CN101166950A - 用于扫描工件表面的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用安装在铰接的探头上的表面检测装置来测量表面轮廓的方法，其中该探头沿着与表面轮廓有关的标称路径移动，确定该表面轮廓的至少近似的表面法线，利用表面检测装置检测该表面轮廓，基本上沿着该表面法线的方向调整该表面检测装置相对该表面轮廓的距离或力。该表面法线可以通过将至少一部分近似成可数学参数化的曲面轮廓来确定。

Description

用于扫描工件表面的方法

发明领域

本发明涉及利用安装在座标定位设备上的电动扫描头来扫描工件表面的方法，座标定位设备是例如座标测量机(CCM)、机床、手动座标测量臂以及检查机器人。

背景技术

国际专利申请号WO 90/07079公开了将电动扫描头安装在座标定位机上。该电动扫描头使安装在电动扫描头上的测头能够绕两个正交的轴线旋转，这种测头可以绕这两个轴线按角度定位，同时电动扫描头能够通过座标定位机被定位在该机器工作容积内的任何位置。

这种电动扫描头使座标定位机具有更大的扫描灵活性，因为电动扫描头能够按许多不同的取向定位测头。

发明内容

本发明的第一方面提供一种利用安装在座标定位设备的探头上的表面检测装置测量表面轮廓的方法，其中可操作该座标定位设备，用于产生该探头和表面轮廓之间的相对运动，并且其中该探头包括驱动器，用于产生该表面检测装置绕一个或多个轴线的旋转运动，该方法包括按任何合适顺序的如下步骤：

(a)沿着该表面轮廓相关的标称路径移动该探头；

(b)确定该表面的至少近似的表面法线；

(c)利用表面检测装置检测该表面；

(d)以及基本上沿着该表面法线的方向调整该表面检测装置相对于该表面的距离或力。

通过使用三维探针；利用历史数据；根据该部件定义的几何形状；或根据可数学参数化的曲面轮廓近似在步骤(b)中可以确定该表面法线。

在步骤(c)中用表面检测装置检测该表面的步骤包括变换该探针的测头的偏斜(deflection)，变换在该探针的测头上的力或变换该表面与该探针的距离。

本发明的第二方面提供一种利用安装在座标定位设备的探头上的表面检测装置测量表面轮廓的设备，其中可操作所述座标定位设备，用于产生该探头和该表面轮廓之间的相对运动，并且其中该探头包括驱动器，用于产生该表面检测探针绕一个或多个轴线的旋转运动，所述设备包括控制器，用于按任何合适的顺序执行下述步骤：

(a)沿着该表面轮廓相关的标称路径移动该探头；

(b)确定该表面的至少近似的表面法线；

(c)利用该表面检测装置检测该表面；

(d)以及基本上沿着该表面的法线方向调整该表面检测装置相对于该表面的距离或力。

本发明的第三方面提供一种利用安装在座标定位设备的探头上的表面检测装置测量表面轮廓的方法，其中可操作该座标定位设备，用于产生该探头和表面轮廓之间的相对运动，并且其中该探头包括驱动器，用于产生该表面检测装置绕一个或多个轴线的旋转运动，该方法包括按任何合适顺序的如下步骤：

(a)将该表面轮廓的至少一部分近似成可数学参数化的曲面轮廓；

(b)确定该曲面轮廓的表面法线；

(c)用测量探针测量该表面轮廓的至少一部分的表面，并且其中基本上沿着该曲面轮廓的法线控制由该表面检测装置报告的距离或力。

在优选实施例中，该曲面轮廓包括参数化的抛物面。也可以使用其他曲面轮廓，例如，非均匀的有理b-样条(NURBS)表面。

所述曲面表面具有定义的高度和宽度参数。

所述曲面表面在一部分的开始点和终点可以具有不同的高度和宽度参数，该高度和宽度参数在两端之间被融合在一起。

利用融合在一起的两个或多个曲面轮廓的测量轮廓，所述表面轮廓的两个或多个部分可被近似成对应数量的曲面轮廓。

本发明的第四方面提供一种利用安装在座标定位设备的探头上的表面检测装置测量表面轮廓的设备，其中可操作所述座标定位设备，用于产生该探头和该表面轮廓之间的相对运动，并且其中该探头包括驱动器，用于产生该表面检测装置绕一个或多个轴线的旋转运动，所述设备包括用于按任何合适的顺序进行下述步骤的控制器：

(a)将该表面轮廓的至少一部分近似成可数学参数化的曲面轮廓；

(b)确定该曲面轮廓的表面法线；

(c)用测量探针测量该表面轮廓的至少一部分的表面，并且其中基本上沿着该曲面轮廓的法线控制由该表面检测装置报告的距离或力。

本发明的第五方面提供一种利用安装在座标定位设备的探头上的具有表面检测装置的测量探针测量表面轮廓的方法，其中可操作该座标定位设备，用于产生该探头和表面轮廓之间的相对运动，并且其中该探头包括驱动器，用于产生该表面检测装置绕一个或多个轴线的旋转运动，该方法包括按任何合适顺序的如下步骤：

