專利名稱：測量工件的裝置和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種利用安裝在坐標定位裝置諸如坐標測量儀(CMM )、機床、 手動坐標測量臂和4企查機器人上的馬達驅動的掃描頭部測量工件表面的方法。
背景技術：
從國際專利申請公開WO90/07097知道，將馬達驅動的掃描頭部安裝在坐 標測量儀上。馬達驅動的掃描頭部能讓安裝在馬達驅動的掃描頭部上的觸針圍 繞兩個正交軸線轉動。該觸針可以關于這兩條軸線角度定位，同時該馬達驅動 的掃描頭部可以借助坐標定位儀定位在該儀器工作空間內的任何位置。這種馬達驅動的掃描頭部提供了一種掃描靈活性更大的坐標定位儀，因 為馬達驅動的掃描頭部可以將觸針定位在許多不同方位。該申請公開了測量順序，其中坐標定位裝置的簡單運動與馬達驅動的掃 描頭部的運動相結合，測量形狀規(guī)則的零件。例如，通過沿著中心線移動 CMM的主軸，同時馬達驅動的掃描頭部沿著環(huán)形輪廓移動觸針尖端以產(chǎn)生 螺旋運動，由此來測量孔。同樣，以恒速平行于平面表面來移動CMM的主 軸，同時馬達驅動的掃描頭部執(zhí)行擺動運動，由此來測量平面表面。該申請還公開了掃描錐體表面，所述錐體的軸線平行于CMM的Z軸。 沿著環(huán)形路徑驅動主軸，同時掃描頭部的馬達導致表面感測設備被偏壓而圍 繞Z軸抵靠所述錐體。在測量工件的傳統(tǒng)方法中，觸針尖端位置距離主軸固定的偏移值，并且 乂人探針校準中可以知道。對于5軸系統(tǒng)，觸針尖端位置取決于掃描頭部的角度(即，圍繞A1軸 線和A2軸線)以及探針長度，所以隨著掃描頭部的角度變化，觸針尖端位 置相對于主軸位置恒定變化。在這種情況下，實際尖端位置受到掃描頭部的^^差影響。因此，必須固 定主軸，并且允許觸針尖端位置從其標稱位置發(fā)生變化，以適應所述公差，或者釆用相反的設置。 發(fā)明內容本發(fā)明第 一方面提供一種利用安裝在掃描頭部上的表面感測設備來測 量表面的方法，所述掃描頭部位于坐標定位裝置的構件上，可以操作所述坐 標定位裝置，以在掃描頭部和所述表面輪廓之間產(chǎn)生相對運動，并且所述掃 描頭部包括驅動件，用于使表面感測探針圍繞一個或多個軸線轉動，所述方法包括以下步驟(a) 在所述表面感測設備將要跟蹤的表面上限定希望的測量輪廓；(b) 當所述表面感測設備沿步驟(a)中的測量輪廓運動時，限定所述 表面感測設備的方位的希望運動；(c) 利用步驟(a)和(b)中確定的數(shù)據(jù)來推算坐標定位裝置的所述 構件和所述表面之間的相對運動的所需路徑，以使所述表面感測設備指示沿 著所述測量輪廓的軌跡。表面感測設備的測量輪廓可以是線性的或非線性的。步驟(b)中向量的運動可以包括函數(shù)，該函數(shù)在表面感測設備沿著測 量輪廓運動的過程中確定所述向量。可以通過沿著所述測量輪廓在離散的點 上限定所述向量并在這些點之間進行插值來確定步驟(b)中的向量的運動。步驟(b)中的向量的運動可以使得所述向量相對于表面法線發(fā)生變化?？梢赃x擇步驟(b)中的向量，以定位所述表面感測設備，使得其滯后 于所述頭部，超前于所述頭部，或者與所述表面法線對準。從一種向量到另 一種向量可以存在過渡區(qū)。可以選擇步驟(a)中的測量路徑和步驟(b)中的向量運動，從而在坐 標定位裝置的構件和所述表面之間提供希望的相對運動。可以通過在所述表面輪廓上確定兩個或多個離散測量點來確定步驟(a) 中的測量輪廓。步驟(a)的測量輪廓可以由函數(shù)限定。在部分測量輪廓期間，可以凍結沿著至少一個軸的運動。在部分測量輪 廓中，可以凍結掃描頭部的運動。在部分測量輪廓中，可以凍結坐標定位儀 的運動。所述方法可以包括利用步驟(a)、 (b)和(c)中的數(shù)據(jù)來測量表面的步驟。圍繞掃描頭部的至少 一個軸線的運動可以用來將表面感測設備保持在 其測量范圍內。