亚星游戏官网-www.yaxin868.com

专利名称：用于探针尖端直径校准的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及坐标测量机器，更具体地，涉及用于校准坐标测量机器的探针尖端的方法和装置。
背景技术：
坐标测量机器(CMM)常用于工件的尺寸检验。典型地，工件被固定到工作台，并且诸如使用触摸传感器的探针在CMM的臂上在测量空间内三维移动以在各个点处接触工件。 当探针接触工件时，读取χ、y和ζ方向上的测量刻度以获得工件上的接触点的位置坐标。 通过接触工件上的各个点，可以获得工件特征的测量结果。CMM使用的探针组件常常包括伸长的探针柄，其在第一末端处安装到CMM的臂，并且球形探针尖端位于探针柄的第二末端处。探针柄的伸长的形状允许探针尖端进入凹陷以及工件的难于到达的区域。探针尖端常常以若干不同角度中的一个角度安装到CMM臂，这允许对探针柄进行配向以使其进入工具的不同部分和/或以优选的或最优的接近角度接近工件的表面。探针尖端常常具有球形形状和有限的直径，而非是尖的或者具有其他形状。较之探针尖端具有尖的尖端的情况，被整形为球形的探针尖端典型地防止探针柄接触工件并且允许探针以探针组件和工件之间的范围广的接近角度接近工件。然而，被整形为球形的探针尖端可以在探针尖端自身上的不同的点处与工件接触，使得在确定机器的刻度所测量的实际接触点时需要对偏移进行补偿。可以使用工件和探针尖端之间的接近方向、探针尖端的直径和/或工件表面的通常取向的知识来识别在探针尖端上发生与工件的接触的位置， 并且识别与其相关联的任何偏移。CMM典型地使用校准过程和校准件来确定或确认探针尖端的直径。准确确定探针尖端的直径对于CMM进行的测量的精度是重要的，因为探针尖端直径测量的任何不准确可能致使CMM进行的测量不准确。

发明内容
提供了一种用于以改进的精度和可靠性确定探针尖端直径的方法，从而其改进 CMM进行的测量的精度。在探针尖端校准期间可能出现系统变化的、动态类型的位置误差。 当应对高精度测量时，这些误差并非是无关紧要的。在使CMM的臂位于不同机器位置的情况下执行多次用于确定探针尖端直径的过程产生了关于系统变化的、动态类型的位置误差的不同的误差值，因为许多这些误差取决于尖端沿机器轴的位置。针对在不同机器位置处执行的过程对这些系统变化的、动态类型的位置误差取平均允许进行更精确的测量。通过在不同机器位置处执行多次用于确定探针尖端直径的过程而生成的平均探针尖端直径产生的直径测量结果，较之通过单独的探针尖端直径校准过程达到的探针尖端直径测量结果，可靠地更接近于实际的探针尖端直径。根据一个方面，公开了一种用于确定经由探针柄安装到坐标测量机器的臂的探针
6尖端的直径的方法。臂可以在X轴方向、1轴方向和Z轴方向中的每个方向上在CMM的测量空间内移动。χ轴方向、y轴方向和ζ轴方向均彼此正交。探针柄可以移动到相对于臂的不同的角位置。该方法包括在探针柄位于相对于臂的第一角位置的情况下，通过使用校准件执行校准过程来确定探针尖端的第一直径测量结果。在用于确定第一直径测量结果的校准过程期间，至少在一个接触点处，臂位于沿χ轴方向的第一 χ轴位置、沿y轴方向的第一 y 轴位置和沿ζ轴方向的第一 ζ轴位置。探针柄移动到与第一角位置不同的、相对于臂的第二角位置。在探针柄位于相对于臂的第二角位置的情况下，通过使用校准件执行校准过程来确定探针尖端的第二直径测量结果。在用于确定第二直径测量结果的校准过程期间，至少在与用于确定第一直径测量结果的校准过程期间的至少一个接触点对应的一个接触点处， 臂位于沿χ轴方向的第二 χ轴位置、沿y轴方向的第二 y轴位置和沿ζ轴方向的第二 ζ轴位置。第二 χ轴位置、第二 y轴位置和第二 ζ轴位置中的至少两个分别与第一 χ轴位置、第一 y轴位置和第一 ζ轴位置不同。对第一直径测量结果和第二直径测量结果取平均以确定探针尖端的直径。根据另一方面，公开了一种用于确定经由探针柄安装到坐标测量机器的臂的探针尖端的直径的方法。臂可以在X轴方向、y轴方向和Z轴方向中的每个方向上在CMM的测量空间内移动。χ轴方向、y轴方向和ζ轴方向均彼此正交。该方法包括在校准件位于测量空间内的第一校准件位置的情况下，通过使用校准件执行校准过程来确定探针尖端的第一直径测量结果。在用于确定第一直径测量结果的校准过程期间，至少在一个接触点处，臂位于沿χ轴方向的第一 χ轴位置、沿y轴方向的第一 y轴位置和沿ζ轴方向的第一 ζ轴位置。 校准件移动到与第一校准件位置不同的、测量空间内的第二校准件位置。在校准件位于测量空间内的第二校准件位置的情况下，通过使用校准件执行校准过程来确定探针尖端的第二直径测量结果。在用于确定第二直径测量结果的校准过程期间，至少在与用于确定第一直径测量结果的校准过程期间的至少一个接触点对应的一个接触点处，臂位于沿χ轴方向的第二 χ轴位置、沿y轴方向的第二 y轴位置和沿ζ轴方向的第二 ζ轴位置。第二 χ轴位置、第二 y轴位置和第二 ζ轴位置中的至少两个分别与第一 χ轴位置、第一 y轴位置和第一 Z轴位置不同。对第一直径测量结果和第二直径测量结果取平均以确定探针尖端的直径。根据另一方面，讨论了一种用于确定经由探针柄安装到坐标测量机器的臂的探针尖端的直径的方法。臂可以在X轴方向、y轴方向和Z轴方向中的每个方向上在CMM的测量空间内移动。χ轴方向、y轴方向和ζ轴方向均彼此正交。臂沿χ轴方向的移动与系统变化的χ轴位置误差相关联。臂沿y轴方向的移动与系统变化的y轴位置误差相关联。臂沿ζ 轴方向的移动与系统变化的ζ轴位置误差相关联。该方法包括通过使用校准件执行校准过程来确定探针尖端的第一直径测量结果。