CN111133272A - 测量探针装置和方法 - Google Patents

Abstract

描述了一种测量探针(2)，该测量探针包括：探针主体(4)；触针(12)，该触针相对于该探针主体(4)可偏转；以及多个传感器元件(50a，50b，50c)，该多个传感器元件用于生成指示触针偏转的传感器信号(60a，60b，60c；80a，80b，80c；102a，2b，102c)。提供了可选地作为触发单元的一部分的分析器(22)，该分析器用于分析这些传感器信号并发出触发信号以指示该触针(12)已经接触到物体。该分析器(22)被布置用于组合所述传感器信号中的多个传感器信号以生成用于与偏转阈值(d1；104；112)进行比较的合成偏转信号10(70，72，74；90，92，94；110)，并且还被布置用于通过分析这些传感器信号中的至少一个来检测该触针(12)的振荡运动。该分析器(22)仅在该合成偏转信号越过该偏转阈值并且未检测到该触针的振荡运动时发出触发信号。该测量探针(2)可以在机床(6)或其他坐标定位装置上使用。

Description

测量探针装置和方法

本发明涉及一种用于与坐标定位装置(诸如机床、坐标测量机(CMM)或其他测量装置)一起使用的测量探针装置，并且具体地涉及一种不易受到错误触发的发出的影响的接触触发式测量探针装置。

已知用于安装在机床主轴中的接触触发式测量探针。典型的接触触发式测量探针包括工件接触触针，该工件接触触针可以相对于探针的主体或壳体发生偏转。一个或多个传感器被提供以测量触针相对于探针主体的偏转，并且由探针发出所谓的“触发信号”来指示触针已经与物体接触。此触发信号被馈送到机床控制器，该机床控制器在接收到触发信号的瞬间读取机床主轴的位置。这使得可以测量物体的表面上的点的坐标。还已知专用CMM的接触触发式探针。

US 7792654和US 7603789中描述了基于应变仪的接触触发式探针的示例。此类探针包括经由传感器机构附接到探针主体的工件接触触针，该传感器机构包括三个应变仪元件。来自这三个应变仪元件的信号被传递到处理器，该处理器组合并分析那些信号，并且每当工件接触触针的偏转超过预定偏转阈值或限制时产生触发信号。

由英国格劳斯特郡沃顿安德埃奇镇的雷尼绍公司(Renishaw plc)生产的OMP600机床探测产品使用US 7792654中描述的技术从三个应变仪传感器信号中产生合成触针偏转信号。为了帮助防止错误触发，还使用了所谓的滤波器延迟，使得仅在合成触针偏转信号连续地超过偏转阈值预定时间量时由探针发出触发信号。引入这种滤波器延迟(即，实施“触发滤波器”)可以通过确保任何瞬时偏转(例如，由机器振动引起)都不会导致发出触发信号而减少错误触发。

然而，本发明人已经发现，即使在使用滤波器延迟时，也可能会由于可能例如由机器振动引起的探针触针的某些自由空间振荡运动而发出错误触发。例如，机床的由导螺杆沿着线性轴线驱动的滑架可能产生一定频率的振动，该振动可能引起探针触针的振荡(例如共振)运动。尽管会引起持久到足以使已知的触发滤波器失效的振荡运动的事件通常很少发生，但这些事件仍然可能导致探针发出错误触发。已经发现在较低规格和/或较高速度的机床(其可能发生较高水平的振动)上尤其是这种情况。还已经发现使用较长和/或较重的触针会加剧此类影响。

根据本发明的第一方面，提供了一种测量探针装置，包括；

探针主体，

触针，该所述触针相对于该探针主体可偏转，

一个或多个传感器元件，该一个或多个传感器元件用于感测所述触针相对于该探针主体的偏转并且生成指示触针偏转的传感器信号，以及

分析器，该分析器用于分析这些传感器信号，该分析器被布置用于组合这些传感器信号中的多个传感器信号以生成用于与偏转阈值进行比较的合成偏转信号，

其特征在于，该分析器还被布置用于通过分析这些传感器信号中的一个或多个来检测该触针的振荡运动，由此可以根据该合成偏转信号越过该偏转阈值并且未从对该一个或多个传感器信号的分析中检测到该触针的振荡运动来确定该触针与物体的接触。

因此，本发明提供了一种测量探针装置，该测量探针装置具有相对于探针主体可偏转的物体接触触针。提供了一个或多个传感器元件(例如，应变仪传感器)，该一个或多个传感器元件用于感测触针的偏转(例如，在不同的方向上)并且生成指示触针偏转的传感器信号。如以下所描述的，该装置可以包括多个传感器元件，每个传感器元件生成一个传感器信号。例如，每个传感器信号可以包括具有随着相关传感器元件感测到的触针偏转量而变化的电压的模拟信号。还提供了分析器(该分析器可以如以下所描述的形成触发单元的一部分)，该分析器用于分析传感器信号并且发出触发信号以指示触针已经接触到物体。如以下所解释的，该分析器可以包括一个或多个处理器、以及用于数字化、处理和分析传感器信号的其他相关联的电子部件等。

该分析器被布置用于组合这些传感器信号中的多个传感器信号以生成用于与偏转阈值进行比较的合成偏转信号。例如，该分析器可以使用在US7792654中描述的类型的修改的平方和信号组合技术来生成合成偏转信号。该分析器还被布置用于通过分析这些传感器信号中的至少一个来检测触针的振荡运动。下面更详细地描述了可以用于进行这种分析的各种技术。因此，该分析器不仅会生成用于与偏转阈值进行比较的合成偏转信号，而且还会单独地分析这些传感器信号中的一些或全部以确定触针是否正在经历振荡运动(例如，自由空间共振运动)。然后，当(a)合成偏转信号已经越过偏转阈值并且(b)未检测到触针的振荡运动时，可以确定触针与物体接触已经发生。换句话说，如果合成偏转信号越过偏转阈值，但通过对传感器信号的单独(例如，分别)分析而检测到触针的振荡运动，则阻止指示已经与物体接触(例如，如以下所描述的，由触发单元发出触发信号)。

