坐标测量的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于确定被测量的物体上的测量点的至少一个空间坐标的坐标测量机，该坐标测量机具有第一框架元件（11），第二框架元件（4），用于沿运动方向相对于所述第一框架元件（11）移动所述第二框架元件（4）的具有马达的线性驱动单元（7），以及用于确定所述第二框架元件相对于所述第一框架元件的驱动位置的位置测量仪器。其中所述驱动单元具有有限刚度和运动时的动态偏转。所述测量机包括从所述驱动单元（12）到所述第二框架元件（4）的机械联接器（3），所述联接器（3）包括固定至所述驱动单元（12）的第一部分（3A）和固定至所述第二框架元件（4）的第二部分（3B），这两个部分（3A、3B）能借助主动补偿致动器（5）相对于彼此移动。所述主动补偿致动器（5）被构建成对着所述驱动单元（12）偏移所述第二框架元件（4）以引入相反位移使得所述动态偏转至少部分地被补偿。
【专利说明】坐标测量机
[0001]本发明一般涉及根据权利要求1的前序部分的用于确定测量点的至少一个空间坐标的坐标测量机(CMM)并且涉及根据权利要求12的前序部分的补偿坐标测量机中的误差的方法。
[0002]在已生产出工件之后，一般做法是在坐标定位装置(诸如坐标测量机)上检查它们，该坐标测量机具有在机器的工作空间内可移动的测量探头。
[0003]在常规的三维测量机中，探头被支撑以沿着三个相互垂直的轴(沿方向X、Y和Ζ)，也称为具有相对彼此或多或少正交的线性轴的笛卡尔构造，进行运动。
[0004]在该机器的简单形式中，合适的传感器平行于每条轴安装并且用来确定探头相对于机器的基部的位置。根据传感器的值来确定由探头处的探针所接近的物体上的测量点的坐标。轴通常由推进电动机驱动，该推进电动机由专用控制器控制，该专用控制器包括根据测量程序或者通过使用者输入(例如借助操纵杆)来移动轴的数字计算单元。
[0005]如果采用这样的技术，则存在几种可能的误差来源。缺少运动中的准直度和轴的正交性，线性驱动机构中的横向偏移或滑架绕垂直于它们的运动方向的轴的角旋转只是几个实例。
[0006]特别是，以下误差因素可能出现:
[0007].轴上的标度误差，
[0008].轴上的水平准直度误差，
[0009].轴上的竖直准直度误差，
[0010].轴上的俯仰误差，
[0011]?轴上的偏摆误差，
[0012]?轴上的滚转误差，
[0013]?轴上的角度误差。
[0014]已经进行了许多尝试以对提到的各种误差来源提供校正。例如，已知通过各种手段将预备和已知的误差引入传感器。一个替代技术是校准机器，从而测量存在于各个点处的误差并且存储这些误差，从而当机器在测量使用时能补偿这些误差。这样的校准过程的执行是冗长的，对于大型机器尤其如此。
[0015]校准方法的缺点还在于，它们将仅注意完全可重复的误差并且在与机器的工作状态相同的条件下校准探针也是重要的。这意味着例如，如果机器在测量时以lOOmm/sec运行，则校准程序也应该以该速度来执行，并且如果，由于某种原因，运行的速度需要改变，则需要以该新的速度重新校准机器，这是因为误差至少部分地取决于运动的动力学。
[0016]所提及的误差在许多方法中仅被静态地分析，尽管它们也包括动态因素，这些动态因素取决于轴的运动，尤其是取决于当移动轴时的位置、速度、加速度以及急动度(jerk)。在取决于速度的校准的情况下，该事实以相当简单且不可变的方式被考虑。
[0017]虽然静态误差能通过使用位置校准矩阵而在数值上减小，但是当试图补偿动态误差时事情变得复杂得多。在考虑动态误差时校准变得甚至更复杂，这些动态误差诸如是振动、共振、动力等，这些动态误差不仅能影响其上出现有该误差的轴，而且能“串扰”到其他轴并且导致系统的其他部分中的误差。此外，潜在影响也取决于环境条件，诸如温度、湿度、气压等，并且特别地，它们还将在机器的使用期限内改变。
[0018]而且，对于在工件上履行不同的测量任务来说必要的探头的更换能带来负荷条件的变化并且导致不同的动态和误差行为。包括活动部和/或附加轴的探头的主动或被动的使用能导致主轴的不同行为，这取决于探头的实际姿势。机器的轴的动态行为(因为机器框架的两个元件能沿运动方向相对于彼此移动)也能根据轴的实际驱动位置而变化。
[0019]例如，必须考虑的是，机器的一个轴的加速度(能进一步移动垂直轴和探头)能引起坐标测量机的整个框架的线性和角动态偏转，该偏转继而导致测量不确定性和误差。这些动力学测量误差可以通过以低加速度进行测量而被减小，例如通过因此被优化的期望运动的轨迹而被减小。
[0020]然而，为了提高生产率，需要增大的生产量以及提高检查速度。因此，机器将在测量期间经历较高的加速度，并且将产生系统的较大的动态的结构偏转。这导致探针的x、Y、Z几何位置的错误报告，从而导致降低的精确性或者甚至导致工件的不准确的测量。那些误差甚至更严重，这是因为常常需要CMM达到在微米甚至更低的范围内的测量精度。
[0021]具体地，坐标测量机能显现驱动振动，该驱动振动就期望的测量精度而言是显著的。导致振动的误差的主要来源是机器的机械驱动系统。驱动振动也取决于驱动的运行速度。由这些振动(通常以5Hz以上的频率发生)引起的误差不适用于如上所述的补偿动态误差的计算方法，尤其是因为振动在很大程度上不是可重复行为，因此所形成的测量误差不能被以数学方式来模拟和均衡。而且，不理想的轴承能引入摩擦并导致振动。
[0022]存在已知的被动阻尼元件，它们将机械低通或带通滤波器引入机械系统以尽可能地减小振动和急动度。那些被动阻尼元件例如通过使用传动系统中的一些“弹性”和“阻尼”带或者通过平行于轴的空气或液体阻尼器，能是机器的一体部分。那些被动阻尼器的缺点例如是以下事实，即，它们能减小系统的刚度、引入由不期望的偏转(或位移)造成的从理想的运动轨迹的偏转并且它们甚至引入附加的机械共振频率。