在用于确定第一直径测量结果的校准过程期间， 至少在一个接触点处，臂位于与第一 χ轴位置误差值相关联的第一 χ轴位置、与第一 y轴位置误差值相关联的第一 y轴位置和与第一 ζ轴位置误差值相关联的第一 ζ轴位置。通过使用校准件执行校准过程来确定探针尖端的第二直径测量结果。在用于确定第二直径测量结果的校准过程期间，至少在与用于确定第一直径测量结果的校准过程期间的至少一个接触点对应的一个接触点处，臂位于与第二 χ轴位置误差值相关联的第二 χ轴位置、与第二 y轴位置误差值相关联的第二 y轴位置和与第二 ζ轴位置误差值相关联的第二 ζ轴位置，第二 χ轴位置误差值、第二 y轴位置误差值和第二 ζ轴位置误差值分别与第一 χ轴位置误差值、第一 y轴位置误差值和第一 ζ轴位置误差值不同。对第一直径测量结果和第二直径测量结果取平均以确定探针尖端的直径。根据又一方面，公开了一种用于确定经由探针柄安装到坐标测量机器的臂的探针尖端的直径的方法。臂可以在X轴方向、y轴方向和Z轴方向中的每个方向上在CMM的测量空间内移动，其中χ轴方向、y轴方向和ζ轴方向均彼此正交。该方法包括使用校准件执行校准过程，其中限定探针尖端和校准件之间的第一和第二接触点集合。与第一接触点集合的至少一个接触点相关联的机器位置相对于与第二接触点集合的至少一个接触点相关联的机器位置的差别在于沿χ轴方向的χ轴位置、沿y轴方向的y轴位置和沿ζ轴方向的 ζ轴位置至少之一。根据第一接触点集合确定第一直径测量结果。根据第二接触点集合确定第二直径测量结果。对第一直径测量结果和第二直径测量结果取平均以确定探针尖端的直径。本发明的各种实施例涉及用于确定在探针柄中安装到坐标测量机器的臂的探针尖端的直径的方法、装置、系统和软件/固件。


附图并非旨在依比例绘制。在附图中，各图中所示的每个相同的或者几乎相同的部件由同样的附图标记表示。为了清楚，并未在每幅图中标出每个部件。在附图中图1是传统的桥型CMM的顶部透视图；图2是根据一个实施例的探针组件和校准球的部件的顶部透视图；图3是表示根据一些实施例的，与电机制动相关联的位置误差以及CMM中的探针位置的其他类型的变化的第一分量误差的曲线图；图4是表示根据一个实施例的，用于校准探针尖端的方法的流程图，该方法包括使校准球移动到测量空间内的不同位置；图5是表示根据一个实施例的，用于校准探针尖端的方法的流程图，该方法包括在校准过程之间改变探针组件的角度；以及图6是根据一个实施例的，在校准过程期间的校准球和可以由探针尖端在校准球上实现的接触点的顶部透视图。
具体实施例方式本发明的方面涉及用于以减小系统变化的位置误差的影响的方式校准CMM使用的探针尖端的方法。根据一些方面，可以利用将探针保持在第一机器位置的臂来执行用于确定探针尖端直径的校准过程。校准过程可以导致第一探针尖端直径测量结果，其包括与第一机器位置相关联的系统变化的位置误差。随后可以使机器位置变为第二机器位置，并且可以重复校准过程以确定第二探针尖端直径测量结果，其具有与第二机器位置相关联的系统变化的位置误差。第一和第二位置的系统变化的位置误差可以具有不同的值。可以对第一和第二探针尖端直径测量结果以及任何随后测量的探针尖端直径测量结果取平均以产生探针尖端直径测量结果，这可以减小系统变化的位置误差的影响。根据一个方面，可以通过将包括探针尖端和探针柄的探针组件配向在相对于CMM 的臂的不同的角位置，针对不同的校准过程变更机器位置。对于随后的校准过程，将探针尖端设置在不同的角位置使机器沿χ轴、y轴和ζ轴中的两个或更多个重新定位，即使其中对于每次校准过程，校准件保持在同一位置。随后对利用处于不同取向的探针组件得到的探针尖端直径测量结果取平均以产生不易受因系统变化的位置误差导致的误差的影响的直径测量结果。根据另一方面，用于确定探针尖端直径的校准过程中使用的校准件可以移动到 CMM的测量空间内的不同位置。随后可以在校准件和CMM的臂位于不同机器位置的情况下重复校准过程。作为示例，可以在校准件在测量空间内的第一位置处安装到CMM的工作台的情况下，对校准件执行校准过程，校准件常常是校准球。校准件随后可以移动并且在测量空间内的第二位置处安装到工作台，从而在校准件位于第二位置的情况下第二次执行校准过程。可以对第一和第二校准过程以及所执行的任何额外的校准过程的得到的直径测量结果取平均以提供探针尖端直径测量结果。图1中图示了传统的桥型CMM 10。CMM 10包括基部12、工件16固定到其的工作台14、臂18以及安装到臂的用于感测和以信号形式通知与工件的接触的探针组件20。探针组件20可以沿三个正交轴x、y和ζ在测量空间各处移动。对于沿y轴22的移动，桥M 由两个导轨26可移动地支承。这些导轨可通过腿部28支承在基部12上。右和左导轨沈之一或两者包括刻度30，从其取得读数以建立桥的相应末端的位置。桥支承托架32，托架 32沿χ轴34在水平方向上移动，χ轴34垂直于桥的移动。可竖直移动的臂18安装到托架 32，臂18沿ζ轴36移动并且承载探针组件20。在典型的车间或制造环境中使用的CMM中，桥M可以由单个驱动器四驱动并且具有设置在与具有驱动器四的导轨相对的导轨26上的一组刻度30。导轨沈典型地包括轴承(未示出)，桥对沿该轴承骑乘。在制造或车间环境中，与空气轴承相对，常常必须使用机械轴承，因为制造和车间环境不能被充分控制以防止灰尘干扰这些空气轴承的操作。出于这里的目的，术语“坐标测量机器”或者“CMM”通常指的是包括可以在测量空间各处移动以对其中的工件进行测量的探针(不论是接触型探针还是其他类型的探针)的任何类型的机器。为了易于理解，而非限制本发明的范围，这里对本发明的描述参照被配置为在制造车间地面上使用的桥型CMM进行。