通过使用惯性传感器校准运动系统的位置的制作方法

通过使用惯性传感器校准运动系统的位置的制作方法
【专利摘要】运动系统的校准使用一个或多个加速度计(25、125、150、40)针对静态误差校准例如坐标测量机等的运动系统的位置测量系统(36、128)。使用该位置测量系统以及通过双重积分(58)该加速度计的输出两者测量(54、56)该运动系统的移位(d、50)。使用该加速度计的该移位测量不太容易受静态误差影响，或者其静态误差是可复验的并且可以进行校正。将该移位测量与使用该位置测量系统的测量相比较因此会产生差值(70)，该差值可以用于构建用于校正该位置测量系统的该静态误差的误差映射或误差函数。
【专利说明】
通过使用惯性传感器校准运动系统的位置
技术领域
[0001]本发明涉及其中相对可移动部件相对于相对固定部件可移位的运动系统的校准。
[0002]运动系统的实例包含坐标测量机、手动坐标测量关节臂、检测机器人、机械工具、打印系统、精密工件台、取放机器等。可移动部件可以(例如)支撑用于在工件或其它物体上操作的工具。或者该可移动部件可以支持工件或样本。在坐标测量机的情况下，工具可以是用于测量工件的探针。
【背景技术】
[0003]在已知运动系统中，相对可移动部件相对于相对固定部件是可移位的。位置测量系统测量相对移位。如果运动机动化，则位置测量系统可以提供位置的反馈以控制伺服环路中的电动机。
[0004]常规的运动系统利用所谓的串联运动学。存在包括两个或两个以上串联连接的可移动部件的链条。这些可移动部件经由滑动或旋转接头连接到下一可移动部件。例如，部件可以是分别在两个或三个正交轴Χ、γ或Χ、γ、ζ上可滑动的托架。每个轴可以具有相应变换器，例如，测量相应托架在对应方向上的移位的编码器，以便提供链条(或安装在其上的工具)的最后一个可移动部件的x、Y或x、Y、z坐标位置。还可以提供运动的额外轴(例如，旋转轴)。或者，关节臂可以具有串联布置的若干旋转接头，每一个具有例如旋转编码器等的旋转变换器。
[0005]这些变换器可以一起被视为用于整个多轴机器的位置测量系统。或者，每一个别运动轴可以被视为一维运动系统，其中相应变换器形成该轴的个别位置测量系统。
[0006]另一已知类型的运动系统利用并联运动学。这可以(例如)包括三个或六个可延展支柱，每一个经连接以在可移动部件与相对固定的底座部件或框架之间并联动作。随后通过协调三个或六个支柱的相应延展来控制可移动部件在系统的X、Y、Z工作容积中的移动。在国际专利申请案WO 03/006837和WO 2004/063579中示出并联运动学机器的实例。
[0007]并联运动学系统还具有提供可移动部件的Χ、Υ、Ζ坐标位置的位置测量系统。通常这可以包括例如测量支柱的延展的编码器等的变换器，随后可以根据该变换器计算Χ、Υ、Ζ坐标位置。
[0008]运动系统具有各种静态误差(还称为“几何”误差，因为这些误差可能由系统配置或变换器的几何不准确性引起)。这些表示位置测量系统在可移动部件静止时无法准确读取可移动部件的位置。已知校准机器以校正此类静态误差。例如，参看第4，819，195号美国专利(贝尔(Bell)等人)，该专利示出使用例如激光干涉仪、电子水平仪和球杆等仪器校准三维串联动态坐标测量机的静态(几何)误差。这是非常耗时且昂贵的过程。
[0009]—些运动系统还具有动态误差(也称为惯性误差)。这些动态误差(例如)通过在机器移动时由于加速度而弯曲机器的各个组件引起。动态误差还可以由振动引起。此种动态弯曲或振动引起可移动部件的运动，该运动可能无法通过位置测量系统准确地变换。然而，尽管一些多轴串联动态机器易遭受此类弯曲和动态误差，但是其它运动系统的构造可以在可移动部件与位置测量系统的变换器变换其运动所处的点之间提供相对硬性或刚性耦合，因此减小动态误差。此类相对硬性系统的实例可以包含并联动态机器、单轴系统(以及多轴串联动态机器的个别单轴)以及例如具有较大且因此本质上硬性的组成部分的机械工具等的系统。其它运动系统可以具有机械频率响应，当在某些频率下移动而不再其它频率下移动时，该机械频率响应提供相对刚性耦合。
[0010]第6868356(奈(Nai)等人)号美国专利示出具有X、Y、Z滑动轴的串联动态坐标测量机以及测量Χ、γ、ζ轴上的移位的位置测量变换器。为了解决动态误差的问题，一个或多个加速度计安装在机器的可移动部件上以便测量其加速度。可以加倍集成加速度计输出以提供指示动态误差的移位值。随后将该移位值添加到位置测量变换器的输出。因此通过加速度计实时测量未由Χ、γ、ζ位置测量变换器变换的任何运动。因此实时确定动态误差(以及必要校正)。