掃描頭部可以沿著目標向量伺服，以使表面感測設備保持在 其測量范圍內。坐標定位裝置的構件和所述表面之間的相對運動可以用來保 持表面感測設備跟蹤所述表面的希望平面。本發(fā)明的第二方面提供一種計算機程序，用于為安裝在掃描頭部上的表 面感測設備編制測量路徑，所述掃描頭部位于坐標定位裝置的構件上，可以 」捧作所述坐標定位裝置，以在掃描頭部和所述表面輪廓之間產(chǎn)生相對運動， 并且掃描頭部包括驅動件，用于4吏表面感測探針圍繞一個或多個軸線轉動， 所述計算機程序包括代碼，其適配成在計算機上運行時，執(zhí)行權利要求l至 14任一項所述的方法的步驟。優(yōu)選所述計算機程序設置在載體上，諸如CD、 USB棒或其他介質，當 裝載到計算機時，執(zhí)行本發(fā)明。所述計算機程序還可以直接從互聯(lián)網(wǎng)上下載。本發(fā)明的第三方面提供一種裝置，利用安裝在掃描頭部上的表面感測設 備來測量表面輪廓，所述掃描頭部位于坐標定位裝置的構件上，可以操作所 述坐標定位裝置，以在掃描頭部和所述表面輪廓之間產(chǎn)生相對運動，并且所 述掃描頭部包括驅動件，用于4吏表面感測探針圍繞一個或多個軸線轉動，所 述裝置包括用于實施以下步驟的計算機(a) 在所述表面感測設備將要跟蹤的表面上限定希望的測量輪廓；(b) 當所述表面感測設備沿步驟(a)中的測量輪廓運動時，限定所述 表面感測設備的方位的希望運動；(c) 利用步驟(a)和(b)中確定的數(shù)據(jù)來推算坐標定位裝置的所述 構件和所述表面之間的相對運動的所需路徑，以使所述表面感測設備指示沿著所述測量輪廓的軌跡。所述裝置還包括利用步驟(a)、 (b)和(c)中的數(shù)據(jù)測量表面的步驟。


現(xiàn)在將參照

本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，其中 圖1是根據(jù)本發(fā)明包括掃描裝置的坐標測量儀的正視圖； 圖2是馬達驅動的掃描頭部的橫截面圖；圖3是以曲柄觸針測量渦輪葉片的透視圖； 圖4是圖3所示渦輪葉片的平面圖； 圖5是根據(jù)本發(fā)明測量渦輪葉片的透視圖； 圖6是圖5所示渦輪葉片的平面圖；圖7是渦輪葉片的立體圖，示出了觸針尖端位置和頭部角度處于不同位置；圖8是渦輪葉片的立體圖，示出了擺動掃描； 圖9是傳統(tǒng)方法的直線掃描路徑的平面圖； 圖IO是根據(jù)本發(fā)明掃描直線的平面圖； 圖11示出了以傳統(tǒng)方法測量凹部； 圖12示出了根據(jù)本發(fā)明來測量凹部；圖13是在掃描頭與凸臺軸線對準的情況下測量凸臺的立體圖；圖14示出了分成若干區(qū)段的凸臺的立體圖；圖15示出了方形內表面掃描輪廓的透視圖；圖16是掃描XY線的兩種機制的示意圖；圖17示出了沿著直線掃描過程中的掃描頭部的運動；圖18示出了掃描凸臺外表面的過程中，掃描頭部的運動；圖19是以傳統(tǒng)接觸式觸發(fā)技術測量孔的立體圖；圖20是以本發(fā)明的方法測量圖17所示的孔的立體圖；圖21是接受測量的渦輪葉片在XY平面的平面圖；圖22是接受測量的渦輪葉片在XZ平面的平面圖；圖23是接受測量的襯墊的平面圖。
具體實施方式
圖1示出了一種安裝在坐標測量儀(CMM)上的馬達驅動的掃描頭部。 需要測量的工件10安裝在CMM14的工作臺12上，且馬達驅動的掃描頭部 16安裝到CMM14的主軸18上?？梢酝ㄟ^馬達以已知方式相對于工作臺沿 著X、 Y、 Z方向驅動心軸。如圖2所示，馬達驅動的掃描頭部16包括由基 體或殼體20形成的固定部件，該固定部件由軸22形式的移動部件支撐，所 述軸22可以借助馬達M1圍繞軸線A1相對于殼體20轉動。軸22固緊到另外的殼體24,該另外的殼體24又支撐軸26,軸26可以借助馬達M2圍繞 與軸線Al垂直的軸線A2相對于殼體24轉動。