因此，与上文所描述的类型的现有技术测量探针相比，根据本发明的测量探针已经改善了尤其是在高度振动环境中对错误触发的适应力(resilience)。这是由于本发明人认识到在某些情况下外部振动(例如，这些外部振动由安装探针的机床或CMM引起的)可能会引起振荡触针运动。此振荡触针运动可能围绕圆形或椭圆形路径，或者该振荡触针运动可能是更复杂、更高阶的谐波运动。此运动可能生成超过触发阈值持续较持久的时间段的合成偏转信号，并且因此将被现有技术测量探针错误地识别为表面接触事件(例如，因此发出触发信号)。对这些传感器信号中的每一个的单独分析允许检测触针的这种振荡运动，并且例如当发现这种振荡触针运动存在时阻止发出触发信号。

有利地，该装置包括触发单元，该触发单元包括上述分析器。该触发单元优选地被布置用于发出触发信号以指示触针已经与物体接触。该触发单元方便地仅在合成偏转信号越过偏转阈值并且未从对一个或多个传感器信号的分析中检测到触针的振荡运动时发出触发信号。换句话说，在该装置的触发单元中执行了确定合成偏转信号何时越过偏转阈值所需的处理以及检测任何振荡触针运动的分析。该触发单元可以形成测量探针本身的一部分(例如，该触发单元可以包含在探针主体内)，或者该触发单元可以在该测量探针和相关联的探针接口上分布。在使用中，可以将由触发单元生成的任何触发信号传递到其上安装有测量探针的相关联的坐标定位装置(例如机床)，以指示触针已经与物体接触。以这种方式，该装置可以被安装在仅具有单个SKIP输入的坐标定位装置(例如，机床)上，并且因此可以是现有技术探测装置的直接替代物(即，无需修改坐标定位装置)。

有利地，该触发单元应用触发滤波器，使得在该合成偏转信号越过该偏转阈值之后预定时间间隔发出该触发信号。换句话说，该触发单元可以应用触发滤波器，使得仅在该合成偏转信号保持高于偏转阈值持续滤波器延迟时段(即，预定时间间隔)时发出触发信号。此应用的触发滤波器可以包括将在下面参考图1更详细地描述的基本触发滤波器。该触发滤波器还可以在滤波器延迟时段期间识别并且忽略合成偏转信号中低于阈值的某些瞬时下降。换句话说，该触发单元可以实施将在下面参考图1更详细地描述的修改的触发滤波器。还应注意的是，该触发单元可以将任何合适的触发滤波器应用于合成触发信号的分析。

有利地，该触发单元被布置用于通过在预定时间间隔(即，触发滤波器的预定时间间隔)期间分析这些传感器信号中的所述至少一个来检测触针的振荡运动。该触发单元被配置为仅当未在预定时间间隔期间检测到触针的振荡运动时发出触发信号。换句话说，该触发单元可以执行对传感器信号的分析，以确定在滤波器延迟时段期间是否存在触针的振荡运动。以这种方式，可以在检测到触针的振荡运动时防止原本将在滤波器延迟时段结束时发生(如果触发滤波器本身并未拒绝该事件)的触发信号的发出。优选地，该预定时间间隔(即，滤波器延迟)被设置为长于根据对传感器信号的分析来识别触针的振荡运动所需的时间。例如，这可以基于该触针或可以与测量探针一起使用的任何其他触针可能采用的最低振荡频率的估计。该预定时间间隔可以是可调整的。特别地，可以针对不同的触针来调整该预定时间间隔，以确保触发单元有足够的时间在滤波器延迟时段内执行所需的对传感器信号的分析。

该触发单元和通信模块可以位于探针主体内。有利地，该通信模块被配置用于将由该触发单元生成的该触发信号传输到相关联的探针接口。该测量探针可以具有到接口或机床控制器的硬连线链路，以便传递触发信号。有利地，该测量探针可以包括用于将触发信号传输到相关联的(例如，远程)探针接口的无线通信模块(例如，RF或光学链路)。相关联的探针接口可以进而连接到安装该测量探针装置的坐标定位装置的控制器(例如，数字控制器)。探针可以是电池供电的，并且可以被配置为安装到合适的坐标定位装置(例如，坐标测量机、机床、柔性计量仪、机器人等)。有利地，该测量探针可以包括用于附接到机床的主轴的柄。

在替代性实施例中，测量探针装置的分析器被配置用于在合成偏转信号越过偏转阈值时发出初步触发信号。该分析器还会在未从其对一个或多个传感器信号的分析中检测到触针的振荡运动时发出触发确认信号。可以在预定时间段内评估振荡运动的存在(或不存在)。换句话说，该分析器可以提供描述合成偏转信号与阈值的比较的第一输出和描述为了确定是否存在振荡触针运动而进行的分析的结果的第二输出。如以下所解释的，此设置需要可以接收和处理这两个信号、并且因此最适合于专用CMM或在测量探针集成期间可能更容易提供此类附加输入的类似设备上的硬连线测量***的分析器接口。

