坐标测量机的动态监测和建模的制作方法
【专利摘要】本发明涉及坐标测量机的动态监测和建模。该坐标测量机包括基座、探头、机器结构和至少一个驱动机构。利用第一组状态变量限定动态模型。对第一组状态变量中的至少一个状态变量监测，并基于该监测确定至少一个状态变量的变化，利用关于至少一个状态变量的所确定的变化的更新的状态变量来设定第二组状态变量。将第二组状态变量用作第一组状态变量来更新动态模型，至少基于第二组状态变量来计算坐标测量机的至少所述部分的实际状态。
【专利说明】坐标测量机的动态监测和建模
【技术领域】
[0001]本发明大体上涉及一种用于提供坐标测量机的动态状况信息的方法，并且涉及一种用于执行该方法的坐标测量机。
【背景技术】
[0002]惯例的做法是在坐标定位装置(例如坐标测量机(CMM))上对生产之后的工件进行检查，用来检查预定目标参数的正确性，如目标的尺寸和形状。
[0003]在常规的三维坐标测量机中，探头被支撑为用于沿着三个相互垂直的轴线(沿方向X、Y和Z)而运动。因此，探头可以被引导到坐标测量机的测量体积的空间内的任意一点处，并且由探头携带的测量传感器(探针)使得所述目标是能够测量的。
[0004]在测量机的一个简单形式中，平行于每个轴线安装的合适的传送器能够确定探头相对于测量机基座的位置，进而确定传感器所靠近的目标上的测量点的坐标。为了提供探头的可移动性，典型的坐标测量机可包括:其上布置有探头的框架结构；以及驱动装置，该驱动装置用于使框架结构的框架构件相对于彼此进行运动。
[0005]为了测量表面变量，已知基于使用触觉传感器和光学传感器的两种测量原理。
[0006]通常，为了提供具有改进测量精度的坐标测量机，因而其框架结构通常设计为具有较高的静态刚度。为了获得稳定和刚性的机器设计，通常框架结构或至少部分框架结构由石头制成，例如花岗岩。除了象热稳定性和良好的阻尼特性之类的所有积极效果之外，花岗岩还使得机器和可动框架元件相当重。另一方面，较大的重量对于适当的加速度还需要较大的力。
[0007]如果应用该技术，则还具有几个可能的误差源。当相对于另一部件移动一个框架部件时，机器零件的共振或振动正好是动态误差的两个实例。而且，来自机器外部的振动产生的误差也要被考虑。此外，可能发生静态误差，例如缺乏运动的直线度和各轴的正交度或线性驱动机构中的横向偏移。
[0008]根据许多的方法，仅静态地分析所述误差，尽管这些误差也包括取决于轴的运动的动态因素，尤其是当轴移动时取决于位置、速度、加速度和加速度变化率。通过基于速度的校正，而以相对简单和不灵活的方式考虑了这个事实。尽管静态误差可通过使用位置校正矩阵在数值上被降低，但当试图补偿动态误差时事情会变得更加复杂。
[0009]当考虑到动态误差时，例如所述的振动或共振或动态力等等，校正甚至会变得更复杂，这些动态误差不仅能影响产生误差的轴，而且还能够“串扰”到其它的轴，并且导致系统其它部分上的误差。此外，潜在的影响也取决于环境条件，例如温度、湿度、空气压力等等，并且尤其是它们也将在机器的整个使用寿命期间变化。
[0010]在那种情况中，例如，必须考虑到机器一个轴(其能够移动另外的垂直轴和探头)的加速度能够导致坐标测量机的整个框架的线性和有角度的动态偏差，所述动态偏差继而导致测量的不确定性和误差。这些动态测量误差可通过在较低的加速度下进行测量而被减少，例如通过因此被优化的所期望的运动轨迹。[0011]已知的方法是，通过被称为输入成形的技术来试图抑制由机器的加速产生的偏差、振动和/或摆动，该技术控制调节变量，例如推进马达的力或电流，从而通过对驱动致动器控制的输出的因而被操纵的变量而绕开机械共振并避免共振频率或者乃至积极的反作用力振荡的激励。
[0012]而且，模型预测控制作为以下的控制形式能够被应用于坐标测量机(CMM)，在所述控制形式中，利用装置的当前状态作为初始状态，通过在每个采样瞬间解决有限阶段的开环优化控制问题而获得当前的控制动作。该优化产生最优控制序列，并且序列中的第一个控制因此被应用于所述装置。
[0013]误差处理的示例EP1559990公开了一种坐标测量系统以及校正在坐标测量机
