提高自动化精度的外部系统的制作方法

专利名称：提高自动化精度的外部系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及提高精度的自动化系统和设备，以及提高精度的方法。 发明背景
在自动控制装置和数字控制(NC)运动系统的领域内，大量的精力和研究 用于追求对运动装置和运行系统的建模和特征描述的精确度的提高。特别是工业自动控制 装置，制造商和次级市场公司主要集中在对自动控制装置的“再现”条件进行建模。通常， 在全面对自动控制装置工作范围的各种姿势下的一次性容积标定结果的基础上进行调整 自动控制装置运动学模型参数；通常，一个如激光跟踪器的外置测量设备用于测量和比较 自动控制装置在定点位置的实际姿势(或只是位置)。更进一步，上述自动控制装置容积标 定包括在生产车间内定期的进行类似的操作，但不在生产过程中进行。这种离线标定方法 只提供了自动控制装置在特定时间的快照，不能对由于不可避免发生的磨损或可能的热变 形导致精确度降低的系统进行标定。
本发明涉及各种现有技术的激光跟踪系统的方法，它可以对任何一个目 标的3至6个自由度(DOF)的定位，标正自动装置可在工件上执行对准操作。这些现有技 术系统和方法，如克雷梅尔斯等人的美国专利号4412121，桥本等人的4707129，刘等人的 4714339，哈费等人的4792228，支那等人的5042709，伦德伯格基等人的5100229，斯内尔等 人的59072 和梅纳德等人的6400452。例如，刘等人的美国专利号4714339，提出通过一 个5个自由度跟踪系统简化得到一个三维跟踪系统。
还有其他提高精度的方法涉及自动控制装置运动学模型参数的在线更 新，通常要么通过定期对自动控制装置末端受动器(在不同的姿势下)固定安装通常不存 在自动控制装置的实际“工作空间”的传感器，要么通过“加强”编码器来读取自动控制装 置接合点(或联合体)。至少有一种方法涉及在自动控制装置的“工作空间”中测量自动控 制装置末端受动器位置，但不会在自动控制装置实际工作周期内完成。所有上述方法，是否 打算是” 一次性”或定期更新，最终只有通过预测，视为”被动”真正知道末端受动器的趋向 姿势。
自动控制装置末端受动器(实时)有效测量通过外置测量设备进行长期 的调查，同时，许多商业应用目前正在实施或已经实施。但单线观测仪(LOS)，激光跟踪仪和 激光雷达器具备必要的精度用以指导/纠正自动控制装置的各种制造工艺。激光跟踪仪， 他们需要时间来“寻找”立体角度的目标。激光雷达器，通常是半球形扫描目标。每个类 型的系统由于昂贵得买不起导致广泛应用于实时有效纠正自动控制装置的应用发展缓慢。 6-D0F采用传统的立体角度反射有赖于要么多个激光跟踪仪，要么，更常见的是，测量多个立体角度的目标在机械手臂末端工具(EOAT)。许多专门设计的目标已经发现，也就所说的 5-D0F或6-D0F，通过采用激光跟踪仪的单线观测器(采用干涉测量法和/或飞行时间技 术)。这样一个立体角度测量设备具有顶上开的孔比激光光束直径还小，允许一部分激光被 后面的光敏检测器折射，从而提供目标的五自由度(X，1，Z，倾斜，偏离角)，如马肯多夫等 人的美国专利号6667798。例如，祖布如等人的美国出版物号20060222314，增加了 5-D0F 目标的发射照片的图案；当通过外置在激光跟踪仪上的摄像机来测量，目标转动可以确定。 通过激光跟踪仪背上的起作用的探测器具有多个LED的摄像机用来捕着。在这种情况下， 激光跟踪系统不会因立体角度浪费时间，因为它可以用先前的探测器位置的信息来使摄像 机的LED的测量。这种解决方案有一定的限制。由于观看摄像机的LED的顶点之间的角度 相当小，在LED横向位置存在一些误差致使在6-D0F解决方案中的角度测量误差。类似的 角度误差由光敏器件和立体角度之间的细小的距离产生；一些误差存在于计算光敏表面的 激光光斑位置的结果中，在目前的大角度测量误差由于需要保持目标规格足够小来组装在 自动控制装置的末端受动器上。此外，此灰度选项相当昂贵，而且探头太大，定向仅限于安 装在大部分自动控制装置的末端受动器上，尤其是在这个过程需要一个完整的自动控制装 置运动范围的姿势。刘等人的美国出版号20030043362描述了一个通过激光跟踪仪可提 供6个自由度的目标来有效的进行目标探测，其中偏振光结合使用的是目标的推断空间。 这个目标的优势是旋转以保持其垂直入射的跟踪激光束孔径。尽管如此，这一目标还是受 到偏离角、倾斜角和空间探测的限制；缺乏对高精度自动控制装置应用校正所需的准确性； 多个末端器设计组合仍然过大；同时价格昂贵。这里所述的探测器一般太大用于定位接近 自动控制装置的中心点工具(TCP)，当确定TCP姿势时将导致“杠杆臂”影响。此外，再加上 一个事实，它们需要激光跟踪仪或摄像机增强激光跟踪器来组合，这样的系统价格昂贵，特 别是与一个标准的自动控制装置的机械臂的基准价格相比。
