(i) 使安裝在所述掃描頭部的表面感測設(shè)備圍繞所述掃描頭部的至少一個軸線轉(zhuǎn)動，從而使所述表面感測設(shè)備運(yùn)動至與所述多個校準(zhǔn)特征的所選校準(zhǔn)特征形成表面感測關(guān)系；(ii) 使用所述表面感測設(shè)備測量所述校準(zhǔn)物體的所選校準(zhǔn)特征的至少一個性能；(iii) 使用至少一個其他所選校準(zhǔn)特征重復(fù)步驟(i)和(ii);以及(iv) 從步驟(ii)中測量的所述校準(zhǔn)物體的性能與所述校準(zhǔn)物體的校準(zhǔn)性能之間的差異，建立所述掃描頭部的至少一個測量標(biāo)尺的誤差圖或函數(shù)。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，僅僅通過使所述掃描頭部圍繞所述掃描頭部的至少一個軸線轉(zhuǎn)動來提供步驟(i)期間所述表面感測設(shè)備的運(yùn)動。
19. 一種使用包括第一特征的參照物體來校準(zhǔn)掃描頭部的方法，所述方法包括以下步驟(i) 將安裝在所述掃描頭部的表面感測設(shè)備相對于所述第一特征放置在第一角度方位；(ii) 使用所述表面感測設(shè)備測量所述參照物體的所述第一特征的性能；(iii) 使用所述掃描頭部來使所述表面感測設(shè)備圍繞所述掃描頭部的至少一個軸線轉(zhuǎn)動，從而使得所述表面感測設(shè)備采取相對于所述參照物體的所述第一特征的不同角度方位；(iv) 使用所述表面感測設(shè)備重新測量所述參照物體的所述第一特征的所述性能；以及(v) 從步驟(ii)和(iv)期間獲得的所述參照物體的所述第一特征的測量性能，建立所述掃描頭部的至少一個測量標(biāo)尺的誤差圖或函數(shù)。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，所述掃描頭部安裝在坐標(biāo)定位儀的活動臂上，并且步驟(iii)還包括使用所述活動臂來使所述掃描頭部運(yùn)動的步驟。
21. —種用于校準(zhǔn)掃描頭部的方法，所述方法包括以下步驟(i) 使用安裝在所述掃描頭部的表面感測設(shè)備來測量參照物體的性能；(ii) 使用旋轉(zhuǎn)不同角度范圍的所述掃描頭部的一個或多個轉(zhuǎn)動軸線重復(fù)步驟(i)的測量；以及(iii) 從步驟(i)中獲得的所述參照物體的測量性能，建立所述掃描頭部的所述一個或多個轉(zhuǎn)動軸線的一個或多個測量標(biāo)尺的誤差圖或函數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明描述一種利用參照物體(40；60；80)來校準(zhǔn)位于馬達(dá)驅(qū)動的活動連接的掃描頭部(16)中的角度測量標(biāo)尺的方法。所述方法包括使安裝在掃描頭部(16)上的表面感測設(shè)備例如掃描探頭(28)圍繞掃描頭部(16)的至少一個軸線(A1，A2)轉(zhuǎn)動，從而使所述表面感測設(shè)備相對于參照物體(40；60；80)運(yùn)動到多個不同的角度方位。然后進(jìn)行在每個不同的角度方位使用所述表面感測設(shè)備測量參照物體(40；60；80)的至少一個性能的步驟。然后使用測量的參照物體(40；60；80)的性能和參照物體(40；60；80)的任選地已知的或校準(zhǔn)的性能，建立掃描頭部的至少一個測量標(biāo)尺的誤差圖或函數(shù)。所述方法可以包括使用坐標(biāo)定位儀例如坐標(biāo)測量儀(14)來使掃描頭部(16)運(yùn)動。參照物體(40；60；80)可以包括單個特征或特征陣列(46；66)。
文檔編號G01B21/04GK101711343SQ200880021104
公開日2010年5月19日 申請日期2008年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月21日
發(fā)明者瓊-路易斯·格熱西亞克, 詹姆斯·阿爾?！ど嘲湍?申請人:瑞尼斯豪公司