然而，将理解，本发明不限于与桥型CMM—起使用，而是可应用于任何类型的CMM，其包括但不限于，竖直型CMM、水平型CMM、手动CMM、托台型CMM和非接触型CMM。还应当理解，出于这里的目的，术语“工件”是设置在坐标测量机器的测量空间内、使得其可以被测量的任何物体。如这里使用的术语“机器位置”指的是探针组件20安装到其的臂18在CMM的测量空间内的位置。相似地，χ轴位置、y轴位置和ζ轴位置分别指的是臂18沿χ轴、y轴和ζ轴的位置。如图2中所示，探针组件20可以包括探针柄38，其可以在第一末端处安装到CMM 10的臂18 ；以及探针尖端40，其设置在探针柄38的第二末端处。可以调整探针柄38的角取向以适应具有不同几何特征的工件。如图所示，探针组件包括允许探针柄38以相对于延伸穿过CMM的臂18的轴42的固定角度转位，这种固定角度诸如30度、60度和/或90度角。此外，探针柄38在与轴42正交的平面中的不同位置处绕轴42转位，这些位置诸如彼此隔开45度或60度(如所示的)的位置。将认识到，图2仅图示了可以利用其使用本发明的方面的一种类型的探针组件，并且也可以使用其他探针组件，诸如非接触型探针。探针尖端40的形状可以是球形，以从不同的接近方向接触工件。使用探针尖端40
9的实际直径的准确知识来确定探针尖端和工件之间的实际接触点与球心之间的任何偏移， 该球心是机器刻度所测量的工件上的位置的有效位置。探针尖端直径的准确确定减小了测量误差并且防止与探针尖端直径测量相关联的不准确影响CMM进行的测量。与诸如机器10的CMM进行的测量相关联的误差，包括在探针尖端直径校准过程期间出现的误差，可以被分类为第一项分量和第二项分量。第一项分量与机器移动的动态特性相关联，并且典型地被赋予恒定值，而与机器位置或者正在测量的工件的长度无关。第二项分量通常与CMM的结构的形状相关联。例如，一种类型的第二项分量可以是沿每个轴的导轨的线性度，其作为正在测量的工件的长度的函数而变化。CMM的整体测量误差可以被表达为第一和第二项分量的组合，诸如例如0.0039mm+0. OOlmm χ L，其中0. 0039mm表示第一项分量而0.001mm χ L表示第二项分量乘以可以测量的零件的长度“L”。第一项分量可以包括常数和可变误差两者。恒定的第一项分量包括CMM的静态弯曲或挠曲以及摩擦的影响。摩擦可能在探针尖端前后行进时使得探针尖端的实际位置落后于如机器的刻度30指示的位置，引起了滞后误差。另一类型的恒定的第一项分量包括CMM的桥M或者其他可移动部件的旋转，特别是在桥仅由一对导轨沈中的一个导轨上的单个驱动器(为了降低机器成本而常见的)驱动时。在桥移动时，桥M的非驱动端处的摩擦可能使得非驱动端略微滞后于驱动端。该摩擦使桥绕竖直轴旋转，使得在桥M中存在偏航误差。较之刻度30测量的位置，该偏航误差影响安装到桥的探针尖端的实际位置。在美国专利No. 7，249，421中更详细地讨论了该类型的误差，该专利的整体内容通过引用合并于此。通过各种校准技术，诸如美国专利No. 7，249, 421中描述的技术，可以识别和补偿滞后误差、偏航误差和其他恒定的第一项分量。与这些类型的误差相关联的信息可以保存在存储器�？槟�、保存在软件�？槟�、作为固件的一部分保存、或者以任何其他适当的形式保存。然而，可变的第一项分量更难于识别和补偿。可变的第一项分量也可以包括具有随机器位置变更而改变的值的可变分量。各种现象可能对可变的第一项分量有贡献，其包括电机制动、惯性力、球轴承进入循环轴承的轨道、驱动器传送带打滑以及变化的摩擦等寸。电机制动指的是在诸如用于使CMM 10的臂18在测量空间各处移动的电机的电机中发生的位置、速度和加速度的系统变化。当电机线圈在电机旋转时移动穿过关于电机的磁场的优选位置时，可能引起电机制动。在许多情形中，如图3中所示，与电机制动相关联的位置M的变化是正弦的。在图3中的示例中，电机制动产生了具有约0. 004mm的峰峰幅度和约0. 5mm的波长的正弦变化。将认识到，图3中所示的值表示一个实施例，并且其他实施例中的电机制动可能导致具有不同曲线形状和幅值的系统变化的位置误差。与探针20在CMM 10的测量空间各处的移动相关联的惯性力也可以对可变的第一项分量有贡献。与臂18以及与探针一起在测量空间中从一个位置移动到另一位置的其他部件的质量相关联的惯性力可以根据这些部件的质量、轴改变以及移动速度而变化。臂18 和其他部件在移动期间，特别是在紧邻实现探针和工件之间的接触之前的加速和/或减速的程度可以影响惯性力引起位置误差的程度。较大的加速度和/或质量可能使CMM的结构挠曲并且随后引起谐振，引起进一步的测量误差。
此外或者可替选地，如可以在CMM中找到的在制造和车间环境中使用的机械轴承可以是系统变化的第一项分量误差的源。作为示例，轴承重新进入循环型球轴承的轨道可以引发系统重复的不稳定的运动。与球轴承重新进入相关联的位置误差在图3中被示出为位置的短跳(brief jump)56，其在CMM 10的臂在测量空间各处沿不同的轴中的任何一个或多个轴移动时约每60毫秒发生一次。与球轴承重新进入轴承轨道相关联的误差较之与电机制动相关联的误差，可以具有更长的波长和更小的幅度。然而，将认识到，图3表示由电机制动和球轴承循环引起的误差的一个示例，并且具有不同形状、幅值和波长的误差曲线也是可能的。除了作为潜在的位置误差源之外，机械轴承或“硬轴承”可以放大或加剧其他类型的可变的第一项分量误差的影响。硬轴承提供了机械路径，振动和相关联的位置误差可以通过该机械路径更容易地在CMM中传输。尽管空气轴承可以通过空气轴承自身的极低的摩擦界面来减小或者基本上消除电机制动、摩擦以及其他类型的误差的影响，但是空气轴承不能用在粗放的制造或车间环境中。