[0014]中所测量的坐标的方法，从而测量在坐标测量机上安装具有不同重量的部件时产生的几何误差。从每一部件的重量的测量结果中推导出补偿参数，并且存储该补偿参数。适当地读出对应于待被测量的部件的重量的补偿参数，以校正待被测量的部件的已测出的坐标。
[0015]作为另一个不例,EP1687589公开了一种坐标测量机中的误差补偿方法，该测量机具有包括表面检测装置的铰接的探头。该表面检测装置在测量期间绕所述铰接的探头的至少一个轴而旋转。该方法包括以下步骤:确定设备的整个或部分的刚度；确定与负载相关的一个或多个因子，该负载由铰接的探头在任意特定时刻施加；以及确定由所述负载引起的表面检测装置处的测量误差。
[0016]利用坐标测量机(CMM)进行工件测量的误差校正的另一种方法公开在GB2425840中。由此，利用工件传感探针进行位置测量，在工件传感探针中设置有测量加速度的装置。针对例如由振动引起的那些高频(不可重复的)误差以及例如由探针上的离心应力引起的那些低频(可重复的)误差，对测量进行校正。校正方法包括:测量工件；确定来自于预定误差函数、误差图或误差查询表的可重复的测量误差；测量加速度并计算不可重复的测量误差；将第一测量误和第二测量误差进行结合以确定整体的误差；以及使用整体误差对工件测量进行校正。使用已知尺寸的加工品来计算预定的误差图。
[0017]同样已知的是使用加速度计，该加速度计被装配在探针中或测量机的其它移动部件上，例如Z柱和/或基台中，从而允许进行差动测量和/或外部施加振动的评估。在该布置中，探针位置的位移和误差能够利用二重积分来测量，并且基于该信息能够调整二重积分信号和标尺之差的读数。例如，W002 / 04883公开了这种准静态的方法。
[0018]对于处理上面所述的误差，尤其是动态误差，通常要限定CMM的合适的模型，其中尤其是CMM的框架结构的定置行为能够基于该模型而被描述。示例性地，可以定义查询表，以查询与CMM的框架部件的实际定位相关连的校正值。随着CMM部件的重量(以及刚度)的降低，CMM的这种建模将变得更重要。
[0019]重量的降低是关于坐标测量机的设计的重要主题，就像如果所构建的机器部件包含更少的重量(以及更低的刚度)，则通过引起影响坐标测量机更少的力而能够获得各个构件的更快的定位。另一方面，由机器部件的降低的刚度和(更快的)运动所引起的机器振动和扭矩的影响，将随着这些零件的重量的降低而增大。因此，推导出的测量值的不确定性以及从这些变形和振动产生的误差将随之增大。用于提供坐标测量机误差补偿的已知的建模，对于影响CMM的测量性能的误差的增加量并不能进行计算和补偿。此外，为了补偿由重量降低的CMM所得到的测量值，这种建模并不能以较高的精度持续地处理或确定不同种类的误差。
【发明内容】
[0020]因此，本发明的目的是提供一种用于提供CMM的状态的可靠的计算，尤其是其中持续地提供对所述状态的的计算的改进方法。
[0021]本发明的另一目的是提供对从所测量的位置以及用于这些位置的推导出的误差值而得到的校正位置值的算法。
[0022]本发明的又一目的是提供一种确定机器振动和/或变形的改进方法，并且尤其是一种用于补偿由这些振动和/或变形导致的误差的改进方法。
[0023]本发明涉及一种用于为坐标测量机的至少一部分提供动态状态信息的方法，该坐标测量机包括:基座；探头；机器结构，该机器结构具有用于将所述探头连接至所述基座的结构部件；以及至少一个驱动机构，该驱动机构用于为所述探头提供相对于所述基座的可移动性。此外利用第一组状态变量限定动态模型，该状态变量与所述坐标测量机的至少所述部分的一组物理特性相关，并且代表所述坐标测量机的至少所述部分的实际状态。将所述第一组状态变量提供到数据库中，并且通过基于所述动态模型计算而推导出所述坐标测量机的至少所述部分的实际状态。
[0024]根据本发明，对至少一个状态变量进行监测，并且基于该监测确定至少一个状态变量的变化，其中利用关于所述至少一个状态变量的所确定的变化更新的状态变量来设定第二组状态变量。附加地，将所述第二组状态变量用作所述第一组状态变量来更新所述动态模型，尤其是其中，至少基于所述第二组状态变量来计算所述坐标测量机的至少所述部分的实际状态。
