提高自动化精度的外部系统的制作方法

提高自动化精度的外部系统的制作方法
【专利摘要】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。
【专利说明】提高自动化精度的外部系统

【技术领域】
[0001]本发明涉及提闻精度的自动化系统和设备，以及提闻精度的方法。

【背景技术】
[0002]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。
[0003]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5907229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。
[0004]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。
[0005]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，或相位转换技术)。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。
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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。
[0009]“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。
[0010]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】

[0011]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Ε0ΑΤ。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。
[0012]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LOS。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。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]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。
[0017]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。
[0018]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。
[0019]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。

【专利附图】

【附图说明】
[0020]图1是操控一光束的多轴设备的主视图。
[0021]图2是图1所示的多轴设备的侧视图；
图3是本发明所述的活动目标设备的分解示意图；
图4是密封在一个框架中的活动目标图；
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；
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；
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；
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；
图10是一个校准过程的示意图；
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； 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；
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；
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。
[0022]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】
[0023]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26、主轴24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28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)。
[0024]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 (1、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，z)。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。
[0025]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、CXD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。
[0026]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。
[0027]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E0AT53上，相对于E0AT53的中心轴54安装(设有L0S) 了至少4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54。中心轴54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。
[0028]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55，使之比自动化设备55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。
[0029]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。
[0030]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。
[0031]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, z)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。
