具有改善的測量點(diǎn)捕獲精度的測量方法
【專利摘要】具有改善的測量點(diǎn)捕獲精度的測量方法。一種用于使用鉸接式測量臂(1)測量部件的方法，所述鉸接式測量臂(1)具有設(shè)置有指向構(gòu)件的測量頭(9)和安裝有至少一個旋轉(zhuǎn)編碼器(12、13、14、15)的至少一個接頭，所述方法包括以下步驟：聚焦在所述部件上的第一測量點(diǎn)上，所述測量臂(1)采用第一測量位置；將所述測量臂(1)移動到第二測量位置以聚焦在所述部件的第二測量點(diǎn)上，以便基于這些測量點(diǎn)捕獲所述部件的幾何特征；確定根據(jù)所述測量臂的所述第一位置和所述第二位置所進(jìn)行的所述幾何特征的捕獲精確度。鉸接式測量臂(1)能夠執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的方法。
【專利說明】
具有改善的測量點(diǎn)捕獲精度的測量方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及坐標(biāo)計(jì)量學(xué)領(lǐng)域，并且更具體地涉及三維測量臂。
【背景技術(shù)】
[0002]三維測量機(jī)器是在尺寸計(jì)量學(xué)中使用的測量儀器，該測量儀器被設(shè)計(jì)用于捕獲待測量部件的不同點(diǎn)的坐標(biāo)，以便例如檢查該部件的尺寸、幾何結(jié)構(gòu)(geometry)和/或形狀的一致性。
[0003]這些機(jī)器通常包括基座(base)，在該基座上安裝有測量臂，在該測量臂的端部有測量頭。測量臂通常包括例如使用設(shè)置有編碼器的樞軸和/或球接頭鏈接在一起的剛性部段(segment)，這些編碼器精確測量這些部段相對于彼此的移動。測量頭具有用于捕獲待測量物體上的點(diǎn)的裝置。
[0004]存在兩種主要類型的測量頭，它們通過是與部件接觸還是不與部件接觸進(jìn)行測量來區(qū)分。對于接觸測量頭，測量頭具有與部件接觸的探針(probe)。坐標(biāo)的捕獲或是自動通過檢測探針與部件表面之間的接觸來命令，或是由操作者使用命令按鈕(當(dāng)探針與部件的期望區(qū)域接觸時(shí)，操作者致動該命令按鈕)來命令。對于非接觸測量頭，測量頭包含光學(xué)傳感器(掃描器)，該光學(xué)傳感器通常包括:激光二極管指向器(pointer)，其照亮待測量部件的表面的小區(qū)域；和相機(jī)，其捕獲反射光，通過計(jì)算所發(fā)射的光信號與由待測量部件的表面反射的光信號之間的延遲來獲得其距離測量?？梢赃B續(xù)地或者由操作者使用命令按鈕(當(dāng)傳感器與部件的期望區(qū)域接觸時(shí)，操作者致動該命令按鈕)根據(jù)需要發(fā)出捕獲命令。
[0005]當(dāng)發(fā)出捕獲命令時(shí)，測量臂的不同部段的相對位置被保存在鏈接至該測量臂的處理單元的存儲器中。設(shè)置該處理單元以基于部段的尺寸、部段的相對位置以及測量頭信息確定通常附接到基座的參考系統(tǒng)中的測量點(diǎn)的坐標(biāo)。正確處理這些坐標(biāo)使得能夠獲得待測量部件的尺寸、形狀和幾何結(jié)構(gòu)。
[0006]附接到剛性部段的端部的角編碼器(angular encoder)是例如點(diǎn)編碼器。這些編碼器通常具有標(biāo)有若干等距點(diǎn)的圓形板，這些等距點(diǎn)全都位于單個圓上。在一次轉(zhuǎn)動期間，傳感器(根據(jù)這些點(diǎn)的性質(zhì)，其可以是磁傳感器或光學(xué)傳感器)對在其計(jì)數(shù)單元前面經(jīng)過的點(diǎn)的數(shù)目進(jìn)行計(jì)數(shù)，由此計(jì)算所實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)動的幅度。測量臂通常具有四個角編碼器:
[0007]第一編碼器測量測量臂的第一剛性部段相對于剛性基座的繞垂直軸的轉(zhuǎn)動；
[0008]第二編碼器測量測量臂的第一剛性部段相對于剛性基座的繞水平軸的轉(zhuǎn)動；
[0009]第三編碼器測量測量臂的第二剛性部段相對于與其鉸接的測量臂的第一剛性部段的繞水平軸的轉(zhuǎn)動；
[0010]第四編碼器測量測量頭相對于其被安裝在的測量臂的第二剛性部段的繞水平軸的轉(zhuǎn)動。
[0011]存在易于影響測量精度的許多因素，包括:
[0012]臂接頭的軸承的軸中的軸向游隙(play)和徑向游隙；
[0013]不提供絕對剛度的部段的彎曲；
[0014]各編碼器的分辨率。
[0015]由這些不同因素產(chǎn)生的誤差會隨著測量臂的不同元件(element)的移動的幅度而增加。通常，構(gòu)成臂的元件(部段、接頭、編碼器等)中的每一個的位置變化越大，則測量誤差的負(fù)面影響就越大。
[0016]因此，當(dāng)從一個測量點(diǎn)移動到另一個測量點(diǎn)時(shí)，來自所有源的不精確將被累積，從而在測量點(diǎn)的坐標(biāo)的確定以及因此期望測量的幾何特征(諸如測量點(diǎn)之間的差異)的確定方面造成總體的不精確。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017]本發(fā)明的一個目的是增加與使用測量臂捕獲測量點(diǎn)的坐標(biāo)有關(guān)的精度。
[0018]為此目的，提供了一種用于使用鉸接式(articulated)測量臂測量部件的方法，所述鉸接式測量臂具有設(shè)置有指向(pointing)構(gòu)件的測量頭和至少一個旋轉(zhuǎn)編碼器，所述方法包括以下步驟:
[0019]聚焦在所述部件上的第一測量點(diǎn)上，所述測量臂采用第一測量位置；
[0020]將所述測量臂移動到第二測量位置以聚焦在所述部件的第二測量點(diǎn)上，以便基于這些測量點(diǎn)捕獲所述部件的幾何特征；
[0021]確定根據(jù)所述測量臂的所述第一位置和所述第二位置所進(jìn)行的捕獲的精確度。
[0022]因此，測量臂的操作者具有與他們剛才已進(jìn)行的測量的精度有關(guān)的信息，使得他們能夠適應(yīng)他們?nèi)绾沃塾跍p小這種不精確來移動所述測量臂。
[0023]根據(jù)一個有利的實(shí)施方式，根據(jù)本發(fā)明的測量方法包括以下附加步驟:將與所確定的精確度有關(guān)的指示器(indicator)發(fā)送到負(fù)責(zé)移動所述鉸接式測量臂的操作者。
[0024]所述操作者隨后能夠確定是否有必要在更改臂的第二測量位置的同時(shí)重新進(jìn)行測量，以便獲得大于預(yù)定閾值的捕獲精確度。
[0025]根據(jù)另一個實(shí)施方式，根據(jù)本發(fā)明的方法包括以下附加步驟:確定所述鉸接式測量臂的導(dǎo)致大于預(yù)定閾值的捕獲精確度的第二測量位置。
[0026]—旦該移動被確定并發(fā)送到操作者，他們就具有這樣的信息:該信息可用于使得能夠在移動測量臂的同時(shí)重新進(jìn)行測量以采用所確定的位置并達(dá)到期望的精確度。
[0027]本發(fā)明還涉及一種鉸接式測量臂，所述鉸接式測量臂具有測量頭和至少一個旋轉(zhuǎn)編碼器，所述測量頭和所述至少一個旋轉(zhuǎn)編碼器兩者都鏈接到處理單元，所述處理單元被設(shè)置用于實(shí)現(xiàn)以上闡述的方法。
【附圖說明】
[0028]參照附圖，其中:
[0029]圖1是實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的方法的第一實(shí)施方式的測量臂的示意性立體圖；
[0030]圖2是測量臂在根據(jù)本發(fā)明的方法的第一實(shí)施方式的繼圖1中的步驟之后的步驟期間的示意性立體圖；