[0025]因此，在本发明的特定实施方式的情况下，从第二组变量计算得到的实际状态对应于CMM的连续状态(根据下一个时间步骤)，其中连续状态由所监测的状态变量的变化所限定。因而，关于状态变量的变化的连续状态作为CMM的新的实际状态而被计算。此外，在确定了没有变化(即，第二组状态变量对应于第一组状态变量)的情况下，所计算出的连续状态基本上对应于前一个状态。
[0026]相比于如从现有技术已知的仅仅对加速度信号进行积分(例如，为了得出速度或位置信息)或者通过对速度信号积分，通过使用根据本发明的模型和监测方法，将不会有随机游走的影响，而这些影响容易在积分加速度传感器或速度传感器中产生。此外，不仅是由被控制的机器的运动所引起的误差，而且由机器环境所引起的误差(例如，由在相同的生产车间中运行的其它机器引起的)均能被确定和补偿。
[0027]根据本发明另一个实施方式，将所述第一组状态变量和所述第二组状态变量用作所述第一组状态变量来更新所述动态模型，其中至少基于数据库中的所述第一组状态变量和所述第二组状态变量来计算所述坐标测量机的至少所述部分的实际状态。
[0028]本发明的更具体的实施方式涉及基于所述动态模型推导出所述坐标测量机的至少所述部分的实际偏差，和/或基于所述模型推导出所述坐标测量机的指定点的实际位置，和/或基于所述模型补偿测量误差。
[0029]优选地，上述发明适用于计算所述坐标测量机的至少一部分的偏差，并因此，尤其提供用于CMM 的校正值。根据上述【具体实施方式】，提供了对于所述机器的一部分或机器上的指定点的绝对位置(包括偏差和/或校正值)的计算。
[0030]根据本发明的【具体实施方式】，通过以下方式来执行状态变量的监测，尤其是对至少一个状态变量的变化的确定:测量至少一个物理特性，并由此推导出至少一个对应的实际状态变量，和/或通过基于计算尤其是基于估计的模型来推导出用于至少一个状态变量的实际值，和/或使用所指定的调整值来设定至少一个状态变量。
[0031]尤其是，至少一个状态变量的变化是由至少一个物理特性的变化而引起的，尤其是由所述机器结构的至少一部分和/或所述探头的运动而引起的，或者由影响所述坐标测量机的外力而引起的。例如，探头以相对高的速度移动并且在测量空间中碰触到未被限定的结构。由于这种碰触，因此使得相当大的弯曲力被分别施加在探头或探针处，并且引起了所测量的偏差值的变化。
[0032]在监测至少一个状态变量的情形下，应当理解的是，至少执行对物理特性的测量以及由此推导出对应的状态变量，或者直接从基于估计的模型或使用校正值来推导出状态变量的值。因此，监测步骤以及尤其是所监测的至少一个变量的变化限定一观测值，该观测值用于根据新的对应的系统状态来调整所述模型。
[0033]此外，根据本发明的另一实施方式，状态变量限定了所述坐标测量机的至少所述部分的下列值中的至少一个值或下列值的组合和/或相应值的变化:
[0034].加速度(线性的和/或旋转的)；
[0035].速度(线性的和/或旋转的)；
[0036].位置(线性的和/或旋转的)；
[0037]?弯曲；
[0038].变形；
[0039].位移(线性的和/或旋转的);
[0040]?取向；
[0041]?温度；
[0042].湿度；
[0043].扭矩；和/或
[0044].力。
[0045]此外，根据本发明的另一实施方式，至少一个状态变量的变化是由所述坐标测量机的至少所述部分的下列物理特性中的至少一个物理特性和/或相应的物理特性的变化而推导出的，尤其是通过测量至少一个物理特性而推导出的:
[0046].加速度(线性的和/或旋转的)；
[0047].速度(线性的和/或旋转的)；
[0048].位置(线性的和/或旋转的)；
[0049].变形；
[0050].扭矩；和/或
[0051]?力。
[0052]因此，状态变量的变化可由至少一个物理特性引起。
[0053]关于本发明的特定实施方式，至少一个状态变量是通过利用传感器测量所述坐标测量机上的激励和/或冲击而推导出的，和/或通过从路径轨迹计算而推导出的，尤其是其中至少一个状态变量是从确定相应的物理特性而推导出的。