具有觸針29的探針28安裝到馬達驅動的掃描頭部，該觸針29具有工 件接觸尖端30。這種布置使得該頭部的馬達M1、 M2可以圍繞軸線A1或 A2成角度地定位工件接觸尖端，并且CMM的馬達可以將馬達驅動的掃描 頭部線性定位在CMM三維坐標空間內的任何地方，從而^f吏觸針尖端與掃描 表面成預定關系。線性位置變送器設置在CMM上，用來測量掃描頭部的線性位移，而角 度位置變送器T1和T2設置在掃描頭部中，用來測量觸針圍繞各軸線Al和 A2的角度位移。在圖1中所示的類型的CMM中，通過讓主軸沿著三個正交方向移動來實 現(xiàn)主軸和工件之間的相對運動。在其他類型的坐標定位裝置中，可以通過主軸 的運動、安裝有工件的表面的運動(例如，工作臺)或者它們的組合，來實現(xiàn) 主軸(或者其他安裝有馬達驅動的掃描頭部的構件)和工件之間的相對運動。探針具有可偏轉的觸針29，且探針中的變送器測量觸針偏轉量。探針可 以是二維的，例如感測沿著X和Y方向的偏轉；或者是三維的，例如感測 沿著X、 Y和Z方向的偏轉?？梢赃x擇的是，可以采用非接觸式探針(例如， 光學、電容或電感探針)。在如圖1所示的垂直臂CMM上，掃描頭部16的Al軸線名義上與CMM 的Z軸(沿著心軸18)平行。掃描頭部可以圍繞該軸線連續(xù)轉動探針。掃 描頭部的A2軸線正交于其Al軸線。馬達驅動的掃描頭部可以將表面感測設備定位到不同的方位，而不需要 重新41準該頭部。CMM和掃描頭部的位置受到控制編碼的控制，所述控制編碼設置在計 算機內，計算機可以是硬件的定制(bespoke)元件，即控制器或PC?？梢?對計算機進行編程，以沿著測量路徑移動CMM和掃描頭部。在圖1中示出 了計算機15。在一些情況下，圍繞零件周邊移動CMM的主軸可能無法掃描該零件。該 零件可能位于工作空間的邊緣，因此阻礙了 CMM的主軸圍繞它全程運動。而 且，零件的約束可能意味著無法接近，例如，在測量葉盤(blisk)(葉片和盤體的組合體)的葉片時，CMM主軸被中央盤體和相鄰葉片限制在某些位置。圖3和圖4分別示出了渦輪葉片32的透視圖和平面圖。在該實例中， 在渦輪葉片一端，主軸可達性受到制約。虛線示出了 CMM主軸的可能運動 邊界。這種可達性問題可以借助測量探針38上的曲柄觸針36以傳統(tǒng)掃描方 法來解決。曲柄觸針36佳:得觸針尖端40能觸及零件，而不需要CMM主軸 移動超過邊界34。但是，缺點在于，利用這種曲柄觸針36僅可以測量渦輪 葉片32的一半。對于渦輪葉片32需要測量的另一半，必須用轉過180。的 另一個曲柄觸針來取代該觸針。此外，還可以使用星形觸針。圖5和圖6分別示出了如圖3和圖4所示的相同渦輪葉片32的透視圖 和平面圖。該渦輪葉片32以馬達驅動的掃描頭部來測量，這種掃描頭部上 安裝著具有可偏轉觸針29和工件接觸尖端30的探針28。在馬達驅動的掃描頭部16的掃描程序期間，存在三組變量，包括觸針 尖端位置、頭部角度和CMM主軸位置?？梢赃x擇頭部角度，以使可以在CMM主軸不必定位于其不可觸及的位 置的情況下，測量所述零件。因此，在渦輪葉片32 —端，即可達性受到制 約的地方，頭部16成角度，以使CMM主軸不會超過邊界線34。頭部的角 度在整個掃描過程中可以變化，允許一次性測量零件的整個輪廓?？梢赃x擇頭部的角度，以使觸針滯后，即其拖在頭部后面；或超前，即 其處于頭部前面；或成直線，即其與零件的法線對準。在測量路徑內，不同 頭部角度之間可以存在過渡區(qū)。對于二維探針來說，優(yōu)選掃描頭部的角度處 于小角度。這樣設置的優(yōu)勢在于，偏轉基本上位于探針的XY平面內。但是， 對于三維探針來說，不需要這種約束。圖6中示出了沿著順時針方向掃描的渦輪葉片。所示觸針在離開狹窄端 時滯后，而在靠近寬闊端時超前。調整頭部角度和主軸路徑，使得觸針能在 靠近寬闊端時遵循滯后與超前之間的過渡區(qū)。