專利名稱：誤差校準(zhǔn)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于校準(zhǔn)安裝在機(jī)器上的測(cè)量探頭的方法，特別涉及一 種用于確定探頭校準(zhǔn)矩陣的方法。
背景技術(shù)：
在例如機(jī)械工具和測(cè)量探頭的測(cè)量系統(tǒng)中，存在多種影響讀取精度的因
素。這些因素包括誤差，例如機(jī)器誤差，其包括平直度和垂直度誤差；動(dòng) 態(tài)誤差；以及將探頭讀數(shù)轉(zhuǎn)換成機(jī)器軸讀數(shù)所導(dǎo)致的誤差。為了緩和這些影 響，在進(jìn)行任何測(cè)量之前需要對(duì)機(jī)器和測(cè)量探頭進(jìn)行校準(zhǔn)。
已經(jīng)開發(fā)了各種技術(shù)來校準(zhǔn)這種測(cè)量設(shè)備。這些技術(shù)包括在機(jī)器的工作 范圍內(nèi)在不同的部位進(jìn)行掃描，以形成機(jī)器的誤差映射。也已知使用不同的 探頭偏轉(zhuǎn)來掃描標(biāo)準(zhǔn)的工件，以便生成關(guān)于偏轉(zhuǎn)的誤差映射函數(shù)。當(dāng)隨后測(cè) 量實(shí)際工件時(shí)使用該誤差映射來檢查容差。
另 一種技術(shù)是使用校準(zhǔn)物(calibration artefact)(通常為球體)，以便形成 校準(zhǔn)矩陣，用于將探頭(a, b, c)軸讀數(shù)與機(jī)器(x， y， z)軸讀數(shù)相關(guān)聯(lián)。
問題在于，還存在其他結(jié)合到探頭校準(zhǔn)矩陣中的影響因素。這些因素可被分 成全局機(jī)器誤差、局部機(jī)器誤差和動(dòng)態(tài)誤差。標(biāo)準(zhǔn)探頭校準(zhǔn)過程將所有這些 因素組合成單個(gè)探頭校準(zhǔn)矩陣，該探頭校準(zhǔn)矩陣僅為在與校準(zhǔn)過程中所用的 相同的機(jī)械區(qū)域中以相同速度進(jìn)行的測(cè)量提供將探頭軸讀數(shù)到機(jī)器座坐標(biāo) 的準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換。
一般說來，以相同的速度進(jìn)行校準(zhǔn)和測(cè)量過程，使得可以減輕動(dòng)態(tài)誤差， 例如來自加速度的動(dòng)態(tài)誤差。但是，當(dāng)工件的輪廓或者待掃描的小的特征突 然改變時(shí)，整個(gè)測(cè)量過程可以進(jìn)行的速度將受到限制。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)根本發(fā)明的第 一方面，提供一種校準(zhǔn)安裝在機(jī)器上的測(cè)量探頭的方法，所述測(cè)量探頭具有觸針，所述觸針具有工件接觸尖端，其中，所述方法 包括確定探頭校準(zhǔn)矩陣，所述探頭校準(zhǔn)矩陣使探頭輸出與機(jī)器坐標(biāo)系統(tǒng)相關(guān)
聯(lián)，所述方法包括如下步驟
(i) 使用第 一探頭偏轉(zhuǎn)掃描校準(zhǔn)物，以便獲得第 一機(jī)器數(shù)據(jù)；
(ii) 使用第二探頭偏轉(zhuǎn)掃描校準(zhǔn)物，以便獲得第二機(jī)器數(shù)據(jù)；以及
(iii) 使用所述第一機(jī)器數(shù)據(jù)和所述第二機(jī)器數(shù)據(jù)獲得純探頭校準(zhǔn)矩 陣，其中基本上消除了任何機(jī)器誤差。
本發(fā)明因此提供了測(cè)量探頭校準(zhǔn)技術(shù)，其中通過測(cè)量探頭采用第一和第 二探頭偏轉(zhuǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)物(例如球體)的兩種掃描。這提供了第一機(jī)器數(shù)據(jù)和 第二機(jī)器數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)可確定純探頭校準(zhǔn)矩陣，其中基本上去除或者 消除了機(jī)器誤差。使用該方法確定的純探頭校準(zhǔn)矩陣因此允許探頭坐標(biāo)系統(tǒng) 中的探頭輸出轉(zhuǎn)換成機(jī)器軸分量；也就是說，探頭偏轉(zhuǎn)的相關(guān)的機(jī)器軸分量 可以通過將每個(gè)探頭輸出分量乘以相關(guān)的矩陣項(xiàng)而獲得。如下面描述的，一 旦知道了純探頭校準(zhǔn)矩陣，則可以建立校準(zhǔn)矩陣來校正機(jī)器幾何和動(dòng)態(tài)誤 差。
根據(jù)本發(fā)明的方法提供了 一種純探頭校準(zhǔn)矩陣，其基本上不受存在的機(jī) 器誤差的影響同時(shí)掃描校準(zhǔn)物。相反，現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)提供具有機(jī)器誤差 的探頭校準(zhǔn)矩陣，這些機(jī)器誤差來自整體機(jī)器誤差和局部機(jī)器誤差的結(jié)合。
有效的探頭校準(zhǔn)矩陣，因此對(duì)測(cè)量工件的每個(gè)其他區(qū)域需要重新計(jì)算探頭校 準(zhǔn)矩陣。通過確定純探頭矩陣，本發(fā)明因此較少了校準(zhǔn)機(jī)器所需要的時(shí)間并 且允許在機(jī)床的工作范圍內(nèi)的任何位置的測(cè)量探頭輸出(例如，a， b, c數(shù) 值組)被精確地轉(zhuǎn)換成機(jī)器坐標(biāo)系統(tǒng)。如下面更詳細(xì)的描述的，建立根據(jù)本 發(fā)明的純探頭校準(zhǔn)矩陣還允許量化動(dòng)態(tài)誤差，從而便于進(jìn)行變速掃描。
有利的是，所述探頭輸出包括在探頭坐標(biāo)系統(tǒng)中定義的探頭輸出數(shù)據(jù)。 步驟(i)因此還包括獲取與所述第一機(jī)器數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)的第一探頭輸出數(shù)據(jù)。 此外，所述步驟(ii)還可包括獲取與所述第二機(jī)器數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)的第二探頭 輸出數(shù)據(jù)。在這種情況下，所述步驟(iii)可方便地包括使用所述第一機(jī)器 數(shù)據(jù)、所述第二機(jī)器數(shù)據(jù)、所述第一探頭輸出數(shù)據(jù)和所述第二探頭輸出數(shù)據(jù) 來獲取純探頭校準(zhǔn)矩陣。換句話說，可以對(duì)兩個(gè)不同的探頭偏轉(zhuǎn)的每個(gè)在校準(zhǔn)物的表面上的多個(gè)點(diǎn)獲取機(jī)器數(shù)據(jù)(例如x, y, z值)和探頭輸出數(shù)據(jù)(例 如a， b, c值)的相應(yīng)數(shù)據(jù)對(duì)。