[0054]关于这方面，可提供用于(补偿)模型的可能的输入值，以提供用于计算实际的系统状态、加速度、速度、取向、扭矩或力的信息或这些输入中一些输入的组合的参数。一些输入值可以通过测量值来确定，而一些输入值可以从路径计划轨迹中计算出。此外，输入值可以通过偏差的测量而被直接确定。
[0055]本发明的另一方面涉及基于所述模型计算建立时间并且产生建立信号，以补偿由所述坐标测量机执行的测量。所述建立时间表示用于保持限定测量位置的持续时间，以实现预定的测量精度。
[0056]具体地，对所述设定信号进行处理，以控制所述探头相对于测量点的限定位置的重新定位和/或保持，或者用于产生输出信号，尤其是声音信号和/或光信号，以向操作者提供信息从而以预定的测量精度进行手动测量。
[0057]因此，可以使用动态模型来计算所需的特定建立时间，以在利用CMM的探测过程中获得限定的精度。此外，所述模型可被用于在扫描运动期间优化轨迹限制(例如，关于加速度变化率(jerk)或加速度)以实现所限定的精度。因此，根据本发明的模型的使用和计算允许优化测量速度，并且允许在不妨碍精度目标的前提下提高生产能力。
[0058]根据本发明的特定实施方式，对物理特性进行监测尤其是进行测量并且将所监测的物理特性提供到所述数据库中，并且至少基于所述数据库中的所述第二组状态变量以及所监测的物理特性，来计算所述坐标测量机的至少所述部分的实际状态。
[0059]具体地，利用这些状态变量的变化来监测时间的变化，并且将时间信息指配给所述数据库中的每一组状态变量。根据这些附加的时间信息，历史模型数据的计算可被进一步改进，而且关于测量或监测时间间隔的差可以通过实际机器状态的计算而被精确地考虑。
[0060]关于本发明的另一方面，对所述状态变量，并且尤其是物理特性以限定的监测间隔尤其是以监测频率进行监测，和/或根据所监测的状态变量的连续变化的第三组或更多组状态变量基于该变化被设定，并且将所述第三组或更多组状态变量增加到所述数据库中，并且所述坐标测量机的至少所述部分的实际状态至少基于所述数据库中的所述第一组状态变量、所述第二组状态变量和所述第三组或更多组状态变量来计算。CMM(或其一部分)的实际状态的计算可基于限定的或数目变化的组的状态变量(例如，取决于精度要求或运动参数)，并且因此可以考虑历史系统数据的更宽的频谱，
[0061]以更精确地推导出实际状态并且用于描述例如系统的振动行为。
[0062]根据本发明，关于模型的建立，可以选择几个建模的方法以提供用于该方法的合适的模型。
[0063]根据本发明的特定实施方式，在2013年2月5日提交的欧洲专利申请N0.EP13153954.6中描述的建模方法可以用于获得具有少数元素的模型(例如，线性轴)并且用于保持相当低的处理时间。
[0064]根据本发明的另一实施方式，采用了一种CMM的相关部分的二维模型，如果在不同建模平面之间的交叉联接可以忽略不计，则这种方式就是可行的。可以提供例如在XZ平面和YZ平面中的独立建模(例如，不带主探针和/或探头的CMM的Z轴柱塞被限定)。这种二维模型可以被解析地建立，并且有利的是其需要最少的计算功率。
[0065]根据本发明的另一实施方式，限定了联接的二维模型，其中不同平面之间的受限的交叉联接是可行的。可以采用在XZ平面和YZ平面中的独立建模，其中限定了在XY平面中的经由扭矩形成的联接。示例性地，可以利用该方法对具有关节式探头的Z轴柱塞进行建模。与三维的全建模相比，联接的二维模型所需要的计算功率仍然较少，并且模型也可被解析地建立。
[0066]此外，根据本发明的特定实施方式,提供了一种三维建模,其中如果平面之间的主要交叉联接的影响待被表现出则三维模型可以是优选的。在该情况下，由于复杂性，因此来自机器人应用的迭代和/或递归的多体算法，例如，费瑟斯通或牛顿-欧拉可以是优选的。具体地，为了减少计算要求，费瑟斯通算法将是有利的。
[0067]关于对实施的模型进行求解，必须特别注意在时间步长中的积分，以最小化用于计算一个时间步长所需的计算功率。
