[发明专利]用于表面测量的装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于测量表面特征的装置和方法，特别是通过形成所述表面的数字化图像来测量表面特征的装置和方法。本发明还涉及一种使用活动连接探头进行适应性扫描的方法，所述活动连接探头能够围绕安装在坐标定位机器上的两个或多个轴线对表面感测设备进行定向，所述坐标定位机器例如是坐标测量机器(CMM)、机床、活动连接臂，等等。 

背景技术

根据常规操作，当制造出来工件之后，在坐标测量机器(CMM)上对其进行检查，所述坐标测量机器具有轴，所述轴能够在机床的工作空间内在X、Y和Z三个正交方向被驱动。所述轴可以携带测量探针，所述测量探针在检测被检查(例如通过测量探针的触针与所述表面之间发生接触而进行检查)的工件的表面时产生信号。 

常见地，CMM包括被编程以在工件上的各种位置读取一系列坐标数据读数的计算机，从而对工件的所需尺寸进行完整的检查。然后能够确定工件是否具有可接受的质量，或者是否应当拒绝该工件。 

模拟(或扫描)接触探针通常包括具有可偏转触针的外壳。所述触针具有表面接触末端，并且通过变换器测量其相对静止位置的偏转。使用触针偏转与CMM位置的组合来确定触针末端的位置(因此确定触针末端所接触的表面上的点的坐标)。GB 1551218中描述了这种模拟探针。 

已知可以将测量探针安装在活动连接探头上，所述探头能够使得测量探针的定向发生变化，所述测量探针通常是围绕两个或多个轴线定向。这种活动连接探头在欧洲专利EP 0402440中有描述。所述活动连接探针能够围绕第一正交轴线和第二正交轴线旋转。在所述活动连接探头中设置马达和变换器，从而使得测量探针能够连续地围绕所述活动连接探头的旋转轴线定位， 从计算机得到位置反馈。 

已经被证明难以使用常规技术进行测量的特征是阀座。阀座由于其在内燃机中的使用因而在汽车工业中具有特别的重要性。错误安装的阀门会影响发动机的效率，原因是阀盘和阀座之间的密封不良或者是阀座的位置影响阀门充分地开启。在引起不当安装的阀座的机械加工中存在四个主要因素。阀座在阀体中的高度，这会阻碍阀门适当地开启或关闭；阀座的形状，如果阀座的形状不是均匀的圆形，会阻碍良好配合并因此导致泄漏；阀座在阀体中的横向位置的误差，该因素会影响配合；以及阀座在阀体中的角度的误差，该因素会导致仅仅在阀盘和阀座之间发生线接触。 

使用常规技术测量阀座是困难的且耗时的。通常，通过沿着从阀座顶部到阀座底部的四条线进行测量来常规地测量阀门，其中每条线绕阀座的周长间隔90度；这些测量使得能够确定阀座的轮廓。通过在特定高度沿着环形测量路径运动来使用导向器确定形状和共中心性，从而测量阀座的周长。通常使用安装在CMM的轴上的模拟接触探针进行这些测量，缺点是测量速度比较慢。这些测量用于确定阀座的直径是否在公差范围内。然而，仅仅能够获得四条测量线的数据(即，不能获得四条测量线之间的数据)。而且，由于测量点的分布，难以确定阀座的圆形(圆度)。 

发明内容

本发明的第一方面提供一种确定表面特征的尺寸和位置的方法，所述方法包括以下步骤： 

(a)从由表面特征的表面测量结果获得的多个数据点产生所述表面特征的数字化图像； 

(b)将所述数字化图像与所述表面特征的标称图像拟合；以及 

(c)确定所述数字化图像与所述标称图像的偏差，由此确定所述表面特征的尺寸、位置和形状偏差中的至少一个。 

通过使用安装在坐标定位装置上的表面感测设备，可以收集从所述特征的表面测量结果获得的多个数据点。所述表面感测设备可以包括测量探针，所述探针优选安装在活动连接探头上，所述探头使得所述测量探针能够围绕两个或多个轴线旋转。所述表面感测设备优选是接触探针。所述坐标定位装置可以包括坐标测量机器(CMM)、机床、非笛卡尔机器、活动连接臂、机器人臂或手动CMM。 

产生数字化图像的步骤优选在软件中实施(即，借助计算机程序)。优选地，在载体，例如CD、USB棒或其他介质上提供所述计算机程序，当所述计算机程序被装载到计算机上时其实施本发明。还可以从互联网上直接下载所述计算机程序。 

在步骤(b)中将所述数字化图像与标称图像拟合的步骤优选借助最佳拟合方法例如最小二乘方法进行。优选地，多个数据点所涉及的表面积大于所述表面特征的表面积。所述数字化图像的不同部分可以依次拟合到标称图像中。每个部分可以处于沿着所述表面特征的中心线的不同位置上。 

所述标称图像可以包括所述表面特征的CAD图像。