最近室内光学全球定位系统的进展已经对许多制造业提供解决方案，可 以提供一个通用的自动控制装置的姿态，但是现在，这个系统还没有在对那些需要高精度 的自动控制装置导航应用中论证。该系统有大视野接收器用于捕着激光发射器输出，但仍 是L0S。在高精度自动控制装置的导航方面，室内GPS的成本效益仅仅只能实现大视野接收 器用于大规模的生产车间。
摄影测量被采用于自动控制装置有效校正时有不同程度的成功。大多数 用于末端效应的“有效”目标，如LED，以及不依赖于传统技术的使用外部照明的反光贴纸。 这些摄影测量解决方案，一般分为两类。第一类是关于“单传感器结构”的解决方案，其中多 个光敏器件在单一的结构内分配(通常有三种不同的视线从结构内所产生的)。第二类涉 及提供在重要空间内使用多个静态定位摄像机的角度重叠技术。摄影解决方案具有的巨大 优势就是非常高的刷新率(例如，三个目标的测量通常可以在不到一毫秒，并提供六-DOF 目标)。这个速度允许对多个协调组件进行不间断的动态跟踪，甚至可以接受大多数生产 环境中的振动。考虑到这些特点，人们会认为这个逻辑解决方案能够对高精度自动控制装 置进行最有效的校正。然而，这里有几个细微之处需要解释。首先，在对重要空间内“单传 感器结构”摄影解决方案仅限于一个楔子，通常仅适用于距离设备6米内(距你越近的传感 器，横向视野变得越小)。由于放置在通用的自动控制装置末端受动器上的LED目标之间需 要适当的空间非常小，通常导致被系统认为在LED之间缺少顶点角。为了把所有的光敏器件和光学器件放在一个单传感器结构内，彼此之间的视线顶点角就会受到影响。因此，虽然 这类传感器通常具有相当准确的横向方向，距离测定的最弱点是6-D0F组件。缺少的顶点 角可以通过在就近的90度方向上增加另一摄影头来校正第一摄影头，但是两个楔形空间 之间的重叠造成的结果是使大多数的应用变得很小。考虑到一个单头摄影测量系统的成本 通常高于激光跟踪仪，每次空间测量成本成为一个巨大的影响因素。这第二种方法可有效 地摄影测量目标，一般采用重叠视野多角度传感器，使各摄像机的顶点角显著提高。在操作 过程中，传感器是静态定位，摄像机必须是在整个空间内校正。此外，虽然，各摄像机的体积 之间的重叠是有限的。而且，尽管这些摄影测量系统类型的传感器比“单传感器结构”的品 种更便宜，但相比于自动控制装置的成本，它们仍然相当地昂贵，因此增加了额外的LOS功 能通过增加更多的传感器是难得的一种可行的选择。

还有一种可用于确定自动控制装置EOAT姿态的装置包括经纬仪和全站 仪。现在的全站仪具有自动化模式，使得电子经纬仪可通过计算机远程为目的/驱动控制。 这些设备同样包括采用反射式测距目标(允许视力测量达到几公里)或完全无目标(浅色 表面可以在几百米的距离测量)的距离修正飞行时间装置。测距精度一般在2-3毫米。系 统的精度可达到定位精度(方位角，仰角)为从5-8角/秒级一直到0.5角/秒级的高精 度系统。
作为一个独立的万向坐标系，这种系统不能提供精度比通过自动控制装置采用已 有的高精度建模的更高精度。即使没有距离修正功能，也支持在自动控制装置的EOAT上找 到3+反射器角度位置以及通过传统的摄影技术6-D0F的解决方案，再次获得缺少顶点角的 解决方案。多个万向坐标系为摄影EOAT的6-D0F姿态的测定带来更多的最佳角度，同时这 里所描述本发明的目的是通过采用更便宜地可做任何范围检测的硬件设备。
“被动地”自动控制装置纠正的固有局限是，随着性能的缺陷和现有的“有 效地”自动控制装置校正系统的成本问题，都成为在发展应用中需要考虑的因素，外部有效 自动控制装置校正系统。其他技术包括激光，声学，或电线组成的多个长度测量；和多个相 机系统。立体三角测量是不可取的，因为它需要最低的两个跟踪系统和一个静态测量技术。 同样，通过摄像机的成像是不可取的，因为该系统的分辨率通常过于太低以致于无法充分 满足自动控制装置的工作范围，除了不切实际的稳定性外，还需要生成/维持这种光学系 统的内部校准精度。
因此，一个改良的高精度外置自动控制装置的校正系统和方法是长期需要。发明内容