[0023]其他方法，如例如由纽约的Convolve公司宣传的方法试图借助称作输入成形的技术来抑制由机器的加速度引起的偏转、振动和/或振荡，该输入成形技术控制调节变量，例如推进电动机的力或电流，使得忽略机械共振并且避免激发共振频率或者甚至通过输出至驱动致动器控制的相应的的操纵变量来避免主动反作用力振荡。
[0024]而且，作为控制的一种形式的模型预测控制能应用于CMM，在该控制形式中，通过利用工厂的当前状态作为初始状态来解决每个采样瞬间的有限水平开环最优控制问题从而获得当前的控制作用。最优化产生最优控制序列并且该序列中的第一控制被施加至工厂。
[0025]此外，各种探头和探针用于坐标测量机以例如通过沿轴布置的基准刻度来在刻度坐标系统内测量，这些轴构造三维测量空间。为了提供具有提高的测量精度的坐标测量机，因此需要其框架结构具有高静态刚度。为了获得刚性且硬的机器设计，框架结构或至少其部分常常由诸如花岗岩的石头制成。除了如热稳定性和良好的阻尼特性的所有正面效应之夕卜，花岗岩还使机器和活动框架元件非常重。另一侧上的高重量也需要用于足够加速度的闻力。
[0026]除期望框架具有高刚度之外，所提及的实施空间精度校正技术的软件的引入能减小几何误差并且帮助获得高精度测量结果。
[0027]CMM系统中的另一个问题还在于以下事实，S卩，不同的探针将具有不同的重量和特性，因此机器的机械共振频率将受影响。而且，机器的空间位置影响机械共振，因此简单的线性误差模型常常不足以在数值上补偿那些影响。
[0028]不例性地，EP1559990公开了一种坐标测量系统和当具有各种重量的部件安装在坐标测量机上时校正在坐标测量机中测量的坐标、测量几何误差的方法。补偿参数从每一重量部件的测量结果获得并且被存储。与待测量的部件的重量对应的补偿参数被适当读取出以校正待测量的部件的测量的坐标。
[0029]作为另一示例，EP1687589公开了一种在具有带表面检测装置的铰接探头的坐标测量机中误差补偿的方法。表面检测装置在测量期间绕铰接探头的至少一个轴旋转。所述方法包括以下步骤:确定设备的整体或部分的刚度，确定涉及在任何特定瞬间由铰接探头施加的负荷的一个或多个因素，并且确定在表面感测装置处由负荷引起的测量误差。
[0030]用于利用坐标测量机(CMM)的工件测量的误差校正的另一方法在GB2425840中被公开。因此，利用工件感测探针来进行位置测量，其中提供测量加速度的装置。针对两个诸如那些由振动引起的误差的高频(不可重复)误差以及诸如那些由探针上的离心力引起的误差的低频(可重复)误差来校正测量。该校正方法包括测量工件，从预定误差函数、误差图或者误差查阅表确定可重复测量误差，测量加速度并且计算不可重复测量误差，将第一测量误差和第二测量误差结合以确定总误差并且利用该总误差校正工件测量。利用已知尺寸的人工制品来计算预定误差图。
[0031]还已知使用装配在探针中或装配在测量机的其他移动部件(诸如Z柱)上和/或基部工作台中的加速计，从而实现外部施加的振动的不同测量和/或评价。在这样的装置中，探针位置的位移和误差能通过二重积分来测量，并且基于该信息，可以借助二重积分信号和标度之间的差来调节读数。
[0032]然而，当利用加速计时，位置测量将通常变得有噪声，尤其是当待测量的频率相对低时，例如在缓慢且平滑运动的情况下。这能导致坏的信噪比。
[0033]此外，仅可以在加速期间测量差，这意味着，通常，可能必需从标度位置计算加速度并且将其与所测量的加速度进行比较，并且双重积分该差。然而，这可能不是精确计算探针的确切位置的足够信息。加速计方法不能用于测量静态变化。例如，与动态变化结合的静摩擦不能被加速计察觉。
[0034]尤其是对于大型CMM、震动环境而言，和/或如果需要非常高的精度，则已知的是建造特殊的地基，该地基设计用于竖立测量机以实现对于来自测量机的环境的外部施加的振动的抑制或者允许来自机器本身的负荷或者来自待测量的工件的负荷的机器的可能沉降的补偿。
[0035]另选地或除特殊的地基之外，还已知设立这样的CMM，S卩，该CMM利用被动或主动部件以从地面进一步分离测量机床从而避免或至少减少来自外界干扰的对于测量结果的影响。
[0036]其他相关文献是CN101562409, US2008/100156, DE19642827, US2009/152985,US2007/266781, W000/14474。
[0037]为了推进机器的轴，存在许多不同种类的传动或驱动系统以及已知的结构。[0038]所使用的实施方式常常包括传动带、齿型带、摩擦带、螺杆、齿轮齿条副等。需要在具有位于一侧上的推进单元的第一框架元件和待在另一侧上移动的例如探头的第二框架元件之间传递力的路径上具有联结。推进单元能具体化为机电转换器，尤其是基于磁、静电或压电活性原理的马达。用来获得力联结的驱动机构常常被设计成使得它在移动方向上是刚性的并且在其他方向上是弱的，以允许在其他方向上运动，但是不会在除移动方向以外的任何其他方向上引入非期望的力。
[0039]当例如使用齿型带时，相对容易避免在“非移动方向”上的力，这是因为皮带是柔性的，尤其是在除与带并排的方向以外的方向上是柔性的。如果使用较刚性的驱动单元(诸如螺杆或者齿轮齿条副)，则需要具有对不需要的力进行分离的更复杂的分离装置以避免可能降低精度、再现性，增大摩擦，增大磨损和/或引入非期望的变形的非期望的效果。存在用于获得这样的分离的多个已知的机械部件和装置，它们仅在一个自由度内是刚性的，诸如万向联轴器或万向节。
[0040]尤其是当使用带传动时，存在一些缺点，其中一个缺点是有限的刚度，这导致在加速期间的弯曲或延伸。此外，有限的刚度能像机械共振回路一样起作用，该回路能由至少一个弹簧模拟，特别是由有弹性表现的齿型带来实现，以及由活动构件实现的至少一个质块。这将限制能施加于轴的加速度或力，而没有由于驱动机构偏转或振荡的激发引起的严重的位置位移。该事实常常限制实际上能施加至移动构件的加速度分布图或力分布图并且还将导致系统的至少一个机械共振。
