专利名称：校正利用坐标定位设备获得的测量的误差的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于校正与利用诸如坐标测量机器(CMM)或机床之类的坐标定位设备获得的测量相关联的误差的改进设备和方法。
背景技术：
诸如坐标测量机器(CMM)或数控机床之类的坐标定位设备广泛公知，并且广泛用在工业检查过程中。具体地说，已知使用坐标定位设备来测量零件(例如工件)的表面上的多个点的位置，以确定零件是否在期望公差内制造。利用任何坐标定位设备获取的测量总是具有一定程度的不确定性，并且多年来已经提出了许多校准技术来提高能够测量到的零件表面上的点的位置的精度。一种已知用于坐标定位设备的校准或校正方法包括生成误差图，该误差图描述同一物体的两组测量之间的差。例如，US 7079969描述了生成误差图，该误差图描述了矫作物的校准测量与使用坐标测量设备在高速下获得的该矫作物的测量之间的差。在US5426861中也描述了如何可以建立描述使用放置在清洁房间内的参考CMM获得的测量与使用车间CMM获得的测量之间的差的误差图。一旦生成，则使用这种误差图校正随后的测量结果。WO 2006/024844描述了一种用于调校计算机辅助设计(CAD)数据的坐标系与机床的坐标系的方法。这基于反复调节CAD和机床坐标系的调校以使得用于同一零件的CAD和所测量的数据点之间的位置差最小。然而，W02006/024844没有描述产生用来校准随后测量的任何误差图。尽管在US 7079969和US5426861中所描述类型的基于误差图的公知校正方法在许多情况下都有用，但是本发明的发明人发现这些技术具有许多缺点。具体地说，已经证明，由于与匹配数据组相关的问题，描述包含在两个数据组中的数据点之间的差的误差图容易错误。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种用于坐标定位设备的误差校正方法，该方法包括如下步骤( i )获得第一数据组，该第一数据组包括一个或更多个第一数据值，每个第一数据值都描述第一物体的表面上的位置；(ii)获得第二数据组，该第二数据组包括一个或更多个第二数据值，每个第二数据值都描述所述第一物体的表面上的位置；以及(iii)计算误差图，该误差图包括一个或更多个误差值，每个误差值都描述由所述第一数据组描述的表面与由所述第二数据组描述的表面之间的位置差，其中所述第一物体的表面法线在由每个第一数据值描述的每个位置处都是已知的，并且步骤(iii)包括通过确定基本在已知表面法线的方向上的所述位置差来计算每个误差值，所述方法的特征在于包括对所述第一物体或名义上与所述第一物体相同的物体执行处理或测量操作的另一步骤(iv)，其中利用在步骤(iii)中计算的所述误差图来校正所述第一物体或名义上与所述第一物体相同的物体的表面上的位置。本发明因而包括一种供坐标定位设备使用的误差校正方法。在该方法的步骤(i )中，获得第一数据组，该第一数据组包括一个或更多个第一数据值，或更优选地包括多个第一数据值。获得所述第一数据组可以包括找回或访问事先确定的第一数据组或生成第一数据组(例如，通过获取所述第一物体的测量)。如以下更详细地说明的那样，所述第一数据组的所述第一数据值可以从所述第一物体的测量(例如利用参考坐标定位设备获取)或从与所述第一物体相关联的设计数据推导出。所述方法的步骤(i i )包括获得第二数据组，该第二数据组包括一个或更多个第二数据值，或更优选地包括多个第二数据值。获得所述第二数据组可以包括找回或访问事先确定的第二数据组或生成第二数据组(例如，通过获取所述第一物体的测量)。每个第二数 据值描述第一物体的表面(例如点、平面或特征)上的位置，但是所述第一和第二数据组优选以不同的方式生成；例如所述第一和第二数据组可以从利用不同的测量过程和/或不同的测量设备获得的第一物体的测量推导出。在该方法的步骤(iii)中，计算误差图，该误差图描述由所述第一数据组描述的表面与由所述第二数据组描述的表面之间的位置差。在步骤(iii)中生成的误差图包括一个或更多个误差值，或者更优选地包括多个误差值。如以下更详细地描述的那样，步骤(iii )可以包括查明所述第一和第二数据组的相应的第一和第二数据值之间的位置差。另选地，步骤(i i i )可以包括查明第一数据值与和所述第一数据值相关联的表面法线与由所述第二数据组限定的表面相交的位置之间的位置差。在本发明的方法的步骤(iv)中，已经在步骤(iii)中计算出的所述误差图用来校正所述第一物体(或者名义上与所述第一物体相同的物体)的随后测量，或者用来调节在所述第一物体(或者名义上与所述第一物体相同的物体)上执行的处理(例如机加工)操作。具体地说，利用所述误差图中包含的所述误差值来校正所述第一物体(或者名义上与所述第一物体相同的物体)的表面上的点。该校正可以包括更新所测量的点以包括所述误差值，或者包括调整机加工指令以在机加工过程中限定所述物体的表面时解决所述误差值。应注意的是，在名义上与所述第一物体相同的物体上执行处理操作的步骤包括用来形成名义上与所述第一物体相同的物体的坯料或制作零件的物体上执行处理操作。根据本发明，所述表面法线在由所述一个或更多个第一数据值限定的每个位置处是已知的。