测量探针装置还可以包括分析器接口，该分析器接口用于从分析器接收初步触发信号和触发确认信号。该分析器接口可以包括分立的接口单元，或者该分析器接口可以形成坐标定位装置的控制器的一部分。该分析器接口优选地使用初步触发信号和触发确认信号来确定触针是否已经与物体接触。特别地，该分析器接口可以被编程用于在接收到初步触发信号并且随后接收到触发确认信号时确定触针已经与物体接触。方便地，初步触发信号使坐标定位装置记录测量探针在机器环境中的位置(例如，通过捕捉或“冻结”编码器刻度)。然后，可以使用触发确认信号的接收来确认应该将所记录的位置视为物体上的测量点(并且没有这样的触发确认信号意味着可以将所记录的位置信息作为错误触发而忽略)。以这种方式，对表面位置的测量可以基于初步触发信号，但是仅在随后确认该初步触发信号同触针与物体的接触而非自由空间振荡触针运动相关的情况下。

分析器可以分析仅单个传感器信号以检测触针的振荡运动。有利地，分析器分析这些传感器信号中的多个传感器信号以检测该触针的振荡运动。在下面描述的包括三个传感器元件的实施例中，分析器优选地分析由这三个传感器元件生成的三个传感器信号中的每一个以检测触针的振荡运动。方便地，由分析器执行的用于检测触针的振荡运动的分析包括确定多个传感器信号中的每一个的幅值是否周期性地变化。例如，可以检测这些传感器信号中的每一个的任何正弦变化。还可以确定这些传感器信号中的每一个的任何此类正弦变化之间的相对相位，并且将该相对相位用于指示已经发生触针的自由空间振荡运动。例如，在周期性变化的传感器信号之间的恒定相移可以用于指示振荡触针运动的存在。

有利地，由分析器执行的用于检测触针的振荡运动的分析包括确定多个传感器信号中的每一个的幅值是否会围绕传感器信号空电平(null level)周期性地变化。方便地，传感器信号空电平是在没有外部偏转力施加到触针的情况下产生的传感器信号。在一个实施例中，当已知(除了重力之外)没有外力施加到触针时，可以对由多个传感器元件中的每一个生成的传感器信号进行“调零”。这种调零过程可以通过将测量探针放置在用于后续测量的取向上来执行(即，使得零电平描述受该特定取向上的重力影响而导致的触针位置)。当然，也可以针对多个传感器元件中的每一个将空电平定义为任意值(即，非零)，并且确定每个传感器元件的传感器信号是否越过该传感器元件的空电平。多个传感器信号中的每一个的幅值围绕对应的传感器信号空电平的任何周期性变化(例如，如果将信号空电平设置为零，则该变化为从负传感器信号值到正传感器信号值的变化)可以用于识别振荡触针运动。

有利地，由分析器执行的用于检测触针的振荡运动的分析包括确定是否每个传感器信号都在预设时间段内越过阈值水平。如果提供了多个传感器元件，则相对于每个传感器元件的传感器信号空电平来方便地设置该传感器元件的阈值水平。例如，可以有利地将每个阈值水平设置为处于该传感器元件的传感器信号空电平。为了方便起见，可以将由每个传感器元件产生的传感器信号调零为信号空电平。然后，可以将传感器信号的任何过零点用于确定已经越过阈值水平。以这种方式，如果这些传感器信号中的每一个都在预设时间段内越过其空电平(例如，零电平)，则该分析器可以识别出振荡触针运动的存在。如果如以上所描述地那样实施触发滤波器，则该预设时间段可以比滤波器延迟短。因此，提供了一种评估多个传感器信号中的每一个的幅值是否周期性地变化的简单且方便的方法。

由分析器执行的用于检测触针的振荡运动的分析可以包括确定是否多个传感器信号中的至少一个在预设时间段内保持高于阈值水平或低于阈值水平。然后，如果该多个传感器信号无一在预设时间段内保持高于阈值水平或低于阈值水平，则可以确定存在振荡运动。换句话说，如果这些传感器信号中的一个或多个超过阈值，并且然后保持高于该阈值，则可以确定不存在振荡触针运动。类似地，如果这些传感器信号中的一个或多个下降到阈值以下，并且然后保持低于该阈值，则可以确定不存在振荡触针运动。在一个实施例中，在合成偏转信号越过触发阈值时，可以发出初步触发信号，并且在该多个传感器信号中的一个或多个在预设时间段内保持高于阈值水平或低于阈值水平时，则发出触发确认信号。

在优选的实施例中，测量探针装置包括多个传感器元件。该测量探针装置可以包括三个或更多个传感器元件。每个传感器元件可以包括分立的感测部件。有利地，该装置包括三个传感器元件，这三个传感器元件生成三个传感器信号(即，每个传感器元件生成一个传感器信号)。可以组合所有这三个传感器信号来提供合成偏转信号，并且还可以使用相同的三个传感器信号中的每一个来检测触针的振荡运动。然而，探针可以根据需要包括更少的传感器元件(例如，两个传感器元件)或者附加的传感器元件(例如，多于三个传感器元件)。每个传感器元件可以包括单个感测部件，或者每个传感器元件可以由共同提供单个传感器信号的多个感测子部件形成。这些传感器元件可以被布置用于在彼此不同的方向上感测触针偏转。

在替代性实施例中，该装置可以包括多维传感器设备(例如，2-D位置感测检测器或PSD)。该多维传感器设备可以包括多个感测元件，该多个感测元件生成多个传感器信号。可替代地，可以提供PSD(例如，2-D四边形PSD)，其中生成描述入射在传感器元件的单一有效区域上的光斑的2-D位置的两个传感器信号。因此，可以看出传感器元件的数量与传感器信号的数量之间的一一对应关系不是必须的。单个传感器元件可以生成多个传感器信号，或者多个传感器元件可以生成单个传感器信号。技术人员将完全理解允许对触针偏转进行测量的各种不同的传感器配置。