[0011]然而，此加速度计信息不校正位置测量变换器的静态误差。实际上相反地，US6868356表明位置测量变换器可以用于针对各种静态误差校准加速度计数据。因此必须单独地确定位置测量变换器的任何静态误差，并且如上所述这可能是耗时且昂贵的。

【发明内容】

[0012]本发明提供一种校准运动系统中的静态误差的方法，该系统包括:
[0013]相对固定部件和相对可移动部件；以及
[0014]位置测量系统，用于确定可移动部件相对于固定部件的位置，该确定受静态误差影响；
[0015]该方法包括:
[0016]提供一个或多个惯性传感器，该惯性传感器被布置成与可移动部件一起移动且测量可移动部件的移位；
[0017]引起可移动部件相对于固定部件的移位；
[0018]使用一个或多个惯性传感器测量所述移位的量；
[0019]使用位置测量系统测量所述移位的量；以及
[0020]将使用位置测量系统测量到的移位的量与使用一个或多个惯性传感器测量到的移位的量相比较;其中:
[0021 ]该比较产生用于位置测量系统的一个或多个静态误差的后续校正的差值。
[0022]使用一个或多个惯性传感器测量到的移位与位置测量系统相比不太受运动系统的任何静态误差影响;或者根本不受静态误差影响。
[0023]就此而言，在一些情况下可以仅信任惯性传感器的准确度。在其它情况下，这可以通过对照运动系统外部的参考标准直接校准用一个或多个惯性传感器测量到的移位来实现。或者可以通过测量运动系统上的参考标准间接实现相同效果，例如，通过与参考标准的此种测量的比较来校正差值(或比例因数或误差映射或源自差值的误差函数)。
[0024]可安排成在惯性传感器的测量中呈现的系统的任何动态误差或运动诱发的误差与位置测量系统的静态误差相比较小。为实现此，惯性传感器可以安装在运动系统的一部分处，该运动系统的一部分以机械方式耦合到位置测量系统的变换器变换其运动所处的点，该机械耦合足够刚性以确保在惯性传感器的测量中呈现的系统的任何动态误差与位置测量系统的静态误差相比较小。可替代地或另外，可移动部件在系统的校准期间的移位可以是在某一频率下的振荡，其中系统的机械频率响应确保机械耦合足够刚性以提供此保证。因此，可移动部件使用惯性传感器的测量相对不受动态误差的影响。
[0025]可替代地，此刚性耦合可能是因为运动系统本质上足够硬性(例如，该运动系统可以是并联动态系统或具有相对较大组件的机械工具)。
[0026]通过比较由位置测量系统和加速度计两者测量到的同一移位，产生静态误差值。该静态误差值可以被存储且随后用于校正由位置测量系统产生的静态误差。此静态误差值应该与使用现有技术中的加速度计测量到的动态误差区分开，因为在讨论中的本发明的实施例中，动态误差优选地可忽略。
[0027]优选地惯性传感器安装在运动系统的一部分处，该运动系统的一部分以机械方式耦合到位置测量系统的变换器变换其运动所处的点，该机械耦合足够刚性以确保在使用惯性传感器进行的测量中的任何动态误差与位置测量系统的静态误差相比较小。
[0028]可移动部件可以在相对较大范围内可移动，并且测量可移动部件的移位的步骤可以在相对较小范围内进行。可以通过可移动部件的振荡产生小范围内的移位。振荡可以处于某一频率下，其中系统的机械频率响应确保机械耦合足够刚性。
[0029]在振荡期间可以重复对可移动部件的移位的测量，并且差值可以从所重复的测量中平均化。可以通过可移动部件的圆周运动产生振荡。
[0030]优选地针对在固定和可移动部件的多个相对位置处引起的移位而产生相应差值，并且该差值用于形成运动系统的静态误差的误差映射或误差函数。使可移动部件在小范围内移位的步骤以及测量可移动部件的移位的步骤可以在固定和可移动部件的多个不同相对位置处重复以产生每个位置的相应差值。
[0031]可以通过积分处于相对较大范围内的位置的多个所述差值而计算使用位置测量系统在可移动部件的相对较大移动范围内进行的位置测量的累积误差。可以获得误差映射或误差函数，该误差映射或误差函数提供可移动部件的多个位置中的每一个的相应累积静态误差。
[0032]如本说明书中论述的“误差映射”可以包含(例如)用于校正后续测量值的值的查询表。
[0033]—个或多个惯性传感器可以包含一个或多个加速度计。通过双重积分加速度计输出而获得由一个或多个加速度计测量到的移位。当不需要用于校准时，一个或多个惯性传感器可以从运动系统中拆除，例如，这些惯性传感器可以设置于可以附接到运动系统以及从运动系统中拆卸的模块中。