(a)将该表面轮廓分成至少两部分，该两部分的相交形成中途点，该中途点具有相关的半径；

(b)当关注点进入该中途点的半径时，确定每个轴线的速度；

(c)当关注点离开该中途点的半径时，确定每个轴线的速度；

(d)数学建模加速度，用于沿每个轴线的从步骤(b)中的速度到步骤(c)中的速度的平滑过渡。

该轴线包括实际轴线，即，座标定位设备和探头的轴线。该轴线可以包括包含时间变化参数的伪轴线。

所述关注点可以包括测头末端。

在上述所有方面，表面检测装置可以包括具有可偏斜测头的接触式探针，其中变换器测量该测头的偏斜(deflection)；具有测头的接触式探头，其中变换器测量在该测头处的力；或诸如电容式、电感式或光学探针的非接触式探针，其中变换器测量从该表面的偏移(offset)。

本发明的第六方面提供一种利用安装在座标定位设备的探头上的具有表面检测装置的测量探针来测量表面轮廓的设备，其中可操作该座标定位设备，用于产生该探头和表面轮廓之间的相对运动，并且其中该探头包括驱动器，用于产生该表面检测装置绕一个或多个轴线的旋转运动，该设备包括控制器，用于按任何合适顺序执行如下步骤：

(a)将该表面轮廓分成至少两部分，该两部分的相交形成中途点，该中途点具有相关的半径；

(b)当关注点进入该中途点的半径时，确定每个轴线的速度；

(c)当关注点离开该中途点的半径时，确定每个轴线的速度；

(d)数学建模加速度，用于沿每个轴线的从步骤(b)中的速度到步骤(c)中的速度的平滑过渡。

附图说明

下面参考附图描述本发明优选实施例的例子，其中：

图1是包括根据本发明的测量设备的座标测量机的正面图；

图2是电动扫描头的剖示图；

图3示出固定宽度和高度的单个区段的曲线扫描；

图4示出具有不同的开始点和终点宽度和高度的曲线扫描；

图5是示出两个融合抛物面的图；

图6示出分成多个区域的机翼的平面曲线的俯视图；

图7示出图6的平面曲线，具有每个区域的附加弦和平分线；

图8示出图6的平面曲线区域的修正的尖峰中心；

图9示出中途点和其相关的融合半径；

图10示出使用融合移动的扫描的方形；

图11示出方形的融合扫描曲线；

图12示出圆形的扫描；

图13示出在方形板中的偏移的方形孔的扫描；

图14示出凸台的扫描；

图15示出机翼的扫描；

图16示出阀座的扫描；

图17示出标称的与要求的扫描路径和法线之间的区别；

图18示出利用历史数据对表面的预测；

图19示出利用中途点的机翼的扫描轮廓，以及

图20示出利用中途点的叶盘(blisk)的扫描轮廓。

具体实施方式

图1示出安装在座标测量机(CMM)上的电动扫描头。被测量的工件10安装在该CMM 14的台面12上，并且电动扫描头16安装在该CMM 14的主轴18上。该主轴沿着X、Y、Z方向相对于该台面可以通过电机按已知的方式驱动。

如图2所示，该电动扫描头16包括由基体或壳体20形成的固定部件，以轴22的形式支撑运动部件，该轴22可通过电机M1相对于壳体20绕轴线A1旋转。该轴22固定于另一个壳体24，该壳体24又支撑轴26，该轴26可通过电机M2相对于该壳体24绕垂直于轴线A1的轴线A2旋转。

具有测头29的探头28安装在电动扫描头上，该测头29具有接触工件的末端30。这种设置使得扫描头的电机M1、M2能够将接触工件的末端绕轴线A1和A2按角度定位，而CMM的电机能够将电动扫描头线性定位在该CMM的三维座标框架内的任何地方，以使该测头与被扫描的表面成预定的关系。

线性位置变换器设置在该CMM上，用于测量该扫描头的线性位移，而角度变换器T1和T2设置在扫描头中，用于测量该测头绕相应轴线A1和A2的角位移。该探针具有可偏斜的测头29，在探针上的变换器测量测头的偏斜量。

在图1所示的竖直臂CMM上，扫描头16的A1轴线名义上平行于该CMM的Z轴(其沿着主轴18)。该扫描头可以绕这个轴线连续旋转探针。扫描头的A2轴线与其A1轴线正交。

该CMM具有诸如计算机的控制器17，其包含程序，以使该系统在多个点上测量工件，该多个点使得足以获得需要的尺寸和用于需要的检测操作的工件形状。这种控制器或不同的控制器可以用于控制这些步骤和在下面描述的计算。

通过沿着围绕该部件的标称路径移动该电动扫描头并利用来自探针的反馈来调整扫描参数能够对部件进行扫描。

未知部件的扫描需要机械带宽(mechanical bandwidth)，这被看作是偏离标称路径的表面形状上的变化率。这可以分成两个部分，在探针范围之内的对标称路径的偏离和大于该探针范围的偏离。这两部分都取决于探针在该表面上经过的速度，即扫描速度。