一种自动提高精度的系统(所述的系统)，包括若干个可以多轴运动的 自动化设备。其中每个自动化设备包括一个手臂，该手臂上设有一个机械手臂末端工具 (EOAT)，该工具至少能在一个轴上对工件完成至少一个操作。若干个多轴设备向所述的自 动化设备发出激光束。若干个可移动的目标元件均与每个自动化设备的EOAT相连。每个 目标元件是预先在EOAT的坐标系中认证的，由于每个目标元件被多轴设备照亮，因此使自 动化设备在工件上实现一个操作之前可以朝向与工件对应的EOAT。每个目标元件包括一个 底座，如一块板，由至少一种金属材料和非金属材料制成，并在其中形成多个开口。该底座设有多个可移动的巢元件，它可以与板上设置的，与其对应的开口相连接。所述的底座还包 括一个固定在板上的光敏阵列。所有的目标元件都装在一个框架中，该框架有一个百叶窗 设备。一个控制器与目标元件、若干个多轴设备和若干个自动化设备可操作地连通，从而手 动至少一个多轴设备使至少一个目标元件运动。
所述的系统主动地确定自动化设备的6-D0F动作。该系统一方面包括使 用多轴设备来将激光束(激光对瞄设备，在此也指发射台)发到装有EOAT的目标(活动目 标)上，主动地确定至少一个动作设备中不同工作位置时的EOAT动作，而不使用任何范围 发现硬件。所述的发射台小而贵，其自身是模块化的，因此不需要工作元件就能分开，保证 有多个L0S。在本申请中，所述的发射台工程量和位置是向前设置的，但是这不并能限制本 发明的保护范围，而是可以选择性地进行工作元件的CAD设计，模拟至少一个运动设备的 路径。该发射台可以在至少一个运动设备上操作，因此在使用多运动设备时，减少了工作元 件系统中每个运动设备的费用。多个LOS确保了更发的顶角，从而可以更精确地确定EOAT 的动作，而与许多摄影测量设备不多。所述的活动目标包括至少一个昂贵的摄影设备，非限 制性地诸如CMOS或CXD阵列和/或线性阵列。这些设备有一个活动表面区，因此与激光跟 踪仪不同，通常不需要“搜索”活动目标。一旦所述的工作元件中的系统完成了最初的论证， 错误的信标或活动目标可以被换出，而不会丢失认证信息。
本发明的优点之一是所提供的系统能够不需要购置昂贵的模拟/校正数 据包，这些数据包通常都是与工业自动机一起出售的。
本发明的优点之二是所提供的系统价格低廉，其每个自动化底座的费用 明显低于现有技术中的系统。
本发明的优点之三是所提供的系统可以用作一种流程监控工具，虽然运 动设备的EOAT动作在每个工作位置上是被真实地测量的，而不是像现有的许多“被动”自 动提高精度的数据包那样进行简单地估计/预计。这种系统可以存储流程中的动作数据， 以便进行后续的分析。
本发明的优点之四是所提供的系统能显著减小或消除对动作平台进行原 处校准或鉴定的需要，从而不需要对动作设备进行“模型化”或“特征化”。虽然这是一种动 作测量系统，该系统可以产生更低廉的动作平台，能够实现更严格的公差构成。一个例子是 用更便宜的工业自动机取代昂贵的NC机。
由于本发明的系统能实时监控EOAT的动作，因此当EOAT工作时(如钻 孔)，会产生一个追踪/纠正EOAT动作的值。由于可以测量EOAT的实际动作，因此当校正 运动设备的动作时，可以克服反弹，因为只有完成一个“可接受”的动作时，运动设备才开始工作。
本发明的优点之五是所提供的系统是采用一个“黑盒”的方法来自动化 地提高精度，有效地测量所有影响自动机动作错误的因素，而不是绝对地测量或模制任意 单一影响因素。例如，温度的影响，系统自动核算环境和内部对运动设备的影响(如伺服温 度)。系统也能核算出偏离(认为在自动机中额外安装滑动结构时，需要额外建模)。即使 非几何效果通常不包括在一个自动机中的运动学模型中，包括诸如联合的灵活性，链接的 灵活性和齿轮传动误差，本发明的系统也能主动核算出。利用这种系统也可以追踪超过数 千工作周期内的自动机或末端执行磨损。6
本发明的优点之六是所提供的系统是能通过将活动目标定位在工件上而 形成相互连接或者更新坐标系，使工件元件固定在一个可移动的设备上，如一个三角架上 或者固定在托盘系统中。这就可以产生多种功能，如使世界产生一部分改变，温度漂移来校 正一个工作元件，原始校准发射台对世界的动作，随后再次校准发射台对世界的动作，或在 一个固定的工作元件和一个托盘自动化系统之间建立联系，使它发生移动，或者甚至是自 动导引车(AGV)系统的监控。


图1是操控一光束的多轴设备的主视图。
图2是图1所示的多轴设备的侧视图3是本发明所述的活动目标设备的分解示意图4是密封在一个框架中的活动目标图5是一个自动化设备中的机械手臂末端工具的结构示意图，其中的自 动化设备连接有若干个活动目标；