[0034]本发明的另外方面包含使用运动系统的方法，其中通过应用由上述方法得到的校正来校正静态误差。本发明还包含经配置以执行上述方法中的任一个的运动系统。
【附图说明】
[0035]现将参考附图借助于实例描述本发明的实施例，其中:
[0036]图1示出使用并联运动学的具有运动系统的比较测量仪的可操作部分；
[0037]图2示出使用串联运动学的具有运动系统的坐标测量机(CMM)；
[0038]图3示出在图1或图2中的任一机器的校准期间使用的惯性传感器布置；
[0039]图4是校准图1或图2中的机器的优选方法的第一部分的流程图；
[0040]图5是在校准期间机器的运动的图形表示；
[0041]图6说明在校准期间在机器的工作容积内的位置；
[0042]图7是校准方法的另一部分的流程图；以及
[0043 ]图8示出在本发明的替代实施例中的机动化工件台和测量仪的一部分。
【具体实施方式】
[0044]图1是由本
【申请人】雷尼绍公司根据商标EQUATOR出售的比较测量仪的部分的图解说明。该比较测量仪包括通过并联动态运动系统连接到可移动平台32的固定平台30。在本实例中，并联动态运动系统包括在固定平台与可移动平台之间并联动作的三个支柱34。三个支柱34穿过三个相应致动器36，该支柱可以通过该致动器延展和缩回。每个支柱34的一端由普遍可枢转接头安装到可移动平台32，并且致动器36同样以普遍可枢转方式安装到固定平台30。
[0045]致动器36各自包括用于延展和缩回支柱的电动机以及测量相应支柱34的延展的变换器。在每个致动器36中，变换器可以是包括刻度尺和读头的编码器，其具有用于读头的输出的计数器。每个电动机和变换器形成由控制器或计算机8控制的相应伺服环路的一部分。
[0046]并联动态运动系统还包括三个无源抗旋转装置38、39，该装置也在固定平台与可移动平台之间并联动作。每个抗旋转装置包括铰接于固定平台30的刚性板39以及普遍可枢转地连接在刚性板39与可移动平台32之间的平行间隔开的一对杆38 ο抗旋转装置协作以对抵在所有三个旋转自由度中的运动限制可移动平台32。因此，可移动平台32被限制为仅以三个平移自由度X、Y、Z移动。通过要求支柱34的合适延展，控制器/计算机8可以产生任何所需的Χ、Υ、Ζ移位或可移动平台的Χ、Υ、Ζ定位。
[0047]在第5，813，287号美国专利(麦克默特里(McMurtry)等人)中描述此并联动态运动系统的操作原理。这是三角架机构(具有三个延展支柱34)的实例。可以使用(例如)具有三角架或六角并联动态机构的其它运动系统。
[0048]三个致动器的变换器结合在一起形成位置测量系统。这样通过控制器或计算机8中的合适运算确定可移动平台32相对于固定平台30的Χ、Υ、Ζ位置。这些运算为本领域技术人员所熟知的。然而，通过位置测量系统确定的位置因此受到静态误差的影响。下文论述的方法用于在使用机器测量工件之前针对这些静态误差校准位置测量系统。
[0049]通常，模拟探针16安装在机器的可移动平台32上，该模拟探针具有带有工件接触尖端22的可偏转触控笔20，但是可以使用其它类型的探针(包含接触触发式探针)。机器相对于工作台12上的工件14移动探针16，以便实行对工件特征的测量。通过结合模拟探针16的输出从伺服系统中的变换器的计算获得工件表面上的点的Χ、Υ、Ζ位置。这都由控制器/计算机8控制。或者，通过接触触发式探针，指示探针已接触工件表面的信号使根据来自变换器的输出计算出的Χ、Υ、Ζ位置值定格，并且计算机读取工件表面的坐标。必要时，对于在正常生产使用期间的测量操作，例如机器人(未示出)等的自动构件可以将来自生产运行的一系列基本上相同的工件中的每一个放置于工作台上的至少名义上相同的位置和定向中。
[0050]图2说明具有串联动态运动系统的替代坐标测量机(CMM)1。该坐标测量机包括固定工作台112，待测量的工件114可以放置于该固定工作台上。模拟探针116安装在机器的可移动套管轴118上，该模拟探针具有带有工件接触尖端122的可偏转触控笔120，但是同样可以使用其它类型的探针(包含接触触发式探针)。
[0051]套管轴118和探针116经由串联动态运动系统安装以手动地或在由控制器和/或计算机108控制的X、Y和Z轴电动机的动作下一起在X、Y和Z方向上移动。已知且可以使用各种串联动态运动系统。在本实例中，串联动态系统的串联连接部件包括在工作台112上在Y轴方向上可移动的桥结构124。托架126在桥124上在X轴方向上是可移动的。并且，固持探针116的套管轴118相对于托架126在Z轴方向上是可移动的。
