在機(jī)床上進(jìn)行模擬測量掃描的方法和對應(yīng)的機(jī)床設(shè)備的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種測量人工制品（arte化ct)的方法，具體地說，設(shè)及一種使用安裝 在機(jī)床上的模擬測量工具掃描人工制品的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 已知在機(jī)床主軸上安裝測量探頭來相對于工件進(jìn)行運(yùn)動，W便對工件進(jìn)行測量。 在實(shí)踐上，例如，如在美國專利No. 4, 153, 998 (McMud^)中描述的，探頭通常是接觸觸發(fā) 式探頭，當(dāng)探頭的觸針接觸工件表面時，該種探頭產(chǎn)生觸發(fā)信號。該觸發(fā)信號被獲取到機(jī)床 的數(shù)字控制器（NC)的所謂的"跳躍"輸入端。作為響應(yīng)，對象和工件的相對運(yùn)動停止，控制 器獲取機(jī)床位置（即；主軸與探頭相對于機(jī)床的位置）的瞬時讀數(shù)。該是從機(jī)床的測量裝 置（例如編碼器）獲得的，測量裝置在機(jī)床運(yùn)動的伺服控制環(huán)中提供位置反饋信息。使用該 種系統(tǒng)的缺點(diǎn)是，如果需要大量的測量點(diǎn)，則測量過程相對緩慢，從而導(dǎo)致測量時間較長。
[0003] 還已知模擬測量探頭（一般還被稱為掃描探頭）。接觸式模擬探頭通常包括用 于接觸工件表面的觸針W及位于探頭內(nèi)的換能器，該換能器測量觸針相對于探頭本體的偏 轉(zhuǎn)。在美國專利No. 4,084,323(McMudry)中示出了一個示例。在使用時，相對于工件的表 面移動模擬探頭，從而觸針掃描所述表面并且從探頭換能器的輸出獲得連續(xù)的讀數(shù)。將探 頭偏轉(zhuǎn)輸出和機(jī)床位置輸出組合，可W獲得坐標(biāo)數(shù)據(jù)，由此在整個掃描的非常大量的點(diǎn)處 發(fā)現(xiàn)工件表面的位置。模擬探頭因而可W獲得比使用接觸觸發(fā)式探頭在實(shí)踐上可獲得的更 詳細(xì)的工件表面的形式的測量。
[0004] 如將理解的（W及下面連同圖2更詳細(xì)地描述的），模擬探頭具有有限的測量范 圍。此外，模擬探頭可能具有優(yōu)選的測量范圍。模擬探頭可能能夠獲得位于其優(yōu)選測量范圍 之外的數(shù)據(jù)，但是在該范圍之外獲得的數(shù)據(jù)可能并不是優(yōu)選的，例如，該是因?yàn)槠淇赡鼙徽J(rèn) 為是比在優(yōu)選測量范圍內(nèi)獲得的數(shù)據(jù)不精確的數(shù)據(jù)。優(yōu)選測量范圍的邊界可能根據(jù)許多不 同因素而變化，該些因素包括探頭的類型、所使用的校準(zhǔn)程序、W及甚至例如正被測量的對 象。在許多情況下，確保模擬探頭在其沿著工件的表面掃描時都保持位于其優(yōu)選測量范圍 內(nèi)可能是優(yōu)選的。接觸式模擬探頭的優(yōu)選測量范圍可W在任何給定維度中例如為+/-〇.8mm 或更小，例如在某些情況下，在任何給定維度中如+/-〇. 3mm-樣小。（該些值可W根據(jù)觸針 休止位置測量）。此外，實(shí)際優(yōu)選測量范圍可能甚至比W上給出的數(shù)字更小，該是因?yàn)闉榱?進(jìn)入優(yōu)選測量范圍可能需要最小量的偏轉(zhuǎn)。因而，盡管優(yōu)選測量范圍可能為距離休止位置 的+/-0. 5mm，但是至少起初的+/-0. 5mm的偏轉(zhuǎn)或者例如起初的+/-0. 1mm的偏轉(zhuǎn)可能不在 該優(yōu)選測量范圍內(nèi)（同樣，該將在下面連同圖2更詳細(xì)地說明）。因而，如將理解的，需要實(shí) 時管理探頭/工件的位置關(guān)系，W避免模擬探頭落入其優(yōu)選測量范圍之外的情形。