图6是本发明所述的自动提高精度的外部系统的环境视图7在一个典型的制造环境中，自动提高精度的外部系统中各工作构件 的示意图8是本发明所述的用于校准活动目标的设备的结构示意图9是图8所示的，用于校准活动目标的设备的局部侧视图10是一个校准过程的示意图11是证明那些位于自动化设备中机械手臂末端工具上的活动目标的 方法流程图12是证明那些位于制造设施的工作元件中的活动目标的方法流程图13-15和图17-19是本发明所述的外部自动提高精度的方法流程图16是自动化设备中机械手臂末端工具的另一个结构示意图，其中的自 动化设备上设有若干个与之相连，且被激光束激活的活动目标。
下面将结合附图，详细说明本发明的具体实施例，从而进一步说明本发明 的优点，使之更容易理解。
具体实施方式
附图中的数字代表相似或相应的部件，本发明的提高自动化和设备中精 度的系统和方法通常如图6中10所示。该系统10包括若干个多轴设备，它们通常如图1 和2中12所示。这些多轴设备12，即发射台，能操控一个光束14，如一激光、LED或不限制 本发明保护范围的非连贯源。多轴设备通常是一种如图1所示的万向节，图1是多轴设备 12的主视图，图2是多轴设备12的侧视图。本领域的普通技术人员使用的其它可以产生 和操控光束的设备也属于本发明的保护范围。发射台12显示了一定的机械对瞄方案(将 光束物理地对瞄于一个指挥点的能力)和机械对瞄测定(通过对个方位和用校准编码器为 俯仰角测定激光束14矢量的能力)。发射台12可以操控设置在框架20中的一个激光源 (固态二极管、光纤耦合或其他)，产生一个准直或半准直输出光束14。它也很可能是以一种非传统光束输出的激光，如线性或十字线。如果框架20确定的激光出口孔22与方位轴 沈、主轴M不完全匹配，那么发射台12将需要模拟/校准，以确定(x，y，z)的激光出口孔 在任何特定对瞄方向上的位置。发射台12可与发射台12的一个安装底座观相连，因此可 以很容易地并入到一个制造环境中。服务，如电力、通讯电缆线或航空线30，从工作元件控 制器中发出，到达每个发射台12中。在这个例子中，图2所示的是激光出口孔22几乎与万 向节的旋转中心重合(安装在框架的中心)。
在此，该系统10优选有控制若干个发射台12的软件。此外，发射台制造 商可以保留入口和对发射台进行内部校准/建模的控制。但是，本发明所述的软件必须能 够对瞄发射台12 (可以实时反馈)，打开/关闭激光，并在其自身的坐标系中接收该激光束 14(i、j、k)的矢量(或仰角、方位角)，也可以再次在发射台12的坐标系(见上文)中的激 光出口孔22的(X，y，ζ)。优选的测量系统10将采用新的目标元件，即通常如图3和4中 16所示的活动目标。
如图3所示，目标元件16包括了由一块板44形成的一底座16，其上设有 三个或三个以上的连接点或孔40。底座也可以设置成其它结构，而不仅限于板。该板块44 可以由金属或其它可加工的材料制成，优选的材料是低CTE材料。连接点40接受那些由校 准目标孔38支撑的校准目标36。在该实例中，连接点40是榫钉孔，目标孔38是榫钉，磁 杯，即通常用于支持经纬仪目标领域，球式安装的被动摄影目标，球式安装的主动摄影目标 或球式安装的反射镜(SMRs)等使用激光跟踪仪的。安装在板44上的是一个光敏阵列34， 它可以是一个CMOS阵列、CCD阵列或行扫描传感器等。阵列的服务42可以包括电力和通 讯电缆。
图4图示了封闭或封装在一个保护框架46中的目标元件16。框架46可 设有气动或电动的百叶窗48。服务50将运行百叶窗48，选择性地使用一个额外的航空线 来定期地去除目标元件16上的灰尘或者产生冰球外壳式空气压力，形成一个防尘屏障。由 于目标元件16可以安装到运动设备，即一种自动化设备中，或安装到工作元件之中，因此 它们可能会包括有利于通用化/标准化安装的榫钉或其他结构。
图5图示了目标元素，通常表示为16，它在自动化设备中一个机械手臂末 端工具，即EOAT上使用，EOAT在图5中表示为53，自动化设备在图6中表示为55。正如将 在后面讨论的，优选在与E0AT53的相互正交方向上，相对于E0AT53的中心轴M安装(设 有LOQ 了至少3个目标元件16。在工作元件加工认证阶段，每一个目标元件16是确定在 工具坐标系中(Ε0ΑΤ坐标系)，相对于工具中心点，即上述中心轴M。中心轴M被确定为 工具坐标的原点。目标元件的服务将穿出自动化设备55，到达EOAT 53。
图6图示了优选的系统将如何在一个制造环境中使用。封装的目标元件 52会安装到EOAT 53中，随之额外的目标元件52会安装到地上，车站工具，或者，例如，碳 纤维或混凝土柱62。发射台12日也将分布在整个工作元件中。它们的数量和位置最优选 是根据自动化设备55的计算机模拟，因为它执行预定的进程。由于发射台12通常能够更 快地引导自动化设备阳，使之比自动化设备阳完成工作会更快，该系统10使大多数发射 台12工作元件中的其它自动化设备完成重复引导工作，从而降低整个系统的硬件成本。例 如，如果需要10秒使自动化设备55在工作元件上钻孔，这些发射台可以花费其它7秒钟来 引导工作元件中的其它自动化设备55。在这个例子中，工具TCP 54，也有一个钻头，被引导到正确的工作动作，即位置和方向，然后才允许钻工件56。如上文所暗示的，目标元件16可 以与工件56上的控制点相连。这样部分到整体的关系可确定每个进入工作元件的一部分。