[0032]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。
[0033]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’Z’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z = O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。
[0034]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z =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。
[0035]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。
[0036]另一个被成功用于建立如图3所不的光敏阵列34的像素坐标与外部测量目标36的位置的关系的方法是由一下方式进行的:通过诸如由Optical Gaging Products(罗切斯特市，纽约，美国)制造的SmartScope Quest 300之类的光学三坐标测量机(CMM)进行活动目标检测。活动目标被放置在光学CMM的工作区域内，在高倍下(400x至500x)测量光敏阵列上的特征。一般来说，利用光学CMM测量光敏阵列的四个角。这样，光敏阵列上至少三个特征在CMM坐标点中被确定，像素和CMM间的最优值确定了像素-CMM间的转换关系。之后，利用光学CMM直接确定至少三个外部测量目标36。这样，随着像素-CMM转换关系被建立，CMM坐标中被测量的外部测量目标36的位置能在像素坐标中表示。由于它的高精度(一般来说大约为几毫米)，高速(每个活动目标低于10分钟)，以及低成本(光学CMM检测服务费用低于100美金每小时)，使之成为了活动目标实验室校准的优选方法。
[0037]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，也可以在校准过程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，而活动目标校准文件将链接到所述ID上。这个过程如图10所示。
[0038]在生产车间内工作单元的认证过程中，所述的校准文件可以使目标元件16的像素点关于另一个坐标系进行定义(如世界坐标系，工件坐标系或机床坐标系)。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坐标系的矩阵。
[0039]图11总结了一种新的方法，关于所述机床坐标系中如何将活动目标安装在自动化设备55。如图10中描述的目标元件16在校准过程中在预设坐标系中已经确定了位置。通过使用外部测量系统的EOAT坐标系，适当的目标可以嵌套到快板44，它们的位置可以记录在所述EOAT坐标中。如果至少3个目标这样做,活动目标对自动控制装置EOAT的最佳关系可以通过在机床坐标计算值和存储在校准文件中的预定目标坐标值之间来建立。如果，在目标元件16插入(例如)到在EOAT的三个桩孔内，所述三个桩孔的机床坐标可以通过外部测量系统进行测量与记录，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(和外部计量系统的使用)来确定活动目标与EOAT的关系。这可以通过(例如)实验室校准过程在活动坐标空间快板44上记录的三个桩孔来坐标来实现。当交换出来目标元件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上目标空间的桩孔的位置。
[0040]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在所述工作单元的世界坐标系中进行定义。目标元件16在如图10中描述的标定过程中已经获得预定的坐标系值。通过所述的世界坐标系的外部测量系统，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。如果至少对3个目标这样做，活动目标与世界坐标系的关系可以通过世界坐标值和标定文件中存储的预定的目标坐标值的最优关系来进行计算确定。如果，在活动目标插入(例如)到在固定支架的3个桩孔内，这3个桩孔的世界坐标可以通过外部测量系统进行测量与记录，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(和外部计量系统的使用)来确定活动目标目标与世界的关系。这可以通过(例如)实验室标定过程在活动目标空间快板44上记录的三个桩孔来坐标来实现。当交换出来目标元件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的桩孔的位置。
[0041]图13总结了一种新的方法，目标元件16是如何安装在工件的控制点可以同时通过所述工作单元的世界坐标系和工件坐标系来进行定义。在这里，“控制点”是指在在工件坐标系中精确的描述/加工工件的具体的位置；“控制点”的作用是至少在部分生产/装配工件的过程中提供控制基准值。通过所述的世界坐标系的外部测量系统，每个控制点都能够在世界坐标系中进行定义。如果至少3个控制点使用所述方法进行测量，工件-时间坐标系之间的转换可以通过每个控制点在工件坐标系中的最优值进行计算得到。目标元件16在如图10中描述的校准过程中已经获得预定的坐标值。
[0042]使用所述的世界坐标系的外部测量系统，适当的目标可以嵌套到活动目标板的木钉，而且它们的位置被记录在世界坐标系中。由于工件-世界坐标系的转换关系已经获得了，所述相同的点同样能够在工件坐标系中进行定义。如果至少3个目标这样做，活动目标-世界坐标系和活动目标对工件坐标系的最优转换关系都可以通过校准文件中存储的在世界/工件坐标计算值和存储在校准文件中的预定坐标值进行建立。在确定活动目标-工件坐标系的转换关系的时候没有必要先确定工件坐标系-世界坐标系的转换关系。但是，确定工件坐标系-世界坐标系的转换关系在对生产过程进行离线仿真还是有必要的；从本质上讲，这是校对工件在工作单元与预定位置之间关系。为了在工件上使用新的活动目标，而不需要通过外部测量系统在此建立活动目标-工件坐标系的转换关系，，在实验室校准过程中就需要定义新的活动目标在定义木钉在活动目标板44上的位置。类似的定义过程在EOAT活动目标和固定安装活动目标过程中已经进行了阐述，此处定义过程没有区别。依然活动目标-工件坐标系的关系在工件控制点中已经确定，只要工件中的3个LOS从发射台太活动目标不是相互平行的，这些信息可以用于工件在世界坐标系中进行定位。