在替代掃描區(qū)域內，觸針靠近 狹窄端時可以滯后，然后當其離開狹窄端時(如虛線勾畫出的4笨針所示)變 成超前，因此就不再需要靠近寬闊端時探針角度存在過渡區(qū)。由于在狹窄端 時，頭部角度不需要改變或者只需要很小的改變，所以狹窄端所需的主軸運 動得以最小化。在選擇掃描區(qū)域方面，要考慮的因素包括諸如路徑跟隨精度、 工作能力(throughput)以及工作空間。在三組變量當中，需要其中兩組的信息，而可以計算第三組的信息以實 現(xiàn)希望的掃描路徑。優(yōu)選選擇希望的觸針尖端位置和頭部角度，并用這些數(shù)
據(jù)預測CMM主軸的位置。
為了測量表面上的點，需要限定表面感測設備關于空間位置和方位的坐 標。傳統(tǒng)上，這是通過指定五個驅動軸(頭部有兩個，CMM有三個)的五 個位置來實現(xiàn)，這五個位置限定了表面感測設備的運動。但是，在本發(fā)明中， 指定表面感測設備的尖端位置和方位，并且可以從中推算CMM驅動軸的運 動。
使用觸針尖端坐標位置來設置掃描輪廓的優(yōu)勢在于，這些坐標位置接近 希望的測量值，并因此有利于測量值盡可能精確。在某些應用場合下，重要 的是保持觸針尖端位于平面內，例如根據(jù)Civil Aviation Authority的標準來測 量渦輪葉片。在其他應用場合下，諸如襯墊，選擇掃描路徑要避開一些特征， 諸如孔。
限定觸針尖端坐標位置還具有的優(yōu)勢在于，由于任何時候都知道觸針尖 端的位置(即，其已經(jīng)被限定)，所以可以避免觸針尖端和零件發(fā)生碰撞。
此外，在CMM主軸的位置方面，要考慮因頭部和測量系統(tǒng)公差，例如 觸針長度公差造成的任何偏移以及編制程序的難易程度。
確定掃描路徑時使用頭部角度也具有優(yōu)勢。對于某些類型的探針來說， 可能希望探針角度處于一定范圍內，例如二維接觸式探針可能要求角度約束 來優(yōu)化測量。此外，可能需要頭部彎折成特定角度，以最大可能地接觸零件。
圖7是渦輪葉片的透視圖，并用來示出如何確定掃描路徑。沿著希望的 掃描路徑選了兩個點A和F。為這兩個點確定觸針尖端坐標位置。這可以從 CAD數(shù)據(jù)或零件測量值來確定。也為A點和F點選定表示觸針尖端30和主 軸42 (主軸上的點或頭部上Al和A2軸線的交點)之間方向的頭部向量P。 在選擇頭部向量P時可能考慮的因素是所用探針的類型、可達性約束等。頭 部向量j 涉及圍繞Al和A2軸線的相對轉動，并且可以互換地使用這些數(shù)據(jù)。
在A和F之間距離較大的情況下，或者掃描路徑形狀復雜的情況下，可 以將掃描路徑分成一串路徑點B、 C、 D和E。也可以為這些路徑點選擇觸 針尖端位置和頭部向量。
可以通過插值或函數(shù)擬合來利用這些路徑點確定觸針尖端路徑?？梢赃x擇的是，可以利用函數(shù)，諸如沿著所述表面的正弦函數(shù)來限定觸針尖端位置。 兩點之間頭部向量的運動可以通過函數(shù)來描述，例如通過將頭部向量角
度與沿著輪廓的路程或時間關聯(lián)起來的函數(shù)來描述。圖17示出了沿著長度 為L的直線進行掃描。掃描開始時，圍繞Al軸線的角度為e。隨著掃描的
"《+(況/Z)4 (1)
其中《表示掃描開始時的e值，而《+^表示希望的完成角度。
在兩條軸線Al和A2正交時，角度0 (圍繞Al軸線)和角度cp (圍繞 A2軸線)可以分開處理(即，針對這兩個角度采用不同的函數(shù))。雖然圖17 示出了直線的情況，但是這種方案對于非線性輪廓也是合適的。
向量運動也可以擬合成預定方程，該方程將向量運動與需要測量的特征 聯(lián)系起來。圖18示出了掃描水平凸臺110的外表面。在該例中，希望向量 運動描述環(huán)形，且保持探針28的縱軸線與該表面法線對準?？梢越柚韵?方程來描述頭部角度