图7图示了与一个典型的制造环境结合的应用系统10。一台计算机可以 控制多个发射台和EOAT目标元件，它可以将一些额外的目标元件安装到工件56上，或者分 布到工作元件的内部。该种电脑可以与一个或多个行/站的PLC(可编程逻辑控制器)和 至少一个自动化控制器通讯。每个目标元件可以有一个机载计算机芯片进行图像处理，但 是如果成本因素超过了对使用周期的需要，那么这种升级就不是必须的。它的目的是尽管 不是必须的，该软件运行系统10将是自动化设备55的一个“奴隶”，仅在自动化设备55需 要时才进行测量。
图8和9所示是创造性制造的目标元件16是如何校准的一种新方法。这 样做是为了将光敏阵列(像素空间)的坐标系统与可移动的位置联系起来，目标坐标系统 中的孔38，将校准文件中的结果储存，该结果与目标元件16的唯一 ID相联系。目标坐标系 统产生于图8和9中61所指示的校准点。额外的标准安装特征可以包括目标元件16(如 3个从板44后突起的榫钉)和定义在这点此时的“目标坐标系统”。为确保维完整性，校准 点61可以保留在一个气候控制附件(图中未显示)中。校准过程见图10。
接下来将说明图8和图9中所标示的零部件。外部测量系统，如经纬仪， 激光跟踪仪或摄影测量系统，设置了有关校准点61。适用于外部测量系统的测量目标36是 定位于榫钉的目标孔38中，然后被置于(例如)于校准点41上的榫钉孔中。校准点61在 第一时间内被认证，校准点61中每个目标位置的坐标(X，y，ζ)被记录在“目标坐标系统” 中。至少测量三个目标位置后，测量设备就可以在校准点坐标中记录了。
如上文所指，目标元件板72与滑动单元70相贴，由服务电缆42供电。操 作者(图中未显示)在目标板上的榫钉孔40中至少安装了 3个孔状目标36。操作者将一 个中止设备68设置在两个点上，这两个点与校准点61相贴。接着操作者沿围栏轻轻向前 移动滑动单元70，直至中止设备68与光敏阵列34的盖玻片接触。此时，滑动单元70锁定 到位，操作者移动中止设备68。优选的实施例是中止设备68与光敏阵列34四周的不活跃 区域接触，而这一切都是需要确定和控制表面和阵列表面之间的制造距离。阵列盖玻片的 制造厚度定为D。
校准点61在第一时间内被认证，中止设备68中阵列盖玻片的接触面被确 定为在(例如)“目标坐标系统”Z = D。如果目标坐标的’ Ζ’的轴作为一朝向活动目标的 负运行，则意味着光敏阵列表面是在ζ = 0平面的。如图8所示的轴是定位在一个可能的 目标坐标系统方向上，其中的原点位于靠近光敏阵列中心的位置处。校准点61另一方面是 激光输出孔64。这些孔64将产生聚焦于接近光敏阵列中Z = O处的激光束。在此所示的 光束，其横截面为圆形，但如果目标元件12的光敏元件会产生一个或多个线性阵列，该激 光输出很可能是一个或多个交叉线的设置。
在校准点61的原点认证中，经纬仪可以很简易地用于测量聚焦激光束位 于ζ = D(盖玻片)平面上的(X，y)位置。因此，当一计划将聚焦的激光束74发射到数组 34上，四个激光光斑中心(例如)中的每一个都已经在坐标空间中公知了。通过在像素点 中处理至少三个激光光斑的中心，因此有足够的信息来计算被称为像素空间对校准点的变 换矩阵。在此，校准点坐标和目标坐标是同样使用的。精密加工目标元件16就可以省去整个活动目标的校准程序。在这种情况下，调整定位光敏阵列相对于目标元件16支架的位 置，使之非常精确。
这种方法的后半部分明显大大增加目标元件16的生产成本。但是，每个 目标元件16假设与其它的完全相同，这样可以使用一个单一的、CAD确定的像素空间对目 标坐标变换，目标元件16的各方面都是精密制造的，除了光敏阵列的校准/定位，一是可以 不需要外部测量设备来测量孔状目标的位置。制造商除去如激光跟踪仪(_$100，000. 00) 等外部计量装置后，，购买或租用( $1000. 00/天)这种测量设备所产生的额外费用可能 比精密制造目标元件16的全部部分所产生的额外费用更多。
总之，目标元件16的实验室校准能确定光敏阵列中像素点与外部测量目 标位置之间的关系，其中外部测量目标的位置能临时性地附着在活动目标板上。目标元件 16的其它特征，如安装榫钉，也可以在校准中在目标坐标空间中确定。每个目标元件16最 有可能具有一个唯一的ID，而活动目标坐标文件将与这个特征相联系。这个过程如图10所示。