有利的是，所述步驟(iii)包括使用數(shù)值處理來確定所述純探頭校準(zhǔn)矩 陣。例如，可以建立幾何關(guān)系以允許從在兩個(gè)探頭偏轉(zhuǎn)的每個(gè)獲取的探頭輸 出數(shù)據(jù)和相應(yīng)的機(jī)器數(shù)據(jù)計(jì)算出某個(gè)數(shù)值或者大小(假定某一個(gè)純探頭校準(zhǔn) 矩陣)。從該計(jì)算獲得的值可以與已知的(例如預(yù)先測(cè)量的)值進(jìn)行比較。 特別的是，可以方便的進(jìn)行數(shù)值處理，其中純探頭校準(zhǔn)矩陣的項(xiàng)迭代變化以 最d 、化這些測(cè)量值和已知值之間的差異或者誤差。
在該方法的步驟(i)中，機(jī)器沿著第一工具路徑掃描測(cè)量探頭。該工具 路徑被選擇使得觸針尖端接觸校準(zhǔn)物以便給出上述第一探頭偏轉(zhuǎn)。如果校準(zhǔn) 物是球體，那么所述第一工具路徑因此包括(為了簡(jiǎn)化起見，例如是二維的 情況)半徑為M!的圓，其大致以球體的中心為中心。在該方法的步驟(ii) 中，機(jī)器沿著第二工具路徑掃描測(cè)量探頭。為了獲得所需的第二觸針偏轉(zhuǎn)， 所述第二工具路徑包括半徑為M2的圓，其也大致以球體的中心為中心。第 一工具路徑和第二工具路徑之間的差異(在該例子中為半徑差M2-M,)可 因此認(rèn)為是已知的，也就是說，機(jī)器已經(jīng)被指示沿著具有已知的半徑差異的 兩個(gè)工具路徑來掃描探頭。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這種假定是正確的，因?yàn)楫?dāng)進(jìn)行這兩種 掃描時(shí)機(jī)器位置的局部和整體機(jī)器誤差是相同的，或者任何差異是可忽略 的。與第一機(jī)器數(shù)據(jù)和第二機(jī)器數(shù)據(jù)之間的差異有關(guān)的機(jī)器位置差異值(例 如M2-M,)可因此方便地假定是已知的。
如下面將更詳細(xì)描述的，也可以得到一表達(dá)式，根據(jù)該表達(dá)式可以從在 第一和第二探頭偏轉(zhuǎn)進(jìn)行的掃描獲取的第一和第二組探頭輸出數(shù)據(jù)和機(jī)器 數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)器位置差異值(例如M2 - M！)(對(duì)于給定的純探頭校準(zhǔn)矩陣)。 對(duì)于每組獲得的數(shù)據(jù)所計(jì)算的機(jī)器位置差異值可以與已知值進(jìn)行比較。
有利的是，可以得到誤差值，該誤差值量化了已知的機(jī)器位置差異值和 計(jì)算的機(jī)器位置差異值之間的差異。然后運(yùn)用誤差最小化技術(shù)(例如最小平 方和的方法)，其中純探頭校準(zhǔn)矩陣的值迭代變化以最小化誤差。所述方法 的步驟(iii)可因此方便地包括步驟最小化所計(jì)算的機(jī)器位置差異值和所 述已知的機(jī)器位置差異值之間的誤差。
有利的是，所述第一機(jī)器數(shù)據(jù)包括一系列第一機(jī)器數(shù)據(jù)值，所述第二機(jī)器數(shù)據(jù)包括一 系列第二機(jī)器數(shù)據(jù)值。所述第 一機(jī)器數(shù)據(jù)值和所述第二機(jī)器數(shù) 據(jù)值優(yōu)選與具有相應(yīng)的表面法向量的機(jī)器位置有關(guān)。以上述例子為例，第一 和第二機(jī)器數(shù)據(jù)值可因此被布置成與相同角度的機(jī)器位置有關(guān)。該機(jī)器可被 布置成使得初始在兩種不同探頭偏轉(zhuǎn)掃描期間在相同角位置獲取機(jī)器位置 數(shù)據(jù)?？蛇x擇的是可以對(duì)第一或者第二機(jī)器位置數(shù)據(jù)進(jìn)行插值。也可以以類 似的方式對(duì)第 一或者第二探頭輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行插值。
一旦已經(jīng)使用上述方法建立了純探頭校準(zhǔn)矩陣，可以計(jì)算所謂的球桿數(shù) 據(jù)，下面會(huì)對(duì)此進(jìn)行更詳細(xì)的描述。該方法因此有利的包括步驟(iv)，即獲 取當(dāng)所述校準(zhǔn)物位于機(jī)器范圍內(nèi)的第一位置時(shí)從所述校準(zhǔn)物獲得的機(jī)器數(shù) 據(jù)和相應(yīng)的測(cè)量4果頭輸出。步驟(iv)可以包括取出上述方法的步驟(i)或 者步驟(ii)中獲取的機(jī)器數(shù)據(jù)和相應(yīng)的探頭輸出，或者可以包括收集進(jìn)一 步的數(shù)據(jù)。在步驟(i)和(ii)期間，第一位置可以對(duì)應(yīng)于校準(zhǔn)物的位置，
也可以與之不相對(duì)應(yīng)。然后可以執(zhí)行步驟(v)，其中使用在步驟(iii)中確
定的純探頭校準(zhǔn)矩陣來提供球桿數(shù)據(jù)，所述球桿數(shù)據(jù)允許被指示的機(jī)器運(yùn)動(dòng) 與實(shí)際機(jī)器運(yùn)動(dòng)比較。換句話說，知道純探頭校準(zhǔn)矩陣允許從掃描校準(zhǔn)物時(shí) 獲取的數(shù)據(jù)生成球桿圖(實(shí)際上不需要使用球桿)。
有利的是，步驟(v)包括為所述機(jī)器范圍內(nèi)的所述第一位置計(jì)算機(jī)器
幾何校準(zhǔn)矩陣。這種機(jī)器幾何校準(zhǔn)矩陣允許從所產(chǎn)生的觸針尖端位置數(shù)據(jù)去 除與機(jī)器有關(guān)的幾何誤差。
當(dāng)機(jī)器幾何誤差是整體誤差和局部誤差的結(jié)合以及它們的相互作用方 式時(shí)，機(jī)器幾何校準(zhǔn)矩陣僅從機(jī)器工作范圍的進(jìn)行校準(zhǔn)的區(qū)域去除機(jī)器誤 差。如果需要在該區(qū)域外進(jìn)行測(cè)量，則可以在工作范圍內(nèi)的不同位置進(jìn)行該 校準(zhǔn)方法，可能會(huì)針對(duì)所用測(cè)量條件產(chǎn)生獨(dú)立于機(jī)器誤差的機(jī)器誤差圖
(errormap)。如果需要，可因此重復(fù)步驟(iv),其中校準(zhǔn)物放置于機(jī)器范 圍內(nèi)的一個(gè)或者多個(gè)不同位置。通過這種方式，可以得到對(duì)于機(jī)器范圍內(nèi)的 多個(gè)不同位置的幾何校準(zhǔn)矩陣。