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其中①是觸針尖端的轉速。
當需要兩個頭部來產(chǎn)生環(huán)形運動時，這些方程是合適的。對于垂直凸臺 來說，只需要向量圍繞Al軸線轉動，所以方程可以相應簡化。可以衍生出 其他方程用于頭部運動，這對于其他特征也是適用的。
頭部向量的運動還可以通過插值從路徑點處的頭部角度來確定。 一旦限定觸針尖端路徑和掃描頭部角度，則可以確定CMM主軸的軌跡， 從而在A和F之間(連同掃描頭部一起)移動觸針尖端。
例如，可以圍繞圖7的渦輪葉片從A點到F點類似地連續(xù)確定掃描路徑。 圖7示出了圍繞渦輪葉片32周邊進行線性掃描44。但是，還可以使用 相同的方法來實施擺動掃描，如圖8所示。在本例中，如前所述那樣為中部 線條44確定CMM主軸軌跡。然后，在頭部運動上疊加振蕩運動，以產(chǎn)生 擺動掃描。
在圖5至圖8所述的掃描過程中，CMM的運動是復雜的，具有非線性 軌跡和速度。允許CMM主軸以非線性速度和軌跡運動，可以建立更為高效地掃描輪廓?？梢钥焖僖苿玉R達驅動的掃描頭部，因為其質量較小、慣性較小且動態(tài)響應高。但是，CMM主軸加速度較高會導致設備扭曲，因此產(chǎn)生測量誤 差。因此，在任何掃描輪廓中，希望讓CMM主軸運動和加速度最小，且馬達 驅動的掃描頭部的運動和加￡4>復最大。這樣能實現(xiàn)測量誤差最小的高速掃描。圖16示出了兩種可能的CMM主軸軌跡，用來掃描X和Y之間的路徑 90。如果掃描頭部角度在X和Y之間固定，則線條AC示出了 CMM主軸的 軌跡。如果掃描頭部角度在X和Y之間變化，線條AB示出了 CMM主軸的 軌跡。軌跡AB使得CMM主軸的運動最小且最簡單。圖9示出了掃描零件48的直線的傳統(tǒng)方法。CMM主軸42沿著直線軌 跡50移動，沿著直線54牽引探針52。圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的另一種掃描直線54的方法。在該方法中，馬 達驅動的掃描頭部16圍繞其Al軸線轉動，同時CMM主軸遵循跡線56， 該跡線沿著兩條背對背的曲線前后移動。為了實現(xiàn)觸針尖端30的線性運動， 利用馬達驅動的掃描頭部的運動和CMM主軸的運動兩者。但是，讓馬達驅 動的掃描頭部的運動最大，而CMM主軸的運動最小，因此允許以高速實現(xiàn) 測量誤差最小的掃描過程。如前所述，通過確定希望的觸針尖端位置以及頭部角度并利用這些數(shù)據(jù) 計算所需的CMM主軸位置，來產(chǎn)生這種掃描輪廓。這種方法可以用來非常快速地測量方形零件。根據(jù)需要，可以選擇觸針 長度和掃描頭部的角度，以使CMM主軸的運動最小。圖15示出了在主軸靜止而掃描頭部提供運動的情況下，方形輪廓82內 表面的掃描輪廓80。觸針尖端掃過弧線。這種測量數(shù)據(jù)可以投影到平面上， 但是在某些情況下，希望實際測量數(shù)據(jù)位于平面上。這是可行的，如果主軸 垂直移動，以使觸針尖端沿直線運動的話。利用本發(fā)明的方法，通過選擇4笨 針的測量輪廓(例如，方形)、選擇掃描過程中所需的頭部角度(360。旋轉) 并從而計算所需的CMM運動，可以有效地測量方形輪廓。虛線81示出了 新的觸針尖端路徑。圖23是襯墊116的平面圖。當觸針尖端沿限定的路徑運動時，本發(fā)明 適合測量諸如襯墊的零件。在該方法中，不會像從傳統(tǒng)技術中那樣發(fā)生觸針 尖端跟隨錯誤的路徑進入孔中的危險，在傳統(tǒng)技術中是選擇CMM路徑，而非觸針尖端路徑。圖23示出了可以用來測量襯墊116的線形路徑118和擺 動^各徑120。本發(fā)明的優(yōu)勢在于，能掃描難于觸及的零件，例如凹陷零件。圖11示 出了具有難以用傳統(tǒng)方式測量的凹部60的零件58。