此外或者可替选地，更高级的控制器可以帮助减小第一项分量误差。然而，这些控制器常常是昂贵的，并且可能不能成本有效地安装在适用于制造环境的CMM中。第一项分量类型的误差系统变化的方式可以随时间改变，进一步使这些类型的误差的识别和补偿复杂化。传送带以及与电机组合使用以使探针在机器的测量空间各处移动的其他传动部件可能打滑和/或随时间伸长，扰乱了一些第一项分量误差的系统性质。例如，如图3中的虚线58所表示的，与电机制动M相关联的正弦误差可能在传送带打滑或伸长时移位。此外或者可替选地，球轴承可以在循环型轴承中移位。该移位也可能引起第一项分量误差系统变化的方式的随时间的改变。系统变化的、第一项分量误差使得用于确定探针尖端40的直径的过程在不同的机器位置处重复时产生可变的结果。在多次的用于确定探针尖端直径的校准过程中有意识地包括系统变化的误差可以允许使这些误差最小。为了使这些误差最小或者对其进行补偿，可以在不同的机器位置处执行校准过程，导致了与不同的系统变化的误差(即，图3所示曲线上的不同点)相关联的直径测量。通过在进行多次直径确定时将直径测量的差异与a)在不同的直径校准过程进行期间的同一位置的机器；以及b)在不同的直径校准过程进行期间的不同机器位置的机器，进行比较，可以识别系统变化的误差影响直径测量的程度。此外或者可替选地，通过对在不同机器位置处执行校准过程而获得的直径测量结果取平均，可以减小系统变化的第一项分量误差对用于确定探针尖端直径的校准过程的影响。 短语“不同的机器位置”意味着在校准过程的相应的接触点处的χ、y和ζ轴中的一个或多个轴上的不同的刻度读数，因为如将认识到的，当正在执行校准过程时，刻度读数典型地随 CMM的臂的位置改变而改变。如图4的流程图中所呈现的，通过在CMM 10的测量空间内重新定位校准球44或者其他校准件，可以在校准过程之间变更机器位置。在动作100中可以将校准球44在第一位置安装到机器的工作台14(如图1中所示)并且可以在动作102中执行第一校准过程以产生第一直径测量结果。随后可以在动作104中在测量空间内重新定位校准球，使得在动作106中第二次重复校准过程以产生第二直径测量结果，其并入了第一项分量误差的不同值。动作102和106中使用的校准过程典型地是相同的并且对于本领域技术人员是已知的。将认识到，校准球可以移动并且校准过程可以重复任意次，包括高达2次、高达4次、高达5 次、高达6次、高达10次、高达20次甚或更多次以产生关于不同的系统变化的误差值的直径测量结果。随后可以在动作108中对通过每次校准过程获得的直径值取平均以提供受系统变化的误差影响程度较小的直径测量结果。如本领域技术人员将认识到的，校准球44可以在校准过程之间在仅沿单个轴(即，χ轴、y轴或ζ轴中的一个)变化的位置之间移动，或者在沿两个轴或沿所有三个轴变化的位置之间移动。此外或者可替选地，可以将多个校准球定位在测量空间内，并且可以针对每个校准球执行校准过程以产生与不同的机器位置相关联的直径测量结果，随后对它们取平均。可以使用其他技术在不同的机器位置处校准探针尖端。例如，如图5的流程图中所呈现的，可以仅通过改变探针柄38相对于CMM的臂18定位的角度来针对不同的校准过程使机器位置变更。如图所示，在动作110中将探针柄设定到相对于CMM的臂的第一角度， 并且在动作112中执行第一校准过程。在动作114中，随后将探针柄设定到不同于第一角度的第二角度，并且在动作116中执行第二校准过程。动作112和116中使用的校准过程典型地是相同的并且对于本领域技术人员是已知的。对于校准过程的相应的接触点，在校准过程之间改变探针柄角度使得机器位置改变。改变机器位置使不同的校准过程中的系统变化的误差值改变(例如，不同过程的接触点与图3中所示的曲线上的不同点相关联)。随后可以在动作118中对通过每次校准过程获得的直径值取平均以产生受系统变化的误差影响较小的直径值。在图5呈现的方法中，可以在没有与重新安放校准球44相关联的劳动并且不必将多个校准球44定位在测量空间内(如图4呈现的方法中的那样)的情况下，执行多次校准过程。此外或者可替选地，可以使用其他技术在校准过程之间变更CMM的机器位置，因为本发明的方面不限于此。例如，还可以在不重新安放校准件并且不变更探针柄38的角取向，使CMM位于不同的机器位置的情况下，通过进行测量来确定探针尖端直径。根据一个实施例，可以针对探针柄38的给定角取向使用不同的校准过程。在该实施例中，探针尖端在第一接触点集合处接触校准件并且随后至少在与第一接触点集合不同的第二接触点集合处接触校准件。第一接触点集合包括与如下机器位置相关联的至少一个点，该机器位置不同于与第二接触点集合中的至少一个接触点相关联的机器位置，它们的不同之处在于χ轴位置、y轴位置和ζ轴位置中的一个或多个。对于第三或第四或更多次测量可以分别使用第三、第四甚或更多的接触点集合。与每个集合中的一个或多个接触点相关联的机器位置不同于与每个其他接触点集合中的至少一个接触点相关联的机器位置。根据一个接触点集合确定的探针尖端直径与根据每个其他接触点集合确定的探针尖端直径不同。由于基于与图3中所示的曲线上的不同位置相关联的接触点来计算每个直径，因此根据不同接触点集合确定的探针尖端直径的差异反映了不同的第一项分量误差。随后可以对不同的探针尖端直径取平均。根据一个实施例，使用了三个不同的接触点集合，每个集合具有13个不同的接触点，总共有39个接触点。根据这三个集合确定三个探针尖端直径并且对这三个直径取平均。得到的平均探针尖端直径不易受第一项分量误差的影响。将认识到，可以使用不同数目的接触点和/或接触点子集，因为本发明不限于此。