[0043]图14总结了一种新的方法，关于发射台12在工作单元中的安装过程在工作单元的世界坐标系中进行定义的方法。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获得了预定坐标值。通过采用世界坐标系的外部测量系统，适当的目标可以嵌套到有效目标板44的木钉上，而且它们的位置被记录在世界坐标系中。若果至少3个目标这样做，活动目标与世界坐标系的关系可以通过世界坐标值和校准文件中存储的预定的目标坐标值的最优关系来进行计算确定。计算机确定了感光阵列上的激光光斑中心并把点值发送给世界坐标系。所述发射台12还能提供发射坐标系中的激光束的向量值和激光出口孔径的U，y, z)值。至少另外两个发射姿势重复所述过程。为了获得最佳结果，第二和第三的发射台与第一姿势相互正交。现在，我们在发射台坐标系(3个激光出口孔径(的x，y，z)的启动位置和3个向量位置)有3个完全不同的向量线，需要在世界坐标系中有三个相叉点。获得了发射台世界坐标系转换的足够信息。但是，如果发射台的准确度受到了限制(点向量和激光出口孔径的固有值)，在发射台-世界坐标系的转换中，希望得到超过3个位置/姿态的测量值。一旦发射台世界坐标系的转换关系确立，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，如果工件-世界坐标系的转换关系确立，发射台也可以控制任何工件的协调。
[0044]图15和16总结了一种新的方法，关于发射激光束到安装了 EOAT的至少4个活动目标上来确定运动装置中6-D0F的姿势。图11为安装了 EOAT的活动目标在EOAT坐标系中的定乂。因此，每当发射台指向目标兀件16光敏阵列激光束,激光光斑中心能在工件坐标系中获得相应值。通过发射台-世界坐标系的转换关系，激光束都能够在世界坐标系中统一定义。因此，工件坐标值必须基于“世界线”。当知道4个或更多的活动目标的所述信息已知时，如果所述至少4个“世界线”没有相互平行，那么EOAT的6-D0F姿势可以被计算。可以通过使用超过4视线来取得增加精确度。这可以通过使用超过4个发射台/活动目标，或者控制装置平稳运行来获得，通过测量多个发射值来测量多余一个活动目标。
[0045]图17总结了一种新的方法，关于发射激光束到安装了工件的至少3个活动目标上来确定工作单元中工件的6-D0F的姿势。图13为安装了工件的活动目标在工件坐标系中进行定义的过程。因此，每当发射台指向部件安装活动目标的光敏阵列激光束，激光光斑中心能在工件坐标系中获得相应值。通过发射台-世界坐标系的转换关系，激光束都能够在世界坐标系中统一定义。因此，工件坐标值必须基于“世界线”。当3个或更多的活动目标的信息已知时，如果所述至少3个“世界线”没有相互平行，那么工件中的6-D0F姿势可以被计算。所述3个“世界线”的位置为在工件上的活动目标中相互正交。虽然这种情况不可能实现，但可以通过使用超过3视线来提高精确度。知道工件与世界坐标系的转换关系，如果当前工件的位置与“定义”(设计)的工件位置相同，就能允许运行设备或者设备(存储在运动程序中)的工作路径或者位置进行修改。
[0046]这个定义的工件位置可以用一个或多个运动设备程序工作路径或工作位置的最初的离线自动模拟中。通过运动路径的离线模拟使得当前工件的姿势能够进行’安全’的旋转和移位。。当然，确定“安全”的工件姿势同样也可以不通过离线编程模拟的帮助，其中(目前部分)可把这些对运动设备的姿势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。
[0047]图18总结了一种计算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)而发生的温度变化会出现漂移现象。这样，发射台-世界坐标系或发射合-工件坐标系的转换关系会出现定期变化。图18所示的其他3种提到的情况，在温度漂移时能根据相同的同法进行修正，即，换出有缺陷的发射台，监控托盘自动控制系统中的托盘-工作单元的漂移量，或者重新获得移动发射台中发射台-时间坐标系的关系。这个过程是完全类似与图14所示，在最初的校准过程中，该活动目标没有临时性的在工作单元中运行。
[0048]图19描述了一种精确纠正运动装置姿势的新测量系统的方法。这是相当简单的，不需要进一步讨论。同时包括了一种实惠的检验装置，包括运动设备，非接触式测量传感工具和新的测量装置。与系统的主要用途有所不同，从所述传感器的角度来看，比运动设备的固有的低精度更具有适应性(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“范围”来克服运动设备的低精度)只需在工作位置中定义测量传感器的姿势即可，。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的特征，以便使所述的测量系统作能测量移动的EOAT的6-D0F姿态。
[0049]本领域的技术人员通过所述具体实施例，对本发明可以进行修改，对于元件的替换等都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方法，其特征在于，包括步骤: 将作为芯片的光敏阵列附在快板上并将多个安装元件安装在快板上以形成活动目标； 将多个可移除的校准目标附在活动目标上； 将至少一个活动目标和可移除的校准目标与一个控制器可操作地连通； 提供一个校准点以建立一个校准点坐标系统； 将至少三个可移除的校准目标附在所述校准点上；以及 与位于所述校准点上的活动目标一起进行校准程序，从而允许多个附在活动目标上的可移除的校准目标能在坐标系中被测量，诸如光敏阵列的像素点，光敏列阵没有使用透镜系统，从而进行除了它的光敏表面之外的外部区域的观察。
2.如权利要求1所述的提高自动化精度的方法，其特征在于，包括通过使用一个外部测量系统来测量所述可移除的目标元件从而来确定像素-外部坐标系转换，继而建立一个相对于外部坐标系的光敏目标的步骤。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括校准在像素点中的所述活动目标上连接点的步骤，其中，相应的连接点预先在目标的坐标系中得到认证，所述连接点附在所述目标上，从而不适用外部测量系统来计算像素-外部坐标系转换。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括通过像素-外部坐标系转换，将在来自像素点的光敏表面上的激光束的处理过的图像转换为外部坐标系的坐标值。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括通过测量至少三个在外部坐标系中预先定义的光敏目标来确定相对于外部坐标系统的激光信标的位置和方向的步骤。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，两个或多个坐标系的关系能够通过所述激光信标将至少三个在外部坐标系中预先定义的光敏目标作为目标来确定。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括在少于四个活动目标同时被独立的激光信标照亮的情况下，计算目标的自由姿态的六个自由度。
【文档编号】G01B11/00GK104369197SQ201310358123
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2013年8月16日 优先权日:2013年8月16日
【发明者】布雷特·阿伦·博敦, 迈尔斯·丹尼尔·马基, 迈克尔·约翰·克里曼 申请人:维尔瑞尔逊瑞达克逊科技有限公司