除此之外或者取而代之的是，建立機(jī)器(幾何)誤差還可以將根據(jù)本發(fā) 明確定的純探頭校準(zhǔn)矩陣用在校正動(dòng)態(tài)誤差的方法中?？梢酝ㄟ^使用相同的 觸針偏轉(zhuǎn)以不同的速度進(jìn)行至少兩個(gè)掃描來實(shí)現(xiàn)。該方法可因此方便地包括 以兩個(gè)或者多個(gè)不同的速度掃描校準(zhǔn)物的步驟。方便的是，可以從以不同的速度掃描獲取的機(jī)器數(shù)據(jù)和探頭輸出確定動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)矩陣。最簡(jiǎn)單的方式是使 用之前使用的(例如步驟(i)或者步驟(ii)使用的)偏轉(zhuǎn)之一以不同的速 度進(jìn)行進(jìn)一步的校準(zhǔn)掃描。有利的是，以第一掃描速度進(jìn)行步驟(i)，然后 以第二掃描速度重復(fù)步驟(i)。通過這種方式，僅僅需要一次額外的掃描(例 如以第二速度)來建立動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)矩陣。
在其最簡(jiǎn)單的形式中，動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)矩陣允許在第一掃描速度收集的機(jī)器位 置數(shù)據(jù)映射至在第二掃描速度收集的機(jī)器位置數(shù)據(jù)。為了使得能夠執(zhí)行變速 掃描，由于探頭速度的變化產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)誤差必須被建立或者對(duì)于進(jìn)行測(cè)量的 每個(gè)速度被插值。因此可以以多個(gè)速度(例如三個(gè)或更多、四個(gè)或更多、五 個(gè)或更多)掃描校準(zhǔn)物，以允許隨后以可變的速度進(jìn)行測(cè)量。掃描校準(zhǔn)物的 速度的數(shù)量因此取決于動(dòng)態(tài)校正所需的精度和在測(cè)量掃描過程中可能使用 的速度的范圍。也優(yōu)選的是，在每個(gè)偏轉(zhuǎn)進(jìn)行多次掃描，每次在所使用的范 圍內(nèi)以不同的速度進(jìn)行，這提高了插值處理的精度。
與幾何校準(zhǔn)矩陣相同的是，動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)矩陣隨著機(jī)器范圍內(nèi)的校準(zhǔn)物的位 置而變化。如果需要，可因此確定多個(gè)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)矩陣。也可以對(duì)于工作范圍 內(nèi)的一個(gè)或者多個(gè)位置建立組合的幾何和動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)矩陣。
應(yīng)當(dāng)注意的是，現(xiàn)有技術(shù)不允許分開探頭、機(jī)器幾何和動(dòng)態(tài)誤差補(bǔ)償矩 陣。在已知的校準(zhǔn)處理中，不能夠以可變的速度進(jìn)行掃描，因?yàn)闄C(jī)器誤差對(duì) 于動(dòng)態(tài)誤差的影響是非線性的或者是不可預(yù)知的。相反，本發(fā)明允許單獨(dú)建 立這些誤差中的每一個(gè)，由此提高測(cè)量精度。
上述矩陣(例如純探頭校準(zhǔn)矩陣，幾何校準(zhǔn)矩陣和動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)矩陣)可有 利地實(shí)施為任何合適的形式。例如，這種矩陣可以采取函數(shù)陣列的形式或者
可以包括一個(gè)或者多個(gè)查找表(LUT)。方便的是， 一個(gè)或者多個(gè)矩陣可以 是多維的。
有利的是，所述測(cè)量探頭的掃描軸相互正交(即，探頭可以采用笛卡爾 坐標(biāo)系統(tǒng))。類似的，機(jī)器可以采用笛卡爾坐標(biāo)系統(tǒng)。方便的是，探頭坐標(biāo) 系統(tǒng)的軸與所述機(jī)器坐標(biāo)系統(tǒng)的軸表面上平行。盡管這里描述了笛卡爾幾 何，本發(fā)明可以釆用任何類型的機(jī)器和/或探頭幾何。例如，測(cè)量探頭可以輸 出極坐標(biāo)數(shù)據(jù)，該極坐標(biāo)數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換為笛卡爾機(jī)器坐標(biāo)系統(tǒng)。盡管該方法可 以實(shí)施以提供三維中的探頭和機(jī)器軸之間的映射，但還應(yīng)當(dāng)注意，該技術(shù)同樣適用于二維應(yīng)用。
有利的是，步驟(i)和(ii)包括沿著跨過校準(zhǔn)物的表面的基本上相同 的路徑掃描所述測(cè)量探頭的所述觸針尖端。方便的是，步驟(i)和(ii)每 個(gè)都包括在一個(gè)或者多個(gè)平面內(nèi)掃描校準(zhǔn)物的表面。例如，可以采用下面參 照?qǐng)D2描述的多平面掃描技術(shù)。但是，應(yīng)當(dāng)理解，可以采用任何掃描路徑。
盡管該方法描述為包括以第一和第二探頭偏轉(zhuǎn)進(jìn)行的兩種掃描，但是應(yīng) 當(dāng)注意，可以額外地進(jìn)行以不同的探頭偏轉(zhuǎn)的一個(gè)或者多個(gè)進(jìn)一步的掃描。 例如，該方法還可包括使用第三、第四、第五等探頭偏轉(zhuǎn)來掃描校準(zhǔn)物以獲 得第三、第四、第五等機(jī)器數(shù)據(jù)的步驟。
盡管可以采用任何形狀的校準(zhǔn)物，但是校準(zhǔn)物有利地包括球體。還應(yīng)當(dāng)
機(jī)器可以包括機(jī)床、坐標(biāo)測(cè)量機(jī)器或者類似物。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種測(cè)量裝置，其包括測(cè)量探頭、機(jī)器和 校準(zhǔn)物，其中，所述測(cè)量探頭具有觸針，所述觸針具有工件接觸尖端，所述 測(cè)量探頭安裝在所述機(jī)器上，所述機(jī)器包括用于控制所述測(cè)量探頭的運(yùn)動(dòng)的 控制器，其中，所述控制器被布置成執(zhí)行校準(zhǔn)程序以確定探頭校準(zhǔn)矩陣，所
述探頭校準(zhǔn)矩陣使探頭輸出與機(jī)器坐標(biāo)系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)，所述控制器被布置成
(i) 使所述測(cè)量探頭用第一探頭偏轉(zhuǎn)掃描校準(zhǔn)物，以便獲得第一機(jī)器數(shù)據(jù)；