分析器使用由一个或多个传感器元件生成的传感器信号中的仅一些(即，传感器信号的第一子集)来生成合成偏转信号。优选地，组合来自所有传感器元件的传感器信号以形成合成偏转信号。可以使用各种已知的组合技术从传感器信号中生成合成偏转信号。例如，可以使用的技术包括：第一过杆制(first past the post，FPTP)、平方和(sum-of-squares，SOS)、校正并求和(rect_Ified and summed，RAS)或修改的平方和(modified sum-of-squares，MSOS)。有利地，可以使用在US 7792654中描述的修改的平方和技术来生成合成偏转信号。这种技术是尤其有利的，因为它减少了生成触发信号所需的触针偏转量的方向相关的变化。

分析器可以被布置用于通过分析由多个传感器元件生成的传感器信号中的仅一些(即，传感器信号的第二子集)来检测触针的振荡运动。因此，用于检测触针的振荡运动的传感器信号可以与用于生成合成偏转信号的传感器信号不同。因此，可以提供传感器信号的第一子集用于生成合成偏转信号，并且提供传感器信号的第二子集用于检测触针的振荡运动。第一子集和第二子集可以是互相排斥的子集(即，可以提供单独的传感器元件用于生成合成偏转信号和用于检测触针的振荡运动)。优选地，第一子集和第二子集重叠；即，一个或多个传感器信号可以被第一子集和第二子集两者包括在内。有利地，分析器被布置用于通过分析来自所有传感器元件的传感器信号来检测触针的振荡运动。

传感器元件可以包括用于测量触针偏转的任何合适的传感器元件。优选地，一个或多个传感器元件中的每一个都是相同类型的。一个或多个传感器元件可以包括压电传感器元件。一个或多个传感器元件可以包括电容式传感器元件。一个或多个传感器元件可以包括光学传感器元件。一个或多个传感器元件优选地包括多个应变仪传感器元件。特别地，一个或多个传感器元件可以包括多个应变仪传感器元件(例如，多个分立的应变仪传感器元件)。如上所述，可以提供任何合适数量的应变仪传感器元件。例如，多个应变仪传感器元件可以方便地包括三个应变仪传感器元件。这三个应变仪传感器元件可以围绕触针彼此等距地间隔开。可以有利地提供在US7603789中描述的应变仪布置。

测量探针装置可以包括用于保持触针的触针保持器。触针可以与触针保持器一体地形成。有利地，触针可以可释放地附接到触针保持器(例如，使用螺纹附接部、触针板等)。如以上所解释的，测量探针装置可以具有到接口或机床控制器的硬连线链路，以便传递触发信号。可替代地，测量探针可以包括用于将触发信号传输到远程探针接口的无线通信模块(例如，RF或光学链路)。

根据本发明的第二方面，提供了一种使用测量探针装置来测量与物体的接触的方法，该装置包括探针主体、相对于该探针主体可偏转的触针、以及用于感测该触针相对于该探针主体的偏转并且生成多个传感器信号的一个或多个传感器，该方法包括以下步骤：

(i)组合该多个传感器信号中的至少两个以生成合成偏转信号，以及

(ii)将在步骤(i)中生成的该合成偏转信号与偏转阈值进行比较，

其特征在于以下步骤：

(iii)分析该多个传感器信号中的至少一个以检测该触针的振荡运动，以及

(iv)仅在步骤(ii)指示该合成偏转信号已经超过该偏转阈值并且步骤(iii)未检测到该触针的振荡运动时指示该触针已经接触到物体。该方法可以包括上文中结合类似装置描述的任何特征。

本文还描述了一种使用测量探针来测量与物体的接触的方法，该测量探针包括探针主体、相对于该探针主体可偏转触针、以及用于感测该触针的偏转的多个传感器，该多个传感器生成多个传感器信号，该方法包括以下步骤：(i)组合该多个传感器信号中的至少两个以生成合成偏转信号，以及(ii)将在步骤(i)中生成的该合成偏转信号与偏转阈值进行比较，其特征在于以下步骤：(iii)分析该多个传感器信号中的至少一个以检测该触针的振荡运动，以及(iv)仅在步骤(ii)指示该合成偏转信号已经超过该偏转阈值并且步骤(iii)未检测到该触针的振荡运动(例如，自由空间振荡运动)时发出触发信号以指示该触针已经接触到物体。该方法可以包括上文中结合类似装置描述的任何特征。

本文还描述了一种测量探针，该测量探针包括探针主体、相对于该探针主体可偏转的触针、以及用于感测该触针的偏转的多个传感器。该多个传感器生成多个传感器信号，并且触针振荡检测单元被提供用于分析该多个传感器信号中的至少一个以检测该触针的自由空间振荡运动。这种测量探针可以包括本文描述的其他特征中的一个或多个。

本文还描述了一种测量探针，该测量探针包括：探针主体；触针，该触针相对于该探针主体可偏转；多个传感器元件，该多个传感器元件用于感测该触针的偏转，每个传感器元件生成指示触针偏转的传感器信号；以及触发单元，该触发单元用于分析这些传感器信号并且发出触发信号以指示该触针已经接触到物体，该触发单元被布置用于组合这些传感器信号中的多个传感器信号以生成用于与偏转阈值进行比较的合成偏转信号。该触发单元还可以被布置用于通过分析这些传感器信号中的至少一个来检测该触针的振荡运动，其中，该触发单元仅在该合成偏转信号越过该偏转阈值并且未检测到该触针的振荡运动时发出触发信号。这种测量探针可以包括本文描述的其他特征中的一个或多个。