為了測量該零件，傳統(tǒng) 上需要使用三個觸針62、 64、 66。所示位于兩條虛線68、 70之間的中部可 以利用直觸針62測量，第一曲柄觸針64用來測量虛線68 —側的側部和底 部。曲柄觸針64的尺寸受到開口尺寸d的限制，并因此限制了其所能測量 的底部表面范圍。第二曲柄觸針66相對于第一曲柄觸針64成180° ,并用 于測量另一條虛線70—側的側部和底部。因此，在測量該凹部60時，至少 需要3個階段。使用本發(fā)明，可以在一個階段測量該凹部60,如圖12所示。在整個掃 描過程中，調整觸針尖端位置、頭部角度和CMM主軸位置，以測量該凹部 的全部三個表面。如前所述，希望的觸針尖端位置和頭部角度用來計算所需 的CMM主軸位置。示出了測量凹部底部時主軸遵循的CMM跡線72。圖12的實例說明了 復雜零件諸如例如葉盤的可達性問題。圖13示出了凸臺74，需要測量其外表面。CMM主軸42與凸臺中心線 對準。然后圍繞Al軸轉動馬達驅動的掃描頭部16，以使觸針尖端30向著 凸臺頂部執(zhí)行圓周測量。但是，該方法的缺陷在于，無法進一步向下重復該 凸臺的測量，因為尖端30再也不能接觸該表面。圖14示出了掃描凸臺74的替代方法。在該方法中，凸臺74的外表面 分成若干區(qū)段，例如4個區(qū)段。凸臺74的外表面可以這樣連續(xù)測量在一 個區(qū)段上執(zhí)行擺動掃描，將觸針尖端移動到下一個區(qū)l史，然后對下面的區(qū)4殳 執(zhí)行擺動掃描，以此類推，如線76所示。在掃描輪廓中，還可以通過例如 執(zhí)行擺動掃描(未示出)對凸臺頂部進行掃描。當觸針尖端30從一個區(qū)段 移動到另一個區(qū)段，其不會離開所述表面。選擇觸針尖端位置和頭部角度并 利用它們確定CMM主軸位置，由此如前所述那樣來確定掃描輪廓?？梢赃x擇的是，可以沿著一個方向(例如，向上)掃描每個區(qū)段，使得 觸針尖端在區(qū)段之間沿著相反方向(例如，向下)跟蹤所述表面?？梢赃x擇 的是，在區(qū)段之間，觸針尖端可以離開所述表面。這種方法也適合于水平凸臺。雖然以上實施方式描述了用于掃描表面輪廓的接觸式探針，但是也可以通過獲取接觸點來測量表面輪廓。在這種情況下，測量〗笨針用來獲取表面4侖 廓的離散測量位置。圖19示出了利用傳統(tǒng)技術測量孔96,而圖20示出了利用本發(fā)明的方法 測量淺孔98。如圖19所示，獲取孔內表面離散測量點的傳統(tǒng)方法將采用主 軸18來沿著中心線100定位掃描頭部16，觸針尖端30低于將要獲取測量點 的平面102。然后調節(jié)頭部角度，以使觸針尖端接觸所述表面。但是，這種 方法對于非常淺的盲孔是不可行的，因為觸針尖端受到可達性制約而無法定 位在測量點的平面以下。在本發(fā)明中，如圖20所示，主軸18和探針角度兩 者都移動，以使觸針尖端30形成與孔內表面接觸，而不需要讓觸針尖端位 于測量點的平面102以下。這是通過如前面那樣選擇觸針尖端路徑和頭部角 度來實現(xiàn)的。上述實施方式都描述了利用5個軸的運動，即三個線性CMM軸和兩個 旋轉掃描頭部軸。在某些情況下，具有優(yōu)勢的是將5軸運動變?yōu)閮鼋Y一個軸 或多個軸的運動，例如僅使用CMM的運動(3軸)或者僅使用掃描頭部的 運動(2軸)。圖21是示于XY平面內的渦輪葉片112的平面圖。在葉片的長邊上， 規(guī)劃路徑以給出頭部超前和滯后之間的過渡區(qū)，這樣將使CMM的運動平滑。 在狹窄端，選擇頭部向量，以使其在掃描狹窄端的時候保持固定。這樣設置 的優(yōu)勢在于，產(chǎn)生的CMM運動最小化。此外，調節(jié)頭部角度以保持探針在 其偏轉范圍內不會受到頭部向量在該尖銳特征上所需變化的阻礙。圖22是示于XZ平面的渦輪葉片114的平面圖。如圖21那樣，葉片的 長邊具有測量路徑，該路徑在超前和滯后之間存在掃描頭過渡區(qū)。