可以在机器启动时，或者在机器使用期间的任何其他时间执行探针尖端直径确定或者校准过程。根据一个示例性实施例，如图6中所示，通过在手动控制模式下引导探针20与校准球44接触来开始校准过程。初始接触点46可以使得探针柄38总体上与球表面正交。对于CMM 10的控制器，该测量识别球44的粗位置。随后通过接触设置在校准球44的初始接触点周围的三个点48来开始自动直径确定过程，该初始接触点还被称为校准球44 的“北极”。这三个额外的接触点48与初始接触点46组合，可用于计算校准球44的中心位置。如图6中所示，在球44的中心位置已知的情况下，探针20自动地移动以在相对于初始接触点46经向隔开的位置处测量球44的外径周围的七个额外的接触点50 (例如，如从球的中心位置测量的，相对北极成60度)。随后可以利用校准球44测量在相对于初始接触点成90度经向角度的圆周(例如，围绕校准球的“赤道”)周围的六个额外的接触点52。使用测量的探针尖端和校准球(或其他装置)之间的接触点确定探针尖端直径。根据一些实施例，使用预先已知的校准球44的实际直径和通过所有接触点46、48、50和52测量的球直径之间的差来确定探针尖端自身的直径。根据其他实施例，在直径计算器中可以仅使用一些接触点，诸如接触点48和50。将认识到，上述过程仅是可用于确定探针尖端直径的一个过程，并且可以使用其他过程，包括完全手动执行的直径确定过程、使用球以外的校准件的过程等等。如上文所述，由于探针尖端在不同的点处接触校准球，因此机器位置在用于确定探针尖端直径的校准过程期间变化。例如，当探针尖端在初始接触点处、三个额外的接触点 48、七个额外的接触点50以及六个额外的接触点52中的每个处进行接触时，机器位置是不同的。用于计算直径值的七个接触点50以及六个接触点52均受到系统变化的第一项分量误差的不同的和单独的影响，因为测量是在图3的曲线上的不同地点进行的。用于确定第一直径的这些接触点50和52以第一方式受系统变化的第一项分量误差的影响。相似地， 在CMM位于不同机器位置的情况下执行的第二校准过程采用的接触点50和52将以与第一机器位置不同的方式受系统变化的第一项分量误差的影响。因此通过对第一和第二直径值取平均来确定的直径值是更准确的，其中系统变化的第一项分量误差彼此抵消。例如，在χ 轴上方的系统变化的误差值抵消在χ轴下方的值(例如，如图3中所示)，反之亦然。就是说，从利用与图3中呈现的曲线的正侧相关联的机器位置执行的校准过程得到的探针尖端直径计算结果可以包括正误差。相似地，从利用与图3中呈现的曲线的负侧相关联的机器位置执行的校准过程得到的探针尖端直径计算结果可以包括负误差。这些负误差和正误差通过平均至少部分地彼此抵消。然而，如果机器位置在校准过程之间改变的距离等于系统变化的误差的波长，或者其整数倍，则可能针对相同的系统变化的误差执行直径计算，使得取平均对减小这些误差的影响小或者没有影响。因此使关于不同校准过程的机器位置改变的量不为系统变化的误差的整数倍可以有助于确保在不同机器位置处执行的校准过程事实上可以面向不同的系统变化的误差值。作为示例，在图3的实施例中，机器位置改变的值不是0.5微米(与特定CMM的电机制动相关联的误差的波长)的倍数或者6mm(与特定CMM的循环球轴承进入轴承轨道相关联的波长)的倍数。可以通过各种技术估计第一项分量误差的波长。第一项分量误差波长的知识可以允许以如下方式调整机器位置，该方式有助于在机器位置变更时确保CMM面向不同的系统变化的误差值。利用电机在完整的旋转期间体验的制动次数以及与将电机连接到CMM的移动部分的驱动轮和从动轮相关联的任何传动因子的知识，可以估计与电机制动相关联的第
13一项分量误差的波长。作为示例，根据一个实施例，电机的构造可以使得在20mm直径的枢轴的每次电机旋转中发生20次制动，导致以约0. 32mm的波长发生的制动。这是通过将每次旋转的致动次数除以与电机的一次旋转相关联的线性行进距离而计算的(即，Π乘以枢轴直径)。然而，位于电机枢轴和CMM的正在移动的部件之间的诸如从动轮、齿轮等的传动部件可能使部件在电机枢轴的每次旋转中移动的程度增加或减少。具有约1. 56的传动因子的传动装置可以使与上述电机相关联的0. 32mm的波长变为约0. 5mm的波长(0. 32mm χ 1. 56 = 0. 5mm)。利用平均球轴承间距的知识，也可以估计与球轴承进入循环轴承的轨道相关联的波长或周期，其粗略地等于轴承直径。在确定探针尖端40的直径之后，可以执行额外的过程以校准CMM的其他方面或者验证由探针尖端直径校准过程限定的直径。根据一些实施例，这些过程可以自动地或手动地运行，使探针尖端40接触光步规型校准件的表面。光步规校准件包括尺寸已知的块，其可以被测量以确定CMM的精度。可以针对校准球在测量空间内的每个新的探针柄角度或位置来执行这种机器限定。根据一些实施例，可以维持数据库，该数据库跟踪可以与特定的CMM—起使用的每个探针组件的直径测量结果。可以从数据库取得每个探针组件的直径测量结果并且对其取平均以提供在测量工件时使用的直径测量结果。在探针组件已被使用许多次之后，该数据库可以减少与变更机器位置和运行多次校准过程相关联的劳动和/或时间。根据一些实施例，对于探针组件，仅可以对最近的直径测量结果取平均，诸如在前一周、前一月或者其他时间框架内取得的测量结果。此外或者可替选地，可以使用不同数目的直径测量结果生成平均直径。根据一些实施例，CMM可以包括控制器和数据库，其控制校准过程的操作和直径测量结果的存储。控制器和数据库的组合(未示出)可以以若干种方式中的任何方式实现。 例如，控制器和数据库的组合可以使用硬件、软件或者它们的组合实现。