现在将仅通过示例、参考附图来描述本发明，在附图中：

图1展示了本发明的测量探针，

图2a至图2b展示了相对于触发阈值的合成偏转信号，

图3展示了经历线性触针振荡的应变仪探针，

图4示出了由图3的探针生成的应变仪信号，

图5示出了可以从图4所示的应变仪信号生成的合成偏转信号，

图6展示了经历圆形触针振荡的应变仪探针，

图7示出了由图6的探针生成的应变仪信号，

图8示出了可以从图7所示的应变仪信号生成的合成偏转信号，

图9示出了在滤波器延迟时段内识别过零点的概念，

图10是图9的过零点的放大视图，

图11示出了在存在圆形触针振荡的情况下触发滤波器的重复重置，

图12示出了用于将接触触发式探针与坐标定位装置接口连接的替代性布置，并且

图13示出了在图12的实施例中生成的各种信号。

参考图1，展示了接触触发式测量探针2，该接触触发式测量探针具有可释放地附接到机床的可旋转主轴6的探针壳体或主体4。主轴6被附接到机头(未示出)，该机头可以沿着三条相互正交的轴线(x，y，z)围绕机器包络线移动。主轴的移动由计算机数字控制器8来控制。主轴6的位置还由位置编码器(未示出)来测量，并且这种位置信息被提供给CNC 8。

测量探针2具有触针保持器10，触针12通过螺纹连接件附接到该触针保持器。触针12包括沿纵向轴线16延伸并且终止于触针尖端或球18的杆14，该杆用于接触安装到机床床身的物体(例如，工件或校准制品)。

触针保持器10经由应变传感器20连接到探针壳体4。在此示例中，应变传感器20包括三个相当坚硬的径向间隔的辐条，每个辐条具有附接至其上的用于感测每个辐条中的应变的应变仪元件。因此，感测到的应变提供了使触针12相对于探针主体4偏转的力的指示。可以在其他地方找到有关应变传感器布置的更多细节；例如，参见US 7792654和US7603789，这些专利的内容通过援引并入本文。

探针2还包括处理器形式的触发单元22(该触发单元是分析器的示例)，该触发单元接收应变传感器20的输出。特别地，触发单元22接收这三个应变仪的采取变化的电压信号形式的三个输出，这些变化的电压信号是由所施加的应变引起的电阻变化导致的。触发单元22被布置用于使用US 7792654中描述的平方和技术来组合从应变传感器20接收的这三个应变仪信号，以便产生将与触发阈值进行比较的合成偏转信号。特别地，触发单元22被布置用于评估合成触针偏转信号何时连续地超过偏转阈值一定时间段(通常称为滤波器延迟时段或滤波器延迟)。

在现有技术的接触触发式测量探针2中，当合成偏转信号超过触发阈值持续滤波器延迟时段时，触发单元22将发出触发信号；这在本文中称为基本触发滤波器。上文提到的现有技术OMP600测量探针还包括基本触发滤波器的轻微变体，其在本文中称为修改的触发滤波器。修改的触发滤波器忽略在滤波器延迟时段期间合成偏转信号中的低于触发阈值的任何瞬时下降，但是仅在这三个应变仪信号中的至少一个在滤波器延迟时段期间保持高于上限的情况下。此修改的触发滤波器允许忽略会导致合成偏转信号下降到触发阈值以下的任何瞬时振动影响。这种修改的触发滤波器可以可选地由触发单元22来实施，但是为了便于描述，下面将仅描述基本触发滤波器。

除了生成用于与触发阈值进行比较的合成偏转信号之外，根据本发明，触发单元22还分别分析这三个应变仪信号中的每一个以确定这些信号的变化是否指示触针的振荡(例如，旋转)运动。下面概述了所执行的分析的更多细节以及这种分析有利的原因。

探针2还包括无线(RF)通信模块24，该无线通信模块以已知的方式通过RF链路将触发信号传送到远程探针接口26。然后，可以通过接口26将触发信号传递到NC 8。以这种方式，每当测量探针发出触发信号时都可以找到主轴在机器包络线内的坐标位置，从而允许建立物体表面上的点的坐标位置数据。

参考图2a和图2b，将描述在测量物体表面上的点期间由触发单元22实施的基本触发滤波器的操作。特别地，图2a和图2b展示了当合成偏转信号(即，其在图2a和图2b中表示为电压V)连续地超过偏转阈值d1时间段t_I时触发单元22如何发出触发信号(T)。

图2a展示了当使触针与物体表面上的点接触时从测量探针的应变传感器20获得的合成偏转(电压)信号。可以看出，偏转随着触针尖端被驱动到表面中而增加。在初始接触之后，偏转阈值被突破并且偏转保持高于阈值持续时间t_I，此时触发信号(T)被发出并且探针移动被停止。应当注意，实际上，表面的弹力和其他影响可能导致与图2a中所示的曲线的形状的轻微偏差。这种偏差尤其可能在初始接触表面之后不久的时间段内发生。

从图2b中可以看出，使用基本触发滤波器可以防止原本可能在探针在两次测量之间围绕机床移动时发生的错误触发的一些实例。特别地，图2b示出了在测量探针从第一速度(例如，零)加速到第二速度(例如，用于将探针从安全平面移动到工件附近所使用的速度)时触针偏转的瞬时增加。尽管偏转短暂地超过偏转阈值d1，但是这仅持续了较短的时间段。由于超过偏转极限d1不超过滤波器延迟t_I，因此在这个实例中不会发出(错误的)触发信号。在存在对探针的振动或机械冲击的情况下，可能发生类似的对偏转阈值的瞬时越过。

接下来参考图3、图4和图5，将描述在存在线性触针运动的情况下从测量探针的应变仪元件获得的各种信号。

图3是上述测量探针的应变传感器20的示意性展示。应变传感器20包括三个应变仪元件50a、50b和50c(彼此间隔120°)，这些应变仪元件安装在应变仪支撑结构52上。该支撑结构52由于触针12施加在其上的力而发生应变，并且此应变被这三个应变仪元件50a、50b和50c检测到。因此，这三个应变仪元件50a、50b和50c各自生成应变仪信号，这些应变仪信号具有与触针12的偏转幅值相关的幅值。