该系统的基本带宽要求是，探针机械带宽必须大于探针范围内所关注的表面变化的带宽，并且机器运动伺服系统的带宽必须大于超出探针范围所关注的表面变化的带宽。沿着标称部分迹线所需要的带宽和控制全部探针偏斜误差所需要的带宽之和必须小于机器运动伺服系统的带宽。

扫描通常由两个矢量的合成构成，即沿着扫描移动探针末端的驱动矢量和用于把探针保持在范围之内的偏斜控制矢量。为了将探针保持在范围内，要增加或减少探针的偏斜，并且需要知道沿着那个方向移动以控制偏斜。而且，该系统必须具有一些可得到的伺服带宽以影响所需要的运动。

对于那些带宽大于扫描头带宽的表面变化，探针偏斜作用于该表面变化。对于那些扫描头能够对其起作用、但是安装在其上的机器不能起作用带宽的表面变化，则扫描头和探针两者都起作用。对于带宽在机器性能限度内的表面变化，可以用该机器对该表面变化起作用。但是有益的是，为了避免机器的惯性偏斜，利用扫描头而不是利用安装在其上的机器对表面变化起作用。在表面变化大于扫描头范围的情况下，可以利用机器的运动。通过这些手段根据每个轴线的已知的惯性偏斜特性也能够限制该系统的不同部件的加速度，使得对于给定的要求精度能够得到最好的速度。

虽然该例子描述具有可偏斜的测头的探针，探针测量测头的偏斜，但是本发明适合于其他类型的探针。一些接触式探针测量在测头处的力而不是偏斜。这些探针具有力范围并且来自探针的反馈用于移动该探针，以沿着类似“偏斜控制矢量”的“力控制矢量”把探针处的力保持在范围之内。诸如电容式、电感式、和光学探针的非接触式探针测量与表面的距离，并且具有偏移(offset)范围。来自探针的反馈用于调整探针沿着类似“偏斜控制矢量”的“偏移控制矢量”的偏移。

有许多种方法可得到偏斜控制矢量，其中一些方法在下面简单描述。控制偏斜的最有效方向是沿着被扫描表面的法线。

预计三维探针应该沿着垂直于被扫描表面的方向产生偏斜。一般的三维探针具有球形测头末端，支撑在三轴线弹簧系统上，其中各弹簧具有相等的刚度。因此探针偏斜将沿着垂直于表面的方向。但是存在影响探针偏斜的各种因素。

所述球形体和所述表面之间产生摩擦。由于偏斜矢量是摩擦矢量和反作用力的和，因此偏斜矢量不再垂直于该表面。而且，由于测头在表面上移动的时候测头末端可能附着或滑动，因此表面和球体之间摩擦不是恒定的或线性的。因此，偏斜矢量与该表面的法线不一定成恒定的角度。

此外，如果探针不是在所有的方向都具有相等的弹簧刚度，即便在没有摩擦的情况下，探针也不能沿着表面法线偏斜。

由于只引起很小的误差，因此摩擦问题一般可以忽略。如果这些误差变大，偏斜矢量可以旋转该摩擦角度(反作用矢量旋转至摩擦矢量的角度)，以产生更好的表面法线估计。

可以通过对探针偏斜数据进行过滤来克服附着和滑动的问题。这能够通过利用机械阻尼器、电过滤器或软件数字过滤器来实现。所有这些都限制了系统的带宽并引起程度不同的滞后。

不相等的弹簧刚度可通过数学方法来补偿，但会导致偏斜矢量在最刚性轴线方向对噪声更加敏感。

这些问题显著地限制了利用这种方法可连续扫描表面的带宽，但是它的优点是几乎不需要知道关于被扫描表面的情况。

历史数据可以用于根据过去测量的点来预测表面的形状。使用一组测量数据来计算包含这些数据点的区域的表面形状，并投影这个形状以预测下一个目标点的表面可能在什么位置。图18示出了未知表面160，并且A、B、C、D是测量点。一旦A、B、C被测量之后，可以确定连接A、B点的直线AB。同样可以确定直线BC。直线AB和BC之间的角度θ也可以被确定。如果假定未知部分的形状是连续的，那么对于至未知点D的直线CD可以根据过去的数据来预测，即，它是BC旋转θ角。在D点的表面法线可以通过将直线CD旋转90°来预测。因此探针偏斜可以沿着这个方向来调整。

其他方法可以用于进一步向前外推，例如使数学曲线适合于历史数据。但是这使比较费时的，因此不太实用。

在限定的几何形状扫描中，表面形状是已知的，例如，它可以是圆柱或平面。当部件被扫描时所要求的测量数据可以用于细化作为被扫描部分的几何形状模型。这具有减少可能低带宽误差的效果。这导致在探针的偏差范围内的扫描是可能的。因此该机器定位伺服带宽可以用于跟踪标称的扫描迹线，并且不需要控制总的探针偏斜误差。这能够实现非常高速的扫描。

在限定的几何形状扫描中，表面法线是已知的，并且因此沿这个方向能够容易地补偿探针以调整偏斜。例如在平面中法线是不变的，而在圆柱中，表面法线必需总是经过该圆柱的轴线。