(ii) 使所述測(cè)量探頭用第二探頭偏轉(zhuǎn)掃描校準(zhǔn)物，以便獲得第二機(jī)器數(shù)據(jù)； 以及(iii)使用所述第一機(jī)器數(shù)據(jù)和所述第二機(jī)器數(shù)據(jù)獲得純探頭校準(zhǔn)矩陣， 其中基本上消除了任何機(jī)器誤差。該控制器還可被布置成實(shí)施根據(jù)上述本發(fā) 明的第 一方面的方法的任何步驟。


以下將通過附圖示例性地描述本發(fā)明。其中:
圖1示意性示出了測(cè)量探頭；
圖2示意性示出校準(zhǔn)過程的掃描；
圖3示意性示出了不同偏轉(zhuǎn)的探頭的校準(zhǔn)；
圖4示出了測(cè)量系統(tǒng)的幾何關(guān)系；以及
圖5示意性示出了球桿圖。
具體實(shí)施例方式
圖1示出了探頭10，該探頭10的一端通過空心軸12鏈接到機(jī)床上，觸 針14位于探頭10的遠(yuǎn)端，該觸針14具有工件接觸尖端16。該機(jī)床包括床 身20,工件或者該情況下的校準(zhǔn)球體18位于該床身20上。
探頭IO是模擬或者掃描探頭，產(chǎn)生與觸針的在其三個(gè)正交(笛卡爾) 掃描軸上的任何偏轉(zhuǎn)有關(guān)的探頭偏轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)。這里原始的探頭偏轉(zhuǎn)輸出稱為a， b， c坐標(biāo)值。該機(jī)床還包括位置編碼器或者類似物，用于測(cè)量空心軸在機(jī)器 坐標(biāo)(X, Y, Z)幾何中的位置，即提供所謂的機(jī)器數(shù)據(jù)。
為了提供對(duì)觸針尖端位置的測(cè)量，必須將探頭(a, b, c)坐標(biāo)系統(tǒng)中 進(jìn)行的測(cè)量轉(zhuǎn)換成到機(jī)器(X, Y, Z)坐標(biāo)系統(tǒng)。為了提供這種轉(zhuǎn)換，已知 獲得所謂的探頭矩陣(Am+P)來將(a, b, c)探頭數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到機(jī)器(X, Y, Z)坐標(biāo)系統(tǒng)。這允許探頭數(shù)據(jù)和機(jī)器數(shù)據(jù)相結(jié)合，以便提供探頭的尖端在 機(jī)器(X, Y， Z)坐標(biāo)中的位置(并因此提供物體表面上的點(diǎn)在機(jī)器(X, Y, Z)坐標(biāo)中的位置)。
美國(guó)專利文獻(xiàn)US6909983中描述了用于獲得這種探頭矩陣的方法。該方 法涉及使用單個(gè)探頭偏轉(zhuǎn)(d)來圍繞校準(zhǔn)球體掃描觸針。特別的是，美國(guó) 專利文獻(xiàn)US6909983中描述了如何在機(jī)器坐標(biāo)系統(tǒng)的每個(gè)平面內(nèi)進(jìn)行雙向 掃描。這也在圖2中進(jìn)行了顯示，其中已經(jīng)選才奪三個(gè)正交平面50， 52和54, 分別對(duì)應(yīng)于機(jī)器軸的x， y平面、x, z平面和y， z平面。在這些掃描過程中 獲取的機(jī)器數(shù)據(jù)和探頭偏轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)然后用在迭代(最小平方和)處理中，以尋 求最佳的探頭矩陣。該最優(yōu)化過程基于最小化與球面上的確定位置有關(guān)的徑 向誤差。
美國(guó)專利文獻(xiàn)US6909983中描述的校準(zhǔn)過程因此使得可以使用下述矩 陣方程來建立尖端位置
尖端位置二A一P+M (1)
其中，M是機(jī)器數(shù)據(jù)，P是探頭(a, b, c)數(shù)據(jù)，A一是用于將探頭(a, b， c)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成機(jī)器坐標(biāo)幾何的(最優(yōu)化的)探頭校準(zhǔn)矩陣。重要的是， 應(yīng)當(dāng)注意，這項(xiàng)現(xiàn)有技術(shù)產(chǎn)生了包括探頭(p)和機(jī)器(m)誤差的探頭校準(zhǔn) 矩陣。在機(jī)器工作區(qū)域的不同部分(即其中機(jī)器誤差是不同的)重復(fù)進(jìn)行校準(zhǔn)過程，會(huì)產(chǎn)生具有不同數(shù)值的探頭校準(zhǔn)矩陣。如果要獲得高精度的測(cè)量數(shù)
據(jù)，則可能需要在每個(gè)不同位置找到探頭校準(zhǔn)矩陣Ap+m。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種改進(jìn)的校準(zhǔn)技術(shù)，其允許找到純探頭校準(zhǔn)矩陣。
換句話說，提供了用于找到校準(zhǔn)矩陣(AP)的方法，該校準(zhǔn)矩陣不包括來自
機(jī)器誤差的明顯影響。根據(jù)本發(fā)明的方法涉及通過使用至少兩個(gè)不同的觸針 偏轉(zhuǎn)來進(jìn)行測(cè)量，下面將進(jìn)行更詳細(xì)的描述。
參照?qǐng)D3a， 3b和3c，分別示出了零偏轉(zhuǎn)、偏轉(zhuǎn)d,和偏轉(zhuǎn)d2的探頭10a, 10b和10c。在全部三種情況中，探頭尖端均與校準(zhǔn)球體18接觸。下面將詳 細(xì)描述該方法的步驟。
在第一步驟中，確定探頭尖端16的?？课恢?。該停靠位置表示為探頭 零位置(P。)。這種找到?？课恢玫淖钋懊娴牟襟E防止了探頭尖端從真正的停 靠位置的任何偏轉(zhuǎn)被用在隨后的校準(zhǔn)計(jì)算中。應(yīng)當(dāng)注意，這個(gè)起始步驟是可 選的，可以假定任意的一個(gè)探頭零位置(P。)。
執(zhí)行第二步驟，找到校準(zhǔn)球體的中心。至少需要對(duì)球體表面的四個(gè)點(diǎn)進(jìn) 行測(cè)量，以便估算球體中心的位置。國(guó)際專利申請(qǐng)WO 00/25087更詳細(xì)描述 了用于找到球體中心的方法。第二步驟使得能夠選擇校準(zhǔn)路徑，以確保探頭 尖端在整個(gè)校準(zhǔn)過程與校準(zhǔn)球體接觸，并具有大致所需的偏轉(zhuǎn)量。該步驟可 以僅提供球體中心位置的估計(jì)，球體中心可以如下面描述的作為隨后最優(yōu)化 過程中的變量。可選擇的是，該步驟中找到的球體中心位置可以在隨后的最 優(yōu)化過程中是固定的(即，假定是已知的)。