图4展示了当存在沿着图3所示的方向L来回进行的线性触针尖端运动时分别来自这三个应变仪元件50a、50b和50c的输出应变仪信号60a、60b和60c。可以看出，随着触针在自由空间中来回移动，应变仪信号60a(由与运动方向L对齐的应变仪元件50a生成)周期性地变化。其他应变仪信号60b和60c(在图4中彼此重叠)以相同的周期变化，但是相对于应变仪信号60a存在相移。

已知用于组合应变仪信号60a、60b和60c以形成合成偏转信号的各种技术。此类技术的目的是使生成触发信号所需的触针偏转量的任何方向相关的变化最小化。这允许终端用户在单个方向上校准测量探针，而该校准将在所有探测方向上都有效。先前用于组合应变仪信号以形成合成偏转信号的技术包括第一过杆制(FPTP)、平方和(SOS)、修改的平方和(MSOS)和校正并求和(RAS)。MSOS技术可以如在US 7792654中所描述的，已经发现该技术在减少生成触发信号所需的触针偏转量的任何方向相关的变化方面特别有利。

图5展示了通过RAS技术生成的第一合成偏转信号70。示出了使用FPTP方法生成的第二合成偏转信号72。示出了使用MSOS技术生成的第三合成偏转信号74。从图5可以看出，所有技术的合成信号均具有可能越过阈值并且(错误地)指示触针已经接触到表面的峰值。然而，通过MSOS技术生成的第三合成偏转信号74的峰值很可能超过为捕捉表面接触而设置的任何阈值。在这个简单的示例中，上述基本触发滤波器将防止发出错误触发(假设滤波器延迟长于合成偏转信号的重复周期)。

本发明人已经发现，所有不想要的“错误触发”都是由探针的线性加速度引起的这种假设提供了不完整的描述。对在现实世界场景中操作的测量探针的分析表明，有时来自机床的振动可能会激励测量探针与触针的组合从而使该组合以其共振频率进行振荡。这意味着触针将以探针和触针组合的自由空间共振频率开始振荡。在触针的重心不位于探针轴线上的场景中，可以观察到触针的运动不遵循单个轴线，而是可能开始在共振频率下以椭圆或圆周运动的方式移动。其影响是会从应变仪生成具有平均直流(DC)水平的合成信号，该平均直流水平超过触发阈值并且可能在触针处于自由空间时导致探针意外地(即错误地)触发。下面将参考图6到图8更详细地描述此影响。

图6示出了可能由于机械振动而施加到触针的共振圆周运动(R)。此激励是来自探针和触针组合的共振响应，该响应使得触针以多轴(即，椭圆或圆周)运动的方式振荡。图7中展示了在存在这种圆周触针运动的情况下，由这三个应变仪元件50a、50b和50c生成的应变仪信号80a、80b和80c。

图8示出了使用MSOS技术生成的合成偏转信号94。可以看出，合成偏转信号94的幅值具有大于触发阈值的DC偏移，并且因此将使上述类型的现有基于时间的触发滤波器失效(即，此类滤波器会错误地指示触针已经由于与物体接触而发生偏转并且发出触发信号)。分别使用RAS技术和FPTP技术生成的合成偏转信号90和92也展现出模仿触针与物体接触的影响的DC偏移。因此，此多轴振荡运动使得合成输出的幅值可以在触针未与任何物体接触的情况下增加到超过阈值持续延长的时间段。

参考图1描述的测量探针2的触发单元22被配置用于分析用于生成合成幅值信号的各个传感器信号，以确定探针触针实际上是已经接触到表面还是正在自由空间中振荡。以这种方式，触发单元22提供了对由于上述振荡运动而生成错误触发信号的抗干扰性。触发单元22所采用的技术将在下面描述，但是当然可以以各种替代性方式来实施和分析该技术。

参考图9和10，绘制了作为时间的函数的合成偏转信号100以及来自这三个应变仪传感器元件的三个应变仪信号102a、102b和102c。

在时间t₁，触针的上述多轴(例如圆周)运动开始。这导致应变仪信号102a、102b和102c正弦地变化，但是同时在来自不同应变仪传感器的信号之间存在相对相移。在多轴运动开始并且触发阈值104在时间t₂被越过后，从这三个应变仪信号102a、102b和102c的MSOS组合得出的合成偏转信号100迅速增加。

在时间t₂越过触发阈值104将启动基本触发滤波器的定时器。如以上所解释的，在基本触发滤波器发出触发信号(T)来指示触针已经接触到物体之前，该基本触发滤波器监测合成偏转信号100以检查该合成偏转信号是否超过触发阈值104持续预定义的时间间隔(t_I)。在时间t₂，触发单元22还分别分析这三个应变仪信号102a、102b和102c。特别地，触发单元22确定这三个应变仪信号102a、102b和102c中的任何一个是否从正幅度转变为负幅度(反之亦然)并且因此穿过其对应的零(空(null))点。在此示例中，分别在时间t₄、t₃和t₅检测到这三个应变仪信号102a、102b和102c的过零点。这在图9中、并且还在图9的相关部分的放大视图(其被提供为图10)中示出。

这三个应变仪信号102a、102b和102c全部都越过零(空)点的事实表明触针没有与表面接触而是正在自由空间中振荡(例如，以圆形或椭圆形的方式)。在时间t₅(即，最后一个应变仪信号102c越过零点之时)，触发单元22可以确定在时间t₁超过触发阈值104的合成偏转信号100不能被归因于触针与表面接触而导致的触针偏转。因此，触发单元22会取消或阻止原本将在滤波器延迟时段t_I之后出现的触发信号(T)。以这种方式，触发单元22有效地拒绝将由振荡触针运动造成的任何(错误)触发信号。