当对历史的、限定的几何形状或限定的法线扫描有关表面的知识在起初太不完善，可以利用混合方法。在这种情况下，可以用根据偏斜矢量估算的偏斜控制矢量开始扫描。一旦获得关于表面的足够信息，该偏斜控制矢量可以用历史点、定义的几何形状或定义的法线来建立。这应当是从一种方法到另一种方法的突然变化，或是为了去除突然不连续性三维偏斜矢量的影响随着时间减小并且替代方法的影响随着时间增大的逐渐变化。

下面更加详细地描述定义表面的表面法线的一种方法。在该方法中，该表面被近似成参数化曲面。于是该参数化曲面的法线能够被确定，并且用作偏斜控制矢量的方向。

如图3所示，被测量的表面40可以被近似成抛物面(或后面描述的其他表面轮廓)。该表面被近似成有限范围的抛物面，用其宽度w和长度h来定义。在图3中的抛物面具有恒定的宽度和零高度。

一旦建立参数化的抛物面轮廓，探针在宽度和高度两方面从扫描中心线的漂移可按沿着扫描的给定距离1根据扫描曲线的幅度来确定。

抛物面函数用于定义该表面，轴线A1和A2朝着或离开控制探针偏斜移动(即，向上或向下修正偏斜)。当探针不需要跟随该抛物面轮廓时，这个轮廓可以用于扫描只是近似抛物面的扫描表面。

如图4所示，抛物面44在这一段的起点和终点可具有不同的高度参数h0、h1和宽度参数w0、w1，并且在两端之间平滑地融合这些参数。因此参数法可以用于沿其长度不一致的表面

下面参考图5更详细地描述抛物面轮廓。抛物面轮廓具有有用的数学性质，对于按同样方式参数化的不同高度和宽度的抛物面，在整个融合中连接具有同样参数值的各点的线是直线。这简化了所需要的计算。

图5是扫描宽度i对照扫描高度j的图示，其中示出两个抛物面44和48具有不同的宽度和高度。虚线连接具有相同参数值的各点。

用于一区段的参数化过程如下：

如果我们将扫描的座标系定义为

i：在扫描线的中心具有零扫描宽度

j：在扫描线的中心具有零扫描高度

k：在扫描起点具有零扫描长度

如果我们定义变量如下：

W0：在扫描起点的抛物面宽度

W1：在扫描终点的抛物面宽度

H0：在扫描起点的抛物面的高度

H1：在扫描终点的抛物面的高度

L：  扫描的长度

W(k)：沿扫描在长度k处的抛物面宽度

h(k)：沿扫描在长度k处的抛物面高度

t：定义抛物面上一个点的参数

A(k)：定义抛物面形状的参数

T(k)：定义抛物面范围的参数

因此定义了扫描法线的表面的形状由下述定义：

0≤k ≤L...................................1

$w\left(k\right)=\frac{W_1-W_0}{L}\·k+W_0$

$h\left(k\right)=\frac{H_1-H_0}{L}\·k+H_0$

$A\left(k\right)=\frac{w{\left(k\right)}^2}{16\·h\left(k\right)}$

$T\left(k\right)=\frac{4\·h\left(k\right)}{w\left(k\right)}$

-T(k)≤t≤T(k)

t(t，k)＝2·A(k)·t..............................2

j(t，k)＝-A(k)·t²..............................3

公式2、3和1定义表面的i、j和k座标，并且通过将法线移动到该座标来控制偏斜。

可通过将波重叠在该表面上来计算探针末端的标称扫描路径。波的相位与沿着扫描长度行进距离成正比，并且参数t与该相位的正弦值成正比，在±T的界限内。数学上可以表示如下：

Ω：是扫描线频率的量度

θ(k)：沿扫描在长度k处的扫描线相位

因此：

θ(k)＝k·Ω

t(k)＝T(k)·sinθ

这些公式满足判据：-T(k)≤t≤T(k)

由于t现在只是k的函数，i和j也可以完全用k定义。因此定义标称末端运动的公式如下：

0≤k≤L...................................1

i(k)＝2·A(k)·T(k)·sin(k·Ω).....................4

j(k)＝-A(k)·(T(k)·sin(k·Ω))²....................5

由于只有一个变量，这定义了线(标称末端迹线)而不是面。

这个公式组表示抛物面上的正弦波叠加，该抛物面具有从起点状态到可能不同的终点状态融合的宽度和高度。

为了精确地跟踪这个轮廓，需要沿着该CMM跟踪的迹线相当多的来回移动。为了消除沿着该CMM迹线的来回运动，该正弦波朝着鲨鱼牙齿状的头部的旋转中心变形。这通过修改参数k来实现。

抛物面参数可以按各种方法定义，例如从CAD模型或通过取一组初始测量值。

关键的扫描线参数是在每个扫描段端部的中心、高度和宽度以及法线，连同起始和终止A1和A2角度位置。

当根据CAD模型编程时，找到这些值的过程能以各种方式来完成。下面描述一种方便的方法。

在第一值z处的部分取平面区段。

得到的平面曲线50分成如图6所示的感兴趣的区域52。这些区域不宽于探针长度的预定部分，例如探针长度的三分之一。但是，如果正弦扫描的变形不是需要的并且完成扫描的时间不是关键的，也可以用比较窄的区段。