所述表面法线可以通过获知所述第一物体的几何形状而得知，或者可以测量所述表面法线(例如如果所述第一物体具有任意表面)。所述方法的步骤(iii)包括计算基本在该已知表面法线的方向上的每个误差值(例如第一数据值和第二数据值之间的位置差)。然后利用这些误差值来校正在所述第一物体或名义上与所述第一物体相同的物体上执行的随后测量或处理。如上所述，在诸如US5426861和US7079969之类的文献中描述了可如何比较数据组以建立误差图。然而，这种现有技术方法具有缺点，即仅仅建立不同数据组中的相应点的位置分离的大小。本发明具有的优点在于，通过建立沿着已知表面法线方向的位置差，所生成的误差值提供了由所述第一和第二数据组描述的表面之间的误差或位置差的改进描述。这已经被证明当使用所述误差图来校正随后获取的数据时能够提供位置精度提高了的数据。方便地，该方法的步骤(iv)包括如下步骤获得名义上与所述第一物体相同的另一物体，使用坐标定位设备测量该另一物体。有利地，然后可以使用在该方法的步骤(iii)中生成的所述误差图来校正所述另一物体的测量。换言之，本发明可以提供一种改进的方法，该方法通过利用在一系列名义上相同的物体中的第一物体生成的误差图来减少该系列物体的测量误差。有利地，在所述方法的步骤(iii)中生成的误差图可以被馈送至随后的处理步骤。例如，所述方法的步骤(iv)可以包括如下步骤执行处理操作以改变所述第一物体或名义上与所述第一物体相同的物体的表面形状。所述误差图优选地用来调节通过所述处理操作产生的所述表面形状。所述处理操作可以包括改变所述第一物体本身的任何操作。另选地，所述处理操作可以包括改变其他物体或形成名义上与所述第一物体相同的新的物体(例如用坯料)。有利地，所述处理操作包括机加工过程。所述机加工过程可以包括材料移除，例 如通过铣削、车削、磨削、成型(例如激光或玻璃成型)、激光切除或电火花加工。所述处理操作可以包括改变所述第一物体或名义上与所述第一物体相同的物体的材料，例如通过表面熔解等。所述处理操作可以包括材料沉积。例如，所述处理操作可以包括向所述第一物体或名义上与所述第一物体相同的物体添加材料的快速造型或快速制造技术(例如，3D打印、选择性激光烧结、立体平板印刷和层压物体制造)。有利地，所述方法包括如下步骤利用确保每个第二数据值位于第一数据值的已知表面法线上的插值过程生成所述一个或更多个第一数据值和/或所述一个或更多个第二数据值。在步骤(iii)中计算的每个误差值可以包括第一数据值与沿着所述已知表面法线的其相关联的第二数据值之间的位置差。除了利用插值过程来生产适当调校的第一数据值和第二数据值之外，还可以采用其他技术。例如，可以使用如下的方法，该方法包括沿着第一数据值的表面法线投影多个第二数据值，并且确立哪个投影最接近于所述第一数据值。所述方法因而可以包括用于多个第一数据值中的每个数据值的如下步骤中的一个或更多个步骤限定包括第一数据值并与其已知表面法线正交的平面；沿着所述第一数据值的已知表面法线投影所述第二数据值中的至少一些第二数据值，并且确定所述第二数据值的投影与所限定的平面相交的位置；以及确立所述第二数据值的投影中的那一个在最接近于所选择的第一数据值的相交点处与所限定的平面相交；以及根据最接近的相交点与进行投影的相关联的第二数据值之间的位置差计算所述误差图。可以使用任何适当的测量设备来生成所述第一和/或所述第二数据组。优选地，该方法包括使用至少一个坐标定位设备来测量所述第一物体的步骤。所述至少一个坐标定位设备可以包括坐标测量机器、检查机器人、机床等。方便地，所述坐标定位设备包括测量探针。所述测量探针可以是具有物体接触触针的接触式探针或非接触式(例如感应式、电容式、光学等)探针。所述测量探针可以是当运动成相对于表面成一定关系时发出触发信号的接触式触发探针或在局部坐标系中测量物体表面上的点相对于探针本体的位置的模拟探针(也称为所谓的扫描探针)。
有利地，布置所述至少一个坐标定位设备来测量(例如利用测量探针)所述第一物体的表面上的多个点的位置。优选地，从使用所述至少一个坐标定位设备获得的所述第一物体的测量推导出所述第一数据组和所述第二数据组中的至少一个。如下所述，所述第一和所述第二数据组可以从在不同的坐标定位设备上获得的测量推导出。另选地，所述第一数据组和所述第二数据组中的一个可以从在坐标定位设备上获得的所述第一物体的测量推导出，而另一个数据组可从描述所述第一物体的设计数据(例如CAD数据)推导出。方便地，所述方法包括如下步骤使用包括测量探针的第一坐标定位设备来测量所述第一物体的表面上的多个点的位置。然后可以有利地从利用所述第一坐标定位设备获得的所述第一物体的测量推导出所述第一数据组。所述第一数据组的第一数据值可以包括由所述第一坐标定位设备生成的原始位置数据。有利地，所述方法包括处理由所述第一坐标定位设备生成的所述原始位置数据以提供第一数据组的步骤。这种处理步骤可以包括将所述原始位置数据拟合到一定形状或功能，对所述数据进行滤波(例如平滑化)、平均化所述数据和/或对所述数据进行插值。优选地，所述第一坐标定位设备被校准。所述校准可以是可追溯或参考标准，所述 第一坐标定位设备因而可以被认为是参考测量设备。有利地，所述第一坐标定位设备是专门用于测量的坐标测量机器(CMM);所述CMM因而可以位于远离生产线的清洁、温度可控的环境中。