当以软件实现时， 可以在任何适当的处理器或处理器组上执行软件代码，不论所述处理器是在单个计算机中提供的还是在分布在多个计算机中。应认识到，执行这里描述的功能的任何部件或者部件组可以被一般地视为控制这些功能的一个或多个控制器。一个或多个控制器可以以许多方式实现，诸如通过专用硬件或者通过通用硬件(例如，一个或多个处理器)，使用微代码或软件对该通用硬件编程以使其执行上述功能。一个或多个处理器可以包括在一个或多个主机计算机、一个或多个存储系统或者可以包括耦接到一个或多个控制器的一个或多个存储装置的任何其他类型的计算机中。在这一点上，应认识到，本发明的实施例的一个实现方案包括至少一个计算机可读介质(例如，计算机存储器、软盘、存储器棒、致密盘、磁带等)，其通过具有计算机程序 (即，多条指令)的形式的处理协议进行编码，该计算机程序在由控制器执行时执行这里讨论的本发明的实施例的功能。此外，应认识到，所提到的在被执行时执行这里讨论的功能的校准过程或控制器不限于在主机计算机上运行的应用程序。相反，这里在一般意义上描述的各种方法涉及可用于对处理器编程以实现这里讨论的本发明的方面的任何类型的计算机代码(例如，软件或微代码)。前面撰写的描述被认为足以使本领域技术人员实施本发明。本发明不限于下面的示例的范围，因为这些示例应被视为本发明的某些方面的说明。其他功能上等同的实施例
14也在本发明的范围内。示例示例 1利用如下探针组件进行直径测量，其中125mm长的柄38被设置在相对于CMM的臂 18的五个不同的角取向处。这五个角取向与五个不同的机器位置相关联。在这五个不同的机器位置中的每个位置处重复三次直径测量。下表1中示出了所得到的探针直径测量结果。所有直径测量结果以毫米为单位报告。用于识别探针柄角度的约定包括跟随有探针柄相对于臂18的中心轴42的角度的字母“A”以及跟随有探针柄绕臂18的中心轴42的旋转角度的字母“B”。表1 关于不同探针柄角度的探针直径测量结果
位置1 位置2 位置3 位置4 位置5 (AOBO) (A30B135) (A30B-135) (A30B45) (A30B-45)2.99742.99662.99642.99852.9983
2.99772.9963 2.9964 2.9984 2.9980
2.99782.9964 2.9962 2.9984 2.9982直径测量结果跨越不同的机器位置在约0. 002mm的范围内变化，偶尔增加到约 0. 003/0. 004mm的范围，其表示系统变化的第一项分量误差。然而，在同一机器位置处取得
的测量结果基本上变化较小。在某一位置重复取得的直径测量结果可能向操作人员提供错误信念，因为直径测量结果自身重复，该直径测量结果是“好的”，并且不受系统变化的误差影响。校准球随后移动到CMM的工作台上的不同的χ轴和y轴位置。在探针组件位于相对于CMM的臂的五个不同的角取向中的每个处的情况下，再次进行直径测量。如同与表1 相关联的校准过程，在五个不同的机器位置中的每个位置处重复三次直径测量。下表2中示出了所得到的探针直径测量结果。所有直径测量结果以毫米为单位报告。表2 关于不同探针柄角度以及校准球处于不同χ轴和y轴位置的探针直径测量结果
位置1 位置2 位置3 位置4 位置5 (AOBO) (A30B135) (A30B-135) (A30B45) (A30B-45)2.99692.99772.99772.99712.9954 2.9967 2.9975 2.9979 2.9967 2.9956
2.9966 2.9981 2.9977 2.9972 2.9960表2中报告的直径再次跨越约0. 002mm的范围变化，相同机器位置处的连续运行跨越较小的范围变化。还注意到，跨越相同机器位置处的重复运行，范围可以变化不同的程度。作为示例，与位置3相关联的测量结果通常大于其他位置处的测量结果，而与位置4相关联的测量结果略微小于其他位置处的测量结果。这些直径测量结果的差异与系统变化的位置误差相关联。示例 2在第二示例中，对于结合CMM的限定过程执行的七次探针尖端校准过程中的每个，改变探针柄角度。在限定过程中，20mm的量块沿七个取向中的每个对准，并且在测量 20mm量块中的每个之前执行探针尖端直径校准过程。如表3中所示，针对每次校准过程，改变探针柄角度。这七个取向包括与x、y和ζ轴平行的取向以及与x、y和ζ轴成各种角度的四个取向，其包括沿正的z、y和ζ方向行进的被标为(+X+Y+Z)的对角线、沿负的χ和正的 y和ζ方向行进的被标为(-X+Y+Z)的对角线、沿负的χ和y方向以及正的ζ方向行进的被标为(-X-Y+Z)的对角线、以及在正的χ和ζ方向以及负的y方向上行进的被标为(+X-Y+Z) 的对角线。这些方向上的测量提供了滞后误差(恒定的第一项分量误差)和探针直径校准误差(可变的第一项分量误差)的组合效果的指示。表3示出了关于根据沿每个取向进行测量之前执行的单个校准过程计算探针尖端直径的情况的，以及关于通过对根据沿所有取向进行的测量所显现的探针尖端直径取平均来计算探针尖端直径的情况的，沿每个取向执行的校准所导致的第一项分量误差。如所示出的，当使用本发明的方法时，CMM限定过程产生最大第一项分量误差0. 0008mm,与此相对，当在没有平均的情况下使用探针尖端直径时，第一项分量误差是0. 0028mm,因此使第一项分量误差减少2微米。表权利要求