选择这些区域使得每个区域曲线只沿着一个方向，从而他们尽可能逼近抛物面。可能需要选择拐点作为边界以确保区域的正确曲率。

在这个例子中，每个区段还反过来自顶向下扫描(反之亦然)。

如图7所示，每个区域52由弦54连接。垂直平分线56从弦54向平面曲线50延伸。每个扫描的高度是垂直平分线56的长度，而宽度是弦54的长度。扫描的中心58是该平分线与该平面曲线的相交点。扫描法线沿着该平分线的方向，从该弦到该曲线。

可调整抛物面参数，使得它们尽可能逼近该部件。在图7中，右侧区域的中心60不够接近该曲线50的顶点62，并且因此能够用相应调整邻近区域来修改。

为了修改抛物面，延伸平分线64使得它穿过该平面曲线50。平分线64和弦66绕该弦的中点旋转直到该延伸的平分线64经过该平面曲线50的顶点62。修正该平分线64使得它结束在该平面曲线50，而且延伸并修正该弦66使得这个弦也结束在该平面曲线50。该修正的尖锐顶点示于图8。

调整相邻曲线的弦和平分线并且适当地移动他们的中心线。这样确保尖锐顶点能够被成功扫描。

通过利用操纵手柄识别该区域，在CMM上用手工限定抛物面。在扫描平面内设立部件座标系。通过在部件座标系统中的“轴线锁”，可使用控制软件将该扫描末端的运动限制在平面曲线的平面内。使用操纵手柄来选取该部件上一个平面内的每个区域的边界处的接触点。然后操作者移开该部件，并且CMM又可以移动到每个弦的平分线上，并且可选地通过在该部件座标系中设立第二个“轴线锁”，利用该控制软件限制该平分线的直线。以这种方式引导操作者选取用作中心点的精确接触点。根据这三个接触点，用于扫描的所有要求几何形状是已知的。然后可使用操纵手柄或通过输入数值来设置合适的A1和A2轴线取向。

如果需要操作者设置尖锐的顶点，该CMM可以在感兴趣区域的每个端点沿着连接两个操纵手柄点的直线进行未知部件的扫描。这将给出用于中心的精确的顶点，以及该区域的新起点和终点，根据该新起点和终点可以计算相邻区域的几何形状。

利用表面法线的抛物面方法可能遇到下面的问题。

当抛物面的高宽比小时，定义扫描的中心不是太关键。表面法线可能是不精确的，但在检测中沿着它移动探针仍然减小或增加探针偏斜，即便探针必需比预期移动的稍微远一点点。

当抛物面的高宽比大并且不精确地定义中心时，沿着该法线按预期将降低偏斜的方向移动探针可能实际上增加偏斜，并且反之亦然。

在图17中实线是指标称路径150和法线152，而虚线是指需要的路径154和法线156。可以看到，对于抛物面的高宽比小的情况，标称法线和需要的法线之间的角度小，但是在抛物面的高宽比大的情况，标称法线和需要的法线之间的角度大。

下面描述用于确定我们需要知道中心线的位置的要求精度的方法。

保持标称法线在规定法线的大约20°内(对不同的探针和表面会有所不同)是切合实际的。这大致对应于1∶3的斜率。能够表明，对给定座标的抛物面的斜率是：

$\frac{\mathrm{dj}}{\mathrm{di}}=\frac{H}{W_2}\·8\·i$

沿着扫描长度该高度和宽度可能不同，但是对于具有H/W²最大值的无论那个端使用该值是安全的。可以接受的中心误差E可以从下面的公式计算：

$\frac{1}{3}=\max \left(\frac{H}{W_2}\right)\·8\·E$

$E=\min \left(\frac{W_2}{H}\right)\·\frac{1}{24}$

对于可能要求1mm最小宽度和4mm最大高度的叶片后沿，用4mm直径探针测量，允许的误差可以大致用下面的公式计算：

扫描线宽度≈边沿宽度+探针直径＝5mm

扫描线高度≈边沿高度+探针直径/2＝6mm

$E\≈\±\left(\frac{5^2}{6}\right)\·\frac{1}{24}\mathrm{mm}$

E≈±0.18mm

误差裕度(margin)随着探针尺寸增加。该边沿中心需要定位成好于1/3毫米。实现它的最简单方法按若干高度运行垂直于边缘轴线的未知路径扫描(取决于已知该边缘弯曲程度如何)。然后可以把扫描中心线设置成每个所找到隆起的中心

或者通过与操纵手柄相交互、或者通过拾取间隙距离和来自CAD模型的搜寻矢量来设置每个未知部件的扫描起点。

其他数学参数化的曲面轮廓可以用于替换抛物面，例如，不均匀的有理b样条(NURBS)表面。

比较复杂的部件可以通过将表面分成若干区段，并且将每区段的扫描融合在一起。

融合3轴线系统的前述方法(即安装在CMM上的探针)需要跟踪相切于进入和离开的探针运动矢量的弧，如图9的虚线所示。但是，利用几何形状将一个恒定设置的轴线运动与另一个相融合的方法不适合具有多个待融合轴线的系统。本系统具有在CMM上的三个轴线和在电动扫描头上的两个轴线。