在优选实施方式中，所述第一坐标定位设备包括串联CMM ;例如桥式或门架式CMM，其中从线性运动的多个(例如三个)轴线建立保持所述测量探针的主轴的运动。如上所述，本发明的方法包括建立基本上沿着位于由每个第一数据值限定的位置处的表面法线方向的位置差。在由每个第一数据值限定的位置处的所述第一物体的已知表面法线可以是所述第一物体的几何形状所固有的，利用描述该第一物体的设计数据限定，或者可以在每个第一数据点的位置处确定(例如计算/测量)。有利地，该方法包括如下步骤利用由所述第一坐标定位设备在所述第一物体的表面上测量的点计算所述第一物体的由每个第一数据值描述的每个位置处的表面法线。换言之，利用所述第一坐标定位设备获得的所述第一物体的测量可以用来建立由第一数据值描述的每个位置处的表面法线方向。该表面法线数据例如可以在滤波过程之前、过程中或之后推导出，该滤波过程用来根据所述原始测量数据生成所述第一数据值。在这种实施例中，所述一个或更多个第一数据值可以从用来建立所述表面法线的相同测量来推导出。另选地，可以执行分析所述第一数据值的单独步骤，以确定所述表面法线方向。这种方法在所述第一物体具有所谓的任意形状时是优选的。方便地，所述第一物体具有已知的几何形式，例如，所述第一物体可以是标准几何形式或可以根据涉及所述第一物体的设计获知该几何形式。所述第一物体还可以包括一个或更多个基准特征或表面。所述方法然后可以包括如下步骤利用所述第一坐标定位设备来执行基准操作，以建立所述第一物体的取向，使得所述第一物体的表面法线在由每个第一数据值描述的每个问题处都已知。这种基准步骤有效地使得能够建立局部或部分坐标系，由此根据已知的几何形式信息提供必要的表面法线信息。这种基准步骤可以利用用于推导出所述第一数据组的所述第一坐标定位设备的数据执行，或者该基准步骤可以包括所述第一物体的不同系列的测量。如上所述，所述第一和/或第二数据组可以从所述第一物体的物理测量推导出。另选地，所述第一数据组和所述第二数据组中的至少一个可以从所述物体的设计数据方便地推导出。该设计数据可以包括计算机辅助设计(CAD)数据或类似数据。换言之，尚未从所述第一物体的物理测量推导出的设计数据可以用来生成所述第一和/或所述第二数据组。这种设计数据可以还或另选地用来提供表面法线信息。有利地，所述方法包括利用第二坐标定位设备来测量所述第一物体的表面上的多个点的位置的步骤。优选地，所述第二坐标定位设备用来测量所述第一物体的与所述第一坐标定位设备基本上相同的部分。所述第一和所述第二坐标定位设备可以以相同或不同的密度和/或分布来测量点。所述第二坐标定位设备可以是与上述第一坐标定位设备相似或不同类型的设备。优选地，所述第二坐标定位设备包括以上所述的测量探针。有利地，所述第二数据组从利用所述第二坐标定位设备获得的所述第一物体的测量推导出。所述第二数据组的第二数据值可以包括由所述第二坐标定位设备生成的原始位置数据。有利地，该方法包括处理由所述第二坐标定位设备生成的原始位置数据以提供所述第二数据值的步骤。这种处理步骤可以包括将所述原始位置数据拟合到一定形状或功能，对所述数据滤波(例如平滑化)、平均化所述数据和/或对所述数据进行插值。可以执行 类似的处理步骤以产生用来生成所述第一数据组的所述第二数据组。 所述第二坐标定位设备方便地包括并联坐标定位设备。该并联坐标定位设备可以包括通过多个可伸缩的支柱或支腿连接至活动平台的基座平台。支柱一起(例如平行地)伸出产生所述活动平台所需的(例如在x、y和z方向上的)运动。这应该与以上描述类型(其中通过串联地安装线性滑动件实现沿着多个(例如三个)相互正交的线性轴的线性运动)的串联坐标定位设备相反。有利地，所述步骤(ii )包括利用插值过程来根据由所述第二坐标定位设备测量的所述第一物体的表面上的多个点的位置计算所述一个或更多个第二数据值。优选地，将在步骤(ii)中计算的每个第二数据值布置成位于第一数据值的表面法线上。换言之，由所述第二坐标定位设备收集的描述所述第一物体的表面轮廓的数据被插值以提供位于所述第一物体的表面上且与和所述第一数据值相关联的表面法线相交的第二数据值。一旦计算完毕，则步骤(iii)的误差图可以用来校正在名义上与所述第一物体相同的物体上获得的测量。具体地说，如果适当的话，所述误差图的误差值可以被添加至所获得的测量或从所获得测量减去以提供校正测量。有利地，所述方法包括附加步骤，该附加步骤利用所述第二坐标定位设备来测量名义上与所述第一物体相同的另一物体，其中利用在步骤(i i i )中计算的误差图来校正利用所述第二坐标定位设备对所述至少一个另一物体进行的测量。可以在对从所述另一物体计算收集的原始测量数据施加适当的处理步骤之后施加基于校正的误差图。这种处理步骤可以包括将所述原始位置数据拟合到一定形状或功能，对所述数据进行滤波(例如平滑化)、平均化所述数据和/或对所述数据进行插值(例如，以提供位于所述误差图的表面法线数据上的数据点)。尽管以上描述了推导出单个误差图，但是所述方法可以还包括计算多个误差图以在三个或更多个不同的数据组之间进行映射。例如，这可以允许例如生成第一误差图来在设计数据和来自校准的(参考)CMM之间映射，并生成第二误差图来在校准的(参考)CMM与另一坐标定位设备之间映射。该方法因而可包括获得包括一个或更多个第三数据值的第三数据组，每个第三数据值描述所述第一物体的表面上的位置。