1.一种确定经由探针柄安装到坐标测量机器的臂的探针尖端的直径的方法，所述臂能够在X轴方向、y轴方向和Z轴方向中的每个方向上在所述坐标测量机器的测量空间内移动，其中所述χ轴方向、所述y轴方向和所述ζ轴方向均彼此正交，所述探针柄能够移动到相对于所述臂的不同的角位置，所述方法包括在所述探针柄位于相对于所述臂的第一角位置的情况下，通过使用校准件执行校准过程来确定所述探针尖端的第一直径测量结果，其中至少在用于确定所述第一直径测量结果的校准过程期间的一个接触点处，所述臂位于沿所述χ轴方向的第一 χ轴位置、沿所述y轴方向的第一 y轴位置和沿所述ζ轴方向的第一 ζ轴位置；将所述探针柄移动到与所述第一角位置不同的、相对于所述臂的第二角位置；在所述探针柄位于相对于所述臂的所述第二角位置的情况下，通过使用所述校准件执行校准过程来确定所述探针尖端的第二直径测量结果，其中至少在与用于确定所述第一直径测量结果的校准过程期间的至少一个接触点对应的、用于确定所述第二直径测量结果的校准过程期间的一个接触点处，所述臂位于沿所述χ轴方向的第二 χ轴位置、沿所述y轴方向的第二 y轴位置和沿所述ζ轴方向的第二 ζ轴位置，所述第二 χ轴位置、所述第二 y轴位置和所述第二 ζ轴位置中的至少两个分别与所述第一 χ轴位置、所述第一 y轴位置和所述第一 ζ轴位置不同；以及对所述第一直径测量结果和所述第二直径测量结果取平均以确定所述探针尖端的直径。
2.根据权利要求1所述的方法，其中在与用于确定所述第一直径测量结果的校准过程期间的至少一个接触点对应的、在用于确定所述第二直径测量结果的校准过程期间的至少一个接触点处，所述第二 χ轴位置、所述第二 y轴位置和所述第二 ζ轴位置中的每个分别与所述第一 χ轴位置、所述第一 y轴位置和所述第一 ζ轴位置不同。
3.根据权利要求2所述的方法，其中用于确定所述第一直径测量结果的校准过程期间的至少一个接触点至少与用于确定所述第一直径测量结果的校准过程期间的所述探针尖端和所述校准件之间的初始接触对应；以及用于确定所述第二直径测量结果的校准过程期间的至少一个接触点至少与用于确定所述第二直径测量结果的校准过程期间的所述探针尖端和所述校准件之间的初始接触对应。
4.根据权利要求3所述的方法，其中用于确定所述第一直径测量结果的校准过程期间的至少一个接触点包括用于确定所述第一直径测量结果的校准过程期间的所述探针尖端和所述校准件之间的所有接触点，并且用于确定所述第二直径测量结果的校准过程期间的至少一个接触点包括与用于确定所述第一直径测量结果的校准过程期间的所述探针尖端和所述校准件之间的接触点对应的、用于确定所述第二直径测量结果的校准过程期间的所述探针尖端和所述校准件之间的所有接触点。
5.根据权利要求3所述的方法，其中所述校准件包括位于所述测量空间中的球形球。
6.根据权利要求3所述的方法，进一步包括将所述探针柄移动到与所述第一角位置和所述第二角位置不同的额外的角位置；在所述探针柄位于相对于所述臂的所述额外的角位置中的每个角位置的情况下，通过使用所述校准件执行校准过程来确定所述探针尖端的额外的直径测量结果；以及对所述额外的直径测量结果以及所述第一直径测量结果和所述第二直径测量结果取平均以确定所述探针尖端的直径。
7.一种确定经由探针柄安装 到坐标测量机器的臂的探针尖端的直径的方法，所述臂能够在χ轴方向、y轴方向和ζ轴方向中的每个方向上在所述坐标测量机器的测量空间内移动，其中所述χ轴方向、所述y轴方向和所述ζ轴方向均彼此正交，所述方法包括在校准件位于所述测量空间内的第一校准件位置的情况下，通过使用所述校准件执行校准过程来确定所述探针尖端的第一直径测量结果，其中至少在用于确定所述第一直径测量结果的校准过程期间的一个接触点处，臂位于沿所述χ轴方向的第一 χ轴位置、沿所述y 轴方向的第一 y轴位置和沿所述ζ轴方向的第一 ζ轴位置；使所述校准件移动到与所述第一校准件位置不同的、所述测量空间内的第二校准件位置；在所述校准件位于所述测量空间内的所述第二校准件位置的情况下，通过使用所述校准件执行校准过程来确定是探针尖端的第二直径测量结果，其中至少在与用于确定所述第一直径测量结果的校准过程期间的至少一个接触点对应的、用于所述确定第二直径测量结果的校准过程期间的一个接触点处，所述臂位于沿所述χ轴方向的第二 χ轴位置、沿所述y 轴方向的第二 y轴位置和沿所述ζ轴方向的第二 ζ轴位置，其中所述第二 χ轴位置、所述第二 y轴位置和所述第二 ζ轴位置中的至少两个分别与所述第一 χ轴位置、所述第一 y轴位置和所述第一 ζ轴位置不同；以及对所述第一直径测量结果和所述第二直径测量结果取平均以确定所述探针尖端的直径。
8.根据权利要求7所述的方法，其中在与用于确定所述第一直径测量结果的校准过程期间的至少一个接触点对应的、在用于确定所述第二直径测量结果的校准过程期间的至少一个接触点处，所述第二 χ轴位置、所述第二 y轴位置和所述第二 ζ轴位置中的每个分别与所述第一 χ轴位置、所述第一 y轴位置和所述第一 ζ轴位置不同。
9.根据权利要求8所述的方法，其中用于确定所述第一直径测量结果的校准过程期间的至少一个接触点至少与用于确定所述第一直径测量结果的校准过程期间的所述探针尖端和所述校准件之间的初始接触对应，并且用于确定所述第二直径测量结果的校准过程期间的至少一个接触点至少与用于确定所述第二直径测量结果的校准过程期间的所述探针尖端和所述校准件之间的初始接触对应。
10.根据权利要求8所述的方法，其中用于确定所述第一直径测量结果的校准过程期间的至少一个接触点包括用于确定所述第一直径测量结果的校准过程期间的所述探针尖端和所述校准件之间的所有接触点，并且用于确定所述第二直径测量结果的校准过程期间的至少一个接触点包括与用于确定所述第一直径测量结果的校准过程期间的所述探针尖端和所述校准件之间的接触点对应的、用于确定所述第二直径测量结果的校准过程期间的所述探针尖端和所述校准件之间的所有接触点。