[0041]齿型带或另一齿型力传递原理(诸如齿轮齿条副)的第二个缺点是由于齿和/或驱动轮引起的微振动。类似的微振动还能由推进电动机(还称为驱动马达)自身或非理想轴承产生，其中推进电动机本身产生的微振动是由像扭矩波动的效果(例如，马达嵌齿效应，控制回路，特别是串级控制回路内的振荡等)造成的。在那些情况下对CMM系统的振动和激发频率取决于移动速度。尤其是当机器的一部分的固有频率的激发发生时，这能导致非期望的运动轨迹。具体地，通过在这样的测量机中所使用的高精度标度，那些微振动能常常在移动机器的测量位置或速度分布图中被观察到，特别是当振荡覆盖到实际期望的轨迹轮廓线上时。
[0042]因此，本发明的目的是提供一种改进的坐标测量机CMM和一种方法，其中由动态效应引起的误差能以改进的方式被补偿或至少被减小，所述动态效应特别是在以高速运行CMM时由弱的机器结构弓丨起的动态效应。
[0043]本发明的具体目的是减小CMM的每个线性驱动机构中(在X、Y、Z方向上)的位移误差。
[0044]另一目的是特别是通过附加的专用主动补偿致动器来主动地抵抗动态位移。
[0045]本发明的特定目的因此是补偿或至少减小特别是在轴加速和减速期间具有有限刚度的驱动机构的影响或者通过齿隙效应补偿或至少减小驱动机构的影响。
[0046]本发明的特别目的是减小或补偿由轴的驱动机构的有限刚度导致的振荡，其能被理解为质块弹簧振子。
[0047]本发明的另一目的是减小或补偿在轴运动中发生的微振动，这些微振动例如来自驱动机构和/或轴承，特别是来自轴的驱动单元和/或推进电动机的齿系统。
[0048]本发明的又一目的在于提供一种待结合在CMM的驱动机构中的主动补偿系统，该主动补偿系统例如也能被改型。
[0049]本发明的另一目的在于为用于补偿CMM中的动态位移误差的数值解提供基础。
[0050]这些目的通过实现独立权利要求的特征来实现。以替代的或有利的方式进一步改进本发明的特征在从属权利要求中被描述。
[0051]本发明内的一个基本思想是通过还被称为主动补偿或主动阻尼的系统和方法来主动应对由驱动机构的动力学产生的位移。术语“阻尼”，在该情况下，不仅是指减震或减振而且还指更一般的、主动抵抗和反抗非期望的效应，如由术语“主动阻尼”所表示的。
[0052]本发明涉及用于确定被测量物体上的测量点的至少一个空间坐标的坐标测量机，其具有至少第一框架元件，第二框架元件，用于在运动方向上相对于所述第一框架元件移动所述第二框架元件的具有马达的线性驱动单元，以及用于确定所述第一空间元件相对于所述第二框架元件的驱动位置的位置测量仪器。
[0053]驱动单元具有有限刚度和运动时的动态偏转，特别是其中动态偏转包括加速/减速下驱动单元中的动态变形和/或由运动激发的驱动单元中的瞬态振荡。
[0054]根据本发明，包括从驱动单元到第二框架元件的机械联接器，所述联接器通过主动补偿致动器能够移动，特别是在运动方向上是能够移动的。联接器通过能够相互抵靠而能浮动或滑动或者由柔性元件连接的两部分而被构建成例如能移动，该柔性元件能借助主动补偿致动器被变形。
[0055]主动补偿致动器被建造成对着驱动单元偏移第二框架元件以引入相反位移，使得动态偏转至少部分被补偿。联接器与主动补偿致动器一起也被称为主动补偿元件。
[0056]根据本发明，补偿通过对抗特别是来自弹簧质块组合的偏转和/或振荡的动态位移来实现，机器的轴并且特别是驱动机构和被移动的质块能被理解为弹簧质块组合。而且齿隙或游隙能被减小或补偿到一定程度。
[0057]在本申请中术语“补偿的”不必是指完全抵消，而是还用来表示可察觉的减小，然而这仍留下一些残留误差。
[0058]如所述的，一种用于确定待被测量的物体上的测量点的至少一个空间坐标的坐标测量机。该机器包括框架结构，该框架结构具有至少一个运动轴，所述框架结构包括:第一框架元件，第二框架元件以及驱动机构，该驱动机构包括推进电动机并且连接能在运动方向上移动的所述第一框架元件和所述第二框架元件。用于确定运动方向上的驱动位置的位置测量仪器也被包括在机器中，其能用于确定所述测量点的空间坐标。
[0059]根据本发明，驱动机构通过机械联接器机械地连接至框架结构，构造成主动引入相反位移，特别是在运动方向上的或与运动方向相反的相反位移，以至少部分地补偿由运动的动态力和驱动机构的挠曲造成的非期望的动态位移。
[0060]具体地，补偿或减小动态位移，诸如:
[0061]□驱动机构的在加速/减速下的动态变形，例如由驱动单元内的有限刚度的部件产生，这些部件被运动力偏转，特别是被动态运动力偏转，而且静态偏转也在一定程度上被补偿；
[0062]□由驱动机构的运动激发的瞬态振荡，例如由驱动单元内的挠性造成，该驱动单元形成具有能由运动激发的振荡的固有共振频率的弹簧质块系统，或者过调来自驱动马达的控制回路的振汤；[0063]□由驱动机构和/或推进电动机引入的微振动，例如由齿型带的齿系统造成的振动，由于驱动马达的嵌齿效应、不完美的轴承或线性引导等造成的振动。
[0064]根据本发明的主动补偿元件因此能应对和对抗从驱动机构和/或轴承产生的微振动，特别是来自还包括非理想的刚度的部件的齿型线性驱动机构的微振动。
[0065]根据本发明，在驱动机构和/或框架结构的运动的动态下的动态变形，特别是在探头处能观察到的动态变形，通过施加由附加的主动补偿致动器造成的相反位移而被主动减小以至少部分地补偿动态变形。因此，特别是由框架部件的加速/减速造成的动态变形和瞬态振荡以及/或者由驱动机构、推进电动机和/或轴承内的元件引起的动态振荡和微振动得到补偿。