[0005] 該就是為什么盡管模擬探頭本身已經(jīng)已知多年但仍然通常僅僅供專用的坐標(biāo)測 量機(jī)器（CMM)使用的原因。CMM具有專用的實(shí)時控制環(huán)，W便能夠?qū)μ筋^偏轉(zhuǎn)進(jìn)行該種管 理。具體地說，在CMM中，設(shè)置一個控制器，在該控制器中加載一個程序，該程序限定了測量 探頭相對于工件運(yùn)動所沿的預(yù)定運(yùn)動路線。該控制器從所述程序產(chǎn)生馬達(dá)控制信號，該些 馬達(dá)控制信號用來啟動馬達(dá)w引起測量探頭運(yùn)動。該控制器還從機(jī)床的編碼器接收實(shí)時 位置數(shù)據(jù)并且從模擬探頭接收偏轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)（在接觸式探頭的情況下）。為了適應(yīng)工件的材料 狀況的變化，存在專用的控制環(huán)布置。該包括反饋模塊，上述的馬達(dá)控制信號和偏轉(zhuǎn)數(shù)據(jù) 被饋送到該反饋模塊中。所述反饋模塊使用邏輯來（根據(jù)偏轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)）連續(xù)地更新偏移控 制向量，該偏移控制向量又用來在從所述程序產(chǎn)生的上述馬達(dá)控制信號被發(fā)送到CMM之前 調(diào)節(jié)上述馬達(dá)控制信號，從而在模擬探頭掃描工件時將探頭偏轉(zhuǎn)盡量保持在優(yōu)選測量范圍 內(nèi)。該些都是在小于1ms至2ms的響應(yīng)時間的情況下在閉環(huán)控制環(huán)內(nèi)發(fā)生的。例如，在W0 2006/115923中描述了該些。此外，在之前可從民enishaw飯plc獲得的切clone?數(shù)字機(jī)器 中實(shí)現(xiàn)了該種使用來自模擬探頭本身的實(shí)時數(shù)據(jù)的實(shí)時控制環(huán)。在該機(jī)器中，模擬探頭被 控制成沿著預(yù)定路徑前進(jìn)，該路徑具體為橫跨含有未知對象的邊界區(qū)域的2D光柵路徑。當(dāng) 在其路徑中檢測到未知或意外的特征時，運(yùn)動速度顯著降低，從而可W利用實(shí)時控制在未 知或意外的特征上不丟失特征表面地或不使探頭過度偏轉(zhuǎn)地引導(dǎo)模擬探頭。此外，如果/ 當(dāng)在未知或意外的特征附近掃描的探頭再次位于隨后的光柵掃描上時，則隨后預(yù)測存在未 知或意外的特征，從而使得速度降低W能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時控制W在意外的特征上引導(dǎo)探頭。
[0006] 該種對探頭位置的緊密控制W及實(shí)時處理觸針偏轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)的能力使得該種專用的CMM能夠掃描從預(yù)期形狀偏離的復(fù)雜物品，甚至能夠掃描未知形狀的物品。
[0007] 時至今日，模擬探頭尚未廣泛用于機(jī)床掃描應(yīng)用。該是因?yàn)樵S多商業(yè)上可獲得的 機(jī)床的固有性質(zhì)所決定的，該些機(jī)床不方便對CMM提供的模擬探頭進(jìn)行實(shí)時控制。該是因 為機(jī)床主要被開發(fā)用來對工件進(jìn)行機(jī)械加工，在機(jī)床上使用測量探頭來對工件進(jìn)行測量實(shí) 質(zhì)上是之后才想到的。因此，機(jī)床通常并不是被構(gòu)造成用來使用來自模擬測量探頭的數(shù)據(jù) 進(jìn)行實(shí)時控制。實(shí)際上，往往是該種情況，即機(jī)床的控制器沒有任何用于從測量探頭直接接 收偏轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)的內(nèi)置設(shè)置。相反，例如如在W02005/065884中描述的，探頭必須與一個接口進(jìn) 行通信（例如W無線的方式），所述接口接收探頭偏轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)并且將數(shù)據(jù)傳送至單獨(dú)的系統(tǒng)， 該系統(tǒng)隨后將偏轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)與機(jī)床位置數(shù)據(jù)結(jié)合，從而隨后形成完整的對象測量數(shù)據(jù)。
[000引該使得難W在機(jī)床上使用模擬探頭來獲得關(guān)于已知對象的掃描測量數(shù)據(jù)，因?yàn)閬?自對象的預(yù)期形狀的任何變化都可能導(dǎo)致探頭過度偏轉(zhuǎn)并因而致使測量過程失?。ǘ?CMM上，探頭的運(yùn)動路線可W被足夠快速地更新W確保探頭不會過度偏轉(zhuǎn)）。該還使得難W 在機(jī)床上使用模擬探頭來獲得關(guān)于未知對象的掃描測量數(shù)據(jù)，因?yàn)樵摫厝灰笞銐蚩焖俚?更新探頭的運(yùn)動路線從而避免過度偏轉(zhuǎn)。