如圖3b所示，圍繞校準(zhǔn)球體18掃描具有大致恒定的觸針偏轉(zhuǎn)山的測(cè)量 探頭。為了方便起見，沿著上述圖2所示的路徑在機(jī)器坐標(biāo)系統(tǒng)的每個(gè)平面 上進(jìn)行掃描。但是，應(yīng)當(dāng)理解，被掃描的三個(gè)平面不一定需要是正交的。但 是，圖2所示類型的掃描過程是優(yōu)選的，因?yàn)樗鼈兇_保了觸針尖端基本上沿 著校準(zhǔn)球體的表面追蹤基本上相同的路徑，而與探頭偏轉(zhuǎn)量無(wú)關(guān)。在掃描過 程中，機(jī)器數(shù)據(jù)(x, y, z)和相應(yīng)的探頭偏轉(zhuǎn)(a， b， c)的數(shù)據(jù)在掃描路 徑周圍的多個(gè)點(diǎn)上被收集。
應(yīng)當(dāng)理解，可以沿著一個(gè)方向掃描圖2所示的路徑，也可以進(jìn)行雙向掃 描。雙向掃描的優(yōu)點(diǎn)在于，從純探頭校準(zhǔn)矩陣去除了與方向有關(guān)的效應(yīng)(例 如，摩擦，拖曳等)。可選擇的是，可以在不同方向進(jìn)行單獨(dú)的純探頭校準(zhǔn)矩陣的計(jì)算以用于掃描。
如圖3C所示，使用大致恒定的第二觸針偏轉(zhuǎn)(12重復(fù)進(jìn)行雙向掃描過程。
在第二掃描過程中，圍繞掃描路徑在多個(gè)點(diǎn)收集機(jī)器數(shù)據(jù)組(x， y, z)和 相應(yīng)的探頭偏轉(zhuǎn)組(a， b， c)的數(shù)據(jù)對(duì)。
用于第一和第二掃描的合適的偏轉(zhuǎn)的例子是50 ju m和500 ju m。兩種掃 描都可以以例如250mm/s的速度進(jìn)行。
參照?qǐng)D4,現(xiàn)在描述為上面參照?qǐng)D3描述的兩個(gè)不同的偏轉(zhuǎn)(d,和d2) 獲得的數(shù)據(jù)如何被用來計(jì)算純探頭校準(zhǔn)矩陣。
圖4a示出了第一掃描(即觸針偏轉(zhuǎn)為山的掃描)的幾何圖形。可以看 出，校準(zhǔn)球體在X-Y平面的表面限定了半徑為R的圓80,圍繞半徑為S,的 圓82掃描機(jī)器空心軸，以提供所述觸針偏轉(zhuǎn)山。因此，可以表示為
及2 =《+尺/ + 2M々o力 (2)
其中，M,是機(jī)器向量的長(zhǎng)度，Ki是機(jī)器坐標(biāo)中探頭向量的長(zhǎng)度，Prqh 是機(jī)器坐標(biāo)中的探頭向量在表面法向量N上的數(shù)學(xué)投影。
可以對(duì)圖4b的第二掃描幾何形狀建立類似的表達(dá)式，其中，圍繞半徑 為S2的圓84掃描機(jī)器的空心軸，以提供觸針偏轉(zhuǎn)(12。其表達(dá)式為
i 2 = Mj +《+碼尸ra力 (3)
其中，M2是機(jī)器向量的長(zhǎng)度，K2是機(jī)器坐標(biāo)中探頭向量的長(zhǎng)度，Proj2 是機(jī)器坐標(biāo)中的探頭向量在(相同)表面法向量N上的數(shù)學(xué)投影。 結(jié)合表達(dá)式(2)和(3)生成如下表達(dá)式
如上所述，fd和K2是在機(jī)器坐標(biāo)(X, Y， Z)幾何中定義的距離。K, 和K2的值可以分別通過向量長(zhǎng)度Q!和Q2給出(即K,lle,l，K2叫l(wèi)込l),其 中，向量Q,和Q2通過下列表達(dá)式與探頭(a， b, c)幾何中獲得的測(cè)量值相 關(guān)
Q一p(P廣P。) (5a) Q2=Ap(P2-P0) (5b)
13其中，Pi和P2分別是第一和第二觸針偏轉(zhuǎn)的^:頭坐標(biāo)系統(tǒng)中的測(cè)量點(diǎn)(a， b， c), P。是未偏轉(zhuǎn)的探頭位置(也定義在探頭坐標(biāo)系統(tǒng)中)，Ap是純探頭校 準(zhǔn)矩陣，其允許從探頭幾何轉(zhuǎn)換成機(jī)器幾何。純探頭校準(zhǔn)矩陣可以根據(jù)需要 是線性的或者非線性的。如果純探頭校準(zhǔn)矩陣是非線性的，應(yīng)當(dāng)注意，P,和 P2也可以包括更高階探頭偏轉(zhuǎn)(a, b， c)的函數(shù)。
機(jī)器長(zhǎng)度值Mi和M2也可以包括球體中心值(x。， y。， zQ)，其表達(dá)式為
<formula>formula see original document page 14</formula>(6a)
<formula>formula see original document page 14</formula>(6b)
其中，第一和第二掃描的機(jī)器位置數(shù)據(jù)分別為(Xl, yi， z。和(X2， y2，
z2)。
將表達(dá)式(5 )和(6 )結(jié)合到表達(dá)式(4 )中得出一個(gè)表達(dá)式，其中MrM2 與在第一和第二偏轉(zhuǎn)(即偏轉(zhuǎn)Pi和P2)獲取的探頭數(shù)據(jù)(a， b, c)和在第 一和第二偏轉(zhuǎn)獲取的相應(yīng)的機(jī)器數(shù)據(jù)(x, y, z)相關(guān)。此外，該表達(dá)式還 包括作為變量的探頭校準(zhǔn)矩陣(AP)和球體中心位置(Xq, yo, zQ)。如果需 要，尖端半徑也可以作為變量包括在其中。
M,-M2的標(biāo)稱值是觸針偏轉(zhuǎn)為山和d2時(shí)測(cè)量的機(jī)器位置的差，因此可 以認(rèn)為是已知的。對(duì)于上述給出的例子，對(duì)于第一和第二掃描的合適的探頭 偏轉(zhuǎn)(山和d2)可以是50iam和500|am。這可通過如下方式實(shí)現(xiàn)圍繞半 徑差已知為450 |i m的兩個(gè)環(huán)形工具if各徑掃描才幾器。因此可以j艮定MrM2的 值為450 jum。
如上所述，在兩個(gè)不同偏轉(zhuǎn)d,和(12的情況下在球體表面的多個(gè)點(diǎn)處獲 取探頭數(shù)據(jù)和機(jī)器數(shù)據(jù)。每個(gè)掃描因此產(chǎn)生多對(duì)(例如，n對(duì))機(jī)器位置(x， y, z)數(shù)據(jù)和探頭(a， b， c)測(cè)量數(shù)據(jù)。
在理想的情況下，在山掃描期間獲得的n對(duì)數(shù)據(jù)中的每對(duì)數(shù)據(jù)與在d2 掃描期間獲得的n對(duì)數(shù)據(jù)涉及相同的角坐標(biāo)(并因此涉及相同的表面法向量 N)。但是，實(shí)際上，在第一掃描(即偏轉(zhuǎn)為di的掃描)時(shí)獲取的數(shù)據(jù)對(duì)的 表面法向量N不可能與在第二掃描(即觸針偏轉(zhuǎn)為d2的掃描)時(shí)獲取的數(shù) 據(jù)對(duì)的表面法向量N精確對(duì)應(yīng)。因此可在一組數(shù)據(jù)上進(jìn)行插值處理(例如線性插值)，以提供偏轉(zhuǎn)山和d2的數(shù)據(jù)組，其包括與相同的表面法向量對(duì)應(yīng)的 一系列機(jī)器位置數(shù)據(jù)值。