工作元件在制造地板上认证阶段的过程中，所述的校准文件可以使目标 元件16的像素点确定相对于另一个坐标系(如世界，部分或工具)。这可以在预定的坐标 系中设置一个外部测量系统，然后测量目标元件16中至少三个目标位置。一个最适合的3 个或更多的数据对(校准文件中获得的活动目标坐标，外部测量设备获取的外部坐标系坐 标)能产生活动目标对外部的坐标系矩阵。
图11总结了一种新的方法，关于所说的工具坐标系中如何将有效目标安 装在自动控制装置设备55。目标元件16在如图10中描述的校准过程中已经预先确定的 坐标系。通过外部测量系统在EOAT坐标系，适当的目标可以嵌套到钉板44，它们的位置可 以被自动控制装置EOAT记录坐标。如果这样做，至少对3个目标，有效地目标对自动控制 装置EOAT的最好关系可以通过在工具坐标计算值和存储在校准文件中的预先确定的目标 坐标计算值之间来建立。如果，在目标元件16插入(例如)到在EOAT的三个桩孔内，这三 个桩孔的相匹配工具可以通过外部测量系统进行测量与记录，然后这样就有能力来交换出 有缺陷目标元件16，用来在EOAT上替代目标16，而无需进一步证明(和外部计量系统)来 确定有效的目标与EOAT的关系。这可以通过要求(例如)在钉板44上已记录的三个桩孔 来坐标在实验室证明过程中有效目标的空间。当交换出来的目标元件16，新的有效目标与 EOAT变化可以通过最佳拟合的校桩来计算得到在EOAT上目标空间到桩孔的位置。
图12总结了一种新的方法，目标元件16是如何安装在工作单元上以及所 说的工作单元的世界坐标系中。目标元件16在如图10中描述的校准过程中已经预先确定 的坐标系。通过外部测量系统在预先世界协调坐标系，适当的目标可以嵌套到有效的目标 板的桩孔内，它们的位置可以被世界坐标记录坐标。如果这样做，至少对3个目标，有效地 目标对世界的最好关系可以通过在世界坐标计算值和存储在校准文件中的预先确定的目 标坐标计算值之间来建立。如果，在有效目标插入(例如)到在固定支架的3个桩孔内，这 3个桩孔的世界协调可以通过外部测量系统进行测量与记录，然后这样就有能力来交换出 有缺陷目标元件16，用来在固定支架上替代目标16，而无需进一步证明(和外部计量系统) 来确定有效的目标与世界的关系。这可以通过要求(例如)在钉板44上已记录的三个桩 孔来坐标在实验室证明过程中有效目标的空间。当交换出来的目标元件16，新的有效目标与世界变化可以通过最佳拟合的校桩来计算得到在固定支架上目标空间到桩孔的位置。
图13总结了一种新的方法，目标元件16是如何安装在部件的控制点上以 及所说的与工作单元的世界坐标系一样的部件坐标系中。在这里，“控制点”是指在相匹配 的部件中的精确地描述/机械制造的部件的位置；“控制点们”通常由多个至少某些部分的 生产/装配方法的部件。通过外部测量系统在预先世界坐标系，对每个控制点的部件可分 配世界坐标系中。如果这样做，至少对3个控制点，部件对世界的最好关系由每个控制点的 指定部件的坐标计算值来建立。目标元件16在如图10中描述的校准过程中已经预先确定 的坐标系。
使用外部测量系统在世界坐标系的报告，适当的目标可以嵌套到有效的 目标板的木钉，而且它们的位置被记录在世界坐标系中。由于部件对世界的变换是已知的， 这些相同点也可以分配部件的坐标。如果这样做至少3个这些目标，无论是有效目标与世 界还是有效目标与部件的最好关系可以通过在世界/部件坐标计算值和存储在校准文件 中的预先确定的目标坐标计算值之间来建立。这是不是真的有必要确定的部件与世界的改 变，以确定有效目标与部件关系。但是，在这一阶段有效的做法是测量部件与世界的改变， 以便通过在生产过程中使用脱机计算机模拟来对部件与世界关系的检查；从本质上讲，你 是在证实已建成的工作单元的部件的定位与设计意图相比较。为了能够使用一个新的有效 目标，在部件上的控制点，不必重新建立有效目标与部件的关系通过外部测量系统，一个可 以在新目标的校准实验室中在目标坐标中的有效目标板44上的木钉来确定。在这里，这个 过程已经解释了 EOAT有效目标和固定式有效目标，而不以任何方式不同。现在，有效目标 与部件的关系中的部件上的每个控制点是已知的，这些信息可以用来确定作为在世界坐标 系中的定位点，与3个LOS从发射台到部件上的有效目标不是相互平行的。