[0031]圖3是根據(jù)本發(fā)明的方法的第一實(shí)施方式的步驟的流程圖；
[0032]圖4是實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的方法的第二實(shí)施方式的測量臂的示意性立體圖；
[0033]圖5是測量臂在根據(jù)本發(fā)明的方法的第二實(shí)施方式的繼圖4中的步驟之后的步驟期間的示意性立體圖；
[0034]圖6是根據(jù)本發(fā)明的方法的第二實(shí)施方式的步驟的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035]參照圖1，根據(jù)本發(fā)明的鉸接臂(總體上由I指示)包括固定基座2，該固定基座2附接到支撐元件(諸如臺或地面)并支承垂直軸3，在該垂直軸3上可旋轉(zhuǎn)地安裝軸承4。第一臂部段5的第一端部通過水平軸樞軸鏈接件(link)6與軸承4鉸接。第一臂部段5的第二端部接納(receive)第二臂部段7，該第二臂部段7在其端部中的一個處繞水平軸樞軸8鉸接。測量臂I的第二部段7的另一個端部接納指向器頭9 (在該情況下是具有探針11的頭)，該指向器頭9還繞水平軸樞軸10鉸接。在該情況下，測量臂I是手動臂，因?yàn)樗梢苿又赶蚱黝^9的操作者來移動并且其接頭都不是機(jī)動的。垂直軸3以及各臂部段5和7分別具有剛度K3、K5和Κ7，這些剛度是當(dāng)設(shè)計(jì)測量臂時(shí)建立并且使用在測量臂I的制造期間進(jìn)行的測量來驗(yàn)證的。
[0036]軸承4以及樞軸6、8和10分別設(shè)置有絕對光學(xué)旋轉(zhuǎn)編碼器12、13、14和15，該絕對光學(xué)旋轉(zhuǎn)編碼器12、13、14和15分別測量測量臂I的接頭中的每個的轉(zhuǎn)動角度Θ 12、Θ 13、θ14和Θ 15。這些編碼器鏈接到處理單元16，該處理單元16進(jìn)而鏈接到顯示裝置(在該情況下是屏幕17)。處理單元16接收值Θ 12、Θ 13、Θ 14和Θ 15，并且基于測量臂部段5和7的尺寸、垂直軸3的尺寸以及探針11的端部與臂部段7的端部之間的距離的尺寸來確定被捕獲的測量點(diǎn)在連接到固定基座2的正交坐標(biāo)系統(tǒng)Oxyz中的坐標(biāo)。使用若干個點(diǎn)的坐標(biāo)，處理單元16計(jì)算這些測量點(diǎn)之間的距離和/或所測量的部件的幾何結(jié)構(gòu)。軸承4以及樞軸
6、8和10具有至少一個鉸接軸線，其中，在制造期間確定和校準(zhǔn)相應(yīng)的軸向游隙和徑向游隙 Jax6/Jrad6、Jax8/Jrad8 和 JaxlO/JradlO。
[0037]參照圖1至圖3，在以下應(yīng)用中描述根據(jù)本發(fā)明的方法:測量臂I被用于通過捕獲平行六面體部件20的八個頂點(diǎn)A、B、C、D、E、F、G和H的坐標(biāo)來執(zhí)行該平行六面體部件20的尺寸檢查。按照根據(jù)本發(fā)明的測量方法的第一步驟30，操作者移動測量臂1，以使探針11的端部與頂點(diǎn)A接觸。測量臂于是處在圖2中使用虛線示出的點(diǎn)A的位置的第一測量位置。通過致動在指向器頭9上安裝的命令按鈕來驗(yàn)證該位置的捕獲。然后，由處理單元
16保存在點(diǎn)A的位置的捕獲期間附接到測量臂I的接頭的編碼器的值θ 12Α、θ 13Α、θ 14Α和θ 15Α。然后，操作者將測量臂I移動到第二測量位置以聚焦在部件20的第二點(diǎn)B上(步驟31)。在圖2中使用實(shí)線示出了測量臂I的該第二測量位置。在該移動期間，操作者更改了測量臂I的軸3以及部段5、7和9的相對位置，這些相對位置對應(yīng)于附接到測量臂I的接頭上的編碼器的值θ 12Β、θ 13Β、θ 14Β和θ 15Β。由處理單元16在點(diǎn)B的位置的聚焦的驗(yàn)證期間保存這些值(步驟32)。在步驟33期間，處理單元16針對臂I的每個測量位置根據(jù)軸3以及部段5和7各自的剛度Κ3、Κ5和Κ7來計(jì)算軸3以及部段5和7的由其彎曲所造成的幾何結(jié)構(gòu)。處理單元16還計(jì)算接頭6、8和10的軸向游隙和徑向游隙Jax6/Jrad6、Jax8/Jrad8和JaxlO/JradlO的影響以及編碼器12至15的轉(zhuǎn)動幅度針對測量位置中的每個對測量臂的位置的影響。