[0052]通过Y轴变换器128测量桥124相对于工作台112的Y轴运动。同样，这可以是包括刻度尺和读头的编码器，其具有用于读头的输出的计数器。提供类似X轴和Z轴变换器(未示出)以测量托架126相对于桥124的X轴运动以及套管轴118相对于托架126的Z轴运动。变换器输出被反馈回计算机或控制器108。这些变换器输出可以用于具有Χ、Υ和Z轴电动机的相应伺服反馈回路中，以便控制套管轴和探针的Χ、Υ、Ζ定位。这些变换器输出还与来自探针116的指示探针触控笔120的偏转的信号组合，以计算触控笔尖端122的位置并且因此例如在探针在工件114的表面上扫描时测量该表面。
[0053]Χ、Υ和Z轴变换器构成机器的位置测量系统，该位置测量系统易受如上文针对图1所述的静态误差的影响。同样，下文描述的方法用于在使用机器测量工件之前针对这些静态误差校准位置测量系统。
[0054]在使用时，图1和2中的控制器或计算机8、108含有使探针16、116扫描工件14、114的表面的程序。或者，对于接触触发式探针，该程序使接触触发式探针在足以获得用于所需检测操作的全部所需的工件尺寸和形状的多个不同点处接触工件的表面。此控制器/计算机还可以用于运行控制下文将描述的校准方法的程序。
[0055]为了在校准方法中使用，图1示出惯性传感器布置25安装在并联动态机器的可移动平台32上。惯性传感器布置25可以永久地设置于可移动平台上，但是优选地该惯性传感器布置是暂时安装在此处且在完成校准时拆除的模块。这使相同惯性传感器模块能够用于校准其它机器。
[0056]图2示出惯性传感器布置125可以类似地安装在串联动态机器的可移动套管轴118上。同样，惯性传感器布置可以永久地设置于此处，但是优选地该惯性传感器布置暂时安装在此处且在完成校准时拆除，使得该惯性传感器布置可以用于校准其它机器。
[0057]在任一情况下，探针16、116可以是可更换的，并且惯性传感器布置25、125可以暂时安装在适当位置中。在下文描述的校准期间不需要探针16、116。
[0058]图3示出惯性传感器布置25或125的实例。该惯性传感器布置包括三轴加速度计40，该三轴加速度计测量在三个正交轴方向Χ、Υ、Ζ上的线性加速度Ax、Ay、Az。获取惯性传感器的输出用于控制器/计算机8、108。如下文所论述，这些输出在离散信号处理电路或控制器/计算机中被双重积分，以便给出X、Y、Z移位值。当然，惯性传感器的其它布置也是可能的。例如，三轴加速度计40可以由三个单轴线性加速度计替代。
[0059]如下文更详细地论述，惯性传感器布置的位置取决于机器的结构的刚度。对于给定准确度要求，所选择的安装位置应处于可移动结构上充分接近变换器的位置处，使得其可以被看成以机械方式刚性耦合到机器的位置测量系统的变换器(例如，编码器)变换可移动结构的运动所处的点。在一些情况下，具体来说在相对低刚度的串联动态机器中，替代地，可以优选地将一个或多个惯性传感器布置安装在与测量机器的x、Y、z运动的相应变换器相关联的位置中。图2示出安装在可移动桥结构124上的与测量桥的Y轴运动的变换器128结合的惯性传感器150。类似考量适用于可以与X和Z轴变换器相关联地设置的惯性传感器布置(未示出)。
[0060]与运动的一个特定轴有关的惯性传感器布置(例如，150)可以仅包括与所关心的运动轴对准的仅一个单轴线性加速度计。这将实现静态误差(例如，刻度尺误差)的校准。然而，如果需要校准此运动轴的其它静态误差(包含相对于另两个轴的笔直性误差)，则可以提供三轴加速度计布置。
[0061]可以使用能够测量可移动结构的加速度的任何类型的加速度计。一种合适类型的加速度计由经微加工的硅制成。另一种包括支持自由块的压电晶体。还可以使用电容加速度计。
[0062]使用加速度计(或其它惯性传感器)的原始输出测量到的移位可能不准确。具体而言，移位的测量可能受静态尺度误差的影响。因此，在一个优选方法中，对照外部参考标准直接校准此测量到的移位。这是因为其用于机器的位置测量系统的静态误差的后续校正。加速度计数据可以在更准确的外部CMM上校准，例如，在外部CMM上使用在第6868356(奈(Nai)等人)号美国专利中描述的方法。或者，加速度计数据可以由史瓦维科A.史匹瓦克(Swavik A.Spiewak)如以下文献所描述进行校准:“用于平面运动的多功能惯性移位传感器(Versatile Inertial Displacement Sensor for Planar Mot1n)，，，关于MEMS、NAN0和智能系统的2005年国际会议的会议记录(ICMENS’05)，第463至466页。