之后，可以將n個(gè)獲取的數(shù)據(jù)的總體差值誤差表示為
<formula>formula see original document page 15</formula>(7)
其中，"Act,'是對(duì)于第i組數(shù)據(jù)使用表達(dá)式(4)的右側(cè)得到的M廣M2 的實(shí)際值，"Nom，，是MrM2的標(biāo)稱值或者已知值。表達(dá)式(7 )因此允許進(jìn) 行數(shù)值的、最小平方和的誤差最小化處理，以得到上述變量。特別的是，這 個(gè)最小化處理生成沒有任何機(jī)器誤差的探頭校準(zhǔn)矩陣(Ap)。該最小化處理 也可用來得到球體中心位置(x。， ya, z。)，但是如果之前已經(jīng)測(cè)量為足夠高 的精度，則其可以作為常量包括在最優(yōu)化處理中。如果需要，尖端半徑也可 以作為變量包括在誤差最小化處理中。
一旦已經(jīng)得到探頭校準(zhǔn)矩陣，給出如下用于將探頭坐標(biāo)(a， b， c)轉(zhuǎn) 換成機(jī)器坐標(biāo)(x, y, z)的表達(dá)式
<formula>formula see original document page 15</formula>(8)
其中，a， b， c分別是用于A， B， C探頭軸的探頭讀數(shù)；a。， b。， c。是未 偏轉(zhuǎn)的探頭讀數(shù)(靜止讀數(shù))；以及線性校準(zhǔn)矩陣為
<formula>formula see original document page 15</formula>(9)
因此，例如
<formula>formula see original document page 15</formula>(10)
對(duì)于二維系統(tǒng)，可以將探頭校準(zhǔn)矩陣簡(jiǎn)單的減少為二乘二矩陣。如果需 要，也可以計(jì)算非線性純探頭校準(zhǔn)矩陣(例如三乘五或者三乘七的矩陣)， 其中，也可以包括更高階的項(xiàng)。在該例子中，應(yīng)當(dāng)理解，探頭數(shù)據(jù)也可以包括更高階的項(xiàng)。
上述技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于，與現(xiàn)有技術(shù)的方法不同，提供的純校準(zhǔn)矩陣不包 括任何機(jī)器誤差。 一旦已經(jīng)得到純探頭校準(zhǔn)矩陣，就可以執(zhí)行下一步驟來得 到在機(jī)器的某一區(qū)域或者某些區(qū)域的機(jī)器誤差。特別的是， 一旦已經(jīng)得到純 探頭矩陣△ p,就可使用校準(zhǔn)的探頭得到機(jī)器幾何誤差。
這里，應(yīng)當(dāng)注意的是，用于確定機(jī)器幾何誤差的最普通的技術(shù)是所謂的
球桿測(cè)試(ball bar test )。球桿測(cè)試是確定〗笨頭運(yùn)動(dòng)的球形度的校準(zhǔn)過程。 在歐洲專利文獻(xiàn)EP0508686中描述了球桿測(cè)試的一個(gè)例子，其中機(jī)器主軸通 過可延伸的桿(球桿)連接到固定于機(jī)床上的樞轉(zhuǎn)接頭上。在該例子中，球 桿具有內(nèi)部換能器，用于當(dāng)指示機(jī)器主軸穿過樞轉(zhuǎn)接頭中心的圓時(shí)測(cè)量球桿
的長(zhǎng)度。
現(xiàn)有技術(shù)的球桿技術(shù)的結(jié)果是所謂的球桿圖。圖5示出了這種球桿圖的 一個(gè)例子。具體而言，圖5示出了如何指示機(jī)器描繪某一半徑的圓(例如真 圓60)。從真圓60的任何偏離被球桿記錄，并且可以被繪出圖形62以顯示 機(jī)器的精度。然后已知的是，應(yīng)用幾何校正來補(bǔ)償機(jī)器的幾何誤差，即使得 機(jī)器按指示穿過真圓。
根據(jù)本發(fā)明的方法允許建立球桿圖，而不需要實(shí)際的球桿。考慮沿著圍 繞校準(zhǔn)球體的赤道的輪廓(例如在x-y平面)獲取的一組探頭和機(jī)器數(shù)據(jù)。 該機(jī)器和探頭數(shù)據(jù)可以是當(dāng)如上所述計(jì)算純探頭矩陣時(shí)獲取的數(shù)據(jù)，或者可 以單獨(dú)獲取。探頭尖端(a， b)讀數(shù)可以乘以純探頭矩陣Ap,并被加到機(jī)器 (x, y)讀數(shù)。換句話說，球桿數(shù)據(jù)可以通過如下表達(dá)式給出
球桿數(shù)據(jù)-ApP+M (11)
其中，P是探頭數(shù)據(jù)，M是機(jī)器數(shù)據(jù)。使用表達(dá)式(11)計(jì)算的球桿數(shù) 據(jù)因此提供了圖5所示類型的球桿圖。該技術(shù)是有利的，因?yàn)榭梢垣@得與探 頭運(yùn)動(dòng)路徑(即工具路徑)有關(guān)的信息，而不需要使用球桿進(jìn)行單獨(dú)的校準(zhǔn) 處理。
在已經(jīng)計(jì)算出球桿數(shù)據(jù)之后，可以以 一種已知的方式得到補(bǔ)償數(shù)據(jù)并將 其應(yīng)用到尖端位置數(shù)據(jù)，以減小這些幾何誤差。換句話說，可以得到補(bǔ)償矩 陣以將圖5所示的繪制為62的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成真圓60。因此尖端位置可以被表示為i。下表達(dá)式
尖端位置-ApP+AnM (12)
其中，Am是補(bǔ)償，其在被應(yīng)用到機(jī)器數(shù)據(jù)(M)時(shí)，去除幾何補(bǔ)償。應(yīng) 當(dāng)注意，導(dǎo)致由補(bǔ)償A^校正的機(jī)器幾何誤差的一個(gè)原因來自控制機(jī)器x和y 的運(yùn)動(dòng)的伺服電機(jī)的反沖(backlash )。
還應(yīng)當(dāng)記住，根據(jù)本發(fā)明的方法提供的純探頭校準(zhǔn)矩陣△ p獨(dú)立于機(jī)器 誤差，所述機(jī)器誤差與機(jī)器工作范圍內(nèi)的位置有關(guān)，在該機(jī)器工作范圍內(nèi)進(jìn) 行測(cè)量以獲得所述純探頭校準(zhǔn)矩陣。從探頭校準(zhǔn)矩陣排除機(jī)器誤差還有利于 進(jìn)行可變速度的掃描。換句話說，本發(fā)明還允許對(duì)系統(tǒng)的任何動(dòng)態(tài)誤差進(jìn)行 計(jì)算，并相應(yīng)地補(bǔ)償測(cè)量數(shù)據(jù)。