在本发明中，通过在表面上形成中途点70，部件被分成若干段，每个中途点具有与之相关的融合半径72，如图9所示。该机器输入融合半径，具有前一段所要求的速度和方向。当输入该融合半径之后，它开始逐渐改变其速度和方向，以使得当它离开该半径时，它具有用于下一段的修正的轨迹和适当的速度。

该融合半径利用抛物面或二次方程平滑在每个轴线的加速度，因此它平滑该系统的运动。

融合直线段的目的是为了沿每个轴线中得到尽可能的从一个速度到另一个速度的平滑。孤立地取每个轴线，并且使用多项式来建模需要的加速度，以获得从测头末端(或其他感兴趣的点)进入该融合半径的瞬间该轴线具有的速度到当该测头末端(或其他感兴趣的点)离开该融合半径时具有的速度。这种方法对于多轴线系统(例如所述的5轴线系统)能够使得从一个运动矢量到另一个实现平滑过渡，并且能够忽略轴线的类型和结构。对于N轴线系统的一般情况，需要3次多项式。但是，它直接略去不重要的项，以覆盖实际的3轴线半径。而且，当“直线”段融合在一起时(即每个轴线的速度恒定不变的段)，可以利用二次多项式。

感兴趣的点可以是测量探针的测头末端，例如其可以具有可偏斜的或刚性的测头。可替换地，可以使用非接触式探针，在这种情况下，感兴趣的点是探针的测量设备按恒定长度矢量偏移的位置，该矢量的位置和取向相对于该探针是固定的。这要求将探针保持在测量范围内。该恒定长度的矢量的位置和取向相对于该探针是固定的。这可以是光学探针的物镜与把该探针保持在范围内、与该探针的光轴对齐的表面之间的平衡。

如图9所示，由虚线74所示的多项式融合接近中途点。但是，计算多项式融合的方法降低了每个轴线在每个融合的起点和终点的经受的加加速度(加速度相对于时间的导数)。机器对于能够经受的加加速度有一定限度，并且由于加加速度与加速度成正比，多项式融合移动的优点在于较高的加速度是可以的，同时保持在机器的加加速度限度范围内。

这种融合的数学方法的另一个优点是运动要素能够处理成伪轴线。例如，在抛物面扫描的情况下，宽度、高度和相位被处理成伪轴线。这使得宽度、高度和相位可从一个移动向下一个移动平滑融合。同样的原理应用于机器行为的其他时间变化参数。

图10-13示出单个平面内(因此法线是恒定的)不同形状的扫描。

图10示出方块80的简单扫描，其具有4个中途点82、84、86、88(在四个角落)，用于定义四个零宽度和高度的平抛物面段(形成四边)。探针28标称对齐垂直于该CMM运动方向，以使所需要的CMM移动最小化。当A1轴线沿着每边旋转90度时，探针末端30沿着方块而行，以使得探针在每个角平分该方形的内角

图11示出为被曲线扫描的方形90，在这种情况下，探针28标称对齐该CMM的移动方向。四个中途点92、94、96、98在该方形的各角处。

如果引入更多中途点并且融合半径足够大，主轴将循连续曲线路径而行，这使得可扫描圆形特征，例如图12所示的圆形扫描100。

这种将各移动段融合在一起的方法使得能够测量更复杂的形状。图13示出具有偏斜45度的方形孔112的方形板。如图13所示，利用具有大融合半径的8个中途点114-128，从而该CMM沿着曲线路径移动。扫描宽度在最大和最小值之间交替变化并且得到有效覆盖区域的图形。

通过改变扫描宽度和中途点的数目，能够有效测量偏移(offset)形状的整体变化。

上述融合扫描都是在单个平面内，扫描平面外的唯一移动是由于该抛物面的特定高度。表面法线在不同平面的情况下也可以规定移动段的顺序。

图14示出测量大圆柱或大孔130的方法。电动扫描头环绕凸台的中心以大半径作圆周运动，其中探针28接近与圆柱圆周相切，同时上下扫描。探针偏离切线成一角度以避免碰撞(shanking out)的问题。大圆轨道可以通过利用多个具有大融合半径的融合的中途点逼近。为了使扫描线绕圆柱移动，每段的法线设置成平行于连接该圆柱的轴线和该扫描线的标称中心的直线。

在扫描凸台的一种替换方法中，方形轮廓可以用作机器路径，该方形轮廓的角落优选被融合以减少停止时间。这样作的优点在于由于按恒定速度的零加速度(除了方形轮廓的角落之外，在该角落速度上下突跳)，机器能够沿着直线路径很快的行进。如果方形轮廓具有大于凸台的直径，那么在角落将有数据重复，在加速度不是恒定的情况下减小误差。而且对于数据点加速度是切向的，并且因此不会负面影响该方法。这种方法的优点在于比图14所示的方法更快地扫描凸台。