图14总结了一种新的方法，发射台12如何安装在工作单元安装的新方法 以及所说的工作单元的世界坐标系中。该发射台12控制着激光束的预期方向。目标元件 16，也许安装在一个可以移动的工作单元的三脚架上，发射台的激光束击中目标元件16的 感光阵列来定位。目标元件16在如图10中描述的校准过程中已经预先确定的坐标系。通 过采用外部测量系统在世界坐标系的报告，适当的目标可以嵌套到有效目标板44木钉，而 且它们的位置被记录在世界坐标系中。如果这样做，至少对3个目标，有效地目标对世界的 最好关系可以通过在世界坐标计算值和存储在校准文件中的预先确定的目标坐标计算值 之间来建立。计算机解决了的感光阵列上的激光光斑中心在世界坐标报告中坐标。发射台 12还报道了在发射台激光束向量坐标(x，y，z)在发射台坐标中的激光出口孔径值。
在这个过程是至少其他两个发射台重复构成。为了获得最佳结果，第二和 第三的发射台构成与第一的位置相互正交。现在，我们在发射台坐标系(3个激光出口孔径 (的X，1, ζ)的启动位置和3个向量位置)有3个完全不同的向量线必须在世界坐标系中 就有三个相叉点。有足够的信息来解决发射台与世界坐标的改变。但是，如果发射台的准 确度是有限的(天生的能力以确定它的载体或激光指向出口孔径的位置)，在发射台与世 界坐标的改变中，很可能希望得到包含超过3个位置/姿态的测量计算。一旦发射台与世 界的改变众所周知，发射台就可以直接控制在世界坐标中的任何激光束坐标点。同样，如果 部件到世界的改变也是众所周知，发射台也可以控制任何部件的协调。
图15和16总结了一种新的方法，运动装置的EOAT的6-D0F姿态的确定11通过激光束投射到至少3个EOAT安装在有效的目标。图11所示的过程是EOAT安装在有 效的目标中明确涉及到EOAT坐标系。因此，每当发射台指向目标元件16光敏阵列激光束， 激光光斑中心的工具坐标可以分配相应的值。通过发射台与世界坐标的改变，可以说激光 束在世界坐标系中是一致。因此，我们知道，对于一个特定的目标元件16，该工具的坐标值 必须沿着这条“世界线”。
当知道3个或更多的有效目标的信息时，EOAT的6-D0F姿态可以被计算， 提供至少3条“世界线”是不是相互平行。对于那些只有3的“世界线”的使用，在最理想 的情况是所有3条相互正交，并使有效目标位置尽可能向EOAT的TCP靠近，在所有的有效 目标之间保持足够的空间来以尽量对TCP所计算出来的位置减少“杠杆作用”。虽然这种情 况不可能永远完美的实现，但可以通过使用超过3视线来取得额外的准确性。这可以很好 的采用超过3个发射台/有效目标对，或者自动控制装置的平稳的情况，通过比一个有效目 标多一些的发射台的测量。
图17总结了一种新的方法，所述的工作单元的部件的6-D0F姿态的确定 通过激光束投射到至少3个部件安装在有效的目标。图13所示的过程是部件安装在有效 的目标中明确涉及到部件坐标系。因此，每当发射台指向部件安装有效目标的光敏阵列激 光束，激光光斑中心的部件坐标可以分配相应的值。通过发射台与世界坐标的改变，可以说 激光束在世界坐标系中是一致。因此，我们知道，对于一个特定的部件，该部件的坐标值必 须沿着这条“世界线”。当知道3个或更多的有效目标的信息时，部件的6-D0F姿态可以被 计算，提供至少3条“世界线”是不是相互平行。对于那些只有3的“世界线”的使用，在最 理想的情况是所有3条相互正交，并靠近该部件。虽然这种情况不可能永远完美的实现，但 可以通过使用超过3视线来取得额外的准确性。知道部件与世界坐标的改变，充许运动装 置的部件或工作位置或装置(存储在运动项目)的修正，提供当前的部件位置而不同于太 多的“名义”(设计)部件位置。
这个名义部件的位置可以用一个或多个运动装置的程序工作路径或工作 位置的最初的离线自动模拟。因此，它可以确定“安全”旋转和位移构造当前部件通过运 动路径的离线模拟。当然，确定“安全”的部件姿态同样也可以不构造离线编程模拟，其中 (目前部分)可把这些对运动装置姿态的调整的每个工作位置储存在运动程序或一个或多 个运动装置的程序中。图17中的最后一步介绍如何用同样的方法用于一个’托盘’引导自 动控制系统。
图18总结了一种工作单元内的测量系统的“漂移”解决新的方法。由于 在生产环境(发射台安装在高的钢结构上，或者航天翼钻探的过程需要16小时才能完成) 而发生的温度变化。这样，发射台与世界坐标或发射合与部件的改变可以定期更新。图18 所示的其他3种提到的情况，可以修正同一方式的温度漂移，S卩，换出有缺陷的发射台，监 测平台与世界从标(或发射台与部件)改变，通过测量至少3个固定安装的有效目标(在 工作单元内，在平台上，或在部件上)。这个过程是完全类似与图14所示，在最初的校准过 程，该有效目标均没有被暂时稳到单元的周围。