如以上所解释的，触发单元22在时间t₂之后开始评估这三个应变仪信号102a、102b和102c中的每一个是否越过零点。然而，没有必要精确地测量每次过零点发生的实际时间，重要的是这种状态变化(即，从正到负、或从负到正)发生过。这意味着与触针振荡的频率相比，触发单元22对应变仪信号102a、102b和102的采样率可能相对较慢。例如，可以以所使用的触针或可能与测量探针一起使用的任何触针预期的触针振荡的最大频率的两倍来检查应变仪信号的状态。因此，触发单元22被布置用于在时间t₂确定每个应变仪信号102a、102b和102的状态(即，高于零或低于零)。一旦知道每个应变仪信号的初始状态，就可以通过监测每个应变仪信号的状态是否从正值转变为负值(或反之亦然)来确定每个应变仪元件是否出现过零点。如果在滤波器延迟时段t_I内检测到每个应变仪元件信号的过零点，则触发单元22能够忽略由共振引起的触发事件。

在此应注意的是，在不存在任何探针运动或振动的情况下，图9和图10所示的零点等同于从三个应变仪元件50a、50b和50c获得的空读数。因此，从空点沿正方向和负方向的变化涉及相关的应变仪元件被由触针偏转施加在其上的附加力拉伸或压缩。尽管为了方便起见在本文中使用术语“零”和“过零点”，但是可以将空点设置到任何任意值。

在检测到第三过零点之后，触发单元22仍然生成超过触发阈值的合成偏转信号100。如果随后忽视了此条件，则测量探针将“看不见”触针与物体之间的任何实际接触。这可能会导致测量探针被驱动到机床结构中，从而有可能毁坏或严重损坏测量探针或机床本身。为此，一旦触发单元22由于振荡运动且没有与物体接触而拒绝超过触发阈值的合成偏转信号，该触发单元就会立即重启基本触发滤波器过程。换句话说，重复在时间t₂开始的过程。此重复持续直到触针振荡停止为止。此振荡可能在触针没有与物体接触的情况下停止，在这种情况下，合成偏转信号100下降回到触发阈值以下，并且触发信号不会被发出。可替代地，振荡可能因为触针确实接触到物体由此抑制了振荡运动而停止。在后一种情况中，合成偏转信号超过触发阈值持续滤波器延迟时段的整个持续时间，并且在不存在指示振荡触针运动的过零点的情况下，触发单元22向机床发出触发信号。

参考图11更详细地描述了在没有接触到物体的情况下，在存在触针的自由空间振荡的时段期间触发单元22的操作。绘制了作为时间的函数的、使用修改的平方和表达式从三个应变仪信号中生成的合成偏转信号110。将合成偏转信号110与触发阈值112进行比较。当合成偏转信号110低于触发阈值112时，数字输出114取低值“0”，而当合成偏转信号110高于触发阈值112时，该数字输出取高值“1”。

振荡触针运动使得数字输出114在时间S₁从其低状态改变到其高状态。触发滤波器定时器在S₁开始，并且开始监测数字输出114是否在整个滤波器延迟时段t_I内都保持为高。检测到每个应变仪信号都已经越过零电平在时间S₂发生，该时间在滤波器延迟时段t_I结束之前。满足零电平越过条件也会重置触发滤波器定时器。换句话说，在时间S₂，滤波器定时器被重置为零。然后，在时间S₃检测到每个应变仪信号都已经越过零电平，这起到再次重置触发滤波器定时器的作用。重复此触发重置过程，直到振荡运动减小到使得合成偏转信号110在时间R下降到触发阈值112以下。这还使得数字输出114从高值下降到低值，此时触发滤波器在未发出触发信号的情况下退出。因此，防止了原本将在不另外分析各个应变仪信号的零电平越过的情况下发出的错误触发。

参考图12，示出了测量探针装置150，该测量探针装置包括具有与上述应变仪布置类似的应变仪布置的测量探针152。测量探针152包括可以生成初步触发信号和触发确认信号的分析器(未示出)。还示出了坐标定位装置154，该坐标定位装置具有用于从测量探针装置150接收初步触发信号和触发确认信号的分析器接口156。特别地，测量探针装置150通过初步触发信号线158和触发确认信号线160连接到分析器接口156。

图13绘制了作为时间的函数的在使测量探针与物体接触时测量探针装置150内生成的信号。最下方的图(标记为C)示出了由测量探针的这三个应变仪生成的各个应变仪信号170a、170b和170c。最上方的图(标记为A)示出了由这三个应变仪信号170a、170b和170c的平方和相加生成的合成偏转信号180。中间的图(标记为B)示出了初步接触触发信号线158和接触触发确认信号线160的状态。

首先参考图13中最下方的图，可以看出在触针与物体接触之前，当坐标定位装置在自由空间中四处移动测量探针时，各个应变仪信号170a、170b和170c围绕0V水平振荡。当使触针与物体接触时，应变仪信号170a迅速增加并且越过1V阈值，而同时其他应变仪信号170b和170c下降到0V以下。当与物体接触时，最上方的图所示的合成(平方和)偏转信号180也迅速超过75mV阈值。然而，还可以看出，当在自由空间中四处移动测量探针时，同一合成偏转信号180也会由于各个应变仪信号的振荡而瞬时越过相同的75mV阈值。

测量探针被布置用于每当合成偏转信号180越过75mV阈值时都生成初步触发信号。如中间的图所示，当合成偏转信号180低于75mV阈值时，初步接触触发信号线158保持为高，而每当该合成偏转信号超过75mV阈值时，该初步接触触发信号线就会下降为低。另外，将应变仪信号170a、170b和170c中的每一个与1V阈值进行比较。接触触发确认信号线160保持为高，直到(a)初步接触触发信号线158下降为低，并且(b)各个应变仪信号中的至少一个越过1V阈值并保持高于该阈值持续预设时段(在此示例中为10ms)为止。当满足这两个条件时，接触触发确认信号线160下降到其低状态。