在狹窄端， 選擇頭部向量，以使可以僅憑掃描頭部的運動來測量該狹窄端，而CMM主軸保持靜止。這樣設置的優(yōu)勢在于，對于該復雜特征，主軸運動最小化。以上所述實施方式都適合在零件上規(guī)劃測量路徑。這可以在線實施，例 如利用操作桿來控制掃描頭部和CMM，從而在具有希望的觸針尖端位置和 頭部角度的表面上獲取離散點。這些離散點上的數(shù)據(jù)可以存儲在存儲器中和 /或用來推算觸針尖端、掃描頭部和CMM主軸的測量路徑?？梢赃x擇的是，可以離線規(guī)劃測量路徑，例如在CAD模型上規(guī)劃。這 種情況下，在CAD模型上選擇沿著觸針尖端將要遵循的表面的測量輪廓和 頭部角度。這些數(shù)據(jù)存儲在存儲器中和/或用于推算觸針尖端、掃描頭部和 CMM主軸的測量路徑。無論測量路徑在線(即，利用操作桿)還是離線(例如，在CAD模型 上)建立，都將測量路徑數(shù)據(jù)轉化為指令編碼，將位置要求編碼發(fā)送到CMM 和掃描頭部，從而在測量零件時遵循希望的測量路徑。在零件測量過程中，探針必須保持在其偏轉范圍內(并且非接觸式探針 必須保持在其工作范圍內)。這是通過使掃描頭部偏移其規(guī)定運動來實現(xiàn)的。 掃描頭部沿著目標向量伺服，以保持探針處于其范圍內。通常，這種目標向 量正交于所述表面。但是，諸如探針方位、摩擦或者位于所需輪廓上的要求 等因素可能導致選擇不同的目標向量?？梢岳媒?jīng)計算的尖端位置、用于向 前預測的歷史表面點等等來確定目標向量?？梢孕薷腃MM主軸，以保持觸針尖端處于限定的平面內。例如，如果 頭部角度伺服，以保持探針位于其偏轉范圍內，則觸針尖端可以從限定的測 量路徑表面平面離開。觸針位置的變化用來確定觸針尖端離開平面的距離， 并且可以相應驅動CMM，將觸針尖端帶回該平面。雖然上述實施方式描述了采用接觸式探針，但是這些掃描方法還適合用 于非接觸式探針，例如光學、電感或電容探針。對于光學探針，例如，表面 上的光斑可以認為等同于觸針尖端位置。對于電感或電容探針，偏移量可以 認為等同于觸針尖端位置。對于接觸式和非接觸式探針兩者，觸針尖端有效 地作為樞轉點，觸針可以圍繞該樞轉點定向，并且仍然測量相同的坐標位置。
權利要求
1.一種利用安裝在掃描頭部上的表面感測設備來測量表面的方法，所述掃描頭部位于坐標定位裝置的構件上，其中，可以操作所述坐標定位裝置，以在掃描頭部和表面輪廓之間產(chǎn)生相對運動，并且所述掃描頭部包括驅動件，用于使表面感測探針圍繞一個或多個軸線轉動，所述方法包括以下步驟(a)在所述表面感測設備將要跟蹤的表面上限定希望的測量輪廓；(b)當所述表面感測設備沿步驟(a)中的測量輪廓運動時，限定所述表面感測設備的方位的希望運動；(c)利用步驟(a)和(b)中確定的數(shù)據(jù)來推算坐標定位裝置的所述構件和所述表面之間的相對運動的所需路徑，以使所述表面感測設備指示沿著所述測量輪廓的軌跡。
2. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述表面感測設備的所述 測量輪廓是線性的。
3. 如權利要求1至2任一項所述的方法，其特征在于，所述表面感測 設備的所述測量輪廓是非線性的。
4. 如權利要求1至3任一項所述的方法，其特征在于，步驟(b)中的 向量運動包括函數(shù)，該函數(shù)在表面感測設備沿著測量輪廓運動過程中，確定 所述向量。
5. 如權利要求1至3任一項所述的方法，其特征在于，通過沿著所述 測量輪廓在離散點限定所述向量并在這些點之間進行插值，來確定步驟(b) 中的向量運動。
6. 如權利要求1至6任一項所述的方法，其特征在于，步驟(b)中的 向量運動使得所述向量相對于表面法線發(fā)生變化。