有利地，然后可以执行如下步骤计算包括一个或更多个误差值的第二误差图，每个误差值都描述第二数据值和第三数据值之间的位置差。优选地，所述位置差基本上在与所述第一数据值相关联的已知表面法线的方向上确定。还可以提供计算机程序来实现上述方法。诸如光盘(例如⑶或DVD)或闪速存储器装置之类的计算机程序载体可以存储所述计算机程序。还可以提供被编程以实现所述方法的计算机。还可以提供包括计算机控制器的坐标定位设备，其中该计算机控制器被编程以执行根据本发明的第一方面的方法。这里还描述了一种用于坐标定位设备的误差校正方法，该方法包括如下步骤(a)获得利用这里描述的方法为第一物体计算的误差图，其中从利用坐标定位设备获得的测量推导出计算所述误差图时使用的所述第一数据组和所述第二数据组中的一个；(b)获得名义上与所述第一物体相同的另一物体，并使用所述坐标定位设备测量所述另一物体；以及(c)利用步骤(a)的误差图来校正在步骤(b)中获得的另一物体的测量。
这里描述了一种坐标定位设备，该坐标定位设备包括计算机控制器，其中该计算机控制器存储利用这里描述的方法为第一物体计算的误差图，其中从利用坐标定位设备获得的测量推导出计算所述误差图使用的所述第一数据组和所述第二数据组中的一个。这里还概括了一种用于坐标定位设备的误差校正方法，该方法包括如下步骤
(i)获得包括一个或更多个第一数据值的第一数据组，每个第一数据值描述第一物体的表面上的位置；(ii)获得包括一个或更多个第一数据值的第二数据组，每个第二数据值描述所述第一物体的表面上的位置；以及(iii)计算误差图，该误差图包括一个或更多个误差值，每个误差值都描述由所述第一数据组描述的表面与由所述第二数据组描述的表面之间的位置差，其中所述第一物体的表面法线在由每个第一数据值描述的每个位置处是已知的，并且步骤(iii)包括通过确定基本在已知表面法线的方向上的的所述位置差来计算每个误差值。在这种方法中可以使用以上描述的步骤中的任何步骤。
现在将仅以实施例的方式参照附图描述本发明，其中图I示出了并联坐标定位设备。图2更详细地示出了图I的设备的并联定位机构。图3示出了串联坐标测量机器。图4示出了包括孔和基准表面的物体。图5a至图5c示出了在使用坐标定位设备测量图4的物体时涉及的步骤。图6示出了用于在图4中所示的孔上获得的测量的根据本发明的误差图的生成。图7示出了具有任意表面的物体。图8a至图8c示出了在使用图3的串联坐标定位设备测量图7的物体时涉及的步骤。图9a至图9c示出了使用图I和图2的并联坐标定位设备测量图7的物体时涉及的步骤。图10示出了用于在图7中所示的物体上获得的测量的根据本发明的误差图的生成。
图11示出了使用图10的误差图对随后获取的数据进行的校正。以及图12示出了本发明的两个阶段校正过程的原理。
具体实施例方式参照图1，图I示出了并联坐标定位设备。该设备包括通过多个支撑支柱6固定至上部或基座平台4的基床2。支撑支柱6具有足够的刚性以确保将基座平台4相对于基床2保持在固定位置。基座平台4通过受限的并联定位机构10附装至活动平台8。为了清楚起见，从图I省略了关于该并联定位机构10的细节，该机构在图2中详细地示出。基座平台4、活动平台8和并联定位机构10因而形成了控制活动平台8沿着三个轴(X，Y, Z)的平移运动的受限的并联定位机器。 活动平台8承载具有可偏转触针20的测量探针18。还示出了放置在所述设备的基床2上的将由测量探针18测量的零件24。设置了计算机控制器22来控制该设备的操作，特别是控制活动平台8的运动以及从测量探针18接收测量数据。测量探针18可以是由英国格洛斯特郡沃顿-安德埃奇的Renishaw pic出售的SP25探针。SP25测量探针是所谓的扫描探针或模拟探针，该扫描探针或模拟探针输出在其局部坐标系中的触针顶端偏转的测量。探针18 (例如通过活动平台8的运动)运动，从而触针顶端追踪零件24的表面上的路径。控制器22从测量探针18接收触针顶端偏转数据，并从并联坐标定位设备接收设计所述测量探针的位置的数据。将这些数据组合以能够在机器坐标系中查明(find)零件的表面上的多个点的位置(例如相对于机器的固定点或原点的位置)。尽管当前实施例示出了模拟测量探针，然而也可以使用所谓的接触触发式探针进行测量，接触触发式探针在触针偏转时输出触发信号。如果使用这种接触触发式探针，则触针将被驱动而与零件表面上的多个不同点接触。然后可以使用涉及触发信号发出时测量探针的位置的数据建立表面接触点的位置。还应注意的是，尽管测量探针18是接触式探针，但是还可以转而使用非接触式(例如光学、感应式、电容式，等等)测量探针。参照图2，现在将更详细地描述在图I的设备中使用的受限的并联定位机构，不过需要注意的是，与图I的视图相比，图2中给出的该受限的并联定位机构的图示被倒置(即上下颠倒)。该受限的并联定位机构包括基座平台4，该基座平台4通过多个支柱安装至活动平台或台8。具体地说，基座平台4和活动平台8通过三个电动伸缩支柱40联接，这三个电动伸缩支柱40的端部通过枢转接头连接到相应平台。每个电动伸缩支柱40具有用于增加或减少其长度的马达42和用于测量其长度的位置编码器(容纳在马达壳体内，因而在图2中不可见)。还设置了三个防旋转装置44，所述防旋转装置44用来限制基座平台4和活动平台8之间的三个旋转自由度。