[0038]使用構(gòu)成測量臂I的每個元件的有限元模型17來執(zhí)行該計(jì)算，該測量臂I包括軸3、部段5和7、接頭6、8和10以及編碼器12至15。處理單元16使用這些編碼器的值θ 12Α、θ 13Α、θ 14Α、θ 15Α和θ 12Β、θ 13Β、θ 14Β、θ 15Β來對測量臂I的第一測量位置和第二測量位置進(jìn)行仿真，并且將所獲得的距離測量結(jié)果(measurement) AB與從測量臂I的完美理論模型(即，由無限剛性的元件構(gòu)成的且其中編碼器的分辨率恒定的沒有游隙的測量臂)獲得的距離測量結(jié)果進(jìn)行比較。然后，處理單元16計(jì)算與完美模型和仿真模型之間的差異對應(yīng)的距離AB的測量結(jié)果的精確度(步驟34)。然后，處理單元16將顯示指令發(fā)送到與所進(jìn)行的測量的精確度相關(guān)的指示器的屏幕17 (步驟35)。該指示器可以是與沿著正交坐標(biāo)系統(tǒng)Oxyz的軸0x、0y和Oz中的每個的測量相關(guān)的精確度的數(shù)值(百分?jǐn)?shù))或者所測量的距離的精確度的數(shù)值(百分?jǐn)?shù))。另選地，以彩色信號(例如綠色或紅色)或者驗(yàn)證蜂鳴聲形式的定性指示器使得操作者能夠確定所進(jìn)行的測量的精確度是否在符合處理單元中事先規(guī)定的特定要求的范圍內(nèi)。根據(jù)與附加步驟36和37對應(yīng)的特定實(shí)施方式，處理單元16分析所捕獲的點(diǎn)A和B的位置并確定測量臂I的與點(diǎn)B的捕獲對應(yīng)的第二測量位置，該第二測量位置導(dǎo)致超過預(yù)定閾值的精確度或者甚至最大精確度。由處理單元16使用仿真17中的重復(fù)來確定該位置，該仿真17導(dǎo)致測量臂I的第二測量位置的確定，對于該第二測量位置，距離AB的捕獲的精確度是最佳的或大于預(yù)定水平。
[0039]根據(jù)另一個實(shí)施方式并參照圖4至圖6，測量臂I被用于通過捕獲平行六面體部件40的八個頂點(diǎn)A、B、C、D、E、F、G和H的坐標(biāo)來執(zhí)行該平行六面體部件40的尺寸檢查。在該實(shí)施方式中，這些點(diǎn)A至H的理論位置是已知的。該實(shí)施方式例如對應(yīng)于產(chǎn)品部件40的尺寸檢查。在部件40的尺寸檢查之前，操作者通知處理單元16他們將要開始檢查該已知部件40 (步驟50)。一旦捕獲了第一點(diǎn)A的位置，則處理單元16就確定了測量臂I從測量臂I的當(dāng)前位置到待捕獲的提供最大捕獲精度的第二測量點(diǎn)(在該情況下是點(diǎn)B)的路徑(步驟51)。然后，處理單元16將移動指令發(fā)送到顯示器17以便操作者注意(步驟52)。在該情況下，這些指令是測量臂I在由處理單元16確定的第二測量位置的三維表示。屏幕
17還示出了測量臂I在其當(dāng)前位置的三維表示。然后，操作者需要將這兩個表示放在一起。在圖4中示出了這種情況。
[0040]一旦操作者聚焦了點(diǎn)B (步驟53)，則處理單元16就確定了測量臂I從其當(dāng)前位置(點(diǎn)B)到提供最小測量不精確的第三測量點(diǎn)(在該情況下是點(diǎn)C)的位置(步驟54)，并且隨后在屏幕17上顯示該位置的三維表示(步驟55)。在圖6中示出了這種情況。通過根據(jù)需要多次重復(fù)步驟53至55來執(zhí)行捕獲其它點(diǎn)D至H的位置的操作。