坐标定位装置154的分析器接口156被配置用于监测初步接触触发信号线158，并且用于每当初步接触触发信号线158从高下降到低时记录保持测量探针的主轴的位置。如果在初步接触触发信号线从高下降到低之后接触触发确认信号线160也下降为低(即，因为已经确认进行了接触)，则使用所记录的主轴位置(即，响应于初步接触触发信号线158降低而记录的主轴位置)来生成表面位置测量结果。以这种方式，仍然基于越过75mV的合成偏转信号180来进行计量，但是仅在该越过之后出现指示无自由空间触针振荡的确认信号时报告表面位置。

技术人员将认识到上述实施例仅描述了可以实施本发明的几种方式，并且不应视为限制本发明的范围。例如，触针不必以特定的圆形或椭圆形方式振荡来使分析能够运作。过零分析将起到拒绝会导致合成输出的DC水平超过触发阈值(包括应变仪信号的复杂谐波失真)的任何振荡激励的作用。检测振荡运动的这种方式也不应视为限制性的。允许从传感器信号集中确定相移振荡运动的任何技术(峰值识别、滤波等)都可以应用。以上概述的示例还涉及一种具有三个应变仪测量传感器的测量探针，但是这些示例很容易就可以应用于具有任何类型的两个或多个传感器(例如，压电传感器、电感式传感器、磁传感器、电容式传感器、光学传感器等)的测量探针。还应当注意的是，测量探针可以包括如上所述的专用接触触发式测量探针、或者可以以接触触发模式操作的扫描探针。

Claims (15)

1.一种测量探针装置，包括：

探针主体，

触针，所述触针相对于所述探针主体可偏转，

一个或多个传感器元件，所述一个或多个传感器元件用于感测所述触针相对于所述探针主体的偏转并且生成指示触针偏转的传感器信号，以及

分析器，所述分析器用于分析所述传感器信号，所述分析器被布置用于组合所述传感器信号中的多个传感器信号以生成用于与偏转阈值进行比较的合成偏转信号，

其特征在于，所述分析器还被布置用于通过分析所述传感器信号中的一个或多个来检测所述触针的振荡运动，由此可以根据所述合成偏转信号越过所述偏转阈值并且未从对所述一个或多个传感器信号的分析中检测到所述触针的振荡运动来确定该触针与物体的接触。

2.根据权利要求1所述的装置，包括触发单元，所述触发单元用于发出触发信号以指示所述触针已经与所述物体接触，其中，所述触发单元包括所述分析器，并且所述触发单元仅在所述合成偏转信号越过所述偏转阈值并且未从对所述一个或多个传感器信号的分析中检测到所述触针的振荡运动时发出所述触发信号。

3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述触发单元应用触发滤波器，使得在所述合成偏转信号越过所述偏转阈值之后预定时间间隔发出所述触发信号。

4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述触发单元的所述分析器被布置用于通过在所述预定时间间隔期间分析所述传感器信号中的所述至少一个来检测所述触针的振荡运动，所述触发单元仅当在所述预定时间间隔期间未检测到所述触针的振荡运动时发出所述触发信号。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的装置，其中，所述触发单元和通信模块位于所述探针主体内，所述通信模块被配置用于将由所述触发单元生成的所述触发信号传输到相关联的探针接口。

6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述通信模块通过无线通信链路将所述触发信号传输到所述相关联的探针接口。

7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述分析器被配置用于在所述合成偏转信号越过所述偏转阈值时发出初步触发信号，并且在未从对所述一个或多个传感器信号的分析中检测到所述触针的振荡运动时发出触发确认信号。

8.根据权利要求7所述的装置，进一步包括分析器接口，所述分析器接口用于从所述分析器接收所述初步触发信号和所述触发确认信号，所述分析器接口在接收到所述初步触发信号并且随后接收到所述触发确认信号时确定所述触针已经与物体接触。

9.根据任一项前述权利要求所述的装置，其中，所述分析器被配置用于分析所述传感器信号中多个传感器信号中的每一个以检测所述触针的振荡运动，所述分析器执行的分析包括确定所述多个传感器信号中的每一个的幅值是否有周期性的变化。

10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述多个传感器信号中的每一个的幅值变化是相对于其传感器信号空电平来测量的，所述传感器信号空电平是在没有外力施加到所述触针的情况下产生的传感器信号。

11.根据权利要求9或10所述的装置，其中，所述分析器通过确定是否每个传感器信号都在预设时间段内越过阈值水平来检测所述触针的振荡运动。

12.根据权利要求9或10所述的装置，其中，所述分析器确定是否所述多个传感器信号中的至少一个在预设时间段内保持高于或低于阈值水平，如果所述多个传感器信号无一在所述预设时间段内保持高于所述阈值水平或低于所述阈值水平，则存在振荡运动。

13.根据任一项前述权利要求所述的装置，其中，所述一个或多个传感器元件包括多个传感器元件。

14.根据权利要求13所述的装置，其中，所述多个传感器元件包括多个应变仪传感器元件。

15.一种使用测量探针装置来测量与物体的接触的方法，所述测量探针装置包括探针主体、相对于所述探针主体可偏转的触针、以及用于感测所述触针相对于所述探针主体的偏转并且生成多个传感器信号的一个或多个传感器，所述方法包括以下步骤：

(i)组合所述多个传感器信号中的至少两个以生成合成偏转信号，以及

(ii)将在步骤(i)中生成的所述合成偏转信号与偏转阈值进行比较，

其特征在于以下步骤：

(iii)分析所述多个传感器信号中的至少一个以检测所述触针的振荡运动，以及

(iv)仅在步骤(ii)指示所述合成偏转信号已经超过所述偏转阈值并且步骤(ii)未检测到所述触针的振荡运动时指示所述触针已经接触到物体。

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