[0068]因为二维建模(以及耦合的二维建模)最有可能被解析地进行，因此这些模型的积分可以依次通过对每个(或几个)离散时间步长的以下步骤来完成:
[0069].通过以下生成连续时间的非线性的状态空间表达式:
【权利要求】
1.一种用于为坐标测量机(1，2)的至少一部分提供动态状态信息的方法，该坐标测量机(1,2)包括: ?基座(11，21)； ?探头(15)； ?机器结构，该机器结构具有用于将所述探头(15)连接至所述基座(11，21)的结构部件(12-14,22-24);以及 ?至少一个驱动机构，该驱动机构用于通过以下方面为所述探头(15)提供相对于所述基座(11，21)的可移动性，这些方面包括: ?利用第一组状态变量限定动态模型(31)，这些状态变量与所述坐标测量机(1，2)的至少所述部分的一组物理特性相关，并且代表所述坐标测量机(1，2)的至少所述部分的实际状态； ?将所述第一组状态变量提供到数据库中；并且 ?通过基于所述动态模型计算而推导出所述坐标测量机(1，2)的至少所述部分的实际状态(34)， 其特征在于， ?对所述第一组状态变量中的至少一个状态变量进行监测(32)，并且基于该监测确定至少一个状态变量的变化， ?利用关于所述至少一个状态变量的所确定的变化更新的状态变量来设定第二组状态变量(33)，并且 ?将所述第二组状态变量用作所述第一组状态变量来更新所述动态模型(31)，尤其是其中，至少基于所述第二组状态变量来计算所述坐标测量机(1，2)的至少所述部分的实际状态。
2.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于， 将所述第一组状态变量和所述第二组状态变量用作所述第一组状态变量来更新所述动态模型(31)，其中至少基于所述第一组状态变量和所述第二组状态变量来计算所述坐标测量机(1，2)的至少所述部分的实际状态。
3.根据权利要求1或2所述的方法， 其特征在于， ?基于所述动态模型推导出所述坐标测量机(1，2)的至少所述部分的实际偏差；和/或 ?基于所述动态模型推导出所述坐标测量机(1，2)的指定点的实际位置；和/或 ?基于所述动态模型来补偿测量误差。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法， 其特征在于， 通过以下方式来执行状态变量的监测(32)，尤其是对至少一个状态变量的变化的确定: ?测量至少一个物理特性，并且由此推导出至少一个对应的实际状态变量， 和/或?通过基于计算尤其是基于估计的模型来推导出用于至少一个状态变量的 实际值，和/或 ?使用所指定的调整值来设定至少一个状态变量， 尤其是其中: 至少一个状态变量的变化是由至少一个物理特性的变化而引起的，尤其是由从所述机器结构的至少一部分和/或所述探头(15)的变形生成的力而引起的，或者由影响所述坐标测量机(1，2)的外力而引起的。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法， 其特征在于， 这些状态变量限定了所述坐标测量机(1，2)的至少所述部分的下列值中的至少一个值或下列值的组合和/或相应值的变化: ?加速度； ?速 度； ?位置； ?弯曲； ?变形； ?位移； ?取向； ?温度； ?湿度； ?扭矩；和/或 ?力。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法， 其特征在于， 至少一个状态变量的变化是由所述坐标测量机(1，2)的至少所述部分的下列物理特性中的至少一个物理特性和/或相应的物理特性的变化而推导出的，尤其是通过测量至少一个物理特性而推导出的: ?加速度； ?速度； ?位置； ?变形； ?扭矩；和/或 ?力。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法， 其特征在于， 至少一个状态变量是通过利用传感器测量所述坐标测量机(1，2)上的激励和/或冲击而推导出的，和/或通过从路径轨迹计算而推导出的，尤其地其中至少一个状态变量是从确定相应的物理特性而推导出的。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于， 基于所述动态模型计算建立时间并且产生建立信号，以补偿利用所述坐标测量机所执行的测量，其中，所述建立时间表示用于保持限定的测量位置的持续时间，以实现预定的测量精度。