图19示出用一系列中途点172形成的机翼170的扫描轮廓171。探针成一角度接近表面的切线，以避免探针和部件之间的碰撞。相应确定探头174的迹线。可以沿着机翼长度进行若干个这种扫描。

图20示出同样利用一系列中途点180形成的叶盘的部件176的扫描轮廓178。在这个例子中，探针沿着纵向与叶盘的叶片的表面成一个小角度，因此形成探头182的迹线。与前面一样，沿着叶盘的长度可以进行若干个这种扫描。

这种融合方法不限于表面测量，并且也适合于自由空间运动，例如多轴线装置的复杂运动。

如前所述，抛物面包含高度(height)参数，这对于一些复杂的部件，例如图15所示的机翼140，是非常重要的。机翼测量中的重要特征是前边缘和后边缘。这种方法能够测量该前边缘和后边缘以及该机翼的面。

利用参考图6-8所描述的方法把机翼分成不同的区域142、144等。然后扫描每个区域。如果该区域自顶向下具有一致截面，那么该扫描是直接的，并且每个区域容易从顶部到底部进行扫描(反之亦然)。但是如果该区域在顶部和底部具有不同的轮廓，或者如果机翼以一个角度取向，那么扫描轮廓沿着区域的高度而变化。在这种情况下，需要在该区域顶部、底部、并且可能在中部需要定义抛物面。各抛物面的参数被融合，以能够沿着该区域进行单个扫描。在这种情况下，融合中心线(即，扫描头的路径)和法线。

对于复杂的部件可能发生接近(access)困难，例如形成为叶片-盘(叶盘)部件的机翼。该扫描头的旋转中心不必在该扫描线的中心，所以它仍然能够利用该曲线扫描来扫描机翼的重要特征。进行两遍扫描，一遍让扫描头在外边缘被扫描的旋翼叶毂(hub)上，一遍让扫描头在内边缘所在的叶盘的凸缘(rim)上。这样防止了探针与毂或凸缘的碰撞。

抛物面方法叶可以用于复合曲线。图16示出沿两维弯曲的阀座146。

所述CMM沿着由具有大融合半径的中途点形成的弯曲路径行进。随着该头围绕阀座作圆周运动，表面法线旋转，从而，如果在扫描时矢量沿着它们延伸，将形成在该阀座上定中的圆锥，具有与阀座相同直径的底部。该抛物面高度参数用于使探针在阀座的两个锥面上跟踪标称的弯曲路径。

Claims (34)

1.一种利用安装在探头上的表面检测装置测量表面轮廓的方法，该探头包括驱动器，用于产生所述表面检测装置绕一个或多个轴线的旋转运动，该方法包括按任何合适顺序的如下步骤：

(a)沿着与所述表面轮廓相关的标称路径移动所述探头；

(b)确定该表面轮廓的至少近似的表面法线；

(c)利用所述表面检测装置检测该表面轮廓；

(d)以及基本上沿着所述表面法线的方向调整所述表面检测装置相对于该表面轮廓的距离或力。

2.根据权利要求1的方法，其中在步骤(b)中使用三维探针确定所述表面法线。

3.根据权利要求1的方法，其中在步骤(b)中用历史数据确定所述表面法线。

4.根据权利要求1的方法，其中在步骤(b)中根据限定的所述表面轮廓的几何形状确定所述表面法线。

5.根据权利要求1的方法，其中在步骤(b)中通过将所述表面轮廓的至少一部分近似成曲面轮廓来确定所述表面法线，该曲面轮廓可数学参数化。

6.根据前述权利要求中任何一项的方法，其中所述表面检测装置包括可偏斜的测头，并且其中在步骤(c)中用所述表面检测装置检测所述表面的步骤包括变换该测头的偏斜。

7.根据权利要求1-5中任何一项的方法，其中所述表面检测装置包括测头，并且其中在步骤(c)中用所述表面检测装置检测所述表面的步骤包括变换在所述测头的力。

8.根据权利要求1-5中任何一项的方法，其中所述表面检测装置包括非接触式探针，并且其中在步骤(c)中用所述表面检测装置检测该表面的步骤包括变换该非接触式探针与所述表面的距离。

9.根据前述权利要求中任何一项的方法，其中通过产生所述表面检测装置绕一个或多个轴线的旋转运动实现调整步骤(d)。

10.一种利用安装在探头上的表面检测装置测量表面轮廓的方法，该探头包括驱动器，用于产生该表面检测装置绕一个或多个轴线的旋转运动，该方法包括按任何合适顺序的如下步骤：