[0066]一般而言，这能根据本发明通过测量或模拟位移(或者与其相干的产生或结果值，诸如力、压力、弯曲、速度、加速度、急动度等)来实现并且通过主动部件产生具有符号相反的相反位移，使得位移之和将被减小，特别是优选地被补偿到零或者至少几乎为零。
[0067]相反位移能由不同种类的致动器引入。因为通常待补偿的最大位移相对低(例如，大约在驱动单元的刚度乘施加的力的范围内)，因此主动补偿致动器不要求大冲程，例如，低于lcm，特别是在小于2_的范围内或者亚毫米范围内。另一方面，为了补偿微振动，希望致动器具有同等高的动力学，优选地达到实际系统中振动的频率范围，以获得用于补偿的所需变化速率。这样的致动器的具体示例能基于磁、静电或压电原理，其中实施方式能例如是压电叠堆或音圈。由于CMM的一般温度敏感性，具有低废热或至少主动补偿致动器的充分冷却和/或良好选择位移的致动器应该被认为是避免了在机器的框架处的分段加热和温度应变。
[0068]主动补偿元件一般来说能定位在探头和保持待被测量的物体的机器基部之间的任何位置。主动补偿致动器的放置的具体示例是靠近减小的刚度和/或微振动的主要源，因为这也能例如有助于避免振动和振荡在整个机器框架内的散布，该散布能导致其他轴和元件上的串扰效应。
[0069]为了补偿非期望的位移或动态误差，位移量或误差必须由一些量化值来评价。该评价能通过测量或模拟位移或者通过测量或模拟引起位移的力来实现。
[0070]动态位移误差的测量能借助高精度的线性标度例如通过比较测量的驱动位置与根据期望的运动轨迹的期望的位置来进行，该线性标度通常存在于那些机器上。那些值的差例如能用作向控制回路的输入，该控制回路驱动主动补偿致动器。控制回路能是简单的比例增益、PID回路或者更复杂的控制回路，如观察器结构等，这进一步还取决于实际驱动位置。这样的主动补偿控制回路的带宽通常被选择为高于用于轴运动的其中一个主控制器，这是由于待由主动补偿补偿的效应的较高动态。
[0071]动态误差能另选地也基于与其相关的值来确定，这些相关的值例如是挠度、力、压力、速度、加速度、急动度等，这些值能由专用传感器(例如加速计、应变计等)感测。
[0072]明显地，另一选择是使用专用位移传感器(例如线性标度、电容式距离传感器等)来确定动态位移。一些致动器(例如压电式线圈或音圈)能用作传感器和/或致动器两者，由此致动和感测两者都能由单个部件来完成。
[0073]动态误差也能在驱动机构的子组件处被评价。该子组件能在“最弱连接”处或其附近被选择，该最弱连接将很可能也是误差的主要来源，并且为此需要被补偿。这里所测量的误差值也能被推断成整个驱动机构或者甚至整个机器的动态误差。为了推断，使用所包括的机械系统的模型，该模型能根据整个构造的刚度被确定。在特定情况下，模型也能根据所测量的真实世界值和/或取决于驱动位置被确定参数。
[0074]当CMM测量实际探头位置时，主动补偿元件在探头和用于确定该探头位置的线性测量标度之间的放置能使确定探头坐标的标度的值无效，特别是在由主动补偿元件引入的位移在位置测量中不被考虑或者未以所需精度和/或与标度位置同步地测量的情况下。
[0075]测量位移误差(或旁侧效应)的另选方案是基于期望的运动进行的模拟和预测位移，这能有助于避免附加的传感器、布线等的成本。为了实现此另选方案，需要更复杂的控制方法。如果模型不能精确地适合所有情形，则这样的方法不能用来保证测量期间的补偿的确定性。此外，能使用所谓的灰箱模型，该模型包括待被控制的系统的基础机械结构并且能通过系统识别或通过输入特征(如齿矩、带刚度、移动质块的重量等)被确定参数。
[0076]当在机器中引入主动补偿时，该事实还能通过考虑两个致动器，即推进电动机和主动补偿致动器而在轨迹的规划中被考虑。因此，当规划轨迹时期望的角色就能已经被分配给驱动马达和主动补偿致动器，并且两者因此能被主动控制。
[0077]具有独立控制回路、补偿驱动机构中所感测到的动态位置、不受移动规划影响的主动补偿致动器的“盲”用是根据本发明的一个可能的解决方案。根据本发明的另一可能的解决方案是主动补偿致动器的结合，其能被看作轨迹规划中的第二主动推进元件。主动补偿致动器的结合例如通过在控制回路中使用前馈路径或前瞻算法以操作主动补偿元件而获得优势，特别是针对可预知的误差而言。
[0078]上述控制和测量方法的不同组合也能被使用，例如
[0079]标度和用于感测的加速计的组合使用，以确定期望的主动补偿相反位移，
[0080]待被补偿的位移的测量和模型预测的使用，这还能包括轨迹的一致规划，
[0081]具有作为输入的感测的动态偏转的独立的主动补偿控制回路，
[0082]具有作为输入的感测的运动驱动力的独立的主动补偿控制回路，
[0083]感测的动态偏转误差至主控制器的附加传递，以由此评价校正的位置测量值或精度估计，
[0084]以及所提及的方法的更多的组合。
[0085]下面将参照附图中示意地示出的工作示例,仅通过示例的方式来更详细地描述或说明根据本发明的方法以及根据本发明的装置和布置。具体地，
[0086]图1a示出了根据本发明的第一轴布置的概要示意图；
[0087]图1b示出了用于CMM驱动机构的传动带的一些示例性子设备；
[0088]图1c示出了根据本发明的第二轴布置的概要示意图；
[0089]图1d示出了另选的传动系统的示例性子设备，其能被用作其他附图所示的皮带传动的替代；
[0090]图2a示出了被包括在根据本发明的驱动机构中的主动补偿元件的第一示例性实施方式的概要视图；
[0091]图2b示出了现有技术驱动机构的简化抽象模型；
[0092]图2c示出了根据本发明的具有主动补偿元件的力传递路径的简化抽象模型；
[0093]图2d示出了被包括在根据本发明的驱动机构中的主动补偿元件的第一示例性实施方式的概要视图；
[0094]图3示出了被包括在根据本发明的驱动机构中的主动补偿元件的第二示例性实施方式；