9.根据权利要求8所述的方法， 其特征在于， 对所述建立信号进行处理，以 ?控制所述探头(15)相对于测量点的限定位置的重新定位和/或保持，或者 ?产生输出信号，尤其是声音信号和/或光信号，以向操作者提供信息从而 以预定的测量精度进行手动测量。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法， 其特征在于， 对所述物理特性进行监测(32)，尤其是进行测量，并且将所监测的物理特性提供到所述数据库中，并且至少基于所述数据库中的所述第二组状态变量以及所监测的物理特性，来计算所述坐 标测量机(1，2)的至少所述部分的实际状态(34)，和/或 利用这些状态变量的变化来监测时间的变化，并且将时间信息指配给所述数据库中的每一组状态变量。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法， 其特征在于， ?对所述状态变量并且尤其是所述物理特性利用限定的监测间隔尤其是利用监测频率进行监测(32)，和/或 ?根据所监测的状态变量而连续变化的第三组或更多组状态变量基于该连续变化被设定，并且将所述第三组或更多组状态变量增加到所述数据库中，并且所述坐标测量机(1，2)的至少所述部分的实际状态至少基于所述数据库中的所述第一组状态变量、所述第二组状态变量和所述第三组或更多组状态变量来计算。
12.—种坐标测量机(1，2),该坐标测量机包括: ?基座(11，21)； ?探头(15)； ?机器结构，该机器结构具有用于将所述探头连接到所述基座的结构部件(12-14，22-24): ?至少一个驱动机构，该驱动机构用于提供所述探头(15)相对于所述基座(11，21)的可移动性；以及 ?适于执行建模功能的控制和处理单元，在执行建模功能时， □利用第一组状态变量限定动态模型(31)，这些状态变量与所述坐标测量机(1，2)的至少一部分的一组物理特性相关，并且表示所述坐标测量机(1，2)的至少一部分的实际状态， □将所述第一组状态变量提供到数据库中，并且 □借助基于所述动态模型计算而推导出所述坐标测量机(1，2)的至少所述部分的实际状态(34)，其特征在于， 在执行建模功能时， ?对所述第一组状态变量中的至少一个状态变量进行监测(32)，并且基于该监测确定至少一个状态变量的变化， ?利用关于所述至少一个状态变量的所确定的变化更新的状态变量来设定第二组状态变量(33)，并且 ?将所述第二组状态变量用作所述第一组状态变量来对所述动态模型进行更新(31)，尤其是其中至少基于所述第二组状态变量来计算所述坐标测量机(1，2)的至少所述部分的实际状态。
13.根据权利要求12所述的坐标测量机(1，2)， 其特征在于， 所述坐标测量机(1，2)的 所述控制和处理单元适用于执行根据权利要求1至11中任一项所述的方法。
14.根据权利要求12或13所述的坐标测量机(1，2)， 其特征在于， 所述坐标测量机(1，2)包括传感器，该传感器用于监测所述物理特性，尤其是用于测量在所述坐标测量机(1，2)处的激励和/或冲击，并且该传感器尤其是加速度传感器和/或偏差传感器和/或振动拾取器。
15.一种计算机程序产品，该计算机程序产品具有计算机可执行的指令，以尤其是当在根据权利要求12至14中任一项所述的坐标测量机(1，2)的控制和处理单元上运行时来执行根据权利要求1至11中任一项所述的方法。
【文档编号】G01B11/03GK103968766SQ201410076288
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年1月29日 优先权日:2013年2月5日
【发明者】伯恩哈德·施普伦格 申请人:赫克斯冈技术中心