[0063]然而，作为惯性传感器的此直接校准的替代方案，稍后描述如何可以间接获得相同效果。
[0064]图4至7说明用于校准图1或图2中的机器的静态误差的方法，其中惯性传感器布置25、125安装在可移动平台32(图1)或可移动套管轴118(图2)上。如上文和下文所论述，惯性传感器布置的此安装位置假定机器的结构相对于所需测量准确度足够刚性(硬性)。当传感器150与个别轴X、Y、Z相关联时该方法可以按需要容易地进行修改。
[0065]根据本发明的优选校准方法要求机器是有执行力的，使得惯性传感器布置25、125完成使其在某一距离d上移位的运动。随后此移位d通过待校准的位置测量系统和惯性传感器布置两者来测量，并且比较结果。
[0066]如在图4中的步骤50中示出以及在图5中图解示出，控制器/计算机8、108经编程以使平台32或套管轴118描述在X-Y平面中围绕位置X1、Yj、Zk居中的的小圆52。这有效地为在X方向和Y方向两者上的振荡，其中振幅(在此实例中，移位的量值d)对应于圆的直径。当然，替代地可以使用单独地在每一方向上的简单振荡，例如，使用与个别轴X、Y、Z相关联的传感器150。尽管不是优选的，但是也可以设想通过在移位的每个末端处开始和停止而执行在对应距离d上的简单线性移位。
[0067]下文将考虑由一个方向(例如，X)上的振荡引起的移位。类似地处理在Y方向上的振荡。此外，为了积累三维误差映射，通过致使平台32或套管轴118描述在X-Z和Y-Z平面中的类似圆，即在位置XnYpZk处得出且随后(例如，在下文论述的平均化步骤68期间)可以组合的用于每个方向X、Y、Z的两组振荡数据而重复振荡。
[0068]在步骤54中，移位(振荡的幅度)量d的值通过位置测量系统的对应变换器(例如，图2中的编码器(例如128))测量到，或者从致动器36(图1)中的编码器计算出。
[0069]移位(振荡的幅度)量d的值还同时在步骤56和58中通过惯性传感器系统测量到。在步骤56中，从加速度计40确定平台32或套管轴118的加速度(三个平移加速度Ax、Ay、Az)。随后在步骤58中双重积分加速度以得到移位的量d。步骤58还可以包含加速度信号的进一步处理(例如，高通滤波)以清除偏移。
[0070]随后在步骤70中比较通过编码器(位置测量系统)和惯性传感器测量的移位d。这会产生差值，该差值如下文所论述表示在X方向上的移位d的距离内，由位置测量系统在位置H、Zk处的测量的静态误差。暂时存储此差值。
[0071]尽管一个循环可能足够，但是优选地将步骤50中的振荡(例如，圆形运动52)重复多个循环。这使由编码器(步骤54)和惯性传感器(步骤56、58)对移位d的测量能够重复多次，例如，重复10次。对于每次重复，比较d的测量值并且暂时存储差值(步骤70)。在重复合适数目之后，将差值平均化(步骤68)以提高准确度。
[0072]作为一个替代方案，可以单独地将通过编码器的移位d的多个测量值(步骤54)平均化。同样地，单独地将使用惯性传感器系统(步骤56和58)的多个移位测量值d平均化。随后比较这两个平均值以产生平均差值。
[0073]在步骤72中，从经平均的差值中计算出位置XnYpZk的误差比例因数。控制器/计算机8、108将误差比例因数存储于表中。此比例因数表示在位置X1、乃、Zk处移位d每单位距尚的误差。例如，如果d是1mm并且差值(d的误差)是10pm，则比例因数是(10ym/10mm) = 1μm/mm ο
[0074]如上所述，针对X-Z平面和Y-Z平面中的圆形运动或针对Y方向和Z方向上的振荡重复图4和5中示出的程序。这提供位置X1、Yj、Zk处在方向X、Y、Z中的每一个方向上的误差比例因数。
[0075]接下来在机器的整个三维工作容积中在多个其它位置X1、Yj、Zk处重复以上程序。例如，如图6示出，这些位置XnYpZk可以位于规则的三维网格图案中。网格间隔不一定与移位d的大小(圆52的直径或振荡的幅度)相同。例如，移位d可以是1mm并且位置X1、Yj、Zk的网格间隔可以是25mm。控制器/计算机目前已经具有网格中的每个位置XnYpZk在X、Y和Z方向上的误差比例因数的存储表。