為了確定動(dòng)態(tài)誤差，可以以選擇的偏轉(zhuǎn)(例如di)但不同的速度進(jìn)行兩 個(gè)校準(zhǔn)掃描，例如，掃描的兩個(gè)極端速度可以是250隱/s和330腿/s。假設(shè) 所有的其他條件具有可忽略的差異，則通過兩個(gè)不同的速度的掃描獲得的讀 數(shù)之間的差異導(dǎo)致了動(dòng)態(tài)誤差。這允許計(jì)算動(dòng)態(tài)誤差補(bǔ)償矩陣Aa,其補(bǔ)償了 尖端位置數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)誤差。
對(duì)于位于兩個(gè)所選的掃描速度之間的掃描速度，可以對(duì)動(dòng)態(tài)誤差補(bǔ)償功 能進(jìn)行徑向插值。如果必要，可以進(jìn)行額外的校準(zhǔn)掃描，以增加插值的精確 度。有利的是，所選擇的偏轉(zhuǎn)要么是山，要么是(12，因?yàn)檫@可減小所需的校 準(zhǔn)掃描的次數(shù)。 一旦已經(jīng)計(jì)算出動(dòng)態(tài)誤差補(bǔ)償，能夠進(jìn)行可變速度的掃描， 由此提供對(duì)部件的更快的測(cè)量，而不會(huì)損失數(shù)據(jù)或者分辨率。
由于速度變化產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)誤差補(bǔ)償(△ a )可以以多種方式應(yīng)用到所獲取 的數(shù)據(jù)。 一種方式是首先以上述方式使用球桿數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)器誤差補(bǔ)償矩陣
(Am)，以便在機(jī)器范圍區(qū)域中對(duì)局部誤差和整個(gè)機(jī)器誤差進(jìn)行補(bǔ)償，所述
多速度掃描在所述機(jī)器范圍區(qū)域中進(jìn)行。然后以不同的速度以之前使用的偏 轉(zhuǎn)之一進(jìn)行進(jìn)一步掃描。然后可以根據(jù)以相同偏轉(zhuǎn)不同的速度進(jìn)行的兩個(gè)掃
描之間的差異得到動(dòng)態(tài)誤差補(bǔ)償矩陣(Aa)。這允許通過如下表達(dá)式給出尖
端位置
尖端位置=ApP+AaAJ (13)應(yīng)當(dāng)注意，盡管這里描述的矩陣(△)可以采取上述例子中描述的幾何 矩陣的形式，但是實(shí)際上，該矩陣也可以實(shí)施為任何形式。例如，每個(gè)矩陣 可以包括一個(gè)或者多個(gè)查找表或者類似物。在動(dòng)態(tài)補(bǔ)償矩陣的情況下，可以
將多個(gè)動(dòng)態(tài)誤差補(bǔ)償矩陣Aa以查找表(LUT)的形式提供，其在以一定的預(yù) 定范圍內(nèi)的速度掃描時(shí)被使用。
還可以提供組合的幾何/動(dòng)態(tài)補(bǔ)償矩陣(Aa+m),其通過減去從以相同偏 轉(zhuǎn)不同的速度進(jìn)行的兩個(gè)掃描獲得的球桿數(shù)據(jù)而計(jì)算獲得。所得到的球桿數(shù) 據(jù)然后可以被用來計(jì)算動(dòng)態(tài)機(jī)器誤差的組合補(bǔ)償矩陣(Aa+m)，具體如下表達(dá) 式所示
尖端位置=ApP+U, (14)
對(duì)于這兩種技術(shù)，幾何和動(dòng)態(tài)誤差補(bǔ)償通常僅對(duì)于已經(jīng)進(jìn)行了掃描的位 置而言是精確的。如果機(jī)器的工作范圍內(nèi)的其他位置用于測(cè)量掃描，可以對(duì) 所述其他位置或者其中的一些重復(fù)進(jìn)行校準(zhǔn)處理，以能夠?qū)Σ煌恢弥g的 誤差補(bǔ)償進(jìn)行插值。
如果在產(chǎn)生校準(zhǔn)補(bǔ)償矩陣的校準(zhǔn)過程中進(jìn)行順時(shí)針和逆時(shí)針掃描，則可 以產(chǎn)生組合校準(zhǔn)矩陣，其將會(huì)平均化動(dòng)態(tài)誤差或者可以對(duì)每個(gè)方向產(chǎn)生校準(zhǔn) 矩陣。
校準(zhǔn)物優(yōu)選為球體，因?yàn)槠浣o出最不復(fù)雜的結(jié)果，但是，可以采用任何 的其他形狀，例如，可以使用彎曲的形狀例如卵形體。在這種情況下，球桿 圖根據(jù)卵形體而非球體發(fā)生變化。也可以使用具有小平面的物品，但是，由 于當(dāng)釆用高速時(shí)恒定的加速度難以保持，所以這可能會(huì)增加計(jì)算的復(fù)雜程 度。
應(yīng)當(dāng)注意，這里描述的速度、探頭偏轉(zhuǎn)等表示可以被使用的典型速度， 其指示以例子的形式給出以助于理解本發(fā)明。根據(jù)本發(fā)明可以根據(jù)需要使用 其他速度、探頭偏轉(zhuǎn)和掃描路徑等。例如，如果在校準(zhǔn)之后要測(cè)量具有微小 特征的物品，那么所釆用的速度將會(huì)小得多，例如是3 5mm/ s而不是2 5 Oram/ s 。 因此，在這些例子中使用的速度僅僅只是示例，在一些情況下，可以比給出 的速度更高或者更低。
權(quán)利要求
1. 一種校準(zhǔn)安裝在機(jī)器上的測(cè)量探頭的方法，所述測(cè)量探頭具有觸針，所述觸針具有工件接觸尖端，其中，所述方法包括確定探頭校準(zhǔn)矩陣，所述探頭校準(zhǔn)矩陣使探頭輸出與機(jī)器坐標(biāo)系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)，所述方法包括如下步驟(i)使用第一探頭偏轉(zhuǎn)掃描校準(zhǔn)物，以便獲得第一機(jī)器數(shù)據(jù)；(ii)使用第二探頭偏轉(zhuǎn)掃描校準(zhǔn)物，以便獲得第二機(jī)器數(shù)據(jù)；以及(iii)使用所述第一機(jī)器數(shù)據(jù)和所述第二機(jī)器數(shù)據(jù)獲得純探頭校準(zhǔn)矩陣，其中基本上消除了任何機(jī)器誤差。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述探頭輸出包括在探 頭坐標(biāo)系統(tǒng)中定義的探頭輸出數(shù)據(jù)，其中，步驟(i)還包括獲取與所述第一 機(jī)器數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)的第一探頭輸出數(shù)據(jù)，所述步驟(ii)還包括獲取與所述第 二機(jī)器數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)的第二探頭輸出數(shù)據(jù)，所述步驟(iii)包括使用所述第一 機(jī)器數(shù)據(jù)、所述第二機(jī)器數(shù)據(jù)、所述第一探頭輸出數(shù)據(jù)和所述第二探頭輸出 數(shù)據(jù)來獲取純探頭校準(zhǔn)矩陣。
3. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所 述步驟(iii)包括使用數(shù)值處理來確定所述純探頭校準(zhǔn)矩陣。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，機(jī)器位置差異值假定是 已知的，所述機(jī)器位置差異值與所述第一機(jī)器數(shù)據(jù)和所述第二機(jī)器數(shù)據(jù)之間 的差相關(guān)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述步驟(iii)包括對(duì) 所計(jì)算的機(jī)器位置差異值和所述已知的機(jī)器位置差異值之間的誤差進(jìn)行最 小化處理。
6. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所 述第 一機(jī)器數(shù)據(jù)包括一 系列第 一機(jī)器數(shù)據(jù)值，所述第二機(jī)器數(shù)據(jù)包括一 系列 第二機(jī)器數(shù)據(jù)值，所述第一機(jī)器數(shù)據(jù)值和所述第二機(jī)器數(shù)據(jù)值與具有相應(yīng)的 表面法向量的機(jī)器位置有關(guān)。
7. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所 述純探頭校準(zhǔn)矩陣包括至少一個(gè)查找表。
8. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，還包括如下步驟 (iv )獲取當(dāng)所述校準(zhǔn)物位于機(jī)器范圍內(nèi)的第一位置時(shí)從所述校準(zhǔn)物獲得的機(jī)器數(shù)據(jù)和相應(yīng)的測(cè)量探頭輸出；以及(v)使用在步驟(iii)中確定的純探頭校準(zhǔn)矩陣來提供球桿數(shù)據(jù)，所 述球桿數(shù)據(jù)允許被指示的機(jī)器運(yùn)動(dòng)與實(shí)際機(jī)器運(yùn)動(dòng)進(jìn)行比較。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，步驟(v)包括計(jì)算用于 所述機(jī)器范圍內(nèi)的所述第一位置的機(jī)器幾何校準(zhǔn)矩陣。
10. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，包括以兩個(gè)或者 多個(gè)不同的速度掃描校準(zhǔn)物的步驟。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，以第一掃描速度執(zhí)行 步驟(i)，然后以第二掃描速度重復(fù)步驟(i)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求10到11中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于， 根據(jù)以不同速度進(jìn)行的掃描的機(jī)器數(shù)據(jù)和探頭輸出確定動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)矩陣。
13. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所 述測(cè)量探頭的掃描軸相互正交，并且與所述機(jī)器坐標(biāo)系統(tǒng)的相互正交的軸表 面上平行。
14. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，步 驟(i)和(ii)包括沿著跨過校準(zhǔn)物表面的基本上相同的路徑掃描所述測(cè)量 探頭的所述觸針尖端。
15. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，步 驟(i)和(ii)每個(gè)都包括在一個(gè)或者多個(gè)平面內(nèi)掃描校準(zhǔn)物的表面。
16. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所 述校準(zhǔn)物包括球體。
17. —種測(cè)量裝置，其包括測(cè)量探頭、機(jī)器和校準(zhǔn)物，其中，所述測(cè)量 探頭具有觸針，所述觸針具有工件接觸尖端，所述測(cè)量探頭安裝在所述機(jī)器上，所述機(jī)器包括用于控制所述測(cè)量探頭的運(yùn)動(dòng)的控制器，其中，所述控制 器被布置成執(zhí)行校準(zhǔn)程序以確定探頭校準(zhǔn)矩陣，所述探頭校準(zhǔn)矩陣使探頭輸 出與機(jī)器坐標(biāo)系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)，所述控制器被布置成(i) 使所述測(cè)量探頭用第一探頭偏轉(zhuǎn)掃描校準(zhǔn)物，以便獲得第一機(jī)器數(shù)據(jù)；(ii) 使所述測(cè)量探頭用第二探頭偏轉(zhuǎn)掃描校準(zhǔn)物，以便獲得第二機(jī)器 數(shù)據(jù)；以及(iii) 使用所述第一機(jī)器數(shù)據(jù)和所述第二機(jī)器數(shù)據(jù)獲得純探頭校準(zhǔn)矩陣，其中基本上消除了任何機(jī)器誤差。
全文摘要
描述了一種校準(zhǔn)安裝在機(jī)器上的測(cè)量探頭(10)的方法。所述測(cè)量探頭(10)具有觸針(14)，所述觸針(14)具有工件接觸尖端(16)。所述方法包括確定探頭校準(zhǔn)矩陣，所述探頭校準(zhǔn)矩陣使探頭輸出(a，b，c)與機(jī)器坐標(biāo)系統(tǒng)(x，y，z)相關(guān)聯(lián)。所述方法包括如下步驟使用第一探頭偏轉(zhuǎn)(d₁)掃描校準(zhǔn)物(18)，以便獲得第一機(jī)器數(shù)據(jù)；使用第二探頭偏轉(zhuǎn)(d₂)掃描校準(zhǔn)物，以便獲得第二機(jī)器數(shù)據(jù)。使用所述第一機(jī)器數(shù)據(jù)和所述第二機(jī)器數(shù)據(jù)獲得純探頭校準(zhǔn)矩陣，其中基本上消除了任何機(jī)器誤差。有利的是，所述方法基于第一和第二機(jī)器位置之間的差異是已知的假定通過數(shù)值處理確定所述純探頭矩陣。
文檔編號(hào)G01B21/04GK101432592SQ200780015298
公開日2009年5月13日 申請(qǐng)日期2007年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月26日
發(fā)明者亞歷山大·坦南特·薩瑟蘭 申請(qǐng)人:瑞尼斯豪公司