[0095]图4示出了被包括在根据本发明的驱动机构中的主动补偿元件的第三示例性实施方式；
[0096]图5示出了包括本发明的处于其轴中的至少一个轴中的测量机的示例性实施方式；
[0097]图6示出了未显示依照根据本发明的主动补偿元件的设置的移动轴的轨迹的第一示例；
[0098]图7示出了未显示根据本发明的设置的移动轴的轨迹的第二示例。
[0099]附图中图不应被认为是按比例绘制。
[0100]图1a示出了 CMM的驱动机构的实施方式的示意性简图，该CMM诸如是图5所示的CMM示例，本发明可应用于该CMM示例。
[0101]示意图示出了第一框架元件11，在该示例中为机器基部，以及连接至用以驱动传动皮带2的轮I的驱动马达21和位于皮带2的另一侧上的支撑轮(return wheel)。该驱动马达21还能连接至位置或速度传感器22。在移动带2和作为待被移动的质块的第二框架元件4之间存在有作为连接接口的联接器3。
[0102]显然地，具有能在三个自由度内移动的探头的CMM包括至少三个这样或类似的轴。实际的几何布置也可以不同于附图，该附图仅示出了一个简单的且说明性的实施方式。
[0103]图1b示出了传动带2的【具体实施方式】的一些剖面的放大剖视图。在多个可能实施方式的范围外的示例性的那些实施方式示出了齿2A、2B、2C以及无齿带2D的不同形状。显然地，驱动轮I以及将力传递到带2和从该带2传递力的联接器3的截面将被成形为所使用的带2A、2B或2C的形状的配对物，特别是关于齿的轮廓的形状的配对物。
[0104]本领域技术人员意识到这样的事实，S卩，作为齿之间的距离的齿周期的效应能在高精度测量中被以如下方式观察到:作为覆盖到所测量的位置的波动或振动、速度或加速度，或者在结构承载的声音中可听见，这显然将取决于实际的运动速度。根据驱动机构12的实际实施方式，那些振动能导致降低的测量精度。齿引起的振动也被称为微振动，这是因为它们的振幅通常相对于运动和其它效应来说是比较低的。
[0105]无齿带2D通常将不遭受齿振动，但是仍遭受其它微振动源，如特别是非最优调节的轴承的摩擦和/或来自推进电动机21的扭矩波动。明显地，那些其他微振动源也能存在于所有其他提及的驱动机构12中。所提及的转矩波动能是所谓的马达齿轮嵌合的结果或来自驱动电子激发和/或所包括的控制回路，例如来自级联的电流控制回路，该回路被调谐成略微过调。平带2D另一方面能导致非期望的滑动效应。
[0106]一般来说，所有的皮带驱动都遭受挠曲缺点，这是因为皮带材料的刚度是有限的并且过长的几何形状和小轮廓限制皮带的刚度并且导致或多或少的弹性行为。
[0107]图1c示意性地示出能供本发明应用的驱动机构12的另一已知的实施方式的示例。大多数结构部件类似于图1a的结构部件，主要区别在于部件的布置，从而导致不同的机械特性。该图还示出了包括线性标度7和相应的读头8的位置测量仪器，其能被用来评价第二框架元件4的驱动位置，该第二框架元件借助包括由元件3连接的皮带2和轮I的驱动机构12由推进电动机21移动。
[0108]在CMM中由于它们的特性而必须以高精度来完成的驱动位置的确定例如能借助已知的光学、电光学、磁致伸缩、磁性、电容或其他线性测量仪器来进行，这些测量仪器能以高精度，特别是在微米甚至更低的范围内确定位置。
[0109]显然，存在许多传动带和驱动机构12的替代装置，它们能用来驱动CMM的轴。传动带通常按其性质仅以相对刚性方式在一个方向上传递力，而在其他方向上比较弱。这能被看作是优点，这是因为非期望的横向负荷的传递因此被抑制，然而其它的较刚性的线性传递需要特殊的预防措施和手段。
[0110]图1d示出了不是基于皮带驱动的两个线性驱动机构12，本发明也能应用于这两个线性驱动机构。用于使框架元件4和11相对于彼此移动的齿轮齿条副(或齿条)2E和螺杆2F是示例性已知的。那些能替代如现有技术中已知的图1a或图1c的带装置。然而，基于那些原理的驱动机构12也能遭受类似的问题，例如有限刚度、微振动、齿隙等，如借助上述带传动所说明的。特别是，那些也能在某种程度上被认为是柔性的，周期性地齿型结构。尽管本文主要是指皮带和带传动，那些替代物也被涵盖。
[0111]图2a是联接器或连接界面3的放大图并且表示如何通过使用根据本发明的主动补偿致动器来连接第二框架元件的齿型带2和移动质块4的一个示例。在该情况下，联接器3包括借助呈柔性元件6的形式的活动结构(诸如片簧等)被相互连接的两个部分或“板”3A和“板”3B。一个板3A (矩形形状)连接至齿型带2并且另一板3B (U形状)连接至移动质块4。在板3A和3B之间具有致动器5，该致动器能通过使柔性元件6变形并且因此特别是在驱动单元12的运动方向上或与该方向相反的方向上偏移活动结构来朝着U形板3B移动矩形板3A的相对位置。这意味着，当齿型带2加速时，在齿型带2和移动质块4之间将存在力，该力将使皮带2伸展。
[0112]皮带2的张紧能借助致动器5来补偿，该致动器使板3B沿相反的方向移动与皮带2已被伸展的量相同的量。这意味着，鉴于第一框架元件和第二框架元件，皮带2和联接器3一起将具有实际上无穷大的刚度。因此由主动补偿致动器引起的所需的相反位移将是主要取决于所施加的力、皮带刚度和皮带2的力传递部分的有效长度的参数。取决于驱动机构2的实际实施方式，有效长度能随驱动位置而定，该事实在确定所需的相反位移中被考虑。
[0113]待由致动器5引入的所需的主动位移补偿能通过测量在板3A和3B或皮带2A和板3A之间所施加的力、元件3处的加速度、板3B相对于板3A的或相对于基部框架元件11的位移来确定。根据来自被移动的质块4的线性标度的评价也能被结合(参见图3)。而且，使用上述的组合。
[0114]致动器能例如是压电致动器。来自压电Jena的大功率致动器的示例是HP系列，如 HP-105-X-Y 或者 HPA-260-X-Y。