11.根据权利要求8所述的方法，其中所述校准件包括位于所述测量空间中的球形球。
12.根据权利要求8所述的方法，进一步包括将所述校准件移动到与所述第一校准件位置和所述第二校准件位置不同的所述测量空间内的额外的校准件位置；在所述校准件位于所述测量空间内的所述额外的校准件位置中的每个校准件位置的情况下，通过使用所述校准件执行校准过程来确定所述探针尖端的额外的直径测量结果； 以及对所述额外的直径测量结果以及所述第一直径测量结果和所述第二直径测量结果取平均以确定所述探针尖端的直径。
13.一种用于确定经由探针柄安装到坐标测量机器的臂的探针尖端的直径的方法，所述臂能够在χ轴方向、y轴方向和ζ轴方向中的每个方向上在所述坐标测量机器的测量空间内移动，其中所述χ轴方向、所述y轴方向和所述ζ轴方向均彼此正交，其中所述臂沿所述χ轴方向的移动与系统变化的χ轴位置误差相关联，所述臂沿所述y轴方向的移动与系统变化的y轴位置误差相关联，并且所述臂沿所述ζ轴方向的移动与系统变化的ζ轴位置误差相关联，所述方法包括通过使用校准件执行校准过程来确定所述探针尖端的第一直径测量结果，其中至少在用于确定所述第一直径测量结果的校准过程期间的一个接触点处，所述臂位于与第一 χ轴位置误差值相关联的第一 χ轴位置、与第一 y轴位置误差值相关联的第一 y轴位置和与第一 ζ轴位置误差值相关联的第一 ζ轴位置；通过使用所述校准件执行校准过程来确定所述探针尖端的第二直径测量结果，其中至少在与用于确定所述第一直径测量结果的校准过程期间的至少一个接触点对应的、在用于确定所述第二直径测量结果的校准过程期间的一个接触点处，所述臂位于与第二 χ轴位置误差值相关联的第二 χ轴位置、与第二 y轴位置误差值相关联的第二 y轴位置和与第二 ζ 轴位置误差值相关联的第二 ζ轴位置，所述第二 χ轴位置误差值、所述第二 y轴位置误差值和所述第二 ζ轴位置误差值分别与所述第一 χ轴位置误差值、所述第一 y轴位置误差值和所述第一 ζ轴位置误差值不同；以及对所述第一直径测量结果和所述第二直径测量结果取平均以确定探针尖端的直径。
14.根据权利要求13所述的方法，其中在与用于确定所述第一直径测量结果的校准过程期间的至少一个接触点对应的、在用于确定所述第二直径测量结果的校准过程期间的至少一个接触点处，所述第二 χ轴位置、所述第二 y轴位置和所述第二 ζ轴位置中的每个分别与所述第一 χ轴位置、所述第一 y轴位置和所述第一 ζ轴位置不同。
15.根据权利要求14所述的方法，其中用于确定所述第一直径测量结果的校准过程期间的至少一个接触点与用于确定所述第一直径测量结果的校准过程期间的所述探针尖端和所述校准件之间的初始接触对应，并且用于确定所述第二直径测量结果的校准过程期间的至少一个接触点与用于确定所述第二直径测量结果的校准过程期间的所述探针尖端和所述校准件之间的初始接触对应。
16.根据权利要求14所述的方法，其中用于确定所述第一直径测量结果的校准过程期间的至少一个接触点包括用于确定所述第一直径测量结果的校准过程期间的所述探针尖端和所述校准件之间的所有接触点，并且用于确定所述第二直径测量结果的校准过程期间的至少一个接触点包括与用于确定所述第一直径测量结果的校准过程期间的所述探针尖端和所述校准件之间的接触点对应的、用于确定所述第二直径测量结果的校准过程期间的所述探针尖端和所述校准件之间的所有接触点。
17.根据权利要求14所述的方法，其中所述校准件包括位于所述测量空间中的球形球。
18.根据权利要求14所述的方法，进一步包括在所述臂位于与额外的χ轴位置误差值相关联的额外的χ轴位置、与额外的y轴位置误差值相关联的额外的y轴位置和与额外的ζ轴位置误差值相关联的额外的ζ轴位置的情况下，通过使用所述校准件执行校准过程来确定所述探针尖端的额外的直径测量结果；以及对所述额外的直径测量结果以及所述第一直径测量结果和所述第二直径测量结果取平均以确定所述探针尖端的直径。
19.一种确定经由探针柄安装到坐标测量机器的臂的探针尖端的直径的方法，所述臂能够在χ轴方向、y轴方向和ζ轴方向中的每个方向上在所述坐标测量机器的测量空间内移动，其中所述χ轴方向、所述ι轴方向和所述ζ轴方向均彼此正交，所述方法包括使用校准件执行校准过程，其中限定所述探针尖端和所述校准件之间的第一接触点集合并且限定所述探针尖端和所述校准件之间的第二接触点集合，与所述第一接触点集合的至少一个接触点相关联的机器位置相对于与所述第二接触点集合的至少一个接触点相关联的机器位置的差别在于沿所述χ轴方向的χ轴位置、沿所述y轴方向的y轴位置和沿所述ζ轴方向的ζ轴位置中的至少一个；使用所述第一接触点集合确定第一直径测量结果； 使用所述第二接触点集合确定第二直径测量结果；以及对所述第一直径测量结果和所述第二直径测量结果取平均以确定所述探针尖端的直径。
20.根据权利要求19所述的方法，其中第一集合的每个接触与第二集合的值不同。
21.根据权利要求19所述的方法，其中第一集合和第二集合包括至少一些共同的接触点ο
22.根据权利要求19所述的方法，其中所述校准件包括位于所述测量空间中的球形球。
23.根据权利要求19所述的方法，其中第一集合和第二集合均包括13个接触点。
全文摘要
一种用于以改进的精度和可靠性确定探针尖端直径的方法，其包括在坐标测量机器的臂位于不同机器位置的情况下，执行多次用于确定探针尖端直径的过程。与每次校准过程相关联的直径值可以以提供更准确的直径测量结果的方式组合。
文档编号G01B3/00GK102472605SQ201080029774
公开日2012年5月23日 申请日期2010年6月29日 优先权日2009年7月1日
发明者理查德·麦克马纳斯 申请人:�？怂箍挡饬考际跤邢薰