应注意的是，所述防旋转装置是被动的，不包含任何马达或其他类型的致动器。因此，机器的电动伸缩支柱40的延伸仅仅提供基座平台4和活动平台8之间的平移(非旋转)运动。换言之，活动平台8能够相对于固定的基座平台4在空间中平移，并且这种平移可以根据沿着X、Y和Z轴的运动来描述。图I中所述的控制器22因而致动各个马达，所述各个马达使电动伸缩支柱40伸出和缩回，以使测量探针18运动，控制器22还从涉及支柱延伸的位置编码器接收反�。莞梅蠢∧芄蝗范ɑ疃教ǖ奈恢茫⒁蚨范ú饬刻秸氲奈恢�。参照图3，示出了串联坐标测量机器102。如下文中更详细地描述的，CMM102可以用作参考测量机器。该CMM 102包括基座或工作台104，物体(例如如以上描述的零件24之类的零件)可以放置在该基座或工作台104上；以及门架106，该门架106可相对于基座104沿着X和y方向运动。该门架106包括主轴108，该主轴108可相对于门架106沿着z方向运动。位置编码器设置在CMM 102的每个轴上，以测量主轴在x、y和z方向上的位置。可以看出的是，以串联方式建立CMM运动的三个(X，y，z)轴。主轴108承载分度探头110，诸如Renishaw PHlO电动探头。该分度探头110包括附装至主轴108的基座附装部和承载具有可偏转触针114的扫描探针112的探针附装部。可以包括Renishaw SP25探针的扫描探针112包括内部换能器,该内部换能器测量触针114从所谓的中性或平衡位置的偏离。因而，触针114的任何偏离由位于其局部(探针)坐标(a，b，c)系内的扫描探针112测量。为了提高扫描复杂物体的能力，分度探头110允许扫描探针112相对于主轴围绕正交轴线Al和A2旋转，并且可以锁定在多个分度位置中的任何一个分度位置。在使用Renishaw PHlO探头的情况下，该探针可以被分度至720个不同分度位置中的任一个分度位置。控制器116控制CMM的操作。参照图4，示出了将要被测量的简单零件140。零件140包括圆柱形孔142和一对基准表面144a和144b。零件140因而具有在一定孔深度处具有名义半径的圆柱形孔142。基准表面144a和144b提供用于孔142的任何测量的参考或基准位置。参照图5a至5c，示出了参照图4描述的数据收集的第一阶段和用于测量零件140的分析过程。图5a示出了第一(测量)步骤的结果，在该步骤中，将零件140放置在参照图3描述的类型的串联坐标定位设备上。该串联坐标定位设备可以利用已知技术精确地校准并可以位于受控(例如清洁且温度稳定的)环境中。使用串联CMM来收集圆柱形孔142的内表面上的多个数据或测量点152。该表面的名义形状在图5a中由虚线150表示。与每个测量点152相关联的位置不确定性在图5a中也通过错误棒来示出。应注意的是,所收集的每个测量点152通常都将包括在并联CMM的(x, y, z)坐标系中描述的位置。为了容易理解，图5a的图示仅示出了两个维度(即所图示的测量点位于单个平面内)。还应注意的是，为了清晰起见，在图5a中仅仅示出了孔的一部分，并且省略了在基准表面上获得的测量点。接下来参照图5a，对所测量的数据点152执行滤波或平滑步骤。例如，对测量点152应用递归滤波，以提供图5b所示的滤波数据点162，该滤波数据点162位于滤波曲线156上。滤波数据点162位于围绕圆柱形孔的圆周的任意位置，并且点162的密度和分布取决于坐标定位设备的构造。应注意的是，对图5a中所示的数据应用的滤波过程相对较弱，实际上更可能执行更强的滤波作用。参照图5c,该图5c示出了如何对滤波数据点162进行插值以在所述孔的内表面上相对于基准表面144a和144b的预定角位置处生成插值数据点176。例如，零角位置172可以通过基准表面144a的表面法线与孔的中轴线174的相交来限定。然后可以在相对于该零位置172的一些限定的角位置171处计算插值测量点176。在该过程的第二阶段，从串联坐标定位设备移除零件140，并零件140置于参照图I和图2描述的并联坐标定位设备上。该并联坐标定位设备可以是完全未校准的，或者可以是校准到相对较低精度(例如低于测量目的所能接受的精度)。然后，使用该并联坐标定位设备而不是所述串联坐标定位设备反复进行上述过程。具体地说，该并联坐标设备用于收集所述孔的内表面和所述基准表面上的测量数据。然后以上面描述的方式对该数据进行滤波。然后执行插值步骤，在该插值步骤中，在与串联坐标定位设备的插值过程中使用的角取向相同的角取向(即相对于基准表面限定的角取向)生成表面测量点。尽管针对两组数据(即串联CPA和并联CPA)描述了插值过程，应注意的是，可以仅对一组数据进行插值，以利用另一组数据对其进行调校。还应该记�。缟厦娓晗傅孛枋龅哪茄庵植逯倒痰奶婊环桨敢彩强尚械�。参照图6，示出了该过程的第三阶段，在该第三阶段中，将使用串联坐标定位设备收集的数据与使用并联坐标定位设备收集的数据进行比较。具体地说，图6示出了使用串联坐标定位设备获取的插值数据点以及相关联的滤波数据拟合线156。另外，图6示出了使 用并联坐标定位设备获取的插值数据点182以及相关联的滤波数据拟合线184。还示出了所限定的角位置171。因而，图16示出了使用串联和并联坐标定位设备测量的描述孔表面上的点的位置相应对的插值数据点。