[0115]主动补充致动器如此工作，使得施加至被移动的框架元件4的力是平滑的并且不包括波动和振荡，这意味着，如果存在一些波动或振荡，则通过施加具有相同的振幅、但是具有180度相移的相反振荡能补偿或至少减小这些波动或振荡，使得残余力将几乎不包括振荡(诸如所提及的瞬态振荡和微振动)。
[0116]如果需要断开沿除驱动机构期望运动方向以外的方向，例如朝着驱动方向正交的方向的力，则这也能借助主动位移致动器以相似的方式来进行，但是优选地，这通过允许沿该方向柔性联接的其他装置(如一些平行弹簧)来实现。
[0117]带2的挠曲导致驱动机构12加速和减速时弯曲并且还由于所形成的弹簧-质块构造而导致振荡。
[0118]换言之，坐标测量机具有能相对于彼此移动的至少两个框架元件4、11 ;具有用于使框架元件4、11相对于彼此移动的马达21的线性驱动单元12 ;以及联接器3，其提供用于使框架元件4、11中的一个框架元件与线性驱动单元12连结的机械连接。其中，框架元件
4、11的移动导致驱动单元12中的动态偏转,特别是其中动态偏转包括动态驱动运动时的动态变形、瞬态振荡和/或微振动。
[0119]用于主动补充坐标测量机中的动态偏转的根据本发明的方法包括在通过驱动单元12使CMM的至少两个框架元件4、11相对于彼此移动时，主动引入联接器3中的相反位移，用于通过借助联接器3中的主动补充致动器5施加相反力来至少部分地补偿动态偏转43。因此，实现了驱动单元12对着其中一个框架元件4、11的相反位移，这(至少部分地)补偿了动态偏转，特别是其中相反位移是相应的但是与动态偏转方向相反的，优选地其中动态偏转通过测量位移或移动力来确定。
[0120]图2b示出了作为弹簧-质块组合的带传动的简单的抽象模型。箭头30代表由推进电动机21引入的实际力，弹簧31代表带2的挠曲，质块32代表待被移动的第二框架元件4的质量，补偿33模拟摩擦效应并且固定件34代表第一框架元件11。实际模型能是更详细的并且例如还包括更复杂的元素，诸如齿隙，驱动位置依赖参数(例如，用来模拟取决于力传递带部分的实际长度的弹簧常数的变化)等。
[0121]图2c示出了具有主动位移校正单元135的附加的、简化模型的图2b的抽象模型。具有主动位移校正单元135的联接器包括模拟活动结构6的弹簧132和主动位移致动器130。在一些实施方式中，致动器130还能包括固有的挠曲132并且弹簧132还能具有在模拟活动结构时(几乎)为零的弹簧常数。
[0122]仅通过基本作用的例示，有意略去一些对于本领域技术人员来说明显的副作用来以简化的方式示出原理。并不旨在提供完全正确的数学模型。
[0123]假定弹簧132具有低于弹簧32的弹簧常数，也俗称为较软弹簧，则施加相同的力将导致132处比32处更大的拉伸。
[0124]如果主动位移致动器130引入与驱动力30相同的力，则132的拉伸将是零，这是因为主动补偿元件处的力保持平衡。
[0125]如果主动位移致动器130正引入大于力30的力，则弹簧132将被压缩，并且不像弹簧31那样弯曲。因为弹簧132的弹簧常数低，因此，比驱动力30大少量的主动补偿元件135处的力130能导致弹簧132处的相反压缩，这导致压缩-位移等于较硬弹簧31处的拉伸-位移。因此，整个装置能被描述为具有实际上无穷大的刚度(或者如果期望或获得非完全补偿，则至少主动增加的实际刚度)。
[0126]用于说明的简单的数值示例，其中缩放比例为便于说明而选择并且不具有实际关联性或任何限制作用:
[0127]弹簧常数D13Q=lN/mm，
[0128]弹簧常数D3Q=10N/mm，
[0129]驱动力F3tl= 100N。[0130] 这导致以下位移L3tl:
[0131 ] L3O=F30ZD3O= IOON/ 10N/mm=10mm,
[0132]这是未补偿的机器的现有技术情况。
[0133]没有力被施加至D13tl (F13oa=O)的情况下，其位移L13qa将是:
[0134]L13(ia=F3(i/D13(i=100N/ lN/mm=100mm，
[0135]这将被增加至现有技术位移并且考虑到补偿这显然不是有益的。
[0136]将与100N的力F3tl相同的量沿相反的方向施加到D13tl而作为F13(IB=100N，其位移L130B将是零，这是因为F3tl和F13tl被平衡并且没有力作用于补偿元件弹簧D13tlt5
[0137]在补偿元件处为了获得与IOmm相同的位移(但是沿相反方向，当期望补偿时)，力F13oc_add的附加量大约为:
[0138]F130cadd=L30ZD130= I Omm/ lN/mm= ION
[0139]必须被施加至D13Q。
[0140]这导致在D13tl处的力F13cc的总和:
[0141]F130C=F! 30B+F130c_add= 100N+10N=110N。
[0142]因此弹簧元件两者总共的位移(用于模拟主动阻尼的驱动机构12)能被认为是零。这也能被理解为实际上的无穷大的刚度。
[0143]专家可能意识到以下事实，即，上述说明非常简化并且并不旨在是高度精确的模拟。尽管一些副作用被忽略，但清楚地示出了如何实现根据本发明的主动补偿的基本原理。
[0144]例如，由挠曲132处的力/位移引起的弹簧32上的附加力未被考虑，但是由其产生的附加拉伸也能通过补偿力的进一步增大而以相似方式被补偿。
[0145]此外，不仅驱动系统本身内的拉伸和变形能由联接器3补偿，而且由运动力或动态力造成的其他部分(诸如框架结构的部分)的变形的影响的补偿或减小能通过根据本发明的相反主动位移补偿来实现。
[0146]所需的补偿量能基于力测量、位移测量、动力学测量(速度、加速度)来确定。除以前提及的专用传感器的使用，另一示例能测量由推进电动机引入的力，以作为用于确定期望的抵抗的基础。特别示例能是期望的或测量的推进力或驱动马达电流的值的使用，该值无论如何常常用于控制回路目的。另选地，补偿量能基于期望的运动轨迹通过预测或模拟引入的位移来确定。