图19描述了一种精确纠正的运动装置姿态的新测量系统的方法。这是 相当简单的，不需要进一步讨论。一种运动装置，作为的一种非接触式测量传感器工具，和 新测量系统来创建一种不太贵的测量设备描述也包括在内。这是一个关于该系统的主要用途略有不同的看法，因为一个只需要界定测量传感器的工作位置，如果所提供的传感器“观 点”较固有误差的运动装置更具有调节性(即非接触式传感器仍然可以看到其预定“目标”， 因为它拥有一个足够大的“视野”来克服构成运动装置的不准确姿态)。至此，所有内容都 假定静态的运动装置的姿态纠正。在图19所示的最后一个文本框解释了可能需要的修改， 以便使所述的测量系统作为一个路径校正系统。

虽然该发明已参照实施例的描述，它会被理解这些技术中，各种可能会作 出修改和相应的变化，并没有偏离本发明的保护范围。此外，许多修改本发明未提及的根据 特定的条件或材料对本发明进行的修改也属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范 围不仅限于本发明的具体实施方式
，还包括所有属于本发明的保护范围内的修改。
权利要求
1.一种提高自动化精度的系统，包括至少一个适于多轴运动的自动化设备，它有一个手臂，该手臂上设有一个机械手臂末 端工具，该工具有一个在工件上完成各种操作的中心轴；若干个多轴设备，它发出朝向至少一个自动化设备的光束；和若干个可移动的目标元件，它们均与每个自动化设备的机械手臂末端工具相连，每个 目标元件是预先认证的，它们朝向所述的机械手臂末端工具，且它们相对于工件是6自由 度(6-D0F)，由于所述的多轴设备使所述的目标元件活动，因此目标元件在工件上能完成各 种操作。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于每个目标元件设有一底座，该底座是由至少 一种金属和非金属材料制成，其上设有若干个开口。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于所述的底座设有若干个可移动的孔元件，它 们分别与底座上对应的开口相连，并与由对应孔元件支撑的校准目标相连。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于所述的底座还包括一个由该底座确定的光敏 阵列。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于其还包括一个框架，该框架装入了所有的目 标元件，且框架设有一个百叶窗装置。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于其还包括一个控制器，它与所述的多轴设备、 所述的自动化设备和所述的目标元件可操作地连通。
7.一种提高自动化精度的系统，包括若干个适于多轴运动的自动化设备，它有一个手臂，该手臂上设有一个机械手臂末端 工具，该工具有一个中心轴，它能于第一预定时间内在工件上完成至少一个操作；若干个多轴设备，它发出朝向至少一个自动化设备的光束；和若干个可移动的目标元件，它们均与每个自动化设备的机械手臂末端工具相连，每个 目标元件是预先认证的，它们朝向所述的机械手臂末端工具，由于所述的多轴设备使所述 的目标元件活动，因此目标元件在工件上能完成各种操作。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于每个目标元件设有一底座，该底座是由至少 一种金属和非金属材料制成，其上设有若干个开口。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于所述的底座设有若干个可移动的孔元件，它 们分别与底座上对应的开口相连，并与由对应孔元件支撑的校准目标相连。
10.如权利要求9所述的系统，其特征在于所述的底座还包括一个由该底座确定的光 敏阵列。
11.如权利要求10所述的系统，其特征在于其还包括一个框架，该框架装入了所有的 目标元件，且框架设有一个百叶窗装置。
全文摘要
本发明涉及测量系统(所述的系统)，它能活动地确定一种运动设备的6自由度(6-DOF)，其中所述的运动设备可以而非限制性地为一种工业自动化驱动的机械手臂末端工具(EOAT)。所述的系统包括不具有内部测距能力的激光对瞄设备与装有EOAT的目标相结合，一起活动地确定至少一个运动设备在不同工作位置时EOAT的动作。
文档编号G01B11/00GK102037308SQ200980110884
公开日2011年4月27日 申请日期2009年3月23日 优先权日2008年3月21日
发明者布雷特·阿伦·博敦, 迈克尔·约翰·克里曼, 迈尔斯·丹尼尔·马基 申请人:维尔瑞尔逊瑞达克逊科技有限公司