[0076]移位d以及位置XnYpZk的间隔的大小是可以由技术人员选择的折衷。例如，如果移位d的大小较小(例如，Imm)而网格间隔对应地较小，则所得误差信息的密度更大。这意味着如果误差在机器的工作容积内的位置之间显著改变，则可以获得更准确结果。然而，需要更多时间来产生数据。如果预期误差改变得较不显著，则因此移位d的大小和位置Xn YpZk的间隔的此减少可以不是优选的。
[0077]如上文所提及，惯性传感器布置25、125在可移动平台32或套管轴118上的安装位置假定机器的结构相对于所需测量准确度足够刚性。具体来说，安装位置优选地进行选择(相对于所需测量准确度)，使得惯性传感器布置可以被认为刚性地耦合到位置测量系统的变换器(编码器)变换运动所处的点，并且使得惯性传感器相对不受动态误差的影响。也就是说，使得与待校正的位置测量系统的静态误差相比，任何动态误差较小。惯性传感器因此受到与位置测量系统变换器相同的移位影响。实际上，在相对小移位d上，惯性传感器与机器的位置测量系统的编码器相比能够提供静态位置的更准确测量。在图4的步骤70和68中产生的差值因此是机器的位置测量系统的静态误差的测量。惯性传感器因此可以用于校准位置测量系统的静态误差。
[0078]在考虑惯性传感器与变换器之间的机械耦合是否足够刚性时，应相对于机器结构的自然模式和振动频率、机器组件在校准期间移动的速度以及校准的准确度要求来考虑机器结构的刚度。甚至在具有相对较低刚度的结构(例如，图2的串联动态系统)的情况下，如果系统的校准以低速度和低加速度发生(对应于相对于结构的自然振动频率的低频率)，则该结构可以被认为足够硬性。随后，在校准期间在套管轴118处经历的动态误差可以小于待校正的静态误差。优选地，这些动态误差小到在与静态误差相比时可忽略。惯性传感器因此可以在125处一起安装在套管轴上，而不是单独地在150处与相应X、Y和Z轴变换器128结合。
[0079]应了解，所需刚度程度是例如图1中看到的并联动态机器的自然特性。在如图2中的串联动态机器的情况下，所需刚度程度取决于机器的构造。一些CMM可能不够刚性，但是具有更大、更刚性组件的串联连接机器(例如，机械工具)可能足够刚性。
[0080]在机器的刚性不足够的情况下，本发明仍可以通过安装在位置150处的惯性传感器来使用，其中这些惯性传感器以足够刚度耦合到变换器150变换Y轴运动所处的点。
[0081]接下来需要产生误差映射，该误差映射提供由位置测量系统在任何给定位置XhYj、Zk处相对于任意起点O进行的测量的静态误差。如图6中所看到，当机器从起点O移动到网格中的任何给定位置时，这涉及在三个维度上移动穿过多个中间位置XnYpZk。移动穿过这些中间位置中的每一个涉及取决于网格的间隔在方向X、Y、Z中的每一个方向上的对应中间移位。在每个中间位置处，可以计算出在该中间移位上发生的局部Χ、Υ、Ζ静态误差。这通过将在方向Χ、γ和Z上的中间移位乘以对应Χ、Υ和Z比例误差因数来完成，控制器/计算机先前已在步骤72中针对对应中间位置X1、Yj、Zk存储该比例误差因数。
[0082]因此，为了构建误差映射，控制器/计算机8、108执行图7中所示的例程。三个嵌套循环74、98;76、96;以及78、94逐步穿过机器的工作容积的网格中的每个点乂^￥」、21{(8卩，从Xo、Yq、Zq到Χη、Υη、Ζη)。(这假定网格是规则(η χ η χ η)立方体;嵌套循环可以容易地被延展用于不规则长方体网格。)
[0083]对于机器的工作容积内的每一位置XnY^Zk,计算机计算三维累积静态误差值。这是通过将在起点O与当前位置Xh YpZk之间的所有中间位置处的移位的所有中间静态误差值相加到一起来实现的。
[0084]步骤80通过将网格间隔乘以对应的所存储Χ、Υ和Z比例因数来计算在Χ、Υ和Z方向上在X1、Yj、Zk处的局部误差。在步骤82中，通过将局部X误差值与在X方向(X1-^YhZk)上的前述位置的累积静态误差值相加而将该局部X误差值积分成累积静态误差值。结果在步骤84中存储为位置X1、Yj、Zk的新的累积误差值。此过程在步骤86、88以及在步骤90、92中重复，以分别从Y和Z方向上的前述位置XhYj-^Zk和X1、Yj、Zk-1产生X1、Yj、Zk处的Y和Z校正值。该过程在环路中重复以获得网格中的所有位置以及所有其它中间位置HZk(参见于图6)的X、Y和Z校正值。
[0085]这提供误差映射，包括由位置测量系统(编码器)在机器的工作容积中的任何位置XnYpZk处进行的测量的静态误差的Χ、Υ、Ζ校正值。校正值可以存储于查询表中。在正常使用机器以测量工件的期间，这些校正适用于进行的测量。