7. 如權利要求1至6任一項所述的方法，其特征在于，選擇步驟(b) 中的向量，以定位所述表面感測設備，使得其滯后于所述頭部，超前于所述 頭部，或者與所述表面法線的法線對準。
8. 如權利要求7所述的方法，其特征在于，從一種向量到另一種向量 存在過渡區(qū)。
9. 如前述權利要求任一項所述的方法，其特征在于，選擇步驟(a)中的測量路徑和步驟(b)中的向量運動，從而在坐標定位裝置的所述構件和 所述表面之間提供希望的相對運動。
10. 如前述權利要求任一項所述的方法，其特征在于，通過在所述表面 輪廓上確定兩個或多個離散測量點來確定步驟(a)中的測量輪廓。
11. 如權利要求1至9任一項所述的方法，其特征在于，步驟(a)的 測量輪廓由函數(shù)限定。
12. 如前述權利要求任一項所述的方法，其特征在于，在部分所述測量 輪廓過程中，可以凍結沿著至少一個軸的運動。
13. 如權利要求12所述的方法，其特征在于，在部分所述測量輪廓過 程中，凍結掃描頭部的運動。
14. 如權利要求12所述的方法，其特征在于，在部分所述測量輪廓過 程中，凍結坐標定位儀的運動。
15. 如前述權利要求任一項所述的方法，其特征在于，包括利用步驟(a)、 (b)和(c)中的數(shù)據(jù)來測量表面的步驟。
16. 如權利要求15所述的方法，其特征在于，使用圍繞掃描頭部的至 少一個軸線的旋轉運動將表面感測設備保持在其測量范圍內。
17. 如權利要求16所述的方法，其特征在于，掃描頭部沿著目標向量 伺服，以將表面感測設備保持在其測量范圍內。
18. 如權利要求15至17任一項所述的方法，其特征在于，使用坐標定述表面的希望平面。
19. 一種計算機程序，用于為安裝在掃描頭部上的表面感測設備編制測 量路徑，所述掃描頭部位于坐標定位裝置的構件上，其中，可以操作所述坐 標定位裝置，以在掃描頭部和表面輪廓之間產(chǎn)生相對運動，并且掃描頭部包 括驅動件，用于使表面感測探針圍繞一個或多個軸線轉動，所述計算機程序 包括代碼，其適配成當在計算機上運行時執(zhí)行權利要求1至14任一項所述 的方法。
20. —種裝置，用于利用安裝在掃描頭部上的表面感測設備來測量表面 輪廓，所述掃描頭部位于坐標定位裝置的構件上，其中，可以操作所述坐標 定位裝置，以在掃描頭部和所述表面輪廓之間產(chǎn)生相對運動，并且所述掃描頭部包括驅動件，用于使表面感測揮:針圍繞一個或多個軸線轉動，所述裝置包括用于實施以下步驟的計算機(a) 在所述表面感測設備將要跟蹤的表面上限定希望的測量輪廓；(b) 當所述表面感測設備沿步驟(a)中的測量輪廓運動時，限定所述 表面感測設備的方位的希望運動；(c) 利用步驟(a)和(b)中確定的數(shù)據(jù)來推算坐標定位裝置的所述 構件和所述表面之間的相對運動的所需路徑，以使所述表面感測設備指示沿 著所述測量輪廓的軌跡。
21.如權利要求17所述的裝置，包括利用步驟(a)、 (b)和(c)中的 數(shù)據(jù)來測量表面的步驟。
全文摘要
一種利用安裝在掃描頭部上的表面感測設備來測量表面的方法和裝置，所述掃描頭部位于坐標定位裝置的構件上。所述坐標定位裝置可以操作，以在掃描頭部和所述表面輪廓之間產(chǎn)生相對運動，并且所述掃描頭部包括驅動件，以使表面感測探針圍繞一個或多個軸線轉動。在所述表面感測設備將要跟蹤的表面上限定所需測量輪廓，以及當表面感測設備沿所述測量輪廓運動時，限定所述表面感測設備的方位的希望運動。這些數(shù)據(jù)用來推算坐標定位裝置的所述構件和所述表面之間相對運動的所需路徑，以使所述表面感測設備指示沿著所述測量輪廓的軌跡。
文檔編號G01B21/04GK101405564SQ200780010102
公開日2009年4月8日 申請日期2007年3月23日 優(yōu)先權日2006年3月23日
發(fā)明者凱維恩·巴里·喬納斯, 史蒂文·保羅·亨特, 哈立德·馬穆爾, 若弗雷·麥克法蘭 申請人:瑞尼斯豪公司