[0009] 已經(jīng)提出了用于克服在機(jī)床上使用模擬掃描探頭的問題的技術(shù)。例如，已知一種 點(diǎn)滴饋送（化ipfeed)技術(shù)，其中將程序指令W點(diǎn)滴饋送方式加載到機(jī)床的控制器中。具 體地說，每個指令都使得探頭移動微小距離（即小于探頭的優(yōu)選偏轉(zhuǎn)范圍），并且對探頭的 輸出進(jìn)行分析W確定偏轉(zhuǎn)的程度，該偏轉(zhuǎn)的程度又用來產(chǎn)生將要被饋送到控制器的下一個 指令。然而，該種技術(shù)相比于能夠在CMM上使用模擬掃描探頭進(jìn)行的掃描技術(shù)來說仍然受 到極大限制。具體地說，該種方法非常慢且效率低下。
[0010] W02008/074989描述了一種用于測量已知對象的過程，該過程設(shè)及如下步驟：如 果第一測量操作導(dǎo)致過度偏轉(zhuǎn)或欠偏轉(zhuǎn)，則根據(jù)所調(diào)整的路徑重復(fù)測量操作。
[0011] 當(dāng)在機(jī)床上使用模擬探頭時該問題可能被進(jìn)一步復(fù)雜化，因?yàn)橛捎谄錁?gòu)造（該使 得它們能夠在比機(jī)床提供的環(huán)境更嚴(yán)酷的環(huán)境中使用，并且例如當(dāng)它們自動改變到機(jī)床主 軸內(nèi)/從機(jī)床主軸出來時它們暴露于更大的加速度和力），它們經(jīng)常具有比供CMM使用的那 些探頭小得多的測量范圍，例如在任何給定維度中為+/-〇.8mm或更?。◤挠|針休止位置測 量），例如在一些情況下，在任何給定維度中為+/-〇. 5mm或更小，并且例如在一些情況下在 任何給定維度中不大于+/-〇. 3mm。因此，與在CMM上使用的模擬探頭相比，該會給予誤差更 小的余量。如上所述，為了進(jìn)入優(yōu)選測量范圍，還可能需要最小偏轉(zhuǎn)。
[0012] 作為具體示例，測量范圍可W由0. 725mm的最大偏轉(zhuǎn)和0. 125mm的最小偏轉(zhuǎn)（從 觸針休止位置測量）來限定。因而，在該種情況下，該可能意味著表面可能在保持精確測量 的同時可能距離標(biāo)稱+/-〇. 3mm。然而，該數(shù)字可能更小，對于表面不確定性來說，已知可W 與+/-0. 1mm-樣小，該相當(dāng)于大約+/-0. 325mm的最大探頭偏轉(zhuǎn)和+/-0. 125mm的最小探頭 偏轉(zhuǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種使用安裝在機(jī)床設(shè)備上的模擬測量探頭建立 用于對象的表面的測量數(shù)據(jù)組的方法，該機(jī)床設(shè)備通過多個偏移的橫向移動來獲得所述表 面的掃描測量數(shù)據(jù)，其中隨后的橫向移動從之前的橫向移動偏移，使得通過一系列橫向移 動，所述模擬探頭的表面檢測區(qū)域i)側(cè)向地橫跨所述對象并且/或者ii)遠(yuǎn)離或朝向所述 對象前進(jìn)，并且其中用于至少一個隨后的橫向移動的所述對象和模擬探頭的相對運(yùn)動路線 是基于在至少一個之前的橫向移動過程中獲得的數(shù)據(jù)生成和/或更新的。
[0014] 因而，從之前的橫向移動獲得的測量數(shù)據(jù)可W用來確定沿著隨后的橫向移動的運(yùn) 動路線。該能夠提高獲得掃描測量數(shù)據(jù)的效率。具體地說，該能夠用來確保所述模擬探頭 和對象在隨后的橫向移動過程中避免不期望的情形，例如接觸式模擬探頭過度偏轉(zhuǎn)（例如 W不能（例如，可靠地）獲得測量數(shù)據(jù)的程度延伸或延伸超過不能（例如，可靠地）獲得測 量數(shù)據(jù)的程度，并且/或者W所述模擬探頭冒著斷裂的風(fēng)險的程度延伸或延伸超過所述模 擬探頭冒著斷裂的風(fēng)險的程度）。在優(yōu)選在第一（例如，優(yōu)選）測量范圍內(nèi)獲得數(shù)據(jù)的實(shí)施 方式中，該可W用來幫助避免所述模擬探頭超過其優(yōu)選測量范圍（例如，獲得超過其優(yōu)選 測量范圍的數(shù)據(jù)）。在一些情況下，該可W用來幫助維持所述模擬探頭的測量值在其第一 (例如，優(yōu)選）測量范圍內(nèi)。
[0015] 如將理解的，模擬探頭的表面檢測區(qū)域可W是所述模擬探頭能夠檢測到所述對象 的表面并因此收集關(guān)于所述對象的測量數(shù)據(jù)的空間區(qū)