[0147]如图2d的实施方式中所示，包括也称为瞬态振荡的低频激励和也称为微振动的高频激励的移动质块的运动的测量能通过压电元件本身来进行，由此压电元件作为测量传感器和致动器两者来工作。另选地，测量也能通过距离传感器(光学的、电容的等)来进行，该距离传感器能定位在U形内，平行于致动器，其测量移动质块相对于带的相对运动。此外，传感器能由用于测量“绝对”运动的一个或多个加速剂、速度传感器等来辅助。驱动位置的线性标度读数始终提供相对于CMM的相关第二框架元件的绝对运动的测量。
[0148]在使用压电元件作为传感器和致动器的情况下，也能例如如图3所示的与齿型带连接的另一侧上增加第二压电元件，以减小或消除通常随压电致动器出现的滞后效应。为此，每个压电元件仅沿两个运动方向中的一个方向测量和起作用，而另一压电元件仅沿另一相反方向测量和起作用。术语“压电元件”也能意味着履行如实施方式中所述的任务的一组或一堆压电元件。、[0149]作为另一示例，力的测量也能在带2和联接器部3A的互连处进行，特别是在这两个元件之间绘制的黑条处进行。
[0150]除使用压电元件之外，例如还能将磁致动器(诸如音圈驱动器)用作主动补偿致动器。而且，例如元件6上的应变计能被用作传感器以确定如上所述的力或位移。
[0151]因此主动补偿致动器能根据由传感器并且当然由线性标度测量的偏转或位移(低频和高频激励)来控制，所述传感器诸如是压电元件、加速计、速度传感器、光学或电容式距离传感器。
[0152]在图4的实施方式中，先前的图由柔性元件6体现的活动结构已经由将部分3A和3B联接的滑动引导件13代替，其中柔性元件6通过用于引入相反位移的主动位移致动器被变形。该滑动引导件13通过主动位移致动器而沿运动方向移动或偏移，如由双箭头所示。在该实施方式中，主动补偿致动器也将调节两个框架结构之间的运动力。
[0153]图5示出了 CMM100的示例性实施方式。机器的所谓的刚性框架包括基部或机床104，该基部或机床通过根据本发明的具有推进器ly、皮带传动2y和联接器3y的驱动机构12，连接至由门状件4y体现的Y轴的101，该联接器3y包括根据本发明的主动补偿致动器。线性标度7y是位置测量仪器的实施方式的一部分。
[0154]类似于y轴，存在X轴，该X轴具有作为第一框架元件的门状件101和第二框架元件102,这里框架元件通过另一驱动机构12能相对于彼此移动，该另一驱动机构也能包括根据本发明的主动补偿元件。
[0155]第三z轴包括能供探头105固定的框架元件102和103，其空间坐标能根据由7x、7y和7z测量的驱动位置来确定，并且该空间坐标能由控制器109或由连接至其的外部PC评价。控制器109也例如根据预定测量程序或通过操纵杆对轴的协调运动负责。
[0156]机器被构造成通过能在空间中在三个垂直方向中移动的探头105上的在绘制的示例中的带触感的探针106来确定待被测量的物体107上的测量点108的至少一个空间坐标。
[0157]具有带主动补偿致动器的联接器的本发明的一般优点在于减小激励对最终CMM测量的影响以及在CMM上移动不同部分时允许更高的速度和动力学(加速度)，该优点目前受有限刚度和微振动的限制。由此，具体地能提高机器的整体测量精度和/或速度。
[0158]图6以位置44随时间45变化的视图示出了这样的CMM100的驱动机构12的简单轨迹的示例。虚线42示出了作为斜坡函数的简单的期望的运动，其中实际上期望的轨迹常常被选择为平滑得多，例如急动受限S曲线等。实线42是在不具有停用主动补偿致动器的情况下框架元件的测量到的运动，这示出了特别是在加速和减速下由驱动机构12的挠曲造成的一些瞬态振荡以及由弹性变形引起的在斜坡的中间部分中的微小跟踪误差，该瞬态振荡和微小跟踪误差不完全由驱动机构控制回路补偿。
[0159]在主动补偿致动器接通的情况下，实际的轨迹43能更接近地适于期望的轨迹42，从而减小位移误差并且至少部分地补偿这些位移误差。为了保持图清洁和简单，为此未示出有专用线，但是它是指更接近或几乎完全覆盖期望的轨迹的实际轨迹。
[0160]图8类似于图7，但是它还示出了现在被增加到实际轨迹43中的驱动机构12的上述微振动。在实际的实施方式中，微振动常常依赖于速度，这出于简化目的而在该图中不可见。通过根据本发明的主动补偿，也能至少部分地补偿那些微振动，从而导致非常接近于期望的轨迹42的轨迹。
[0161]主动补偿致动器能仅基于传感器的测量，基于期望的和实际的驱动位置或者两者的组合由单独的专用控制回路来控制。
[0162]另选地，主动补偿致动器控制能嵌套在驱动机构12的主控制回路中。
【权利要求】
1.一种坐标测量机(100)，所述坐标测量机用于确定被测量物体(107)上的测量点(108)的至少一个空间坐标,所述坐标测量机具有: ?第一框架元件(11、104)， ?第二框架元件(4、101)， ?具有马达(21)的线性驱动单元(12)，所述线性驱动单元用于沿运动方向相对于所述第一框架元件(11、104)移动所述第二框架元件(4、101 )，以及 ?位置测量仪器(7、8、7y)，所述位置测量仪器用于确定所述第二框架元件(4、101)相对于所述第一框架元件(11、104)的驱动位置， 其中，所述驱动单元(12)具有有限刚度和在运动时的动态偏转， 特别是其中所述动态偏转(43)包括: ?在所述框架元件的加速/减速下所述驱动单元(12)中的动态变形，和/或 ?由所述框架元件的运动激发的所述驱动单元(12)中的瞬态振荡， 所述坐标测量机的特征在于， 从所述驱动单元(12)至所述第二框架元件(4、101)的机械联接器(3)，所述联接器(3)包括固定至所述驱动单元(12)的第一部分(3A)和固定至所述第二框架元件(4、101)的第二部分(3B )，这两个部分(3A、3B )能通过主动补偿致动器(5 )而相对于彼此移动，特别是能够沿所述运动方向相对于彼此移动， 其中所述联接器(3)和所述主动补偿致动器(5)被构建成，使得对着所述驱动单元(12)偏移所述第二框架元件(4、101)以引入用于至少部分地补偿所述动态偏转(43)的相反位移。