[0041]這構(gòu)成了用于改善測量點(diǎn)的捕獲的方法，其中，增加了與通過鉸接式測量臂捕獲測量點(diǎn)的坐標(biāo)相關(guān)的精確度。
[0042]當(dāng)然，本發(fā)明不限于所描述的實(shí)施方式，而是涵蓋落在本發(fā)明的范圍內(nèi)的所有變型，如由權(quán)利要求限定的。
[0043]具體地:
[0044]雖然在該情況下測量臂安置在固定基座上，但是本發(fā)明同樣適用于鏈接到可移動基座的測量臂；
[0045]雖然在該情況下測量臂具有探針測量頭，但是本發(fā)明同樣適用于其它類型的測量頭(諸如光學(xué)傳感器測量頭)；
[0046]雖然在該情況下臂的移動指令對應(yīng)于探針的端部的位置的三維表示，但是本發(fā)明同樣適用于其它類型的表示(諸如臂的元件中的每個沿著三個軸的連續(xù)基本移動或者接頭中的每個的基本移動)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于使用鉸接式測量臂(I)測量部件的方法，所述鉸接式測量臂(I)具有設(shè)置有指向構(gòu)件的測量頭(9)和安裝有至少一個旋轉(zhuǎn)編碼器(12、13、14、15)的至少一個接頭，所述方法包括以下步驟: 聚焦在所述部件上的第一測量點(diǎn)上，所述測量臂(I)采用第一測量位置； 將所述測量臂(I)移動到第二測量位置以聚焦在所述部件的第二測量點(diǎn)上，以便基于這些測量點(diǎn)捕獲所述部件的幾何特征； 確定根據(jù)所述測量臂的所述第一位置和所述第二位置所進(jìn)行的所述幾何特征的捕獲的精確度。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，通過考慮以下特征中的至少一個來確定所述捕獲的精確度: 所述編碼器的轉(zhuǎn)動的幅度； 臂部段的彎曲； 所述接頭的軸中的游隙。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，所述方法包括以下附加步驟:將與所確定的精確度有關(guān)的指示器發(fā)送到負(fù)責(zé)移動所述鉸接式測量臂(I)的操作者。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，與所述測量的精確度有關(guān)的所述指示器包括以下信號中的一個:彩燈、數(shù)值、振動、音頻信號。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，所述方法包括以下附加步驟:確定所述鉸接式測量臂(I)的導(dǎo)致大于預(yù)定閾值的捕獲精確度的第二測量位置。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，一旦在理論相對位置已知的兩點(diǎn)之間進(jìn)行了測量，就將移動指令提供給所述操作者，以使得能夠確定所述鉸接式測量臂(I)在所述第一測量點(diǎn)和所述第二測量點(diǎn)之間提供這些測量點(diǎn)的坐標(biāo)的最大捕獲精確度的路徑。7.一種鉸接式測量臂(I)，所述鉸接式測量臂(I)具有測量頭(9)和至少一個旋轉(zhuǎn)編碼器(12、13、14、15)，所述測量頭(9)和所述至少一個旋轉(zhuǎn)編碼器(12、13、14、15)鏈接到處理單元(16)，其特征在于，所述處理單元(16)被設(shè)置用于確定基于根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)的所述臂的第一測量點(diǎn)和第二測量點(diǎn)的幾何特征的捕獲精確度。
【文檔編號】G01B21/00GK105987675SQ201510079516
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2015年2月13日
【發(fā)明人】L·德福奇
【申請人】?？怂箍涤?jì)量公司