具体地说，示出了成对的点176和182，所述成对点的176和182涉及分别使用串联和并联坐标定位设备测量的孔的内表面上的同一角位置。因而可以建立该对点184和186之间的差或误差值Λ ! -Δ 3。这种误差值Λ因而描述了用于多个角位置的沿着孔表面的局部表面法线的位置差。因而，为每个相应对的插值点176和182推导出误差值，并与相关联的角信息一起将这种误差值存储为误差图。如上所说明的，该串联坐标定位设备被完全校准并可以被认为是良好的近似以提供真实或参考位置测量。所述误差图的误差值因而提供了位置不确定性，当使用并联坐标定位设备测量零件140时会存在这种位置不确定性。如果使用同一个并联坐标定位设备来测量名义上与零件140相同的另一个零件，则可以在所收集的测量数据上执行以上描述的滤波和插值过程，以获得测量数据点，所述测量数据点位于与所述误差图的误差值的那些位置对应的位置(相对于基准表面限定)处。所述误差图中包含的误差值因而能够被应用到每个插值数据点，由此校正这种数据点以解决并联坐标定位设备的不准确性。换言之,每个误差值都可以用来使插值数据点沿着表面法线移位，由此消除或减少由于并联坐标定位设备中的不精确性而在这种测量中引起的误差。在上述实施例中，使用零件140的几何形状来使得能够沿着局部表面法线限定误差值。获知零件几何形状提供了在不同设备获取的测量之间的联系，并且还提供了包含在误差图中的误差值的生成和使用中使用的表面法线信息。例如，当测量孔表面时，法线信息可以从拟合(例如，孔的中轴线可以从在孔的内表面上测量的点来查明，由此提供所需的表面法线信息)获得。然而，所述方法的变型还可以应用到不具有标准几何形状特性的任意表面。参照图7，示出了具有任意表面202的零件200。现在将参照图8至图12描述如何能够测量这种表面202。参照图8a至图Sc，示出了该过程的第一阶段，在该第一阶段中，使用串联(参考)坐标定位设备测量零件200的表面202。
如图8a中所示，初始测量步骤包括使用串联坐标定位设备测量零件200的表面202上的多个点212的位置。与每个测量点212相关联的不确定性由误差棒表示。还示出了表面202的法线轮廓210。参照图Sb，然后执行滤波步骤。该滤波步骤使用递归滤波器平滑测量点212以产生位于滤波表面或曲线216上的一系列滤波数据点218。除了递归滤波器之外，还可以使用其他合适的滤波技术(例如光滑滤波器、滚动平均滤波器等)。参照图Sc，建立与每个滤波点218相关联的表面法线向量220。该表面法线向量220可以在滤过过程之前、过程中或之后查明。例如，该表面法线向量可以从原始检查计划获知。优选地，该表面法线向量在滤波过程中查明。该表面法线向量可以以多种另选方式计算。例如，该表面法线向量可以根据连接两个相邻的滤波点的线的法线来建立。另选地，如图Sc中的插图所示，可以利用位于目标滤波点218’两侧的两个滤波点218限定线222。然后可以将用于目标滤波点218’的表面法线向量220’限定为与线22垂 直并与目标滤波点218’相交的向量。存储滤波点218的位置以及描述相关联的表面法线向量220的信息。参照图9a和图％，示出了该过程的第二阶段，在该第二阶段中，使用并联坐标定位设备测量物体200的表面202。在该实施例中，所述的并联坐标定位设备是将要被进行误差校正的设备，因而具有与所获取的测量结果相关联的较大的不确定性。然而，应注意到，该不确定性不是随机的，并且所获取的测量具有高度重复性。图9a示出了使用并联坐标定位设备获得的测量。具体地说，图9a示出了零件200的表面202上的多个点232的测量位置。还示出了该零件的名义表面轮廓210。与这些测量点232相关联的不确定性由相关联的错误棒表示。通过与图8a比较可以看出，利用并联坐标定位设备获得的数据点232在与使用串联坐标定位设备测量的点不同的位置处以不同的密度获得。图9b示出了通过滤波过程从测量点232推导出的一系列滤波点238。该相同的或不同的滤波过程可以应用于并联和串联坐标定位机器的测量。该系列滤波点238位于滤波表面或曲线236上。参照图10，图10示出了使用串联和并联坐标定位设备获得的表面202的测量的结果。具体地说，与使用并联坐标定位设备获取的滤波测量点238 —起示出了使用串联坐标定位设备测量的滤波测量点218和表面法线向量220。可以执行适当的拟合过程(例如最小方差和)，以便以所示的方式调校来自相应坐标定位设备的数据。然后对滤波测量点238执行插值过程，以生成插值测量点240，所述插值测量点240位于与滤波测量点218相关联的表面法线向量220上。所述插值过程例如可以包括线性插值、多项式(例如立方)插值或滚动插值。在插值中使用的点的数量将设定插值测量点的精度。如图10的插图中更详细地所示，使用沿着表面法线向量220的误差校正值Λ来描述使用串联和并联坐标定位设备获得的测量中的位置差。将各个误差校正值Λ和相关联的表面法线向量存储为误差图。参照图11，现在将描述当使用并联坐标定位设备测量名义上与表面202相同的另一物体的表面时上述误差图的使用。首先，布置并联运动坐标定位设备来测量物体表面上的多个点。然后对这些测量点进行滤波以提供位于滤波曲线252上的一系列滤波数据点250。然后执行插值过程(例如以上描述类型的插值过程)以生成位于曲线252上的插值测量点254，并且还与之前参照附图10描述的所生成的误差图的表面法线向量220相交。