2.根据权利要求1所述的坐标测量机(100)，其特征在于， 所述联接器(3)包括位于该联接器的所述第一部分(3A)和所述第二部分(3B)之间的柔性元件(6)，并且所述相反位移能够通过借助所述主动补偿致动器(5)使所述柔性元件(6)变形来引入。
3.根据权利要求1或2所述的坐标测量机(100)，其特征在于， 所述联接器(3)包括位移传感器(5、7、8、9、10)，该位移传感器被构建且布置成确定所述动态偏转(43)，特别是其中所述动态偏转(43)由所述传感器(5、7、8、9、10)根据测量到的所述驱动单元(12)的一部分的几何形状变化或者根据测量到的力或加速度来确定。
4.根据权利要求3所述的坐标测量机(100)，其特征在于， 所述主动补偿致动器(5)被构建成用作用于确定所述动态偏转(43)的所述位移传感器(5、7、8、9、10)。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的坐标测量机(100)，其特征在于， 所述主动补偿致动器(5)由控制回路根据由所述位移传感器(5、7、8、9、10)确定的所述动态偏转(43)来驱动，使得所述动态偏转(43)由所述相反位移至少部分地补偿，所述控制回路优选是带宽比用于所述驱动单元(12)的控制器的带宽更大的控制回路。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的坐标测量机(100)，其特征在于， 所述主动补偿致动器(5 )包括磁致动器，特别是音圈。
7.根据权利要求1至5中的任一项所述的坐标测量机(100)，其特征在于，所述主动补偿致动器(5)包括基于压电活性材料的驱动器。
8.根据权利要求1、2、5、6或7中的任一项所述的坐标测量机(100)，其特征在于，所述动态偏转(43)由计算单元(109)根据期望的运动轨迹和由所述位置测量仪器(7、8、7y)确定的驱动位置的差来确定。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的坐标测量机(100)，其特征在于， 所述驱动单元(12 )包括用于传递运动力的具有皮带(2A、2B、2C、2D)的皮带驱动(2 )，所述皮带优选地为齿型带。
10.根据权利要求8所述的坐标测量机(100)，其特征在于， 所述联接器(3)将所述第二框架元件(4、101)与所述皮带(2A、2B、2C、2D)连结并且补偿由于运动力而由所述皮带(2A、2B、2C、2D)的应变产生的所述动态偏转(43)。
11.根据权利要求1至10中的任一项所述的坐标测量机(100)，其特征在于， 所述动态偏转(43)包括由所述驱动单元(12)引入的微振动，特别是其中所述微振动由所述驱动单元(12)内的齿系统和/或来自所述马达(21)的转矩波动而产生。
12.一种用于主动补偿坐标测量机(100)中的动态偏转的方法，所述坐标测量机具有: ?能相对于彼此移动的至少两个框架元件(4、104、11、101)， ?具有马达(21)的线性驱动单元(12)，所述线性驱动单元用于使所述框架元件(4、104、11、101)相对于彼此移动， ?联接器(3)，所述联接器提供用于使所述框架元件(4、104、11、101)中的一个框架元件与所述线性驱动单元(12)连结的机械连结， 其中所述框架元件(4、104、11、101)的移动引起所述驱动单元(12)中的动态偏转(43)，特别是所述动态偏转(43)包括动态驱动运动时的动态变形、瞬态振荡和/或微振动，并且其中所述方法包括: ?使所述至少两个框架元件(4、104、11、101)相对于彼此移动，以及， ?通过借助所述联接器(3)中的主动补偿致动器(5)施加相反的力并且因此对着所述框架元件(4、104、11、101)中的一个框架元件使所述驱动单元(12 )进行相反位移来在所述联接器(3)中主动引入相反位移，以至少部分地补偿所述动态偏转(43)， 特别是其中所述相反位移与所述动态偏转(43)对应但是方向相反，优选地其中所述动态偏转通过测量位移或位移力来确定。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于， 根据所述驱动机构(12)的期望的轨迹(42)来控制所述主动补偿致动器(5)，特别是通过还控制所述驱动单元(12)的主控制回路来进行控制。
14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于， 根据确定的动态偏转(43)在专用控制回路中控制所述主动补偿致动器(5)，特别是其中所述控制独立于用于控制所述驱动单元(12)的主控制回路并且具有比所述主控制回路大的带宽。
15.一种具有被存储在机器可读介质上的程序代码的计算机程序产品，所述程序代码构造成，特别是在根据权利要求1至11中的任一项所述的坐标测量机(100)中的控制器(109)的数字计算单元上执行所述程序的情况下，自动执行并运行根据权利要求12至14中的任一项所述的主动减小动态偏转(43)的所述方法。
【文档编号】G01B21/04GK103477181SQ201280015826
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2012年3月27日 优先权日:2011年3月29日
【发明者】波·佩特尔松, 克努特·西尔克斯, 伯恩哈德·施普伦格 申请人:赫克斯冈技术中心