[0086]如上文所描述，使用惯性传感器测量的移位在必要时可以对照外部参考标准针对静态误差直接进行校准。然而，作为此直接校准的更简单替代方案，可以替代地使用以下间接方法。
[0087]通过机器的位置测量系统进行的移位测量的静态误差通常将在机器的工作容积内的位置之间不同。然而，可以假定使用惯性传感器进行的移位测量的任何静态误差是可复验的并且不会在位置之间不同。因此，如果未校正，则惯性传感器测量的静态误差可以仅作为X、Y和Z的固定乘数出现。这些乘数会影响在步骤70和68(图4)中产生的差值;在步骤72中计算出的误差比例因数;以及在图7中产生的误差映射中的校正值。
[0088]为了校正惯性传感器测量的这些静态误差，例如量块或环规或参考球体等的经校准参考标准放置于机器的工作台12、112上。使用探针16、116在每一个维度Χ、Υ、Ζ上测量该经校准参考标准。这适当地在已在图7中产生误差映射之后完成。参考标准的Χ、Υ、Ζ测量使用误差映射校正，并且随后与参考标准的已知经校准Χ、Υ、Ζ维度比较。这提供合适的Χ、Υ、Ζ乘数。误差映射中的所有校正值通过对应乘数校正，或者在由误差映射校正之后乘数应用于所有后续测量。
[0089]替代地，可以通过合适的乘数在步骤68、70中校正差值或在步骤72中校正误差比例因数。
[0090]作为校正值的误差映射的替代方案，计算机可以替代地构建一组误差函数，用于每当在位置XhYpZk处进行工件的测量时获得校正值。误差函数可以存储为(例如)傅里叶系数。
[0091]在测量工件的机器的正常使用期间，不需要惯性传感器布置。该惯性传感器布置因此可以容纳于模块中，该模块在校准之后从机器拆除并且还可以在校准其它机器时使用。
[0092]上文已相对于机动化机器描述本发明的实施例，该机动化机器的移动可以由计算机或控制器编程和控制。图8示出适用于手动操作机器的替代实施例。举例来说，示出类似于图1的并联动态机器210的一部分，其具有平台232和可延展且可伸缩的支柱234。然而，此手动机器不具有电动机，致动器36仅由变换器(未示出)替代，以测量每个相应支柱的延展。在正常使用时，测量探针或其它工具(未示出)被装配到平台232。可以使用其它手动机器，例如，如图2中的串联机器或具有串联连接的旋转接头的坐标测量关节臂。
[0093]在使用之前，通过与上文相同的方式执行校准，例如，其中探针或工具被拆除。杆200暂时将平台232连接到机动化工件台204的可移动部分202。部分202在连接到工件台204的计算机208的控制下在Χ、Υ和Z方向上可移动。工件台204随后可以在计算机208的控制下在Χ、Υ和Z方向上拖曳平台232。
[0094]惯性传感器布置206设置于工件台的可移动部分202上(或者该惯性传感器布置可以被临时装配到平台232)。这类似于图1和2中的惯性传感器布置25、125。计算机208经编程以执行上述校准，从而将使用惯性传感器布置208的输出进行的移位测量与使用手动机器210的变换器进行的测量相比较。产生误差映射或误差函数以通过与上述类似的方式校正机器的静态误差。
【主权项】
1.一种校准运动系统中的静态误差的方法，所述系统包括: 相对固定部件和相对可移动部件；以及 位置测量系统，用于确定所述可移动部件相对于所述固定部件的位置，所述确定易受静态误差影响； 所述方法包括: 提供一个或多个惯性传感器，所述惯性传感器被布置成与所述可移动部件一起移动且测量所述可移动部件的移位； 促使所述可移动部件相对于所述固定部件的移位； 使用一个或多个所述惯性传感器确定关于所述移位的值； 使用所述位置测量系统确定关于所述移位的值；以及 对使用所述位置测量系统所确定的关于所述移位的值与使用一个或多个所述惯性传感器所确定的关于所述移位的值进行比较； 其中: 所述比较产生的差值用于所述位置测量系统的一个或多个静态误差的后续校正。2.根据权利要求1所述的校准静态误差的方法，其中，与所述位置测量系统相比，使用一个或多个所述惯性传感器所确定的关于所述移位的值受静态误差影响更小。3.根据权利要求1或权利要求2所述的校准静态误差的方法，其中，对照所述运动系统外部的参考标准来对使用一个或多个所述惯性传感器所确定的关于所述移位的值进行校准。4.根据权利要求1或权利要求2所述的校准静态误差的方法，其包含:通过所述运动系统上的参考标准的测量，来校正使用一个或多个所述惯性传感器所确定的关于所述移位的值的静态误差。5.