将误差图的误差校正值应用至插值点254以生成校正测量点256。换言之，每个插值测量点254的位置都通过相关联的误差值Λ而沿着表面法线向量220移位。这样，降低了与并联坐标定位设备相关联的位置不确定性，并且使测量精度接近串联坐标定位设备的测量精度。上述实施例描述了误差图生成的过程，在该误差图中，将利用并联坐标定位设备获得的测量与被假定为提供真实测量值的(预校准)串联坐标定位设备的测量进行比较。然而，重要的是需要注意，该方法可以用来生成描述具体表面的任何两个数据组之间的误差图。例如，可以生成该误差图用于使用任何两个不同坐标定位设备获取的数据组或者用于同一坐标定位设备的不同构造。而且，描述该表面的其中一个数据组可以根据设计数据生成而不是直接测量。 所述表面法线向量也可以以与以上描述的那些方式不同的方式来限定。例如，参照图7至图11描述的上述方法使用利用串联坐标定位设备获得的测量推导出的表面法线向量220。该表面法线向量可以另选地使用利用并联坐标定位设备获取的滤波测量来限定。在另一个另选的方案中，所述表面法向数据可以使用法线表面形状信息来限定，该法线表面形状信息可以以与参照图4至图6描述的应用于已知几何形状的孔的过程类似的方式从设计数据推导出。在这种实施例中，串联坐标定位设备和并联坐标定位设备的数据都可以被插值成位于设计数据的名义表面法线向量上。还应该注意的是，可以生成一个以上的误差图来校准测量。现在将更详细地描述这种过程。参照图12，示出了双误差映射过程。具体地说，图12示出了用于物体的设计表面轮廓300，该设计表面轮廓300由利用计算机设计包生成的多个数据点形成。图12还示出了 参照表面轮廓302，该参照表面轮廓302已经使用串联(参考)坐标定位设备在进行相关设计的零件上进行测量；以及同一零件的表面轮廓304，该表面轮廓304使用并联坐标定位设备测量。每个表面轮廓300、302和304都包括多个数据点。这些数据点的示例仅在图12的插图中示出。因此，参照图7至图11描述的上述校正过程可以用于生成第一误差图，该第一误差图包括表面法线向量和沿着该表面方向的校正值，这些校正值描述利用串联和并联定位设备测量的点之间，例如点308和310之间的位置差。还可以以类似方式生成第二误差图，以映射参考表面轮廓302和设计表面轮廓300上的点(例如点306和308)之间的位置差。第一误差图因而校正利用串联和并联坐标定位机器获得的测量之间的差，而第二误差图解决了设计数据与利用串联坐标定位设备获得的测量之间的差。这样，可以利用第一误差图将利用并联坐标定位设备获得的物体的随后测量向回映射到参考坐标定位设备，然后利用第二误差图向回映射到设计数据。因而可以将利用并联坐标测量设备获取的测量映射回设计数据。以上参照各种附图描述的方法示范了可如何使用针对第一零件产生的误差图来例如校正另一个(例如名义上相同的)零件的测量。然而，该误差图也可以用来校正形成或某种程度上改变零件的随后过程。例如，可以使用误差图中包含的各个误差值来为将从坯料制造的零件提供逐点校正。这例如可以通过使用该误差图改变CAD数据来实现，从而可以生成更新的机加工指令(例如机床命令代码)。因此，这些更新指令可以允许将各个误差校正结合在机加工过程中。类似地，该误差图可用来限定需要向零件何处添加附加材料。例如，还误差图可以用在涡轮机叶片整修过程中以限定需要向涡轮机叶片的那个地方添加额外材料。
应该再次牢记，以上描述的方法仅仅是本发明的二维实施例，而该技术在实践上可以应用于三维实施例。而且，在各种附图中极大地夸大了各种位置不确定性，而所收集的点的密度远远低于通常收集的点的密度。上述实施例因而仅仅是示例性实施例，并且绝不应该看作是对本发明的范围的限制。
权利要求
1.一种用于坐标定位设备的误差校正方法，该方法包括如下步骤 (i )获得第一数据组，该第一数据组包括一个或更多个第一数据值，每个第一数据值都描述第一物体的表面上的位置； (ii)获得第二数据组，该第二数据组包括一个或更多个第二数据值，每个第二数据值都描述所述第一物体的表面上的位置；以及 (iii)计算误差图，该误差图包括一个或更多个误差值，每个误差值都描述由所述第一数据组描述的表面与由所述第二数据组描述的表面之间的位置差， 其中所述第一物体的表面法线在由每个第一数据值描述的每个位置处都是已知的，并且步骤(iii)包括通过确定基本在已知表面法线的方向上的所述位置差来计算每个误差值， 所述方法的特征在于包括对所述第一物体或名义上与所述第一物体相同的物体执行处理或测量操作的另一步骤(iv)，其中利用在步骤(iii)中计算的所述误差图来校正所述第一物体或名义上与所述第一物体相同的物体的表面上的位置。
2.根据权利要求I所述的方法，其中步骤(iv)包括如下步骤获得名义上与所述第一物体相同的另一物体，使用坐标定位设备测量该另一物体，并使用所述误差图校正所述另一物体的测量。