(a)将该表面轮廓的至少一部分近似成可数学参数化的曲面轮廓；

(b)确定在该曲面轮廓至少一部分的表面法线；

(c)利用所述表面检测装置测量该表面轮廓的所述至少一部分的表面，并且其中，大致沿着该曲面轮廓的法线方向控制由所述表面检测装置报告的距离或力。

11.根据权利要求10的方法，其中所述曲面轮廓包括参数化的抛物面。

12.根据权利要求10或11的方法，其中所述曲面表面具有定义的高度和宽度参数。

13.根据权利要求12的方法，其中所述曲面表面在一个部分的起点和终点具有不同的高度和宽度参数，在这两端之间所述高度和宽度参数被融合在一起。

14.根据权利要求10-13中任何一项的方法，其中所述表面检测装置的标称扫描路径通过在所述曲面轮廓上叠加波而形成。

15.根据权利要求10-14中任何一项的方法，其中所述表面轮廓的两个或多个部分被近似成对应数量的曲面轮廓。

16.根据权利要求15的方法，其中选择所述两个或多个部分，使得每个区域只沿着一个方向弯曲。

17.根据权利要求15或16的方法，其中选择所述表面轮廓的拐点作为所述部分的边界。

18.根据权利要求10-17中任何一项的方法，其中调整参数以使得它们更好地近似所述表面轮廓。

19.根据权利要求15的方法，其中两个或多个曲面轮廓的测量轮廓被融合在一起。

20.一种确定设备按多个轴线移动的复杂路径的方法，该方法包括如下步骤：

(a)将所述复杂路径分成至少两部分，该两部分的相交形成中途点，所述中途点具有相关的半径；

(b)当关注点进入所述中途点的半径时，确定每个轴线的速度；

(c)当关注点离开所述中途点的半径时，确定每个轴线的速度；

(d)数学建模加速度，用于沿每个轴线从步骤(b)中的速度到步骤(c)中速度的平滑过渡。

21.根据权利要求20的方法，其中所述轴线包括实际轴线。

22.根据权利要求21的方法，其中所述轴线包括时间变化参数。

23.根据权利要求20-22中任何一项的方法，其中所述设备安装在座标定位设备上，这使得所述设备相对于所述座标定位设备的部件移动。

24.根据权利要求20-23中任何一项的方法，其中所述设备包括驱动器，用于产生绕一个或多个轴线的旋转运动。

25.根据权利要求20-24中任何一项的方法，其中所述关注点与表面检测装置相关。

26.根据权利要求25的方法，其中所述表面检测装置包括带有测头的测量探头，并且其中所述关注点是所述测头末端。

27.根据权利要求25的方法，其中所述表面检测装置包括非接触式探针，并且因而所述关注点包括所述探针的测量装置按恒定长度矢量偏移的位置，该矢量的位置和取向相对于该探针是固定的。

28.根据权利要求20-27中任何一项的方法，包括在步骤(d)使用多项式方程。

29.根据权利要求20-28中任何一项的方法，其中所述设备包括安装有表面检测装置的铰接的探头，该探头安装在座标定位机上。

30.根据权利要求29的方法，其中所述铰接的探头提供绕两个轴线的旋转运动，并且该座标定位机提供沿三个轴线的线性运动。

31.根据权利要求29或30的方法，其中所述设备用于测量凸台，并且所述座标定位机围绕该凸台沿着方形轨迹移动所述探头。

32.一种利用安装在座标定位设备的探头上的表面检测装置测量表面轮廓的设备，其中，可操作所述座标定位设备，用于产生该探头和该表面轮廓之间的相对运动，并且其中所述探头包括驱动器，用于产生该表面检测探针绕一个或多个轴线的旋转运动，所述设备包括控制器，用于按任何合适的顺序执行下述步骤：

(a)沿着与所述表面轮廓相关的标称路径移动所述探头；

(b)确定所述表面的至少近似的表面法线；

(c)利用该表面检测装置检测该表面；

(d)基本上沿着该表面法线的方向调整所述表面检测装置相对于所述表面的距离或力。

33.一种利用安装在座标定位设备的探头上的表面检测装置测量表面轮廓的设备，其中，可操作所述座标定位设备，用于产生该探头和该表面轮廓之间的相对运动，并且其中该探头包括驱动器，用于产生该表面检测装置绕一个或多个轴线的旋转运动，所述设备包括用于按任何合适顺序执行下述步骤的控制器：

(a)将所述表面轮廓的至少一部分近似成可数学参数化的曲面轮廓；

(b)确定该曲面轮廓的表面法线；

(c)用测量探针测量该表面轮廓的至少一部分的表面，并且其中大致沿着该曲面轮廓的所述法线方向控制由该表面检测装置报告的距离或力。

34.一种利用安装在座标定位设备的探头上的具有表面检测装置的测量探针测量表面轮廓的设备，其中可操作该座标定位设备，用于产生该探头和该表面轮廓之间的相对运动，并且其中该探头包括驱动器，用于产生所述表面检测装置绕一个或多个轴线的旋转运动，该设备包括控制器，用于按任何合适的顺序执行如下步骤：

(a)将该表面轮廓分成至少两部分，该两部分的相交形成中途点，所述中途点具有相关的半径；

(b)当关注点进入该中途点的半径时，确定每个轴线的速度；

(c)当关注点离开该中途点的半径时，确定每个轴线的速度；

(d)数学建模加速度，用于沿每个轴线从步骤(b)中的速度到步骤(c)中的速度的平滑过渡。

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