根据前述权利要求中任一项所述的校准静态误差的方法，其中，与所述位置测量系统的静态误差相比，所述惯性传感器的测量中的任何动态误差都更小。6.根据权利要求5所述的校准静态误差的方法，其中，所述惯性传感器安装在所述运动系统的一部分处，所述运动系统的一部分以机械方式耦合到所述位置测量系统的变换器变换其运动处的点;所述机械耦合足够刚性以确保使用所述惯性传感器进行的测量的任何动态误差，与所述位置测量系统的所述静态误差相比，都较小。7.根据权利要求6所述的校准静态误差的方法，其中，所述可移动部件在所述校准期间的移位是在某一频率下的振荡，其中在所述某一频率下所述系统的机械频率响应确保所述机械耦合足够刚性。8.根据前述权利要求中任一权利要求所述的校准静态误差的方法，其中，所述一个或多个惯性传感器包含一个或多个加速度计。9.根据权利要求8所述的校准静态误差的方法，其中，由所述一个或多个加速度计确定的移位的量通过双重积分加速度计输出来获得。10.根据前述权利要求中任一权利要求所述的校准静态误差的方法，其中，所述可移动部件在相对较大范围内可移动;并且，确定与关于所述可移动部件的移位的值的步骤，在相对较小范围内进行。11.根据权利要求10所述的校准静态误差的方法，其中，通过所述可移动部件的振荡产生在所述较小范围内的移位。12.根据权利要求11所述的校准静态误差的方法，其中，在所述振荡期间重复与关于所述可移动部件的移位的值的所述确定，并且从所重复的所述确定来平均化所述差值。13.根据权利要求7、权利要求11或权利要求12所述的校准静态误差的方法，其中，通过所述可移动部件的圆形运动产生所述振荡。14.根据前述权利要求中任一权利要求所述的校准静态误差的方法，其中，对在所述固定部件和所述可移动部件的多个相对位置处引起的移位产生相应的差值，并且所述差值用于形成所述运动系统的所述静态误差的误差映射或误差函数。15.根据权利要求10至13中任一权利要求所述的校准静态误差的方法，其中，在所述固定部件和所述可移动部件的多个不同相对位置处重复使所述可移动部件在较小范围内移位的步骤以及确定关于其移位的所述值的步骤，以产生关于每个位置的相应的差值。16.根据权利要求15所述的校准静态误差的方法，其中，通过对在相对较大范围内的位置上的多个所述差值进行积分来计算在所述可移动部件的相对较大移动范围内的使用所述位置测量系统作出的位置测量的累积误差。17.根据权利要求16所述的校准静态误差的方法，其中，获得误差映射或误差函数，从而提供所述可移动部件的多个位置中的每一个位置的相应的累积误差。18.—种使用运动系统的方法，所述系统包括:相对固定部件，相对可移动部件以及用于确定所述可移动部件相对于所述固定部件的位置的位置测量系统，所述确定受静态误差影响； 所述方法包括: 使用所述位置测量系统确定所述可移动部件相对于所述固定部件的位置；以及 通过应用校正来校正所确定的所述可移动部件的位置的静态误差，所述校正是根据如权利要求1至17中任一权利要求所述的校准静态误差的方法所获得的误差值或差映射或误差函数而推出的。19.一种运动系统，其包括:相对固定部件，相对可移动部件以及用于确定所述可移动部件相对于所述固定部件的位置的位置测量系统，所述确定受静态误差影响； 其中所述系统进一步包括经配置以执行根据权利要求1至17中任一权利要求所述的校准静态误差的方法的控制器或计算机。20.—种运动系统，其包括:相对固定部件；相对可移动部件；以及用于确定所述可移动部件相对于所述固定部件的位置的位置测量系统，所述确定受静态误差影响； 其中所述系统进一步包括控制器或计算机，在所述控制器或计算机中存储通过根据权利要求I至17中任一权利要求所述的校准静态误差的方法获得的差值或误差映射或误差函数，和/或所述控制器或计算机经配置以执行根据权利要求18所述的使用方法。21.根据权利要求19或权利要求20所述的运动系统，其中，所述惯性传感器可从所述可移动部件中拆除。22.根据权利要求19至21中任一权利要求所述的运动系统，其中，所述可移动部件通过并联动态结构连接到所述固定部件。23.根据权利要求19至22中任一权利要求所述的运动系统，其包含用于测量工件的探针，所述探针安装到所述可移动部件。
【文档编号】G01B21/04GK105960571SQ201480074783
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2014年12月5日
【发明人】凯文·巴里·乔纳斯
【申请人】瑞尼斯豪公司