3.根据权利要求I所述的方法，其中步骤(iv)包括如下步骤执行处理操作操作以改变所述第一物体或名义上与所述第一物体相同的物体的表面形状，其中使用所述误差图调节通过所述处理操作产生的所述表面形状。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述处理操作包括向所述第一物体或名义上与所述第一物体相同的物体添加材料或从所述第一物体或名义上与所述第一物体相同的物体移除材料。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，该方法包括如下步骤利用确保每个第二数据值位于第一数据值的已知表面法线上的插值过程生成所述一个或更多个第一数据值和/或所述一个或更多个第二数据值，其中在步骤(iii)中计算的每个误差值包括第一数据值与沿着所述已知表面法线的其相关联的第二数据值之间的位置差。
6.根据权利要求I至4中任一项所述的方法，该方法包括用于多个第一数据值中的每个数据值的如下步骤 限定包括第一数据值并与其已知表面法线正交的平面； 沿着所述第一数据值的已知表面法线投影所述第二数据值中的至少一些第二数据值，并且确定所述第二数据值的投影与所限定的平面相交的位置；以及 确立所述第二数据值的投影中的那一个在最接近于所选择的第一数据值的相交点处与所限定的平面相交；以及 根据最接近的相交点与进行投影的相关联的第二数据值之间的位置差计算所述误差图。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，该方法包括如下步骤使用包括测量探针的至少一个坐标定位设备来测量所述第一物体的表面上的多个点的位置，其中从使用所述至少一个坐标定位设备获得的所述第一物体的测量推导出所述第一数据组和所述第二数据组中的至少一个。
8.根据权利要求7所述的方法，该方法包括如下步骤使用包括测量探针的第一坐标定位设备来测量所述第一物体的表面上的多个点的位置，其中所述第一坐标定位设备包括校准的坐标测量机器，并且从利用所述第一坐标定位设备获得的所述第一物体的测量推导出所述第一数据组。
9.根据权利要求8所述的方法，该方法包括如下步骤利用由所述第一坐标定位设备在所述第一物体的表面上测量的点计算所述第一物体的由每个第一数据值描述的每个位置处的表面法线。
10.根据权利要求8所述的方法，其中所述第一物体具有已知的几何形状，并且该方法包括如下步骤利用所述第一坐标定位设备来执行基准操作，以建立所述第一物体的取向，使得所述第一物体的表面法线在由每个第一数据值描述的每个问题处都是已知的。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中从所述物体的设计数据推导出所述第一数据组和所述第二数据组中的至少一个。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，该方法包括如下步骤使用包括测量探针的第二坐标定位设备来测量所述第一物体的表面上的多个点的位置，并且从利用所述第二坐标定位设备获得的所述第一物体的测量推导出所述第二数据组。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述第二坐标定位设备包括并联坐标定位设备。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其中所述步骤(ii)包括利用插值过程以根据由所述第二坐标定位设备测量的所述第一物体的表面上的多个点的位置计算所述一个或多个第二数据值，其中将步骤(ii)中计算的每个第二数据值布置成位于第一数据值的表面法线上。
15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，该方法包括 获得包括一个或更多个第三数据值的第三数据组，每个第三数据值描述所述第一物体的表面上的位置；以及 计算包括一个或更多个误差值的第二误差图，每个误差图都描述第二数据值和第三数据值之间的位置差，所述位置差基本上在与所述第一数据值向关联的已知表面法线的方向上确定。
全文摘要
描述了一种用于坐标定位设备的误差校正方法，该方法包括(i)获得第一数据组，该第一数据组包括一个或更多个第一数据值，每个第一数据值都描述第一物体的表面上的位置；(ii)获得第二数据组，该第二数据组包括一个或更多个第二数据值，每个第二数据值都描述所述第一物体的表面上的位置；以及(iii)计算误差图，该误差图包括一个或更多个误差值，每个误差值都描述由所述第一数据组描述的表面与由所述第二数据组描述的表面之间的位置差。所述第一物体的表面法线在由每个第一数据值描述的每个位置处是已知的，并且步骤(iii)包括通过基本在已知表面法线的方向上确定所述位置差来计算每个误差值。在所述第一物体或名义上与所述第一物体相同的物体上执行处理和测量操作，其中利用在步骤(iii)中计算的误差图来校正所述第一物体或名义上与所述第一物体相同的物体的表面上的位置。
文档编号G01B21/04GK102792126SQ201180012239
公开日2012年11月21日 申请日期2011年3月4日 优先权日2010年3月4日
发明者凯维恩·巴里·乔纳斯, 安东尼·布朗, 彼得·罗素·哈蒙德, 若弗雷·麦克法兰 申请人:瑞尼斯豪公司, 计量软件产品有限公司
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20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
